TW201733933A

TW201733933A - 用於玻璃成型的設備及方法

Info

Publication number: TW201733933A
Application number: TW105109414A
Authority: TW
Inventors: 約瑟菲珍布朗
Original assignee: 洛克杜爾公司
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2016-03-25
Publication date: 2017-10-01
Also published as: TWI744228B

Abstract

本發明係關於一種用於使玻璃片材成型的加工工具，其包含：a.成型模具，其由導電材料製成，且包含：ai.模製表面；aii.適用於固持玻璃片材使之遠離該模製表面並且與該模製表面對置的構件；aiii.感應電路，其包含在該成型模具之模穴中延伸的感應器；b.加熱單元，其遠離該成型模具，且包含：bi.表面，其適用於產生熱輻射且與該模製表面對置；bii.感應電路，其包含在該加熱單元之模穴中延伸之感應器；c.用以將該感應電路連接至高頻電流產生器的構件。

Description

用於玻璃成型的設備及方法

本發明係關於一種用於玻璃熱成型之設備及方法。

更特定而言(但非排他地)，本發明致力於用於製成顯示螢幕之玻璃片材的成型。

在整篇文章中，應用於玻璃之術語「成型」及「熱成型」係指一種在不使最初在固態中之玻璃片材的區段位移一大距離之情況下使該片材遵循另一形狀的方法。因此，根據本發明之方法並非(例如)關於藉由吹製或藉由離心將球坯(gob)成型為一物件，該等吹製或離心方法涉及使初始物件的區段位移至大距離。

玻璃熱成型方法在先前技術中係已知的，且包括將待成型之玻璃片材加熱至足以使其可成型之溫度(亦即，高於玻璃態化溫度但低於玻璃之熔融溫度的溫度)，此使得其有可能達成介於10₁₁泊與10₇泊之間的黏度(10₁₀Pa.s至10₆Pa.s)。如此將片材加熱至大體介於700℃與800℃之間的範圍內之溫度後，使得該片材在重力、壓力、配套工具(諸如衝頭)之作用下或藉由彼等手段之任何組合而遵循加工工具(通常為模具)之形狀。接著，在冷卻速度及冷卻之空間均勻度二者皆受控制之情況下，使用冷卻程序冷卻經成型片材，以便取決於如此成型之物品的應用而達成應在該物品中達成之內部應力狀態。

文獻US 2010 000259描述一種包括將溫度低於軟化溫度之平坦玻璃片材置於經預熱加工工具上的成型方法。接著在爐中(特定而言藉由紅外線輻射)加熱加工工具及片材。當玻璃片材之溫度使得其黏度為約10₉泊(10₈Pa.s)時，使該玻璃片材遵循加工工具之形狀。接著，將組合件自爐移除，並在片材仍處於模中的情況下，使組合件自然地或藉由在模上噴吹空氣或氣體之強制性對流而冷卻。在先前技術之此方法中，加工工具在相當長的時間內暴露於高溫。加工工具於高溫下之此暴露會損壞加工工具，此損壞尤其係由氧化或與經成型玻璃之化學相互作用而導致，且更特定而言係在玻璃片材於成型操作期間接觸的加工工具之成型表面上發生。即使對此表面之最小損壞也可能會轉移至玻璃，從而導致不可接受之表面缺陷。使用抗高溫下的腐蝕之耐火材料(諸如鎳基超合金)使得難以藉由輻射加熱模具。

為了避開彼等缺點，先前技術之解決方案包括在低溫下使玻璃成型，使得首先，加工工具較少暴露於熱化學損壞現象，且其次，玻璃之表面係足夠硬的以便不複製表面缺陷。

然而，此解決方案需要較大成型力，且需要使用執行器或施加氣體壓力，此使加工工具更為複雜且更為昂貴。

文獻WO 2012 118612描述一種用於使玻璃片材熱成型之方法，其中將該片材置於由同玻璃相比為惰性的耐高溫材料(諸如石墨)製成之加工工具上。

將玻璃片材及加工工具置於包含藉由輻射來加熱玻璃片材及加工工具之紅外線加熱構件的真空鐘形罩下。在惰性氛圍下執行此加熱以阻止石墨氧化。藉由組合地在玻璃片材下方應用真空且在另一側上應用熱氣體壓力來執行成型。

先前技術之此等設備對加熱及冷卻兩者同樣涉及長循環時間，以及對熱循環之精細控制。此外，先前技術之此等方法使用罩殼或特殊裝備，生產集中於此等罩殼或特殊裝備且其對於生產率係至關重要的。

本發明旨在克服先前技術之缺點，且因此係關於一種用於使玻璃片材成型之加工工具，該加工工具包含：a.成型模具，其由耐高溫金屬製成，且包含：ai.模製表面；aii.適用於固持玻璃片材使之遠離該模製表面並且與該模製表面對置的構件；aiii.感應電路，其包含在該成型模具之模穴中延伸的感應器；b.加熱單元，其遠離該成型模具，且包含：bi.表面，其適用於產生熱輻射且與該模製表面對置；bii.感應電路，其包含在該加熱單元之模穴中延伸之感應器；c.用以將該兩個感應電路連接至高頻電流產生器的構件。

因此，對加熱單元及加工工具之感應加熱使得有可能將加工工具之溫度快速升高至使玻璃成型所需之溫度，且因此防止加工工具在長時間段內暴露於高溫。對加熱單元及模具之直接加熱使得有可能控制其溫度。將金屬用於模具使得有可能機器加工模製表面以達成合適的表面條件。對加熱單元及模具之總體的加熱使得有可能使溫度在經成型玻璃片材之整個表面上均勻地散佈。該加工工具適用於作為獨立加工工具操作且僅需要連接至高頻電流產生器。

本發明可有利地實施於下文所描述之具體實例中，其可被個別地或以任一技術上可操作組合考量。

在一個具體實例中，模具係由馬氏體不鏽鋼製成。此類型之鋼在高達約700℃之溫度下仍係鐵磁性的。鐵磁性狀態中之高磁導率使得有可能藉由集中場線來快速加熱感應器在其中延伸之模穴的邊緣。熱量藉由傳導向模製表面的傳輸使得有可能使其表面處的溫度均等。

在另一具體實例中，模具係由合金製成，該合金由鎳(Ni)、鐵(Fe)、鉻(Cr)及鈮(Nb)組成。此類型之鎳基超合金可在長時間暴露於700℃之溫度期間或在短期暴露之情形下暴露於甚至更高溫度時抗蠕變及腐蝕。該材料係導電的且可藉由感應來加熱。

在一個替代具體實例中，感應器在其中延伸之模穴包含在該感應器與該模穴之壁之間的由鐵磁性材料製成的層。鎳基合金具有低磁導率，且因此，此具體實例使得有可能將加熱集中於模穴之邊緣上，隨後藉由傳導將熱量轉移至模製表面，且因此達成更有效感應加熱。

有利地，該加熱單元係由石墨製成。石墨在熱紅外線範圍內具有高發射係數，適用於高達極高溫度之感應加熱且易於機器加工。彼技術解決方案允許藉由輻射快速且均勻地加熱玻璃片材。

有利地，石墨加熱單元包含能夠在1200℃下抵抗氧化且具有在3μm與50μm之間的波長下的高發射率之塗層。此具體實例使得有可能保護加熱單元免受氧化且因此允許根據本發明之加工工具在罩殼外部獨立地操作。

在特定具體實例中，根據本發明之加工工具包含圍繞該模具及該加熱單元之密閉罩殼，其中該罩殼填充有中性氣體(特定而言，惰性氣體)。因此，保護加熱單元及模具免受氧化且增加其壽命。在本發明之上下文中，中性氣體係組成在特定背景下無有害影響的氣體。

有利地，該模具包含適用於隔開該玻璃片材以免與該模具接觸之隔熱支撐件。因此，在玻璃片材已達到其成型溫度之前，保護該玻璃片材免受由於與該模具接觸引起之可能的熱衝擊。

有利地，根據本發明之加工工具包含：d.高溫測量感測器，其用於量測該加熱單元之溫度。

有利地，根據本發明之加工工具亦包含：e.熱電偶，其整合在該模具中且在該模製表面附近以量測該模製表面之溫度。

此等量測設備使得有可能控制且精密地調節用於使玻璃片材熱成型的熱循環。

有利地，根據本發明之加工工具中之模具包含：aiv.冷卻導管，其用於循環氣體。

有利地，根據本發明之加工工具之加熱單元包含：biii.冷卻導管，其用於循環氣體。

當裝載入玻璃片材以及在成型循環之後卸載經成型片材時，此等構件有助於調節用於熱成型之熱循環且使得更容易操控加工工具(特定而言，模具)。

本發明亦關於一種用於使用根據先前具體實例中任一者之加工工具使玻璃片材熱成型之方法，該方法包含以下步驟：i.將該玻璃片材置放於該模具上；ii.同時藉由使高頻電流在該模具及該加熱單元之各別感應電路中通過來加熱該模具及該加熱單元；iii.使該玻璃片材成型為該模具之該模製表面的形狀；iv.以受控速度將該模具冷卻至較低退火溫度；v.冷卻該模具；vi.移除該經成型玻璃片材。

因此，根據本發明之方法允許對熱成型循環之嚴格控制。

有利地，根據本發明之方法的步驟(ii)包含將該加熱單元加熱至已知為構成該玻璃片材之玻璃之軟化溫度的溫度，並且將該模具加熱至等於較高退火溫度之溫度。因此，玻璃片材之行為係充分可塑的以允許重力成型。

下文在較佳具體實例(其不以任何方式為限制性的)中並參考圖1至圖3描述本發明，其中：- 圖1為在玻璃片材成型之前根據本發明之加工工具之例示性具體實例的截面視圖，該片材定位於工具上；- 圖2為與圖1中相同之區段的詳細視圖，其顯示根據本發明之加工工具之模具中之感應電路的例示性具體實例；- 及圖3為說明根據本發明之方法的圖表。

除非另外規定，否則在整篇文獻中：- 玻璃軟化溫度為經成型玻璃之黏度為10₇泊(10₆Pa.s)時之溫度；- 較高退火溫度為經成型玻璃之黏度為10₁₃泊(10₁₂Pa.s)時之溫度；- 及較低退火溫度為經成型玻璃之黏度為10₁₄泊(10₁₄Pa.s)時之溫度。

在例示性具體實例之圖1中，根據本發明之加工工具包含加熱單元(110)以及包含模製表面(125)之成型模具(120)。在此例示性具體實例中，模製表面(125)為凹陷的。作為替代方案，模製表面為凸起的。

在此處呈現在成型操作開始時的根據本發明之加工工具，其中在此例示性實施中起初係平坦的玻璃片材(100)置放於模穴(125)上面且其端部擱置在隔熱墊(130)上。作為非限制性實例，該等襯墊(130)係由陶瓷或在聚矽氧基質中包含90%或90%以上雲母(白雲母)之複合材料製成。在例示性具體實例中，模具(120)係由已知市售為Inconel 718_®之鎳基結構硬化超合金(包含17%至21%鉻(Cr)、2.8%至3.3%鉬(Mo)、4.75%至5.5%鈮(Nb)、17%至19%鐵(Fe)及50%至55%鎳(Ni))製成。作為替代方案，模具係由AISI 431類型之鐵氧體馬氏體(martensitic)不鏽鋼(包含0.16%碳(C)、2%鎳(Ni)及17%鉻(Cr))製成。此等材料具有某些機械性質，尤其係對於不鏽鋼高達400℃且對於Inconel 718_®高達700℃以及在短期暴露時更高的高溫下的耐磨損性、抗蠕變性及耐腐蝕性。模具包含複數個導管(140)，其含有構成感應電路之感應器。該等感應器可(例如)由藉由陶瓷管(142)(例如二氧化矽套管)與模具之壁隔離的銅管(141) 製成。有利地，模具(120)係由兩個部分(121、122)組成；因此，用於使感應器通過之導管(140)係藉由在裝配該等部分之前對該等部分開槽而製成。

在感應電路之另一具體實例的圖2(更特定而言，其適用於構成模具之材料並非鐵磁性之情形)中，用具有高磁導率的在高達例如700℃的高溫下仍保持其鐵磁性質的鋼層(243)為導管加套。因此，由感應器(241)產生之磁場集中在夾套(243)中，該夾套(243)被快速加熱且彼熱量藉由傳導傳輸至模具。熱量藉由傳導傳輸直至模製表面，且感應器之明智配置使得有可能使此模製表面上之溫度均等。

返回至圖1，在此例示性具體實例中，如同容納感應器的導管一樣，冷卻導管網路(152)藉由鑽孔或開槽及裝配而配置於模具(120)中。此等導管使得有可能噴吹空氣或中性傳熱氣體以冷卻模具且特定而言冷卻模製表面。噴吹空氣及感應加熱可聯合用於調整溫度或冷卻速度。熱電偶(162)有利地置放於模製表面(125)附近，以便量測其溫度且控制加熱及冷卻之條件。模具置放於隔熱支撐件(180)(諸如，由氧化鋯製成之複合板或由包含雲母(白雲母)及聚矽氧黏合劑之複合材料製成之板)上。在例示性具體實例中，該支撐件(180)安裝於使模具有可能相對於加熱單元(110)位移(181)的構件(未示出)上，以便促進將在加工工具中將玻璃片材裝載與卸載之操作。

加熱單元(110)係由石墨製成。藉由用於調整與模具之模製表面(125)對置的發射表面(115)與玻璃片材(100)之間的距離之構件(未示出)將加熱單元(110)固持在距模具之某一距離處，通常在5mm 與50mm之間的範圍內。

與模具(120)一樣，在此例示性具體實例中，該加熱單元(110)包含用於使感應加熱電路通過的導管網路(145)以及傳熱氣體在其中循環的冷卻導管網路(151)。在一個例示性具體實例中，加熱單元在其所有或一些側上包含適用於保護石墨以免受高溫下之氧化且在熱紅外線輻射帶具有高發射率之塗層(131)，例如碳化矽(SiC)塗層。此塗層使得有可能保護石墨以免受在高達約1600℃之溫度下之氧化。因此，根據本發明之加工工具適用於在空氣中操作而無損壞。作為替代方案，為了延長根據本發明之加工工具之壽命，將該加工工具置放於罩殼中，該罩殼填充有在操作溫度下係中性之氣體(諸如氬或氮)或惰性氣體(諸如氦)。在此例示性具體實例中藉由紅外線高溫計(161)量測加熱單元之溫度。

根據本發明之加工工具之加熱單元(110)與模具(120)的感應電路經由適用於調諧所得之諧振電路的構件(未示出)(特定而言，一組電容器及阻抗調適線圈)連接至高頻電流產生器，該高頻電流產生器通常在10kHz與200kHz之間的頻率下操作。

在圖3中，根據一個根據本發明之方法之例示性具體實例，該方法包含將待成型玻璃片材置放於加工工具上之第一裝載步驟(310)。在特定具體實例中，當模具在距加熱單元某一距離處時，執行此步驟(310)。在替代具體實例中，該玻璃片材在環境溫度下置放於在環境溫度下的模具上或在等於或低於玻璃之較低退火溫度之溫度下的模具上。在另一具體實例中，在線內程序中，將玻璃片材置放於低於或等於較低玻璃退火溫度之溫度或低於600℃之溫度下的模具上。玻璃片材擱置於正好高於模製表面的隔墊上，而不觸碰模製表面。在加熱步驟(320)中，承載玻璃片材之模具在加熱單元下面，且藉由感應來加熱該加熱單元及模具。將加熱單元加熱到至少等於玻璃之軟化溫度或取決於玻璃之類型為800℃至850℃之溫度，或就石墨單元而言通常在1200℃與1600℃之間的範圍內之較高溫度，以便增加輻射功率。將模具加熱至較低溫度，通常加熱至玻璃之較高退火溫度，或600℃至700℃之間，此取決於正在熱成型之玻璃的性質。藉由來自加熱單元之輻射加熱玻璃片材。在成型步驟(330)期間，藉由歸因於加熱之軟化，玻璃片材在模具之模製表面上蠕變，且遵循該模具之形狀。玻璃片材在與模具接觸時冷卻，但保持足夠溫度以使玻璃片材中之應力鬆弛。在冷卻步驟(340)期間，在例示性具體實例中，停止加熱單元之加熱並且藉由在冷卻導管中循環之氣體冷卻該單元。藉由模具調節玻璃片材之冷卻。因此，冷卻步驟(340)包含以緩慢且受控方式冷卻至構成片材之玻璃之較低退火溫度(取決於玻璃之類型通常在500℃與600℃之間)，接著加速冷卻直至卸載溫度。當達到卸載溫度時，在卸載步驟(350)中，將模具移動至例示性具體實例中之卸載位置，並且使用合適構件(諸如吸墊設備)自模具移除經成型玻璃片材。該工具現在準備好用於新循環。

以上描述及例示性具體實例顯示本發明達成其設定目標；特定而言，其減少加工工具保持在高溫下的時間，同時允許對用於熱成型之熱循環之精密控制。根據本發明之加工工具在特定具體實例中適用於在無特定罩殼的情況下獨立地操作。

100‧‧‧玻璃片材

110‧‧‧加熱單元

115‧‧‧發射表面

120‧‧‧成型模具

121‧‧‧成型模具之部分

122‧‧‧成型模具之部分

125‧‧‧模製表面

130‧‧‧隔熱墊

131‧‧‧塗層

140‧‧‧導管/模穴

141‧‧‧銅管/感應器

142‧‧‧陶瓷管

145‧‧‧導管/模穴

151‧‧‧冷卻導管

152‧‧‧冷卻導管

161‧‧‧紅外線高溫計/高溫測量感測器

162‧‧‧熱電偶

180‧‧‧隔熱支撐件

181‧‧‧模具

Claims

一種用於使玻璃片材(100)成型的加工工具，其包含：a.成型模具(120)，其由導電材料製成，且包含：ai.模製表面(125)；aii.適用於固持玻璃片材使之遠離該模製表面並且與該模製表面對置的構件(130)；aiii.感應電路，其包含在該成型模具之模穴(140)中延伸的感應器(141、241)；b.加熱單元(110)，其遠離該成型模具，且包含：bi.表面(115)，其適用於產生熱輻射且與該模製表面(125)對置；bii.感應電路，其包含在該加熱單元之模穴(145)中延伸之感應器；c.用以將該等感應電路連接至高頻電流產生器的構件。
如申請專利範圍第1項之加工工具，其中該模具(120)係由馬氏體不鏽鋼製成。
如申請專利範圍第1項之加工工具，其中該模具(120)係由合金製成，該合金係由鎳(Ni)、鐵(Fe)、鉻(Cr)及鈮(Nb)組成。
如申請專利範圍第3項之加工工具，其中該感應器在其中延伸之該模穴(140、145)包含在該感應器與該模穴之壁之間的由鐵磁性材料製成之層(243)。
如申請專利範圍第1項之加工工具，其中該加熱單元(110)係由石墨製成。
如申請專利範圍第5項之加工工具，其中該加熱單元(110)包含能夠在1200℃下抵抗氧化且在3μm與50μm之間的波長下具有高發射率之塗層(131)。
如申請專利範圍第5項之加工工具，其包含圍繞該模具(120)及該加熱單元(110)之密閉罩殼，其中該罩殼填充有中性氣體，特定而言，惰性氣體。
如申請專利範圍第1項之加工工具，其中該模具(120)包含適用於隔開該玻璃片材(100)以免與該模具接觸之隔熱支撐件(130)。
如申請專利範圍第1項之加工工具，其包含：d.高溫測量感測器(161)，其用於量測該加熱單元之溫度。
如申請專利範圍第1項之加工工具，其包含：e.熱電偶(162)，其整合在該模具中且在該模製表面(125)附近以量測該模製表面之溫度。
如申請專利範圍第1項之加工工具，其中該模具包含：aiv.冷卻導管(152)，其用於循環氣體。
如申請專利範圍第1項之加工工具，其中該加熱單元包含：biii.冷卻導管(151)，其用於循環氣體。
一種用於使用如申請專利範圍第1項之加工工具使玻璃片材熱成型之方法，該方法包含以下步驟：i.將該玻璃片材置放(310)於該模具上；ii.同時藉由使高頻電流在該模具及該加熱單元之各別感應電路中通過來加熱(320)該模具及該加熱單元；iii.使該玻璃片材成型(330)為該模具之該模製表面的形狀； iv.以受控速度將該模具冷卻(340)至較低退火溫度；v.冷卻該模具；vi.移除(350)該經成型玻璃片材。
如申請專利範圍第13項之方法，其中該步驟(ii)(320)包含將該加熱單元加熱至已知為構成該玻璃片材之玻璃之軟化溫度的溫度，並且將該模具加熱至等於較高退火溫度之溫度。