專利名稱：將材料板彎曲成成形制品方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及將平板再成形成成形制品的方法和設備。直量在電子顯示屏工業中，對于高質量的成形玻璃薄板，特別是具有平面區域和彎曲區域相結合的高質量的成形玻璃薄片的興趣正在不斷增長。例如，需要將這些成形玻璃板用作平面屏幕電視機的覆片，并且在其他應用中用作保護覆片。可以將玻璃平板再成形成成形的玻璃板。已知各種用于將玻璃平板再成形成成形玻璃片的技術，特別是在汽車應用中(例如擋風玻璃和側窗)以及建筑應用中(例如用于建筑和商用非電子顯示屏的曲面玻璃)。例如，美國專利第5，093，177號(Anderson等，1992年3月3日)揭示了一種通過在玻璃平板中壓入凹陷區域來成形玻璃板的制造方法，該成形玻璃板旨在用作車窗。在Anderson等的方法中，加熱器在玻璃平板的表面上直射集中高溫熱量，將玻璃平板再成形區域的轉變·部分快速加熱至其熱軟化溫度。為了避免由于用集中熱量沿著玻璃的窄帶進行加熱所導致的玻璃斷裂，在施加集中熱量前，將玻璃板預加熱至提升的溫度。在將轉變部分加熱至其軟化溫度之后，再成形區域位于沖壓模頭之間并與其對齊。然后使一個模頭朝著另一個模頭前進并在模頭之間按壓再成形區域，用玻璃平板使再成形區域偏移離開平面。Anderson等所揭示的方法涉及再成形區域中的明顯三維變形，并涉及按壓裝置使再成形區域偏移離開玻璃平板的平面。該方法要求顯著降低的粘度并在再成形區域中施加明顯的壓力。本領域技術人員易知，在這些條件下，玻璃的表面狀態會遭到局部破壞。對于Anderson等來說，這并不是問題，原因在于，“被破壞的部分”僅起了機械上的作用，對于完全安裝的產品從觀察來看是被隱藏起來的。在旨在用作電子顯示屏的覆片的成形玻璃板的情況下，無法負擔此類奢華。概沭在本發明的一個方面，涉及一種將材料板彎曲成成形制品的方法，該方法包括:提供材料板(步驟a)，將所述材料板的可再成形區域和不可再成形區域加熱至對應第一粘度范圍的第一溫度范圍(步驟b)，隨后將所述材料板的可再成形區域加熱至對應第二粘度范圍的第二溫度范圍(步驟C)，并通過使所述材料板的可再成形區域彎垂以及對材料板的可再成形區域的外部或者靠近可再成形區域的邊界施加作用力中的至少一種，將材料板的可再成形區域再成形成選定的形狀(步驟d)。在所述方法的一個實施方式中，在步驟c中，加熱至第二溫度范圍的材料板的總面積與加熱至第二溫度范圍的可再成形區域的面積的比值小于或等于1.5，其中所述總面積與所述可再成形區域重疊。
在所述方法的一個實施方式中，在步驟C中，加熱至第二溫度范圍的材料板的總面積與加熱至第二溫度范圍的可再成形區域的面積的比值小于或等于1.2，其中所述總面積與所述可再成形區域重疊。在所述方法的一個實施方式中，步驟a中提供的材料板的厚度范圍為0.3-1.5mm。在所述方法的一個實施方式中，材料板的熱膨脹系數大于5ppm。在所述方法的一個實施方式中，第一粘度范圍的下限高于第二粘度范圍的上限。在所述方法的一個實施方式中，第一粘度范圍的下限大于6xl09泊。在所述方法的一個實施方式中，第二粘度范圍是IO8-1O9泊。在所述方法的一個實施方式中，步驟d包括向可再成形區域施加真空，以幫助可再成形區域的彎垂(sagging)。在所述方法的一個實施方式中，步驟c包括 使用光學元件在可再成形區域上聚焦輻射熱。在所述方法的一個實施方式中，步驟c包括使用屏蔽元件在可再成形區域上聚焦輻射熱。在所述方法的一個實施方式中，材料板的可再成形區域和不可再成形區域是毗鄰的。在所述方法的一個實施方式中，步驟a中的材料板是平面的，并且在步驟d之后，不可再成形區域仍是平面的。在所述方法的一個實施方式中，選定的形狀包括彎曲的。在本發明的另一個方面，涉及一種用于將材料板彎曲成成形制品的設備，所述設備包含用于支持材料板的支撐和加熱裝置，當材料板裝在支撐上時，所述加熱裝置用于將材料板的可再成形區域局部加熱至對應選定粘度范圍的選定溫度。所述加熱裝置包含熱源和光學元件或屏蔽元件，用于將熱源的熱量聚焦到材料板的可再成形區域上。在所述設備的一個實施方式中，光學元件包括橢圓形鏡，用于將熱量反射到材料板的可再成形區域上。在所述設備的一個實施方式中，屏蔽元件包括具有縫隙的耐熱屏蔽，用于將熱量聚焦到材料板的可再成形區域上。在所述設備的一個實施方式中，熱源是電阻型加熱器。應理解，前面的發明內容和以下描述都只是本發明的示例，用來提供理解要求保護的本發明說明書的性質和特性的總體評述或框架。包括的附圖提供了對本發明的進一步理解，附圖被結合在本說明書中并構成說明書的一部分。附圖舉例說明了本發明的各種實施方式，并與描述一起用來解釋本發明的原理和操作。
以下是對附圖中各圖的描述。為了清楚和簡明起見，附圖不一定按比例繪制，附圖的某些特征和某些視圖可能按比例放大顯示或以示意圖方式顯示。圖1a是對材料板的可再成形區域進行局部加熱的示意圖。圖1b是對材料板的可再成形區域進行局部加熱的示意圖。圖1c是對材料板進行整體加熱的示意圖。
圖2是對材料板的可再成形區域進行局部加熱的加熱裝置的示意圖。圖3是對材料板的可再成形區域進行局部加熱的電阻型加熱裝置的示意圖。圖4是聚焦輻射熱的溫度分布圖。圖5是聚焦輻射熱的溫度分布圖。圖6顯示在用圖2的聚焦輻射加熱裝置對材料板的可再成形區域進行局部加熱之后的材料板的熱曲線圖。圖7顯示在用圖2的聚焦輻射加熱裝置對材料板的可再成形區域進行局部加熱之后的材料板的熱曲線圖和粘度曲線圖。圖8是90°彎曲的成形制品的透視圖。圖9是具有兩個90°彎曲的成形制品的透視圖。圖10是具有兩個45°彎曲的成形制品的透視圖。迸述下文描述了本發明的附加特征和優點，其中的部分特性和優點對本領域的技術人員而言由本發明的說明書是容易理解的，或通過按照本發明說明書所述實踐本發明是被認可的。在一個實施方式中，成形制品的制造方法包括提供材料板，所述材料具有粘彈性。在一個實施方式中，材料是含玻璃材料，例如玻璃或玻璃-陶瓷。在一個實施方式中，材料板是薄板，例如 厚度范圍為0.3-1.5mm。在一個實施方式中，材料板的熱膨脹系數大于5ppm。在一個實施方式中可以使用具有特定厚度和熱膨脹系數的各種類型的玻璃。合適的玻璃的一個例子是GORILLA玻璃，它可購自美國紐約州康寧股份有限公司(CorningIncorporated, NY),商品編號2317。在一些實施方式中，需要所述合適的玻璃是可離子交換的含堿金屬玻璃。所述可離子交換的含堿金屬玻璃具有含小的堿性離子(例如Li+和/或Na+)的結構。在離子交換過程中，這些小的堿性離子可以與較大堿性離子(例如K+)發生交換。合適的可離子交換的含堿金屬玻璃的離子是堿性鋁硅酸鹽玻璃，例如美國專利申請號11/888213、12/277573、12/392577、12/393241 以及 12/537393 中所述，它們全部轉讓給康寧有限公司，其內容通過參考結合于此。這些堿性鋁硅酸鹽玻璃玻璃可以在較低的溫度下離子交換到至少30 μ m的深度。上文所提及的GORILLA玻璃是可離子交換的含堿金屬玻璃的商用例子。在一個實施方式中，以平面形式提供材料板。對于含玻璃材料板，可以采用任意合適的方法來生產平面玻璃，例如溢流下拉熔合法或者浮法。在圖1a中，將材料板100放在支撐102上。在圖1a的實施方式中，支撐102具有平坦表面104，在該平坦表面104上支撐了材料板100。將材料板100放在支撐102上，使得一部分材料板100懸于支撐102之上或者從支撐102向外延伸。材料板100具有至少一個“可再成形區域” 106以及至少一個“不可再成形區域”108。所述可再成形區域是材料板中會形成三維形狀的區域。通常，該三維形狀包括具有一定曲率半徑的彎曲。所述不可再成形區域是材料板中不會形成三維形狀的余下區域。通常，可再成形區域與不可再成形區域是毗鄰的。在圖1a所示的實施方式中，可再成形區域106懸于支撐102上方，并且不與支撐102發生接觸。但是，可再成形區域106相對于支撐102也可具有其他配置。例如，在圖1b所示的實施方式中，可再成形區域106與支撐102b的一部分102a發生重疊。重疊部分102a是圓角的，所以在可再成形區域106成形成三維形狀之前，可再成形區域106與重疊部分102a之間沒有明顯的接觸。當可再成形區域106成形成三維形狀之后，可再成形區域106與重疊部分102a的表面之間可能存在接觸。在此情況下，可對重疊部分102a的表面103的材料進行適當選擇，以避免在提升的溫度下，可再成形區域106與支撐102b的重疊部分102a之間發生粘著。除了圖1a和Ib所示的實施方式之外，根據要成形的成形制品的要求，可再成形區域106可以位于材料板100的任意位置。如圖1c所示，當材料板100位于支撐102上的時候，將可再成形區域106和不可再成形區域108，即整個材料板加熱至對應第一粘度范圍的第一溫度范圍。在圖1c中，使用加熱器109對材料板100進行整體或全部加熱。可以采用各種類型的加熱器109，例如氣體燃燒器、電阻型燈絲以及等離子體火炬。對于含玻璃材料板100，第一溫度范圍要足夠低以避免材料板的變形或光學質量缺陷，但是要足夠高以避免對可再成形區域106進行后續局部加熱時的膨脹錯配所導致的材料板的破裂。在一個實施方式中，第一粘度范圍大于6xl09泊。第一粘度范圍的上限可以是IO12泊。在將材料板100加熱至第一溫度范圍之后，將可再成形區域106局部加熱至對應第二粘度范圍的第二溫度范圍。在一個實施方式中，第二粘度范圍的上限低于第一粘度范圍的下限。前述額外描述是基于材料板100是含玻璃材料板的假設。在一個實施方式中，第二粘度范圍的上限是IO9泊。在一個實施方式中，第二粘度范圍是IO8-1O9泊。在一個實施方式中，第二溫度范圍是含玻璃材料的形成溫度，優選低于含玻璃材料的軟化點，更優選在含玻璃材料的軟化點溫度和退火點之間。在一個實施方式中，第二溫度范圍比含玻璃材料的軟化點低至少10° C。當可再成形區域106位于第二粘度范圍時，發生如下情況:(i)將可再成形區域106再成形成三維形狀，(ii)不可再成形區域108基本仍處在第一粘度范圍，以及(iii)不可再成形區域108基本仍是平面的。再成形可簡單地涉及由于重力使可再成形區域106實現彎垂。再成形可涉及用真空對可再成形區域106進行輔助彎垂，即在可再成形區域106開始彎垂之前或者可再成形區域106正在彎垂時對其施加真空。再成形可涉及在材料板100的可再成形區域106的外部(如圖la、圖2和圖3所示，在112處)對其施加作用力，或者在可再成形區域106的邊界附 近(如圖1b所示，在112處)對其施加作用力。在邊界“附近”施加作用力包括在邊界“上”施加作用力的可能性。通常來說，希望避免可再成形區域106(或者可再成形區域106的質量區域)與可能在可再成形區域中產生缺陷的物體發生接觸，特別是當可再成形區域106位于第二溫度范圍時更是如此。將可再成形區域106加熱至第二溫度范圍時，施加到可再成形區域106的熱量很有可能延伸超出可再成形區域106。在此情況下，希望能限制延伸超出可再成形區域106的熱量。在一個實施方式中，被加熱至第二溫度的材料板100的總面積(例如，圖1a中的107)與可再成形區域106的比值不大于1.5，其中總面積與可再成形區域重疊。在另一個實施方式中，被加熱至第二溫度的材料板100的總面積(例如，圖1a中的107)與可再成形區域106的比值不大于1.2，其中總面積與可再成形區域重疊。為了限制延伸超過可再成形區域106的熱量，施加到可再成形區域106的熱量優選是聚焦的。下面將描述用于實現該聚焦熱量的兩種加熱裝置。在一個實施方式中，采用對流加熱來實現可再成形區域106的局部加熱。在一個實施方式中，如圖1a所示，采用氣體燃燒器110將熱量直接導向可再成形區域106來實現對流加熱。由于是對流加熱，所以氣體燃燒器110可以向可再成形區域106施加高度局部化的加熱比。可以向氣體燃燒器供給基于兩種化學物質的組合的預混合氣體。氣態化學物質的組合的例子，包括但不限于，氫氣和氧氣、甲烷和氧氣以及甲烷和空氣。在另一個實施方式中，將經過加熱的氣體導向可再成形區域106來實現對流加熱。所述經過加熱的氣體可以是，也可以不是氣態化學物質的組合。在一個實施方式中，采用輻射加熱來實現可再成形區域106的局部加熱。圖1b和2顯示聚焦輻射加熱裝置201。在圖1b和2中，電阻型加熱器200位于可再成形區域106的上方，對其進行加熱。為了最大程度地收集電阻型加熱器200產生的輻射熱，利用一個或多個光學元件，例如高溫橢圓境202 (即具有橢圓形狀且由高溫材料制得的鏡子)將電阻型加熱器200產生的輻射能聚焦到可再成形區域106上。鏡202具有兩個焦點。一個焦點的位置是電阻型加熱器200，另一個焦點的位置是可再成形區域106的表面上，或靠近其表面。鏡202從電阻型加熱器200接收到的輻射能被反射到可再成形區域106的中心，并在該中心聚焦。為了獲得良好的反射特性，鏡子202可采用各種在高溫下呈現出低發射率的材料。它們的例子包括但不限于，鉬或者鉬涂覆的難熔合金。圖3顯示一個聚焦輻射加熱裝置301。將電阻型加熱器300包封在高溫或耐熱屏蔽306的絕熱室302中(絕熱材料顯示為304)。在一個實施方式中，由金屬或陶瓷難熔材料制造屏蔽306。來自電阻型加熱器300的熱量通過位于可再成形區域106上方的加熱屏蔽306的縫隙到達可再成形區域106。可以選擇縫隙308的形狀以匹配可再成形區域106的形狀。例如，如果可再成形區域106是矩形的形式，則縫隙308也可以是矩形的形式。對于上文所述的對流加熱也可以采用屏蔽概念，也就是說，將來自燃燒器或者經過加熱的氣體的熱量通過適當的高溫或耐熱屏蔽中的縫隙導向可再成形區域106。圖2、3中的電阻型加熱器200、300可以是中紅外加熱器，例如HereausNoblelight中紅外(IR)加熱器，其具有快速響應和包封在石英玻璃包封中的電阻元件，所述石英玻璃包封保護材料板 免受來自電阻元件的污染。圖4和5顯示聚焦輻射加熱裝置(類似于圖1b和2所示的201處的配置)用兩個不同的橢圓形鏡400、500以4kW/m輻射加熱30秒之后的所得到的溫度分布的例子。圖6顯示在用圖4的輻射加熱裝置對含玻璃材料板的可再成形區域加熱30秒之后的含玻璃材料板的熱曲線600。熱曲線600對應可再成形區域的部分用方框602表示。圖7顯示在將可再成形區域加熱至第二粘度范圍之后，含玻璃材料板的熱曲線700以及沿含玻璃材料板的表面的相應粘度曲線702。曲線700、702對應可再成形區域的部分通常在704處。支撐(圖1aUbUc,2和3)的材料應該能夠耐受對材料板100進行加熱的溫度，并且在該溫度下不會與材料板發生粘著。在再成形區域106不會與支撐102發生接觸的第一種情況下，例如如圖la、lc、2和3所示，支撐的材料僅僅需要能夠耐受提升的溫度，并且避免在第一溫度范圍內發生粘著。因此，在該第一種情況下，可以使用更寬范圍的材料。在該第一種情況下的支撐102的材料的例子，包括但不限于，不銹鋼、難熔合金以及陶瓷。在可再成形區域106可能與支撐102 (102b)發生接觸的第二種情況下，例如如圖1b所示，對于支撐102 (102b)的材料存在一些限制。支撐102b可能與可再成形區域106發生接觸的部分102a應該能夠耐受提升的問題，并且避免在第二溫度范圍內發生粘著。在該第二種情況下，可由高溫材料，例如INC0NEL718或者不銹鋼制造所述部分102a。或者，為了避免用具有不同熱膨脹性能的材料來構建支撐102b，可以用合適的高溫(非粘性)涂料來涂覆支撐102b的部分102a的表面，選擇在第二溫度范圍內使用所述高溫(非粘性)涂料。在將可再成形區域106加熱至對應第二粘度范圍的第二溫度范圍之后，可再成形區域106局部再成形成選定的三維形狀。如上文所述，有各種方法對可再成形區域進行再成形。在圖la-3所示的例子中，在所示的112處，對材料板施加作用力，使得可再成形區域106中的材料板彎曲成選定的角度。在圖1b中，如103所示，支撐102b在與可再成形區域106發生接觸的邊緣處是圓角的，以避免在可再成形區域106中形成具有銳內表面的彎曲，或者該圓角邊緣103可以控制可再成形區域106中的彎曲。圖8顯示通過上文所述方法并采用圖1的對流加熱對可再成形區域(106)進行局部加熱形成的成形制品800。該成形制品在可再成形區域內具有90° 2-mm半徑的彎曲802。圖9顯示通過上文所述方法并采用圖2的聚焦輻射加熱裝置對可再成形區域進行局部加熱形成的成形制品900。該成形制品900在兩個可再成形區域內具有兩個90° 5-mm半徑的彎曲902、904。圖10顯示通過上文所述方法并采用圖3的聚焦輻射加熱裝置對可再成形區域進行局部加熱形成的成形制品1000。該成形制品在兩個可再成形區域內具有兩個45° 30-mm半徑的彎曲1002、904。通常來說，可以形成彎曲角度范圍在30° -90°的彎曲。(出于說明目的參考圖1，相對于水平面測量彎曲角度。因此，90°的彎曲角度對應與支撐102基本垂直的可再成 形區域106，0°的彎曲角度(或者無彎曲角度)對應與支撐102基本平行的可再成形區域106。在可再成形區域106成形之后，材料板100冷卻。對于含玻璃材料，通常將材料板100冷卻至所述含玻璃材料的粘度大于或等于IO13泊的溫度范圍。將含有成形的可再成形區域的材料板稱作成形制品。可以對成形制品進行退火。可以對成形制品的邊緣進行精整、修整或者畫輪廓線，以實現最終的尺寸或形狀。可以對成形制品進行離子交換過程。通常，離子交換過程涉及將成形制品浸泡在包含堿金屬鹽的熔浴中，其中，所述堿金屬的離子半徑大于所述成形制品的含玻璃材料中所含的堿金屬離子的離子半徑。熔浴中的較大堿金屬離子會代替成形制品的含玻璃材料中的較小堿金屬離子，在成形制品的表面處或者表面附近得到所需的壓縮應力。在離子交換之后，可以用防污涂層來保護成形制品的表面。盡管已經就有限數量的實施方式描述了本發明，但是本領域技術人員在了解本發明的益處的基礎上可以理解，在不偏離本文所揭示的本發明范圍的前提下，可以設計出其他的實施方式。因此，本發明的范圍應僅由所附權利要求書限定。
權利要求
1.一種將材料板彎曲成成形制品的方法，該方法包括: (a)提供材料板； (b)將所述材料板的可再成形區域和不可再成形區域加熱至對應第一粘度范圍的第一溫度范圍； (c)之后將材料板的可再成形區域加熱至對應第二粘度范圍的第二溫度范圍；以及 (d)通過使所述材料板的可再成形區域彎垂以及對材料板的可再成形區域的外部或者靠近可再成形區域的邊界施加作用力中的至少一種，將材料板的可再成形區域再成形成選定的形狀。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步驟(c)中，加熱至第二溫度范圍的材料板(100)的總面積與加熱至第二溫度范圍的可再成形區域的面積的比值小于或等于1.5，其中所述總面積與所述可再成形區域重疊。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步驟(a)中提供的材料板的厚度范圍為 0.3-1.5mm。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料板的熱膨脹系數大于5ppm。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一粘度范圍的下限高于第二粘度范圍的上限。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一粘度范圍的下限大于6xl09泊。
7.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二粘度范圍是IO8-1O9泊。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(d)包括: (dl)向可再成形區域施加真空，以幫助可再成形區域的彎垂。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(c)包括: (Cl)采用光學元件在可再成形區域上聚焦輻射熱；或者 (Cl)采用屏蔽元件在可再成形區域上聚焦輻射熱。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料板的可再成形區域和不可再成形區域是毗鄰的，其中，步驟(a)中的材料板是平面的，并且在步驟(d)之后，所述不可再成形區域仍是平面的。
11.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述選定的形狀包括彎曲的。
12.一種用于將材料板彎曲成成形制品的設備，該設備包括: 用于裝載材料板(100)的支撐；以及 當材料板裝在支撐上時，將材料板的可再成形區域局部加熱至對應選定的粘度范圍的選定的溫度范圍的加熱裝置，該加熱裝置包含熱源和選自(a)光學元件和(b)屏蔽元件的元件，所述元件用于將來自熱源的熱量聚焦到材料板的可再成形區域上。
13.如權利要求12所述的設備，其特征在于，所述光學元件包含用于將熱量反射到材料板的可再成形區域上的橢圓形鏡。
14.如權利要求12所述的設備，其特征在于，所述屏蔽元件包含具有縫隙的耐熱屏蔽，所述具有縫隙的耐熱屏蔽用于將熱量聚焦到材料板的可再成形區域上。
15.如權利要求12所述的設備，其特征在于，所述熱源是電阻型加熱器。
全文摘要
一種將材料板彎曲成成形制品的方法，該方法包括提供所述材料板。將所述材料板的可再成形區域和不可再成形區域加熱至對應第一粘度范圍的第一溫度范圍。之后將材料板的可再成形區域加熱至對應第二粘度范圍的第二溫度范圍。通過使所述材料板的可再成形區域彎垂以及對材料板的可再成形區域的外部或者靠近可再成形區域的邊界施加作用力中的至少一種，將材料板的可再成形區域再成形成選定的形狀。
文檔編號C03B23/025GK103237769SQ201180057697
公開日2013年8月7日 申請日期2011年11月28日 優先權日2010年11月30日
發明者T·L·達努克斯, A·D·德讓, A·M·弗雷德霍姆, P·J·P·赫夫, L·茹鮑德, S·佩斯基耶拉, S·波爾賽 申請人:康寧股份有限公司