KR101860972B1 - 2d 유리-함유 시트로부터 3d 물품을 대량 생산하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

2d 유리-함유 시트로부터 3d 물품을 대량 생산하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 대량 생산하기 위한 장치는 2D 유리-함유 시트를 수용하도록 채용된 가열 챔버, 상기 가열 챔버 내측에 상기 2D 유리-함유 시트를 서스펜딩하기 위한 상기 가열 챔버에 가까운 공압 베어링 시스템, 및 상기 가열 챔버에 열을 공급하기 위한 상기 가열 챔버에 가까운 히터 시스템을 포함하는 가열 스테이션을 구비한 가열 섹션을 포함한다. 상기 가열 섹션 하류의 성형 섹션은 가열된 2D 유리-함유 시트를 3D 물품으로 형상화하도록 채용된 몰드 시스템을 포함하는 성형 스테이션을 구비한다. 상기 성형 섹션 하류의 냉각 섹션은 하나 또는 그 이상의 3D 물품을 제어가능하게 냉각하도록 채용된 냉각 챔버를 구비한다. 2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 대량 생산하기 위한 방법은 상기 장치의 사용을 포함한다.

Description

2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 대량 생산하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MASS PRODUCING 3D ARTICLES FROM 2D GLASS-CONTAINING SHEETS}
본 출원은 35 U.S.C.§20 하에 2011년 2월 24일 출원된 미국출원 제13/033,817호를 우선권 주장하고 있으며, 상기 특허 문헌의 내용은 참조를 위해 본 발명에 모두 포함된다.
본 발명은 2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 대량 생산하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
2차원(2D) 유리 시트를 열적으로 리포밍(reforming)함으로써 3차원(3D) 물품을 생산하기 위한 방법들은, 예컨대 코닝 인코포레이티드 등에 의해 국제공개번호 WO2010/002446, WO2010/061238, WO2010/065371, 및 WO2010/065349로부터 모두 공지되어 있다. 통상 이들 방법은 비교적 차가운 몰드 상에 2D 유리 시트를 로딩하고, 그 몰드 및 2D 유리 시트를 이 2D 유리 시트가 변형될 수 있는 상승 온도로 가열하고, 상기 몰드를 이용하여 상기 2D 유리 시트를 원하는 3D 물품으로 성형하고, 상기 몰드 내의 3D 물품을 냉각하며, 상기 몰드로부터 상기 3D 물품을 언로딩(unloading)하는 단계를 포함한다. 이들 방법은 통상 유리가 몰드 내에 로딩된 시간부터 그 유리가 몰드로부터 언로딩될 때까지 그 유리가 몰드 내에 매우 오랜 시간 동안 상주한다. 그러한 상주 시간은 통상 6분 내지 1시간 사이가 된다. 이들 방법을 이용한 3D 물품의 대량 생산은 수율이 낮으며 많은 수의 몰드를 필요로 한다.
본 발명은 2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 대량 생산하기 위한 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 한 형태에 있어서, 2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 대량 생산하기 위한 장치는 가열 스테이션을 포함하는 가열 섹션을 포함한다. 상기 가열 스테이션은 2D 유리-함유 시트를 수용하도록 채용된 가열 챔버, 상기 가열 챔버 내측에 상기 2D 유리-함유 시트를 서스펜딩(suspending)하기 위한 상기 가열 챔버에 가까운 공압 베어링 시스템, 및 상기 가열 챔버에 열을 공급하기 위한 상기 가열 챔버에 가까운 히터 시스템을 포함하는 가열 스테이션을 포함한다. 상기 장치는 가열 섹션 하류의 성형 섹션을 더 포함한다. 상기 성형 섹션은 성형 스테이션을 포함한다. 상기 성형 스테이션은 가열된 2D 유리-함유 시트를 3D 물품으로 성형하도록 채용된 몰드 시스템을 포함한다. 상기 장치는 성형 섹션 하류의 냉각 섹션을 포함한다. 상기 냉각 섹션은 하나 또는 그 이상의 3D 물품을 제어가능하게 냉각하도록 채용된 냉각 챔버를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 장치는 상기 가열 섹션 상류의 예열 섹션을 더 포함하고, 상기 예열 섹션은 하나 또는 그 이상의 2D 유리-함유 시트를 수용하도록 채용된 예열 챔버 및 이 예열 챔버에 열을 공급하기 위한 상기 예열 챔버에 가까운 가열 시스템을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 장치는 상기 예열 챔버를 따라 상기 하나 또는 그 이상의 2D 유리-함유 시트를 이동하기 위한 상기 예열 챔버 내측에 배치된 컨베이어를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 장치는 예열 섹션에서 가열 섹션으로 예열된 2D 유리-함유 시트를 이송하기 위한 수단, 가열 섹션에서 성형 섹션으로 가열된 2D 유리-함유 시트를 이송하기 위한 수단, 및 성형 섹션에서 냉각 섹션으로 3D 물품을 이송하기 위한 수단을 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 장치는 상기 냉각 챔버를 따라 하나 또는 그 이상의 3D 물품을 이동시키기 위한 상기 냉각 챔버 내측에 배치된 컨베이어를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가열 섹션에서 성형 섹션으로 가열된 2D 유리-함유 시트를 이송하기 위한 수단 및 상기 성형 섹션에서 냉각 섹션으로 3D 물품을 이송하기 위한 수단을 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가열 섹션에서 성형 섹션으로 가열된 2D 유리-함유 시트를 이송하기 위한 수단은 가열 챔버로부터 상기 가열된 2D 유리-함유 시트를 추출하는 상기 가열 챔버 내에 공압 램 효과(pneumatic ram effect)를 선택적으로 생성하기 위한 메카니즘을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 공압 램 효과를 선택적으로 생성하기 위한 메카니즘은 가열 챔버의 입구에 설치된 도어, 셔터(shutter), 또는 게이트를 포함하며, 여기서 상기 도어, 셔터, 또는 게이트는 상기 가열 챔버의 입구를 개방 또는 폐쇄하도록 작동될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 공압 베어링 시스템은 한 쌍의 대향 공압 베어링을 포함하고, 가열 섹션의 가열 시스템은 한 쌍의 대향 히터를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가열 섹션은 가열 챔버 내에서 가열되는 동안 2D 유리-함유 시트가 구속되는 상기 가열 챔버 내의 영역을 규정하도록 제어가능하면서 가열 챔버 내에 배치된 한 쌍의 액추에이터를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 장치의 가열 섹션은 적어도 하나의 추가 가열 스테이션 및 어느 한 가열 스테이션에서 다른 가열 스테이션으로 가열된 2D 유리-함유 시트를 이송하기 위한 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 성형 섹션은 적어도 하나의 추가 성형 스테이션을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 성형 스테이션은 가열 섹션과 각각의 성형 스테이션의 선택적 정렬이 가능하도록 회전가능 지지대 상에 탑재된다.
일 실시예에 있어서, 상기 몰드 시스템은 제1 3D 표면에 의해 규정된 캐비티를 갖춘 제1몰드를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 적어도 하나의 진공 포트(vacuum port)는 상기 제1 3D 표면에 진공을 제공하기 위해 몰드에 제공된다.
일 실시예에 있어서, 몰드 시스템은 제2 3D 표면에 의해 규정된 돌출부를 갖춘 제2몰드를 포함하며, 상기 돌출부는 제1 3D 표면에 의해 규정된 캐비티 내에 수용되도록 채용된다.
일 실시예에 있어서, 적어도 하나의 진공 포트가 제1 3D 표면 및 제2 3D 표면 중 적어도 어느 하나에 진공을 제공하기 위해 제1몰드 및 제2몰드 중 적어도 어느 하나에 제공된다.
본 발명의 다른 형태에 있어서, 2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 대량 생산하기 위한 방법은 2D 유리-함유 시트를 예열 챔버 내에 주기적으로 로딩하여 상기 2D 유리-함유 시트를 제1온도로 가열하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 예열된 2D 유리-함유 시트를 상기 예열 챔버로부터 가열 챔버 내로 주기적으로 이송하고, 상기 예열된 2D 유리-함유 시트를 공압에 의해 가열 챔버 내측에 서스펜딩하여, 상기 제1온도보다 높은 제2온도 범위로 상기 예열된 2D 유리-함유 시트를 가열하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 가열된 2D 유리-함유 시트를 상기 가열 챔버로부터 몰드 시스템 내로 주기적으로 추출하여 상기 가열된 2D 유리-함유 시트를 상기 몰드 시스템에서 3D 형상으로 성형하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 3D 물품을 상기 몰드 시스템으로부터 냉각 챔버 내로 주기적으로 언로딩하여 상기 제2온도보다 낮은 제3온도로 상기 3D 물품을 제어가능하게 냉각하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가열된 2D 유리-함유 시트를 성형하는 단계는 상기 가열된 2D 유리-함유 시트의 프레싱(pressing), 진공 새깅(vacuum sagging), 및 압축 성형 중 어느 하나를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 주기적으로 언로딩하는 단계는 (i) 상기 3D 물품을 몰드 표면에 진공 클램핑하고, 상기 3D 물품을 지지대 상에 방출하며, 상기 지지대 및 3D 물품을 냉각 챔버로 이송하거나, 또는 (ii) 상기 3D 물품을 진공 척으로 잡고, 상기 3D 물품을 지지대 상에 방출하며, 상기 지지대 및 3D 물품을 냉각 챔버로 이송하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 방법은 상기 3D 물품이 선택된 시간 주기 동안 거의 연속으로 2D 유리-함유 시트로부터 생산되도록 상기 방법의 단계들의 타이밍을 조정하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 형태들이 이하의 설명 및 부가된 청구항들로부터 명백해질 것이다.
다음은 수반되는 도면들의 설명이다. 그 도면들은 소정 크기로 반드시 정할 필요는 없으며, 그 도면들의 소정 형태 및 모습은 명확성 및 간결함의 관점에서 과장된 크기로 나타내거나 또는 개략적으로 나타낼 것이다.
도 1은 2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 생산하기 위한 장치의 블록도이다.
도 2는 예열 섹션의 상세도이다.
도 3은 가열 스테이션의 상세도이다.
도 4a는 성형 스테이션의 상세도이다.
도 4b는 성형 스테이션의 다른 상세도이다.
도 4c는 성형 스테이션의 다른 상세도이다.
도 5는 냉각 섹션의 상세도이다.
도 6a는 프레싱 몰드 배열로부터 3D 물품을 언로딩(unloading)하는 방법의 단계를 나타낸다.
도 6b는 프레싱 몰드 배열로부터 3D 물품을 언로딩하는 방법의 다른 단계를 나타낸다.
도 7은 세그 몰드(sag mold)로부터 3D 물품을 언로딩하는 방법을 나타낸다.
이하의 상세한 설명에 있어서, 다수의 특정 설명은 발명의 실시예들의 전체 이해를 제공하기 위한 것이다. 그러나, 이는 그러한 발명의 실시예들이 이들 특정 설명의 일부 또는 모두 없이 실시될 수 있다는 것은 통상의 기술자에게는 자명할 것이다. 다른 예들에 있어서, 공지의 형태 또는 공정들은 발명을 불필요하게 불명확하게 하지 않도록 상세히 기술하지 않을 것이다. 또한, 유사하거나 동일한 참조부호가 공통 또는 유사한 요소들에 동일하게 사용될 것이다.
도 1에 있어서, 2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 대량 생산하기 위한 장치(100)는 예열 섹션(102), 가열 섹션(104), 성형 섹션(106), 및 냉각 섹션(108)을 포함한다.
상기 가열 섹션(104)은 상기 예열 섹션(102) 하류에 위치하고, 상기 성형 섹션(106)은 상기 가열 섹션(104) 하류에 위치하며, 상기 냉각 섹션(108)은 상기 성형 섹션(106) 하류에 위치한다. 2D 유리-함유 시트는 상기 예열 섹션(102) 내로 로딩되고, 상기 예열 섹션(102)에서 소정 온도로 가열되고, 추가 가열을 위해 상기 가열 섹션(104)으로 패스되며, 이후 3D 물품으로 성형하기 위해 상기 성형 섹션(106)으로 패스된다. 상기 3D 물품은 제어된 냉각을 위해 상기 냉각 섹션(108)으로 패스된다. 일 실시예에 있어서, 상기 예열 섹션(102), 가열 섹션(104), 성형 섹션(106), 및 냉각 섹션(108)은 상기 3D 물품의 생산이 선택된 시간 주기 동안 거의 연속하도록 디자인된다.
매 시간 간격(T1)마다, 상기 예열 섹션(102)은 외부 소스로부터 2D 유리-함유 시트를 수용한다. 상기 2D 유리-함유 시트는 2D 유리 시트 또는 2D 유리-함유 시트일 것이다. 상기 예열 섹션(102)의 길이는 그 예열 섹션(102)이 동시에 다수의 2D 유리-함유 시트를 수용할 수 있는 길이가 된다. 통상적으로, 상기 2D 유리-함유 시트는 예컨대 상기 예열 섹션(102) 내로 로딩될 때 실온에서 냉각된다. 상기 예열 섹션(102)은 제1온도 범위 내의 예열된 온도가 되도록 상기 2D 유리-함유 시트를 가열한다. 하나의 실시예에 있어서, 상기 제1온도 범위는 [Ta-δ1, Ta+δ2]와 같이 정의되며, 여기서 Ta는 어닐링점이고, δ1,δ2는 상기 어닐링점과 다른 소정 단계의 온도이며, 상기 δ1, 및 δ2는 동일하거나 동일하지 않을 것이다. 선택적으로, 상기 제1온도 범위는 상기 2D 유리-함유 시트의 점도가 1013 P(Poise: 푸아즈) 내지 1016 P의 범위가 되는 온도 범위로 규정될 것이다.
매 시간 간격(T2)마다, 상기 가열 섹션(104)은 상기 예열 섹션으로부터 예열된 2D 유리-함유 시트를 수용하고, 상기 예열된 2D 유리-함유 시트를 제2온도 범위 내의 성형 온도로 가열한다. 상기 성형 온도는 상기 예열된 온도보다 높다. 하나의 실시예에 있어서, 상기 제2온도 범위는 [Ta, Ts]와 같이 정의되며, 여기서 Ta는 2D 유리-함유 시트의 어닐링점이고, Ts는 상기 2D 유리-함유 시트의 연화점이다. 선택적으로, 상기 제2온도 범위는 상기 2D 유리-함유 시트의 점도가 108P 내지 2×1010P의 범위가 되는 온도 범위로 규정될 것이다. 상기 가열 섹션(104)은 하나 또는 그 이상의 가열 스테이션을 포함한다. 상기 2D 유리-함유 시트의 가열은 상기 가열 스테이션(110)의 내측에서 일어난다. 상기 가열 섹션(104)은 하나 이상의 가열 스테이션(110)을 포함할 경우, 상기 2D 유리-함유 시트의 가열은 그러한 각각의 가열 스테이션들로 나누어질 것이다. 각각의 가열 스테이션(110)은 상기 가열 섹션(104)의 단부에서 상기 2D 유리-함유 시트가 원하는 성형 온도가 되도록 상기 2D 유리-함유 시트에 소정 양의 열을 전달하도록 제어될 수 있다. 상기 각각의 개별 가열 스테이션들에 의해 전달된 열의 양은 동일하거나 동일하지 않을 것이다. 즉, 가열 스테이션에 의해 전달된 열의 양은 동일하거나 또는 다른 가열 스테이션에 의해 전달된 열의 양과 다를 것이다.
매 시간 간격(T3)마다, 상기 성형 섹션(106)은 상기 가열 섹션으로부터 성형 온도로 가열된 2D 유리-함유 시트를 수용한다. 상기 성형 섹션(16)에서, 상기 가열된 2D 유리-함유 시트는 3D 물품으로 형상화(또는 성형화)된다. 소정의 적절한 몰드-기반 형상화(또는 성형화) 방법은 상기 2D 유리-함유 시트를 상기 3D 물품으로 형상화하는데 사용될 것이다. 몰드-기반 형상화 공정의 예들로는 프레싱, 압축 성형, 및 진공 새깅을 포함한다. 상기 성형 섹션(106)은 하나 또는 그 이상의 성형 스테이션(112)을 포함하며, 상기 2D 유리-함유 시트의 형상화는 상기 성형 스테이션(112) 내측에서 일어난다. 상기 성형 섹션(106)이 하나 이상의 성형 스테이션(112)을 포함할 경우, 상기 성형 스테이션(112)은 방사상 패턴으로 회전가능 지지대 또는 캐러셀(114: carousel) 상에 탑재될 것이다. 매 시간 간격(T4)마다, 상기 캐러셀(114)은 성형 스테이션(112)이 상기 가열 섹션(104)으로부터 가열된 2D 유리-함유 시트를 수용하도록 상기 가열 섹션(104)과 정렬될 수 있다.
매 시간 간격(T5)마다, 상기 냉각 섹션(108)은 상기 성형 섹션(106)으로부터의 3D 물품을 수용한다. 상기 냉각 섹션(108)의 길이는 상기 냉각 섹션(108)이 동시에 다수의 3D 물품을 수용하는 길이가 된다. 상기 냉각 섹션(108)은 제3온도 범위의 처리 온도로 상기 3D 물품의 제어된 냉각을 가능하게 한다. 하나의 실시예에 있어서, 상기 제3온도 범위는 상기 3D 물품의 점도가 1013P보다 큰 온도 범위로 규정된다. 상기 성형 섹션(106)이 다수의 성형 스테이션(112)을 갖는 곳에서는 2D 유리-함유 시트를 상기 가열 섹션(104)에서 성형 섹션(106)으로 로딩할 때 그리고 3D 물품을 상기 성형 섹션(106)에서 상기 냉각 섹션(108)으로 언로딩할 때 더 많은 유연성을 갖는다. 예컨대, 3D 물품을 제2성형 스테이션(112)에서 냉각 섹션(108)으로 언로딩하기 전에, 하는 동안에, 또는 한 후에 2D 유리-함유 시트를 상기 가열 섹션(104)에서 제1성형 스테이션(112)으로 로딩할 수 있다. 상기 언급한 모든 시간 간격들과 상기 장치(100) 섹션들의 형태적 그리고 열적 특성은 상기 3D 물품의 생산이 선택된 시간 주기 동안 거의 연속하도록 선택될 수 있다.
도 2에 있어서, 예열 섹션(102)은 예열 챔버(200) 및 상기 예열 챔버(200)의 대향측 상의 서로 가까운 히터(202, 204)를 갖춘 가열 시스템을 포함한다. 상기 히터(202, 204)들은 상기 예열 챔버(200) 내측의 2D 유리-함유 시트(206)를 가열하기 위한 것이다. 상기 각각의 히터(202, 204)들은 하나 또는 그 이상의 가열 요소를 포함한다. 소정의 적절한 히터 또는 가열 요소가 사용될 것이다. 롤 컨베이어와 같은 컨베이어(208) 또는 소정의 다른 적절한 선형 이동 메카니즘은 상기 예열 챔버(200)를 따라 상기 2D 유리-함유 시트(206)를 전송하도록 상기 예열 챔버(200) 내에 배치된다. 상기 2D 유리-함유 시트(206)는 예열 섹션(102)의 상류측(좌측)에서 상기 예열 챔버(200) 내로 로딩되고 상기 예열 섹션(102)의 하류측(우측)에서 상기 예열 챔버(200)로부터 오프로딩(offloading)될 수 있다. 신축가능한 푸쉬 메카니즘(210)은 상기 예열 챔버(200) 내로 선택적으로 삽입되어 상기 2D 유리-함유 시트를 상기 가열 섹션(104: 도 1) 내로 상기 예열 섹션(102) 밖으로 푸쉬하는데 사용될 수 있다.
도 3에 있어서, 각각의 가열 스테이션(110)은 가열 챔버(300) 및 상기 가열 챔버(300)의 대향측 상의 서로 가까운 한 쌍의 공압 베어링(302, 304), 예컨대 공기 베어링을 갖춘 공압 베어링 시스템을 포함한다. 상기 가열 스테이션(110)은 또한 상기 가열 챔버(300)의 대향측 상의 서로 가까운 한 쌍의 히터(306, 308)를 갖춘 가열 시스템을 포함한다. 상기 공압 베어링(302, 304)은 2D 유리-함유 시트(310)를 상기 가열 챔버(300) 내에 서스펜딩(suspending)하기 위한 것이다. 상기 히터(306, 308)는 가열 챔버(300)의 상기 2D 유리-함유 시트를 가열하기 위한 것이다. 상기 히터(306, 308)는 단일의 가열 요소만을 포함하도록 각각의 히터(206, 308)에 가능할 지라도 다수의 가열 요소(324, 326)를 각각 포함한다. 상기 공압 베어링(302, 304)은 상기 2D 유리-함유 시트(310)와의 물리적 접촉 없이 상기 가열 챔버(300) 내에 상기 2D 유리-함유 시트(310)를 서스펜딩한다. 이것은 낮은 유리 점도로 인해 표면 점착성이 중요한 곳에서 상기 2D 유리-함유 시트(310)가 보다 높은 성형 온도로 가열될 때 상기 2D 유리-함유 시트(310)의 표면 품질의 유지를 돕는다. 각각의 공압 베어링(302, 304)은 각각 플레넘(312, 314) 및 다공판(316, 318)을 갖춘다. 상기 플레넘(312, 314)은 공압 유체 소스, 예컨대 공기 소스에 연결될 수 있는 입구 포트(320, 322)를 갖춘다. 상기 플레넘(312, 314)에서의 공압 유체는 상기 다공판(316, 318)으로 방출되어 그 다공판(316, 318)을 통해 상기 가열 챔버(300)로 분배된다. 상기 다공판(316, 318)은 다공성 재료 판, 예컨대 멀라이트(mullite) 판이 될 것이다. 선택적으로, 상기 다공판(316, 318)은 기공이 형성된 판이 된다. 2개의 대향 공압 베어링 대신 단지 하나의 공압 베어링을 갖도록 상기 공압 베어링 시스템을 실시할 수 있다. 그러나, 상기 2D 유리-함유 시트는 단지 하나의 공압 베어링만을 사용할 경우 비틀어지기 쉽다. 2개의 대향 공압 베어링은 상기 2D 유리-함유 시트의 대향 표면 상에 대향의 공압력들을 인가한다. 이러한 대향의 공압력들은 상기 2D 유리-함유 시트의 비틀어짐이 최소화되도록 균형을 맞춘다.
가열 섹션(104: 도 1)의 각각의 가열 스테이션(110)은 예열 섹션(102; 도 1)으로부터 또는 선행의 가열 스테이션(110; 도 1)으로부터 2D 유리-함유 시트(310)를 수용한다. 일단 먼저 각각의 가열 스테이션(110) 내측에서, 상기 2D 유리-함유 시트(310)가 상술한 바와 같이 공압에 의해 가열 챔버(300) 내측에 서스펜딩되고, 상승 온도로 가열된다. 상기 상승 온도는 가열 섹션(104: 도 1)의 가열 스테이션(110) 또는 상기 가열 섹션(104: 도 1)의 다수의 가열 스테이션(110)의 위치에 따른 성형 온도이거나 또는 그 성형 온도가 아닐 수 있다. 그러나, 상기 가열 섹션(104: 도 1)의 마지막 가열 스테이션(110)에서, 그러한 2D 유리-함유 시트(310)는 원하는 성형 온도를 가질 것이다.
일 실시예에 있어서, 각각의 가열 스테이션(110)은 2D 유리-함유 시트를 접촉하지 않고 가열 챔버(300)에서 다음 가열 스테이션(110: 도 1) 또는 성형 섹션(106: 도 1)으로 상기 2D 유리-함유 시트(310)를 추출하는 것을 돕기 위한 추출 메카니즘을 포함한다. 상술한 바와 같이, 유리의 점착성은 성형 온도에서 중요하다. 따라서, 2D 유리-함유 시트의 표면, 적어도 그 2D 유리-함유 시트의 양질의 영역을 접촉하는 것을 피하는 것이 바람직하다. 일 실시예에 있어서, 상기 추출 메카니즘은 각각의 가열 스테이션(110) 상류 단부(좌측 단부)에 설치된 도어 또는 셔터 또는 게이트(328)를 포함한다. 상기 도어, 셔터, 또는 게이트(328)는 상기 가열 스테이션(110) 상류 단부에 개방부(329)를 일시적으로 밀봉하도록 한 방향으로 이동될 수 있으며, 이에 따라 가열 챔버(300)로부터 2D 유리-함유 시트를 추출하는 가열 스테이션(110)의 가열 챔버(300) 내에 공압 램 효과를 생성한다. 그러한 추출 속도는 상기 도어, 셔터, 또는 게이트(328)가 폐쇄된 후 상기 가열 챔버(300) 내의 공압에 의해 결정되며, 상기 가열 챔버(300) 내의 공압은 공압 베어링(302, 304)에 의해 언제든지 결정된다. 상기 가열 챔버(300) 내의 공압은 다공판(316, 318)과 2D 유리-함유 시트(310)간 갭(gap)의 높이를 변경함으로써 그리고 공압 유체가 플레넘(312, 314)에 공급되는 속도를 변경함으로써 조절될 수 있다. 일반적으로, 그러한 추출 속도는 상기 2D 유리-함유 시트를 다음 가열 스테이션(110) 또는 성형 섹션(106: 도 1)으로 밀어붙이기에 충분히 높으나, 그 2D 유리-함유 시트가 의도치 않은 대상물을 리바운딩(rebounding)하거나 스트라이킹(striking)할 정도로 지나치게 높지는 않아야 한다. 상기 2D 유리-함유 시트(310)가 상기 가열 챔버(300)로부터 추출된 후, 상기 도어, 셔터, 또는 게이트(328)는 상기 가열 스테이션(110) 상류 단부(좌측 단부)를 밀봉해제하도록 또 다른 방향으로 이동될 수 있으며, 이에 따라 공압 램 효과를 제거할 뿐만 아니라 또 다른 2D 유리-함유 시트가 상기 가열 스테이션(110) 내로 로딩될 수 있게 한다.
일 실시예에 있어서, 2D 유리-함유 시트가 가열 챔버(300) 내에서 가열되는 동안 상기 가열 챔버(300) 내의 규정된 영역(305)으로 상기 2D 유리-함유 시트의 이동을 제한하기 위해 선형 액추에이터와 같은 한 쌍의 액추에이터(301, 303)가 상기 가열 챔버(300) 내에 위치된다. 상기 액추에이터(302, 303)이 없다면, 상기 2D 유리-함유 시트(310)는 상기 가열 챔버(300) 전체를 따라 자유롭게 이동할 것이다. 만약 가열 챔버(300)에서의 온도 균일성이 일정하지 못하면, 상기 가열 챔버(300) 내에 수용된 각각의 새로운 2D 유리-함유 시트(310)는 상기 가열 챔버(300) 내에 수용된 이전의 2D 유리-함유 시트(310)와 다른 가열을 격게될 것이다. 가열 챔버(300)의 상기 영역(305) 내에 상기 가열 챔버(300) 내에 수용된 각각의 2D 유리-함유 시트(310)를 구속함으로써, 상기 가열 챔버(300) 내에 수용된 각각의 2D 유리-함유 시트(310)는 거의 동일한 가열을 격게될 것이다. 일반적으로 상기 액추에이터 301과 303간 간격이 상기 2D 유리-함유 시트(310)의 길이보다 약간 큰데, 즉 5% 내지 35% 크며, 상기 길이는 상기 액추에이터 301과 303 사이에 구속되는 상기 2D 유리-함유 시트(310)의 크기로서 규정된다. 일반적으로, 상기 액추에이터 301과 303간 간격은 상기 가열 챔버(300)의 길이의 제한 범위 내에서 원하는 가열의 재현성을 달성하기 위해 선택될 것이다. 상기 가열 챔버(300)의 출구측(307)에 가장 가까운 액추에이터(303)와 상기 가열 챔버(300)의 상기 출구측간 거리는 상기 가열 챔버(300)로부터 상기 2D 유리-함유 시트(310)를 추출하는 동안 상기 2D 유리-함유 시트(310)에 대한 안내 길이를 제공하기에 충분할 것이다. 상기 가열 챔버(300)로부터의 상기 2D 유리-함유 시트(310)의 추출은 상기 2D 유리-함유 시트(310)의 추출을 위한 통로를 개방하기 위한 상기 액추에이터(303)의 수축과 함께 시작된다. 통로가 개방된 후, 상술한 공압 램 효과를 생성하기 위해 상기 도어, 셔터, 또는 게이트(320)를 폐쇄한다.
상기 성형 스테이션(112: 도 1)의 구성은 상기 2D 유리-함유 시트를 3D 물품으로 성형하는데 사용되는 방법에 따른다. 도 4a에 있어서, 상기 성형 스테이션(112)은 프레싱에 의해 2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 성형하도록 구성된다. 상기 성형 스테이션(112)은 대향의 플런저(plunger) 몰드(400: 또는 상부 몰드)와 캐비티(cavity) 몰드(402: 또는 하부 몰드)를 포함한다. 상기 플런저 몰드(400)는 3D 표면(406)에 의해 규정된 돌출부(404)를 포함한다. 상기 캐비티 몰드(402)는 3D 표면(410)으로 규정된 캐비티(408)를 포함한다. 상기 돌출부(404)의 3D 표면(406)은 성형될 3D 물품의 내면을 형성하며, 상기 캐비티(408)의 3D 표면(410)은 성형될 3D 물품의 외면을 형성할 것이다. 상기 돌출부(404)는 상기 캐비티(408) 내에 수용될 수 있는 크기가 된다. 상기 3D 물품을 성형하기 위해, 2D 유리-함유 시트(412)가 상기 캐비티 몰드(402) 상에 배치된다. 상기 2D 유리-함유 시트(412)를 상기 캐비티 몰드 상에 정확하게 위치시키기 위해 정렬 핀이 사용될 수 있다. 다음에, 상기 플런저 몰드(400)가 상기 2D 유리-함유 시트(412)를 캐비티(408) 내로 프레싱하기 위해 사용된다. 상기 2D 유리-함유 시트(412)가 냉각 몰드에 의해 접촉되지 않도록 상기 플런저 몰드(400) 및 캐비티 몰드(402)를 가열하기 위해 히터(414, 416)가 제공된다. 상기 플런저 몰드(400) 및 캐비티 몰드(402)는 상기 2D 유리-함유 시트(412)만큼 뜨겁게 하지 않는다.
도 4b에 있어서, 성형 스테이션(112A)은 압축 성형에 의해 2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 성형하도록 구성된다. 상기 성형 스테이션(112A)은 3D 표면(423)에 의해 규정된 캐비티(422)를 갖춘 캐비티 몰드(420)를 구비한다. 상기 캐비티 몰드(420)의 방위는 꺼꾸로 되어 있다. 적어도 하나의 진공 포트(424)가 상기 캐비티(422) 또는 3D 표면(423)에 진공을 제공하기 위해 상기 캐비티 몰드(420)에 제공된다. 2D 유리-함유 시트가 상기 성형 스테이션(112A)으로 추출될 때, 상기 2D 유리-함유 시트는 진공에 의해 위쪽으로 캐비티(422) 내로 끌어당겨지고, 이에 따라 3D 물품(426)을 성형한다. 히터(428)는 몰드(420)를 가열하기 위해 제공된다. 상기 몰드(420)는 상기 3D 물품(426)으로 성형된 2D 유리-함유 시트만큼 뜨거워질 필요는 없다. 나타내진 않았지만, 캐비티를 갖춘 지지대가 상기 캐비티 몰드(420) 아래에 위치되어 상기 2D 유리-함유 시트를 진공에 의해 캐비티(422) 내로 끌어당기기 전에 상기 2D 유리-함유 시트를 지지하는데 사용된다. 또한, 상기 캐비티 몰드(420)는 도 4a에 400으로 나타낸 바와 같은 플런저 몰드로 교체될 수 있다. 상기 성형 스테이션(112A)에 사용된 플런저 몰드는 몰드의 형상화 표면에 진공을 제공하기 위한 진공 포트(424)와 유사한 적어도 하나의 진공 포트를 구비한다. 상기 진공 포트에 의해 진공이 제공되면, 상기 2D 유리-함유 시트는 형상화 표면에 대해 멈출 것이다. 상기 플런저 몰드의 경우, 상기 형상화 표면은 캐비티 내에 있지 않고 돌출부 상에 있다.
도 4c에 있어서, 성형 스테이션(112B)은 진공 새깅에 의해 2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 성형하도록 구성된다. 상기 성형 스테이션(112B)은 3D 표면(433)에 의해 규정된 캐비티(432)를 갖춘 캐비티 몰드(430: 새그 몰드)를 구비한다. 적어도 하나의 진공 포트(434)는 상기 캐비티(432)에 진공을 제공하기 위해 상기 캐비티 몰드(430) 내에 제공된다. 3D 물품으로 성형될 2D 유리-함유 시트(436)가 상기 캐비티 몰드(420) 상에 배치된다. 상기 캐비티 몰드(430) 상에 상기 2D 유리-함유 시트(436)를 정확하게 위치시키기 위해 정렬 핀이 사용될 수 있다. 상기 캐비티(432) 내에 상기 2D 유리-함유 시트(436)를 새깅(sagging)하기 위해 캐비티(432)에 진공이 제공되며, 이에 따라 상기 3D 물품을 성형한다. 또한 상기 2D 유리-함유 시트(436)는 중력에 의해 상기 캐비티 내로 부분적으로 새깅될 수 있다. 이후, 상기 캐비티 내에 상기 2D 유리-함유 시트(436)를 완전히 새깅하기 위해 진공이 제공되며, 이에 따라 3D 물품을 성형한다. 히터(438)가 몰드(430)를 가열하기 우해 제공된다. 상기 몰드(430)는 상기 2D 유리-함유 시트(436)만큼 뜨거워질 필요는 없으며, 상기 2D 유리-함유 시트(436)는 상기 몰드(430) 상에 배치될 때 제2온도 범위의 온도를 갖는다.
도 5에 있어서, 상기 냉각 섹션(108)은 머플(502)에 의해 둘러싸인 냉각 챔버(500)를 포함한다. 상기 머플(502)은 절연 재료로 이루어지며, 하나 또는 그 이상의 3D 물품(504)이 냉각 챔버(500) 내에 있을 때 그 냉각 챔버(500)로부터의 열 손실 비율을 제어한다. 상기 머플(502)에는 상기 냉각 챔버(500) 내의 3D 물품(504)로부터 빠르거나 불균일한 열 손실을 방지하기 위해 가열 요소들이 설치될 수 있다. 롤 컨베이어와 같은 컨베이어(506) 또는 소정의 다른 적절한 선형 이동 메카니즘이 상기 냉각 챔버(500)를 따라 3D 물품(504)을 이송하기 위해 상기 냉각 챔버(500) 내에 배치된다. 상기 3D 물품(504)은 상기 성형 섹션(106)으로부터 상기 냉각 챔버(500)의 상류 단부(좌측 단부)로 로딩되고 상기 냉각 챔버(500)의 하류 단부(우측 단부)로부터 언로딩된다.
도 6a 및 6b에 있어서, 도 4a에 나타낸 프레싱 몰드 배열로부터 3D 물품(600)을 언로딩하는 방법은 진공에 의해 플런저 몰드(400)에 상기 3D 물품(600)을 클램핑하는 단계를 포함한다. 지지대(602)는 상기 3D 물품(600) 아래에 배치된다. 이후, 상기 지지대(602) 상에 상기 3D 물품(600)을 방출하기 위해 클램핑 진공이 제거된다. 상기 3D 물품(600)은 상기 지지대(602)와 3D 물품(600)간 점착이 피해지도록 언로딩되기 전에 약간 냉각될 수 있다. 또한, 상기 지지대의 표면은 적절한 비점착 재료로 형성되거나 그러한 재료로 코팅될 수 있다. 상기 지지대(602) 및 3D 물품(600)은 상기 냉각 챔버(500: 도 5)의 컨베이어(506: 도 5) 상에 위치될 수 있다. 또한 도 6a 및 6b에 나타낸 것과 유사한 언로딩 방법이 도 4b에 나타낸 압축 성형 몰드 배열에도 이용될 수 있다. 도 7에 있어서, 세그 몰드(430: 앞서 도 4c에 나타낸)로부터 3D 물품(700)을 언로딩하는 방법은 진공 척(702)으로 상기 3D 물품을 잡는 단계를 포함한다. 상기 3D 물품(700)은 도 6b의 602와 같은 지지대 상에 방출될 수 있으며, 상기 지지대 및 3D 물품(700)은 상기 냉각 챔버(500: 도 5)로 이송될 수 있다.
상술한 장치 및 방법은 고품질의 3D 물품이 고속으로, 예컨대 몰드 시스템마다 분당 약 6개의 3D 물품까지 2D 유리-함유 시트로부터 성형될 수 있게 한다. 가열 챔버 내에 상기 2D 유리-함유 시트를 지지하기 위한 공압 베어링 시스템의 사용은 상기 2D 유리-함유 시트가 상기 가열 챔버 내에서 가열되는 동안 상기 2D 유리-함유 시트의 양호한 표면 품질을 유지할 수 있게 한다. 상술한 장치 및 방법에 필요한 몰드 시스템의 수는 성형 스테이션의 수와 동일하다. 따라서, 예컨대 만약 상기 장치가 4개의 성형 스테이션을 포함하면, 단지 4개의 몰드 시스템만이 필요하다. 작은 수의 몰드 시스템의 경우, 상술한 장치 및 방법을 이용하여 3D 물품이 2D 유리-함유 시트로부터 거의 연속으로 생산될 수 있다.
본 발명이 한정된 수의 실시예들로 기술될 지라도, 통상의 기술자라면 다른 실시예들이 여기에 개시된 바와 같은 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 개시 발명의 이점을 갖는다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 발명의 범위는 부가된 청구항들로만 제한될 것이다.

Claims (20)

  1. 2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 대량 생산하기 위한 장치로서,
    가열 섹션, 이 가열 섹션 하류의 성형 섹션, 이 성형 섹션 하류의 냉각 섹션, 및 한 쌍의 액추에이터들을 포함하며,
    상기 가열 섹션은 2D 유리-함유 시트를 수용하도록 채용된 가열 챔버, 상기 가열 챔버 내측에 상기 2D 유리-함유 시트를 서스펜딩하기 위한 상기 가열 챔버에 가까운 공압 베어링 시스템, 및 상기 가열 챔버에 열을 공급하기 위한 상기 가열 챔버에 가까운 히터 시스템을 포함하는 가열 스테이션을 구비하고,
    상기 한 쌍의 액추에이터들은 상기 가열 챔버에 동작가능하게 연결됨과 더불어, 상기 가열 챔버의 총 길이보다 작은 길이를 갖는 상기 가열 챔버의 선택 가열 영역이 위치되는 액추에이터들 사이의 간격을 가지며, 여기서 상기 가열 챔버 내에 수용된 각각의 2D 유리-함유 시트는 상기 가열 챔버 내에서 가열되는 동안 상기 선택 가열 영역 내로 제한되고, 상기 액추에이터는 상기 간격의 길이가 상기 간격 내에 구속되는 각각의 2D 유리-함유 시트의 길이보다 커지도록 제어할 수 있게 구성되고,
    상기 성형 섹션은 가열된 2D 유리-함유 시트를 3D 물품으로 형상화하도록 채용된 몰드 시스템을 포함하는 성형 스테이션을 구비하며,
    상기 냉각 섹션은 하나 또는 그 이상의 3D 물품을 제어가능하게 냉각하도록 채용된 냉각 챔버를 구비한 2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 대량 생산하기 위한 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가열 섹션 상류의 예열 섹션을 더 포함하며, 상기 예열 섹션은 하나 또는 그 이상의 2D 유리-함유 시트를 수용하도록 채용된 예열 챔버 및 상기 예열 챔버에 열을 공급하기 위한 상기 예열 챔버에 가까운 가열 시스템을 구비한 2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 대량 생산하기 위한 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    (i) 상기 예열 챔버를 따라 상기 하나 또는 그 이상의 2D 유리-함유 시트를 이동시키기 위한 상기 예열 챔버 내측에 배치된 컨베이어, (ii) 상기 냉각 챔버를 따라 하나 또는 그 이상의 3D 물품을 이동시키기 위한 상기 냉각 챔버 내측에 배치된 컨베이어, (iii) 예열 섹션에서 가열 섹션으로 예열된 2D 유리-함유 시트를 이송하기 위한 수단, (iv) 가열 섹션에서 성형 섹션으로 가열된 2D 유리-함유 시트를 이송하기 위한 수단, 및 (v) 성형 섹션에서 냉각 섹션으로 3D 물품을 이송하기 위한 수단 중 적어도 하나를 더 포함하는 2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 대량 생산하기 위한 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 가열 섹션에서 성형 섹션으로 가열된 2D 유리-함유 시트를 이송하기 위한 수단은 가열 챔버로부터 상기 가열된 2D 유리-함유 시트를 추출하는 상기 가열 챔버 내에 공압 램 효과(pneumatic ram effect)를 선택적으로 생성하기 위한 메카니즘을 포함하는 2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 대량 생산하기 위한 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 가열 섹션은 적어도 하나의 추가 가열 스테이션 및 어느 한 가열 스테이션에서 다른 가열 스테이션으로 가열된 2D 유리-함유 시트를 이송하기 위한 수단을 포함하고, 상기 성형 섹션은 적어도 하나의 추가 성형 스테이션을 포함하며, 상기 성형 스테이션은 가열 섹션과 각각의 성형 스테이션의 선택적 정렬이 가능하도록 회전가능 지지대 상에 탑재되는 2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 대량 생산하기 위한 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 몰드 시스템은 (i) 제1 3D 표면에 의해 규정된 캐비티를 갖춘 제1몰드 및 (ii) 제2 3D 표면에 의해 규정된 돌출부를 갖춘 제2몰드 중 적어도 하나를 포함하는 2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 대량 생산하기 위한 장치.
  7. 2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 대량 생산하기 위한 방법으로서,
    (a) 2D 유리-함유 시트를 예열 챔버 내에 주기적으로 로딩하여 상기 2D 유리-함유 시트를 제1온도로 가열하는 단계;
    (b) 예열된 2D 유리-함유 시트를 상기 예열 챔버로부터 가열 챔버 내로 주기적으로 이송하고, 상기 예열된 2D 유리-함유 시트를 공압에 의해 가열 챔버 내측에 서스펜딩하여, 상기 제1온도보다 높은 제2온도로 상기 예열된 2D 유리-함유 시트를 가열하는 단계;
    (c) 가열된 2D 유리-함유 시트를 상기 가열 챔버로부터 몰드 시스템 내로 주기적으로 추출하여 상기 가열된 2D 유리-함유 시트를 상기 몰드 시스템에서 3D 형상으로 성형하는 단계;
    (d) 3D 물품을 상기 몰드 시스템으로부터 냉각 챔버 내로 주기적으로 언로딩하여 상기 제2온도보다 낮은 제3온도로 상기 3D 물품을 제어가능하게 냉각하는 단계; 및
    (e) 상기 단계 (b)의 이송 전에, 상기 가열 챔버에 동작가능하게 연결된 한 쌍의 액추에이터들 사이의 간격에 상기 가열 챔버의 총 길이보다 작은 길이를 갖는 상기 가열 챔버의 선택 가열 영역을 위치시키고 상기 단계 (b)의 가열 동안 상기 선택 가열 영역으로 상기 가열 챔버 내에 수용된 각각의 2D 유리-함유 시트를 제한하는 단계를 포함하며,
    상기 한 쌍의 액추에이터들은 각각의 2D 유리-함유 시트가 상기 단계 (b)의 가열 동안 상기 선택 가열 영역으로 제한되도록 상기 단계 (b)의 가열 동안 고정되는 2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 대량 생산하기 위한 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 (c)의 성형 단계는 상기 가열된 2D 유리-함유 시트의 프레싱, 진공 새깅, 및 압축 성형 중 하나를 포함하는 2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 대량 생산하기 위한 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 (d) 의 언로딩 단계는 (i) 상기 3D 물품을 몰드 표면에 진공 클램핑하고, 상기 3D 물품을 지지대 상에 방출하고, 상기 지지대 및 3D 물품을 냉각 챔버로 이송하며, 그리고 (ii) 상기 3D 물품을 진공 척으로 잡고, 상기 3D 물품을 지지대 상에 방출하고, 상기 지지대 및 3D 물품을 냉각 챔버로 이송하는 것 중 하나를 포함하는 2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 대량 생산하기 위한 방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 3D 물품이 선택된 시간 주기 동안 연속으로 2D 유리-함유 시트로부터 생산되도록 상기 (a) 내지 (d) 단계의 타이밍을 조정하는 단계를 더 포함하는 2D 유리-함유 시트로부터 3D 물품을 대량 생산하기 위한 방법.


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