CN107592856B - 玻璃成型设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于成型一种玻璃片材的工具，其包括：a、一个成型模具，其由导电材料制成并包括：ai、一个模制表面；aii、一个支撑装置，其适用于使一种玻璃片材保持离开所述模制表面并与所述模制表面相对；aiii、一个感应电路，其包括位于所述成型模具中的一个腔体内的一个电感器；b、一个加热单元，其远离所述成型模具并包括：bi、一个表面，其适用于产生热辐射并与所述模制表面相对；bii、一个感应电路，其包括位于所述加热单元的一个腔体内的一个电感器；c、一个连接装置，其将多个所述感应电路连接至一个高频电流发生器。

Description

玻璃成型设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于热成型玻璃的设备和方法。

本发明更具体地涉及但不限于用于制造显示屏的玻璃片材的成型。

在本文件中，用于玻璃的术语“成型”和“热成型”指的是一种用于制造玻璃片材的方法，该玻璃最初为另一形状的固态，该方法不会使该片材的截面产生很大移位。因此，根据本发明的方法，例如，不涉及通过吹制或离心成型的凝块制成物件，因为吹制或离心方法涉及使最初物体的截面移位很大距离。

背景技术

玻璃热成型方法是已知的现有技术，在于将待成型的玻璃片材加热至足以使其可成型的温度，即高于玻璃的转变温度但低于玻璃的熔融温度的温度，使玻璃的粘度可以达到 10¹¹泊和10⁷泊之间(10¹⁰Pa.s至10⁶Pa.s)。因此，加热至大致在700℃和800℃之间的温度，并在重力、压力和冲床等配套机器或这些手段的任意组合的作用下，使片材遵循工具(一般为模具)的形状，然后，使用冷却工艺冷却成型的片材。控制冷却速度和冷却的空间均匀性，以便根据物品的应用而使其达到的应有的内部应力。

专利文件US2010000259描述了一种成型工艺，该工艺包括将温度低于其软化温度的玻璃的平面片材放置在预热工具上。然后，在熔炉中加热(尤其是通过红外辐射)该工具和该片材。当玻璃的温度使得其粘性大约为10⁹泊(10⁸Pa.s)时，使玻璃片材遵循该工具的形状。然后，从熔炉中取出组件而片材仍然在模具中，组件通过自然冷却或通过在模具上鼓吹空气或气体的对流传热方式来冷却。在现有技术的该方法中，工具长时间暴露于高温下。暴露于高温对工具造成损坏，这种损坏尤其是工具的氧化或工具与成型的玻璃发生化学作用；在成型操作期间，玻璃片材与工具的成型表面接触，因此这种损坏更具体地发生在工具的成型表面上。即使对工具表面的最小损伤也可能转移至玻璃，导致无法接受的表面缺陷。使用抗高温腐蚀的耐火材料，比如镍基超合金，使得难以通过辐射加热模具。

为了避免这些缺点，现有技术的解决方案在于在较低温度下成型玻璃，使得首先，工具更少受到热-化学损坏，其次，玻璃的表面足够硬从而不复制工具的表面缺陷。然而，该解决方案需要更大的成型力，且使用效果器或施加气体压力使得工具更复杂更昂贵。

专利文件WO 2012118612描述了热成型玻璃片材的方法，其中，所述片材放置在工具上，工具由耐高温的对玻璃具有惰性的材料制成，比如石墨。将玻璃片材和工具放置于真空罩下，真空罩包括红外加热装置，其通过辐射加热玻璃片材和工具。在惰性气氛下进行该加热以防止石墨氧化。通过组合应用玻璃片材下的真空和在另一侧上的热气体压力，进行成型。

现有技术中的这些设备涉及较长循环时间，以及在加热和冷却期间对热循环的精确控制。并且，现有技术的这些方法使用集中生产的外壳或特定设备，它们是生产率的关键。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺陷，因此涉及用于成型玻璃片材的工具，其包括：

a、一个金属制成的成型模具，其耐高温，并包括：

ai、一个模制表面；

aii、一个支撑装置，其适用于使玻璃片材保持离开模制表面并与模制表面相对；

aiii、一个感应电路，其包括在成型模具中腔体内延伸的电感器；

b、一个加热单元，其离开所述成型模具并包括：

bi、一个表面，其适用于产生热辐射并与模制表面相对；

bii、一个感应电路，其包括于所述加热单元的腔体内延伸的电感器；

c、一个连接装置，其将两个感应电路连接至高频电流发生器。

因此，对加热单元和工具进行感应加热使得能够快速使工具的温度升高至成型玻璃所需的温度，因此，防止工具长时间段暴露于高温。对加热单元和模具直接加热使得能够控制加热单元和模具的温度。模具使用金属材料使得能够使得模制表面达到适合的表面条件。对加热单元和模具整体加热使得温度能够在成型的玻璃片材的整个表面上均匀分布。该工具适于作为独立工具进行操作并仅需连接至高频电流发生器。

本发明可以有利地在下面描述的实施方式中实现，其可以被单独考虑或以任何技术上可操作的组合来考虑。

在一个实施方式中，模具由马氏体不锈钢制成。该类型钢在至高大约700℃的温度下具有铁磁性。在铁磁状态下的高磁导率使得能够通过集中磁场线快速加热腔体的边缘，电感器位于腔体内。传导至模制表面的热传递使得其表面上温度能够均匀。

在另一个实施方式中，模具由镍(Ni)、铁(Fe)、铬(Cr)和铌(Nb)制成的合金制成。此类镍基超合金在长期暴露于700℃温度或短期暴露于700℃以上的温度期间能够抵抗蠕变和腐蚀。材料为导电材料并能够通过感应加热。

在一个替代性实施方式中，电感器在腔体中延伸，该腔体包括在电感器和所述腔体的壁之间由铁磁材料制成的层。镍基合金具有低磁导率，因此本实施方式使得能够在腔体的边缘上集中加热，然后通过传导将热传递至模制表面，从而实现更高效的感应加热。

有利的是，加热单元由石墨制成。石墨在热红外范围内具有较高的辐射系数，适合于感应加热至最高非常高的温度并容易加工。该技术方案允许通过辐射快速且均匀地加热玻璃片材。

有利的是，石墨加热单元包括在1200℃下可以抗氧化并在3μm和50μm之间的波长内具有高辐射率的涂层。本实施方式能够保护加热单元免受氧化，因此根据本发明的工具可以在外壳的外部独立地操作。

在一个特定实施方式中，根据本发明的工具包括围绕模具和加热单元的容纳外壳，其中，所述容纳外壳中充满中性气体，尤其是惰性气体。因此，保护加热单元和模具免受氧化，增加使用寿命。在本发明的上下文中，中性气体是具有在某一环境中没有有害影响的成分的气体。

有利的是，模具包括热绝缘的支撑部件，其适合于将玻璃板与接触的模具分离。因此，在玻璃片材已经达到其成型温度之前，通过与模具接触来保护玻璃片材免受可能的热冲击。

有利的是，根据本发明的工具包括：

d、一个高温测量传感器，其用于测量加热单元的温度。

有利的是，根据本发明的工具还包括：

e、一个热电偶，其集成在模具中并靠近模制表面以测量该模制表面的温度。

这些测量设备使得能够控制和精细地调控用于热成型玻璃片材的热循环。

有利的是，根据本发明的工具中的模具包括：

aiv、一个冷却导管，其用于气体循环。

有利的是，根据本发明的工具的加热单元包括：

biii、一个冷却导管，其用于气体循环。

这些构件有助于调控用于热成型的热循环，并且使得当装载玻璃片材并且在成型周期后取出成型片材时，更容易操纵工具，特别是模具。

本发明还涉及一种用于热成型玻璃片材的方法，其使用根据前述实施方式中任一项的工具，该方法包括步骤：

i、将玻璃片材放置在模具上；

ii、通过使高频电流流过各自的感应电路，同时加热模具和加热单元；

iii、将玻璃片材成型成模具的模制表面的形状；

iv、在受控制的速度下将模具冷却至较低退火温度；

v、冷却模具；

vi、取出成型的玻璃片材。

因此，根据本发明的该方法可以严格地控制热成型周期。

有利的是，根据本发明的方法的步骤(ii)包括将加热单元加热至被认为是构成玻璃片材的玻璃软化温度的温度，并将模具加热至等于较高退火温度的温度。因此，玻璃片材的性能具有足够的塑性以允许重力成型。

附图说明

下面参照图1至图3在优选实施方式中描述本发明，优选实施方式不以任何方式限制本发明，其中附图：

-图1为根据本发明的工具的一个示例性实施方式的剖视图，在玻璃片材成型之前，片材位于工具上；

-图2为图1中相同部分的详细视图，示出了根据本发明的工具的模具中感应电路的一个示例性实施方式；

-图3为示出根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

在本文件中，除非另作说明：

-玻璃软化温度为成型玻璃的粘度为10⁷泊(10⁶Pa.s)时的温度；

-较高退火温度为成型玻璃的粘度为10¹³泊(10¹²Pa.s)时的温度；

-较低退火温度为成型玻璃的粘度为10¹⁴泊(10¹⁴Pa.s)时的温度。

在示例性实施方式的图1中，根据本发明的工具包括一个加热单元110和一个成型模具120，成型模具120包括一个模制表面125。在该示例性实施方式中，模制表面125为凹陷的。或者，模制表面为凸起的。所示为成型操作开始时的根据本发明的工具，其中，将在该示例性实施方式中初始平坦的玻璃片材100放置在模腔表面125上方并将其端部倚靠在热绝缘的垫件130上。作为一个非限制性实例，热绝缘的垫件130由陶瓷或在硅酮基质中包括90％或更多云母(白云母)的复合材料制成。在一个示例性实施方式中，模具120由在商业上称为Inconel 718® 的镍基结构硬化超合金制成，其包括17％～21％铬(Cr)、2.8％～3.3％钼 (Mo)、4.75％～5.5％铌(Nb)、17％～19％铁(Fe)和50％～55％镍(Ni)。或者，模具由 AISI431型铁素体马氏体不锈钢制成，其包括0.16％碳(C)、2％镍(Ni)和17％铬(Cr)。这些材料具有某些机械特性，尤其是抗磨损和蠕变性以及抗腐蚀性，以及是短期暴露下机械特性更强。不锈钢可以在最高400℃下具有这些机械特性，Inconel 718® 可以在最高700℃下具有这些机械特性。模具包括含有电感器的多个通道140这些电感器构成感应电路。例如，所述电感器可由铜管141制成，所述铜管141通过二氧化硅套管等陶瓷管142与模具的壁绝缘。有利的是，模具120由两个部件121、122构成；因此，用于使电感器通过的通道140 是通过在组装两部件前开槽这两个部件而制成的。

在感应电路的另一个实施方式的图2中，其更具体地适用于构成模具的材料为非铁磁性的情况，将通道内涂上具有高磁导率的钢制成的层243，其在最高例如700℃的高温下保持其铁磁性。因此，由电感器241产生的磁场集中在套上的层243中，层243被快速加热且通过传导将热传递至模具。通过传导将热向上传递至模制表面，电感器的正确排布使得模制表面上温度能够均匀。

返回至图1，在该示例性实施方式中，通过钻孔或开槽，然后装配，在模具120中布置冷却导管152的网络，这里的导管容纳电感器。这些导管使得能够鼓吹空气或中性传热气体以冷却模具特别是模制表面。可共同使用鼓吹空气和感应加热用于调节温度或冷却速度。一个热电偶162有利地放置在模制表面125附近以便测量其温度并控制加热和冷却的条件。模具放置在热绝缘的支撑件180上，例如由氧化锆制成的复合板或由包括云母(白云母)和硅酮粘合剂制成的复合材料板上。在一个示例性实施方式中，所述支撑件180安装在装置(未示出)上，该装置使得能够相对于加热单元110使该模具进行平移181，以便能够完成在工具中放置或取出玻璃片材的操作。

加热单元110由石墨制成。加热单元通过装置(未示出)保持在距模具一定距离的位置，该装置用于调节与模具的模制表面125相对的辐射表面115和玻璃片材100之间的距离，这个距离通常在5mm至50mm的范围内。

类似于模具120，在该示例性实施方式中，所述加热单元110包括用于使感应加热电路通过的通道145网络和传热气体在其中循环的冷却导管151网络。在一个示例性实施方式中，加热单元的全部或一些面上包括涂层131，例如，碳化硅(SiC)涂层，其适合于保护石墨免于在高温下氧化并在热红外辐射带具有高辐射率。这种涂层使得能够保护石墨免于在最高大约1600℃的温度下氧化。因此，根据本发明的工具适合于在空气中操作而无损坏。或者，为了延长根据本发明的工具的寿命，其被放置在外壳中，该外壳中填充氩气或氮气等在操作温度下为中性的气体、或氦气等惰性气体。在该示例性实施方式中通过红外线高温计161测量加热单元的温度。

通过装置(未示出)将根据本发明的工具的加热单元110和模具120的感应电路连接至高频电流发生器，其通常在10kHz至200kHz之间的频率下运转，该装置适合于调谐产生的谐振电路，特别是一套电容器和一个阻抗调整线圈。

在图3中，根据本发明的方法的一个示例性实施方式，该方法包括第一放置步骤310，包括在工具上放置玻璃片材以成型。在一个特定实施方式中，当模具距加热单元一定距离时，进行该放置步骤310。在替代性实施方式中，在环境温度下将玻璃片材放置在环境温度下的模具上、或者在等于或低于玻璃的较低退火温度的温度下的模具上。在另一个实施方式中，在一个联线工艺(inline process)中，将玻璃片材放置在低于或等于玻璃的较低退火温度或者低于600℃的温度下的模具上。玻璃片材倚靠在绝缘垫上，并位于模制表面正上方而不接触。在加热步骤320中，带有玻璃片材的模具位于加热单元下面，通过感应对加热单元和模具加热。将加热单元加热到至少等于玻璃软化温度的温度，或根据玻璃的类型加热到800℃至850℃，或在石墨单元的情况下加热到通常在1200℃至1600℃之间的较高温度，从而提高辐射功率。将模具加热到较低温度，通常到玻璃的较高退火温度，或根据热成型的玻璃的性质加热到600℃至700℃之间。通过来自加热单元的辐射将玻璃片材加热。在成型步骤330期间，玻璃片材因加热而软化在模具的模制表面上蠕变并遵循模具表面的形状。玻璃片材接触模具时冷却，但温度仍然足以缓解玻璃片材中的应力。在冷却步骤340期间，在一个示例性实施方式中，停止对加热单元加热并且用在冷却导管内循环的气体冷却加热单元。通过模具对玻璃片材的冷却进行调控。因此，冷却步骤340包括缓慢且受控的冷却至构成片材的玻璃的较低退火温度，根据玻璃的类型通常在500℃和600℃之间，然后，加速冷却直至取出温度。当到达取出温度时，在一个取出步骤350中，将模具移动至在一个示例性实施方式中的取出位置，并且使用吸盘设备等适当的构件将成型的玻璃片材从模具中取出。现在，工具做好进入新的周期的准备。

以上描述和示例性实施方式显示本发明实现了其设定目标，特别是，其减少了将工具保持在高温的时间，同时可以对热成型的热循环进行精确控制。根据本发明的工具在一个特定实施方式中适合于没有特定外壳而独立地运转。

Claims (15)

1.用于成型玻璃片材（100）的工具，其包括：

a、一个成型模具（120），其由导电材料制成并包括：一个模制表面（125）；一个支撑部件（130），其适用于使玻璃片材保持离开所述模制表面并与所述模制表面相对；以及一个第一感应电路，其包括位在所述成型模具中的腔体（140）内延伸的电感器（141、241）；

b、一个加热单元（110），其离开所述成型模具并包括：一个表面（115），其适用于产生热辐射并与所述模制表面（125）相对；以及一个第二感应电路，其包括于所述加热单元的一个腔体（145）内延伸的一个电感器；以及

c、一个连接器，其将所述第一感应电路和所述第二感应电路连接至一个高频电流发生器。

2.根据权利要求1所述的工具，其中，所述模具（120）由一种马氏体不锈钢制成。

3.根据权利要求1所述的工具，其中，所述模具（120）由镍（Ni）、铁（Fe）、铬（Cr）和铌（Nb）制成的合金制成。

4.根据权利要求3所述的工具，其中，延伸有所述电感器的所述成型模具中的腔体（140）和所述加热单元的一个腔体（145）包括在所述电感器和所述腔体的壁之间由铁磁材料制成的一个层（243）。

5.根据权利要求1所述的工具，其中，所述加热单元（110）由石墨制成。

6.根据权利要求5所述的工具，其中，所述加热单元（110）包括涂层（131），其在1200℃下可抗氧化并在3μm和50μm之间的波长内具有高辐射率。

7.根据权利要求5所述的工具，包括一个围绕所述模具（120）和所述加热单元（110）的容纳外壳，其中，所述外壳填充中性气体。

8.根据权利要求7所述的工具，其中，所述中性气体是惰性气体。

9.根据权利要求1所述的工具，其中，所述模具（120）包括一个热绝缘的支撑部件（130），其适合于将所述玻璃片材（100）与接触的所述模具分离。

10.根据权利要求1所述的工具，其包括：

d、一个测量高温的传感器（161），其用于测量所述加热单元的温度。

11.根据权利要求1所述的工具，其包括：

e、一个热电偶（162），其集成在所述模具中并靠近所述模制表面（125）以测量所述模制表面的温度。

12.根据权利要求1所述的工具，其中所述模具包括：

一个用于模具的冷却导管（152），其用于气体循环。

13.根据权利要求1所述的工具，其中所述加热单元包括：

一个用于加热单元的冷却导管（151），其用于气体循环。

14.一种使用根据权利要求1所述的工具热成型玻璃片材的方法，其包括步骤：

i、放置步骤（310）：将所述玻璃片材放置在所述模具上；

ii、加热步骤（320）：通过使高频电流流过所述模具和所述加热单元各自的感应电路，从而同时加热所述模具和所述加热单元；

iii、成型步骤（330）：将所述玻璃片材成型成所述模具的所述模制表面的形状；

iv、冷却步骤（340）：在受控速度下将所述模具冷却至较低退火温度，该较低温度为构成所述玻璃片材的玻璃的粘度为10¹⁴泊时的温度；

v、冷却所述模具；以及

vi、取出步骤（350）：取出成型的玻璃片材。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述（ii）加热步骤（320）包括将所述加热单元加热至被认为是构成所述玻璃片材的所述玻璃的软化温度的温度，其中所述玻璃软化温度为所述玻璃的粘度为10⁷泊时的温度，并将所述模具加热至等于较高退火温度的温度，其中该较高温度为所述玻璃的粘度为10¹³泊时的温度。

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