CN103237769A - 将材料板弯曲成成形制品方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种将材料板弯曲成成形制品的方法，该方法包括提供所述材料板。将所述材料板的可再成形区域和不可再成形区域加热至对应第一粘度范围的第一温度范围。之后将材料板的可再成形区域加热至对应第二粘度范围的第二温度范围。通过使所述材料板的可再成形区域弯垂以及对材料板的可再成形区域的外部或者靠近可再成形区域的边界施加作用力中的至少一种，将材料板的可再成形区域再成形成选定的形状。

Description

将材料板弯曲成成形制品方法和设备
相关申请交叉参考
本申请根据35U.S.C.§119要求2010年11月30日提交的欧洲申请系列第10306317.8号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
技术领域
本发明一般地涉及将平板再成形成成形制品的方法和设备。
背景
在电子显示屏工业中，对于高质量的成形玻璃薄板，特别是具有平面区域和弯曲区域相结合的高质量的成形玻璃薄片的兴趣正在不断增长。例如，需要将这些成形玻璃板用作平面屏幕电视机的覆片，并且在其他应用中用作保护覆片。
可以将玻璃平板再成形成成形的玻璃板。已知各种用于将玻璃平板再成形成成形玻璃片的技术，特别是在汽车应用中（例如挡风玻璃和侧窗）以及建筑应用中（例如用于建筑和商用非电子显示屏的曲面玻璃）。例如，美国专利第5,093,177号（Anderson等，1992年3月3日）揭示了一种通过在玻璃平板中压入凹陷区域来成形玻璃板的制造方法，该成形玻璃板旨在用作车窗。在Anderson等的方法中，加热器在玻璃平板的表面上直射集中高温热量，将玻璃平板再成形区域的转变部分快速加热至其热软化温度。为了避免由于用集中热量沿着玻璃的窄带进行加热所导致的玻璃断裂，在施加集中热量前，将玻璃板预加热至提升的温度。在将转变部分加热至其软化温度之后，再成形区域位于冲压模头之间并与其对齐。然后使一个模头朝着另一个模头前进并在模头之间按压再成形区域，用玻璃平板使再成形区域偏移离开平面。
Anderson等所揭示的方法涉及再成形区域中的明显三维变形，并涉及按压装置使再成形区域偏移离开玻璃平板的平面。该方法要求显著降低的粘度并在再成形区域中施加明显的压力。本领域技术人员易知，在这些条件下，玻璃的表面状态会遭到局部破坏。对于Anderson等来说，这并不是问题，原因在于，“被破坏的部分”仅起了机械上的作用，对于完全安装的产品从观察来看是被隐藏起来的。在旨在用作电子显示屏的覆片的成形玻璃板的情况下，无法负担此类奢华。
概述
在本发明的一个方面，涉及一种将材料板弯曲成成形制品的方法，该方法包括：提供材料板（步骤a），将所述材料板的可再成形区域和不可再成形区域加热至对应第一粘度范围的第一温度范围（步骤b），随后将所述材料板的可再成形区域加热至对应第二粘度范围的第二温度范围（步骤c），并通过使所述材料板的可再成形区域弯垂以及对材料板的可再成形区域的外部或者靠近可再成形区域的边界施加作用力中的至少一种，将材料板的可再成形区域再成形成选定的形状（步骤d）。
在所述方法的一个实施方式中，在步骤c中，加热至第二温度范围的材料板的总面积与加热至第二温度范围的可再成形区域的面积的比值小于或等于1.5，其中所述总面积与所述可再成形区域重叠。
在所述方法的一个实施方式中，在步骤c中，加热至第二温度范围的材料板的总面积与加热至第二温度范围的可再成形区域的面积的比值小于或等于1.2，其中所述总面积与所述可再成形区域重叠。
在所述方法的一个实施方式中，步骤a中提供的材料板的厚度范围为0.3-1.5mm。
在所述方法的一个实施方式中，材料板的热膨胀系数大于5ppm。
在所述方法的一个实施方式中，第一粘度范围的下限高于第二粘度范围的上限。
在所述方法的一个实施方式中，第一粘度范围的下限大于6x109泊。
在所述方法的一个实施方式中，第二粘度范围是108-109泊。
在所述方法的一个实施方式中，步骤d包括向可再成形区域施加真空，以帮助可再成形区域的弯垂(sagging)。
在所述方法的一个实施方式中，步骤c包括使用光学元件在可再成形区域上聚焦辐射热。
在所述方法的一个实施方式中，步骤c包括使用屏蔽元件在可再成形区域上聚焦辐射热。
在所述方法的一个实施方式中，材料板的可再成形区域和不可再成形区域是毗邻的。
在所述方法的一个实施方式中，步骤a中的材料板是平面的，并且在步骤d之后，不可再成形区域仍是平面的。
在所述方法的一个实施方式中，选定的形状包括弯曲的。
在本发明的另一个方面，涉及一种用于将材料板弯曲成成形制品的设备，所述设备包含用于支持材料板的支撑和加热装置，当材料板装在支撑上时，所述加热装置用于将材料板的可再成形区域局部加热至对应选定粘度范围的选定温度。所述加热装置包含热源和光学元件或屏蔽元件，用于将热源的热量聚焦到材料板的可再成形区域上。
在所述设备的一个实施方式中，光学元件包括椭圆形镜，用于将热量反射到材料板的可再成形区域上。
在所述设备的一个实施方式中，屏蔽元件包括具有缝隙的耐热屏蔽，用于将热量聚焦到材料板的可再成形区域上。
在所述设备的一个实施方式中，热源是电阻型加热器。
应理解，前面的发明内容和以下描述都只是本发明的示例，用来提供理解要求保护的本发明说明书的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图举例说明了本发明的各种实施方式，并与描述一起用来解释本发明的原理和操作。
附图说明
以下是对附图中各图的描述。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图方式显示。
图1a是对材料板的可再成形区域进行局部加热的示意图。
图1b是对材料板的可再成形区域进行局部加热的示意图。
图1c是对材料板进行整体加热的示意图。
图2是对材料板的可再成形区域进行局部加热的加热装置的示意图。
图3是对材料板的可再成形区域进行局部加热的电阻型加热装置的示意图。
图4是聚焦辐射热的温度分布图。
图5是聚焦辐射热的温度分布图。
图6显示在用图2的聚焦辐射加热装置对材料板的可再成形区域进行局部加热之后的材料板的热曲线图。
图7显示在用图2的聚焦辐射加热装置对材料板的可再成形区域进行局部加热之后的材料板的热曲线图和粘度曲线图。
图8是90°弯曲的成形制品的透视图。
图9是具有两个90°弯曲的成形制品的透视图。
图10是具有两个45°弯曲的成形制品的透视图。
详述
下文描述了本发明的附加特征和优点，其中的部分特性和优点对本领域的技术人员而言由本发明的说明书是容易理解的，或通过按照本发明说明书所述实践本发明是被认可的。
在一个实施方式中，成形制品的制造方法包括提供材料板，所述材料具有粘弹性。在一个实施方式中，材料是含玻璃材料，例如玻璃或玻璃-陶瓷。在一个实施方式中，材料板是薄板，例如厚度范围为0.3-1.5mm。在一个实施方式中，材料板的热膨胀系数大于5ppm。在一个实施方式中可以使用具有特定厚度和热膨胀系数的各种类型的玻璃。合适的玻璃的一个例子是GORILLA玻璃，它可购自美国纽约州康宁股份有限公司(Corning Incorporated,NY)，商品编号2317。在一些实施方式中，需要所述合适的玻璃是可离子交换的含碱金属玻璃。所述可离子交换的含碱金属玻璃具有含小的碱性离子（例如Li+和/或Na+）的结构。在离子交换过程中，这些小的碱性离子可以与较大碱性离子（例如K+）发生交换。合适的可离子交换的含碱金属玻璃的离子是碱性铝硅酸盐玻璃，例如美国专利申请号11/888213、12/277573、12/392577、12/393241以及12/537393中所述，它们全部转让给康宁有限公司，其内容通过参考结合于此。这些碱性铝硅酸盐玻璃玻璃可以在较低的温度下离子交换到至少30μm的深度。上文所提及的GORILLA玻璃是可离子交换的含碱金属玻璃的商用例子。
在一个实施方式中，以平面形式提供材料板。对于含玻璃材料板，可以采用任意合适的方法来生产平面玻璃，例如溢流下拉熔合法或者浮法。在图1a中，将材料板100放在支撑102上。在图1a的实施方式中，支撑102具有平坦表面104，在该平坦表面104上支撑了材料板100。将材料板100放在支撑102上，使得一部分材料板100悬于支撑102之上或者从支撑102向外延伸。材料板100具有至少一个“可再成形区域”106以及至少一个“不可再成形区域”108。所述可再成形区域是材料板中会形成三维形状的区域。通常，该三维形状包括具有一定曲率半径的弯曲。所述不可再成形区域是材料板中不会形成三维形状的余下区域。通常，可再成形区域与不可再成形区域是毗邻的。
在图1a所示的实施方式中，可再成形区域106悬于支撑102上方，并且不与支撑102发生接触。但是，可再成形区域106相对于支撑102也可具有其他配置。例如，在图1b所示的实施方式中，可再成形区域106与支撑102b的一部分102a发生重叠。重叠部分102a是圆角的，所以在可再成形区域106成形成三维形状之前，可再成形区域106与重叠部分102a之间没有明显的接触。当可再成形区域106成形成三维形状之后，可再成形区域106与重叠部分102a的表面之间可能存在接触。在此情况下，可对重叠部分102a的表面103的材料进行适当选择，以避免在提升的温度下，可再成形区域106与支撑102b的重叠部分102a之间发生粘着。除了图1a和1b所示的实施方式之外，根据要成形的成形制品的要求，可再成形区域106可以位于材料板100的任意位置。
如图1c所示，当材料板100位于支撑102上的时候，将可再成形区域106和不可再成形区域108，即整个材料板加热至对应第一粘度范围的第一温度范围。在图1c中，使用加热器109对材料板100进行整体或全部加热。可以采用各种类型的加热器109，例如气体燃烧器、电阻型灯丝以及等离子体火炬。对于含玻璃材料板100，第一温度范围要足够低以避免材料板的变形或光学质量缺陷，但是要足够高以避免对可再成形区域106进行后续局部加热时的膨胀错配所导致的材料板的破裂。在一个实施方式中，第一粘度范围大于6x109泊。第一粘度范围的上限可以是1012泊。
在将材料板100加热至第一温度范围之后，将可再成形区域106局部加热至对应第二粘度范围的第二温度范围。在一个实施方式中，第二粘度范围的上限低于第一粘度范围的下限。前述额外描述是基于材料板100是含玻璃材料板的假设。在一个实施方式中，第二粘度范围的上限是109泊。在一个实施方式中，第二粘度范围是108-109泊。在一个实施方式中，第二温度范围是含玻璃材料的形成温度，优选低于含玻璃材料的软化点，更优选在含玻璃材料的软化点温度和退火点之间。在一个实施方式中，第二温度范围比含玻璃材料的软化点低至少10°C。
当可再成形区域106位于第二粘度范围时，发生如下情况：(i)将可再成形区域106再成形成三维形状，(ii)不可再成形区域108基本仍处在第一粘度范围，以及(iii)不可再成形区域108基本仍是平面的。再成形可简单地涉及由于重力使可再成形区域106实现弯垂。再成形可涉及用真空对可再成形区域106进行辅助弯垂，即在可再成形区域106开始弯垂之前或者可再成形区域106正在弯垂时对其施加真空。再成形可涉及在材料板100的可再成形区域106的外部（如图1a、图2和图3所示，在112处）对其施加作用力，或者在可再成形区域106的边界附近（如图1b所示，在112处）对其施加作用力。在边界“附近”施加作用力包括在边界“上”施加作用力的可能性。通常来说，希望避免可再成形区域106（或者可再成形区域106的质量区域）与可能在可再成形区域中产生缺陷的物体发生接触，特别是当可再成形区域106位于第二温度范围时更是如此。
将可再成形区域106加热至第二温度范围时，施加到可再成形区域106的热量很有可能延伸超出可再成形区域106。在此情况下，希望能限制延伸超出可再成形区域106的热量。在一个实施方式中，被加热至第二温度的材料板100的总面积（例如，图1a中的107）与可再成形区域106的比值不大于1.5，其中总面积与可再成形区域重叠。在另一个实施方式中，被加热至第二温度的材料板100的总面积（例如，图1a中的107）与可再成形区域106的比值不大于1.2，其中总面积与可再成形区域重叠。为了限制延伸超过可再成形区域106的热量，施加到可再成形区域106的热量优选是聚焦的。下面将描述用于实现该聚焦热量的两种加热装置。
在一个实施方式中，采用对流加热来实现可再成形区域106的局部加热。在一个实施方式中，如图1a所示，采用气体燃烧器110将热量直接导向可再成形区域106来实现对流加热。由于是对流加热，所以气体燃烧器110可以向可再成形区域106施加高度局部化的加热比。可以向气体燃烧器供给基于两种化学物质的组合的预混合气体。气态化学物质的组合的例子，包括但不限于，氢气和氧气、甲烷和氧气以及甲烷和空气。在另一个实施方式中，将经过加热的气体导向可再成形区域106来实现对流加热。所述经过加热的气体可以是，也可以不是气态化学物质的组合。
在一个实施方式中，采用辐射加热来实现可再成形区域106的局部加热。图1b和2显示聚焦辐射加热装置201。在图1b和2中，电阻型加热器200位于可再成形区域106的上方，对其进行加热。为了最大程度地收集电阻型加热器200产生的辐射热，利用一个或多个光学元件，例如高温椭圆境202（即具有椭圆形状且由高温材料制得的镜子）将电阻型加热器200产生的辐射能聚焦到可再成形区域106上。镜202具有两个焦点。一个焦点的位置是电阻型加热器200，另一个焦点的位置是可再成形区域106的表面上，或靠近其表面。镜202从电阻型加热器200接收到的辐射能被反射到可再成形区域106的中心，并在该中心聚焦。为了获得良好的反射特性，镜子202可采用各种在高温下呈现出低发射率的材料。它们的例子包括但不限于，铂或者铂涂覆的难熔合金。
图3显示一个聚焦辐射加热装置301。将电阻型加热器300包封在高温或耐热屏蔽306的绝热室302中（绝热材料显示为304）。在一个实施方式中，由金属或陶瓷难熔材料制造屏蔽306。来自电阻型加热器300的热量通过位于可再成形区域106上方的加热屏蔽306的缝隙到达可再成形区域106。可以选择缝隙308的形状以匹配可再成形区域106的形状。例如，如果可再成形区域106是矩形的形式，则缝隙308也可以是矩形的形式。对于上文所述的对流加热也可以采用屏蔽概念，也就是说，将来自燃烧器或者经过加热的气体的热量通过适当的高温或耐热屏蔽中的缝隙导向可再成形区域106。
图2、3中的电阻型加热器200、300可以是中红外加热器，例如HereausNoblelight中红外（IR）加热器，其具有快速响应和包封在石英玻璃包封中的电阻元件，所述石英玻璃包封保护材料板免受来自电阻元件的污染。
图4和5显示聚焦辐射加热装置（类似于图1b和2所示的201处的配置）用两个不同的椭圆形镜400、500以4kW/m辐射加热30秒之后的所得到的温度分布的例子。图6显示在用图4的辐射加热装置对含玻璃材料板的可再成形区域加热30秒之后的含玻璃材料板的热曲线600。热曲线600对应可再成形区域的部分用方框602表示。图7显示在将可再成形区域加热至第二粘度范围之后，含玻璃材料板的热曲线700以及沿含玻璃材料板的表面的相应粘度曲线702。曲线700、702对应可再成形区域的部分通常在704处。
支撑（图1a、1b、1c、2和3）的材料应该能够耐受对材料板100进行加热的温度，并且在该温度下不会与材料板发生粘着。在再成形区域106不会与支撑102发生接触的第一种情况下，例如如图1a、1c、2和3所示，支撑的材料仅仅需要能够耐受提升的温度，并且避免在第一温度范围内发生粘着。因此，在该第一种情况下，可以使用更宽范围的材料。在该第一种情况下的支撑102的材料的例子，包括但不限于，不锈钢、难熔合金以及陶瓷。在可再成形区域106可能与支撑102（102b）发生接触的第二种情况下，例如如图1b所示，对于支撑102（102b）的材料存在一些限制。支撑102b可能与可再成形区域106发生接触的部分102a应该能够耐受提升的问题，并且避免在第二温度范围内发生粘着。在该第二种情况下，可由高温材料，例如INCONEL718或者不锈钢制造所述部分102a。或者，为了避免用具有不同热膨胀性能的材料来构建支撑102b，可以用合适的高温（非粘性）涂料来涂覆支撑102b的部分102a的表面，选择在第二温度范围内使用所述高温（非粘性）涂料。
在将可再成形区域106加热至对应第二粘度范围的第二温度范围之后，可再成形区域106局部再成形成选定的三维形状。如上文所述，有各种方法对可再成形区域进行再成形。在图1a-3所示的例子中，在所示的112处，对材料板施加作用力，使得可再成形区域106中的材料板弯曲成选定的角度。在图1b中，如103所示，支撑102b在与可再成形区域106发生接触的边缘处是圆角的，以避免在可再成形区域106中形成具有锐内表面的弯曲，或者该圆角边缘103可以控制可再成形区域106中的弯曲。
图8显示通过上文所述方法并采用图1的对流加热对可再成形区域（106）进行局部加热形成的成形制品800。该成形制品在可再成形区域内具有90°2-mm半径的弯曲802。图9显示通过上文所述方法并采用图2的聚焦辐射加热装置对可再成形区域进行局部加热形成的成形制品900。该成形制品900在两个可再成形区域内具有两个90°5-mm半径的弯曲902、904。图10显示通过上文所述方法并采用图3的聚焦辐射加热装置对可再成形区域进行局部加热形成的成形制品1000。该成形制品在两个可再成形区域内具有两个45°30-mm半径的弯曲1002、904。通常来说，可以形成弯曲角度范围在30°-90°的弯曲。（出于说明目的参考图1，相对于水平面测量弯曲角度。因此，90°的弯曲角度对应与支撑102基本垂直的可再成形区域106，0°的弯曲角度（或者无弯曲角度）对应与支撑102基本平行的可再成形区域106。
在可再成形区域106成形之后，材料板100冷却。对于含玻璃材料，通常将材料板100冷却至所述含玻璃材料的粘度大于或等于1013泊的温度范围。将含有成形的可再成形区域的材料板称作成形制品。可以对成形制品进行退火。可以对成形制品的边缘进行精整、修整或者画轮廓线，以实现最终的尺寸或形状。可以对成形制品进行离子交换过程。通常，离子交换过程涉及将成形制品浸泡在包含碱金属盐的熔浴中，其中，所述碱金属的离子半径大于所述成形制品的含玻璃材料中所含的碱金属离子的离子半径。熔浴中的较大碱金属离子会代替成形制品的含玻璃材料中的较小碱金属离子，在成形制品的表面处或者表面附近得到所需的压缩应力。在离子交换之后，可以用防污涂层来保护成形制品的表面。
尽管已经就有限数量的实施方式描述了本发明,但是本领域技术人员在了解本发明的益处的基础上可以理解，在不偏离本文所揭示的本发明范围的前提下，可以设计出其他的实施方式。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求书限定。

Claims (15)

1.一种将材料板弯曲成成形制品的方法，该方法包括：
(a)提供材料板；
(b)将所述材料板的可再成形区域和不可再成形区域加热至对应第一粘度范围的第一温度范围；
(c)之后将材料板的可再成形区域加热至对应第二粘度范围的第二温度范围；以及
(d)通过使所述材料板的可再成形区域弯垂以及对材料板的可再成形区域的外部或者靠近可再成形区域的边界施加作用力中的至少一种，将材料板的可再成形区域再成形成选定的形状。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(c)中，加热至第二温度范围的材料板（100）的总面积与加热至第二温度范围的可再成形区域的面积的比值小于或等于1.5，其中所述总面积与所述可再成形区域重叠。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(a)中提供的材料板的厚度范围为0.3-1.5mm。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料板的热膨胀系数大于5ppm。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一粘度范围的下限高于第二粘度范围的上限。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一粘度范围的下限大于6x109泊。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二粘度范围是108-109泊。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(d)包括：
(d1)向可再成形区域施加真空，以帮助可再成形区域的弯垂。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括：
(c1)采用光学元件在可再成形区域上聚焦辐射热；或者
(c1)采用屏蔽元件在可再成形区域上聚焦辐射热。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料板的可再成形区域和不可再成形区域是毗邻的，其中，步骤(a)中的材料板是平面的，并且在步骤(d)之后，所述不可再成形区域仍是平面的。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选定的形状包括弯曲的。
12.一种用于将材料板弯曲成成形制品的设备，该设备包括：
用于装载材料板（100）的支撑；以及
当材料板装在支撑上时，将材料板的可再成形区域局部加热至对应选定的粘度范围的选定的温度范围的加热装置，该加热装置包含热源和选自(a)光学元件和(b)屏蔽元件的元件，所述元件用于将来自热源的热量聚焦到材料板的可再成形区域上。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述光学元件包含用于将热量反射到材料板的可再成形区域上的椭圆形镜。
14.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述屏蔽元件包含具有缝隙的耐热屏蔽，所述具有缝隙的耐热屏蔽用于将热量聚焦到材料板的可再成形区域上。
15.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述热源是电阻型加热器。
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