TWI545093B - 製造3d玻璃物體之方法及裝置 - Google Patents

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Description

製造3D玻璃物體之方法及裝置
本發明係關於製造三維(3D)形狀之方法及裝置。特別是,本發明係關於形成3D玻璃物品之方法以及裝置。
移動式顯示器裝置3D玻璃蓋板的使用需求目前正提升中。玻璃蓋板在維度上,以及相對其外圍周邊的3D曲度位置需要相當高的精準度。一般的維度容限範圍是±30μm至±50μm。在安裝玻璃蓋板到顯示器裝置規定的斜面時,需要一致性的維度,不能在斜面和玻璃蓋板之間留下看得到的間隙。玻璃蓋板輪廓相對於顯示器和觸控螢幕的居中對準是需要美學和功能性的。
3D玻璃蓋板的製造可藉由熱重組2D玻璃片成3D的形狀。為了達到上述的所需容限,有些3D形狀可能需要在重組處理過程之後加工3D玻璃片的邊緣。然而,邊緣加工需要在數值計算控制(CNC)的機具上精準對準3D玻璃片。可利用以雷射為主的掃瞄視覺系統來定位3D玻璃形狀的中心,然後利用此定位的中心作為參考點,在CNC的機具上對準3D玻璃片。然而,使用雷射的掃描視覺系統是相當昂貴的,而且掃瞄可能也相當費時。而且由於來自CNC的機具上,用來固定玻璃的真空夾具的反射,也可能干擾到掃瞄,玻璃的掃瞄也需要特定的發光條件。若要進行大體積的製造,最好要有堅固、低成本的設置,讓3D玻璃片可以在CNC的機具上,以可重複的方式精準並快速地定位。
另一種方式是熱重組玻璃片成3D玻璃的形狀,然後經由研磨和拋光處理邊緣加工3D玻璃片,完全以機器製成3D玻璃蓋板。這另一種觀念在譬如媒體播放器的手提移動式裝置已實現工業化製造。由於需要執行顯示器品質的拋光到研磨玻璃表面,以及執行此種拋光到所需品質的工具限制,這種方式的設計限制在可以小量材料移除製成的形狀,和簡單圓柱和球形凸面的形狀。然而,移動式裝置的工業設計團隊需要的是複雜的非圓柱形、非球形的表面,無法經由純粹的研磨和拋光處理達成。這使得熱重組處理成為形成複雜玻璃蓋板更可實行的處理過程,而且在使用熱重組處理時,必須解決不適當的精確度或要達到所需邊緣幾何形狀的困難。
在本發明一個項目中,製造3D玻璃物品的方法包括在2D玻璃片的一個邊緣上形成至少一個記號(步驟a),熱重組2D玻璃片成3D玻璃物件,在2D玻璃片的邊緣上形成的至少一個記號被帶到3D玻璃物品的一個邊緣(步驟b),利用在3D玻璃物品的邊緣上的至少一個記號,對準支撐架上的3D玻璃物品(步驟c),以及加工3D玻璃物品的邊緣成為完成的形狀和維度(步驟d )。
在一項實施例中,在步驟(a)中,至少一個記號是凹痕。在一個實施例中,步驟(d)包括接觸支撐架上和凹痕對準的針銷。在一個實施例中,凹痕的曲度半徑大於對準針銷的曲度半徑。
在一項實施例中,此方法進一步包括在步驟(c)之前退火3D玻璃物品。
在一項實施例中,此方法進一步包括在步驟(d)之後讓3D玻璃物品進行離子交換。
在一項實施例中,在步驟(b)形成的3D玻璃物品有兩個相對的彎曲表面。在一個實施例中,此方法進一步包括在步驟(d)之前平面化一個彎曲表面,以形成平面-彎曲的3D玻璃物品。
在一項實施例中,步驟(d)包括在3D玻璃物品形成一種或以上的特徵。
在一項實施例中,步驟(d)包括3D玻璃物品至少一個研磨、搭接和拋光的邊緣。
在一項實施例中,此方法進一步包括在步驟(a)之前,從較大的2D玻璃片切割成小的2D玻璃片。
在一項實施例中,步驟(b)包括利用在2D玻璃片邊緣形成的至少一個記號,對準鑄模上的2D玻璃片。在一個實施例中,對準鑄模上的2D玻璃片包括接觸鑄模上和2D玻璃片邊緣形成的至少一個記號對準的針銷。在一個實施例中,在2D玻璃片邊緣形成的至少一個記號是凹痕。在一個實施例中,凹痕的曲度半徑大於鑄模上對準針銷的曲度半徑。
人們瞭解先前一般說明及下列詳細說明只作為範例性及說明性,以及預期提供概要或架構以瞭解申請專利範圍界定出本發明原理及特性。所包含附圖將更進一步提供瞭解本發明以及在此加入以及構成說明書之一部份。附圖顯示出本發明不同的實施例及隨同詳細說明以解釋本發明之原理及操作。
本發明其他特性及優點揭示於下列說明,以及部份可由說明清楚瞭解,或藉由實施在此所說明之本發明下列詳細說明而明瞭。
在一項特性方面,本發明提供以低成本和精確的維度,製造具有複雜表面3D玻璃物品的方法。此方法用在形成非圓柱形和非球形的凸或凹表面的3D玻璃蓋板時特別有用。藉由此方法形成的3D玻璃蓋板可以安裝到顯示器裝置規定的區域,不會在顯示器裝置和玻璃蓋板之間留下看得到的間隙。可以精確製造3D玻璃蓋板,而不需要以黏著劑填入顯示器裝置和玻璃蓋板之間的間隙。此方法有兩個主要的部分。第一部分是熱重組玻璃片成為所要的3D形狀。第二部分是使用CNC機具加工3D形狀成最後所需的維度。在此方法第一部分期間,形成在玻璃片上的記號可促使CNC機具中3D形狀的對準,因而避免需要昂貴的使用雷射的掃瞄視覺系統。
依據本發明一個實施例處理過程製造的3D玻璃物品包括前表面和後表面("前"和"後"一詞是隨意使用的)。前表面和後表面兩者都是彎曲的。前表面和後表面可以選自圓柱形、非圓柱形、球形,和非球形的表面。2D玻璃片要從較大的二維(2D)玻璃片切割,以形成3D玻璃片。2D玻璃片可以任何適當的處理製造,譬如熔融抽拉或浮製處理。熔融抽拉玻璃片的特徵是原始的表面,一般是較受歡迎的。2D玻璃片可以任何適當的處理切割,譬如雷射劃線。在2D玻璃片上形成記號。例如,記號可以是在2D玻璃片邊緣,使用CNC機具形成的凹痕。2D玻璃片的尺寸會較大,使得在稍後修整邊緣時移除凹痕,也就是說凹痕不會顯示在最後的3D玻璃物品上。將有凹痕(或記號)的2D玻璃片放置在鑄模上。使用對準針銷來對準鑄模上的2D玻璃片。如歸檔於2009年11月30日的美國暫定的專利應用第61/264915號所描述的,可以利用傾斜鑄模的角對準線來對準鑄模上的2D玻璃片,而不會過度強制著2D玻璃片,此說明內容在這裡也併入參考。相同的對準特徵將從鑄模轉移到CNC機具夾具,如同以下進一步的說明。圖1顯示的是鑄模4上面2D玻璃片2的頂視圖,鑄模4上的對準針銷6接觸在2D玻璃片邊緣的凹痕8(在圖2中)。圖2是圖1中圓形區域2-2的特寫,顯示出對準針銷6接觸凹痕8。凹痕8是彎曲的,曲度半徑稍大於對準針銷6的半徑,以使凹痕8和對準針銷6之間點接觸。
在對準鑄模上的2D玻璃片之後,將2D玻璃片熱重組成3D玻璃物品。熱重組包括加熱2D玻璃片和鑄模。最好是以輻射優先快速加熱。可使用中紅外線加熱器來加熱,如說明於Ukrainczyk等人之美國第12/493674號專利,申請日期為2009年6月29日,其揭示內容在此加入作為參考之用(其於2010年1月7日公告為US2010/0000259 A1專利)。以優先加熱而言,如美國臨時專利申請第61/264915號所揭示的,可安排加熱器,使其沿著2D玻璃片的法線方向,將熱引導到2D玻璃片。在一個實施例中,熱重組進一步包括下垂加熱的2D玻璃片到鑄模的輪廓表面上,使得2D玻璃片呈現鑄模輪廓表面的外形圖,因而形成3D玻璃物品。當2D玻璃片下垂到鑄模的輪廓表面上時,2D玻璃片最好是在形成溫度。形成溫度最好是在玻璃軟化溫度和退火溫度之間,或者可以是在玻璃黏性從107 P到1011 P範圍的溫度。在2D玻璃片下垂期間, 對準針銷維持2D玻璃片到鑄模孔穴的邊緣對準。可藉著真空輔助下垂2D玻璃片,施加真空到鑄模孔穴,針對鑄模的輪廓表面抽拉2D玻璃片。熱重組不限制在下垂2D玻璃片到鑄模的輪廓表面。在另一實施例中,可藉著以塑形的活塞,將2D玻璃片衝壓到鑄模來進行熱重組。可結合使用下垂和衝壓,以塑形2D玻璃片成為3D玻璃物品。
將3D玻璃物品擱置在鑄模中,一方面使其冷卻。可藉著讓鑄模暴露到室溫空氣中,或藉著循環鑄模和3D玻璃物品附近的冷卻空氣或氣體加以冷卻。3D玻璃物品可以冷卻到退火點或應變點以下的溫度。冷卻後,將3D玻璃物品從鑄模移開。接著退火3D玻璃物品。退火後,將3D玻璃物品放置在支撐架上,譬如CNC機具的真空夾具。以真空夾具或支撐架固定住3D玻璃物品,一方面在機具上加工。如同在鑄模上對準2D玻璃片的情況,可以對準針銷和凹痕的方式,在夾具(或支撐架)上精準對準3D玻璃物品。例如,圖3所示的3D玻璃物品10是安裝在真空夾具12上,真空夾具12上的對準針銷6接觸3D玻璃物品10邊緣的凹痕8。可使用一個或以上的對準針銷來對準夾具上的3D玻璃物品。一旦3D玻璃物件在夾具上對準,並且藉由真空固定到夾具,就可以從凹痕和夾具移除對準針銷。利用CNC機具將3D玻璃物品邊緣加工成最後的形狀和維度。當3D玻璃物品固定在夾具上時,也可以依需要在3D玻璃物品上加工其他特徵,譬如孔或槽。在邊緣修整期間,要移除3D玻璃物品邊緣的凹痕(或記號)。然而,如上所述,由於在使用凹痕(或記號)和對準針銷在夾具上精準定位3D玻璃物品後,就不再需要凹痕(或記號)了,因此不會出現任何問題。
接著邊緣修整後,可以從夾具移除3D玻璃物品,進行離子交換處理。離子交換處理的目的是強化3D玻璃物品。為達此目的,3D玻璃物品應由可離子交換的玻璃製成。可離子交換的玻璃是含鹼的玻璃,在離子交換期間,以譬如Li+和/或Na+較小的離子交換K+這種較大的離子。這些玻璃可在相當低的溫度下離子交換,深度可達至少30μm 。藉由離子交換強化玻璃的處理說明於美國專利第5,6747,90號 (Araujo, Roger J.)。離子交換處理一般是發生在提升的溫度範圍,不會超過玻璃的轉移溫度。處理過程的執行是將玻璃浸漬在含鹼性鹽(通常是硝酸鹽)的融態浴池中,其離子大於玻璃內原本的鹼金屬離子。原本的鹼金屬離子被交換成大型鹼金屬離子。例如,可以將含Na+的玻璃浸漬在硝酸鉀(KNO3)融態浴池中。融態浴池中呈現的較大K+離子會取代玻璃內較小的Na+離子。大型鹼金屬離子出現在原先是小型鹼金屬離子佔據的部位,造成靠近玻璃表面處的壓縮應力,以及玻璃內部的拉力。在離子交換處理之後,將玻璃從融態浴池移除,並加以冷卻。離子交換深度,亦即大型鹼金屬離子侵入到玻璃的穿透深度,一般大約是40μm到300μm,可藉著玻璃成份和浸沒時間來控制。適當執行離子交換處理過程,即可形成抗刮痕的玻璃表面。
依據本發明另一實施例處理過程製造的3D玻璃物件包括彎曲的前表面和平面的後表面("前"和"後"一詞是隨意使用的)。前表面可以選自圓柱形、非圓柱形、球形,和非球形的表面。具有彎曲前表面和平面後表面的3D玻璃物件製造處理過程包括了上述製造具有彎曲前表面和和彎曲後表面3D玻璃物品的所有步驟,以及平面化彎曲表面的另一個步驟。以上描述了熱形成2D玻璃片成為3D玻璃物件的步驟。在熱形成之後,3D玻璃物品有兩個相對的彎曲表面。為了形成具有彎曲前表面和和平面後表面的3D玻璃物件,就必須平面化兩個相對彎曲表面其中之一。平面化可以在退火之後發生。平面化步驟包括在支撐架上,藉由對準針銷的輔助再凹痕位置,置放具有兩個相對彎曲表面的3D玻璃物品,如同以上在鑄模上對準2D玻璃片所描述的。然後以研磨、搭接和拋光的組合平面化3D玻璃物品的一個彎曲表面。研磨是固定的磨蝕處理,而搭接和拋光是鬆散的磨蝕處理。可使用研磨快速移除材料,接著以搭接撫平研磨的表面,然後在平滑的搭接表面拋光。3D玻璃物品可以放置在真空夾具中以進行研磨處理。為了說明的目的,圖4顯示在輪廓化的真空夾具16中的3D玻璃物品14,以接收3D玻璃物件。3D玻璃物品14藉著真空夾具上的對準針銷15,在真空夾具16中對準。對準針銷15接合在3D玻璃物品14邊緣的凹痕17(如上所述,凹痕是從2D玻璃片塑形成3D玻璃物件時帶過來)。一旦3D玻璃物品14,以真空固定位置時,就可以將對準針銷15從凹痕17和對準針銷15移除。然後,可經由研磨、搭接和拋光的組合,平面化3D玻璃物品14的彎曲表面18到虛線20。在搭接和拋光期間,可能需要不同的承載體,而不是真空夾具16。圖5顯示平面化後的3D玻璃物品14。現在3D玻璃物品14有平面-凸面的形狀。具有平面-凹面形狀的3D玻璃物品也是類似的製造方法。在平面化步驟後,其餘的處理過程如上所述的繼續著,以製造具有彎曲前表面和彎曲後表面的3D玻璃物品。
雖然本發明針對有限實施例加以說明,熟知此技術者能夠受益於所揭示內容,以及瞭解能夠設計出其他實施例,其並不會脫離在此所揭示之內容。因而本發明範圍只受限於下列申請專利範圍。
2．．．2D玻璃片
4．．．鑄模
6．．．對準針銷
8．．．凹痕
10．．．3D玻璃物品
12．．．真空夾具
14．．．3D玻璃物品
15．．．對準針銷
16．．．真空夾具
17．．．凹痕
18．．．彎曲表面
20．．．虛線
底下所說明附圖顯示出本發明一般實施例以及並不考慮受限於本發明範圍,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為位於鑄模上2D玻璃物品之頂視圖。
圖2為圖1圓圈2-2之放大圖以及顯示出對準針銷接觸形成於2D玻璃物品邊緣處凹痕。
圖3顯示出3D玻璃物品對準於邊緣修整之夾具中。
圖4顯示出3D玻璃物品對準於平面化之夾具中。
圖5顯示出平-凸3D玻璃物品。
2．．．2D玻璃片
4．．．鑄模
6．．．對準針銷
2-2．．．圓圈

Claims (12)

  1. 一種製造一三維(3D)玻璃物品的方法，該方法包括：(a)在一二維(2D)玻璃片的一個邊緣上藉由機械加工形成至少一個凹痕；(a1)提供其上具有至少一對準針銷之一鑄模於一選定位置以接觸該2D玻璃片之邊緣上的該至少一凹痕，從而將該2D玻璃片對準在該鑄模上；(a2)藉由使該鑄模上之該至少一對準針銷與該2D玻璃片之邊緣上的該至少一凹痕接觸，將該2D玻璃片對準在該鑄模上；(b)在步驟(a2)之對準之後，熱重組在其之邊緣上具有該至少一凹痕的該2D玻璃片成一3D玻璃物品，其中在該2D玻璃片的邊緣上形成的該至少一個凹痕被帶到該3D玻璃物品的一個邊緣；(c)藉由被帶到該3D玻璃物品的邊緣的該至少一個凹痕與一支撐架上之一對準針銷接觸，將該3D玻璃物品對準在該支撐架上；(d)加工該3D玻璃物品的邊緣成為完成的形狀和維度；以及(e)在步驟(c)之對準與步驟(d)之加工之間，將該3D玻璃物品固定於該支撐架，然後從被帶到該3D玻璃物品之邊緣的該至少一凹痕移除該對準針銷。
  2. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中被帶到該3D玻璃物品之邊緣的該至少一凹痕具有一曲度半徑，該至少一凹痕之曲度半徑大於該支撐架上之該對準針銷的一半徑。
  3. 依據申請專利範圍第1項之方法，進一步包括在步驟(c)之前將該3D玻璃物品退火。
  4. 依據申請專利範圍第1項之方法，進一步包括在步驟(d)之後讓該 3D玻璃物品進行一離子交換處理。
  5. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中在步驟(b)中形成的該3D玻璃物品具有兩個相對的彎曲表面。
  6. 依據申請專利範圍第5項之方法，進一步包括在步驟(d)之前平面化該等彎曲表面之一個彎曲表面以形成一平面-彎曲的3D玻璃物品。
  7. 依據申請專利範圍第1項之方法，進一步包括當該3D玻璃物品在該支撐架上時，在該3D玻璃物品中形成一種或一種以上的特徵，該特徵選自由孔與槽所構成之群組。
  8. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中步驟(d)包括對該3D玻璃物品的邊緣進行研磨、搭接和拋光的至少一者。
  9. 依據申請專利範圍第1項之方法，進一步包括在步驟(a)之前，從一較大的玻璃片切割出該2D玻璃片。
  10. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中該至少一個凹痕具有一曲度半徑，該至少一凹痕之曲度半徑大於該鑄模上之該至少一對準針銷的一半徑。
  11. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中藉由真空將該3D玻璃物品固定於該支撐架。
  12. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中步驟(d)之加工包括從該3D玻璃物品移除被帶到該3D玻璃物品之邊緣的該至少一個凹痕。
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