TWI639565B - 用於形成定型玻璃製品的製程及設備 - Google Patents

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Abstract

本文揭示一種使用三件式模具用於製造具有平坦區域及曲面/彎曲區域之三維定型玻璃製品之製程。該製程包括將玻璃片置於具有成形表面之模具上，該成形表面具有用於包括平坦區域及彎曲區域之定型玻璃製品之所需表面輪廓；朝向玻璃片移動平坦區域柱塞以壓縮玻璃片；將與模具之彎曲區域上方之區域對應之玻璃片之部分加熱至高於形成溫度之溫度；及朝向經加熱之玻璃片移動彎曲區域柱塞以壓縮經加熱之玻璃片。在將經加熱之玻璃片用彎曲區域柱塞壓縮時，模具之彎曲區域上方之區域中之玻璃片的溫度高於模具之平坦區域上方之區域中之玻璃片的溫度。

Description

用於形成定型玻璃製品的製程及設備 【相關申請案之交叉引用】
本申請案根據專利法規定主張2013年5月7日申請之美國臨時申請案第61/820,363號及2014年3月12日申請之美國臨時申請案第61/951,585號之優先權權益，本文依賴該案之內容且該案內容全文以引用之方式併入本文中。
本揭示案係關於形成定型玻璃製品，例如行動或手持電子裝置之蓋。
手持裝置之蓋需兼具美觀性與功能性。亦存在具有三維定型蓋之增長的趨勢，其中蓋之一部分係平坦的而另一部分係經定型的，例如，具有彎曲或曲面。玻璃係可用於製造此種蓋之材料中的一種；然而，需要製程及設備來形成具有平坦區域及彎曲區域之定型玻璃製品。本揭示案係關於用於形成定型玻璃製品之製程及設備，該等定型玻璃製品具有使該等製品可用作玻璃蓋之屬性。
第一態樣包括製造三維定型玻璃製品，包括將玻璃片置於形成工具中，其中形成工具包括具有成形表面之模具，該成形表面具有用於包括平坦區域及彎曲區域之定型玻璃製品之所需表面輪廓；具有與模具之平坦區域對應之成形表面的平坦區域柱塞；以及具有與模具之彎曲區域對應之成形表面的彎曲區域柱塞。製程亦包括朝向玻璃片移動平坦區域柱塞以壓縮玻璃片，將與模具之彎曲區域上方之區域對應之玻璃片之部分加熱至高於形成溫度之溫度，及朝向經加熱之玻璃片移動彎曲區域柱塞以壓縮經加熱之玻璃片，繼而形成具有平坦區域及彎曲區域之定型玻璃製品。在將經加熱之玻璃片用彎曲區域柱塞壓縮時，模具之彎曲區域上方之區域中的玻璃片之部分的溫度高於模具之平坦區域上方之區域中的玻璃片之部分的溫度。
在一些實施例中，模具、平坦區域柱塞及彎曲區域柱塞係多孔的。在一些實施例中，氣流穿過多孔模具、平坦區域柱塞及彎曲區域柱塞以在玻璃片上方及下方形成壓縮氣體層。在一些實施例中，彎曲區域柱塞提供熱量用於對與模具之彎曲區域上方之區域對應之玻璃片之部分進行加熱。在一些實施例中，輻射加熱器提供熱量用於對與模具之彎曲區域上方之區域對應之玻璃片之部分進行加熱。
在一些實施例中，模具之彎曲區域包括第一彎曲區域及第二彎曲區域。在一些實施例中，彎曲區域柱塞係安置在模具之第一彎曲區域上方之第一彎曲區域柱塞，且其中形成工具亦包括安置於模具之第二彎曲區域上方之第二彎曲區 域柱塞。在一些實施例中，模具之平坦區域包括第一平坦區域及第二平坦區域。在一些實施例中，平坦區域柱塞係安置在模具之第一平坦區域上方之第一平坦區域柱塞，且其中形成工具亦包括安置於模具之第二平坦區域上方之第二平坦區域柱塞。
在一些實施例中，在平坦區域柱塞與模具之間經壓縮的玻璃片之部分係經保持在範圍為1012 P至1013.7 P之黏度下。在一些實施例中，在平坦區域柱塞與模具之間的玻璃片之部分係在10kPa至1MPa之範圍內經壓縮。在一些實施例中，在彎曲區域柱塞與模具之間經壓縮的玻璃片之部分係經保持在範圍為109.6 P至1011 P之黏度下。在一些實施例中，在彎曲區域柱塞與模具之間的玻璃片之部分係在10kPa至1MPa之範圍內經壓縮。
第二態樣包括用於製造三維定型玻璃製品之設備，該設備包括具有成形表面之模具，該成形表面具有用於包括平坦區域及彎曲區域之定型玻璃製品之所需表面輪廓；平坦區域柱塞，該平坦區域柱塞經定位於模具之平坦區域上方且具有與模具之平坦區域對應之成形表面；彎曲區域柱塞，該彎曲區域柱塞經定位於模具之彎曲區域上方且具有與模具之彎曲區域對應之成形表面；及加熱器，該加熱器經定位以對置於模具之彎曲區域上方之玻璃片之區域進行加熱，其中平坦區域柱塞及彎曲區域柱塞相對彼此移動。
在一些實施例中，模具、平坦區域柱塞及彎曲區域柱塞係多孔的。在一些實施例中，氣體源經連接至多孔模具、 平坦區域柱塞及彎曲區域柱塞，以便氣體可流經多孔模具、平坦區域柱塞及彎曲區域柱塞，以在玻璃片上方及下方形成壓縮氣體層。在一些實施例中，加熱器經併入彎曲區域柱塞中。在一些實施例中，加熱器係經定位於與彎曲區域柱塞相鄰之輻射加熱器。
在一些實施例中，模具之彎曲區域包括第一彎曲區域及第二彎曲區域。在一些實施例中，彎曲區域柱塞係安置在模具之第一彎曲區域上方之第一彎曲區域柱塞，且其中設備亦包括安置於模具之第二彎曲區域上方之第二彎曲區域柱塞。在一些實施例中，模具之平坦區域包括第一平坦區域及第二平坦區域。在一些實施例中，平坦區域柱塞係安置在模具之第一平坦區域上方之第一平坦區域柱塞，且設備亦包括安置於模具之第二平坦區域上方之第二平坦區域柱塞。
第三態樣包括藉由上述製程形成之3D玻璃結構。
應理解，前文一般描述和下文詳細描述兩者皆係示例性的且意在提供用於理解本揭示案之概述或框架。包括附隨圖式以提供進一步理解，且附隨圖式併入本說明書中並構成本說明書之一部分。
R1‧‧‧彎曲半徑
R2‧‧‧彎曲半徑
R3‧‧‧彎曲半徑
100a‧‧‧定型玻璃蓋
100b‧‧‧定型玻璃蓋
102a‧‧‧平坦區域
102b‧‧‧平坦區域
104a‧‧‧彎曲/曲面側面
104b‧‧‧彎曲/曲面側面
200‧‧‧定型玻璃製品
202‧‧‧前玻璃蓋部分或後玻璃蓋部分
204‧‧‧側玻璃蓋部分
700‧‧‧玻璃片
710‧‧‧模具
710'‧‧‧模具
712‧‧‧成形表面
712'‧‧‧成形表面
714‧‧‧平坦區域
716‧‧‧彎曲區域
720‧‧‧平坦區域柱塞
720'‧‧‧平坦區域柱塞
722‧‧‧成形表面
722'‧‧‧成形表面
730‧‧‧輻射加熱器
740‧‧‧彎曲區域柱塞
740'‧‧‧彎曲區域柱塞
742‧‧‧成形表面
742'‧‧‧成形表面
813‧‧‧伺服驅動致動器
815‧‧‧冷卻腔
818‧‧‧對準銷
823‧‧‧伺服驅動致動器
825‧‧‧冷卻腔
844‧‧‧加熱器
1100‧‧‧玻璃片
1110‧‧‧多孔底部模具
1112‧‧‧成形表面
1120‧‧‧多孔頂部模具
1122‧‧‧成形表面
下文係對附隨圖式中之圖式的描述。圖式不一定按比例繪製，且圖式之某些特徵及某些視圖可按比例放大圖示或為了清晰及簡潔起見示意性圖示。
第1A圖及第1B圖分別圖示盤型玻璃蓋及橇板型玻璃蓋之實例。
第2A圖及第2B圖圖示具有樣條半徑之定型玻璃製品之示例性橫截面圖，該定型玻璃製品通常用於消費型電子應用，其中玻璃彎曲半徑朝向邊緣減小。
第3A圖至第3C圖圖示柵格上之三個示例性3D定型玻璃片，該等玻璃片分別藉由雙模具壓制、真空下垂及加工形成。柵格反射展示玻璃表面如何畸變光透射，該畸變係歸因於經由雙模具壓制、單模具真空下垂及加工而製造3D部件之固有製程之問題。
第4A圖至第4D圖圖示在習知雙模具壓制製程中，由玻璃片之屈曲(第4A圖及第4B圖)及將平坦區域拉伸至邊角(第4C圖及第4D圖)導致之光學畸變。
第5圖圖示在習知雙模具壓制製程中，邊角區域中之玻璃片與所需形狀的偏差。
第6A圖至第6D圖圖示在使用純真空或真空及壓力形成之單模具製程中，由玻璃片之屈曲導致之畸變機制。
第7圖圖示使用三件式模具之彎曲壓制製程之示例性示意圖。
第8圖係三件式模具之示例性橫截面圖。
第9圖繪圖式地描述玻璃與底部模具之間的間隙以(1)避免玻璃之彎曲區域上形成過度壓制痕跡，(2)防止對彎曲之凹陷側造成裝飾性損傷，在該凹陷側處，缺陷更難以拋光，及(3)對在相對於模具進行壓制之後玻璃的初始快速收縮進行補償。
第10A圖至第10E圖係使用多孔三件式模具之彎曲 壓制製程之示例性示意圖。
第11圖係圖示習知等溫壓制與三件式模具彎曲壓制之間的熱循環對比之圖表。
第12A圖至第12D圖係使用多孔雙件式模具之彎曲壓制製程之示例性示意圖。
第13圖係圖示使用雙件式模具彎曲壓制製程時，跨玻璃之寬度之壓力剖面的圖表。
第14圖係圖示使用三件式模具彎曲壓制製程時，跨玻璃之寬度之壓力剖面的圖表。
在以下詳細描述中，可闡述眾多具體細節以便提供對本文所描述之實施例的透徹理解。然而，對熟習此項技術者而言將明顯的是何時可在無需一些或所有該等特定細節的情況下實踐實施例。另外，相似或相同元件符號可用於識別共用或類似元件。
所揭示為材料、複合物、組合物及成分，該等材料、複合物、組合物及成分可用於、可連同使用、可用於製備或為所揭示之方法及組合物的實施例。本文中揭示該等材料及其他材料，且應理解，當揭示該等材料之組合、子集、相互作用、群組等時，儘管該等複合物之每一各種個別及共同組合及排列之具體參考可能未明確揭示，但本文中具體考慮且描述每一情況。
如本文中所使用，術語「約」意謂數量、大小、配方、參數及其他量及特徵並非精確的且不必為精確的，但可 按需要為近似的及/或更大或更小反射容限、轉換因數、舍入、量測誤差及類似者，及熟習此項技術者所熟知之其他因數。一般而言，數量、大小、配方、參數或其他量或特徵為「約」或「近似」，無論是否清楚地指定為此。
如本文中所使用，術語「或」為包含性的；更具體而言，片語「A或B」意謂「A、B或A與B兩者」。例如，排外式「或」在本文中由諸如「A或B」及「A或B中之一者」之術語指定。
不定冠詞「一」用於描述實施例之元件及組件。該等冠詞之使用意謂呈現該等元件或組件中之一者或至少一者。雖然該等冠詞習知地用於表示所修飾名詞為單數名詞，但除非以特定實例另外指定如本文中所使用之冠詞「一」亦包括複數。類似地，亦除非以特定實例另外指定，如本文中所使用之定冠詞「該」亦表示修飾名詞可為單數或複數。
應注意，當術語如「較佳」、「共同」及「典型」在本文中使用時並不用以限制範疇或暗示某些特徵對本揭示案的結構或功能很關鍵、必需或甚至很重要。相反，該等術語僅旨在識別實施例的特定態樣或強調替代特徵或額外特徵，該等特徵可用於或不可用於本揭示案之特定實施例中。
應注意，申請專利範圍中之一或多項可將術語「其中」用作過渡片語。出於本揭示案之目的，應注意，該術語作為開放式過渡片語引入申請專利範圍中，該開放式過渡片語用以引入結構之一系列特徵的詳述，且應以類似方式解釋為更常用之開放式前文術語「包含」。
由於GORILLA®玻璃出色的機械特性，GORILLA®玻璃用作消費型電子產品中之玻璃蓋。由於裝置在日常使用中跌落或經受其他機械性衝擊時之抗拉伸性和抗損傷性，GORILLA®玻璃之高強度和抗損傷性有利於消費型電子產品，尤其係手持及觸摸屏應用。在大多數應用中，玻璃蓋係二維的(亦即，平坦的)。然而，受工業設計所驅使，對電話前後蓋之三維定型玻璃存在巨大的客戶需求。舉例而言，需求最大的係與玻璃形狀整合之觸摸屏及顯示器，該等玻璃形狀具有大的平坦區域及環繞裝置邊緣之曲面部分。第1A圖圖示示例性定型玻璃蓋100a，該定型玻璃蓋具有盤形狀，使得頂部表面在中間具有平坦(或接近於平坦)區域102a，而周圍由四個彎曲/曲面側面104a環繞。第1B圖圖示另一示例性定型玻璃蓋100b，該定型玻璃蓋具有橇板形狀，使得頂部表面在中間具有平坦(或接近於平坦)區域102b，而周圍由四個側面環繞，其中該等側面104b中之彼此相對的兩個側面係彎曲/曲面的。
第2A圖係根據本文所述之製程而製造的定型玻璃製品200之示例性橫截面圖，該定型玻璃製品具有實質上可為平坦之前玻璃蓋部分或後玻璃蓋部分202，以及側玻璃蓋部分204。定型玻璃蓋100a、100b之平坦區域102a、102b可用作前玻璃蓋部分或後玻璃蓋部分202，且定型玻璃蓋100a、100b之曲面/彎曲側面104a、104b可用作側玻璃蓋部分204。需要側玻璃蓋部分204之較小的彎曲半徑(0.5-5mm)在仍達成環繞形狀之同時將玻璃蓋之顯示區域最大化。亦可需要 朝邊緣減小之彎曲半徑達成玻璃與刃角之間的無縫過渡。舉例而言，如第2B圖所示，彎曲半徑R1、R2及R3沿自平坦之前玻璃蓋部分或後玻璃蓋部分202至曲面/彎曲之側玻璃蓋部分204之過渡減小，其中R1最靠近前玻璃蓋部分或後玻璃蓋部分202，R3最靠近曲面/彎曲之側玻璃蓋部分204之邊緣206，且R2介於R1與R3之間。在一些實施例中，R3可在約0.5mm至約5mm之範圍內。
無論係藉由熱成形還是玻璃加工，上文相對第1A圖至第2B圖所描述之形狀在玻璃中較難形成。熱成形可包括將平坦之二維玻璃片加熱，及(1)在兩個互補定型模具之間壓制玻璃(「雙模具壓制」)或(2)拉動真空以使得玻璃與模具之形狀一致(「真空下垂」)。雙模具壓制或真空下垂之常見缺陷係玻璃中之光學畸變，如第3A圖所示，針對雙模具壓制，該光學畸變可在柵格之反射中觀察到，且如第3B圖所示，針對真空下垂，該光學畸變可在柵格之反射中觀察到。又，如第3C圖所示，玻璃加工可導致光學畸變。在對此玻璃形狀之凹陷側面進行拋光時，不可能完全清除邊角及密封彎曲附近之所有加工痕跡，且甚至達成彎曲部分之拋光而不造成光學畸變亦是富有挑戰性的。
雙模具壓制之光學畸變可因舉例而言如第4A圖至第4D圖所示之形成製程中之屈曲而導致。第4A圖圖示加熱及壓制應用之前，定位在雙模具壓機中之玻璃片。第4B圖圖示在加熱及壓制過程中，發生在玻璃之部分的屈曲，該部分意欲為平坦的。第4C圖以平面圖圖示對平坦區域之屈曲效應 進行量測之模擬，並量測玻璃片與所需形狀之偏差(以毫米為單位)。第4D圖圖示在沿第4C圖之線A-A之橫截面圖中，自所需形狀(以毫米為單位)對屈曲效應之量測。又，在雙模具壓制過程中，由於玻璃經拉伸以形成邊角之形狀，薄化可發生於該等邊角中。此情況舉例而言在第5圖中圖示，第5圖圖示對邊角區域中定型玻璃製品與所需形狀之偏差(以毫米為單位)進行量測的模擬。
真空下垂之光學畸變亦可因舉例而言如第6A圖至第6C圖所示之形成製程中之屈曲而導致，第6A圖至第6C圖圖示製程過程中不同點處玻璃之形狀。如第6C圖可見，在曲面/彎曲區域發生屈曲。此屈曲亦在第6D圖中圖示，第6D圖量測定型玻璃製品在不同點處與所需形狀之偏差，該等不同點係沿定型玻璃製品之寬度在沿定型玻璃製品之長度的四個位置所提取。Y軸量測偏差(以毫米為單位)，且X軸量測沿定型玻璃製品之寬度與中心(X軸之零點)的距離。箭頭指向與最大偏差對應之定型玻璃製品之區域。
本文所描述之製程及設備解決在形成三維定型玻璃製品時平坦區域之裝飾性問題及畸變問題，且使得精確形成密封彎曲半徑及複雜樣條。舉例而言，使用具有三件式模具之形成工具來形成玻璃可克服或最小化上文所述之問題。三件式模具可包括具有成形表面之底部模具，該成形表面與包括平坦區域及彎曲區域之定型玻璃製品之所需表面輪廓對應；平坦區域柱塞，該平坦區域柱塞具有與模具之平坦區域對應之成形表面且經定位在模具之平坦區域上方並與該平坦 區域對準；以及彎曲區域柱塞，該彎曲區域柱塞具有與模具之彎曲區域對應之成形表面且經定位在模具之彎曲區域上方並與該彎曲區域對準。三件式模具組態允許在成形製程中將玻璃之不同部分加熱至不同溫度，及/或向玻璃之不同部分施加不同壓力。藉此，三件式模具在跨玻璃之寬度上允許變化溫度及/或壓力剖面。舉例而言，藉由加熱彎曲區域柱塞可將由彎曲區域柱塞成形之玻璃之部分加熱至更高之溫度，且較平坦區域下方之玻璃之部分而言，藉由向彎曲區域柱塞施加較平坦區域柱塞更大之壓縮力，可向該玻璃之該部分施加更大壓力。
第7圖及第8圖圖示本揭示案之示例性實施例，該實施例用於形成具有平坦區域及曲面/彎曲區域之三維(「3D」)定型玻璃製品。第7圖圖示使用三件式模具之製程的示例性逐步視圖。第8圖係圖示如第7圖所示之示例性三件式模具之詳細描述的橫截面視圖。可藉由由二維(「2D」)平坦玻璃片進行熱重組定型玻璃而製造3D玻璃蓋。在一些實施例中，可自由融合製程形成之玻璃之原始片提取2D玻璃片。玻璃之原始性質可經保留直至該玻璃經歷強化製程，諸如離子交換化學強化製程。
首先，可將2D玻璃片700置於形成工具之模具710中。模具710可具有成形表面712，該成形表面具有包括平坦區域714及彎曲區域716之定型玻璃製品之所需表面輪廓。(第7圖之(A)部分)。在一些實施例中，模具710可包括用於精確地將玻璃片定位在模具710上之對準銷818。在一些 實施例中，可在置於形成工具中之前，可對玻璃片700預加熱。舉例而言，可使用空氣軸承預加熱站對玻璃片700預加熱，其中，舉例而言，可將玻璃片700加熱至約600℃持續不少於約60秒之循環時間。在其他實施例中，可將模具710置於爐中，並可對玻璃片700進行對流式加熱。此舉允許模具710處於或接近形成溫度，並將玻璃片700處於模具710上之時間最短化，繼而降低製造成本。在一些實施例中，爐之殼體可係惰性或真空氣氛，或環境空氣。使用真空或惰性氣氛可提供增強之清潔度。
接著，可將模具710轉位至壓制站中，與成品定型玻璃製品之平坦區域對應之玻璃片之區域在壓縮下置於該壓制站中。(第7圖之(B)部分)。可使用平坦區域柱塞720完成此步驟，該平坦區域柱塞具有與模具710之平坦區域714對應之成形表面722。移動模具710及/或平坦區域柱塞720以壓縮玻璃片700。在一些實施例中，伺服驅動致動器813、823以精確控制之速度(舉例而言，處於自約0.01毫米/秒至約10毫米/秒之範圍內)移動模具710及/或平坦區域柱塞720。在一些實施例中，在壓縮與成品定型玻璃製品之平坦區域對應之玻璃片700之區域同時，平坦區域柱塞或模具710之任一者係靜止的。在一些實施例中，可在自約10kPa至約1Mpa之壓力下壓縮與成品定型玻璃製品之平坦區域對應之玻璃片700之區域。在一些實施例中，施加至與成品定型玻璃製品之平坦區域對應之玻璃片700之區域的熱量及壓力將平坦區域保持在範圍自約1012 P至約1013.7之黏度下。
然後，可將與成品定型玻璃製品之彎曲區域對應之玻璃片710之區域加熱至高於玻璃片710之形成溫度，在該形成溫度下玻璃片710可經形成為所需形狀。(第7圖之(C)部分)。在一些實施例中，輻射加熱器730可提供熱量以獲得該形成溫度。在一些實施例中，可將彎曲區域加熱約10秒或更短時間以達到形成溫度。
然後，將具有與模具710之彎曲區域716對應之成形表面742的彎曲區域柱塞740朝向玻璃片710降低。(第7圖之(D)部分)。彎曲區域柱塞740可圍繞平坦區域柱塞730之外周且獨立於平坦區域柱塞730而移動。在一些實施例中，除了輻射加熱器730或代替輻射加熱器，彎曲區域柱塞740可提供熱量用於將彎曲區域加熱至形成溫度。在此情況下，彎曲區域柱塞740可包括加熱器844。在一些實施例中，在與平坦區域對應之玻璃片700之區域未經加熱至形成溫度之同時，可將與彎曲區域對應之玻璃片700之區域加熱至形成溫度。這一點係三件式模具相比於兩件式模具及真空下垂之一個優點，因為三件式模具在跨玻璃片700之寬度上允許變化溫度及/或壓力剖面。由於玻璃片710在置於模具710上時可係平坦的，因此與平坦區域對應之玻璃片700之區域係經保持在玻璃片700之形成溫度之下。可藉由不直接加熱與平坦區域對應之玻璃片700之區域來完成此步驟。又，為了抵消自彎曲區域至平坦區域散熱之熱的效應，模具710之平坦區域714及/或平坦區域柱塞730可分別包括冷卻腔815、825。在一些實施例中，可藉由上部伺服致動器以精確控制之 速度(舉例而言，處於自約0.01毫米/秒至約10毫米/秒之範圍內)驅動彎曲區域柱塞740。在一些實施例中，可在自約10kPa至約1Mpa之壓力下壓縮與成品定型玻璃製品之彎曲區域對應之玻璃片700之區域。在一些實施例中，施加至與成品定型玻璃製品之彎曲區域對應之玻璃片700之區域的熱量及壓力將彎曲區域保持在足夠低的黏度，以在形成彎曲區域時避免高應力，但該黏度仍足夠高以防止裝飾性缺陷及模具痕跡轉移至玻璃片700，舉例而言，該黏度係處於自約109.6 P至約1011 P之範圍內。
可藉由以精確控制之速度向下移動彎曲區域柱塞740直至達成所需力或位置來形成定型玻璃製品之彎曲區域。在一些實施例中，不再供應熱量，且將彎曲保持壓縮以在該等彎曲冷卻時緩解應力並防止突然縮回。(第7圖之(E)部分)。第7圖所圖示之製程僅為示例性的，且該製程可包括額外之步驟。
在一些實施例中，為了避免玻璃劃傷及彎曲之凹陷側上之模具痕跡，舉例而言，如第9圖所示，可將彎曲區域716之模具710之成形表面712縮小約100μm至約200μm，使得在玻璃700之彎曲區域與彎曲區域716之間存在一間隙g。成形表面712亦需縮小以對玻璃及模具材料之不同熱膨脹進行補償。在黏彈性狀態中，玻璃膨脹迅速增加並超過模具材料之膨脹。隨著玻璃冷卻，玻璃之熱膨脹低於或接近可用於壓制之常見模具材料的熱膨脹，諸如塗覆超鎳合金(Inconel、Hastalloy等)、石墨、碳化矽或碳化鎢。
在一些實施例中，模具、平坦區域柱塞及彎曲區域柱塞可係多孔的且經連接至加壓氣體源。此舉允許在玻璃片與模具、平坦區域柱塞及彎曲區域柱塞之間形成壓縮氣體層，使得玻璃片不與模具、平坦區域柱塞及彎曲區域柱塞接觸。此舉可係有利的，因為玻璃片與模具、平坦區域柱塞及彎曲區域柱塞之間的接觸可導致定型玻璃製品之裝飾性缺陷。又，由於與熱玻璃之接觸，模具件之典型材料(諸如鎳合金)需要在每進行數百次循環之後經再精整或再塗覆。因為玻璃片並不與模具件接觸，故玻璃片與模具、平坦區域柱塞及彎曲區域柱塞之間的壓縮氣體層之存在可最小化或消除此等問題，且因此延長模具之壽命。
第10A圖至第10E圖圖示用於形成具有平坦區域及曲面/彎曲區域之三維(「3D」)定型玻璃製品之示例性製程，該示例性製程與第7圖所示之製程類似，除了如下文所述，模具710'、平坦區域柱塞720'及彎曲區域柱塞740'係多孔的。可將模具710'、平坦區域柱塞720'及彎曲區域柱塞740'連接至加壓化學惰性氣體源，諸如(但不限於)氮氣或氬氣。氣體可自氣體源流經模具710'、平坦區域柱塞720'及彎曲區域柱塞740'以分別至成形表面712'、722'及742'。在一些實施例中，模具710'、平坦區域柱塞720'及彎曲區域柱塞740'中之每一者可由多孔材料製造，諸如(但不限於)，金屬、石墨或富鋁紅柱石。在此等實施例中，模具710'、平坦區域柱塞720'及彎曲區域柱塞740'可經製造，使得沿模具710'、平坦區域柱塞720'及彎曲區域柱塞740'中之每一者之外周，成形表 面712'、722'及742'及連接至加壓氣體源之表面上僅有孔。在其他實施例中，模具710'、平坦區域柱塞720'及彎曲區域柱塞740'可由無孔材料製成，諸如(但不限於)不銹鋼或鎳，且孔矩陣可經鑽孔至模具710'、平坦區域柱塞720'及彎曲區域柱塞740'中以在加壓氣體源與成形表面712'、722'及742'之間提供孔。在一些實施例中，可調整孔之大小以避免玻璃表面形成印痕。在一些實施例中，模具710'、平坦區域柱塞720'及彎曲區域柱塞740'可由各向異性材料製造。
舉例而言，如第10A圖所示，流經模具710'之氣流可具有足夠之流速及/或壓力，以在成形表面712'及玻璃片之間形成氣體層，該氣體層用作可固持玻璃片之氣體床。舉例而言，如圖10B所示，流經平坦區域柱塞720'之氣流可具有足夠之流速及/或壓力，以在成形表面722'與玻璃片之間形成氣體層，以提供足以保持玻璃片之平坦度的壓縮力。類似地，舉例而言，如第10E圖所示，流經彎曲區域柱塞740'之氣流可具有足夠之流速及/或壓力，以在成形表面742'與玻璃片之間形成氣體層，以提供足以在玻璃片中形成彎曲區域的壓縮力。
氣體層之厚度可視本地空氣軸承響應而改變，然而，在一些實施例中，氣體層之厚度大約可為約1微米、約10微米、約100微米，或更多。各氣體層之厚度可相同或不同。舉例而言，平坦區域柱塞720'與模具710'之間的氣體層之厚度可與彎曲區域柱塞740'及模具710'之間的氣體層之厚度不同。由各氣體層施加之壓縮力或負載可沿該氣體層之長 度變化。在一些實施例中，氣體可經加熱。在一些實施例中，如上文所述，「三件式」模具之優勢在於該「三件式」模具在跨玻璃之寬度上允許改變壓力剖面。因此，在一些實施例中，各氣體層之壓縮力或負載及厚度可不同，而在其他實施例中，各氣體層之壓縮力或負載及厚度可相同。
在一些實施例中，如第10A圖至第10E圖所示之三件式模具總成之橫截面圖可與如第8圖所示之三件式模具總成之橫截面圖相同，除了模具710'、平坦區域柱塞720'及彎曲區域740'具有孔且存在管道以自氣體源傳遞氣體。在一些實施例中，壓縮機經連接至模具上游之氣體源。在一些實施例中，可經由壓力調節裝置以恆定壓力供應氣體。在其他實施例中，可使用主動控制器以恆定流速供應氣體，該主動控制器調整壓力以提供恆定氣流。
雖然第10A圖至第10E圖圖示模具710'、平坦區域柱塞720'及彎曲區域柱塞740'中之每一者係多孔的，但此情況僅為示例性的。可使用多孔及無孔模具件之任何組合。
第7圖、第8圖和第10A圖至第10E圖圖示三件式模具，然而，在一些實施例中，視玻璃製品之所需形狀而定，形成工具可包括四件式模具、五件式模具、六件式模具，或更多。在一些實施例中，若定型玻璃製品之邊緣具有兩個以上彎曲/曲面，形成工具可具有三個以上模具件。在此情況下，可具有用於第一彎曲區域之第一彎曲區域柱塞，該第一彎曲區域柱塞經定位在模具之成形表面上之相應第一彎曲區域上方，並與該相應第一彎曲區域對準，以及第二彎曲區域之第 一彎曲區域柱塞，該第二彎曲區域柱塞經定位在模具之成形表面上之相應第二彎曲區域上方，並與該相應第二彎曲區域對齊。在其他實施例中，若玻璃製品之所需形狀具有其間存在彎曲區域之多個非連續平坦區域，則針對每一平坦區域及每一彎曲區域，形成工具可包括平坦區域柱塞及彎曲區域柱塞。
可能適用於本文所描述之製程之進一步製程技術及方法包括以下專利申請案中所描述之彼等製程技術及方法：美國專利申請公開案第2010/0000259號(Ukrainczyk之「Method of Making Shaped Glass Articles」)；歐洲專利申請案第10306317.8號，經公開為歐洲專利申請案EP2457881(Corning Incorporated之「Method and Apparatus for Bending a Sheet of Material into a Shaped Article」)；美國專利申請案第13/480172號，經公開為美國專利申請公開案第2012/0297828號(Bailey等人之「Glass Molding System and Related Apparatus and Method」)；美國臨時申請案第61/545,332號，美國專利公開案第13/647,043號主張其權益，經公開為美國專利申請公開案第2013/0086948號(Bisson等人之「Apparatus and Method for Tight Bending Thin Glass Sheets」)；及美國臨時申請案第61/545,329號，PCT申請案第PCT/US12/58950主張其權益，經公開為WIPO公開案第WO 2013/05589號(Bisson等人之「Reshaping Thin Glass Sheets」)，以上所述所有申請案以引用的方式併入本文中。2D玻璃片可藉由任何已知製程製造，包括軋製、融合、浮法 等。
如上文所述，在一些實施例中，3D玻璃蓋之前玻璃蓋部分(例如，202)係平坦的。在一些實施例中，如由FlatMaster®工具所量測，平坦前玻璃蓋在25mm×25mm之區域上具有優於±10μm、±25μm、±50μm、±75μm、±100μm、±125μm、±150μm、±100μm、±200μm、±250μm、±300μm，或±400μm之平坦度。在一個實施例中，如由FlatMaster®工具所量測，平坦前玻璃蓋部分在25mm×25mm之區域上具有優於±100μm之平坦度。在其他實施例中，前玻璃蓋部分可係曲面的。
在一些實施例中，3D玻璃蓋之各側玻璃蓋部分(例如，204)包括彎曲。可基於電子裝置之外圍側面幾何形狀選擇彎曲角度及半徑。在一個實施例中，彎曲角度係在大於0°至90°之範圍內。在一些實施例中，彎曲半徑大於1mm。在一些實施例中，彎曲半徑為約0.25、0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0、2.25、2.5、2.75、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、15.0、20.0mm或更多。在一些實施例中，彎曲係具有變化半徑之複雜的彎曲，諸如藉由Burmester曲線所描述。在替代實施例中，彎曲角度可大於90°。
在一些實施例中，3D玻璃蓋具有均勻壁厚度，該壁厚度係在自0.3mm至3mm之範圍內。在一些實施例中，該厚度為約0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、 2.5、2.6、2.7、2.8、2.9，或3.0。在一個實施例中，玻璃蓋壁之壁厚度之總變化係在±100μm之內。在其他實施例中，玻璃蓋壁之壁厚度之總變化係在±10μm、±20μm、±30μm、±40μm、±50μm、±60μm、±70μm、±80μm、±90μm、±100μm、±125μm、±150μm、±200μm，或±250μm之內。
3D玻璃蓋具有內表面及外表面。當3D玻璃蓋置於電子裝置上時，內表面將位於組件之內側，而外表面將位於組件之外側。各表面係平滑的，且此平滑度可由表面粗糙度表徵。在一個實施例中，3D玻璃蓋之各表面之平均表面粗糙度(Ra)係小於1nm。在其他實施例中，3D玻璃蓋之各表面之平均表面粗糙度(Ra)小於0.7nm。在一些實施例中，3D玻璃蓋之各表面之平均表面粗糙度(Ra)小於0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9，或3.0nm。在另一實施例中，3D玻璃蓋之表面中之至少一者之平均表面粗糙度(Ra)小於0.3nm。在一些實施例中，3D玻璃蓋之表面中之至少一者之平均表面粗糙度(Ra)小於0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9，或3.0nm。
內表面及外表面之表面粗糙度可相同或不同。舉例而言，後者可如下實例，若3D玻璃蓋係由模具製造且表面中之僅一者在3D玻璃蓋之形成期間與該模具接觸。通常，3D玻璃蓋之與模具接觸之表面將為外表面。然而，可設計模具 使得3D玻璃蓋之未與模具接觸之表面將為外表面。
在一些實施例中，3D玻璃蓋之表面係本質上無瑕疵的。「本質上無瑕疵」意為由光學顯微鏡技術量測，在表面中不存在直徑大於150μm之壓痕(或凹口)。在一些實施例中，由光學顯微鏡量測，在表面中之任意一者上的25mm×25mm之區域中，存在少於平均為50、40、30、20、10、5、4、3、2或者1個直徑大於150μm之壓痕(或凹口)。
在一些實施例中，3D玻璃係透明的且在400nm至800nm之波長範圍內具有大於85%之光學透射率。在一些實施例中，3D玻璃蓋係透明的且在400nm至800nm之波長範圍內具有大於75%、80%、85%、87%、90%、93%、95%、97%，或99%之光學透射率。
塗層可沉積在3D玻璃蓋之表面上，以使得3D玻璃蓋之部分半透明或不透明。3D玻璃蓋之未沉積塗層之部分可為前玻璃蓋部分之淨孔徑，該淨孔徑將允許觀察電子裝置顯示器及允許與電子裝置顯示器互動。
在一些實施例中，根據壓縮應力，3D玻璃蓋係抗損傷的。在一些實施例中，玻璃表面處之壓縮應力大於300MPa。在一個實施例中，玻璃蓋具有大於250、300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950，1000MPa或更大之壓縮應力。3D玻璃蓋(或用於製造3D玻璃蓋之2D玻璃片)可經歷強化製程，以達成大於300MPa之壓縮應力。在一些實施例中，3D玻璃蓋經歷離子交換化學強化製程，以達成大於300MPa之壓縮應力及至少25μm之 離子交換層深度的組合。在一些實施例中，離子交換層深度至少為10、15、20、25、30、35、40、45，或50μm。離子交換層深度係自玻璃之表面深入玻璃而量測。離子交換層係由玻璃晶格結構中之過大的離子之存在而表徵的。
在一些實施例中，根據硬度及/或抗劃傷性，3D玻璃蓋為抗損傷的。在一個實施例中，3D玻璃蓋具有在莫氏硬度表上大於7之硬度。在一些實施例中，3D玻璃蓋具有在莫氏硬度表上為約6、6.3、6.5、6.7、7.0、7.3、7.5、7.7、8、8.3、8.5、8.7，或9之硬度。
由於原材料及/或設備用於產生本文所描述之玻璃組合物，故並非有意添加之某些雜質或成分可存在於最終玻璃組合物中。該等材料以較小量存在於玻璃組合物中且在本文中稱為「外來雜質」。
如本文中所使用，具有0莫耳%之複合物之玻璃組合物界定為意謂複合物、分子及元素並非有意添加至組合物，但組合物仍可包含複合物，通常以雜質或微量。類似地，「無鐵」、「無鹼土金屬」、「無重金屬」或類似者界定為意謂複合物、分子及元素並非有意添加至組合物，但組合物仍可包含鐵、鹼土金屬或重金屬等，但以大致雜質或微量。
在一些實施例中，3D玻璃蓋係由鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃組合物製造。示例性鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃組合物包含約60莫耳%至約70莫耳%之SiO2、約6莫耳%至約14莫耳%之Al2O3、0莫耳%至約15莫耳%之B2O3、0莫耳%至約15莫耳%之Li2O、0莫耳%至約20莫耳%之Na2O、0莫耳%至約10 莫耳%之K2O、0莫耳%至約8莫耳%之MgO、0莫耳%至約10莫耳%之CaO、0莫耳%至約5莫耳%之ZrO2、0莫耳%至約1莫耳%之SnO2、0莫耳%至約1莫耳%之CeO2、小於約50ppm之As2O3，及小於約50ppm之Sb2O3，其中12莫耳%Li2O+Na2O+K2O20莫耳%，且0莫耳%MgO+CaO10莫耳%。此鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃在美國專利第8,158,543號(Sinue Gomez等人之「Fining Agents for Silicate Glasses」)中得以描述。
另一鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃組合物包含至少約50莫耳%之SiO2及至少約11莫耳%之Na2O，且壓縮應力至少為約900MPa。在一些實施例中，玻璃進一步包含Al2O3及B2O3、K2O、MgO與ZnO中之至少一者，其中-340+27.1‧Al2O3-28.7‧B2O3+15.6‧Na2O-61.4‧K2O+8.1‧(MgO+ZnO)0莫耳%。在特定實施例中，玻璃包含約7莫耳%至約26莫耳%之Al2O3、0莫耳%至約9莫耳%之B2O3、約11莫耳%至約25莫耳%之Na2O、0莫耳%至約2.5莫耳%之K2O、0莫耳%至約8.5莫耳%之MgO，及0莫耳%至約1.5莫耳%之CaO。該玻璃在2011年7月1日申請之美國臨時專利申請案第61/503,734號中得以描述，美國專利申請案第13/533,298號主張其權益，經公開為美國專利申請公開案第2013/0004758號(Matthew J.Dejneka等人之「Ion Exchangeable Glass with High Compressive Stress」)，上述申請案的全部內容以引用的方式併入本文中。
除了上文提及之彼等玻璃組合物及除了鹼金屬鋁矽 酸鹽玻璃組合物，其他類型之玻璃組合物可用於3D玻璃蓋。舉例而言，鹼金屬鋁硼矽酸鹽玻璃組合物可用於3D玻璃蓋。在一些實施例中，所用之玻璃組合物係可離子交換之玻璃組合物，該等可離子交換之玻璃組合物通常為含較小鹼金屬或鹼土金屬離子之玻璃組合物，該等較小鹼金屬或鹼土金屬離子可用於與較大鹼金屬或鹼土金屬離子交換。可離子交換之玻璃組合物之額外實例可在以下申請案中找到：美國專利第7,666,511號(Ellison等人；2008年11月20日)；美國專利第4,483,700號(Forker,Jr等人；1984年11月20日)；美國專利第5,674,790號(Araujo；1997年10月7日)；美國專利申請案第12/277,573號(Dejneka等人；2008年11月25日)，經公開為美國專利申請公開案第2009/0142568號；美國專利申請案第12/392,577號(Gomez等人；2009年2月25日)，經公佈為美國專利第8,158,543號；美國專利申請案第12/856,840號(Dejneka等人；2010年8月10日)，經公開為美國專利申請公開案第2011/0045961號；美國專利申請案第12/858,490號(Barefoot等人；2010年8月18日)，經公佈為美國專利第8,586,492號；以及美國專利申請案第13/305,271號(Bookbinder等人；2010年11月28日)，經公開為美國專利申請公開案第2012/0135226號。
根據本文所描述之製程製造之三維定型玻璃製品(諸如3D玻璃蓋)可用於覆蓋具有平坦顯示器之電子裝置。3D玻璃蓋將在允許觀察顯示器並允許與顯示器互動之同時保護顯示器。3D玻璃蓋具有前玻璃蓋部分，該前玻璃蓋部分用 於覆蓋定位有顯示器之電子裝置的前側；及一或多個側玻璃蓋部分，該一或多個側玻璃蓋部分用於包裹電子裝置之周圍側面。前玻璃蓋部分係與側玻璃蓋部分連續的。
實例
將藉由以下實例進一步闡明各種實施例。
比較實例1
藉由使用(1)具有三件式模具之壓制製程，其中位於平坦區域柱塞及彎曲區域柱塞下方之玻璃片經加熱至不同溫度，及(2)使用兩件式模具之習知等溫壓制製程，其中玻璃片跨越該玻璃片之整體長度經均勻加熱，具有Corning玻璃組合物第2317號之玻璃片經成形為三維定型玻璃製品。第11圖比較該兩種製程之熱循環。由於與等溫製程相比，底部模具具有低得多的擠出溫度，因此三件式模具具有明顯較短之熱循環。在三件式模具製程中，模具循環係在550-570℃與620℃之間，彎曲區域中之模具除外。在習知等溫壓制製程中，模具循環係自550-570℃至700℃，該循環長得多，且因此延長加熱及冷卻時間。此情況說明相較於兩件式模具使用三件式模具之益處，使用三件式模具允許溫度剖面跨玻璃片之寬度變化。
比較實例2
針對使用(1)具有三件式多孔模具之壓制製程(舉例而言，如第10A圖至第10E圖所示)及(2)具有兩件式多孔模具之壓制製程(舉例而言，如第12A圖至第12D圖所示)來將玻璃片成形為三維定型玻璃製品，進行了模擬。如第12A 圖至第12D圖中可見，玻璃片1100經壓縮在具有成形表面1112之多孔底部模具1110及具有成形表面1122之多孔頂部模具1120之間，該成形表面1112具有平坦區域1114及彎曲區域1116，及該成形表面1122具有平坦區域1124及彎曲區域1126。成形表面1112及1122係在形狀上互補的。第13圖圖示針對兩件式模具跨厚度為700μm之玻璃之長度的壓力剖面，該玻璃經加熱至770℃，且第14圖圖示針對三件式模具跨厚度為700μm之玻璃之長度的壓力剖面，該玻璃經加熱至770℃。如藉由比較第13圖與第14圖而可見，在使用兩件式模具之製程中，玻璃片在平坦區域屈曲，然而，在使用三件式模具之製程中，玻璃片未屈曲。此情況再次說明相較於兩件式模具使用三件式模具之益處，使用三件式模具允許溫度剖面跨玻璃片之寬度變化，因為能夠控制溫度剖面防止玻璃在平坦區域中屈曲。
雖然已關於有限數量之實施例描述本文中之製程、設備及組合物，但得益於本揭示案之熟習此項技術者將瞭解：可設計不脫離本揭示案之範疇的其他實施例。因此，該範疇應僅受所附申請專利範圍的限制。

Claims (10)

  1. 一種用於製造一三維定型玻璃製品之製程，該製程包含：將一玻璃片置於一形成工具中，該形成工具包含：具有一成形表面之一模具，該成形表面具有用於包括一平坦區域及一彎曲區域之該定型玻璃製品之一所需表面輪廓；一平坦區域柱塞，該平坦區域柱塞具有與該模具之該平坦區域對應之一成形表面；及一彎曲區域柱塞，該彎曲區域柱塞具有與該模具之該彎曲區域對應之一成形表面；朝向該玻璃片移動該平坦區域柱塞以壓縮該玻璃片；將與該模具之該彎曲區域上方之一區域對應之該玻璃片之一部分加熱至高於一形成溫度之一溫度；及朝向該經加熱之玻璃片移動該彎曲區域柱塞以壓縮該經加熱之玻璃片，繼而形成具有一平坦區域及一彎曲區域之一定型玻璃製品，其中在將該經加熱之玻璃片用該彎曲區域柱塞壓縮時，該模具之該彎曲區域上方之該區域中的該玻璃片之該部分之一溫度高於該模具之該平坦區域上方之一區域中的該玻璃片之一部分之一溫度。
  2. 如請求項1所述之製程，其中： 該模具、該平坦區域柱塞及該彎曲區域柱塞係多孔的；及一氣體流動穿過該多孔模具、平坦區域柱塞及彎曲區域柱塞以在該玻璃片上方及下方形成一壓縮氣體層。
  3. 如請求項1所述之製程，其中該模具之該彎曲區域包含一第一彎曲區域及一第二彎曲區域，其中該彎曲區域柱塞係安置在該模具之該第一彎曲區域上方之一第一彎曲區域柱塞，且其中該形成工具進一步包含安置於該模具之該第二彎曲區域上方之一第二彎曲區域柱塞。
  4. 如請求項1至3中之任一項所述之製程，其中該模具之該平坦區域包含一第一平坦區域及一第二平坦區域，其中該平坦區域柱塞係安置在該模具之該第一平坦區域上方之一第一平坦區域柱塞，且其中該形成工具進一步包含安置於該模具之該第二平坦區域上方之一第二平坦區域柱塞。
  5. 如請求項4所述之製程，其中在該平坦區域柱塞與該模具之間經壓縮的該玻璃片之一部分經保持在一範圍為1012 P至1013.7 P之一黏度下，且在該彎曲區域柱塞與該模具之間經壓縮的該玻璃片之一部分經保持在一範圍為109.6 P至1011 P之一黏度下。
  6. 一種用於製造一三維定型玻璃製品之設備，該設備包含：具有一成形表面之一模具，該成形表面具有用於包括一平坦區域及一彎曲區域之該定型玻璃製品之一所需表面輪廓；一平坦區域柱塞，該平坦區域柱塞經定位於該模具之該平坦區域上方且具有與該模具之該平坦區域對應之一成形表面；一彎曲區域柱塞，該彎曲區域柱塞經定位於該模具之該彎曲區域上方且具有與該模具之該彎曲區域對應之一成形表面；及一加熱器，該加熱器經定位以對置於該模具之該彎曲區域上方之一玻璃片之一區域進行加熱，其中該平坦區域柱塞及該彎曲區域柱塞相對彼此移動。
  7. 如請求項6所述之設備，其中該模具、該平坦區域柱塞及該彎曲區域柱塞係多孔的。
  8. 如請求項7之設備，該設備進一步包含一氣體源，該氣體源經連接至該多孔模具、平坦區域柱塞及該彎曲區域柱塞，以便氣體可流經該多孔模具、平坦區域柱塞及彎曲區域柱塞，以在該玻璃片上方及下方形成一壓縮氣體層。
  9. 如請求項6至8中之任一項所述之設備，其中該模具之該彎曲區域包含一第一彎曲區域及一第二彎曲區域，其中該彎曲區域柱塞係安置在該模具之該第一彎曲區域上方之一第一彎曲區域柱塞，且其中該設備進一步包含安置於該模具之該第二彎曲區域上方之一第二彎曲區域柱塞。
  10. 如請求項9所述之設備，其中該模具之該平坦區域包含一第一平坦區域及一第二平坦區域，其中該平坦區域柱塞係安置在該模具之該第一平坦區域上方之一第一平坦區域柱塞，且其中該設備進一步包含安置於該模具之該第二平坦區域上方之一第二平坦區域柱塞。
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