JP5011380B2 - シート熱可塑性物質などの成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、シートを柔らかくするために熱を印加し、それを形成するために流体または気体を用いることにより、シートガラスおよびシート熱可塑性材料の成形に関する。本願明細書において、「熱可塑性物質」なる語は、温度の関数としての粘性が変化する任意の材料を指し、ホウケイ酸ガラスおよび溶融シリカなどのケイ酸塩ガラスおよびポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などのポリマー材料を含む。

ガラスシートは、フラットパネルディスプレイ、ハードディスクドライブ、車両のフロントガラス、装飾的な装飾品、ｘ線望遠鏡に用いられる光学素子などの広範囲の用途において用いられる。異なる用途は、最終的な形状のシートで異なる許容差を必要とする。フラットパネルディスプレイ業界および宇宙望遠鏡業界は、重量を最小限に抑えるために薄いシートを必要としているが、各分野に関する必要な仕様を満たすために、そのような用途に用いられる基体は、厚さの均一性および表面平面度に厳しい許容差を必要とする。

液晶フラットパネルディスプレイの場合には、２枚のガラスシートが厚さ１０μｍ未満の小さな間隙によって分離され、それにより、この間隙は液晶によって充填される。色ムラまたはコントラストムラなどのディスプレイムラを防止するために、またカラー液晶ディスプレイに対して、均一なディスプレイ、高コントラスト比および広視野角などの良好なディスプレイ性能を与えるために、２枚のガラスシートの間の間隙を一定かつ均一に維持しなければならない。これは、用いられるガラスシートが、波状表面を有し、間隙サイズにおける変動を結果として生じる場合に、問題となる。

熱を印加し、材料を重力によって成形型またはマンドレルに沈下させることを可能にすることによるガラスおよび熱可塑性材料の成形が、公知である。この処理はまた、スランピングとして周知である。加工物の温度は、その軟化点に近い温度まで上昇され、加熱されたシートは、重力によって沈下し、任意の一般的な形状であってもよい成形型の形状に適合する。

一部の方法は、熱可塑性シートの表面上に真空または可動プランジャなどの重力以外の力を用いて、成形処理を容易にして迅速化する。この処理において、成形型は、損傷または著しい変形を生じることなく、シートの軟化温度を超える温度に耐えることができる材料から作製されることが重要である。所望の形状が達成された後、シートおよび成形型は、所望の形状への熱可塑性材料の凝固を結果として生じるシートの軟化温度未満までゆっくり冷却される。

任意の形状のマンドレルへのスランピングおよびその表面が研削されて所望の許容差まで研磨されることは、熱可塑性シートの表面平面度を改善するための方法として用いられることができる。フロート処理、溶融処理およびスロットドロー処理などの異なる処理を用いて製造されるガラスシートは、フラットパネルディスプレイおよび宇宙望遠鏡用の基体として一般に用いられる。スロットドロー処理および溶融処理では、ガラスが形成されるときに、ガラスシートと任意のツールとの間に最小の接触を有するか、または接触が全くない。これは、ガラスシートへの不純物の導入またはガラスシートへの損傷を削減し、その表面を初期の状態の滑らかでファイアポリッシュされた品質を残すために、フラットパネルディスプレイ業界の場合には、特に重要である。

シートの形状を変化させるために、またはその平面度を改善するために、そのようなガラスシートまたは熱可塑性シートをマンドレル上にスランピングすることは、シートの表面の品質を落とす可能性がある。スランピングの処理に関して必要な高温で、マンドレルと接触すると、シートの表面を損なう可能性がある。シートとマンドレルとの間に挟まれる埃粒子および他の微粒子不純物または薄い汚染物質材料の存在は、スランピング後に、シートの最終表面に波紋を結果として生じる可能性がある。マンドレルおよび熱可塑性シートの表面からすべての埃粒子および汚染物質を除去することは、製造環境において困難である可能性がある。

場合によっては、たとえば、徹底的な洗浄およびクリーンルーム環境の使用によって、埃粒子の完全な除去は、形成される加工物によるマンドレルの溶融を結果として生じる可能性がある。たとえば、Ｒａｌｆ Ｋ． Ｈｅｉｌｍａｎｎら著「Ｎｏｖｅｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｓｈａｐｉｎｇ ｔｈｉｎ−ｆｏｉｌ ｏｐｔｉｃｓ ｆｏｒ ｘ−ｒａｙ ａｓｔｒｏｎｏｍｙ」、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．４４９６（２００１）参照。加工物によるマンドレルの溶融はまた、過剰に長いか、または高すぎる温度で進行するスランピング手順から結果として生じる可能性がある。この問題は、ガラス成形および熱可塑性成形の当業者には公知である。たとえば、ガラス職人は、スランピング中にスティッキングを防止するために、微細な耐熱性粒子のスラリから作られる成形型に薄いコーティングを一般に塗布する。別の実施例の場合には、有機離型剤の薄いコーティングが一般に、熱可塑性ポリマーの形成中に成形型に塗布され、スティッキングを防止する。別の実施例の場合には、黒鉛離型剤が、ガラスの車両フロントガラスの形成中に用いられる成形型に一般に塗布される。しかし、すべてのこれらの場合には、コーティングの粗さおよび微粒子および他の表面汚染物質の上述の影響は、最終生成物の外観と表面の品質を落とす可能性がある。

本願明細書に開示される本発明は、シートとマンドレルとの間に空気などの移動流体の薄膜を導入することによって、マンドレルと加工物による接触の有害な影響を排除する。したがって、マンドレルは、液体または気体である軸受流体を有する流体軸受として作用する。温度が熱可塑性材料の軟化温度を超えなければならない処理に関して必要な高温に耐えることができる流体を選択することが重要である。たとえば、ポリマー材料の場合には、流体は、水または油であってもよい。ホウケイ酸ガラスの場合には、流体は、空気または窒素などの気体であってもよい。

マンドレルとシートとの間の間隙は、製造環境における微粒子不純物の典型的な最大サイズより大きい寸法であるように制御されることもまた重要である。この状態は、流体の薄層が不純物粒子を包むか、または吸収することを可能にし、したがって、マンドレルと加工物との間でそのような粒子または表面汚染物質が力を伝達しないように防止する。流体層はまた、ガラス材料または熱可塑性材料の表面を成形するために、必要な力を提供する。

本願明細書に開示される本発明の主な目的は、シートガラス材料またはシート熱可塑性材料を成形するために用いられる周知の処理の上述の欠点を克服することである。

本願明細書に開示される本発明の別の目的は、シートと基準マンドレルとの間に挟まれる空気などの流体の移動層からの力を用いることによって、流体軸受上でシートガラス材料またはシート熱可塑性材料を成形することである。流体軸受は、多孔性材料または機械加工材料または作製材料から作られることができる。

２００６年５月２５日出願の「ＴＨＥＲＭＡＬ ＳＨＡＰＩＮＧ ＯＦ ＴＨＩＮ ＧＬＡＳＳ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ ＵＳＩＮＧ ＰＯＲＯＵＳ ＭＥＤＩＡ」という名称の米国特許仮出願第６０／８０８，４７５号の利益が、これにより請求され、文書全体が、参照により本願明細書に組み込まれる。

本願明細書に開示される本発明は、シートとマンドレルとの間に挟まれる空気などの流体の層からの力を用いることによって、シートガラス材料またはシート熱可塑性材料を成形するための処理および装置に関する。成形処理は、システムが熱平衡にあるときに、熱可塑性シートの軟化点に近い温度で行われる。したがって、この処理によって達成される形状が、材料の軟化点を通ってゆっくり冷却することによって、シートで維持される。空気軸受マンドレルの形状は、熱可塑性材料の最終的な形状を制御する際にきわめて重要であるが、唯一の制御要因ではない。シートとマンドレルとの間に挟まれる流体の圧力分散は、シートの最終形状を制御する際の別の重要な要因である。

本発明の処理は、空気層からの力が、シートの１つの表面上にあるようにシートの１つの表面で行われることができる。本発明の処理はまた、空気層からの力が、シートの２つの表面上にあるようにシートの２つの表面で行われることもできる。２つの構成は、形成されるガラスシートまたは熱可塑性シートに異なる結果を提供する。シートがフラットパネルディスプレイ業界の場合にシートを製造するために用いられる溶融処理およびスロットドロー処理などの連続処理において、シートが製造されている間に、施される場合に、シートの両側にそのような処理を用いることは、シートの平面度を改善する際に特に有用である。

シートとマンドレルとの間の間隙のサイズは、間隙を満たす流体の圧力分布を決定する際に重要である。シートとマンドレルとの間に挟まれる流体の圧力分布は、形成されるシートの最終形状を決定する別の要因である。一般に、より小さな間隙は、シートガラス材料またはシート熱可塑性材料上の間隙の内側で流体によって与えられるより大きな粘性力をもたらす。圧力分布は、マンドレルの形状、マンドレルとシートとの間の空隙のサイズ、およびマンドレルとシートとの間に圧迫される流体の供給圧力に左右される。これらの原理は、添付図面と合わせれば、好ましい実施形態の以下の説明からさらに明白となるであろう。

本発明による熱可塑性材料成形処理は、シートと予備成形空気軸受マンドレルとの間に挟まれる空気などの流体の層を用いることによって、熱可塑性材料のシートを成形することを伴う。熱可塑性材料は、その軟化点に近い温度まで加熱されなければならない。ガラスの場合には、この温度は通常、４００℃〜８００℃の範囲にあってもよい。炉は、シート、空気軸受マンドレルおよび成形空気の温度を制御し、成形の処理が熱平衡に近い状態で行われるようにする。

図１は、第１の実施形態の斜視図を示し、重力に対して垂直平面に向けられた２つの空気軸受の間に１枚のシートを配置する。図２は、滑り軸受構造のない状態で図示された同一の実施形態の断面図である。所望の結果は、ガラスシートまたは熱可塑性シート６の表面平面度を改善するためである。好ましいシート材料は、ホウケイ酸ガラスであるＳｃｈｏｔｔ Ｄ２６３Ｔであり、通常、その厚さに匹敵する反りを有するように製造される。

この実施形態は、一度に１枚のシートに対応することができる装置に実装される。空気軸受マンドレル３は、セラミック材料または耐熱性材料から作られることができるが、金属もまた用いられることができる。好ましい材料は、多孔性アルミナセラミックである。マンドレル３は、処理されるガラスシートまたは熱可塑性シート６によって達成されるために所望の平面度に研削されて粗研磨された。多孔性材料の側壁１１は、空気漏れを回避するために、高温グレーズを用いて封止される。

セラミックマンドレル３をプレナム構造９に取り付けるための１つの方法は、ろう付けまたはフリット接合などの高温接着接合の周知の方法による。ボルト継手または他のタイプの機械的固締具の使用もまた、オプションである。接合応力に起因する歪みを回避し、それにより、優れた平面度を達成するために、前表面ラッピング処理を行う前に、プレナム９に対するマンドレル３の接合を終了することが好ましい。

この実施形態において、シート６とマンドレル３との間の制御された間隙７が、耐熱性材料からなり、シート６の隅のちょうど内側に配置される等しい厚さの８つの小さな正確なスペーサ１２によって得られる。スペーサ１２は、図１および図２に示されているように対で組み立てられ、シート６の対向する側かつマンドレル３の間に向けられ、スランピング中、シート１２を適所に保持する。たとえば、寸法が１００ｍｍ×１００ｍｍのガラスシートをスランピングする場合には、好ましいスペーサは好ましくは、１０ｍｍ×１０ｍｍ程度であり、したがって、シートの小さな面積を覆い、シートとマンドレルとの間で圧迫される空気が大気中に逃げるのを妨げない。これらのスペーサの厚さが、各マンドレル３とシート６との間の空隙７のサイズを決定する。たとえば、ガラスシートをスランピングする場合に、スペーサ１２の好ましい厚さは、１０〜２０ミクロンである。

この実施形態において、熱可塑性シートはあるいは、シートを上から懸架するなどの他の方法を用いて適所で拘束されることができる。この場合には、マンドレル間の間隔は、マンドレル３の表面間に制御された均一な間隙を保持することができる任意の正確な機械的アセンブリによって維持されることができる。この手法は、さらに複雑なスランピング装置を結果として生じるが、利点は、基体のより大部分で、改善された平面度が得られることである。一般に、必要なことは、成形されることが所望であるその表面の範囲が、一方の表面または両方の表面で、マンドレル表面から離隔した状態で保持されるシート６を保持する装置である。

本発明の第１の実施形態において、ガラスシートの成形の処理は、以下のように進行する。固着されたスペーサ１２を有するマンドレル３およびガラスシート６のないマンドレル３が、開放位置において炉（図示せず）内に滑り軸受１３上に配置される。スランピングアセンブリは最初は、成形されることになっているシート６の軟化温度より低い温度で保持される。依然として固体であるシート６が、図示されていない機械的手段を用いて、２つの開放マンドレル３の間に導入され、各マンドレル３上の４つのスペーサ１２がシート６に接触し、マンドレル３間の適所でシート６を圧迫するまで、マンドレル３は、滑り軸受１３を用いて互いに近づけるように移動される。マンドレル３に対するスペーサ１２およびガラスシート６の均一な接触力は、軸受１３の正確な機械的設計および組み立てによって、またはマンドレルのうちの少なくとも１つの小さな水平回転および垂直回転を可能にする適合した機構（図示せず）によって、達成されることができる。この力は、間隙７における加圧空気によって印加される力より大きくなければならない。そうでなければ、成形処理中に２つのマンドレルが互いから分離する結果を生じることになる。マンドレル３の間でシート６の組み立ておよび圧縮を行った後、炉内の温度は、シートの軟化温度まで上昇され、その軟化点で加熱空気が以下に述べるように、マンドレルを通って吹き込まれる。あるいは、加熱空気は、上述の軟化温度が達成される前に、マンドレルを通って吹き込まれることができる。

加圧空気は、予熱されて、入口２を通って圧力プレナム１の中に導入される。熱可塑性シート６の両側における熱勾配および力の変動を回避するために、空気は、熱可塑性シート６の左および右に配置される両方のマンドレル３を通って同じ温度および圧力で導入されなければならない。たとえば、プレナム１間の空気温度における差は、シート６の厚さにわたる温度勾配を結果として生じ、冷却時にシートの曲がりを今度は結果として生じる。表面曲がりが所望の形状である場合には、この熱勾配を実装されることができる。

空気は、表面４で多孔性空気軸受に入り、表面５で多孔性空気軸受から出る。多孔性材料は、以下に記載される補償された軸受に比べて、マンドレル３およびシート６を分離する間隙７に比較的均一な圧力分散を提供するため、この実施形態において、空気軸受マンドレルには好ましい。熱可塑性シート６の対向する側におけるマンドレル３は、シートの両側で力の均等性を確保するために、同一でなければならない。力の均等性の欠如は、冷却時に、曲がったシートを結果として生じる可能性がある。

表面に機械加工された孔を有するマンドレルまたは入口孔および溝を有する溝付きマンドレルのように、異なる空気拡散機構を有するマンドレルもまた、補償方法として周知であり、用いられることができる。そのようなマンドレルの１つの構成が、図３に示されている。この構成において、マンドレル１００は、プレナム１からシート６に流れる空気用の経路を提供する複数の孔１０１を有するように作製されている。空気の流れは、マンドレル１００の表面に作製される複数のチャネル１０２によって広げられる。これらの詳細を別にすれば、作製されたマンドレル１００は、多孔性マンドレル９と同じ機能を果たす。

熱可塑性シート６が柔らかいときに、この処理が行われるため、空気層７からの力がシート６の形状を変化させることができる。空気層における力は、大気圧を超える圧力で表面５で多孔性マンドレル３から出て、圧力が大気圧まで低下する場合に、マンドレル３の縁８に向かって流れるときに、空気層７の粘性流れから生じる。シート６の対向する側に第２の同一のマンドレルを配置することは、その側にも同一の圧力供給を有する結果を生じる。このことは、シートの両側における力が平衡を保つようにシートが成形されることを確保する。

空気層からの力は、マンドレル３と形成されるシート６との間の間隙厚さ７に逆に左右される。シートの最初の波形に起因してこの間隙が比較的小さい位置では、間隙における空気から結果として生じる力が比較的大きく、間隙が比較的大きい位置では、力が比較的小さい。この特性は、シート６の表面平面度が改善されるように、シート表面を形成する際に、重要である。両方のプレナムにおける等しい供給圧力に関して、シート６の両側における間隙サイズが、シートの長さに沿って任意の所与の点で等しい場合に、力の平衡が到達される。その結果、図２に示されているように、ガラスの熱可塑性シート表面の波形が削減され、その表面平面度が、改善される。空気の薄層に曝されないガラスシートの縁は、依然として反ったままである。

一旦、シートが成形されると、シートが凝固するまで炉の温度は、ゆっくり低下される。凝固点で、マンドレルが摺動して離れ、シートが除去され、さらなる冷却を可能にするために、別の熱的に制御されたチャンバに配置される。この処理は、あらゆるシートに関して、マンドレルの熱循環を必要として、時間がかかる可能性がある。以下に記載したように、さらなる実施形態は、熱循環の必要性を回避する。

薄い加圧空気層７が作用する領域外のシートの波状の縁またはスペーサ１２と接触する領域付近のシートの波状の縁は、空気薄層７によって成形されたシートの大きな中心部分を残すように裁断されることができる。この成形は、裁断されるシートの中心領域のシート表面の品質を落とすことなく達成され、処理を通じて任意の他の表面と接触しない。

この実施形態において、この処理の基本的な要件は、空気軸受マンドレルそれ自体の平面度である。シートは、マンドレルと同程度に平坦であるように成形されるだけで済む。研削、ラッピングまたはダイヤモンド旋削などの公知の技術を用いて、必要な平面度にマンドレルを作製することができる。

シートの表面平面度を改善するための別の重要な要因は、デバイスに配置される前のシートの厚さの均一性である。シートが、厚さにおいて非均一である場合には、この処理は、シートの厚さ均一性に等しくなるように、せいぜいシートの平面度を改善する。大部分のガラスシート製造処理において、シート厚さの非均一性は、シートの波形より少なくとも１桁小さい。したがって、この実施形態は、表面平面度がシートの厚さの非均一性程度に匹敵するように、表面平面度を改善し、ガラスシートまたは熱可塑性シートの波形を削減する。

厚さの均一性は、薄いシートの両面研磨の公知の処理によって改善されることができる。他方、シートには、両面研磨ツールから除去された後、その前の波形状に跳ね返る傾向があるために、表面の波形は、両面研磨処理によって改善されることはできない。

当業者は、シート６の所望の形態が、円筒、球または回転放物面の一部などの非平坦な形状である本発明の第１の実施形態の別のバージョンを認識してもよい。この場合には、所望の形状に適合する凸面形状および凹面形状に合う対向する多孔性マンドレルは、周知の方法を用いて作製されることになる。第１の実施形態の手順によって非平坦な形状に成形されることが所望である平坦なシート６は、たとえば、従来の方法を用いて非空気軸受マンドレル上に予備スランピングによって所望の形状の近似形状に最初に形成されることが可能である。これらの予備成形シートは次に、前述のように、第１の実施形態の手順を用いて、空気軸受マンドレル装置上に組み立てられてスランピングされることができる。

本発明の第２の実施形態は、図４に図示され、所望の結果は、ガラスに関してスロットドロー処理または溶融処理などの連続処理を用いて製造されるときに、熱可塑性シートの表面平面度を改善することである。この実施形態は、垂直平面にシート１０およびマンドレル１６を配置し、連続リポン（幅、厚さ、処理などに応じて、ストリングまたはフィルムとも呼ばれる）の形のガラスシート１０が、たとえば、溶融処理またはスロットドロー処理において用いられるようなガラスまたは熱可塑性物質などの材料の連続リボンに適した従来の運搬装置によって、支持されて移動される矢印Ｄの方向に下方に移動中である。一般に、この実施形態の場合には、表面の名目上の点に対する垂線は、重力に対して水平である。この実施形態において、マンドレル１６の間のスロット２０にシート１０の入点２１で、シート１０は、シート材料の軟化温度に近いか、またはわずかに高いことが好ましい。波状のシート１０は、製造中、重力に起因して下方に移動するため、移動中のガラスの経路に配置される２つの対向する空気軸受マンドレル１６の間の間隙に導入される。マンドレルＵの第１の上部セットの上部部品は、間隙２０における空気によって成形される場合には、マンドレル１６の間に、ガラスシート１０を入りやすくするために、２１で先細になっている。成形処理は、第１の実施形態に記載した処理と類似であり、空気は、入口１５を通ってプレナム１４に入り、表面１７を通ってマンドレル１６に流れ込む。移動中のシート１０と平坦なマンドレル１６との間で圧迫される空気の薄層１９、２２は、その平面度を改善するために、高温で柔らかいガラスを成形する。マンドレルの縁２３は、封止され、流体が中から逃げることなく、むしろ表面１８を通って間隙２０に出るようになっている。

この成形処理は、製造されている間に下方に移動するため、シートの異なる断面で行われることができ、最も高く、したがって、シートが導入される場所に最も近い部分は、より高い温度で行われ、熱可塑性シートが凝固して、たとえば、断片に裁断されてもよい場所まで空気軸受の外側に運搬されるほど十分に冷却されるまで、移動中のシートの長さに沿ったより低い部分Ｌは、より低い温度で行われることができる。図４は、２つのそのような部分のみ、すなわち、シートを成形するための上部の高温の部分Ｕと、シートがマンドレルを出る前にその成形された形態で凝固するより低温の部分Ｌと、を示している。熱的に制御された部分の数は、異なる要件を満たすために可変であってもよい。加熱素子２４を用いて、移動中のシート１０の長さに沿って異なる部分の温度を制御することができる。

したがって、厚さにおいて均一なシートから始まり、本発明のこの実施形態に続くことにより、上記のシートの表面の波形の低減に関してより良好な結果が得られる。

上述したように図４に示される実施形態はまた、湾曲したマンドレルを用いることによって、２つのマンドレルの間で移動するため、平坦なシートの曲率を変化させるために用いられることもできる。対向する凹面マンドレルおよび凸面マンドレルなどの２つのマンドレルを用いて、マンドレルの間で薄いシートを圧迫して、シートをマンドレルの表面の幾何構成に適合するようにすることができる。シート重力の沈下の影響は、マンドレルの設計において補正されることができる。

図５に示される第３の実施形態は、（重力に対して水平であるシート表面の名目上の点に対して直交する線に関して）重力に対する垂直平面においてもシート３０およびマンドレル２５を配置する。非多孔性マンドレル２５は、熱可塑性シート３０を形成するために、所望の平面度許容差に研削および粗研磨される表面２６を有する。この実施形態において、形成される空気は、矢印Ａの方向において熱可塑性シート３０の下端部２７からこのシートの上端部２８に流れる。空気は、入口３４を通ってプレナム３２の中に導入され、シート３０とマンドレル２５との間に入り、シートを成形する。加熱素子３３は、シートの温度を制御するために用いられる。シートは、スペーサ３１または第１の実施形態において説明したような他の機構を用いて、マンドレル表面２６から離隔された表面に適所に保持されることができる。一旦、固体シート３０が２つのマンドレル２５の間に拘束されると、シート３０の温度が、その軟化点に近い温度まで上昇され、流れる空気の粘性力が、柔らかいシート３０の２つの表面を成形するようになっている。一旦、所望の形状が達成されると、温度は、シートを凝固するために、前の実施形態の場合のように低下される。

この実施形態において、空気層の力と間隙２９の厚さの関係は、第１の実施形態の関係に類似している。この特性は、シート３０の表面平面度が改善されるように、シート表面を成形する際に重要である。マンドレル表面２６の平面度およびシートの厚さの均一性の両方がいずれも、この実施形態においても支配的な要件であり、より良好なシート平面度結果を得るために十分に制御されなければならない。

本願明細書に記載されるすべての実施形態は、たとえば、シート表面に曲率を導入する場合には、垂直以外の平面においてその平面に向けられる形成加工物に関して行われることができるが、垂直から回転される場合には、シートの重量が、マンドレルを設計し、空隙における圧力分布を制御する場合に考慮されなければならない別の重要な変数となる。一般に、マンドレル２５とシート３０との間の間隙２９においてより高い圧力は、重力の沈下の影響を低減する傾向がある（この実施形態および上述のすべての他の実施形態の場合）。

図６は、第４の実施形態を示しており、水平面において加工物シート３９の平面およびマンドレルの平面を向ける。この手法において、唯一の予め画定されたマンドレル３８が、熱可塑性シート３９の下に配置される。マンドレルは、多孔性であってもよく、必要に応じて機械加工された孔および溝を有する固体のいずれであってもよい。シート３９とマンドレル３８との間の空気の層４１は、シートの重量を支える。このアセンブリを包囲する炉（図示せず）の温度は、シート３９の軟化点に近い温度まで上昇される。加熱空気は、入口４０を通ってプレナム３５に導入される。空気は、表面３６を通って多孔性空気軸受マンドレル３８に入り、表面３７を通ってマンドレル３８から出る。シート３９にかかる力は、間隙４１における粘性の空気の流れによる上向きの力およびシート３９の下向きの負荷の組み合わせである。マンドレルの縁４２における圧力は、大気圧である。この構成は通常、図７に示されているように、湾曲したシートを結果として生じる。これは、供給圧力がマンドレルおよびシートの中心に存在するのに対して、縁はより低い大気圧であるためである。シートの重力に起因する圧力は、その領域にわたって均一である。したがって、下向きに形成される力は、下向きの重力および流体軸受からの上向きの力の和であり、縁では下向きの方がより大きい。そのため縁には、中間部分より広範囲で下向きに力がかけられ、したがって、湾曲したシートを結果として生じる。特定の形状がシートによって得られる場合には、炉の温度は、シートが凝固されて除去されるまで低下される。シート３９における粘性空気およびシート３９の負荷からの圧力による力を組み込んだ有限要素解析は、シートの最終的な形状を予測するために行われることができる。

図８は、第５の実施形態を示しており、実質的に水平面において、シートおよびその主面を有する湾曲した空気軸受マンドレルを配置する。この構成は、大きなシート曲率が所望である場合に用いられることができる。マンドレル４７は、必要な曲率に研削および粗研磨される。シート４６が、マンドレルの上部に配置される。冷却時には、中心部分としてのシート４６の小さな領域のみが、マンドレル４７と接触状態にある。空気は、入口４８を通ってプレナム４３に流れ込み、表面４４を通ってマンドレル４７に流れ込み、表面４５を通ってマンドレルから出る。最初の接触領域は、シート冷却時に粘性力でシートが持ち上がるほど十分に大きいわけではない。炉の温度がシートの軟化点に近い温度まで上昇されると、シート４６は、柔らかくなり、それ自身の重量のためにスランピングを始める。シート表面が、湾曲したマンドレル表面４５に近づくようになると、シート４６とマンドレル４７との間の間隙の厚さが減少するにつれて、粘性空気の流れによる力が、著しくなる。空気の流れによる力が増大すると、図９に示されているように、シートは持ち上がり、その結果、マンドレルと接触しない。所望の形状がシートによって得られる場合には、炉の温度は、シートが凝固されて除去されるまで低下される。

図１０は、第６の実施形態を示しており、連続製造処理における成形のために、２つのマンドレルの間で力が印加される個々のシートを処理して平坦にする。この実施形態のさらなる利点は、各シートの全体領域が、他の実施形態では、空気軸受の外側にあるか、または処理中に保持機構と接触状態にある可能性がある縁領域の損失を生じることなく、良好な許容差に成形可能なことである。任意の幾何構成の個々のシートは、連続処理において、シートの各側でシートと２つのマンドレルとの間で圧迫される空気によって交互に成形される。スロット５２を有するステンレス鋼などの耐熱性材料の連続的コンベヤベルト５１またはエンドレスコンベヤベルト５１は、加熱マンドレル４９、５０によって複数の個別の基体シートを移動する。コンベヤ５１の厚さは、シート５４の厚さより小さい。コンベヤベルトにおけるスロットは、シートの横方向の移動を制限するように設計される。装填機構（図示せず）は、（図には右側に示されているように、）マンドレル４９、５０の間に入る前の位置で、ベルトのスロットに予熱された固体シート５４を配置する。下方のマンドレル５０は、シートの重力負荷を支える空気軸受として作用する。コンベヤベルトは、下方の空気軸受から空気の層上に現在浮遊中であるこのシートを矢印Ａの方向において移動し、加熱空気がマンドレル４９、５０を通って、シートに対して流れて、シートを成形する２つのマンドレル４９、５０の間の領域にシートを導入する。先細りの入口５６は、２つの空気軸受の間でシートの圧迫を容易にする。加熱器５３は、シートがマンドレルの間を通過するときに、マンドレルおよびシートの温度を制御するために用いられる。シート温度は、入口でその軟化点に近い温度まで上昇され、出口では固体状態に戻るように冷却される。これは、成形されたシートがその最終的な形状を失うことなく、マンドレルを出る前に凝固することを保証する。マンドレル領域から出た後、現在成形されたシートは、機械的なアーム（図示せず）によって、または必要に応じてさらなる処理に向けてシートを運搬するために、より下の高さである別のコンベヤベルト５５にシートを落下させることによって、リボンから除去される。

本発明の種々の実施形態が示されており、熱可塑性材料のシートがシートの少なくとも１つの表面とマンドレルの表面との間の流体軸受の存在下で形成される。一部の状況において、シートは、完全に垂直に向けられ、（図４に一般的に示されているように）流体軸受から出る力以外の手段によって重力に逆らって支持される。図４の場合には、流体軸受が提供する重要な機能は、マンドレルから離隔されたシートを維持することであり、その結果、マンドレルに対するシートの物理的な接触は起こらない。実際には、示されたすべての実施形態において、流体軸受は、接触することなくマンドレルからシートを離隔するこの機能を提供する。他の実施形態によれば、シートは、完全にまたはほぼ完全に水平に向けられ、その表面のうちの一方が、重力的にシートの下にあるマンドレル表面に面するようになっているが、流体軸受が存在する場合には、シートは、マンドレル表面と接触することになる。図８および図９は、この類の実施形態を示しており、形成されたシートは平坦ではなく、湾曲している。このタイプの場合において、流体軸受は、部分的に、マンドレルと接触するまでシートを下げさせ重力に逆らってシートを支持するように機能する。したがって、流体軸受は、その間に接触を生じないように、マンドレル表面から（この場合にはマンドレル表面の上に）シートを浮遊させる。図示されていないが、最初にマンドレルから離隔された状態で維持するために、または流体が流れていない時間中に、シートの表面の周囲の位置に位置決めされるスペーサもあってよい。シートが加熱され、スランピングし始める場合には、流体の流れは、柔らかくなった状態で下方に他の方法でスランピングするような位置で、スランピングシート材料がマンドレル表面に接触しないようにする。最後に、図示されていないが、形成されるシートが、重力に対して斜角で向けられ、その結果、シートの表面に対する垂線が、重力に対して水平および垂直の両方である成分を有するようになっている実施形態も考えられる。そのような実施形態は、図４に示されているような熱可塑性材料の連続リボン、図８に示されているような個別の基体、または図１０に示されているような個別の基体のストリームの形態を成してもよい。そのような場合には、流れている流体は、下方のマンドレルにシートを向けさせる重力に逆らって、シートを浮遊させるか、または支持するように機能する。また、シートを平坦にするために用いられる力を提供するためにも機能する。

また、重力またはシートの表側にかかる流体軸受の力に逆らってシートを逆流させるのではなく、流体軸受もまた、形成されるシートが、そのような接触形成方法によって与えられる表面状態を許容することができる場合、成形型がシートの表面に接触する場合に、用いられ得る従来の接触式形成成形型によって提供される力に逆らってシートを逆流するために用いられてもよいことに留意すべきである。

本願明細書に開示される本発明の重要な実施形態は、軟化点および少なくとも１つの表面を有する特定の形状に熱可塑性材料加工物を成形するための方法である。方法は、少なくとも１つの表面が成形された表面を有するマンドレルから離隔されているように熱可塑性材料の加工物を支持することと、加工物表面にわたって流体を流すことと、加工物表面にわたって圧力分布を確立することと、軟化点に近い温度まで加工物を加熱することと、加工物が特定の形状に適合するまで待機することと、軟化点未満まで加工物を冷却して、その結果、特定の形状を保持することと、を備える。

重要な関連実施形態によれば、特定の形状は、成形されたマンドレル表面に適合してもよい。または、特定の形状は、成形されたマンドレル表面とは異なるが、その間になんらかの関係を持っていてもよい。

関連する有利な実施形態の場合には、圧力分布は、マンドレルから離隔された加工物表面を維持するように構成され、多くの場合には、圧力分布は、マンドレル表面から等距離で加工物表面の実質的にあらゆる点を維持するように構成される。

好ましい実施形態の場合には、流体は、空気などの気体を備えてもよく、または液体であってもよい。

１つの好ましい実施形態によれば、流体の流れは、加工物の表面における流体軸受によって提供され、流体軸受は、加工物の１つの表面または２つの表面であってもよい。

２つの流体を有する場合には、それぞれが、それぞれの加工物表面にわたって圧力分布を有利に確立してもよく、加工物の第１の表面において圧力下にある流体の流れは、加工物に対して力を印加し、その力が加工物の第２の表面にわたって流れる流体に対して加工物を押し付ける。

有用な実施形態によれば、加工物は、１つの表面に対して直交する線が、水平であるように向けられる。または、加工物は、１つの表面に対して直交する線が、垂直であるように向けられてもよく、または、そのような垂線が、水平成分および垂直成分を有してもよい。

加工物が１つの表面に対して直交する線が、垂直である成分を有するように向けられる実施形態の場合には、圧力分布は、重力に逆らって、加工物の重量の少なくとも一部を支持するように配することができる。

さらに別の有用な実施形態によれば、加工物は、１つであってもよく、または熱可塑性材料の複数の個別の基体であってもよい。あるいは、加工物は有利に、熱可塑性材料の実質的に連続の本体であってもよい。

本発明の関連する重要な実施形態は、周囲の寸法および特定の表面形状を有する最終的な物品が作られることになっている熱可塑性材料の加工物を成形するための装置であり、加工物は、少なくとも１つの表面を有し、材料は、軟化点を有する。装置は、その軟化点に近い温度まで熱可塑性材料の加工物を加熱するように動作するヒータと、柔らかくなった加工物を支持するように構成された支持材と、を備え、すべての表面が、最終的な物品程度に大きい広がりに関して、任意の他の物理的な物体から離隔されて接触することがないようになっている。装置はさらに、加工物が特定の表面形状に適合できるようになるほど十分な期間、柔らかくなった加工物の少なくとも１つの表面に隣接して流れる流体を指向するように配置される流体流れ指向器を含む。

本発明の装置の重要な実施形態に関して、流体流れ指向器は、流れる液体を指向するように配置される液体流れ指向器を備える。または、流れる気体を指向するように配置される気体流れ指向器を備える。

本発明の装置の別の実施形態はさらに、加工物を冷却するように配置される冷却器を備える。

装置の実施形態もまた、重力に逆らって加工物を保持するために、複数の圧縮締付具を含んでもよく、締付具はそれぞれ、加工物の２つの対向する表面に押し付けられる耐熱スペーサ対であってもよい。

多くの有用な実施形態の場合には、加工物は、水平面に略平行である少なくとも１つの表面を有するように配されてもよく、支持材は、重力的に加工物の下である水平面に略平行に配置される支持表面を有するマンドレルを備えてもよく、その結果、流れる流体は、マンドレル表面と柔らかくなった加工物との間を流れるようにする。

一部の有用な実施形態の場合には、マンドレル支持材表面は、実質的に平面である。他の場合には、マンドレル支持材表面は、非平坦な曲面である。

流体流れ指向器は、加工物の少なくとも１つの表面、たとえば、２つの表面に隣接する流体軸受であってもよい。

本発明の装置のきわめて重要で好ましい実施形態は、流体として空気を用い、流体軸受は、多孔性空気軸受である。軸受はまた、補償軸受であってもよい。

本発明のさらに別の装置の実施形態の場合には、装置は、熱可塑性材料からなる複数の個別の基体に作用し、装置はさらに、流体流れ指向器に隣接し、次いでそこから離れるように個々の基体要素を移動するコンベヤを備える。

本発明のさらに別の重要な装置の実施形態の場合には、加工物は、熱可塑性材料からなる実質的に連続的なリボンであり、装置はさらに、リボン運搬機構を含む。

本願明細書に示されて記載される本発明の形態は、例示の実施形態およびその一定の改変を表す。種々の変更は、本発明の趣旨を逸脱することなく、以下に請求される主題に定義されるように行われてもよいことは理解されよう。

本発明の多くの技術および態様は、本願明細書に記載されている。当業者は、特に使用において共に記載しない場合であっても、これらの技術の多くが、他の開示された技術と共に用いられることができることを理解されよう。たとえば、平面シートを形成するために用いられるように示される方法および装置の多くは、非平坦なシートまたは複雑な曲率を有するシートを形成するために用いられることができる。機械的なシート締付機構および運搬機構は、柔らかくなったシートを重力に逆らって支持するために、単独であっても組み合わせであってもよく、また任意の類の流体軸受と組み合わせてもよい。流体軸受は、シートの一方の側または両側にあってもよく、シートの一方の側または両側でシート成形を形成するために用いられることができる。同じ動作において、２種類以上の流体を用いることができる。個別の静止装置に関連して示された機構および説明された技術は、適切であれば連続装置または移動装置と共に用いられることができる。マンドレル対は、平坦であってもよく、成形されてもよく、いずれかの構成は、実質的に水平、実質的に垂直またはいずれかに対して角度を成している形成された表面と共に用いられてもよい。

この開示は、２つの発明を記載して開示する。本発明は、本開示に基づき、本文献および任意の特許出願の出願中に出願されただけでなく、開発された関連文献の請求項に記載されている。本発明者らは、従来技術によって可能な制限に対して、続いて決定されているものとして、種々の本発明のすべてを請求することを意図している。本願明細書に記載される特徴は、本願明細書に開示される各発明に対して本質的ではない。したがって、本発明者らは、本願明細書に記載されるものの本開示に基づいて任意の特許の任意の具体的な請求項において請求されない特徴は、任意のそのような特許に援用されるものとすることを意図している。

ハードウェアの一部のアセンブリまたはステップのグループは、本願明細書では「本発明」と呼ばれる。しかし、これは、１つの特許出願において検討される発明の数または発明の単一性に関する法令によって特に想定されているように、任意のそのようなアセンブリまたはグループが必ずしも特許性に関して区別できることの承認ではない。本発明の実施形態について記載する近道であることを意図している。

要約は、本願明細書と共に提出される。この要約は、審査官および他の調査官が、技術的な開示の主題を迅速に確認することを可能にする要約を必要とする規則に準拠して提供されることは強調されよう。特許庁の規則によって約束されているように、請求項の範囲または意味を解釈または制限するために用いられるべきではないことを理解して、要約は提出される。

前述の説明は、例示として理解すべきであり、いかなる意味でも制限するものと考えるべきではない。本発明は、その好ましい実施形態を参照して特に示されて記載されているが、形態および詳細における種々の変更は、請求項によって定義されるように、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく行われうることは当業者によって理解されよう。

以下の請求項においてすべての手段またはステップおよび機能要素の対応する構造、材料、行為および等価物は、特に請求される他の請求された要素と組み合わせて機能を実行するための任意の構造、材料または行為を含むことを意図している。

本発明に記載されたことは、以下に請求される。

本願明細書に開示される本発明の第１の実施形態を表す垂直構成の斜視図であり、熱可塑性シートは２つのマンドレルの間で圧迫され、同時に、２つのマンドレルの間を吹く加熱空気がシートの表面を成形する。 マンドレル摺動機構がない状態の図１と同じ実施形態の断面側面図である。 機械加工された溝を有するマンドレルの斜視図である。 本発明の第２の実施形態を表す垂直構成の側面図であり、２つのマンドレルがガラスなどの波状の熱可塑性シートの両側に配置されると同時に、連続処理を用いて製造され、加熱空気がマンドレルの間およびガラスシートに対して吹いてシートを成形する。 本発明の第３の実施形態を表す垂直構成の側面図であり、２つのマンドレルがガラスシートまたは熱可塑性シートの両側に配置され、加熱空気がシートの下端から導入されて、シートと平行に流れて、シートを成形し、上端から出る。 本発明の第４の実施形態を表す水平構成の側面図であり、ガラスなどの熱可塑性シートが、１つの平坦なマンドレルの上に配置され、マンドレルの間を吹く空気が、シートの重量を支えて、シートを形成する。 図６の実施形態の側面図であり、ガラスがマンドレルの間およびガラスシートに対して吹く空気によって成形されることを示している。 本発明の第５の実施形態を表す水平構成の側面図であり、熱可塑性シートが、この図では凸面であるように示される１つの湾曲したマンドレルの上に配置され、空気がマンドレルの間を吹き、高温でそれ自体の重量に起因して沈下した後、熱可塑性シートを成形する。 図８と同じ実施形態の側面図であり、ガラスがマンドレルの間およびガラスシートに対して吹く空気によって成形されることを示している。 本発明の実施形態を表す側面図であり、連続方式で個別のシートを成形する。

Claims (16)

1. 少なくとも１つの表面を有する特定の形状に軟化点を有する熱可塑性材料加工物を成形するための方法であって、
   前記少なくとも１つの表面が成形された表面を有するマンドレルから離隔されているように前記熱可塑性材料の加工物を支持することと、前記加工物と前記表面との間に間隙を設け、前記加工物表面にわたって流体を流し、前記間隙に前記流体の流れを設け、前記加工物表面に対する圧力が、前記間隙に前記流体の流れを設け、前記加工物表面に対する圧力が、前記間隙が比較的小さい位置では、前記間隙における空気から結果として生じる圧力が比較的大きく、前記間隙が比較的大きい位置では、圧力が比較的小さくなるように前記流れが前記加工物表面にわたって圧力分布を確立することと、
   前記軟化点に近い温度まで前記加工物を加熱することと、
   前記加工物が前記成形された表面から離隔して維持されるように前記加工物表面にわたって前記流体の流れを保持しつつ、前記マンドレルの成形された表面と前記流体の圧力分布とによって前記加工物が前記特定の形状に適合するまで待機することと、
   前記軟化点未満まで前記加工物を冷却して、その結果、前記特定の形状を保持することと、
   を備える方法。
2. 前記特定の形状は、前記成形されたマンドレル表面に適合する、請求項１に記載の方法。
3. 前記圧力分布は、前記マンドレルから離隔された前記加工物表面を維持するように構成されている、請求項１に記載の方法。
4. 前記圧力分布は、前記マンドレル表面から等距離で前記加工物表面のあらゆる点を維持するように構成されている、請求項３に記載の方法。
5. 前記流体は、気体を備える、請求項１に記載の方法。
6. 前記気体は、空気を備える、請求項５に記載の方法。
7. 前記流体は、液体を備える、請求項１に記載の方法。
8. 流体の前記流れは、前記加工物の前記表面でマンドレルによって提供される、請求項１に記載の方法。
9. 流体の前記流れは、前記加工物の２つの表面のそれぞれで、マンドレルによって提供される、請求項１に記載の方法。
10. 各マンドレルは、前記それぞれの加工物表面にわたって圧力分布を確立し、前記加工物の第１の表面において圧力下にある流体の前記流れは、前記加工物に対して力を印加し、その力が前記加工物の第２の表面にわたって流れる前記流体に対して前記加工物を押し付ける、請求項９に記載の方法。
11. 前記加工物は、１つの表面に対して直交する線が、水平であるように向けられる、請求項１０に記載の方法。
12. 前記加工物は、１つの表面に対して直交する線が、垂直であるように向けられる、請求項１０に記載の方法。
13. 前記加工物は、１つの表面に対して直交する線が、水平成分および垂直成分を有するように向けられる、請求項１０に記載の方法。
14. 前記加工物は、１つの表面に対して直交する線が、垂直である成分を有するように向けられ、前記圧力分布は、重力に逆らって、前記加工物の重量の少なくとも一部を支持するように配される、請求項１０に記載の方法。
15. 前記加工物は、前記熱可塑性材料の複数の個別の基体を備える、請求項１に記載の方法。
16. 前記加工物は、前記熱可塑性材料に連続の本体を備える、請求項１に記載の方法。

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