TWI413619B - 由片狀物材料形成及切割成型物品之方法及裝置 - Google Patents

Description

由片狀物材料形成及切割成型物品之方法及裝置

本發明一般係關於形成成型的物體之方法及裝置。特別地，本發明係關於將材料薄片再形成為成型的之物體。

鑄模是用來製造成型的物體很平常的技術。精確的鑄模很適合用來形成成型的玻璃物體，尤其在成品玻璃物體需要有很高的尺寸精確度和高品質的表面加工的情況。在精確的鑄模中，玻璃的預形件有大致類似成品玻璃物體的幾何形狀，在一對鑄模表面之間壓製以形成成品玻璃物體。此處理過程在輸送玻璃預形件到鑄模時，需要高準確度，並且需要精確的研磨和拋光鑄模表面，因此非常昂貴。

可以根據以柱塞將一塊熔融玻璃壓成所要形狀的壓製鑄模，以相當低的成本生產成型的玻璃物體，但一般不會有精確鑄模可達到的高容限和光學品質。當熔融玻璃必須薄薄地分布以製造具有複雜曲度的薄壁板玻璃物體時，熔融玻璃可以在達到最後所需形狀之前變冷或形成冷的表皮。壓模 一塊熔融玻璃形成的成型的玻璃物體，由於低表面品質可能顯示一個或多個剪力標記，翹曲，光學扭曲，以及整個低尺寸精確度。

在一項中，本發明是關於從材料片形成成型的物體之裝置，其包括具有鑄模表面的第一鑄模，以及在鑄模表面內形成的溝槽網狀結構。溝槽網狀結構具有網狀結構溝槽的輪廓，界定在突狀體陣列上形成的島狀物陣列。每個突狀體具有成型的輪廓的表面。此裝置進一步包括第二鑄模，用來在鑄模表面上定位。第二鑄模具有突出物網狀結構界定出多個凹腔。每個凹腔大小剛好可以重疊第一鑄模的一個突狀體。突出物網狀結構具有網狀結構突出物輪廓，和網狀結構溝槽輪廓互補。

在另一項中，本發明是關於從材料片形成成型的物體的裝置，其包括具有鑄模表面的第一鑄模，以及在鑄模表面內形成的溝槽網狀結構。溝槽網狀結構具有網狀結構溝槽的輪廓界定在突狀體上形成的島狀物。突狀體具有真正和成型的物體的表面輪廓匹配的成型的輪廓表面。此裝置進一步包括第二鑄模用來在鑄模表面上定位。第二鑄模具有突出物網狀結構界定出一個凹腔，大小剛好可以重疊突狀體。突出物網狀結構具有網狀結構突出物輪廓，和網狀結構溝槽輪廓互補。

在另一項中，本發明是關於製造成型的物體的方法，其包括在第一鑄模的鑄模表面定位材料片使得材料片的 第一部分覆蓋鑄模表面內的溝槽網狀結構，而材料片的第二部分覆蓋鑄模表面上的突狀體。溝槽網狀結構界定在突狀體上形成的島狀物，突狀體具有成型的輪廓的表面。此方法進一步包括定位具有突出物網狀結構的第二鑄模，在材料片上界定出一個凹腔使得突出物網狀結構接觸材料片的第一部分，而且凹腔重疊突狀體。此方法進一步包括在材料片上壓製突出物網狀結構。這種壓製會使材料片第一部分和第二部分之間的材料片變薄，擠壓過多的材料片到溝槽網狀結構，而鑄模材料片的第二部分成突狀體，因而形成成型的物體。

本發明其他特性及優點將由下列詳細說明及申請專利範圍可清楚了解。

100‧‧‧裝置

102‧‧‧底部鑄模

104‧‧‧基底部分

106‧‧‧鑄模表面

108‧‧‧溝槽

110‧‧‧島狀物

112‧‧‧突狀體

114‧‧‧外表面

115‧‧‧島狀物

116‧‧‧邊緣突狀體

118‧‧‧頂部鑄模

120‧‧‧基底部分

122‧‧‧突出物

124‧‧‧凹腔

126‧‧‧多個凹腔

128‧‧‧針銷

130‧‧‧空孔

132‧‧‧突出物

140‧‧‧材料片

141‧‧‧上表面

142‧‧‧成型的物體

底下所說明附圖顯示出本發明一般實施例以及並不視為限制本發明範圍，本發明允許其他相同有效之實施例。附圖並不會需要按照比例，以及附圖特定特徵以及特定觀點之比例可放大或為了清析而示意性地顯示出。

圖1為形成成型的物體裝置之斷面圖。

圖2為形成成型的物體裝置之底部鑄模的頂視圖。

圖3為形成成型的物體裝置之頂部鑄模的底視圖。

圖4為形成多個成型的物體裝置之底部鑄模的頂視圖。

圖5為形成多個成型的物體裝置之頂部鑄模的底視圖。

圖6顯示出一片材料位於形成成型的物體裝置之底 部鑄模上。

圖7顯示出頂部鑄模懸附於圖6之材料片上。

圖8顯示出圖7頂部鑄模接觸圖6之材料片。

圖9顯示出形成於形成成型物體裝置之頂部鑄模與底部鑄模間的成型物體。

現在參考本發明優先實施例詳細作說明，其範例顯示於附圖中。在優先實施例中，揭示出許多特定詳細說明以提供完全瞭解本發明。不過，業界熟知此技術者瞭解並不需要這些部份或全部之特定詳細說明而加以實施。在其他情況中，為人所熟知的特性及/或處理步驟並未詳細加以說明而模糊本發明說明。除此，整個附圖中相同的參考數字代表相同的或類似的元件。

圖1是製造成型的物體的裝置100斷面圖。大致而言，在這裡成型的物體被認為有頂部表面輪廓的頂部表面和底部表面輪廓的底部表面。"頂部表面"和"底部表面"一詞是隨意的。每個頂部表面和底部表面可以是成型物體的內部或外部表面(前或後表面)。

裝置100包括底部鑄模102，具有大致平面的基底部分104。基底部分104具有鑄模表面106，溝槽108網狀結構形成於內。溝槽108網狀結構內的溝槽從鑄模表面106延伸到基底部分104。網狀結構溝槽108在鑄模表面106上界定出一個島狀物110。突狀體112形成於島狀物110上。突狀體112有一個外表面114，成型的輪廓匹配所要形成成型的物體 的頂部表面輪廓或底部表面輪廓。溝槽108網狀結構具有溝槽輪廓，更清楚地顯示於圖2。應該要注意的是，突狀體112的成型的輪廓和溝槽108網狀結構的溝槽輪廓並不一定要限制在圖1和2所示的範例。例如，如圖1所示，突狀體112的成型的輪廓可以是凸面和平滑的，或者是較複雜的，譬如包括凹面和/或紋理的部份。大致而言，突狀體112的成型的輪廓和溝槽108網狀結構的溝槽輪廓是根據所要形成成型的物體的形狀而定。

請參考圖1和2，溝槽108網狀結構也在鑄模表面106上界定出一個島狀物115。這個島狀物115圍繞島狀物110以溝槽108網狀結構和島狀物110分開。邊緣突狀體116形成在島狀物115上。邊緣突狀體116形成一系列的突狀體圍繞著突狀體112。就像突狀體112，邊緣突狀體116也有成型的輪廓。然而，邊緣突狀體116的成型的輪廓並不一定要匹配使用裝置100形成成型的物體的頂部表面輪廓或底部表面輪廓，因為邊緣突狀體116形成的形狀一般是被丟棄的。

參考圖1，裝置100進一步包括頂部鑄模118。在非限定的範例中，頂部鑄模118包括基底部分120，和形成在基底部分120上的突出物122網狀結構。突出物122網狀結構界定出第一凹腔124，大小剛好可以重疊(適配)突狀體112。突出物122網狀結構可進一步界定出多個凹腔126，每個的大小剛好可以重疊(適配)一個邊緣突狀體116。一般而言，突出物122網狀結構所定義凹腔124,126的配置，和底部鑄模102的突狀體112,116的配置是互補的。這意味著當頂部鑄模118 和底部鑄模102對齊時(如圖1的虛線箭頭所示)，凹腔124,126分別和突狀體112,116對齊並且重疊。這在比較圖2和圖3時可以清楚看到，圖2顯示的是底部鑄模102的頂面圖，而圖3顯示的是頂部鑄模118的底面圖。或者說突出物122網狀結構的突出物輪廓(圖3)和溝槽108網狀結構的溝槽輪廓(圖2)是互補的。這意味著當頂部鑄模118和底部鑄模102對齊時(如圖1的虛線箭頭所示)，突出物122也和溝槽108對齊，並且定位溝槽108以承受突出物122。

仍是參考圖1，頂部鑄模118和底部鑄模102接觸，突出物122網狀結構放在鑄模表面106上，以形成成型的物體。當形成成型的物體時，凹腔124,126分別適配於突狀體112,116。可以在裝置100包括對齊特徵，以增進凹腔124,126和突狀體112,116的對齊。在非限定的範例中，對齊特徵包括形成在頂部鑄模118的針銷128，以及在底部鑄模102上形成的空孔130以承受針銷。或者，針銷128可以在底部鑄模102上形成，而空孔130在頂部鑄模118內形成以適配針銷。可以依需要在頂部鑄模118和底部鑄模102提供多個對齊特徵128,130。當頂部鑄模118安置在底部鑄模102的鑄模表面106時，可以調整突出物122網狀結構內部的突出物132大小，使其滑入溝槽108網狀結構。或是，突出物122網狀結構內部的突出物132可以只是位於島狀物110,115之上。

如圖4所示，底部鑄模102可以包括島狀物110陣列，突狀體112形成於上。圖4所示的每個突狀體112具有如上所述的成型的輪廓。突狀體112的成型的輪廓可以是相 同或是不同。同樣地，如圖5所示，頂部鑄模118可包括多個凹腔124，大小剛好可以重疊突狀體(圖4的112)，這裡的多個凹腔124以突出物122網狀結構來界定出。圖4所示的底部鑄模102和圖5所示的頂部鑄模118可使多個成型的物體在一個運作步驟中形成。

圖1-5中的底部鑄模102和頂部鑄模118可以是由適合的抗熱材料製成，亦即不會和形成成型的物體所使用材料作用的材料。一般而言，可以選擇鑄模材料，以使鑄模材料和成型的物體材料之間的熱膨脹係數(CTE)沒有很大的不匹配。在非限定的範例中，選擇鑄模材料以使鑄模材料和成型的物體材料之間CTE不匹配的絕對值小於約1×10^-6 /℃。在一項非限定的範例中，成型的物體是由玻璃為主的材料製成，譬如玻璃或玻璃陶瓷。就玻璃為主的材料而言，鑄模的適合材料範例包括，但不限定是不鏽鋼和石墨。包含成型的輪廓的鑄模表面可以塗上不黏的材料，譬如非限定性之氮化硼，氫氧化鈣和碳煙灰以促進成型的物體和鑄模的分離。

圖6和7顯示的是製造成型的物體的方法。在圖6中，將材料片140位於底部鑄模102上。在一項非限定的範例中，材料片140是一片玻璃為主的材料片，譬如一片玻璃片或玻璃陶瓷片。在這個點上，材料片140是一片扁扁的材料片(相對於具有所要形成成型的物體大概形狀的預形件)。材料片140位於底部鑄模102上使得材料片140的第一部分140a覆蓋溝槽108網狀結構，第二部分140b覆蓋突狀體112，第三部分140c覆蓋邊緣突狀體116。在這個位置，將材料片140 加熱到高於玻璃為主材料軟化溫度以上的溫度。一般而言，加熱材料片140也包括加熱底部鑄模102。在一項非限定的範例中，加熱材料片140到高於玻璃為主材料軟化點10℃以上的溫度。也可以在放置到底部鑄模102之前，加熱材料片140，但不一定要到玻璃為主材料軟化點以上的溫度。可以利用預先加熱的材料片140的額外加熱，達到鑄模材料片140所需的溫度以形成成型的物體。

圖7顯示的是懸浮在材料片140之上的頂部鑄模118。應該要注意的是，在加熱材料片140之前或之後，頂部鑄模118也可以懸浮在材料片140之上。在前面的例子中，頂部鑄模118也可以和材料片140一起加熱。圖8中，頂部鑄模118和材料片140接觸，凹腔124,126分別和突狀體112,116對齊。頂部鑄模118內的針銷128可以和空孔130對齊，在頂部鑄模118和底部鑄模102間達到適當對齊。當適當對齊時，凹腔124可以保護覆蓋突狀體112的材料片第二部分140b的上表面141，免於被突出物122網狀結構碰到。凹腔124要夠深，使得在材料片第二部分140b鑄模成突狀體112之前和之後，它的壁板和上表面141之間有一個空隙，如以下所描述的。換句話說，凹腔124的高度大於突狀體112高度和材料片140厚度的總和。這使會變成成型的物體表面的材料片第二部分140b的上表面141維持著原始的狀態。

圖9中，突出物122網狀結構壓製材料片140。假使頂部鑄模118不夠重，可以施加外部的負載到頂部鑄模118。突出物122網狀結構壓製到材料片140，一直到突出物 122網狀結構碰到底部鑄模102的鑄模表面106。在壓製期間，可能發生數件事。一件事是當材料片140藉著突出物122網狀結構沿著突狀體112,116周圍往下推時，材料片140鑄模成突狀體112,116。另一件事是在接觸突出物122網狀結構的區域中，材料片140會變薄。此區域是在覆蓋溝槽108網狀結構的材料片140第一部分140a和覆蓋突狀體112的材料片140第二部分140b之間。此區域也在覆蓋溝槽108網狀結構的材料片140第一部分140a和覆蓋邊緣突狀體116的材料片140第三部分140c之間。變薄的路徑通常會遵循著溝槽108網狀結構的邊緣(請參考圖2的網狀結構溝槽輪廓)。在一些範例中，材料片140局部變薄可以在沿著變薄的路徑，有效切割或剪切材料片140。為達成這種切割或剪切可藉由施加足夠的力量到突出物122網狀結構以擠壓突出物122網狀結構和鑄模表面106之間的材料片140。在一些範例中，突出物122網狀結構可滑進溝槽108網狀結構內，產生像剪刀似的動作，剪開材料片140。在壓製材料片140期間，發生的另一件事是材料片140變薄後所產生的多餘材料被擠壓到溝槽108網狀結構內。

鑄模到突狀體112的材料片140部分變成成型的物體142。在壓製後，成型的物體142可以在頂部鑄模118和底部鑄模102之間冷卻。可以讓成型的物體142冷卻到成型的物體形成的玻璃為主材料應變點以下的溫度。例如，成型的物體可以冷卻到玻璃應變點以下約50℃的溫度。然後，將頂部鑄模118和底部鑄模102分離。接著，成型的物體142從 環繞的材料片彈出。成型的物體142額外的處理包括退火成型的物體142和化學強化成型的物體142。也可以加工成型的物體142譬如藉由加熱拋光以改善表面品質。可以使用這裡描述的方法，使用圖5的頂部鑄模118和圖4的底部鑄模102，在一個運作步驟形成多個成型的物體142。更者，也可以使用以上描述的裝置100堆疊，在單一運作或步驟中製造數個成型的物體142。

在一項非限定的範例中，製造成型的物體所用的材料片140是由玻璃為主的材料製成，可藉著離子交換進行化學強化。一般而言，玻璃結構內譬如Li⁺ 和Na⁺ 的小型鹼金屬離子可以和譬如K⁺ 的大型鹼金屬離子交換，使玻璃成分可藉著離子交換進行化學強化。主要玻璃組成份可以有一些變化。例如，美國專利第11/888213號申請案說明鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃可藉著離子交換進行強化並向下抽拉成玻璃片。玻璃的熔化溫度小於約1650℃，液相黏滯係數至少約1.3×10⁵ 泊，而在一項實施例中，大於約2.5×10⁵ 泊。玻璃可以在相當低的溫度進行離子交換，深度至少30微米。玻璃組成份以莫耳百分比表示包含：64%≦SiO₂ ≦68%；12%≦Na₂ O≦16%；8%≦Al₂ O₃ ≦12%；0%≦B₂ O₃ ≦3%；2%≦K₂ O≦5%；4%≦MgO≦6%；及0%≦CaO≦5%，其中66%≦SiO₂ +B₂ O₃ +CaO≦69%；Na₂ O+K₂ O+B₂ O₃ +MgO+CaO+SrO>10%；5%≦MgO+CaO+SrO≦8%；(Na₂ O+B₂ O₃ )-Al₂ O₃ ≦2%；2%≦Na₂ O-Al₂ O₃ ≦6%；以及4%≦(Na₂ O+K₂ O)-Al₂ O₃ ≦10%。

離子交換的處理通常發生在提升的溫度範圍，但不 會超過玻璃的轉變溫度。玻璃浸入到包含鹼性金屬鹽的熔融批料，鹼性金屬的離子半徑比包含在玻璃內的鹼性金屬離子半徑大。玻璃內較小的鹼性金屬離子和較大的鹼性金屬離子交換。例如，包含鈉離子的玻璃片可以浸沒在熔融硝酸鉀(KNO₃ )池中。熔融池中較大的鉀離子會取代玻璃內較小的鈉離子。大型的鉀離子會佔據先前在原處的鈉離子，在靠近玻璃表面產生壓應力。然後在離子交換後冷卻玻璃。玻璃內離子交換的深度是由玻璃成份控制。譬如在鉀/鈉離子交換處理中離子交換發生的提升溫度範圍從約390℃到約430℃，鈉為主的玻璃浸到包含鉀鹽的熔融池中的時間範圍從約7到約12小時(高溫需要較少的時間，低溫需要較多的時間)。大致而言，離子交換的越深，就會有越高的表面壓縮，玻璃也越強化。

雖然本發明在此已對特定實施例作說明，人們瞭解這些實施例只作為說明本發明原理以及應用。因而人們瞭解列舉性實施例能夠作許多變化以及能夠設計出其他排列而並不會脫離下列申請專利範圍界定出本發明精神及原理。應該只受限於下列申請專利範圍。

100‧‧‧裝置

102‧‧‧底部鑄模

104‧‧‧基底部分

106‧‧‧鑄模表面

108‧‧‧溝槽

110‧‧‧島狀物

112‧‧‧突狀體

114‧‧‧外表面

115‧‧‧島狀物

116‧‧‧邊緣突狀體

118‧‧‧頂部鑄模

120‧‧‧基底部分

122‧‧‧突出物

124‧‧‧凹腔

126‧‧‧多個凹腔

128‧‧‧針銷

130‧‧‧空孔

132‧‧‧突出物

Claims (17)

1. 一種由一材料片形成成型的物體之裝置，其包含：一第一鑄模，具有一鑄模表面以及在該鑄模表面內形成的一溝槽網狀結構，該溝槽網狀結構具有一網狀結構溝槽輪廓並界定一島狀物陣列，其中一突狀體陣列形成於該島狀物陣列上，每個突狀體具有一表面，該表面具有一成型輪廓；以及一第二鑄模，適於在該鑄模表面上定位，該第二鑄模具有界定出多個凹腔之一突出物網狀結構，每個凹腔的大小使該凹腔重疊該第一鑄模的一個突狀體，其中每個凹腔的高度大於其所重疊之該突狀體的高度，該突出物網狀結構具有一網狀結構突出物輪廓，該網狀結構突出物輪廓與該網狀結構溝槽輪廓互補。
2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，更進一步包含互補的對準特徵，該互補的對準特徵位於該第一鑄模以及該第二鑄模上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中至少部份突狀體具有一表面，該表面具有實質上與一成型的物體之一表面輪廓相匹配的一成型輪廓。
4. 一種由一材料片形成一成型的物體之裝置，其包含： 一第一鑄模，具有一鑄模表面以及在該鑄模表面內形成的一溝槽網狀結構，該溝槽網狀結構具有一網狀結構溝槽輪廓並界定一島狀物，在該島狀物上形成一突狀體，該突狀體具有一表面，該表面具有實質上與該成型的物體之一表面輪廓相匹配的一成型輪廓；以及一第二鑄模，適於在該鑄模表面上定位，該第二鑄模具有界定出一凹腔之一突出物網狀結構，該凹腔的大小使該凹腔重疊該突狀體，其中該凹腔的高度大於該突狀體的高度，該突出物網狀結構具有一網狀結構突出物輪廓，該網狀結構突出物輪廓與該網狀結構溝槽輪廓互補。
5. 如申請專利範圍第4項所述之裝置，更進一步包含互補的對準特徵，該互補的對準特徵位於該第一鑄模以及該第二鑄模上。
6. 如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中該溝槽網狀結構界定出一額外的島狀物於該鑄模表面上，在該鑄模表面上形成至少一個額外的突狀體，該至少一個額外的突狀體藉由該溝槽網狀結構與具有一成型輪廓的一表面之該突狀體分離。
7. 如申請專利範圍第6項所述之裝置，其中該突出物網狀結構界定出至少一個額外凹腔，該額外凹腔的大小使該額外凹腔與該至少一個額外突狀體重疊。
8. 一種製造一成型的物體的方法，其包括：在一第一鑄模的一鑄模表面上定位一材料片，使得該材料片的一第一部分覆蓋該鑄模表面內的一溝槽網狀結構，且該材料片的一第二部分覆蓋該鑄模表面上的一突狀體，其中該溝槽網狀結構界定一島狀物，該突狀體形成於該島狀物上，且該突狀體具有一表面，該表面具有成型輪廓；定位具有一突出物網狀結構的一第二鑄模，該突出物網狀結構在該材料片上界定出一凹腔，使得該突出物網狀結構接觸該材料片的該第一部分且該凹腔與該突狀體重疊，其中由該突出物網狀結構界定之該凹腔的高度大於該突狀體之高度加上該材料片之厚度；以及壓製該突出物網狀結構抵靠該材料片，該壓製會使該材料片的該第一部分和該第二部分之間的該材料片變薄，擠壓由於薄化之過多材料片到該溝槽網狀結構內，以及鑄模該材料片的該第二部分成該突狀體，因而形成該成型的物體。
9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該材料片之薄化包含切割該材料片之該第一部份及該第二部份間之該材料片。
10. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該材料片為以玻璃為主之材料片。
11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，更進一步包含：在壓製該材料片之前，加熱該材料片至溫度高於以玻璃為主的材料之軟化溫度。
12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，更進一步包含：於壓製該材料片之後，冷卻該成型的物體至溫度低於以玻璃為主的材料之應變點。
13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，更進一步包含：由該等鑄模之間移除該成型的物體。
14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，更進一步包含：對該成型的物體退火。
15. 如申請專利範圍第14項所述之方法，更進一步包含：化學地強化該成型的物體。
16. 如申請專利範圍第8項所述之方法，更進一步包含：提供該第一鑄模，其中該第一鑄模由熱膨脹係數在該材料片之熱膨脹係數約±1×10^-6 /℃之範圍內的材料所製造，以及提供該第二鑄模，其中該第二鑄模由熱膨脹係數在該材料片之熱膨脹係數約±1×10^-6 /℃之範圍內的材料所製造。
17. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中在壓製該材料片過程中該突出物深入至溝槽內。