CN102264658A - 由片材形成成形制品的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用来制造成形制品的方法和设备。所述设备包括容器(102)，所述容器包括至少一个真空口(108)以及用来接受玻璃基材料片(130)的表面(124)。至少一个阳模(116)支承在容器(102)内，其中所述至少一个阳模(116)具有外表面(118)，所述外表面具有限定所述成形制品的内部的轮廓。在所述容器和所述至少一个阳模之间限定了开放体积(115)，该开放体积与所述真空口连通。所述方法包括提供阳模(116)的阵列并使片材(130)弯垂到该模具的表面(118)上，形成由弯垂的连接片互连的成形制品的阵列，所述连接片延伸至低于成形制品的阵列的底部。

Description

由片材形成成形制品的方法和设备

技术领域

本发明一般涉及用来形成成形制品的方法和设备。更具体来说，本发明涉及用来形成可以包括薄壁的成形玻璃基制品的方法和设备。

背景技术

成型是一种用来制造成形物体的常用技术。精密成型适合用来形成成形的玻璃制品，特别当需要具有高尺寸精度和高质量表面光洁度的最终玻璃制品时。在精密成型中，在一对模具表面之间对总体几何形状与最终玻璃制品类似的玻璃预成形件进行压制，以形成最终的玻璃制品。该工艺需要高度的精确性将玻璃预成形件送到模具中，还需要精密研磨和抛光的模具表面，因此成本很高。压模法基于用柱塞将一团熔融玻璃压制成所需的形状，该方法可以用来以较低的成本制造成形的玻璃制品，但是压模法通常无法达到精密成型所能达到的高公差和光学质量。在需要将熔融玻璃铺展得很薄以制造具有复杂曲率的薄壁玻璃制品的情况下，在获得最终的所需形状之前，所述熔融玻璃可能会变冷，或者形成冷的外皮。通过对一团熔融玻璃进行压模而形成的成形玻璃制品可能表现出以下的一种或多种缺陷：切痕、翘曲、由于表面质量低造成的光学扭曲、以及总体的低尺寸精度。人们还通过将玻璃板压入模具中来形成成形玻璃制品。

发明概述

在一个方面，本发明涉及一种制造成形制品的方法，所述方法包括提供包括间隔的阳模的阵列的容器，所述各个阳模具有外表面，所述外表面包括限定成形制品的内部的轮廓。所述方法还包括将玻璃基材料的片材设置在容器上，使得在所述片材和容器之间限定出封闭的体积，所述封闭的体积包围了所述间隔的阳模的阵列。该方法包括对封闭的体积施加真空，通过真空使得片材弯垂到阳模的外表面上，并进入阳模之间的空间，形成成形制品的阵列，所述成形制品在片材的一部分通过弯垂的连接片(web)互连，其中所述弯垂的连接片延伸至低于所述成形制品的阵列的底部。所述方法包括将成形制品的阵列与阳模分离，修整掉所述弯垂的连接片，从而将成形制品的阵列分离成独立的成形制品。

在另一个方面，本发明涉及一种用来制造成形制品的设备，所述设备包括容器，所述容器包括至少一个真空口，以及用来接受玻璃基材料片的表面。所述设备包括至少一个支承在容器内的阳模，其中所述至少一个阳模具有外表面，所述外表面具有限定所述成形制品的内部的轮廓。所述设备包括在所述容器和所述至少一个阳模之间限定的开放体积。所述开放体积与所述真空口连通。

从下述发明详述和所附权利要求书很容易了解本发明的其他特征和优点。

附图简要说明

下文所述的附图说明了本发明的典型实施方式，但是不应认为它们限制了本发明的范围，因为本发明还包括其它同样有效的实施方式。为了清楚和简明起见，附图不一定按比例绘制，附图的某些特征和某些视图可能按比例放大显示或以示意性方式显示。

图1是用来制造成形制品的设备的顶视图。

图2是沿着直线2-2获得的图1的截面图。

图3是阳模的透视图。

图4显示悬挂在用来制造成形制品的设备上方的材料片。

图5显示放置在设备的容器上的图4的片材。

图6显示弯垂到阳模上的图5的片材。

图7显示对图6的片材中的连接片施加的作用力。

图8是互连的成形制品的部分阵列。

图9显示单独的成形的制品。

发明详述

以下，将关于附图所示的几个实施方式对本发明进行详细的描述。在描述实施方式时，叙述许多具体细节是为了提供对本发明的透彻理解。但是，对本领域技术人员显而易见的是，本发明可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其它情况中，为了不使本发明难理解，没有详细描述众所周知的特征和/或工艺步骤。此外，类似或相同的附图编号用于标识共有或类似的零件。

图1是用来制造成形制品的设备100的顶视图。所述成形制品可以由玻璃基材料制造，例如由玻璃或玻璃-陶瓷制造。设备100包括容器102，所述容器102包括侧壁104和底壁106。容器102可以由耐热性坚固材料制造。图2是设备100的垂直截面图。如图2所示，所述容器102包括真空口108。一般来说，所述容器102可以包括一个或多个真空口108。所述真空口108可以如图所示位于底壁106中，以及/或者可以位于侧壁104中。

参见图1和2，在容器102中支承多个阳模116。一般来说，可以在容器102中支承一个或更多个阳模116。可以设置所述阳模116，使得在各个阳模116和其相邻的阳模之间存在间隙G。在所述设备中，所述间隙G的宽度可以是相同的或不同的。各个阳模116的形状取决于通过该阳模形成的所需的成形制品。为了举例说明，图3显示了用来形成成形制品的阳模116的一个例子。所述阳模116具有外表面118，其包括将要通过所述阳模116形成的成形制品的内部的轮廓。之所以将模具116描述为“阳”模是因为带有成形制品轮廓的外表面118通常是凸形的。所述外表面118可以是平滑的或者是有纹理的。所述阳模116还可以具有底面120，所述底面可以设置在载体上，这将在下文进行描述。

参见图1和图2，所述阳模116可以由耐热性材料制造，优选由在制造成形制品的条件下，不会与用来制造成形制品的玻璃基材料反应的材料制造。通过以下关于使用所述设备制造成形制品的描述，可以清楚地了解这些条件。例如，所述阳模116可以由高温钢、铸铁或陶瓷制造。为了延长模具的寿命，可以在阳模116的外表面118涂覆不会与用来制造成形制品的玻璃基材料反应的硬质耐热性材料。这类材料的一个例子是金刚石-铬涂层。

参见图2，阳模116支承在多个柱状体110上。所述柱状体110支承在容器102的底壁106上。所述底壁106可以包括用来接受柱状体110的端部的凹口112。所述阳模116可以类似地包括用来接受柱状体110的端部的凹口121。所述柱状体110可以具有圆形的截面，或者具有其他种类的截面，例如椭圆形或环形。在所述设备中，所述柱状体110的尺寸，例如直径可以是相同或不同的。可以对所述柱状体110进行设置，使得各个柱状体110和其相邻的柱状体之间具有间隙g。在所述设备中，所述间隙g的宽度可以是相同的或不同的。所述柱状体110可以由耐热性坚固材料制造。

参见图1和图2，在一个实例中，在容器102的侧壁104与阳模106之间的环形间隙123内设置间隔环124。所述间隔环124与所述阳模116隔开，使得在间隔环124和阳模116之间形成环形间隙125。如图2更清楚地显示，所述间隔环124可以包括终止面128，其为能够对抗间隔环124和阳模116之间的作用力的表面，这将在下文中进行解释。

参见图1，容器102提供表面119，所述玻璃基材料片可以置于该表面119上。在一个实例中，将推顶器127设置在所述表面119上。所述推顶器127可以进行操作，以帮助将玻璃基材料片从容器102卸除。

参见图2，在容器102和阳模116之间限定了开放体积，通常记作115。之所以认为体积115是“开放的”，是因为阳模116之间的间隙G以及柱状体110之间的间隙g。所述开放体积115与所述真空口108连通。所述环形间隙125还有助于开放体积115的开放，其中环形间隙125与间隙G和g互连。如果环形间隙125未与间隙G和g互连，则可以将独立的真空线路与环形间隙125连接，以在环形间隙125中提供真空。

图4-9显示制造成形制品的方法。在图4中，将由玻璃基材料制造的片材130悬挂在设备100的容器102上方。可以使用任何合适的方法，例如吸盘将片材130悬挂在容器102上方。可以将吸盘或其它的夹持器设置在片材130的上方、下方或边缘处。当所述片材130的上表面132为未受破坏的的情况下，所述吸盘或者其它的夹持器可以在片材130的边缘处与上表面132接触，所述片材的边缘之后不会形成成形制品。可以使用任意合适的转移器件，例如一组辊轮，将片材130从片材形成位点转移到容器102。可以通过任意合适的方法，例如熔合拉制法，或浮法玻璃制造法制造玻璃片130。可以将片材130以离散的片材或连续片材的形式转移到容器102。所述片材130可以具有一个未受破坏的表面或两个未受破坏的表面。具有未受破坏的表面的片材130可以通过例如熔合拉制法制造。

所述片材130的材料可以是适合用于成形制品用途的任意玻璃基组合物。所述玻璃基材料可以是玻璃或玻璃-陶瓷。在一个实例中，所述玻璃基材料是能够通过离子交换而化学增强的玻璃组合物。通常，玻璃结构中存在的可以交换诸如K⁺等较大碱金属离子的诸如Li⁺和Na⁺等较小碱金属离子可以使玻璃组成适合进行通过离子交换的化学增强处理。基本玻璃组成可以变化。例如，转让给本受让方的美国专利申请第11/888213号揭示了一种碱金属铝硅酸盐玻璃，其能够通过离子交换进行增强，并下拉成片材。所述玻璃的熔融温度约低于1650℃，液相线粘度至少为1.3x10⁵泊，在一个实施方式中，大于2.5x10⁵泊。所述玻璃可以在较低的温度下进行离子交换，可以离子交换到至少30微米的深度。所述玻璃的组成包含：64摩尔％≤SiO₂≤68摩尔％；12摩尔％≤Na₂O≤16摩尔％；8摩尔％≤Al₂O₃≤12摩尔％；0摩尔％≤B₂O₃≤3摩尔％；2摩尔％≤K₂O≤5摩尔％；4摩尔％≤MgO≤6摩尔％；和0摩尔％≤CaO≤摩尔％，其中：66摩尔％≤SiO₂+B₂O₃+CaO≤69摩尔％；Na₂O+K₂O+B₂O₃+MgO+CaO+SrO＞10摩尔％；5摩尔％≤MgO+CaO+SrO≤8摩尔％；(Na₂O+B₂O₃)-Al₂O₃≤2摩尔％；2摩尔％≤Na₂O-Al₂O₃≤6摩尔％；和4摩尔％≤(Na₂O+K₂O)-Al₂O₃≤10摩尔％。

为了使得玻璃片130形成成形制品，玻璃片130必须处于可以对其进行成型的升高的温度。箭头134显示可以在将片材130悬挂在容器102上方的时候将其加热至升高的温度。还可以在将片材130悬挂在容器102上方之前，将片材130加热至升高的温度。在一个实例中，将片材130加热至使得玻璃基材料的粘度约等于或小于10⁹泊的温度。一般来说，该温度将取决于玻璃基材料的组成。

在图5中，使得片材130与容器102接触，从而在容器102和片材130之间限定封闭的体积，通常记作135。所述阳模116的温度可以低于片材130的温度。在图5所示的位置，所述片材130覆盖在所述阳模116，所述阳模116之间的间隙G，以及所述阳模116和所述间隔环124之间的环形间隙125的上面。

所述方法包括通过真空口108对封闭的体积135施加真空。这可通过以下方式完成，例如使得真空泵与真空口108连接，使用真空泵从封闭体积135除去空气和其它的气体。如图6所示，通过施加真空，使得片材130弯垂到阳模116的外表面118上，并进入间隙G和125中。所述片材130弯垂到外表面118上的部分形成成形制品144。所述片材130弯垂到间隙G中的部分形成弯垂连接片146(凹形连接片)，其将成形制品144互相连接。在一个实例中，所述弯垂的连接片146延伸至低于成形制品144阵列的底部，因此可以将其修整掉(在下文中将进行讨论)，从而将成形的制品144分离成独立的部件。

所述片材130弯垂到环形间隙125中的部分形成成形制品144(即与间隔环124相邻的那些)与片材130的剩余部分130a之间的弯垂连接片148。图7显示可以对所述弯垂连接片148施加作用力F，可以压制所述弯垂连接片148(使其变薄)，或者贯穿所述弯垂连接片148。在后一种情况下，可以将互连的成形制品144与片材130的剩余部分130a分离。可以用具有钝的或尖锐的边缘的工具施加作用力F。

所述方法包括将互连的成形制品144保持在阳模116上，直至玻璃基材料冷却，通常是冷却至使得所述玻璃基材料的粘度约等于或大于10¹³泊。可以在封闭的体积内(图5的135)保持真空，同时将所述玻璃基材料冷却至所需的温度。接下来，将冷却的互连的成形制品144从阳模116卸除。卸除操作可以包括对封闭的体积(图5的135)加压以及/或者激活推顶器(图1的127)。

图8显示按上文所述形成的从阳模(图7的116)卸除之后的互连成形制品144的部分。可以对互连成形的制品144进行退火。在退火之后，可以修整掉弯垂的连接片146，将成形制品144分离成独立的部件。当如图8所示，弯垂连接片146延伸至低于成形制品144底部的时候，例如可以通过研磨完成修整。由此可以避免使用复杂的机器将互连的成形制品144切成独立的部件。也修整掉弯垂的连接片148。所述成型方法还可以使得弯垂连接片148延伸至低于成形制品144的底部，从而简化修整步骤。

图9显示单独的成形的制品144。所述方法可以包括对独立的成形制品144的修整边缘进行精整。所述方法还可以包括对成形制品144进行化学增强，这将在下文中进行解释。在化学增强之后，可以采用烧制抛光之类的技术对成形制品进行精整。

在一个实例中，通过离子交换进行化学增强。离子交换过程通常发生在不超过玻璃的转变温度的升高的温度范围内。将玻璃浸在包含碱金属盐的熔浴中，其中碱金属的离子半径大于玻璃中所包含的碱金属离子的离子半径。玻璃中较小的碱金属离子交换成较大的碱金属离子。例如，可以将含钠离子的玻璃片浸在硝酸钾(KNO₃)熔浴中。熔浴中的较大钾离子将置换玻璃中的较小钠离子。在原先由钠离子占据的位点上存在大的钾离子，在玻璃表面上或近表面处形成了压缩应力。玻璃在离子交换之后进行冷却。玻璃中离子交换的深度受玻璃组成控制。例如，对于钾/钠离子交换过程，发生离子交换的升高的温度可以约为390-430℃，钠基玻璃在包含钾盐的熔浴中浸泡的时间可以为7小时至12小时(较高的温度需要较短的时间，较低的温度需要较长的时间)。一般来说，离子交换越深，表面压缩越高，玻璃的强度可以越高。

通过上文所述的方法和设备可以以高精度和低成本形成薄壁成形玻璃基制品(例如壁厚＜2毫米)。所述成形制品的外部不与阳模接触，因此如果用来制造成形制品的初始片材具有至少一个未受破坏的表面，则所述成形制品也可能具有未受破坏的表面。此种方法是可重复的，一致性高，而且灵活性高。可以通过在单次操作中形成具有不同形状的成形制品，因此实现了灵活性。

尽管已经关于有限数量的实施方式描述了本发明，但是得益于本揭示内容的本领域技术人员可以理解能够在不偏离本文所揭示的本发明范围的前提下想出其他的实施方式。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求书限定。

Claims (17)

1.一种制造成形制品的方法，其包括：

提供包括间隔的阳模的阵列的容器，所述各个阳模具有外表面，所述外表面具有限定成形制品的内部的轮廓；

将玻璃基材料的片材设置在容器上，使得在所述片材和容器之间限定出封闭的体积，所述封闭的体积包围了所述间隔的阳模的阵列；

对所述封闭的体积施加真空；

通过真空使得所述片材弯垂到所述阳模的外表面上，并进入阳模之间的空间，形成成形制品的阵列，所述成形制品在片材的一部分通过弯垂的连接片互连，所述弯垂的连接片延伸至低于所述成形制品的阵列的底部；

将所述成形制品的阵列与所述阳模分离；以及

修整掉所述弯垂的连接片，以将成形制品的阵列分离成独立的成形制品。

2.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括对成形制品的阵列进行退火。

3.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括通过离子交换对成形制品进行增强。

4.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括对单独的成形制品的修整的边缘进行精整。

5.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括在施加真空之前，将所述片材加热至使得所述玻璃基材料的粘度等于或小于10⁹泊的温度。

6.如权利要求5所述的方法，所述方法还包括在将所述成形制品的阵列与所述阳模分离之前，将所述成形制品的阵列冷却至使得所述玻璃基材料的粘度等于或大于10¹³泊的温度。

7.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括通过真空使得所述片材弯垂到所述阳模和所述容器之间的环形间隙内，形成所述成形制品的阵列与片材的另一部分之间的弯垂的连接片。

8.如权利要求7所述的方法，所述方法还包括压制或贯穿所述成形制品阵列与所述片材的另一部分之间的弯垂的连接片。

9.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括用抗污涂料对成形制品进行涂覆。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃基材料是玻璃。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃基材料是玻璃-陶瓷。

12.一种用来制造成形制品的设备，其包括：

容器，其包括至少一个真空口以及用来接受玻璃基材料片材的表面；

支承在所述容器内的至少一个阳模，所述至少一个阳模具有外表面，所述外表面具有限定所述成形制品的内部的轮廓；以及

在所述容器以及所述至少一个阳模之间限定的开放体积，该开放体积与所述真空口连通。

13.如权利要求12所述的设备，该设备还包括至少一个柱状体，在所述柱状体上支承了至少一个阳模，所述至少一个柱状体设置在所述开放体积内。

14.如权利要求12所述的设备，所述设备还包括设置在至少一个阳模以及所述容器之间的间隔环。

15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述间隔环具有表面，用来对抗施加在所述至少一个阳模以及所述容器之间的负荷。

16.如权利要求12所述的设备，所述设备还包括支承在所述容器中的另外的阳模，所述每个另外的阳模具有外表面，所述外表面具有限定成形制品内部的轮廓，所述另外的阳模以及所述至少一个阳模限定了间隔的阳模的阵列。

17.如权利要求16所述的设备，所述设备还包括多个间隔的柱状体，在所述柱状体上支承了间隔的阳模的阵列，所述柱状体设置在所述开放空间内。

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