CN111499211A - 一种封闭式3d曲面玻璃外壳的制备方法及玻璃外壳 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种封闭式3D曲面玻璃外壳的制备方法及玻璃外壳。所述方法包括如下步骤：(1)获取玻璃块胚体；(2)根据玻璃外壳的外侧设计形状，对玻璃块胚体的外侧进行加工形成预成型胚体；(3)根据玻璃外壳的内孔设计形状对预成型胚体进行加工，获得环形预成形件；(4)对环形预成形件的外壁和内壁进行打磨加工，得到所述的封闭式3D曲面玻璃外壳。所述玻璃外壳为一体式环形结构，其内部形成一容纳腔。本发明由于无需要热弯、热吸、热压等工艺，有效降低了生产能耗，并且具有外观新颖、辨识度高、具有极高的观赏价值的优点。
Description
技术领域
本发明涉及3D玻璃的制造领域，具体涉及一种封闭式3D曲面玻璃外壳的制备方法及玻璃外壳。
背景技术
随着智能手机、手表、平板电脑等电子设备的显示屏幕逐渐往曲面发展，保护显示屏幕的玻璃盖板也由2D、2.5D往3D曲面玻璃方向发展，为匹配曲面显示屏，产品的背板材料也趋于曲面3D化，以使产品外观上更有辨识度，让外观对消费者更有吸引力，是目前各终端品牌积极追求的目标。
目前市面上常见的3D玻璃基本上都是采用平板玻璃高温热弯或者热吸的方式加工而成，为开放式3D曲面玻璃。3D热弯/热吸的加工温度一般需要700～800℃高温，存在能耗高的问题。并且，3D热弯/热吸工艺对模具有着极高的精度要求，模具昂贵且寿命短，使得热弯/热吸工艺设备投资大，维护保养成本高，经过3D热弯/热吸工艺处理之后的玻璃的轮廓度不易控制。基于上述原因，采用3D热弯/热吸工艺生产的3D产品良品率低、对能源利用率低而价格昂贵。
也有通过对玻璃圆管进行热压或者热拉的方式来加工3D玻璃。具体为采用管状玻璃，通常是圆管玻璃，然后通过热压或热拉等方式将圆管玻璃加工成椭圆形玻璃管，最后对椭圆形玻璃管进行切割，从而获取需要的玻璃盖板。通过管状玻璃制备3D玻璃的工艺仍然需要在高温下进行，因此同样存在高能耗且弧度尺寸难控制的问题。
由于目前用于手机、手表、平板电脑等电子设备的3D玻璃均为开放式，并且存在上述问题，因此，如何设计一种新的用于用于手机、手表、平板电脑等电子设备的3D玻璃并将解决上述问题，是本领域技术人员研究的方向。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的之一在于解决现有制备3D曲面玻璃采用的热弯、热吸、热压等工艺不易控制3D玻璃的轮廓度，加工精度要求高，需要的模具昂贵且能耗高、良品率低、加工成本高的问题，提供一种封闭式3D曲面玻璃外壳的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：
一种封闭式3D曲面玻璃外壳的制备方法，包括如下步骤：
(1)获取玻璃块胚体；
(2)根据玻璃外壳的外侧设计形状，对玻璃块胚体的外侧进行加工形成预成型胚体；
(3)根据玻璃外壳的内孔设计形状对预成型胚体进行加工，获得环形预成形件；
(4)对环形预成形件的外壁和内壁进行打磨加工，得到所述的封闭式3D曲面玻璃外壳。
本发明的目的之二在于解决现有的用于手机、手表、平板电脑等设备电子的3D玻璃均为开放式，辨识度低的问题，提供一种封闭式3D曲面玻璃外壳。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：
一种封闭式3D曲面玻璃外壳，采用所述的封闭式3D曲面玻璃外壳的制备方法制备而成；所述玻璃外壳为一体式环形结构，其内部形成一容纳腔，所述容纳腔的内侧面之间圆弧过渡；所述玻璃外壳的可见光平均透过率为87％～92％。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明提供的封闭式3D曲面玻璃外壳的方法，采用冷雕工艺或化学穿孔工艺等冷加工工艺对预成型胚体进行加工，整个制备方法中工艺可控，对模具的要求较低，并且无需额外的设备投资，适用性广。由于无需要热弯、热吸、热压等工艺，有效降低了生产能耗。
2、本发明提供的封闭式3D曲面玻璃外壳，由于其为一体式环形结构，其内部形成用于容纳电子产品的其他部件的容纳腔，与现有的开放式外壳相比，具有外观新颖、辨识度高、具有极高的观赏价值的优点，能够满足人们对手机外壳的审美要求，因此具有广阔市场前景。
附图说明
图1为本发明一种封闭式3D曲面玻璃外壳的制备方法中冷雕工艺示意图。
图2为本发明实施例12中制备的封闭式3D曲面玻璃外壳的示意图。
图3为图2的正视图。
图4为图3中A-A向剖视图。
图5为本发明实施例13中制备的封闭式3D曲面玻璃外壳的示意图。
图6为图5的正视图。
图7为图6中B-B向剖视图。
图8为本发明实施例14中制备的封闭式3D曲面玻璃外壳的示意图。
图9为图8的正视图。
图10为图9中C-C向剖视图。
图11为本发明实施例15中制备的封闭式3D曲面玻璃外壳的示意图。
图12为图11的正视图。
图13为图12中D-D向剖视图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
参见图1，一种封闭式3D曲面玻璃外壳的制备方法，包括如下步骤：
(1)获取玻璃块胚体；
(2)根据玻璃外壳的外侧设计形状，对玻璃块胚体的外侧进行加工形成预成型胚体；
(3)根据玻璃外壳的内孔设计形状对预成型胚体进行加工，获得环形预成形件；
(4)对环形预成形件的外壁和内壁进行打磨加工，得到所述的封闭式3D曲面玻璃外壳。
作为优选，所述步骤(3)中，对预成形件进行加工的工艺为冷雕工艺；在冷雕加工过程中，使用金属磨头对对预成型胚体进行加工，使预成型胚体的中部贯穿形成环形预成形件。
进一步，使用金属磨头加工过程中，从预成型胚体的中部向外侧逐渐打磨加工。所述金属磨头采用表面有硬质磨料的金属磨头，硬质磨料为金刚砂、SiC、刚玉或氮化硼。这样提高金属磨头的耐磨性能。
进一步，在金属磨头对预成型胚体进行加工的同时使用液体助剂。
进一步，所述液体助剂包括但不限于水、氟化物溶液、强碱溶液其中的一种或多种。
进一步，所述金属磨头的转速大于20000r/min。再进一步为金属磨头的转速为40000～80000r/min。
作为优选，所述步骤(3)中，对预成形件进行加工的工艺为化学穿孔工艺，具体为：
1)将穿孔溶剂从预成形件端部的中心滴落，每次滴液量为1～10ml；
2)每添加3～5次穿孔溶剂后，用水清洗加工部位；
3)重复上述滴液和清洗步骤，获得环形预成形件。
进一步，所述步骤1)中，穿孔溶剂为氟化物酸性溶液、焦磷酸、硫酸或强碱溶液。
作为优选，在步骤1)之前，使用抗酸膜对预成型胚体的外壁和/或已完成加工的内壁进行保护，确保外壁和/或已完成加工的内壁不受穿孔溶剂的腐蚀，保持其已有的形状。
作为优选，所述步骤(4)中，对环形预成形件的外壁和内壁进行打磨加工包括化学抛光或机械抛光。经过抛光后的表面粗糙度为0.4nm≤Ra≤1.6nm，7.0nm≤Rz≤38nm。
上述方案中，所述玻璃块胚体包括以mol％计的如下成分：
SiO2：61％～70％；
还包括B2O3、P2O5、Li2O、Na2O和K2O，并且不含Ti和Ce；
其中，B2O3、P2O5满足0.5％≤B2O3+P2O5≤8.5％，Li2O、Na2O和K2O满足5％≤Li2O+Na2O+K2O≤25％。
作为优选，所述玻璃块胚体包括以mol％计的如下成分：
SiO2：61～70％；
Al2O3：10～20％；
B2O3：0.5～3.5％；
P2O5：0～8％；
MgO：2～7％；
ZnO：0～1％；
ZrO2：0～2.5％；
K2O：0～3％；
Li2O：0～20％；
Na2O：0～12％；和
稀土氧化物：0～0.5％；
其中，B2O3、P2O5满足0.5％≤B2O3+P2O5≤8.5％，Li2O、Na2O和K2O满足5％≤Li2O+Na2O+K2O≤25％。采用上述成分的玻璃块胚体具有良好的加工性能，能够满足后续的加工要求。
采用上述的制备方法制备而成的玻璃外壳为一体式环形结构，其内部形成一容纳腔，所述容纳腔的内侧面之间圆弧过渡。所述玻璃外壳的可见光平均透过率为87％～92％。
其中，所述玻璃外壳的壁厚厚度为0.2mm～1.0mm；其外壁的粗糙度为0.3nm≤Ra≤1.3nm，5.1nm≤Rz≤30nm；内壁粗糙度为0.4nm≤Ra≤1.6nm，7.0nm≤Rz≤38nm；其中，Ra为平均粗糙度，Rz为微观不平度十点高度。
所述玻璃外壳的杨氏模量为65～82GPa，介电损耗Tanδ≤0.033。
实施例1-11
采用不同成分和配比制备玻璃块胚体。玻璃块胚体的成分和配比如表1所示。
表1实施例1-11中玻璃块胚体的成分和配比
实施例12
采用实施例1制备的玻璃块胚体进行加工，制备封闭式3D曲面玻璃外壳。具体步骤如下：
首先，根据玻璃外壳的外侧设计形状，对玻璃块胚体的外侧进行加工形成预成型胚体，本实施例中玻璃外壳的断面为矩形框结构。
其次，采用冷雕工艺对预成型胚体进行加工。如图1所示，采用表面有硬质磨料的金属磨头从预成型胚体的中部向外侧逐渐打磨加工，金属磨头的转速为45000r/min，并在金属磨头加工的同时喷淋低浓度液体助剂，浓度液体助剂为5％NaOH溶液，温度40℃，达到降温和冲走切屑、保持表面干净的作用，直到加工到需要的尺寸后停止加工，获得矩形框结构预成形件。
然后，对矩形框结构预成形件的外壁和内壁进行物理抛光，使用毛刷(毛刷的材质包括但不限于动物鬃毛、PP、剑麻、地毯等)对内壁进行粗抛，再使用含氧化铈聚氨酯抛光皮或无纺布、或阻尼布进行精抛，得到所述的封闭式3D曲面玻璃外壳，如图2-4所示。
实施例13
采用实施例3制备的玻璃块胚体进行加工，制备封闭式3D曲面玻璃外壳。具体步骤如下：
首先，根据玻璃外壳的外侧设计形状，对玻璃块胚体的外侧进行加工形成预成型胚体，本实施例中玻璃外壳的断面为圆环形结构。
其次，采用冷雕工艺对预成型胚体进行加工。如图1所示，采用表面有硬质磨料的金属磨头从预成型胚体的中部向外侧逐渐打磨加工，金属磨头的转速为45000r/min，并在金属磨头加工的同时喷淋低浓度液体助剂，浓度液体助剂为8％NaOH溶液，温度60℃，达到降温和冲走切屑、保持表面干净的作用，直到加工到需要的尺寸后停止加工，获得圆筒形预成形件。
然后，对圆筒形预成形件的外壁和内壁进行物理抛光，使用毛刷(毛刷的材质包括但不限于动物鬃毛、PP、剑麻、地毯等)对内壁进行粗抛，再使用含氧化铈聚氨酯抛光皮或无纺布、或阻尼布进行精抛，得到所述的封闭式3D曲面玻璃外壳，如图5-7所示。
实施例14
采用实施例5制备的玻璃块胚体进行加工，制备封闭式3D曲面玻璃外壳。具体步骤如下：
首先，根据玻璃外壳的外侧设计形状，对玻璃块胚体的外侧进行加工形成预成型胚体，本实施例中玻璃外壳的断面为梯形框结构。
其次，采用化学穿孔工艺对预成型胚体进行加工，穿孔溶剂由水50％～70％，草酸13％～20％，硫酸铵9％～18％，氟化铵2％～8％混合而成，其中，水温为30～50℃。在进行化学穿孔前，使用抗酸膜或石蜡等对预成型胚体的外壁和/或已完成加工的内壁进行保护，防止穿孔溶剂对已完成加工的外壁和内壁造成损伤。具体步骤如下：
1)将穿孔溶剂从预成形件端部的中心滴落，每次滴液量为10ml，等待反应时间为12-15min。
2)每添加3～5次穿孔溶剂后，用水清洗加工部位，避免穿孔溶剂过度腐蚀玻璃内壁，造成尺寸上的缺陷而报废。
3)重复上述滴液和清洗步骤，获得梯形框结构预成形件。
然后，对梯形框结构预成形件的外壁和内壁进行火焰抛光方式对内壁进行粗抛，再使用含氧化铈聚氨酯抛光皮或无纺布或阻尼布进行精抛，得到所述的封闭式3D曲面玻璃外壳，如图8-10所示。
实施例15
采用实施例8制备的玻璃块胚体进行加工，制备封闭式3D曲面玻璃外壳。具体步骤如下：
首先，根据玻璃外壳的外侧设计形状，对玻璃块胚体的外侧进行加工形成预成型胚体，本实施例中玻璃外壳的断面为椭圆环结构。
其次，采用化学穿孔工艺对预成型胚体进行加工，穿孔溶剂由水、HF和氟化铵按照质量比7∶1∶2混合而成。在进行化学穿孔前，使用抗酸膜或石蜡等对预成型胚体的外壁和/或已完成加工的内壁进行保护，防止穿孔溶剂对已完成加工的外壁和内壁造成损伤。具体步骤如下：
1)将穿孔溶剂从预成形件端部的中心滴落，每次滴液量为15ml，等待反应时间为8-10min。
2)每添加3～5次穿孔溶剂后，用水清洗加工部位，避免穿孔溶剂过度腐蚀玻璃内壁，造成尺寸上的缺陷而报废。
3)重复上述滴液和清洗步骤，获得椭圆筒预成形件。
然后，对椭圆筒预成形件的外壁和内壁进行火焰抛光方式对内壁进行粗抛，再使用含氧化铈聚氨酯抛光皮或无纺布或阻尼布进行精抛，得到所述的封闭式3D曲面玻璃外壳，如图11-13所示。
实施例12-15中制备的封闭式3D曲面玻璃外壳的性能测试数据如表2所示。
| 特征 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| 加工工艺 | 冷雕工艺 | 冷雕工艺 | 化学穿孔 | 化学穿孔 |
| 透光率(550nm) | 91.7％ | 89.3％ | 90.8％ | 90.4％ |
| Ra/nm | 1.2 | 1.1 | 0.8 | 1.0 |
| Rz/nm | 6.3 | 24 | 22 | 13 |
| 壳体壁厚/mm | 0.65 | 0.72 | 0.8 | 1.03 |
本发明提供的封闭式3D曲面玻璃外壳的方法，采用冷雕工艺或化学穿孔工艺等冷加工工艺对预成型胚体进行加工，整个制备方法中工艺可控，对模具的要求较低，并且无需额外的设备投资，适用性广。由于无需要热弯、热吸、热压等工艺，有效降低了生产能耗。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (16)
1.一种封闭式3D曲面玻璃外壳的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取玻璃块胚体；
(2)根据玻璃外壳的外侧设计形状，对玻璃块胚体的外侧进行加工形成预成型胚体；
(3)根据玻璃外壳的内孔设计形状对预成型胚体进行加工，获得环形预成形件；
(4)对环形预成形件的外壁和内壁进行打磨加工，得到所述的封闭式3D曲面玻璃外壳。
2.根据权利要求1所述的封闭式3D曲面玻璃外壳的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，对预成形件进行加工的工艺为冷雕工艺；在冷雕加工过程中，使用金属磨头对对预成型胚体进行加工，使预成型胚体的中部贯穿形成环形预成形件。
3.根据权利要求2所述的封闭式3D曲面玻璃外壳的制备方法，其特征在于，使用金属磨头加工过程中，从预成型胚体的中部向外侧逐渐打磨加工。
4.根据权利要求3所述的封闭式3D曲面玻璃外壳的制备方法，其特征在于，所述金属磨头的转速大于20000r/min。
5.根据权利要求4所述的封闭式3D曲面玻璃外壳的制备方法，其特征在于，所述金属磨头的转速为40000～80000r/min。
6.根据权利要求2所述的封闭式3D曲面玻璃外壳的制备方法，其特征在于，在金属磨头对预成型胚体进行加工的同时使用液体助剂。
7.根据权利要求6所述的封闭式3D曲面玻璃外壳的制备方法，其特征在于，所述液体助剂包括但不限于水、氟化物溶液、强碱溶液其中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的封闭式3D曲面玻璃外壳的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，对预成形件进行加工的工艺为化学穿孔工艺，具体为：
1)将穿孔溶剂从预成形件端部的中心滴落，每次滴液量为1～10ml；
2)每添加3～5次穿孔溶剂后，用水清洗加工部位；
3)重复上述滴液和清洗步骤，获得环形预成形件。
9.根据权利要求8所述的封闭式3D曲面玻璃外壳的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，穿孔溶剂为氟化物酸性溶液、焦磷酸、硫酸或强碱溶液。
10.根据权利要求8所述的封闭式3D曲面玻璃外壳的制备方法，其特征在于，在步骤1)之前，使用抗酸膜对预成型胚体的外壁和/或已完成加工的内壁进行保护。
11.根据权利要求1所述的封闭式3D曲面玻璃外壳的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，对环形预成形件的外壁和内壁进行打磨加工包括化学抛光或机械抛光。
12.根据权利要求1所述的封闭式3D曲面玻璃外壳，其特征在于，所述玻璃块胚体包括以mol％计的如下成分：
SiO2：61％～70％；
还包括B2O3、P2O5、Li2O、Na2O和K2O，并且不含Ti和Ce；
其中，B2O3、P2O5满足0.5％≤B2O3+P2O5≤8.5％，Li2O、Na2O和K2O满足5％≤Li2O+Na2O+K2O≤25％。
13.根据权利要求12所述的封闭式3D曲面玻璃外壳，其特征在于，所述玻璃块胚体包括以mol％计的如下成分：
SiO2：61～70％；
Al2O3：10～20％；
B2O3：0.5～3.5％；
P2O5：0～8％；
MgO：2～7％；
ZnO：0～1％；
ZrO2：0～2.5％；
K2O：0～3％；
Li2O：0～20％；
Na2O：0～12％；和
稀土氧化物：0～0.5％；
其中，B2O3、P2O5满足0.5％≤B2O3+P2O5≤8.5％，Li2O、Na2O和K2O满足5％≤Li2O+Na2O+K2O≤25％。
14.一种封闭式3D曲面玻璃外壳，其特征在于，采用如权利要求1-13任一项所述的封闭式3D曲面玻璃外壳的制备方法制备而成；所述玻璃外壳为一体式环形结构，其内部形成一容纳腔，所述容纳腔的内侧面之间圆弧过渡；所述玻璃外壳的可见光平均透过率为87％～92％。
15.根据权利要求14所述的封闭式3D曲面玻璃外壳，其特征在于，所述玻璃外壳的壁厚厚度为0.2mm～1.0mm；其外壁的粗糙度为0.3nm≤Ra≤1.3nm，5.1nm≤Rz≤30nm；内壁粗糙度为0.4nm≤Ra≤1.6nm，7.0nm≤Rz≤38nm；其中，Ra为平均粗糙度，Rz为微观不平度十点高度。
16.根据权利要求14所述的封闭式3D曲面玻璃外壳，其特征在于，所述玻璃外壳的杨氏模量为65～82GPa，介电损耗Tanδ≤0.033。
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