玻璃模壓成形系統綜述

曾子浩

（中國礦業大學（北京），北京 100083）

1 玻璃模壓成形技術的應用

隨著現代科學技術的不斷進步，各種光學系統和光電復合系統的應用范圍和使用量不斷擴大，小尺寸光學透鏡、光學微透鏡陣列等光學元件在CCD制造[1]、紅外焦平面制造[2]、仿生復眼制造[3]、全景成像技術[4]、光纖集成[5,6]等其他越來越多的領域得到了廣泛應用[7]，因此其需求量也與日俱增。光學微透鏡陣列對制造工藝的要求很高。傳統的機械加工技術存在加工周期長、效率低等缺點[8,9]；而光刻技術[10,11]、LIGA技術[12-14]和“三束”加工技術[15-17]以及其他先進加工技術[18]又普遍存在著設備和加工成本高、效率低、一致性差等缺陷。而光學材料模壓成形技術具備加工周期短、效率高、成本低等優點，且能夠適應光學玻璃這一高性能且難以加工的光學材料，對于光學透鏡和光學微透鏡陣列的制造技術的發展有著不可替代的作用，玻璃模壓成形系統是該技術的核心，因此光玻璃模壓成形系統得到了廣泛的研究和關注。

2 玻璃模壓成形系統簡介

玻璃模壓成形系統可主要分為單工位玻璃模壓成形系統和多工位玻璃模壓成形系統兩大類，單工位玻璃模壓成形系統只有一個工位，加熱、模壓、退火、冷卻等不同工序均在這一個工位上完成。單工位玻璃模壓成形系統的生產周期長、效率低，因此主要用于小批量的光學玻璃元件的模壓成形生產。多工位玻璃模壓成形系統具備多個工位，模具和玻璃預形體在這些不同工位上依次完成加熱、模壓、退火、冷卻等工序。由于可以讓多個模具和玻璃預形體在不同工位上一齊加工，因此多工位玻璃模壓成形系統的生產周期可縮短為一個工序的時長，生產效率高，適合大批量的光學玻璃元件的模壓成形，由于內部空間有限，因此多工位模壓成形系統更適合小尺寸的光學玻璃元件的模壓成形生產。

3 國內外現狀

東芝公司在玻璃模壓成形系統的研發、生產和銷售領域一直處于領先地位，自20世紀80年代起就開始了玻璃模壓成形系統的開發，目前已經形成了一個完整的產品系列，包括多種具備不同功能的產品類型，能夠滿足用戶的不同需求，如圖1所示。東芝公司在1986年完成了第一臺模壓成形系統MO-2S的開發，該模壓系統使用高頻電磁波加熱，可對直徑為60mm及以下的光學玻璃元件進行模壓加工；其后東芝公司于1993年完成了GMP-211的開發，該模壓系統將加熱裝置由高頻電磁波改為紅外線，解決了加熱不均的問題，同時引入了氮氣保護系統，并將可模壓的光學玻璃元件直徑由60mm擴大到了110mm；2005年，東芝公司完成了具有多個加工工位的GMP-58-7Z的開發。之后陸續完成了多款分別具備不同特色玻璃模壓成形系統的開發工作，例如能夠進行真空保護氛圍下的模壓成形工作的GMP-207HV、最大模壓力可達到40kN的GMP-311V、以及GMP-315VW、GMP-106-2CV、GMP-1013-10S、GMP-310V-3R等等。此外，還有其他眾多國外企業在玻璃模壓成形系統的開發和生產上有著深入的研究，并成功申請了多項專利。

大鎬科技在光學玻璃模壓成形系統的開發上也有著很深的積累，其利用玻璃模壓成形技術生產的3D曲面玻璃是三星Edge系列智能手機的玻璃外殼和曲面屏等重要零件的供應來源。3D曲面玻璃模壓成形技術相比玻璃透鏡模壓成形技術而言沒有原理上的差別，同樣的3D曲面玻璃使用的設備的基本結構和運作原理也和普通的玻璃模壓成形設備別無二致，僅是整體尺寸更大，極限溫度更高。大鎬科技生產的玻璃模壓成形設備的加工對象以3D曲面玻璃為主，其生產的傳統玻璃模壓成形系統的型號種類不如東芝公司繁多，但也能夠形成一個完整的體系，具體如圖2所示。

圖1 東芝公司生產的玻璃模壓成形系統系列示意圖

圖2 大鎬科技生產的玻璃模壓成形系統系列示意圖

除此之外，也有部分企業進行了玻璃模壓成形系統的開發工作，例如摩爾公司、DTI公司等。但這些公司生產的模壓系統通常都是單獨的一個型號，完整的產品序列較為少見。

目前國內進行玻璃模壓成形系統的研發和生產的公司中，例如盟力自動化有限公司、UCN等、另外，大陸的部分公司也進行了玻璃模壓成形系統的開發和制造，例如成都華孚光學科技有限公司、深圳市華美機器人、湖北新華光信息材料有限公司等等，如圖3所示。

圖3 國內公司生產的玻璃模壓成形系統

4 總結

從東芝公司、大鎬科技的模壓系統的詳細資料中我們可以看出，目前國外的模壓成形系統結構設計種類繁多，從紅外加熱到儲熱板加熱、從水冷卻到氮氣控制冷卻、從氣缸驅動到伺服電機驅動，形成了一整套完整的產品序列。同時這些模壓系統的性能參數同樣強大而多樣，從40mm的極限加工直徑到150mm的極限加工直徑、從800攝氏度的極限溫度到1500攝氏度的極限溫度、從2kN的極限模壓力到30kN的極限模壓力，可以滿足不同場合不同類型光學元件的使用需求。不但極大地促進了光學材料模壓成形技術的發展，也為光學元件的制造企業和設備制造企業本身帶來了客觀的經濟效益。

而相對的，目前國內的玻璃模壓成形系統制造企業，生產的模壓成形系統大多都是基于同一種結構的國外產品仿制而來，這也使得目前國內生產的模壓成形系統的結構設計種類極為單一，同時也限制了對應的性能參數范圍。同時，目前的模壓成形系統作為仿制品其制造工藝也顯得較為粗劣，難以滿足模壓成形技術這一超精密制造技術的使用需求，這也使得國內的模壓成形系統相比于國外同類產品競爭力低下，從而使我國的模壓成形技術的發展從成形系統這一根本問題上就處于受制于人的狀態，這對我國模壓成形技術的發展乃至各類光學玻璃元件的制造等工業領域的發展都有著極大的負面影響。