TWI663130B - 熱壓成型模具及玻璃光學元件的製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭露了一熱壓成型模具及玻璃光學元件的製造方法。熱壓成型模具中的襯套的上表面的總面積為用於容置模仁的各孔穴所占的面積的2倍或以上。據此，單一模具可容置更多的模仁，以提高產量。

Description

熱壓成型模具及玻璃光學元件的製造方法

本發明關於一種模具，尤其是有關於一種可用於玻璃模造製程(Glass molding)的熱壓成型模具。

玻璃熱壓模造製程已被廣泛地被應用於非球面玻璃透鏡的製程中。熱壓成型製程可大致分為加熱、成型及冷卻三步驟。亦即，先對待加工的玻璃材料加熱以軟化材料；接著以上模仁及下模仁對材料進行夾壓，以使待加工材料變形以使其形狀與上、下模仁的成型面匹配。最後，使成型完畢的工件冷卻後，其玻璃透鏡即告完成。

而熱壓成型機又可分為單站式及多站式兩種。單站式成型機是指在製程期間，模具本身是固定於機台上的，不會脫離機台，即前述的三個步驟均於同樣的平台上完成。反之，多站式製程是指加熱、成型及冷卻可於兩個以上平台上完成。例如，模具可於連同待加工材料一併置於熱壓成型機的加熱平台上預熱，接著再移至熱壓成型機的成型平台成型後，移至熱壓成型機的冷卻平台冷卻後開模取出工件。

以多站式熱壓成型機為例，一般為提高產量，熱壓成型模具會於單一模具中同時設有多組上、下模仁，以在單一次製程中最大化工件產量。亦即，在單一模具中放置愈多組模仁，則每個循環所能完成的產品數量愈多。然 而，多站式製程的熱壓機台的模具入口寬度是固定的，限制了模具的最大可能寬度。

一般來說，為顧及加工精度及成本，熱壓模具多呈圓柱狀。另外，而圓型模具的直徑愈大，在模仁大小固定時，其可用於放置模仁的表面面積亦愈大，模具所能容置的模仁組的數量亦愈多。然而，加工機入口的最大寬度的限制下，模具的有效面積亦因加工機入口的最大寬度限制而無法提升，直接限制了模具所能容置的模仁數量。因此，如何針對上述問題進行改善，實為本領域相關人員所關注的焦點。

「先前技術」段落只是用來幫助了解本發明內容，因此在「先前技術」段落所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在「先前技術」段落所揭露的內容，不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。

為解決前述的問題，本發明的一實施例提供一種具有高面積使用率的模具設計，以使單一模具能容置更多組上、下模仁，進而有效提高產量。

在本發明的一觀點中，本實施例是關於一種熱壓成型模具，其包括了一基座，一個設於基座上的單件式襯套以及多組分別由上、下模仁組成的模仁組。而每一模仁組中的上、下模仁之間是定義有一模穴的。單件式襯套面向基座的另一方向有一上表面，單件式襯套在上表面設置有多個用於容置前述模仁組的孔穴，而前述的多個孔穴在上表面所圍繞的面積的總和，占了單件式襯套的外輪廓在上表面所圍繞的面積的50%或以上。在應用時，每一模仁組分別 被設置在對應的孔穴中，而每一模仁組的模穴是位於孔穴之中的。藉前述的模具設計，在熱壓機入口寬度有限的前提下，能容置更多模仁組。

在本發明的另一觀點中，本實施例提出了一種熱壓成型模具，其包括了一基座，一個設於基座的頂表面上的單件式內套筒以及多組分別由上、下模仁組成的模仁組，而每一模仁組中的公母模仁之間是定義有一模穴的。單件式內套筒面向基座的另一方向有一上表面，單件式內套筒在上表面設置有多個用於容置前述模仁組的穿孔，而前述的多個穿孔依其位置可分為兩個穿孔組。兩個穿孔組之一中，任一穿孔的形心與內套筒的上表面的形心的距離與，兩個穿孔組之另一組中的任一穿孔的形心與內套筒的上表面的形心的距離為實質相異。在應用時，每一模仁組是分別被設置在對應的穿孔中，而每一模仁組的模穴是位於模穴之中的。藉前述的模具設計，在熱壓機入口寬度有限的前提下，藉由穿孔的配置，能容置更多模仁組。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例並配合所附圖式，作詳細說明如下。

1‧‧‧熱壓成型模具

2A‧‧‧上壓板

2B‧‧‧下壓板

10‧‧‧內套筒

10A‧‧‧上表面

12‧‧‧孔穴

12A‧‧‧模穴

13‧‧‧排氣孔

14‧‧‧定位孔

20、30、40、50‧‧‧模仁

20A‧‧‧成型面

70‧‧‧外套筒

60‧‧‧基座

61‧‧‧凸出

P‧‧‧工件

圖1A及圖1B分別揭露了本發明的第一實施例中的模具於未合模及己合模時的狀態示意圖。

圖2為本發明的第一實施例中一按實際比例繪製的內套筒的示意圖。

圖3繪述了本發明的第一實施例中的內套筒的孔穴分佈方式的示意圖。

圖4A、圖4B分別繪述了本發明的於第一實施例中的內套筒的孔穴占內套筒上表面的面積比例的示意圖。

圖5繪述本發明的於第一實施例中的模具的改善效果示意圖。

圖6A、圖6B分別繪述本發明的於第二實施例中的內套筒的孔穴占內套筒上表面的面積比例的示意圖。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

以下將說明本發明模具1的設計。請參閱圖1A至圖4B，圖1A及圖1B分別揭露了本發明的第一實施例中的模具於未合模及己合模時的狀態示意圖，其亦相對於圖2沿A-A剖面線剖設之表面，為突顯設計特徵，圖1A、1B各元件之比例己調整並和圖2非為一致。圖2為本發明的第一實施例中一按實際比例繪製的內套筒的示意圖。圖3繪述了本發明的第一實施例中的內套筒的孔穴分佈方式的示意圖。圖4A、圖4B分別繪述了本發明的於第一實施例中的內套筒的孔穴占內套筒上表面的面積比例的示意圖。

請參閱圖1A及圖1B，由圖可見，本發明的模具1在第一實施例中，為應用於多站式，玻璃熱壓製程(或稱玻璃模造製程)的熱壓模具1。模具1在應用時，可於多站式熱壓機的第一站加熱後，再被轉移至第二站並置放於上壓板2A及下壓板2B之間，使其中的工件受壓成型，隨後再把模具10整體連同其中的工件自第二站移至第三站冷卻。於本實施例中，模具1包括了一內套筒10、多個模仁20、30、40、50、基座60及外套筒70。

請參閱圖1A至圖4B，由圖可見，於本例中，內套筒10用於容置模仁20、30、40、50，為襯套(bushing or sleeve)的一種，可設置有多個用於容置模仁20、30、40、50的孔穴12以及一個用於定位的定位孔14。

於本例中，定位孔14位於內套筒10的中央部份，貫穿內套筒10面對上壓板2A的上表面10A(或稱第一表面)及面對下壓板2B的下面表10B(或稱第二表面)。定位孔14的延伸方向實質上與上表面10A相互垂直，或者，於使用時為平行於重力方向的垂直孔。定位孔14為設有單切邊的圓孔，其孔輪廓為具有單切邊的圓形。

於本例中，用於容置模仁20、30、40、50的孔穴12分別形成於內套筒10中，而每一孔穴12可分別貫穿內套筒10的上表面10A和下面表10B並分別為一垂直穿孔，惟各孔穴12不以穿孔為限，需要時，各孔穴12可為盲孔。於本例中，各孔穴12的輪廓呈一正圓形，而各個孔穴12的內孔壁的中間深度處可設有多個直徑約為0.3毫米至5毫米寬的排氣孔13，於本例中，排氣孔13為圓孔，惟其亦得為其他形狀的通道，本發明不以此為限。於本例中，各孔穴12的排氣孔13可分別與定位孔14連通。除此之外，各孔穴12亦可設有與內套筒10的外側表面相連通的排氣孔13。藉此設計，當上模仁(例如是模仁40)往下模仁(例如是模仁20)移動時，模穴12A中的空氣可較順利的排出。於本例中，前述的各個排氣孔13中，至少有數個於內套筒10的高度是實質相同的，惟其不必然具有相同高度為限。另外，孔穴12中的排氣孔13可略高或略低於各模仁的成型面20A的高度，以圖1A、1B為例，可見模仁20、30的頂端的直徑可略小於孔穴12以使模穴與排氣孔13保持連通。而模仁40、50之底端亦同。亦即，各排氣孔13與模仁，例如是模仁20的成型面20A可以非處於同一高度的。

本實施例在一觀點中，內套筒10在上表面10A的輪廓以包括至少兩條對稱平行切邊的類矩型狀柱體為佳。於本例中，設有兩對共四條平行的直切邊。更明確的說，考量加工精度及成本，內套筒10多由單一塊圓柱狀材料加工而成，並為單一元件形式(One piece formed)，亦即內套筒為一單件式內套筒，以另一面向觀之，其為單件式襯套的一種。內套筒10宜設有前述的至少二條對 稱的直平行切邊的原理請見圖5之說明，圖5繪示了分別採用類圓型的內套筒及兩對相互對稱平行的切邊的內套筒模具的可用面積比較示意圖。由圖可見，在熱壓機的模具1輸入口寬度為固定時，具有兩對對稱平行切旁的類矩型柱體的上表面10A的可用面積較圓柱狀內套筒10的可用面積大，配合對應形狀的外套筒70，即可於上表面10A上安排設置更多組模仁，以允許單一製程中可對更多工件P進行加工，提高製程效益。

為提高內套筒10的上表面10A的面積的利用率，在本發明的實施例的另一觀點中，提出了一種排列用於容置模仁的孔穴12的佈局設計。按孔穴12與內套筒10的中心點的距離，各孔穴12可以分成多個群組，而每個群組中的各孔穴12的中心點與內套筒10的中心點的距離係分別為相同的。請參閱圖3，以本例來說，假設內套筒10的上表面10A的外輪廓有一形心(中心點)，而各個供模仁容置的孔穴12在上表面10A的輪廓亦分別有一形心，而各孔穴12的形心和內套筒10於上表面10A的外輪廓的形心之間的最小直線距離設為D。第一群組中各孔穴12的D均同為D1，第二群組中各孔穴12的D均同為D2，亦即，若以內套筒10的形心為中心點，畫一半徑為D1的圓，則第一群組的各孔穴12的形心均會與該圓的圓周重疊，第二群組中的各孔穴12亦同。而於本例中，內套筒10是設有兩個D值相異的群組，惟在需要時，內套筒10得進一步包括三個或以上的孔穴12群組，如以多行、多列排列的孔穴12矩陣，即為其例。

為妥善利用內套筒10的上表面10A面積，在本發明的實施例的另一觀點中，提出了一種排列用於容置模仁組的孔穴12的佈局設計。請參閱圖4A，圖4A中繪示了本實施例的內套筒10的上表面10A，圖中斜線所標示的範圍，為內套筒10的上表面10A的輪廓所圍繞的表面面積，暫稱為第一面積A1。圖4B中繪示了本實施例的內套筒10的上表面10A，圖中交叉線所標示的範圍，為內套筒10的上表面10A的孔穴12所圍繞的表面面積。而各個用於容置模具1的孔穴12所 圍繞的表面面積的總和，即面積A21至A26之加總，暫稱為第二面積A2。本實施例中，A2除以A1的比值在大於0.5、或大於50%時，其效果較佳，在比值大於0.55時，其效果更佳。而本實施例中，A2/A1的比值約為0.54。

惟本發明的內套筒並不以第一實施例的六穴為限，以下將提出另一可行方案以供參考。再請參閱圖6A及圖6B，圖6A中繪示了第二實施例的內套筒10的上表面10A，圖中斜線所標示的範圍，為內套筒10的上表面10A的輪廓所圍繞的表面面積，暫稱為第一面積A1。圖6B中繪示了第二實施例的內套筒10的上表面10A，圖中交叉線所標示的範圍，為內套筒10的上表面10A的孔穴12所圍繞的表面面積。而各個用於容置模具1的孔穴12所圍繞的表面面積的總和，即面積A21至A24之加總，暫稱為第二面積A2。本實施例中，A2除以A1的比值約為64%。

再請參閱1A及圖1B，於本實施例中，包括了多枚模仁20、30、40、50，以模仁20為例，各模仁分別為一末端具有特定形狀的成型面20A，可用於定義工件表面形狀的金屬圓柱體。而於本例中，各模仁20、30、40、50均為一可用於玻璃熱壓製程的高耐熱性的模仁。與一般射出成型製程的不同，本例中用於玻璃熱壓製程的模仁是由例如是鎢鋼等耐熱溫度高於玻璃的可成型溫度(例如是攝氏六百度以上)的金屬材料製造的。前述材料的可成型溫度高於軟化溫度。

另外，按模仁的可動性分，模仁可分為可動側模仁40、50及固定側模仁20、30。如本例中的圖1A及圖1B所繪示的，模仁20、30在製程間為固定且未作動，故為固定側模仁或是母模仁。反之，模仁40、50在製程間有作動，故為可動側模仁或是公模仁。另外，依相對位置分，模仁亦可分為下模仁及上模仁。如本例中的圖1A及圖1B所繪示的，模仁20、30在製程間處於較低的位置，故為下模仁，反之，模仁40、50則為上模仁。而上模仁(例如模仁40)與下模仁(例如模仁20)成對設置，以為模仁組。而上模仁50與下模仁30亦同。於本例中，上、 下模仁可分別定義工件的出、入光表面。同樣地，各模仁組在應用時，會在上模仁及下模仁之間定義有一模穴，以供工件容置及成型之用。

本實施例中的基座60實質上為一金屬平板，其外輪廓與外套筒70的外輪廓為大致相對應，基座60的上方有一頂表面，頂表面的中央部份可設有一凸出61以作為定位榫，以供內套筒10定位之用，而前述定位榫的形狀與內套筒10中央部份的定位孔14可為相對應。於另一實施例中，基座60不以於中央部份設有前述的凸出61為限，任何可用於與內套筒10定位的定位元件，均可予以替代之，例如是一個或多個設於邊沿的凸出、凸肋、凹孔、凹槽等與內套筒10的定位孔14或其他對位結構對應的，均得為其例。

本實施例中的外套筒70為一筒狀金屬空心柱體，可用於套設於內套筒10之外緣，並作為止檔件(STOP)使用，亦即其可定義上壓板2A、下壓板2B的最小距離進而控制可動側模仁或上模仁40、50的最大行程。於本例中，外套筒70之內輪廓與內套筒10的外輪廓的切邊部份為相對應。而外套筒70的外側輪廓則大致為矩型或類矩型，亦與內套筒10的外輪廓的切邊部份為相對應。換句話說，外套筒70，如內套筒10，有兩條以上的平行直線切邊。而於本例中，外套筒70的上、下表面的外輪廓分別具有相同的兩對、共四條相互垂直的直線切邊。

於本例中，在組合時，可先把內套筒10安裝於基座60上，並使基座60的單切邊凸出61嵌設於內套筒10的定位孔14中。

接著，將外套筒70套於內套筒10的外側，而外套筒70的內、外輪廓的切邊部份同時與內套筒10切邊部份的外輪廓大致對應的，即同樣包括至少二切邊。而在內套筒10的角落部份可選擇性的留空。而在裝置完成後，可見外套筒70的內輪廓是略大於內套筒10的外輪廓的，以本例來說，內套筒10的外側 表面和外套筒70內側表面之間可預留例如是1至10毫米的空隙，以供各排氣孔13排氣之用。

接著，依序或同時地將模仁20、30安裝至內套筒10的各個孔穴12中，並使之位於孔穴12的底部處，同時確保模仁20、30的成型表面是往上曝露在孔穴12中。在模仁20、30安裝完成後，其所處的孔穴12的各個排氣孔13仍應與孔穴12連通且應未被模仁20、30阻擋的。

接著，依序或同時地將多個工件P置放於內套筒10的孔穴12中的模仁20、30的成型表面上。工件P可以是各種材料的流體、呈球狀、片狀或是為一經預成型的球面透鏡，而於本例中，工件P為一玻璃材料塊P，更明確的說，為一球面透鏡。接著，再依序或同時地將模仁40、50安裝至模仁20、30所處的各個孔穴12中，並使模仁40、50成型面面向工件P，在模仁40、50安裝完成後，其所處的孔穴12的各個排氣孔13仍應與孔穴12連通而應未被模仁40、50阻擋的。此時，各孔穴12中包括相互對應的二模仁，例如模仁20、40，而每一對上、下模仁20、40之整體可稱為模仁組。而各個模仁組中的兩個模仁之間，用於元件成型的空間，可稱為模穴、成型空間或是型腔。與此同時，活動側模仁40、50的根部會有部份露出內套筒10以及外套筒70外，如此，即為組裝完成。而於按模具的設計，組裝順序可能略有不同，例如先將下模仁自內套筒的下表面進入後鎖固，再將內套筒置安裝於基座後、再放置材料塊、再置入上模仁後再行壓印亦可，本發明不對各步驟的先後順序進行限制。

隨後，將模具1之整體，亦即基座60連同內套筒10、外套筒70、如模仁20、30、40、50等以及其中的工件P，經由一多站式熱壓機台的入口輸入熱壓機台。於本例中，熱壓機台的入口寬度為外套筒70的最小寬度的百份之105以內。接著，模具1之整體會連同被加工材料被加熱至玻璃的可成型溫度，可成型溫度按待加工材料的不同而有差異，於本例中，可成型溫度約為攝氏五百餘度。 在加熱完成後，模具1之整體會被移動到下一站區進行加壓程序。如圖1A及圖1B所繪述者，即為其例。於本步驟中，模具1的基座60會設於熱壓機的下壓板2B上，而上壓板2A會往下壓板2B移動，連帶對模仁40、50施壓，而模仁40、50會同時向軟化的玻璃材料P施壓並使其變形以使玻璃材料同時匹配其對應模仁20、30、40、50的成型面的形狀。而在模仁40、50移動時變形時，原位於模穴中的空氣會被經由排氣孔13排出。

當上壓板2A與外套筒70的上緣接觸時，上壓板2A會停止移動，而模仁40、50的位置即為固定。此時，上壓板2A會維持原位置一定時間後往反方向移動。接著，模具1的整體會被移離下壓板2B，往下一工作站移動。隨後，模具1會被冷卻，接著上模仁(例如模仁40、50)會自各孔穴12中被移除；而取出上模仁時，空氣可自排氣孔13進入模穴以破真空，減少上模仁取出的難度。接著，成型完成的玻璃工件會從模穴中被取出，製程即告完成。

綜上所陳，在本發明實施例的多站式熱壓模具的結構設計下，可使內套筒的表面面積被妥善的使用，以在單次製程中產出較多的工件，進而提高製程效率。

以上各具體實施例中僅為例示之用，而非限制本發明。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

Claims (10)

1. 一熱壓成型模具，包括：一基座；一單件式襯套，可安置於該基座上，該單件式襯套包括複數個孔穴，該單件式襯套面向該基座的另一方向有一第一表面，該第一表面的輪廓所圍繞的面積為A1，該複數個孔穴於該第一表面所占的總面積為A2，A2/A1大於等於50%；一第一模仁組，定義有一第一模穴；一第二模仁組，定義有一第二模穴；其中，該第一模仁組及該第二模仁組可於安置時分別設於該複數個孔穴之中，並使該第一模穴及該第二模穴位於相對應的該孔穴中。
2. 如申請專利範圍第1項所述的熱壓成型模具，其中：該單件式襯套為一單件式內套筒，該第一表面為一上表面，該複數個孔穴包括一第一穿孔及一第二穿孔；該第一模仁組包括一第一上模仁及一第一下模仁，該第一上模仁及該第一下模仁之間定義有模穴；以及該第二模仁組包括一第二上模仁及一第二下模仁，該第二上模仁及該第二下模仁之間定義有模穴。
3. 一熱壓成型模具，包括：一基座；一第一模仁組，包括複數組第一上、下模仁；一第二模仁組，包括複數組第二上、下模仁；一單件式內套筒，設有一上表面，可安置於該基座上，該單件式內套筒包括：一第一穿孔組，包括複數個第一穿孔；一第二穿孔組，包括複數個第二穿孔；該複數個第一穿孔在該上表面的形心與單件式內套筒在該上表面的中心點的距離實質相同，並為D1；該複數個第二穿孔在該上表面的形心與單件式內套筒在該上表面的中心點的距離實質相同，並為D2，D2與D1實質相異；其中，該複數組第一上、下模仁在安置時可分別安置於該複數個第一穿孔中，並分別於該複數個第一穿孔中定義有模穴；該複數組第二上、下模仁在安置時可分別安置於該複數個第二穿孔中，並分別於該複數個第二穿孔中定義有模穴。
4. 如申請專利範圍第2項或第3項所述的熱壓成型模具之任一者，其中，該單件式內套筒之該上表面的外輪廓包括至少二平行切邊。
5. 如申請專利範圍第4項所述的熱壓成型模具，其進一步包括一單件式外套筒，可設置於該單件式內套筒之外，該單件式外套筒的外輪廓包括至少二平行切邊。
6. 如申請專利範圍第5項所述的熱壓成型模具，其中，該熱壓成型模具適用於一多站式熱壓成型機。
7. 如申請專利範圍第2項或第3項所述的熱壓成型模具，其中，該單件式內套筒之該複數個穿孔的孔壁上分別設有至少一排氣孔。
8. 如申請專利範圍第7項所述的熱壓成型模具，其中，該單件式內套筒進一步包括一定位孔，該定位孔位於該第一表面的外輪廓的形心處，並為一垂直穿孔，該複數個穿孔分別經該排氣孔與該定位孔連通。
9. 如申請專利範圍第8項所述的熱壓成型模具，其中，在組裝完成後，該單件式內套筒的外側表面與該單件式外套筒的內側表面之間設有一空隙，該複數個穿孔進一步包括一與該單件式內套筒的該外側表面連通的排氣孔。
10. 一種玻璃光學元件的製造方法，包括以下步驟：將一襯套安裝於一基座上，該襯套的一第一表面上設有複數個孔穴，該複數個孔穴包括一第一孔穴及一第二孔穴，該第一表面的輪廓所圍繞的面積為A1，該複數個孔穴於該第一表面所占的總面積為A2，A2/A1大於50%；安裝一外套筒於該襯套外；安裝一第一模仁於該襯套的該第一孔穴中；安裝一第二模仁於該襯套的該第二孔穴中；設置一第一玻璃材料塊於該第一模仁的成型面上；設置一第二玻璃材料塊於該第二模仁的成型面上；安裝一第三模仁於該襯套的第一孔穴中；安裝一第四模仁於該襯套的第二孔穴中；將該基座，連同該外套筒、該襯套、該第一模仁、該第二模仁、該第三模仁、該第四模仁、該第一玻璃材料塊及該第二玻璃材料塊整體地輸入一熱壓機的入口；對該第三模仁施加一壓力，以使該第一玻璃材料塊形成匹配該第一模仁及該第三模仁的成型面的形狀；以及對該第四模仁施加一壓力，以使該第二玻璃材料塊形成匹配該第二模仁及該第四模仁的成型面的形狀。