CN108349775A - 3d成形玻璃基制品及其制造方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种玻璃基基材的成形方法，所述方法包括：将玻璃基基材置于具有带3D表面轮廓的模具表面的模具上；将玻璃基基材加热至成形温度；在玻璃基基材的上方生成密封环境；以及利用增压气体调节密封环境中的压力，以使玻璃基基材符合模具表面的轮廓，从而生成成形的玻璃基制品。成形的玻璃基制品可不含高宽比大于2×10^‑4的扭曲。

Description

3D成形玻璃基制品及其制造方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请依据35U.S.C.§119要求2015年10月30日提交的序列号为62/248496的美国临时申请的优先权，本申请以其内容为基础，并通过参考将其全文纳入本文。

技术领域

本发明总体上涉及用于将二维(2D)玻璃基板材热再成形为三维(3D)玻璃基制品的方法和设备以及由其形成的制品。

背景

对于用于诸如笔记本电脑、平板电脑和智能手机这样的便携式电子设备的3D玻璃盖板的需求旺盛。一种特别受欢迎的3D玻璃盖板具有与显示器交互的2D表面和包裹显示器边缘的3D表面的组合。3D表面可以是不可展开的表面，即，不能不扭曲地在平面上展开或铺开的表面，并且可包含弯曲、拐角和曲线的任意组合。弯曲可以是大角度且陡峭的。曲线可以是不规则的。这些3D玻璃盖板是复杂且难以精确制造的。

热再成形已被用于由2D玻璃板形成3D玻璃制品。热再成形包括将2D玻璃板加热至形成温度，随后将2D玻璃板再成形成3D形状。当再成形是通过使2D玻璃板下垂(例如依靠真空或重力)或者将2D玻璃板压在模具上来完成时，需要使玻璃温度保持在玻璃软化点以下，以维持良好的玻璃表面品质，并且避免玻璃与模具之间发生反应。玻璃在软化点以下时具有高粘度，其需要高压来将玻璃再成形成复杂形状，例如弯曲、拐角和曲线。在传统的玻璃热再成形中，使用柱塞来施加所需的高压。柱塞与玻璃接触并将玻璃压在模具上。

为了实现厚度均匀的3D玻璃制品，柱塞表面与模具表面之间的间隙必须在柱塞将玻璃压在模具上时保持均匀。图1A显示了柱塞表面100与模具表面102之间均匀间隙的一个例子。然而，在通常情况下，柱塞表面与模具表面之间的间隙是不均匀的，这是由于模具加工中的小误差和模具与柱塞之间的对齐误差所致。图1B显示了柱塞表面100与模具表面102之间由于柱塞与模具未对齐而产生的不均匀间隙(例如在103处)。图1C显示了柱塞表面100与模具表面102之间由于模具表面102的加工误差而产生的不均匀间隙(例如在105处)。

不均匀间隙会导致在玻璃的一些区域中发生过度施压，而在玻璃的另一些区域中发生施压不足。过度施压会产生玻璃薄化，这会以3D玻璃制品中可察觉的光学失真的形式显示。施压不足会在3D玻璃制品中产生褶皱，尤其是在玻璃制品的复杂区域处，包括弯曲、拐角和曲线。例如10微米级的小加工误差可能导致会产生过度施压和/或施压不足的不均匀间隙。柱塞表面、模具表面、玻璃或其它设备在形成过程中所发生的不可避免的热膨胀也可能影响间隙的均匀性。

在施压过程中，柱塞还会拉扯玻璃，使得柱塞表面与模具表面之间的玻璃厚度改变。因此，即使柱塞表面与模具表面之间的间隙是完美的，对玻璃的拉扯也会导致厚度不均匀的3D玻璃制品。可对模具表面或柱塞表面进行设计，以对由拉扯而导致的可预期的玻璃厚度变化进行补偿。然而，这会导致柱塞表面与模具表面之间的间隙不均匀，如上所述，这会导致在玻璃的一些区域中发生过度施压，而在玻璃的另一些区域中发生施压不足。

概述

在第1方面中，一种玻璃基基材的成形方法，所述方法包括：将玻璃基基材置于具有带3D表面轮廓的模具表面的模具上；将玻璃基基材加热至成形温度；在玻璃基基材的上方生成密封环境；以及利用增压气体调节密封环境中的压力，以使玻璃基基材符合模具表面的轮廓，从而生成成形的玻璃基制品。成形的玻璃基制品可不含高宽比大于2×10^-4的扭曲。

根据第1方面的第2方面，其中，生成所述密封环境包括在所述模具上放置压力盖组装件，其中，所述压力盖组装件包含用于供给所述增压气体的孔口和定位于所述孔口上方用以引导所述气体流动的挡板。

根据第2方面的第3方面，其中，所述方法还包括对所述压力盖组装件进行加热以辐射加热所述玻璃基基材。

根据第2或第3方面的第4方面，其中，所述压力盖的温度高于所述模具表面的温度。

根据第4方面的第5方面，其中，所述压力盖与所述模具表面之间的温差在约20℃至约150℃的范围内。

根据第2至第5方面中任一个的第6方面，其中，所述压力盖中只有单一孔口。

根据第1至第6方面中任一个的第7方面，其中，加热所述增压气体。

根据第1至第7方面中任一个的第8方面，其中，将所述密封环境的压力调节至约20psi至约60psi范围内。

根据第1至第8方面中任一个的第9方面，其中，所述模具表面具有至少一个端口，且所述方法还包括经由所述至少一个端口施加真空，以辅助使所述玻璃基基材符合所述模具表面的所述轮廓。

根据第9方面的第10方面，其中，所述模具表面包含至少一个平坦区域和至少一个弯曲区域。

根据第10方面的第11方面，其中，不将所述至少一个端口定位在所述至少一个弯曲区域中。

根据第1至第11方面中任一个的第12方面，其中，所述模具表面包含至少一个平坦区域和至少一个弯曲区域，且所述至少一个平坦区域的温度低于所述至少一个弯曲区域的温度。

根据第1至第12方面中任一个的第13方面，其中，所述方法还包括使所述玻璃基基材的一部分夹紧在所述模具表面上。

根据第1至第13方面中任一个的第14方面，其中，所述玻璃基基材具有至少一个从第一表面延伸至相反的第二表面的开口。

根据第1至第14方面中任一个的第15方面，其中，所述玻璃基基材是玻璃或玻璃陶瓷。

根据第1至第15方面中任一个的第16方面，其中，所述成形温度对应于与10⁷泊至10¹¹泊粘度相对应的温度范围。

根据第1至第16方面中任一个的第17方面，其中，所述成形的玻璃基制品具有三维截面，其中，所述制品的第一部分与第二部分共面，且位于所述第一部分与所述第二部分之间的所述制品的第三部分不与所述第一部分和所述第二部分共面，且所述第三部分在所述第一部分与所述第二部分之间的3D截面轮廓中形成空腔，且所述空腔的宽度与所述空腔的高度的纵横比约为10或更小。

在第18方面中，一种玻璃基制品，其具有带3D表面轮廓的第一表面；和与所述第一表面相反的第二表面。所述第一表面与所述第二表面之间的厚度变化±5％或更小，且所述第一表面不含高宽比大于2×10^-4的扭曲。

根据第18方面的第19方面，其中，所述玻璃基制品还可包含至少一个从所述第一表面延伸至所述第二表面的开口。

根据第18或第19方面的第20方面，其中，所述玻璃基制品是玻璃或玻璃陶瓷。

在第21方面中，一种具有3D截面轮廓的玻璃基制品，其中，所述制品的第一部分与第二部分共面，且位于所述第一部分与所述第二部分之间的所述制品的第三部分不与所述第一部分和所述第二部分共面，且所述第三部分在所述第一部分与所述第二部分之间的3D截面轮廓中形成空腔。所述空腔的宽度与所述空腔的高度的纵横比约为10或更小。

根据第21方面的第22方面，其中，所述玻璃基制品的所述第一部分和所述第二部分是玻璃基成形制品的边缘。

根据第21方面的第23方面，其中，所述第一部分和所述第二部分形成凸缘。

根据第21至第23方面中任一个的第24方面，其中，所述玻璃基制品是玻璃或玻璃陶瓷。

在第25方面中，一种玻璃基基材的成形设备。所述设备包含具有带3D表面轮廓的模具表面的模具和与所述模具表面接合的压力盖，以在所述压力盖与所述模具表面之间提供增压空腔。所述压力盖可包含用于向所述空腔供给增压气体的孔口和定位于所述孔口上方用以将所述气体流动导入所述空腔的挡板。

根据第25方面的第26方面，其中，所述模具还包含定位于所述模具表面与所述压力盖之间的夹紧外罩，其用于将玻璃基基材的一部分夹紧在所述夹紧外罩与所述模具表面之间。

根据第25或第26方面的第27方面，其中，只有单一孔口。

根据第25至第27方面中任一个的第28方面，其中，所述模具表面具有至少一个连接至真空源的端口。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都是对本发明的示例，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。所包含的附图供进一步理解本发明，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。

附图的简要说明

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是柱塞与模具之间的均匀间隙的示意图。

图1B是柱塞与模具之间的不均匀间隙的示意图。

图1C是柱塞与模具之间的不均匀间隙的示意图。

图2A是一种用于由玻璃基基材形成3D玻璃基制品的示例性设备的剖面图，其显示了定位于其中的玻璃基基材。

图2B是图2A的示例性设备的剖面图，其显示了其中的成形的3D玻璃基制品。

图3A是一种由过大玻璃基基材形成的示例性3D玻璃基制品的透视图。

图3B是一种由经过加工的2D预制件形成的示例性3D玻璃基制品的透视图。

图4是3D玻璃基制品表面上的示例性扭曲的截面图。

图5是3D玻璃基制品的示例性截面图。

图6A是3D玻璃基制品的示例性截面图。

图6B是3D玻璃基制品的示例性截面图。

图7是用于由2D玻璃基基材成形3D玻璃基制品的示例性设备的透视图。

图8是图7的示例性设备的截面图。

详细描述

在以下的详细描述中给出了本发明的附加特征和优势，其中的部分特征和优势对本领域的技术人员而言由所述内容而容易理解，或实施本文所述的本发明而被认识。

在本说明书以及所附的权利要求中，将会涉及多个术语，这些术语定义成具有本文详述的含义。

如本文所用，术语“玻璃基”包括玻璃和玻璃陶瓷材料。

如本文所用，术语“基材”描述了可形成三维结构的玻璃基板材。

3D玻璃基制品通常具有非平面构造。如本文所用，术语“非平面构造”是指在一种3D形状中，玻璃制品的至少一部分向外延伸或者沿着与由2D玻璃基基材的原始、布局配置所限定的平面的夹角进行延伸。由玻璃基基材形成的3D玻璃基制品可具有一个或更多个凸起或弯曲部分。3D玻璃基制品可作为独立物体保持非平面构造，不需要来自成形处理的任何外力。

本公开总体上包括将玻璃基基材加热至形成温度，并且在增压密封环境中使玻璃基基材成形。可使用增压气体对玻璃基基材施加压力，以使玻璃基基材完全符合模具的3D表面轮廓，从而形成成形的玻璃基制品。

本文所公开的方法和设备相比于依靠真空和/或重力下垂的两片式压模和单片式压模，在产量、效率、厚度均匀性上提供改进，并且能够将成形的玻璃基制品中的诸如橘皮褶皱(模具表面施加在玻璃基材料上的不规则印记)这样的瑕疵最小化。例如，相比于使用依靠等温加热的两片式压模的成形方法，可在一段时间内实现成形的玻璃基制品的更高的产量。此外，通过使用本公开的增压密封环境，玻璃基基材可在更低的形成温度/更高的粘度下成形，因为在成形过程中向玻璃基材料的顶部施加了额外的压力，这使得相比于单片式模具上使用真空和/或重力下垂的成形工艺，诸如橘皮褶皱这样的缺陷减少。增压环境的使用还可缩短成形时间，从而增加产量。

本文所公开的方法和设备还能够辅助制造具有最少扭曲和/或褶皱的各种形状，包括但不限于盘形制品(例如在整个周界附近弯曲的制品)、雪橇形制品(例如成形成沿两个相反面弯曲的大致四边形基材)、深拉制制品(例如具有宽高纵横比低的凸起的制品)和具有延伸通过制品厚度的开口的制品。在一些实施方式中，在增压密封环境中成形可使扭曲最小，以使成形的玻璃基制品不含斜率大于2×10^-4的扭曲。在一些实施方式中，在增压密封环境中成形可使得能够形成具有3D截面轮廓的成形的玻璃基制品，其中，该制品的第一部分与第二部分共面，且位于第一部分与第二部分之间的该制品的第三部分不与第一部分和第二部分共面。第三部分在第一部分与第二部分之间的3D截面轮廓中形成空腔，且该空腔可具有约10或更小的宽高纵横比。

设备

图2A显示了一种用于将2D玻璃基基材204成形成3D玻璃基制品的示例性设备200。设备200包含具有模具表面206的模具202。模具表面206具有与将要形成的3D玻璃制品的3D形状相对应的3D表面轮廓。在一些实施方式中，模具表面206是凹状的，且限定模具空腔207。在一些实施方式中，模具表面206可具有平坦区域209和弯曲区域211。2D玻璃基基材204被放置在模具202上，其在放置位置处下垂进入模具空腔207或者向模具表面206下垂。在一些实施方式中，在模具202中提供端口或孔208。端口208从模具202的外部行进至模具表面206。在一些实施方式中，可在模具202上提供定位销210，以辅助2D玻璃板204与模具空腔207对齐。

在一些实施方式中，端口208可起到真空端口的作用，以向模具空腔207施加真空，或者可起到排放口的作用，以将被困在模具空腔207中的气体排出。在端口208起真空端口作用的实施方式中，端口208位于模具表面206的平坦区域209中，而不在模具表面206的弯曲区域211中。这种将端口208只放置在平坦区域209中的方式可降低玻璃基基材204上端口印记的可见度，并且避免对于将端口印记从成形的玻璃基制品的弯曲区域中抛光除去的需要。在这些实施方式中，端口208可位于与模具表面206的弯曲区域211相邻的模具表面206的平坦区域209的一部分中。在另一些实施方式中，端口208可位于模具表面206的弯曲区域211和/或平坦区域209中。在一些实施方式中，可通过减小端口尺寸来将玻璃基基材204上的端口印记最小化。例如，端口可以是狭缝形状的，且具有约0.5mm或更小、或约0.25mm或更小、或约0.125mm或更小的宽度。

模具202由能够承受例如将会在由玻璃基基材形成3D玻璃基制品过程中遇到的高温的材料制成。模具材料可以是在形成条件下不会与玻璃基材料反应(或粘附)的材料，或者模具表面206可涂覆有不会在形成条件下与玻璃反应(或粘附)的涂层材料。在一种实施方式中，模具202由非反应性碳材料制成，例如石墨，且对模具表面206进行严格打磨，以避免在模具表面206与玻璃基材料接触时将瑕疵引入玻璃基材料中。在另一种实施方式中，模具202由致密的陶瓷材料制成，例如碳化硅、碳化钨和氮化硅，且模具表面206涂覆有非反应性的碳材料，例如石墨。在另一种实施方式中，模具202由超合金制成，例如因科内尔(Inconel)718，一种镍铬合金，且模具表面206涂覆有硬质陶瓷材料，例如氮化钛铝。在另一种实施方式中，模具202由镍制成，包括但不限于市售的纯镍级，例如镍200、镍201、镍205、镍212、镍222、镍223或镍270。在一种实施方式中，具有或不含涂层材料的模具表面206的表面粗糙度Ra＜10nm。将碳材料用于模具202或者将碳涂层材料用于模具表面206会需要3D玻璃制品的形成在惰性气氛中进行。

压力盖212被安装在模具202的顶部。压力盖212具有气室216。当压力盖212以如图所示(例如图2A)的方式被安装在模具202的顶部上时，在模具202与压力盖212之间形成压力腔室218。气室216包含充气腔室(plenum chamber)220，其通过导管222连接至增压气体221的源(所述源未图示)。在一些实施方式中，气体是惰性气体，例如氮气。充气腔室220包含定位在模具202上方的孔口224。在一些实施方式中，孔口224位于底表面充气腔室220的中心。在一些实施方式中，如图2A和图2B所示，只有单一孔口224。在另一些实施方式中，可以有多于一个孔口224。在一些实施方式中，挡板225可部分覆盖孔口224。在一些实施方式中，在具有多于一个孔口224的情况下，单个挡板225可覆盖这些孔口中的一些或全部，或者可具有多于一个挡板225，例如每个孔口224具有一个挡板225。在一些实施方式中，一个或更多个柱件227可从挡板225延伸，以将挡板225连接至充气腔室的底表面。可经由孔口224和挡板225将充气腔室220中的气体向模具表面206导入压力腔室218。在一些实施方式中，挡板225可以是与孔口224隔开且部分覆盖孔口224的圆盘，以使得可将气体均匀地分散入压力腔室218中。在一些实施方式中，挡板225能够防止气体沿直线路径从孔口224流向玻璃基基材的表面。在一些实施方式中，从充气腔室220至压力腔室218只有单一孔口224。压力盖212和挡板225应由不会在2D玻璃基基材204将被成形成3D玻璃基制品的条件下生成污染物的材料制成。除了不需要对压力盖212和挡板225的表面进行严格打磨以外，压力盖212和挡板225可由与模具202相同的材料制成，因为在使玻璃基材料再成形的过程中，玻璃基基材不会与压力盖212和挡板225的表面接触。

在一些实施方式中，在将增压气体221经由气室216中的孔口224送入压力腔室218中之前，对压力盖212与模具202之间的压力腔室218进行密封。可通过对压力盖212施加作用力F来密封压力腔室218，以使压力盖212的壁213向下夹紧在模具202的顶部上。为此，可使用能够施加作用力的撞槌或其它装置。为了使压力腔室218保持在密封状态下，由施加作用力F而产生的密封压力应当大于将增压气体221送入压力腔室218中的压力。在一些实施方式中，用于向压力盖212施加作用力的装置可包含球形接头，从而可对压力盖212对模具表面206的定位/对齐进行调整，以在压力盖212与模具表面206之间提供充分密封。

在一些实施方式中，将模具202放置在真空卡盘203上，如图2A和图2B所示。在一些实施方式中，在真空卡盘203的下方排布一个或更多个加热器240，以对模具202和置于模具202上的2D玻璃基基材204进行加热。如果未使用真空卡盘203，则可将一个或更多个加热器240简单地排布在模具202下方。在另一些实施方式中，一个或更多个加热器可位于压力盖212处，以对压力盖212和增压气体221进行加热。加热压力盖212可允许对玻璃基基材204直接进行辐射加热。在一些实施方式中，加热器可以是定位用以向玻璃基基材204直接或通过压力盖212间接传递辐射热量的IR加热器。可在压力盖212中额外安置加热器，或用其替代排布在模具202或真空卡盘203下方的加热器240。在一些实施方式中，压力盖212的充气腔室220可具有一个或更多个散布在其中的加热器223。加热器可以是任意合适的加热器，例如电阻加热器或中红外(mid-IR)加热器，例如贺利氏特种光源(Hereaus Noblelight)的中红外加热器。

方法

在一些实施方式中，成形处理可始于将玻璃基基材204放置在模具202上。在一些实施方式中，玻璃基基材204是薄的，例如，厚度约为2mm或更小、约1.5mm或更小、约1mm或更小、约0.7mm或更小、约0.5mm或更小、约0.3mm或更小、或者约0.1mm或更小。在一些实施方式中，玻璃基基材204是可离子交换的玻璃。可离子交换的玻璃是含有较小的碱金属离子(例如Li⁺、Na⁺或这两者)的含碱金属玻璃。在离子交换处理中，可用更大的碱金属离子(例如K⁺)交换这些较小的碱金属离子。合适的可离子交换的含碱金属玻璃的例子是碱金属铝硅酸盐玻璃。可在相对较低的温度下对这些碱金属铝硅酸盐玻璃进行离子交换至至少30微米的深度。

可使用定位销210将玻璃基基材204精确定位在模具202上。在一些实施方式中，可在将玻璃基基材204放置在模具202上之前，对玻璃基基材204和/或模具202进行预热。在将玻璃基基材204放置在模具202上之后，可对玻璃基基材204进行加热。在一种实施方式中，至少将玻璃基基材204加热至形成温度，例如，加热至与10⁷泊至10¹¹泊粘度范围相对应的温度范围。在一些实施方式中，可利用下述方法中的一种或更多种将玻璃基基材204加热至形成温度。如上所述，可利用模具202中的加热器240将玻璃基基材204加热至形成温度。这可在将压力盖212降至模具202上以生成压力腔室218的密封环境之前、过程中或之后进行。在一些实施方式中，可优先利用定位在模具202上方的加热器(例如中红外加热器)将玻璃基基材204加热至形成温度，例如，如第9010153号美国专利中所描述的那样，该文献通过引用全文纳入本文。在这些实施方式中，在将模具202定位在压力盖212之下之前，可将模具202定位在加热器之下。同样如上所述，可利用位于压力盖212中的加热器将玻璃基基材204加热至形成温度。在这些实施方式中，可在加热之前、过程中或之后降低压力盖212。

在一些实施方式中，对玻璃基基材204和模具202进行加热，以使它们在开始将玻璃基基材204形成3D玻璃制品时处于相同的温度下。为了进行这种类型的加热，模具202可由非反应性的碳材料制成，例如石墨或涂覆有碳涂层材料的致密陶瓷材料。这种加热将会需要在惰性气氛中进行。在另一种实施方式中，在玻璃基基材204在模具202上时，优先对玻璃基基材204进行加热，以使模具202的温度低于玻璃基基材204的温度，例如模具202的温度可比玻璃基基材204的温度低100℃至250℃。可将中红外加热器用于该优先加热。对于这种优先加热，如上所述，模具202可由具有硬质陶瓷涂层的超合金制成，或者由镍材料制成。利用该材料，可在非惰性气氛中进行上述优先加热。

在一些实施方式中，在将玻璃基基材204加热至形成温度的过程中和/或之后，可向模具空腔207施加真空，以向模具表面206拉拽玻璃基基材204的底表面232，并且将玻璃基基材密封至模具表面202。在施加真空之前，玻璃基基材204可能因为重力而已经开始向模具表面206下垂。所施加的真空可在高达约70kPa的范围内，或者在约10kPa至约40kPa的范围内。在向端口208施加真空的实施方式中，可在增压气体221被施用至玻璃基基材之前的数秒对模具空腔207施加真空。可在将增压气体221施用至玻璃基基材的部分或整个持续时间内保持真空，在这种情况中，真空能够帮助保持玻璃板在模具表面206上的位置，从而当施用增压气体221时玻璃基基材不会移动。如果起始的玻璃基基材204大于模具空腔207而覆盖住模具空腔207，则可不使用真空来将玻璃基基材形成3D玻璃基制品。在使用或不使用真空的形成过程中，使用模具202中的端口208将被困在模具空腔207中的气体排出。

在一些实施方式中，可在加热玻璃基基材204之前、过程中或之后将压力盖212降至模具202上，以在玻璃基基材204的上方产生压力腔室218的密封环境，这取决于玻璃基基材204是如何被加热至形成温度的，如上所述。在一些实施方式中，可在施加真空之前或之后，将压力盖212降至模具202上，以产生压力腔室218的密封环境。在一些实施方式中，压力腔室218的密封环境一旦形成，就可对压力腔室218的密封环境的压力进行调节。在一些实施方式中，可通过经由导管222向充气腔室220供给增压气体221并离开孔口224经过挡板225而进入压力腔室218来调节压力。在一些实施方式中，可将压力腔室218中的压力调节至约20psi至约60psi的范围内。因此，增压气体221可提供使玻璃基基材204完全符合模具表面206的3D轮廓所需的压力，从而使3D玻璃制品完全成形。

在一些实施方式中，可例如利用位于压力盖212中的加热器223对增压气体221进行加热。在一些实施方式中，可利用位于加热器223之间和/或上方的流通通道(未图示)对增压气体221进行加热。在一些实施方式中，增压气体221的温度在上文所述的与10⁷泊至10¹¹泊玻璃粘度范围相对应的温度范围内。在一些实施方式中，压力盖212和/或增压气体221的温度可在大于800℃的温度下，例如在870℃与950℃之间，从而在加压成形过程中玻璃基基材被辐射加热。在一些实施方式中，在成形过程中，压力盖212的温度高于模具表面206的温度，例如，压力盖212与模具表面206之间的温差可在约20℃至约150℃的范围内。在成形过程中使压力盖212处于比模具表面206更高的温度下可导致形成时间缩短。增压气体221的温度可与玻璃基基材204的温度相同或不同。在一种实施方式中，热增压气体的温度在玻璃基基材温度的80℃以内。图2B显示了利用压力腔室218的密封环境中的增压气体的压力由玻璃基基材204形成的3D玻璃基制品205。

在一些实施方式中，在形成3D玻璃基制品205之后，可使增压气体221停止向压力腔室218流动，或者用更冷的增压气体流替代增压气体221。随后，使用或不使用更冷的增压气体使3D玻璃基制品205冷却至玻璃基材料的应变点以下。更冷的增压气体可辅助进行3D玻璃基制品205的更快速冷却。在一种实施方式中，当在冷却3D玻璃基制品205中使用更冷的增压气体时，更冷的增压气体的温度选自与玻璃化转变温度上下10℃相对应的温度范围。在另一种实施方式中，当在冷却3D玻璃基制品205中使用更冷的增压气体时，对更冷的增压气体的温度进行调节，以匹配冷却过程中模具202的温度。这可通过利用诸如热电偶这样的传感器对模具202的温度进行监控、并且使用传感器的测量结果来调整更冷的增压气体的温度来实现。更冷的增压气体的压力可低于或相同于热增压气体的压力。对3D玻璃基制品的冷却使得横跨玻璃基制品厚度、沿玻璃基制品长度以及沿玻璃基制品宽度的温差(ΔT)最小化。优选地，横跨玻璃基制品厚度、以及沿玻璃基制品长度和宽度的ΔT小于10℃。冷却过程中的ΔT越小，玻璃基制品中的应力就越小。如果在冷却过程中在玻璃基制品中产生了高应力，则玻璃基制品会响应应力而弯曲。因此，希望避免在冷却过程中在玻璃基制品中产生高应力。可通过在3D玻璃基制品205的两面上施用温度受控的气流来对3D玻璃基制品205进行对流冷却。如上所述，可经由充气腔室220中的孔口224向3D玻璃基制品205的顶部表面236施用更冷的增压气体，并且可经由模具202中的端口208向3D玻璃基制品205的底表面238施用温度受控的气流，该气流可具有与更冷的增压气体相似的特性。经由端口208供给的气体的压力可使得产生能够在冷却过程中将3D玻璃基制品205从模具202提起的净作用力。模具202以比玻璃基制品慢得多的速率冷却，因为模具202的热质量大于玻璃基制品的热质量。模具202的这种缓慢冷却会产生横跨玻璃基制品厚度的较大的ΔT。在冷却过程中将玻璃基制品从模具202提起能够帮助避免上述较大的ΔT。

在一些实施方式中，可在冷却后对3D玻璃基制品205进行退火，而在对3D玻璃基制品205进行退火后可进行包含3D玻璃基制品205的离子交换处理。用于形成3D玻璃基制品的玻璃基基材204可以是过大的板材，其将会在形成3D玻璃基制品205后被加工成最终尺寸。在这种情况中，上述加工可在离子交换处理之前进行。图3A显示了由过大的玻璃基板材302形成的3D玻璃基制品300的一个例子。将会需要从过大的板材中提取出3D玻璃基制品300，随后利用合适的加工处理进行边缘精整。或者，玻璃基基材204可以是经过加工的2D预制件，需要将其与模具202精确对齐，且无需在形成3D玻璃基制品后对其进行加工。经过加工的预制件会已经经过边缘轮廓化并且被边缘精整成形成3D玻璃基制品所需的精确形状和尺寸。图3B显示了由经过加工的预制件形成的3D玻璃基制品304的一个例子。3D玻璃基制品304不需要额外的边缘精整。

可在高粘度(例如10⁹泊至10¹¹泊)下形成平缓的轮廓，而大角度弯曲和尖锐拐角需要低得多的粘度，例如10⁷泊至10^8.2泊之间。更低的粘度允许玻璃基基材更好地符合模具。然而，在低粘度下实现良好的玻璃基表面装饰是困难的，因为更容易在玻璃基表面上压印瑕疵。在低粘度下成形可导致玻璃再沸，这会产生橘皮褶皱。在较低的玻璃粘度下，容易在玻璃基材料中压印真空或模具表面的排放口的印记。另一方面，在高粘度下更容易实现良好的表面装饰。因此，为了在3D玻璃基制品中同时实现良好的玻璃基表面装饰和严格的尺寸容差并且提高产率，需要考虑的因素有利用增压气体向玻璃基基材施加的压力、玻璃基基材的粘度和真空端口的位置和尺寸。如上所述，本文所公开的方法和设备相比于依靠真空和/或重力下垂的两片式压模和单片式压模，在产量、效率上提供改进，并且能够将成形的玻璃基制品中的诸如橘皮褶皱这样的瑕疵最小化。

对于在保持良好的玻璃表面装饰的同时得到严格的尺寸容差，存在若干可选方案。

一个方案是在该模具中使用轮廓校正。例如，对于形成具有大角度弯曲的3D形状，可设计模具使其所具有的壁比最终形状具有更大角度的弯曲半径和更陡的侧壁正切角度。例如，如果要形成的盘的侧壁正切角度为60°，且如果希望在9.5P的对数粘度下形成该盘以保持良好的玻璃表面装饰，则如果不对模具轮廓进行校正，则成形处理可生产侧壁正切角度为46°(即，比所需角度小了14°)的盘。为了增大侧壁正切角度且不降低玻璃粘度，可对模具轮廓进行补偿，以使侧壁正切角度增大理想形状与成形制品上测得角度之间的差值。在上述例子中，补偿后的模具会具有74°的侧壁正切角度。可进行这样的轮廓校正并且实现厚度均匀的玻璃基制品，因为在柱塞与模具之间不存在令人担心的间隙，因为形成形状所需的压力是由增压气体来提供的。

另一个方案是在模具上使用高度抛光，其会降低玻璃粘度且不会在玻璃表面上产生瑕疵。模具表面可被制成具有Ra＜10nm的表面粗糙度，且可被制成非粘性或非反应性。例如，可在模具表面上使用玻璃状石墨(glassy graphite)涂层。

另一个方案是使用冷模具/热玻璃排布，其中，模具比正在成形的玻璃基材料冷100℃至250℃。

另一个方案是使用加热器优先加热与将会接触模具表面206弯曲区域211的区域(“3D区域”，即，将要成形成包括弯曲、拐角和曲线的任意组合在内的3D形状的区域)相对应的玻璃基基材。例如，可对玻璃基材料3D区域中的玻璃进行加热，使其比2D区域(即，不会成形成3D形状的剩余区域)中的玻璃高10～30℃。可将加热器放置在玻璃基基材的上方或者放置在模具中。

制品

在一些实施方式中，按照本文所公开的方法和设备形成的成形的3D玻璃基制品具有改善的扭曲品质。当玻璃表面截面的曲率在具有凸-凹-凸过渡或凹-凸-凹过渡的区域中改变符号时(即，从正到负再到正、或从负到正再到负)，发生玻璃表面中的扭曲。扭曲可通过在网格光下检查表面来识别。网格光是印刻有网眼的光源。当玻璃基制品被放置在暗背景中并且在网格光下以非垂直角度进行观看时，可将光反射的不连续变化识别为扭曲，其中，曲率改变的区域中的网格线的反射被扭曲。扭曲的严重程度可通过测量扭曲的高宽比来定量。可使用任意市售可得的表面光度仪(接触式或非接触式)来测量玻璃基制品的表面，以识别扭曲以及计算扭曲的高宽比。图4图示了包含具有凸-凹-凸过渡的曲率变化的扭曲。该扭曲可具有高度H和宽度W。可横跨曲率变化绘制一条切线。高度H是使用与切线垂直的线测得的从切线至表面的最大距离。宽度W是从切线与表面的接触点测得的沿切线的距离。测得扭曲的宽度和长度后，可通过高度除以宽度来计算高宽比。在一些实施方式中，成形的玻璃基制品沿着扭曲的任意截面可不含高宽比大于2×10^-4的扭曲。

在一些实施方式中，不含高宽比大于2×10^-4的扭曲的成形的玻璃基制品可具有一个或更多个形成于其中的开口，并且/或者可以是雪橇形状的。图5显示了一种示例性的雪橇形玻璃基制品500的截面图，其具有从第一表面504延伸至相反的第二表面506的开口502。相比于只使用真空的成形，利用增压密封环境中的这种孔口来成形玻璃基基材可减轻孔口周围的扭曲。这是因为，当只依靠真空来成形玻璃基基材时，真空会经由孔口拉拽空气，使得难以将基材固定在抵靠模具表面的位置处。认为增压密封环境会最小化/消除该问题。类似地，相比于只使用真空来成形，在增压密封环境中将玻璃基基材成形成雪橇形状可减轻不弯曲的玻璃基基材两侧周围的扭曲。同样，这是因为，当只依靠真空来成形玻璃基基材时，真空会经由不弯曲的两个端部拉拽空气，使得难以进行移位，因为玻璃基基材会无法将基材固定在抵靠模具表面的位置处。

在一些实施方式中，按照本文所公开的方法和设备形成的成形的3D玻璃基制品具有第一表面和相反的第二表面，其中第一表面与第二表面之间的厚度变化±5％或更小。这可通过在压力腔室的增压密封环境中的成形过程中向玻璃基基材施加均匀压力来实现。

在一些实施方式中，如例如图6A所示，成形的玻璃基制品600可具有共面的第一部分602和第二部分604、以及位于第一部分602与第二部分604之间且不与第一部分和第二部分共面的第三部分606。在一些实施方式中，第三部分606可在第一部分602与第二部分604之间的3D截面轮廓中形成空腔608。空腔608可具有各种形状，包括但不限于大致半球形、大致圆柱形和卵形的大致一半。空腔608可具有高度H和宽度W以及宽度与高度的纵横比。可测量第一部分602和第二部分604的平面P与沿着垂直于平面P的线测得的空腔608相对于平面P的端部之间的最大距离作为高度。宽度可以是第一部分602与第二部分604之间横跨空腔608的最短距离。宽高纵横比可通过宽度除以高度来计算。在一些实施方式中，空腔608的宽高纵横比约为10或更小、约9或更小、约8或更小、约7或更小、约6或更小、约5或更小、约4或更小、或约3或更小。在一些实施方式中，如图6A所示，第一部分602和第二部分604可形成玻璃基成形制品600的边缘。在另一些实施方式中，如例如图6B所示，第一部分602'和第二部分604'可形成具有外周界610和内周界612的凸缘603，且空腔608'可从内周界612向外延伸。

在一些实施方式中，例如对于图6B，当成形以形成如上所述的具有凸缘和自其延伸的空腔的玻璃基制品时，可对模具进行改动。图7图示了这种示例性模具202'的透视图，而图8例示了这种示例性模具202'的剖面图。模具202'与上文所述的图2A和图2B的模具202相似。与模具202相似的模具202'的组件将会使用相同的附图编号，但会在附图编号后加上“'”而不再赘述。不具有对应特征的模具202'的组件会被标上以7或8起始的附图标记。模具202'具有模具表面206'、模具空腔207'、端口208'、真空卡盘203'和定位销210'。如图6B所示，在模具202'中成形的玻璃基制品将会具有环绕外周界的凸缘和从该凸缘的平面向外延伸的空腔。将要在模具202'中形成的玻璃基基材将会被放置在模具202'上，以使边缘邻接定位销210'。可使用夹紧外罩700在成形过程中将玻璃基基材环绕周界夹紧。夹紧外罩700可具有内表面702，所述内表面702具有从表面702延伸的脊部704，所述脊部704具有与将要成形的玻璃基基材的周界相对应的形状。在图7中，脊部704显示为圆形，但这只是示例性的。玻璃基基材和脊部704可具有替代的形状，例如卵形、椭圆形，四边形等。内表面702还可具有自内表面702沿外罩周界延伸的脊部706。模具表面206'可具有环绕模具表面206'周界的凹槽702，以使得当夹紧外罩700被按照如图8所示的方式置于模具202'上时，脊部706位于凹槽708中，且脊部704将玻璃基基材800的周界夹紧在模具表面206'上。图7和图8中所示的脊部706和凹槽708分别位于内表面702和模具表面206'的周界处，但这只是示例性的。脊部706和/或凹槽708分别可替代性地自内表面702和模具表面206'的周界向内间隔。如图8所示，脊部704在一区域中夹紧玻璃基基材800的周界，该区域当夹紧外罩700被置于模具表面206'上时最终形成成形的玻璃基制品的凸缘。脊部704的夹紧功能还能够对玻璃基基材800的周界进行定位，从而当玻璃基基材的其余部分被拉入模具空腔207'时，玻璃基基材800的周界不会移动，并且防止在成形的玻璃基制品的凸缘中出现褶皱或将该褶皱最小化。在一些实施方式中，模具202'的内部具有一个或更多个提供模具202'以冷却功能的空腔802。

使用图7和图8中所示的如上所述的设备使玻璃基基材成形的处理与使用参考图2A和图2B描述的设备进行成形的如上所述的处理相似，前者附加了将夹紧外罩700放置在模具表面206'上方，以将玻璃基基材夹紧在脊部704与模具表面206'之间。定位夹紧外罩700，以在将玻璃基基材加热至形成温度之前、以及/或者在经由端口208'施加真空之前夹紧玻璃基基材。可将参考图2A和图2B图示和描述的相同压力盖212放置在夹紧外罩700上方，以在玻璃基基材上方产生密封压力腔室。可通过铰链将夹紧外罩700附接到模具表面206'上，或者其可以是独立的分离部件。

尽管已经用有限数量的实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员得益于本公开的公开，会理解能设计出其他的实施方式而不偏离本文所揭示的本公开的范围。所以，本发明的范围应当仅由所附权利要求限定。

Claims (28)

1.一种玻璃基基材的成形方法，所述方法包括：

(a)将玻璃基基材置于具有带3D表面轮廓的模具表面的模具上；

(b)将所述玻璃基基材加热至成形温度；

(c)在所述玻璃基基材的上方生成密封环境；以及

(d)利用增压气体调节所述密封环境中的压力，以使所述玻璃基基材符合所述模具表面的所述轮廓，从而生成成形的玻璃基制品，其中，所述成形的玻璃基制品不含高宽比大于2×10^-4的扭曲。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，生成所述密封环境包括在所述模具上放置压力盖组装件，其中，所述压力盖组装件包含：

用于供给所述增压气体的孔口；和

定位于所述孔口上方用以引导所述气体流动的挡板。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括对所述压力盖组装件进行加热以辐射加热所述玻璃基基材。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述压力盖的温度高于所述模具表面的温度。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述压力盖与所述模具表面之间的温差在约20℃至约150℃的范围内。

6.如权利要求2～5中任一项所述的方法，其特征在于，只有单一孔口。

7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，加热所述增压气体。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述密封环境的压力调节至约20psi至约60psi范围内。

9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述模具表面具有至少一个端口，且所述方法还包括经由所述至少一个端口施加真空，以辅助使所述玻璃基基材符合所述模具表面的所述轮廓。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述模具表面包含至少一个平坦区域和至少一个弯曲区域。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，不将所述至少一个端口定位在所述至少一个弯曲区域中。

12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

所述模具表面包含至少一个平坦区域和至少一个弯曲区域；且

所述至少一个平坦区域的温度低于所述至少一个弯曲区域的温度。

13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还包括使所述玻璃基基材的一部分夹紧在所述模具表面上。

14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述玻璃基基材具有至少一个从第一表面延伸至相反的第二表面的开口。

15.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述玻璃基基材是玻璃或玻璃陶瓷。

16.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述成形温度对应于与10⁷泊至10¹¹泊粘度相对应的温度范围。

17.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述成形的玻璃基制品具有三维截面，其中，

所述制品的第一部分与第二部分共面，且位于所述第一部分与所述第二部分之间的所述制品的第三部分不与所述第一部分和所述第二部分共面，且所述第三部分在所述第一部分与所述第二部分之间的3D截面轮廓中形成空腔；且

所述空腔的宽度与所述空腔的高度的纵横比约为10或更小。

18.一种玻璃基制品，其包含：

(a)具有3D表面轮廓的第一表面；和

(b)与所述第一表面相反的第二表面，

其中，所述第一表面与所述第二表面之间的厚度变化±5％或更小，且

其中，所述第一表面不含高宽比大于2×10^-4的扭曲。

19.如权利要求18所述的玻璃基制品，其特征在于，还包含至少一个从所述第一表面延伸至所述第二表面的开口。

20.如权利要求18或19所述的玻璃基制品，其特征在于，所述制品是玻璃或玻璃陶瓷。

21.一种包含3D截面轮廓的玻璃基制品，其中，

所述制品的第一部分与第二部分共面，且位于所述第一部分与所述第二部分之间的所述制品的第三部分不与所述第一部分和所述第二部分共面，且所述第三部分在所述第一部分与所述第二部分之间的3D截面轮廓中形成空腔；且

所述空腔的宽度与所述空腔的高度的纵横比约为10或更小。

22.如权利要求21所述的玻璃基制品，其特征在于，所述第一部分和所述第二部分是玻璃基成形制品的边缘。

23.如权利要求21所述的玻璃基制品，其特征在于，所述第一部分和所述第二部分形成凸缘。

24.如权利要求21～23中任一项所述的玻璃基制品，其特征在于，所述制品是玻璃或玻璃陶瓷。

25.一种玻璃基基材的成形设备，所述设备包含：

模具，所述模具具有带3D表面轮廓的模具表面；和

压力盖，所述压力盖与所述模具表面接合，以在所述压力盖与所述模具表面之间提供增压空腔，其中，所述压力盖包含：

用于向所述空腔供给增压气体的孔口；和

定位于所述孔口上方用以将所述气体流动导入所述空腔的挡板。

26.如权利要求25所述的设备，其特征在于，所述模具包含定位于所述模具表面与所述压力盖之间的夹紧外罩，其用于将玻璃基基材的一部分夹紧在所述夹紧外罩与所述模具表面之间。

27.如权利要求25或26所述的设备，其特征在于，只有单一孔口。

28.如权利要求25～27中任一项所述的设备，其特征在于，所述模具表面具有至少一个连接至真空源的端口。