TWI478879B

TWI478879B - 製造成形物品之方法及裝置

Info

Publication number: TWI478879B
Application number: TW099140111A
Authority: TW
Inventors: Joseph D Malach; Alexander Lamar Robinson; Saltzer, Jr; Ljerka Ukrainczyk
Original assignee: Corning Inc
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2015-04-01
Also published as: CN102781858A; BR112012012859A2; TW201139307A; CN102781858B; JP2013512183A; EP2507181A1; KR20120092687A; US20110126588A1; US8429937B2; WO2011066218A1; JP5639658B2; EP2507181B1; KR101711238B1; WO2011066218A4

Description

製造成形物品之方法及裝置

　本發明一般係關於製造成形物品之方法及裝置。特別是,本發明係關於平板玻璃片對準於鑄模上方法。

　玻璃再成形處理過程需要將冷的玻璃預製件加熱到足夠低的黏著性係數才可以再成形玻璃。如於2009年6月29日的美國專利申請第12/493674號所描述的,製造成形玻璃物品的方法牽涉到將平板玻璃片放在鑄模上,加熱平板玻璃片(通常是到或接近玻璃轉換溫度),然後將平板玻璃片鑄造成3-D的形狀。接著從鑄模移除成形玻璃片,進行退火處理。

　退火後,成形玻璃片邊緣的銑邊成最後精準維度並修飾。以平板玻璃片而言,玻璃片邊緣的輪廓化可以低成本在3-軸的機器上完成。然而,以成形玻璃片而言,假使邊緣的輪廓化是複雜的彎曲,要將玻璃片邊緣成形成最後精準的尺寸,可能需要4-軸或5-軸的機器,這通常是成本很高的。先前提到美國專利應用第12/493674號描述第二種再成形的方法,在平板玻璃片再成形成成形玻璃片之前,平板玻璃片邊緣的輪廓化並修飾。以第二種方法,成形玻璃片邊緣額外的輪廓化和修飾是不必要的。

　在第二種方法中,可能有複雜形狀平板玻璃片的輪廓化,必須以非常精準的位置放到鑄模上,以形成具備最後精準尺寸的成形玻璃片。由於熱膨脹以及玻璃片和鑄模加熱期間所發生的移動,要精準定位是非常具有挑戰性的。當到達玻璃轉換溫度以上時,玻璃通常具有非常高的熱膨脹。例如,其膨脹很容易超過鑄模材料(這裡的鑄模材料可以是金屬或陶瓷)。圖1A顯示典型的由GorillaTM玻璃(取自公司Corning Incorporated, Corning, NY,代碼2317)製成的玻璃100,以及由Inconel 718製成的鑄模102。圖1A中,玻璃的膨脹超過鑄模膨脹600℃以上。

　圖1B顯示以束縛的情況在水平的鑄模3上面放置平板玻璃片1。平板玻璃片1放在鑄模3的頂部表面2上,使其覆蓋鑄模空腔4。在加熱玻璃片1並形成成形玻璃物品6之前,使用對準針銷5集中在鑄模空腔4上方的平板玻璃片1。假使平板玻璃片1在加熱前,如圖1B所示以束縛的情況放置,那麼由於其無法擴張,平板玻璃片1只會在接近其玻璃轉換溫度時裂開一次。圖1C,1D,和1E顯示束縛放置平板玻璃片1的額外範例。在圖1C和1D中,在加熱並形成玻璃片之前,使用對準針銷7精準定位在鑄模3上的冷平板玻璃片1。在圖1E中,以和對準針銷7同樣的目的使用對準區塊8。圖1C-1E中的置放是超過束縛的。為了避免玻璃裂開,我們認為可以加熱平板玻璃片到或接近玻璃轉換溫度,然後將加熱的玻璃以束縛的情況放置在鑄模上。然而,這種方式並不適合(<2.5 mm)的薄玻璃片,這是由於玻璃在加熱時會翹曲和扭曲,不再有需要在鑄模上精準對準的平板表面。

　在本發明第一項中,製造成形玻璃物品的方法包括(a)提供平板玻璃片,(b)提供的鑄模具備由成形表面定義的鑄模空腔,成形表面具有成形玻璃物品的表面輪廓,(c)在成形表面邊緣的鑄模上,提供至少一個邊緣對準針銷,(d)對著成形表面邊緣傾斜玻璃片,以使玻璃片的一端毗鄰邊緣對準針銷,(e)加熱玻璃片,(f)玻璃片下垂到鑄模的成形表面,使得玻璃片取得成形玻璃物品的表面輪廓,因而形成成形玻璃物品,這裡的邊緣對準針銷在玻璃片下垂到鑄模的成形表面時,對準玻璃片的邊緣和鑄模空腔,以及(g)從鑄模移除成形玻璃物品。

　在本發明一項實施例中,步驟(a)包含(a1)對平板玻璃片邊緣輪廓化為最終形狀。

　在本發明一項實施例中,步驟(1)包含修飾玻璃片之邊緣。

　在本發明一項實施例中,步驟(e)包含優先地加熱玻璃片,使得鑄模在加熱過程中與玻璃片比較為保持較低溫。

　在本發明一項實施例中,該方法更進一步包含(h)傾斜鑄模,使得突出邊緣對準針銷之玻璃片端部藉由重力栓在邊緣對準針銷上。

　在本發明一項實施例中,步驟(e)包含(e1)加熱玻璃片至低於玻璃片軟化點之溫度。

　在本發明一項實施例中,步驟(e)包含(e2)加熱玻璃片至軟化點與退火點間之溫度。

　在本發明一項實施例中,該方法更進一步包含(i)在步驟(f)之前施加真空於玻璃片與成形表面之間。

　在本發明一項實施例中,該方法更進一步包含(j)在至少步驟(f)過程施加真空於玻璃片與成形表面之間。

　在本發明一項實施例中,該方法更進一步包含(k)在步驟(g)之前冷卻鑄模中玻璃片。

　在本發明一項實施例中,該方法更進一步包含(l)對成形物品退火。

　在本發明一項實施例中,該方法更進一步包含(m)對成形玻璃物品進行化學強化。

　在本發明一項實施例中,該方法更進一步包含(n)在成形玻璃物品上塗覆抗污痕的塗膜。

　人們瞭解先前一般說明及下列詳細說明只作為範例性及說明性,以及預期提供概要或架構以瞭解申請專利範圍界定出本發明原理及特性。

　所包含附圖將更進一步提供瞭解本發明以及在此加入以及構成說明書之一部份。附圖顯示出本發明不同的實施例及隨同詳細說明以解釋本發明之原理及操作。

　現在我們將參考附圖詳細描述本發明。在此詳細的描述中,說明了很多特定細節,以便為本發明提供周全的說明。然而,熟悉此技術的人都明白本發明未必要依照一些或所有這些特定細節來實施。另一項中,一些熟知的特性和/或處理步驟沒有詳細描述以免對本發明造成不必要的混淆。此外,相似或相同的數字用來代表共同或類似的元件。

　製造成形玻璃物品的方法包括提供平板玻璃片。這裡所用的"成形玻璃物品"一詞是指具有3-D形狀的玻璃物品。平板玻璃片可由任何適合的玻璃成分製成,以作為成形玻璃物品所需的應用。如以下更進一步的說明,平板玻璃片在一些特性方面可由可以離子交換的玻璃製成。此方法進一步包括平板玻璃片輪廓化成最後的形狀。可使用譬如切割的技術來畫平板玻璃片的邊緣輪廓。可使用合適的多軸電腦數值控制(CNC)機器進行平板玻璃片的邊緣輪廓化。一般而言,使用3軸的CNC機器就已足夠。圖2顯示的是具有輪廓邊緣13的平板玻璃片11,最後形狀的範例。此方法包括修飾輪廓邊緣13。可使用例如研磨和加熱磨光的技術來修飾輪廓邊緣13。

　此方法進一步包括提供鑄模。圖3顯示的是鑄模15的範例,具有鑄模主體17,以及由成形表面21定義的鑄模空腔19。成形表面21的表面輪廓對應成形玻璃物品的形狀。大致而言,成形表面21的表面輪廓是根據所要形成的成形玻璃物品形狀而變化。鑄模主體17可以包括一個或以上的槽孔23以提供鑄模空腔19真空。一組對準針銷29定位在成形表面21的邊緣18。由於在平板玻璃片下垂到鑄模空腔19時,對準針銷29會接觸並對準平板玻璃片的邊緣,因而被稱為"邊緣對準針銷"。邊緣對準針銷29可以定位在鑄模空腔19之內或之外。圖3中,邊緣對準針銷29定位在鑄模空腔19之外。當平板玻璃片在鑄模上適當對準時,邊緣對準針銷29在鑄模上的位置對應平板玻璃片上的點。在鑄模上放置平板玻璃片牽涉到匹配平板玻璃片上的點和邊緣對準針銷29的位置。一組對準針銷33從成形表面21的邊緣移位。對準針銷33被稱為移位對準針銷。移位對準針銷33幫忙定位在鑄模上的平板玻璃片,並控制平板玻璃片的橫向移動。鑄模15是由耐熱的材料製成,最好在成形玻璃物品形成的情況下是惰性的。適合的鑄模材料範例包括高溫鋼和鑄鐵。可以高溫材料塗膜成形表面21以延長鑄模15的使用壽命。塗膜材料在成形玻璃物品形成的情況下最好也是惰性的。適合的塗膜材料範例是Armoloy的鑽石鉻塗膜。

　如圖4所示,此方法進一步包括提供在鑄模15上對準平板玻璃片11。圖4中,平板玻璃片11對著成形表面21的邊緣18傾斜。平板玻璃片11的一邊從鑄模空腔19延伸,以30顯示。而平板玻璃片11的另一邊則毗鄰對準針銷29(圖4中只看到一個邊緣對準針銷29),以31顯示。為了避免平板玻璃片11滑入毗鄰邊緣對準針銷29那邊的鑄模空腔19,以一個角度傾斜鑄模15,使得平板玻璃片11藉由重力閂到邊緣對準針銷29。鑄模15的傾斜角度通常是在0度和20度之間。傾斜角度是從切線22到成形表面21到水平線24來測量。移位對準針銷33(圖4中只看到一個)可幫忙在鑄模15上定位平板玻璃片11,並控制平板玻璃片11的橫向移動。當平板玻璃片11下垂到鑄模空腔19時,如以下進一步說明的,邊緣對準針銷29(接觸平板玻璃片11的邊緣)會保持平板玻璃片11(邊緣上)對準鑄模空腔19。

　圖5顯示當沿著鑄模空腔週遭的輪廓較淺時的一種玻璃片對準設計。圖5中,四個邊緣對準針銷29定位在平板玻璃片11的一個角。圖6顯示沿著線6-6,圖5設計的橫截面,而圖7則顯示沿著線7-7,圖5設計的橫截面。圖6中,平板玻璃片11的一端毗鄰邊緣對準針銷29如以上所解釋的傾斜鑄模15,使得平板玻璃片11的這邊藉由重力閂到邊緣對準針銷29。圖8顯示當沿著鑄模空腔週遭的輪廓較深時的一種玻璃片對準設計。圖8中,四個邊緣對準針銷29定位在平板玻璃片11的對面端。圖8的配置顯示在表面上相似於圖1D。然而,要注意的是,圖8中的邊緣對準針銷29執行的是邊緣對準的功能,相反於圖1D所示的橫向束縛功能。圖9是沿著線9-9,圖8的橫截面,從圖中看得更清楚。圖9中,邊緣對準針銷29是在成形表面21邊緣18的位置,以鄰接玻璃片11的邊緣,並在玻璃片下垂到鑄模空腔時,引導玻璃片邊緣。圖1D的對準釘梢7是以類似圖1B對準針銷5的方式,從成形表面邊緣移開,而不提供邊緣對準。圖10顯示沿著線10-10,圖8設計的橫截面。圖9中,玻璃片11毗鄰邊緣對準針銷29,並且傾斜鑄模15,使得平板玻璃片11藉由重力閂到邊緣對準針銷29。

　圖11-13顯示玻璃片和階梯式邊緣對準針銷29',29"的對準。圖11和12中,階梯式邊緣對準針銷29'有一個擴大零件43和細長零件41。圖11中,階梯式邊緣對準針銷29'定位在成形表面21邊緣,細長零件41延伸進鑄模15的主體,而擴大零件43從鑄模成形表面21突出。成形在成形表面21上的擴大零件43的底部表面45,遵循著成形表面21的輪廓。在這種安排中,平板玻璃片11鄰接擴大零件43。圖12中,邊緣對準針銷29?定位在成形表面21邊緣的鑄模15頂部(平的)表面27,細長零件41延伸進鑄模主體17,而擴大零件43從頂部表面27突出。在頂部表面27上的擴大零件43的底部表面45是平的。在這種安排中,平板玻璃片11也鄰接擴大零件43。圖13中,邊緣對準針銷29"定位在成形表面21邊緣,如同圖11的例子。然而在圖13中,擴大零件43的底部表面45是平的,相對於成形表面21,提高底部表面45,使得擴大零件43的底部表面45和成形表面21之間有一個間隙。平板玻璃片11適配於這個間隙,鄰接邊緣對準針銷29"的細長零件41。擴大零件43可避免平板玻璃片11向上滑到對齊針銷29"。

　如以上所描述的,在鑄模上對準玻璃片後,此方法進一步包括加熱平板玻璃片和鑄模。加熱最好是如同於2009年6月29日申請的美國專利第12/493674號中所描述的,藉由幅射優先快速地完成。也可使用中紅外線加熱器來加熱。優先加熱使得在加熱期間,鑄模真正保持比玻璃片還冷。為了傾斜的鑄模,最好安排加熱器,使其沿著真正垂直於玻璃片的方向,將熱引導到玻璃片。圖14顯示多個傾斜鑄模的加熱設計,同樣的設計也適用於單一的傾斜鑄模。一般而言,加熱器51以大致和鑄模15同樣的傾斜角度傾斜,以確保玻璃片加熱的一致性。例如,加熱器可以0度和20度之間的傾斜角度,安裝在相對於水平線傾斜的框架上。(應該要注意的是,圖14顯示的只有鑄模15和加熱器51的示意圖。)

　參考圖4,此方法進一步包括下垂平板玻璃片11到鑄模15的成形表面21。由於下垂所形成的成形玻璃物品顯示在11。在玻璃片11的加熱和下垂期間,邊緣對準針銷29保持玻璃片11到鑄模空腔19的邊緣對準。下垂玻璃片11到成形表面21可包括連接鑄模15的槽孔(圖3的23)到真空泵或其他可真空鑄模空腔19的裝置。當玻璃片11加熱到某溫度時,真空鑄模空腔19,使得玻璃片11的黏著性係數大約是在10⁹ 泊(Poise)。當真空鑄模空腔19時,玻璃片的溫度是在形成溫度,一般是在玻璃的軟化點以下,最好是在玻璃的軟化點和退火點之間。此裝置經由鑄模空腔19真空玻璃片11,將玻璃片11拖進鑄模空腔19,並靠著成形表面21,以使玻璃片11取得成形表面21的形狀,如同11'處所顯示。靠著成形表面21拖拉玻璃片11的處理過程,稱為真空-下垂。可在玻璃片11開始藉由重力下垂到鑄模空腔19之前,真空鑄模空腔19。或者,可在玻璃片11開始藉由重力下垂到鑄模空腔19之後,真空鑄模空腔19。

　成形玻璃物品11'一般就放在鑄模15內冷卻。可藉著將鑄模15暴露到週遭的空氣中,或藉著循環冷卻圍著鑄模15和成形玻璃物品11'的空氣或氣體來進行冷卻。一般而言,要將成形玻璃物品11'冷卻到退火點以下的溫度,最好是到應變點以下的溫度。冷卻後將成形玻璃物品11'從鑄模15移除。在這個點上,成形玻璃物品11'可進行強化處理。此方法可包括退火成形玻璃物品11'。退火後,成形玻璃物品11可藉由離子交換進行化學強化。此方法進一步包括在成形玻璃物品11'上塗覆抗污痕的塗膜,這通常是製造成形玻璃物品的最後步驟。可利用以上描述的方法,在一個處理過程中製造單一的成形玻璃物品或多個成形玻璃物品。可使用圖14所示的多個鑄模,製造多個成形玻璃物品。

　平板玻璃片可由任何適合的玻璃成分製成,以作為成形玻璃物品所需的應用。在某些特性方面,平板玻璃片可由可離子交換的玻璃製成,譬如可藉由離子交換以強化含鹼的玻璃。可離子交換的玻璃一開始的結構是包含小型鹼離子,譬如Li⁺ ,Na⁺ ,或兩者,在離子交換處理期間,可以和譬如K⁺ 的較大型離子交換。適合的可以離子交換玻璃的範例是鹼鋁矽酸鹽玻璃,描述於美國專利第11/888,213, 12/277,573,12/392,577, 12/393,241,和12/537,393號;美國專利第61/235,767以及61/235,762 (讓渡於Corning Incorporated公司),其內容在這裡也全部併入參考。這些玻璃可在相當低的溫度離子交換,到至少30微米的深度。

　譬如在美國專利第5,6747,90(Araujo, Roger J.)中描述了藉由離子交換的強化玻璃處理過程。離子交換處理一般是發生在不超過玻璃轉換溫度的提高溫度範圍。此處理過程的執行是將玻璃浸沒在含有鹼性鹽(通常是硝酸鹽)的融態浴池中,其離子大於玻璃內的主要鹼性離子。主要鹼離子和較大型鹼離子進行交換。例如,含有Na⁺ 的玻璃可以浸沒在融態硝酸鉀(KNO₃ )的浴池中。融態浴池中的較大型K⁺ ,會取代玻璃內較小型的Na⁺ 。原先由小型鹼離子佔據的位置變成大型鹼離子,產生在靠近玻璃表面壓縮應力,以及在玻璃內部的張力。在離子交換處理過程後,從融態浴池移除玻璃,並冷卻下來。離子交換深度,亦即大型鹼離子深入玻璃的穿透深度,一般是大約40微米至300微米,由玻璃成份和浸沒時間來控制。適當執行離子交換處理後,可形成抗刮痕的玻璃表面。

　雖然本發明已對一些有限數目實施例作說明,業界熟知此技術者受益於所揭示內容將瞭解能夠設計出其他實施例而並不會脫離在此所揭示本發明之內容。因而,本發明應該只受限於下列申請專利範圍。

1‧‧‧平板玻璃片
2‧‧‧頂部表面
3‧‧‧鑄模
4‧‧‧鑄模空腔
5‧‧‧對準針銷
6‧‧‧成形玻璃物品
7‧‧‧對準針銷
8‧‧‧對準區塊
11‧‧‧平板玻璃片
11‧‧‧成形玻璃物品
13‧‧‧輪廓邊緣
15‧‧‧鑄模
17‧‧‧鑄模主體
18‧‧‧邊緣
19‧‧‧鑄模空腔
21‧‧‧成形表面
22‧‧‧切線
23‧‧‧槽孔
24‧‧‧水平線
27‧‧‧頂部表面
29‧‧‧邊緣對準針銷
33‧‧‧移位對準針銷
41‧‧‧細長零件
43‧‧‧擴大零件
45‧‧‧底部表面
51‧‧‧加熱器
100‧‧‧玻璃
102‧‧‧鑄模

　底下所說明附圖顯示出本發明一般實施例以及並不考
慮受限於本發明範圍,本發明允許其他相同有效之實施例
。附圖並不會需要按照比例,以及附圖特定特徵以及特定
觀點之比例可放大或為了清析而示意性地顯示出。

　圖1A為曲線圖,其顯示出玻璃材料以及鑄模材料之熱膨脹特性。

　圖1B為水平鑄模上平板玻璃片受束縛放置之斷面圖。

　圖1C為鑄模上平板玻璃片受過度束縛放置之頂視圖。

　圖1D為鑄模上平板玻璃片另一受過度束縛放置之頂視圖。

　圖1E為鑄模上平板玻璃片另一受過度束縛放置之頂視圖。

　圖2為具有輪廓化邊緣之平板玻璃片的頂視圖。

　圖3為鑄模之透視圖。

　圖4顯示出平板玻璃片對準於鑄模上。

　圖5顯示出當鑄模空腔並不具有深的輪廓時玻璃片之對準排列。

　圖6為圖5沿著線6-6之斷面圖。

　圖7為圖5沿著線7-7之斷面圖。

　圖8顯示出當鑄模空腔並不具有深的輪廓時玻璃片之對準排列。

　圖9為圖8沿著線9-9之斷面圖。

　圖10為圖8沿著線10-10之斷面圖。

　圖11顯示出順著鑄模輪廓化表面之邊緣對準針銷。

　圖12顯示出位於鑄模平坦表面之邊緣對準針銷。

　圖13顯示出位於鑄模輪廓化表面提高位置之邊緣對準針銷。

　圖14顯示出多個傾斜鑄模之加熱排列。

15‧‧‧鑄模

17‧‧‧鑄模主體

18‧‧‧邊緣

19‧‧‧鑄模空腔

21‧‧‧成形表面

22‧‧‧切線

23‧‧‧槽孔

29‧‧‧邊緣對準針銷

Claims

一種製造成形玻璃物品的方法,該方法包括:
(a)提供平板玻璃片;
(b)提供的鑄模具備由成形表面定義的鑄模空腔,成形表面具有成形玻璃物品的表面輪廓;
(c)在成形表面邊緣的鑄模上,提供至少一個邊緣對準針銷;
(d)對著成形表面邊緣傾斜玻璃片,以使玻璃片的一端毗鄰邊緣對準針銷;
(e)加熱玻璃片;
(f)玻璃片下垂到鑄模的成形表面,使得玻璃片取得成形玻璃物品的表面輪廓,因而形成成形玻璃物品,其中邊緣對準針銷在玻璃片下垂到鑄模的成形表面時,對準玻璃片的邊緣和鑄模空腔;以及
(g)從鑄模移除成形玻璃物品。
依據申請專利範圍第1項之方法,其中步驟(a)包含:
(a1)對平板玻璃片邊緣輪廓化為最終形狀。
依據申請專利範圍第2項之方法,其中步驟(a1)包含:
(a2)修飾玻璃片之邊緣。
依據申請專利範圍第1項之方法,其中步驟(e)包含加熱玻璃片,使得鑄模在加熱過程中與玻璃片比較為保持較低溫。
依據申請專利範圍第1項之方法,其中更進一步包含:
(h)傾斜鑄模,使得突出邊緣對準針銷之玻璃片端部藉由重力栓在邊緣對準針銷上。
依據申請專利範圍第5項之方法,其中在步驟(h)中,鑄模相對於水平之傾斜角度在0度與20度之間。
依據申請專利範圍第1項之方法,其中步驟(e)包含:
(e1)加熱玻璃片至低於玻璃片軟化點之溫度。
依據申請專利範圍第1項之方法,其中步驟(e)包含:
(e2)加熱玻璃片至軟化點與退火點間之溫度。
依據申請專利範圍第1項之方法,其中更進一步包含
(i)在步驟(f)之前施加真空於玻璃片與成形表面之間。
依據申請專利範圍第1項之方法,其中更進一步包含
(j)在至少步驟(f)過程施加真空於玻璃片與成形表面之間。
依據申請專利範圍第1項之方法,其中更進一步包含
(k)在步驟(g)之前冷卻鑄模中玻璃片。
依據申請專利範圍第1項之方法,其中更進一步包含:
(l)對成形物品退火。
依據申請專利範圍第1項之方法,其中更進一步包含:
(m)對成形玻璃物品進行化學強化。
依據申請專利範圍第1項之方法,其中更進一步包含:
(n)在成形玻璃物品上塗覆抗污痕的塗膜。