模造製程

在模造製程中，除了需要有精密的模具外，玻璃預形體的尺寸精度亦非常重要。合 適的預形體可提高玻璃模造技術的成品良率。預形體設計需同時考慮玻璃外形及體積，

體積將決定是否在模造過程會有溢料或是因材料不足而產生空孔現象，體積可利用立體 繪圖軟體計算，調整預形體的外形尺寸，使預形體體積為適當值。

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預形體的外形將會決定模造製程中填充率是否容易達成，也就是材料是否容易成形，

但預形體的形狀若不易製作，加工成本將大幅增加，例如球狀預形體成本高於平板狀預 形體，故預形體外形需在加工成本與模造製程中是否容易成形做均衡考量。因為平面積 體光學元件的外形一端為平面，另一端為拋物面含內孔的外形，由模造成形與加工成本 的分析，預形體設計為上下兩面為平面，側邊為半徑約42 mm之球面外形，圖113顯示 平面積體微光學元件外形及其體積計算，以此體積數值做為玻璃預形體體積。

N-BK7玻璃材料之轉化點溫度約為557 °C，經由初始的參數條件測試得知，模造溫 度在690 °C以下無法成形，故選用模造實驗成形溫度範圍為690 ─ 750 °C，模造力量為 0.25 ─ 2.75 kN區間進行分析，並在腔體為真空環境下完成玻璃模造製程，成形歷程參數 資料如圖114及表16所示。玻璃元件宜在均溫的狀態下進行模造製程，隨著玻璃元件幾 何形狀的尺寸，會對保溫時間作調整，元件愈大，需要愈長的保溫時間來讓預形體內部 溫度均勻。

圖 113 預形體體積計算

96 表面輪廓儀(Talysurf PGI 2540, Taylor Hobson公司)來量測。重複玻璃模造製程、輪廓量 測與模仁補償等步驟，直至元件輪廓量測結果與設計值的差異在容許誤差內。

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材料軟化程度愈高，流動性提高，因此填充率隨之升高，圖115也顯示出在750 °C時可 達到99 %的填充率，但是溫度再升高，將導致玻璃元件破裂。當模造溫度過高或過低時，

皆會導致玻璃元件破裂，此外，在模造製程中，將升溫至玻璃轉化點以上，因為玻璃材 料中的氣體逸出或是模造腔體為氮氣環境時，將容易產生氣泡，如圖116為玻璃元件上 的裂痕及氣泡現象，要解決氣泡的產生，可將腔體環境設定為真空狀態，在升溫過程中 藉由不斷抽真空來降低腔體內的氣體殘留。而經過測試，調整適當的模造溫度與所搭配 的模造壓力，可有效的降低裂痕產生的現象。

因平面積體光學元件相較於一般模造光學鏡片而言，體積較大，因此在保溫時間需 拉長，本實驗的保溫時間設定為500秒，若保溫時間不足，將使玻璃預形體溫度不均勻，

呈現外熱內冷的現象，導致模造製程時玻璃破裂。

圖 115 模造溫度/力量與填充率關係

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圖 116 氣泡與裂痕

圖117是平面積體光學元件的頂部輪廓圖，使用共軛焦顯微鏡取像，由圖中趨近九 十度的直角及結構深度，可得知模仁的輪廓已完全轉寫至玻璃基材。圖118是使用精密 三次元量床掃瞄拋物面輪廓，以頂部平面為參考平面，與設計值比對，輪廓誤差已在設 計公差內。圖119是使用優化之後的模造參數所製作的平面積體光學元件，並利用光彈 儀評估其內部應力，發現並無奇異點產生，由圖中可觀察出元件表面並無氣泡與殘留應 力造成的影響。

圖 117 元件頂部輪廓

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圖 118 輪廓誤差

圖 119 平面積體微光學元件

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