KR101332103B1 - 성형품의 제조 방법, 지지 부재 및 성형 장치 - Google Patents

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노리아키 다구치
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호야 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 열연화성 물질로 이루어진 성형 소재를 성형형 성형면 위에 배치하고, 상기 성형 소재를 변형 가능한 온도까지 가열해 이 성형 소재의 아랫면 전면을 상기 성형면에 밀착시킴으로써, 상기 성형 소재의 윗면을 원하는 형상으로 성형하는 것을 포함하는 성형품 제조 방법에 관한 것이다. 상기 성형 소재의 배치는, 상기 성형 소재를 지지 부재에 의해 지지하고, 또한 성형 소재 아랫면 주연부 (周緣部, rim portion)의 적어도 일부가 성형면과 밀착하여, 성형 소재 아랫면 중심부가 성형면과 이간한 상태가 되도록 실시하고, 상기 지지 부재에 의한 지지는, 성형 소재 측면 하방부는 지지 부재와 이간한 상태에서 성형 소재 측면 상단부의 적어도 일부를 상기 지지 부재에 의해 지지함으로써 실시된다. 본 발명에 따르면, 열수하 성형법에 의해 원하는 형상의 성형품을 고정도로 제조할 수 있다.

Description

성형품의 제조 방법, 지지 부재 및 성형 장치{PROCESS FOR PRODUCTION OF MOLDED ARTICLES, HOLDERS, AND MOLDING EQUIPMENT}
본 발명은 열수하 성형법 (hot sag forming method)에 의한 성형품의 제조 방법, 및 상기 방법에 사용될 수 있는 지지 부재 및 성형 장치에 관한 것이다.
안경 렌즈용 유리 몰드의 성형 방법으로는 기계적 연삭 연마법이나 기계적 연삭법이나 방전 가공 등의 전기적 가공법에 의해 작성한 내열성 모형을 이용해, 이것에 유리 블랭크스를 접촉 가열 연화시켜 모형의 면 형상을 전사하는 방법 등, 얻고자하는 면 형상마다 연삭 프로그램을 이용하거나, 대응하는 면 형상을 가지는 모형을 성형하는 방법이 채용되고 있다.
근래 축대칭의 비구면 렌즈 설계를 조립함으로써, 얇은 두께의 경량화를 도모한 다초점 안경 렌즈의 수요가 증대하고 있다. 그 때문에, 이러한 복잡한 형상의 안경 렌즈를 얻기 위한 몰드의 성형법으로서 열수하 성형법이 제안되고 있다 (일본 특개평 6-130333호 공보, 특개평 4-275930호 공보 참조).
열수하 성형법은 유리 등의 열연화성 물질로 이루어진 성형 소재를 형 위에 얹고, 그 연화점 이상의 온도로 가열함으로써 성형 소재를 연화시켜 형과 밀착시킴으로써 형 형상을 성형 소재의 윗면에 전사시켜 원하는 면 형상을 가지는 성형품을 얻는 성형법이다.
열수하 성형법에서는 형 성형면의 면 형상을 성형 소재 윗면에 전사하기 때문에, 높은 면 정도 (精度)를 얻기 위해서는 성형 소재의 재치 (載置) 위치를 정확히 제어하는 것이 바람직하다.
따라서, 예를 들면 링 모양의 지지 부재를 이용해 성형형 위의 성형 소재를 지지하고, 위치 결정을 실시하는 것이 고려된다. 그러나, 지지 부재가 유리 등의 성형 소재와 접촉한 채 가열 연화되면 지지 부재와 성형 소재의 열 팽창 계수가 다름으로 인해 접촉부에 압력이나 변형이 생겨 성형 정도를 저하시키는 요인이 된다. 또, 지지 부재가 성형 소재와 접촉한 채 가열 연화되면 성형 소재와 지지 부재 사이에 융착이 발생한다는 문제도 있다.
따라서, 상기 융착을 방지하기 위해 위치 결정 후에 지지 부재를 제거하는 것도 고려된다. 그러나, 성형형 위에 배치한 성형 소재의 위치를 전혀 바꾸지 않고 지지 부재를 성형 소재로부터 제거하는 것은 곤란하고, 또 열 연화가 어느 정도 진행하기까지 성형 소재를 지지하지 않으면 반송 등에 의해 성형 소재가 위치 어긋남을 일으킬 우려도 있다.
이러한 상황하, 본 발명은 열수하 성형법에 있어서 성형형 위의 성형 소재를 정확히 위치 결정하는 동시에 가열 연화시의 위치 어긋남을 막음으로써, 높은 성형 정도를 갖고 성형품을 제조하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은
열연화성 물질로 이루어진 성형 소재를 성형형 성형면 위에 배치하고, 상기 성형 소재를 변형 가능한 온도까지 가열해 이 성형 소재의 아랫면 전면 (全面)을 상기 성형면에 밀착시킴으로써, 상기 성형 소재의 윗면을 원하는 형상으로 성형하는 것을 포함하는 성형품 제조 방법으로서,
상기 성형 소재의 배치는, 상기 성형 소재를 지지 부재에 의해 지지하고, 또한 성형 소재 아랫면 주연부 (周緣部, rim portion)의 적어도 일부가 성형면과 밀착하여, 성형 소재 아랫면 중심부가 성형면과 이간한 상태가 되도록 실시하고,
상기 지지 부재에 의한 지지는, 성형 소재 측면 하방부는 지지 부재와 이간한 상태에서 성형 소재 측면 상단부 (上端部)의 적어도 일부를 상기 지지 부재에 의해 지지함으로써 실시하는 성형품 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은
성형형 성형면 위에 배치한 열연화성 물질로 이루어진 성형 소재를 변형 가능한 온도까지 가열해 이 성형 소재의 아랫면을 상기 성형면에 밀착시킴으로써, 상기 성형 소재의 윗면을 원하는 형상으로 성형하는 성형법에 있어서, 상기 성형면 위에 배치된 성형 소재를 지지하기 위해 사용되는 지지 부재로서,
환상부를 갖고, 또한
환상부 내주에 상기 가열 전의 성형면 위에 배치된 성형 소재의 측면 상단부의 적어도 일부와 맞닿게 하는 지지 영역과, 이 성형 소재와 비접촉 상태에 있는 비지지 영역을 가지는 지지 부재에 관한 것이다.
또한, 본 발명은
열연화성 물질로 이루어진 성형 소재를 성형형 성형면 위에 배치하고, 상기 성형 소재를 변형 가능한 온도까지 가열해 이 성형 소재의 아랫면 전면을 상기 성형면에 밀착시킴으로써, 상기 성형 소재의 윗면을 원하는 형상으로 성형하는 것을 포함하는 성형품 제조 방법에 사용되는 성형 장치로서,
성형면을 가지는 성형형과 상기 지지 부재를 포함하고,
상기 성형면은 상기 가열 전에 성형 소재 아랫면 주연부의 적어도 일부와 밀착하는 주연 밀착부와 성형 소재 아랫면 중심부와 이간하는 중심 이간부를 포함하는 성형 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 열수하 성형법에 의해 원하는 형상의 성형품을 고정도로 제조할 수 있다.
도 1은 연화 전후의 성형 소재와 성형형의 접촉 상태의 모식도이다.
도 2는 연화 전후의 지지 부재와 성형 소재 측면의 접촉 상태의 확대 모식도이다.
도 3은 도 1에 나타내는 환상 부재의 상면도를 도 3(a)에, 도 3(a)의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도를 도 3(b)에 나타낸다.
발명을 실시하기 위한 바람직한 형태
이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 열연화성 물질로 이루어진 성형 소재를 성형형 성형면 위에 배치 하고, 상기 성형 소재를 변형 가능한 온도까지 가열해 이 성형 소재의 아랫면 전면을 상기 성형면에 밀착시킴으로써, 상기 성형 소재의 윗면을 원하는 형상으로 성형하는 성형품의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 성형 소재의 배치는, 상기 성형 소재를 지지 부재에 의해서 지지하고, 또한 성형 소재 아랫면 주연부의 적어도 일부가 성형면과 밀착하여, 성형 소재 아랫면 중심부가 성형면과 이간된 상태가 되도록 실시되며, 상기 지지 부재에 의한 지지는, 성형 소재 측면 하방부는 지지 부재와 이간된 상태에서 성형 소재 측면 상단부의 적어도 일부를 상기 지지 부재에 의해서 지지함으로써 실시된다. 본 발명에서는 상기와 같이 성형 소재의 배치 및 지지 부재에 의한 지지를 실시함으로써, 성형 소재와 지지 부재의 융착을 일으키지 않고 지지 부재에 의해서 성형형 위의 성형 소재의 위치 결정, 지지를 실시할 수 있다. 이하, 이 점에 대하여 도 1 및 도 2에 기초하여 설명한다.
도 1은 연화 전후의 성형 소재와 성형형의 접촉 상태의 모식도이다. 도 1에 나타내는 태양에서는, 아랫면이 볼록면 (凸面), 윗면이 오목면 (凹面)인 메니스커스 형상의 성형 소재를 볼록면 형상의 성형형 성형면에 배치하고 있다. 도 2는 연화 전후의 지지 부재와 성형 소재 측면의 접촉 상태의 확대 모식도이다.
본 발명에서는 성형 개시에 있어서, 성형 소재를 지지 부재에 의해서 지지한 상태로 성형형 성형면 위에 배치한다. 도 2(a)에 나타내는 바와 같이, 지지 부재에 의한 지지는, 성형 소재 측면 하방부는 지지 부재와 이간된 상태에서 성형 소재 측면 상단부의 적어도 일부를 상기 지지 부재에 의해서 지지함으로써 실시된다. 여기서, 성형 소재 측면 상단부는, 예를 들어 성형 소재 측면의 위쪽 4/5의 범위이고, 바람직하게는 위쪽 1/2의 범위이며, 성형 소재 측면 하방부란, 상기와 같이 지지 부재에 의해서 지지되는 부분보다 아래에 위치하는 부분을 말한다.
또한, 본 발명에서는 성형 개시에 있어서, 도 1(a)에 나타내는 바와 같이, 성형 소재를 성형 소재 아랫면 주연부가 성형면과 밀착하여, 성형 소재 아랫면 중심부가 성형면과 이간된 상태가 되도록 성형형 성형면 위에 배치한다. 여기서, 성형 소재 아랫면 중심부란, 예를 들어 아랫면 중심으로부터 반경 1/2까지의 위치를 말하며, 바람직하게는 아랫면 중심으로부터 반경 50mm까지의 위치를 말한다. 또, 성형면과 밀착하는 성형 소재 아랫면 주연부는 상기 성형 소재 아랫면 중심부보다 바깥쪽에 위치하는 부분이다. 성형 개시시에는, 성형형 성형면과의 접촉부는 성형 소재 아랫면 주연부뿐이며, 주연부보다 안쪽의 성형 소재 기하 중심을 향하는 모든 범위에서, 재치된 성형 소재 아랫면과 성형면은 이간한 상태에 있으며, 공간을 형성한다.
이와 같이, 아랫면 주연부에서만 성형형 성형면과 접촉시킨 상태에서 성형 소재를 가열 연화하면, 가열에 동반하여 연화된 성형 소재 중심부가 자중에 의해 연직 방향으로 변형되어, 도 1(b)에 나타내는 바와 같이 아랫면 중심부가 성형면과 접촉한 상태가 된다. 이 아랫면의 형상 변화에 의해, 성형 소재 윗면은 미소량 수축하는 형상 변화를 일으킨다. 본 발명에서는 성형 소재를 측면 상단부에서만 지지 부재에 의해서 지지하기 때문에, 상기 성형 소재 윗면의 수축에 의해 성형 소재와 지지 부재의 접촉이 해제되어, 도 2(b)에 나타내는 바와 같이 지지 부재가 성형 소재와 이간된다. 한편, 성형 소재 주연부는 성형 개시시부터 성형면과 접촉한 상태 에 있기 때문에, 열팽창에 의한 확대가 억제되므로, 성형 소재 측면 하방부와 지지 부재의 비접촉 상태를 유지할 수 있다. 이렇게 해서, 적어도 성형 소재 아랫면 전면이 성형형 성형면에 밀착했을 때에는, 성형 소재는 지지 부재와 이간된 상태로 할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 의하면 성형 소재와 지지 부재의 융착을 일으키지 않고, 성형형 위의 성형 소재의 위치 결정을 실시하여, 가열 연화시의 위치 어긋남을 방지함으로써 고정도로 성형을 실시할 수 있다. 또, 성형 중, 성형 소재 측면 하방부는 지지 부재와 접촉하지 않기 때문에, 열팽창의 차이에 의해 압박받지 않고 일그러짐 등의 발생을 막을 수도 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 성형 소재의 가열 연화에 따른 형상 변화 (성형 소재 아랫면 중심부의 성형면과 접촉하는 방향으로의 이동 및 그에 따른 성형 소재 윗면의 수축)에 동반하여 성형 소재와 지지 부재의 접촉이 해제되기 때문에, 융착 회피를 위해서 지지 부재를 제거할 필요는 없다. 따라서, 본 발명에서는 지지 부재를 성형형 위로부터 제거하지 않고, 성형 소재와 지지 부재의 융착을 일으키지 않고 성형을 실시할 수 있다. 본 발명에서는 적어도 성형 소재 측면 상단부와 지지 부재가 이간할 때까지의 동안, 나아가서는 성형 소재 윗면의 성형이 완료할 때까지의 동안, 성형형 위에서의 지지 부재의 고정 상태를 유지하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 정확한 위치 결정을 실시하여 성형 정도를 높일 수 있다.
다음에, 상기 지지 부재 및 지지 부재에 의한 지지의 상세에 대하여 설명한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서 사용되는 지지 부재는 성형 소재 측면 하방 부와의 비접촉 상태를 유지하면서, 성형 소재 측면 상단부의 적어도 일부를 지지하는 것이 가능한 형상을 갖는다. 그와 같은 지지 부재의 일례로는, 도 1에 단면도를 나타내는 바와 같이, 성형 소재 외주 끝면을 따라서 원형상을 이루어, 성형 소재를 재치하는 부분이 공간이 되는 환상 부재를 들 수 있다. 도 1에 나타내는 환상 부재의 상면도를 도 3(a)에, 도 3(a)의 I-I선 단면도를 도 3(b)에 나타낸다.
상기 지지 부재는 성형 소재 측면 상단부의 적어도 일부를 지지하면 되나, 성형 소재를 안정적으로 지지하기 위해서는 성형 소재 측면 상단부의 적어도 3점과 맞닿게 함으로써 성형 소재를 지지하는 것이 바람직하며, 성형 소재 측면 상단부 전주 (全周, entire circumference)와 맞닿게 함으로써 성형 소재를 지지하는 것이 더욱 바람직하다. 예를 들어, 도 1에 나타내는 환상 부재는 도 2에 나타내는 바와 같이, 그 내주에 돌기부(1101)와 끝면(1102)을 가지며, 돌기부(1101)가 성형 소재 측면 상단부와 맞닿게 함으로써 성형 소재를 지지한다. 끝면(1102)은 성형 소재 측면에 접하지만, 이 측면과는 비접촉 상태에 있는 면이다. 또한, 상기 돌기부는 반드시 지지 부재 내주 전주에 배치할 필요는 없으며, 부분적으로 배치하는 것도 가능하다. 예를 들어, 지지 부재 내주 위에, 예를 들어 3개 이상의 돌출부를, 바람직하게는 같은 각도로 배치하는 것도 가능하다. 단, 확실한 위치 결정 지지를 실시하기 위해서는, 상기 돌기부를 지지 부재 내주 전주에 환상으로 형성하는 것이 바람직하다.
돌기부(1101)의 형상은 위치 결정 지지하는 성형 소재의 치수 및 형상을 고려해서 결정할 수 있다. 예를 들어, 지지 부재 내주 전주에 돌기부(1101)를 형성하 는 경우, 돌기부(1101)의 내경은, 예를 들어 외경 60~90㎜의 성형 소재를 이용할 경우, 성형 소재의 외경을 기준으로 해서 성형 소재의 외형에 대하여 공차 -0 ~ +0.05㎜의 범위로 할 수 있다. 돌기부(1101)의 성형 소재 측면 상단부와의 접촉부의 폭 (도 2 중의 d)은 성형 소재를 지지 가능하고, 또한 연화 후에 이간 가능할 정도의 폭으로 하는 것이 바람직하며, 예를 들어 성형 소재 측면의 폭 (도 2 중의 D)이 3~20㎜인 경우에는, 예를 들어 D의 10~20% 정도로 하는 것이 바람직하다. 또한, 돌기부(1101)의 상연부 (上緣部)가 성형 소재 상연 끝부와 접촉하도록 배치하는 것이 바람직하다.
도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 지지 부재는 성형형 주연의 상부에 끼워 맞추어 배치할 수 있다. 그리고, 성형형과 끼워 맞추는 끝면(1105)의 형상은 성형형의 형상에 맞추어 설정하는 것이 바람직하며, 예를 들어, 상기 외경의 성형 소재를 이용하는 경우, 성형형의 외경을 기준으로 해서 공차 +0.1㎜~0.2㎜로 할 수 있다. 또, 성형형 측면에 단차 설치부 (step mount part)를 마련하여 지지 부재 외주 바닥면과 끼워 맞춤으로써 지지 부재를 보다 안정적으로 지지할 수 있다.
본 발명에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이 성형 소재를 배치한 성형형 위에 방진용 뚜껑을 씌워 성형시의 이물 (티끌, 먼지 등) 혼입을 방지할 수도 있다. 방진 뚜껑을 사용하는 경우에는, 예를 들어, 도 2에 나타내는 바와 같이, 성형 소재 외주의 단차부에 있는 끝면(1103)과 방진 뚜껑의 개구부를 끼워 맞추어 방진 뚜껑을 배치한다. 끝면(1103)의 폭은 방진 뚜껑의 개구부에 대하여 충분한 면적이 있으면 되며, 예를 들어 6~8㎜ 정도로 할 수 있다. 또한, 끝면(1103)의 표면은 방진 뚜 껑과의 밀착성을 높이기 위해서 경면 (鏡面) 가공할 수 있다.
상기 지지 부재는 내주부에 마련한 돌기부(1101)에서 재치되는 성형 소재 측면 상단부의 적어도 일부, 바람직하게는 성형 소재 측면 상단부 전 주위를 지지하여 성형 소재를 성형형 성형면의 원하는 위치에 배치하기 위한 위치 결정을 실시한다. 상기 원하는 위치란, 예를 들어 성형형 성형면의 기하 중심과 성형 소재의 광학 중심 또는 기하 중심이 일치하는 위치이다.
상기 지지 부재는 내열성 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 내열성 재료로는 내열 스테인리스재가 바람직하며, 예를 들어 오스테나이트계가 적합하다. 오스테나이트계 스테인리스재는 C, Si, Mn, P, S, Ni, Cr, Mo를 포함하는 조성으로 이루어진 것이다. 함유하는 화학 성분의 비율 (중량%)은, 예를 들어 C가 0.08% 이하, Si가 1.50% 이하, Mn이 2.00% 이하, P가 0.045% 이하, S가 0.030% 이하, Ni가 19.00~22.00%, Cr이 24.00~26.00%이다. 구체적으로는, 고 크롬·고 니켈계의 SUS310S를 사용할 수 있다.
지지 부재의 형상 가공은 머시닝 센터 (machining center) 또는 NC 프라이스반 (milling disk)을 이용하여 실시할 수 있다. 지지 부재 표면에는 내구성 향상을 위해 산화 피막을 형성하는 것이 바람직하다. 피막 형성을 위한 표면 처리로는, 예를 들어 전해 연마 마무리 또는 정전 도장 등을 이용할 수 있다.
다음에, 본 발명에서 사용되는 성형 소재에 대하여 설명한다.
본 발명에서는 열연화성 물질로 이루어진 성형 소재를 이용한다. 상기 열연화성 물질로는 유리를 사용할 수 있다. 그 중에서도, 크라운계, 플린트계, 바륨계, 인산염계, 불소함유계, 플루오로인산계 등의 유리가 적합하다. 유리 재료 소재의 구성 성분으로 제 1 로는, 예를 들어 SiO2, B2O3, Al2O3을 포함하며, 유리 재료 조성은 몰 백분율로 SiO2가 45~85%, Al203이 4~32%, Na2O+Li2O가 8~30% (단, Li2O는 Na2O+Li2O의 70% 이하), Zn0 및/또는 F2의 합계량이 2~13% (단, F2 < 8%), Li2O+Na20/Al2O3이 2/3~4/1, SiO2+Al2O3+Na2O+Li2O+ZnO+F2>90%로 되는 유리가 적합하다.
또 제 2 로는, 예를 들어 유리 재료 조성은 몰 백분율로 SiO2가 50~76%, Al2O3이 4.8~14.9%, Na2O+Li2O가 13.8~27.3% (단, Li2O는 Na2O+Li2O의 70% 이하), Zn0 및/또는 F2의 합계량이 3~11% (단, F2 < 8%), Li2O+Na2O/Al2O3이 2/3~4/1, SiO2+Al2O3+Li2O+Na2O+Li2O+ZnO+F2 > 90%가 되는 유리가 바람직하다.
덧붙여서, 제 3 으로는 예를 들어,
SiO2 (47.8%), Al2O3 (14.0%), Na2O (12.1%), B2O3 (%), ZnO (6.0%), F2 (2%), MgO (2%), Li2O (16.1%), As2O3 (0.3%)으로 이루어진 유리 조성:
또한 제 4 로는 예를 들어,
SiO2 (63.6%), Al2O3 (12.8%), Na2O (10.5%), B2O3 (1.5%), Zn0 (6.3%), Li2O (4.8%), As2O3 (0.3%), Sb2O3 (0.2%)으로 이루어진 유리 조성은 더욱 바람직하다.
그리고, 10%를 넘지 않는 범위에서 다른 금속 산화물, 예를 들어 MgO, PbO, CdO, B2O3, TiO2, ZrO2나 착색 금속 산화물 등을 유리의 안정화, 용융의 용이, 착색 등을 위해서 첨가할 수 있다.
또, 유리 재료의 다른 특징으로, 예를 들어 열적 성질은 왜점 (distortion point) 460℃, 서냉점 (annealing point) 490℃, 연화점 650℃, 유리 전이 온도(Tg)가 485℃, 굴복점 (yield point, Ts)이 535℃, 비중은 2.47(g/㎤), 굴절률은 Nd1.52300, 열확산 비율은 0.3576㎠*분, 푸아송비 (Poisson's ratio) 0.214, 광탄성 정수 2.82×10E-12, 영률 (Young's modulus) 8340kgf/㎟, 선팽창 계수 8.5×10E-6/℃이다.
단, 본 발명은 상기 유리 이외에도 적용 가능하며, 상기 태양으로 한정되는 것은 아니다.
상기 성형 소재는 열연화성 물질을 원하는 형상으로 가공함으로써 얻을 수 있다. 성형 소재의 가공은 공지의 방법으로 실시할 수 있다. 성형 소재의 형상은 평판상, 구상, 타원형상, 회전 대칭 형상 (토릭 렌즈 (toric lens), 비구면 회전 대칭 굴절력 렌즈), 자유 곡면 형상 (누진 굴절력 렌즈, 비구면형 양면 굴절력 렌즈) 등인 것이 가능하며, 바람직하게는 양면에 구면의 연마면을 갖는 메니스커스 형상이다. 특히, 전술한 바와 같이, 성형 개시시에 성형 소재 아랫면 중심부와 성형면을 이간 상태로 하는 동시에, 가열 연화에 수반하여 성형 소재 윗면을 수축시켜 지지 부재와의 접촉을 해제하기 위해서는, 아랫면이 볼록면, 윗면이 오목면인 메니스커스 형상의 성형 소재를 오목면 형상의 성형형 성형면 위에 배치하는 것 및 아랫면이 오목면, 윗면이 볼록면인 메니스커스 형상의 성형 소재를 볼록면 형상의 성형형 성형면 위에 배치하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 가열 연화에 의해 성형 소재 윗면을 수축시켜 지지 부재와 성형 소재를 이간시킬 수 있도록, 성형 개시시에 성형 소재 아랫면과 성형면 사이에 공간을 마련하는 것이 바람직하며, 이 점을 고려하여 성형 소재 아랫면 및 성형형 성형면의 곡률 반경 등을 설정하는 것이 바람직하다. 성형 개시시에서의 성형 소재 아랫면 중심과 성형형 성형면 중심의 거리 (간격)는 성형 소재의 치수 등에 따라서도 다르지만, 예를 들어 0.2~5㎜로 할 수 있다. 성형 소재 아랫면과 성형형 성형면은, 전술한 이간 상태를 유지할 수 있는 범위에서 근사한 표면 형상을 가지는 것이 바람직하다. 단, 예를 들어, 누진 굴절력 렌즈용 몰드 제작을 위해서, 성형형 성형면을 자유 곡면으로 하고 성형 소재 아랫면을 구면 형상으로 하는 경우 등은, 성형 소재 아랫면과 성형형 성형면의 표면 형상은 완전하게는 일치하지 않는다. 예를 들어, 성형형 성형면은 원하는 자유 곡면 형상으로 하고, 성형 소재 아랫면은 성형형 위에 재치한 상태에서 성형 소재 아랫면의 주연부에서는 성형면에 접촉하며, 주연부 이외에서는 성형 소재 아랫면과 성형면 사이에 공간을 형성할 수 있는 범위의 곡률 반경으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 성형 소재 아랫면의 곡률 반경은 성형면과의 접촉이 주연부만이며, 주연부 이외에서는 성형면과 소정의 간격을 형성하는 곡률 반경 중에서, 성형 소재 아랫면 중심과 성형면 중심의 간격이 최소가 되는 값을 선택하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 도 1에 있어서, 성형 소재 아랫면과 성형형 성형면과의 접촉부인 최외주의 임의의 1점을 E, E와 대향하는 1점을 E'로 하고, E와 E'를 연결하는 선 (도 1 중의 점선부)과 성형면 중심의 연직 방향의 거리를 dh(㎜), E-E'간의 거리를 D(㎜), 성형 소재 아랫면 중심과 성형면 중심의 거리를 H(㎜), 성형 소재 아랫면의 곡률을 r, 성형면의 곡률 (자유 곡면의 경우는 평균 곡률)을 R로 했을 경우, 하기 식:
Figure 112008046122434-pct00001
을 만족하도록, 성형 소재 및 성형형을 설계하는 것이 바람직하다.
또한, 성형 소재의 표면은 경면으로 하는 것이 바람직하고, 그 표면 조도는 거칠기 최대 높이 Rmax 0.04㎛ 이하인 것이 바람직하며, 산술 평균 거칠기 Ra는 0.005㎛ 이하인 것이 바람직하다. 성형 소재의 거칠기의 하한값은, 예를 들어 최대 거칠기 Rmax로 0.07㎛, 산술 평균 거칠기 Ra로 0.006㎛이다.
본 발명에서는, 전술한 바와 같이, 지지 부재에 의해 지지한 상태에서 성형형 성형면 위에 성형 소재를 배치한 후, 이 성형 소재를 성형형 위에서 변형 가능한 온도까지 가열한다. 변형 가능한 온도란, 성형 소재가 유리로 이루어진 것인 경우에는 유리 전이점 (Tg) 이상의 온도인 것이 바람직하다. 가열은 공지의 방법, 예를 들어 성형형을 전기로 내에 배치하여 실시할 수 있다. 성형 소재가 설정한 온도가 되도록 전기로 내의 분위기 온도를 제어함으로써, 성형 소재를 원하는 온도로 가열할 수 있다. 또한, 온도 제어의 상세에 대해서는 후술한다. 이렇게 가열 연화함으로써, 성형 소재의 아랫면 전면이 성형면에 밀착한다. 이에 의해, 성형면 형상이 성형 소재 윗면에 전사되어 성형 소재 윗면을 원하는 형상으로 성형할 수 있다. 특히, 본 발명에서는 자유 곡면 형상의 성형면을 가지는 성형형을 이용하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 구면 형상을 한 연마면을 가지는 고정도의 구면 형상 성형 소재와 자유 곡면 형상형의 조합에 의해, 성형 소재 윗면에 자유 곡면의 광학면을 용이하게 형성할 수 있다.
상기 성형형으로는 일반적으로 열수하 성형법에 사용되는 공지의 성형형을 이용할 수 있다. 단, 금속은 연화 가공의 일반적인 최고 온도 800℃에서의 내구성이 부족하고, 또 열팽창률이 크기 때문에 800℃ 가까운 온도 변화에서는 열팽창에 의해 형상이 크게 변형된다. 변형량이 크면 성형 재료와 성형형의 접촉면에서는 냉각시에 수축 차를 견디지 못하여 성형 재료 또는 성형형의 적어도 한쪽이 파손될 우려가 있다. 따라서, 본 발명에서 사용되는 성형형은 팽창 계수가 성형 소재에 가까우며, 내구성이 뛰어난 내열성 재료로 형성한 것인 것이 바람직하다. 내열성 재료로는, 예를 들어 알루미나계 (Al2O3), 알틱계 (Al2O3-TiC), 지르코니아 (ZrO2), 질화규소계 (Si3N4), 질화알루미늄계 (AlN), 탄화규소계 (SiC), 이산화규소계 (SiO2) 등의 SiO2, Al2O3 또는 MgO를 주성분으로 하는 세라믹이 적합하다. 여기서, 「주성 분으로 한다」란, 상기 성분이 성형형 구성 성분의 50 중량% 이상을 차지하는 것을 말한다. 성형형 소재로서 바람직한 내열성 재료는, 예를 들어 SiO2, Al2O3, MgO를 99% 이상, 그 외에 K2O 등을 포함하는 세라믹이다.
성형형 소재로는, 예를 들어 제 1 로는 경도 (비커스 경도 (Vickers hardness)) 7~24, 휨 강도 400~2000MPa, 영률 180~410GPa, 열전도율 3.0~170W/mk, 선팽창 계수 4.30~10.8×10E-6, 내열 온도 750~850℃, 밀도 3.10~10.70g/㎤의 것이 적합하다. 또한, 제 2 로는, 특히 경도 (비커스 경도) 7~15, 영률 190~210GPa, 선팽창 계수 6.0~7.0×10E-6, 내열 온도 775~825℃의 것이 바람직하다. 덧붙여서, 제 3 으로는 경도 (비커스 경도) 9~15, 영률 180~402GPa, 선팽창 계수 4.30~10.8×10E-6, 내열 온도 800℃ 이상인 것이 특히 바람직하다. 또한, 성형형 소재는 소수성인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 성형형 성형면 위에 배치한 열연화성 물질로 이루어진 성형 소재를 변형 가능한 온도까지 가열해 이 성형 소재의 아랫면을 상기 성형면에 밀착시킴으로써, 상기 성형 소재의 윗면을 원하는 형상으로 성형하는 성형법에 있어서, 상기 성형면 위에 배치된 성형 소재를 지지하기 위해서 사용되는 지지 부재에 관한 것이다. 본 발명의 지지 부재는 환상부를 가지며, 또한, 환상부 내주에 상기 가열 전의 성형면 위에 배치된 성형 소재의 측면 상단부의 적어도 일부와 맞닿게 하는 지지 영역과, 상기 성형 소재와 비접촉 상태에 있는 비지지 영역을 가진다. 본 발명의 지지 부재의 상세는, 앞서 설명한 대로이다.
또한, 본 발명은 열연화성 물질로 이루어진 성형 소재를 성형형 성형면 위에 배치하고, 상기 성형 소재를 변형 가능한 온도까지 가열해 이 성형 소재의 아랫면 전면을 상기 성형면에 밀착시킴으로써, 상기 성형 소재의 윗면을 원하는 형상으로 성형하는 것을 포함하는 성형품의 제조 방법에 사용되는 성형 장치에 관한 것이다. 본 발명의 성형 장치는 성형면을 가지는 성형형과 본 발명의 지지 부재를 포함한다. 상기 성형면은 상기 가열 전에 성형 소재 아랫면 주연부의 적어도 일부와 밀착하는 주연 밀착부와 성형 소재 아랫면 중심부와 이간하는 중심 이간부를 포함한다. 본 발명의 성형 장치의 상세는, 앞서 설명한 대로이다.
다음에, 본 발명의 성형품의 제조 방법의 구체적 태양에 대하여 설명한다. 단, 본 발명은 하기 태양으로 한정되는 것은 아니다.
우선, 바람직하게는 클린 룸 내에서 성형면을 위로 하여 성형형을 설치한다. 그 후, 성형면 주연부 및 측면의 단차 설치부에 지지 부재를 끼워 맞춘다. 그리고, 지지 부재를 따라서 성형 소재를 성형면의 소정의 위치에 재치한다. 수평 방향에는 성형 소재 측면 상단부가 지지 부재에 의해서 지지 고정되며, 한편 수직 방향에는 성형 소재 아랫면의 주연부가 성형형의 성형면과 접촉하여 지지 고정된다. 그리고, 성형 소재의 성형형과의 접촉면측의 중앙부는 형 성형면으로부터 이간되어 있다.
이어서, 바람직하게는 방진 뚜껑을 지지 부재와 끼워 맞추어 재치한다. 방진 뚜껑으로 성형 소재를 밀폐한 후, 클린 룸으로부터 전기로에 반송하고, 전기로 내에 성형형, 지지 부재, 성형 소재, 방진 뚜껑의 조합을 재치하여 전기로에 의해서 가열 처리를 실시한다.
전기로에 있어서, 미리 설정된 온도 프로그램에 기초하여 온도 제어를 하면서 가열 연화 처리를 실시할 수 있다. 전기로로는 배치 (batch)형 전기로, 연속 투입형 전기로 중 어느 하나를 이용해도 된다. 우선, 배치형 전기로에 대하여 설명한다.
배치형 전기로는 비교적 작은 닫힌 공간 내에 피가공물을 설치하고, 미리 결정된 온도 프로그램에 따라서 로 내의 온도를 변화시키는 장치이다. 복수의 센서를 구비하고, 복수의 센서에 의해 온도를 계측하여, 각 히터를 제어하여 온도 관리를 할 수 있다. 배치형의 열연화로는 내부에 피가공물을 지지하는 지지부가 있다. 또한, 지지부는 로 내에서 가동한다. 지지부가 가동함으로써 로 내의 장소에 따른 온도 분포의 불균형을 평균화할 수 있다.
다음에, 연속 투입형 전기로에 대하여 설명한다.
연속 투입형 전기로는 입구와 출구를 가지고 있으며, 설정된 온도 분포의 전기로 내부를 컨베이어 등의 반송 장치에 의해서 피가공물을 일정 시간 통과시켜 열처리를 실시하는 장치이다. 연속 투입형 전기로에서는 발열과 방열을 고려한 복수의 히터와 로 내 공기 순환의 제어 구조에 의해서 로 내부의 온도 분포를 균일화할 수 있다.
전기로의 각 센서와 히터의 온도 제어에는 PID 제어를 이용할 수 있다. 또한, PID 제어는 프로그래밍된 원하는 온도와 실제의 온도의 편차를 검출하여 원하는 온도와의 편차가 0이 되도록 되돌리기 (피드백) 위한 제어 방법이다. 그리고, PID 제어란, 편차로부터 출력을 계산할 경우에 「비례 (Proportional)」, 「적분 (Integral)」, 「미분 (Differential)」적으로 구하는 방법이다. PID 제어의 일반식을 다음에 나타낸다.
[수 2]
Figure 112008046122434-pct00002
상기 식 중, e는 편차, K는 이득 (gain) (첨자 P의 이득을 비례 이득, 첨자 I의 이득을 적분 이득, 첨자 D의 이득을 미분 이득), Δt는 샘플 시간 (샘플링 시간, 제어 주기), 첨자 n은 현재의 시각을 나타낸다.
PID 제어를 이용함으로써, 투입된 처리물 형상 및 수량에 따른 열량 분포의 변화에 대한 로 내 온도의 온도 제어 정도를 높게 할 수 있다. 또, 전기로 내에서의 반송은 무접동 방식 (예를 들면, 워킹 빔)을 채용할 수 있다.
본 발명에서 사용 가능한 연속 투입형 전기로의 구체적 태양은, 반송 방식이 무접동 방식, 온도 제어가 PID 제어, 온도 측정기는 "플래티나 (Platina)제 K열전대 30포인트", 최고 사용 온도는 800℃, 상용 사용 온도는 590~650℃, 내부 분위기는 드라이 에어 (오일 더스트 프리), 분위기 제어는 입구 에어 커튼, 로 내 퍼지, 출구 에어 커튼, 온도 제어 정도는 ±3℃, 냉각 방법은 공랭이다.
전기로 내의 온도는 성형 소재로서 유리 재료를 사용할 경우, 가열 승온에 의해 실온으로부터 유리 전이점을 넘어 유리 연화점 미만까지 상승시킬 수 있다. 유리 연화점 미만에서 일정 시간 온도를 유지한 후, 서서히 냉각하여 실온까지 온도를 내리는 것이 바람직하다.
전기로 내의 온도 제어는 소정 시간을 1사이클로 해서 행해진다.
이하에, 성형 소재로서 유리 재료를 이용하여 17시간을 1사이클로 하는 온도 제어의 일례를 설명한다. 단, 본 발명은 이하에 나타내는 태양으로 한정되는 것은 아니다.
로 내의 온도 제어는 7개의 공정으로 실시할 수 있다. 제 1 공정은 (A) 예비 승온 공정, 제 2 공정은 (B) 급속 가열 승온 공정, 제 3 공정은 (C) 저속 가열 승온 공정, 제 4 공정은 (D) 정온 유지 공정, 제 5 공정은 (E) 저속 냉각 공정, 제 6 공정은 (F) 급속 냉각 공정, 제 7 공정은 (G) 자연 냉각 공정이다.
제 1 공정인 (A) 예비 승온 공정에 있어서는 실온 부근의 일정 온도에서 90분간 고정한다. 유리 재료 각 부의 온도 분포를 균일하게 하여, 가열 연화 가공의 온도 제어에 의한 유리재의 열 분포를 용이하게 재현할 수 있도록 하기 위함이다. 고정하는 온도는 실온 정도 (약 20~30℃)의 여하한 온도에서 실시한다.
제 2 공정은 (B) 급속 가열 승온 공정이며, 실온 (예를 들어, 25℃)으로부터 유리 전이 온도 (이후 Tg라고도 한다) - 50℃ (이후 T1라고도 한다)까지, 예를 들어 4℃/분의 속도로 약 90분 가열한다. 그리고, 제 3 공정인 (C) 저속 가열 승온 공정은 온도 T1로부터 유리 연화점으로부터 약 - 50℃ (이후 T2라고도 한다)까지, 예를 들어 2℃/분으로 120분간 가열한다. 제４의 공정인 (D) 정온 유지 공정은 온도 T2에서 약 60분 온도를 일정하게 한다.
온도 T2에서 가열된 유리 재료는 정온 유지 공정으로 30분 가열한다. 또한, 온도 T2에서 30분 가열을 실시한다. 이에 의해, 성형 소재를 연화 변형시키고, 성형 소재 아랫면 전면을 성형면에 밀착시켜서 성형 소재 윗면을 원하는 형상으로 성형할 수 있다.
계속해서, 열연화 변형 완료 후, 냉각을 실시한다. 냉각 공정인 제 5 공정 (E) 저속 냉각 공정은 Tg - 100℃ (이후 T3라고도 한다)까지, 예를 들어 1℃/분의 속도로 약 300분간 냉각하여 연화에 의한 형상 변화를 정착시킨다. 또, 이 저속 냉 각 공정은 유리의 일그러짐을 제거하는 어닐의 요소도 포함하고 있다.
이어서, 제 6 공정인 (F) 급속 냉각 공정에 있어서, 속도 약 1.5℃/분으로 약 200℃ 정도까지 냉각한다. 연화 가공을 종료한 유리와 성형형은 스스로의 열 수축이나 온도 변화에 대한 상호의 열팽창 계수의 차이에 의해 파손될 우려가 있다. 따라서, 파손되지 않을 정도로 온도의 변화율을 작게 하는 것이 바람직하다.
또한, 온도가 200℃ 이하가 되면, 제 7 공정인 (G) 급속 냉각 공정을 실시한다. (G) 급속 냉각 공정에 있어서, 200℃ 이하가 되면 이후는 자연 냉각에 의해 실온까지 냉각한다.
연화 가공이 완료되면, 유리 재료 아랫면과 형 성형면이 서로 자웅의 관계가 된다. 한편, 유리 재료 윗면은 유리 재료 아랫면의 형상 변형에 따라 변형되어 원하는 광학면이 형성된다. 이상의 공정에 의해 유리 광학면을 형성한 후, 유리 재료를 성형형으로부터 제거하여 성형품을 얻을 수 있다. 이렇게 해서 얻어진 성형품은, 안경 렌즈용 몰드로서 이용할 수 있다. 특히, 본 발명의 방법은 성형형 성형면의 면 형상을 성형 소재 윗면에 고정도로 전사할 수 있기 때문에, 복잡한 면 형상을 가지는 안경 렌즈용 몰드를 얻기 위한 방법으로 적합하다. 그와 같은 안경 렌즈용 몰드로는 누진 굴절력 렌즈를 들 수 있다.
본 발명의 성형형은 안경 렌즈용 몰드, 특히 다초점 안경 렌즈용 몰드 성형을 위해 바람직하게 이용할 수 있다.

Claims (12)

  1. 열연화성 물질로 이루어진 성형 소재를 성형형 성형면 위에 배치하고, 상기 성형 소재를 변형 가능한 온도까지 가열해 이 성형 소재의 아랫면 전면을 상기 성형면에 밀착시킴으로써, 상기 성형 소재의 윗면을 원하는 형상으로 성형하는 것을 포함하는 성형품 제조 방법으로서,
    상기 성형 소재의 배치는, 상기 성형 소재를 지지 부재에 의해 지지하고, 또한 성형 소재 아랫면 주연부 (周緣部, rim portion)의 적어도 일부가 성형면과 밀착하여, 성형 소재 아랫면 중심부가 성형면과 이간한 상태가 되도록 실시하고,
    상기 지지 부재에 의한 지지는, 성형 소재 측면 하방부는 지지 부재와 이간한 상태에서 성형 소재 측면 상단부의 적어도 일부를 상기 지지 부재에 의해 지지함으로써 실시하는 성형품 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    적어도 상기 성형 소재 아랫면 전면이 성형형 성형면에 밀착되는 시점 이후, 상기 성형 소재 측면 상단부와 지지 부재가 이간하는 성형품 제조 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 가열에 의해 성형 소재 윗면이 수축함으로써, 성형 소재 측면 상단부와 지지 부재가 이간하는 성형품 제조 방법.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    적어도 성형 소재 측면 상단부와 지지 부재가 이간하기까지의 사이, 상기 지지 부재의 고정 상태를 유지하는 성형품 제조 방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 부재는, 상기 지지에 있어서 성형 소재 측면 상단부의 적어도 3점과 맞닿게 하는 성형품 제조 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 지지 부재는, 상기 지지에 있어서 성형 소재 측면 상단부 전주 (全周, entire circumference)와 맞닿게 하는 성형품 제조 방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 부재는 내주에 돌기부를 가지는 환상 부재이고, 이 돌기부가 성형 소재 측면 상단부와 맞닿게 함으로써 상기 성형 소재를 지지하는 성형품 제조 방법.
  8. 성형형 성형면 위에 배치한 열연화성 물질로 이루어진 성형 소재를 변형 가능한 온도까지 가열해 이 성형 소재의 아랫면을 상기 성형면에 밀착시킴으로써, 상 기 성형 소재의 윗면을 원하는 형상으로 성형하는 성형법에 있어서, 상기 성형면 위에 배치된 성형 소재를 지지하기 위해 사용되는 지지 부재로서,
    환상부를 갖고, 또한
    환상부 내주에 상기 가열 전의 성형면 위에 배치된 성형 소재의 측면 상단부의 적어도 일부와 맞닿게 하는 지지 영역과, 이 성형 소재와 비접촉 상태에 있는 비지지 영역을 가지는 지지 부재.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 지지 영역은 상기 가열 전의 성형면에 배치된 성형 소재의 측면 상단부의 적어도 3점과 맞닿게 하는 지지 부재.
  10. 청구항 9에 있어서,
    성기 지지 영역은 상기 가열 전의 성형면에 배치된 성형 소재의 측면 상단부의 전주와 맞닿게 하는 지지 부재.
  11. 청구항 8 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 영역은 상기 환상부의 내주에 형성된 돌기부인 지지 부재.
  12. 열연화성 물질로 이루어진 성형 소재를 성형형 성형면 위에 배치하고, 상기 성형 소재를 변형 가능한 온도까지 가열해 이 성형 소재의 아랫면 전면을 상기 성형면에 밀착시킴으로써, 상기 성형 소재의 윗면을 원하는 형상으로 성형하는 것을 포함하는 성형품 제조 방법에 사용되는 성형 장치로서,
    성형면을 가지는 성형형과 청구항 8 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 기재된 지지 부재를 포함하고, 상기 성형면은 상기 가열 전에 성형 소재 아랫면 주연부의 적어도 일부와 밀착하는 주연 밀착부와 성형 소재 아랫면 중심부와 이간하는 중심 이간부를 포함하는 성형 장치.
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