专利名称：制造3d玻璃制品的方法
技术领域：
本发明涉及用来用来制造三维(3D)成形体的方法和设备。更具体地，本发明涉及用于形成3D玻璃制品的方法和设备。2.相关技术的描述3D玻璃覆盖件在便携式显示器装置中的应用在不断增多。人们需要这些玻璃覆 盖件在与其外部周边相关的尺寸和3D曲率位置方面具有很高的精度。通常尺寸容差为±30 μ m至±50 μ m。人们需要可靠的尺寸，使得玻璃覆盖件能够以预定的斜角安装在显示器装置中，并且在所述斜角和玻璃覆盖件之间不会留下不利的可观察到的间隙。出于美观和功能方面的考虑，希望玻璃覆盖件的轮廓设置在显示器和触摸屏的中心。可以通过将二维(2D)玻璃片热成形制成3D形状，从而制得所述3D玻璃覆盖件。为了实现所需的容差，例如上述的容差，对于一些3D形状来说，可能需要在再成形工艺之后对3D玻璃成形件的边缘进行精磨。但是，边缘精磨需要3D玻璃成形件在计算机数字控制(CNC)的机械装置之上精确对齐。可以使用基于激光扫描的观察系统对3D玻璃成形件的中心进行定位，然后利用定位的中心作为参照使得3D玻璃成形件在CNC机械装置上对齐。但是，基于激光的扫描观察系统很昂贵，扫描很耗时。所述玻璃的扫描还需要特定的光照条件，这是因为反光，例如用来将玻璃保持在CNC机械装置上的真空卡盘产生的反光会影响扫描。对于大规模的生产，人们需要获得坚固的低成本的设备，该设备能够以可重现的方式将3D玻璃成形件准确而快速地在CNC机械装置上定位。作为将玻璃片热再成形为3D玻璃成形件、然后对3D玻璃成形件进行边缘精磨的方式的替代方法，可以通过研磨和抛光工艺完全机械加工3D玻璃覆盖件。此种替代理念已经在手持式移动装置(例如媒体播放器)中工业化。因为人们需要对研磨过的玻璃表面进行显示器质量的抛光以及抛光至所需质量的工具的限制，该替代方法的设计选择仅限于需要除去少量材料的形状以及具有最简单的圆柱形和凸球形的形状。但是，移动装置的工业设计方面需要具有复杂、非圆柱形和非球形表面的玻璃覆盖件表面，这一点单纯依靠研磨和抛光工艺是不可能实现的。因此使得热再成形法成为更灵活的用来形成复杂玻璃覆盖件的方法，而且需要解决通过热再成形制造3D成形件的工艺所带来的精度不够高或者难以实现所需的边缘几何形状的问题。
发明内容
在本发明的一个方面，提供了一种制造3D玻璃制品的方法，所述方法包括在2D玻璃片材的边缘上形成至少一个标记件(步骤a)，将所述2D玻璃片材热再成形为3D玻璃制品，其中形成在所述2D玻璃片材边缘上的至少一个标记件带入(carry over)所述3D玻璃制品的边缘(步骤b)，使用所述3D玻璃制品的边缘上的至少一个标记件使得所述3D玻璃制品在支架上对齐(步骤C)，将所述3D玻璃制品的边缘精磨至最终形状和尺寸(步骤d)。在一个实施方式中，在步骤(a)中，所述至少一个标记件是凹口(notch)。在一个实施方式中，步骤(d)包括使得支架上的对齐销与所述凹口接触。在一个实施方式中，所述凹口的曲率半径大于所述对齐销的半径。在一个实施方式中，所述方法还包括在步骤(C)之前对所述3D玻璃制品进行退火。在一个实施方式中，所述方法还包括在步骤(d)之后对所述3D玻璃制品进行离子交换处理。在一个实施方式中，在步骤(b)中形成的3D玻璃制品具有两个相反的弯曲表面。在一个实施方式中，所述方法还包括在步骤(d)之前对弯曲的表面中的一个进行平面化， 形成平-弯曲的3D玻璃制品。在一个实施方式中，步骤(d)包括在所述3D玻璃制品中形成一个或多个特征件(feature)ο在一个实施方式中，步骤(d)包括对3D玻璃制品的边缘进行以下操作中的至少一种研磨、磨光和抛光。在一个实施方式中，所述方法还包括在步骤(a)之前，由较大的2D玻璃片切割所述2D玻璃片材。在一个实施方式中，步骤(b)包括使用在所述2D玻璃片材的边缘上形成的至少一个标记件，使得所述2D玻璃片材在模具上对齐。在一个实施方式中，所述使得2D玻璃片材在模具上对齐的步骤包括使得所述模具上的对齐销与所述2D玻璃片材的边缘上形成的至少一个标记件对齐。在一个实施方式中，在所述2D玻璃片材的边缘上形成的至少一个标记件是凹口。在一个实施方式中，所述凹口的曲率半径大于所述模具上的对齐销的半径。应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是本发明的示例，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图举例说明了本发明的各种实施方式，并与描述一起用来解释本发明的原理和操作。附图简述以下是结合附图进行的
。为了清楚和简明起见，附图不一定按比例绘制，附图的某些特征和某些视图可能按比例放大显示或以示意性方式显示。图I是设置在一个模具上的2D玻璃片材的俯视图。图2是图I的圆圈2-2内的放大图，显示了与2D玻璃片材边缘处形成的凹口接触的对齐销。图3显示了在卡盘内对齐用来进行边缘精磨的3D玻璃制品。图4显示了在卡盘内对齐用来进行平面化的3D玻璃制品。图5显示了平-凸面3D玻璃制品。
具体实施方式
在以下的详细描述中提出了本发明的附加特征和优点，其中的部分特性和优点对本领域的技术人员而言由所述内容而容易理解，或通过按照本文所述实施本发明而被认可。在一个方面，本发明提供了一种以低成本和精确尺寸制造具有复杂表面的3D玻璃制品的方法。该方法能够特别有效地用来形成具有非圆柱形和非球形的凸形或凹形表面的3D玻璃覆盖件。通过所述方法形成的3D玻璃覆盖件能够被安装在显示器装置预定的区域，而且不会在所述显示器装置和玻璃覆盖件之间留下不利的可以观察到的间隙。可以精密制造所述3D玻璃覆盖件，使得不需要用粘合剂对所述3D玻璃覆盖件和显示器装置之间的间隙进行填充。所述方法包括两个主要部分。第一部分是对玻璃片进行热再成形，制成所需的3D形状。第二部分是使用CNC机械工具将所述3D成形件机械加工至所需的最终尺寸。在所述方法的第一部分，在玻璃片上形成标记件，以帮助所述3D成形件在所述CNC机械加工工具内的对齐，使得可以省去昂贵的基于激光的扫描观察系统。根据本发明一个实施方式的方法制造的3D玻璃制品具有正面和背面(术语“正” 和“背”可以任意使用)。所述正面和背面都是弯曲的。所述正面和背面可以选自圆柱形、非圆柱形、球形和非球形的表面。为了形成所述3D玻璃制品，从较大的二维(2D)玻璃片切割2D玻璃片材。可以通过任意合适的方法，例如熔合拉制法，或浮法制造所述较大的2D玻璃片。熔合拉制的玻璃片的特点是具有完好的表面，因此是优选的。可以通过任意合适的方法对所述2D玻璃片材进行切割，例如通过激光切割法进行切割。在所述2D玻璃片的边缘上形成标记件。例如，所述标记件可以是使用如CNC机械工具在所述2D玻璃片材的边缘上形成的凹口。所述2D玻璃片材具有过大的尺寸，因此随后可以对边缘进行修整以除去所述凹口，也即是说，在最终的3D玻璃制品中不会出现所述凹口。将所述具有凹口(或标记件)的2D玻璃片材置于模具之上。使用对齐销使得所述2D玻璃片材在模具上对齐。可以使用倾斜模具进行角对齐的方式使得2D玻璃片材在模具上对齐，并且不会使得所述2D玻璃片材收到过份约束，所述倾斜模具如2009年11月30日提交的美国专利临时申请第61/264915号所述，其内容参考结合入本文中。然后将相同的对齐特征件从所述模具转移到所述CNC机械工具卡盘上，将在下文中进一步进行解释。图I显示了位于模具4上的2D玻璃片材2的俯视图，所述模具4上的对齐销6与所述2D玻璃片2边缘的凹口(图2所示的8)接触。图2是图I所示圆形区域2-2的放大图，显示了与凹口 8接触的对齐销6。所述凹口 8是弯曲的，其曲率半径略大于所述对齐销6的半径，使得凹口 8和对齐销6之间点接触。将所述2D玻璃片材在所述模具上对齐之后，将所述2D玻璃片材热再成形制成3D玻璃制品。热再成形包括对所述2D玻璃片材和模具进行加热。优选通过择优而快速的辐射进行加热，参见2009年6月29日提交的美国专利申请第12/493674号所述的内容，该专利文献参考结合入本文中(该申请可参见Ukrainczyk等人2010年I月7日的美国专利申请公开第US 2010/0000259A1号)。可以使用中红外加热器进行所述加热。所述择优加热是指在加热过程中，使得模具的温度显著低于所述2D玻璃片材。对于倾斜的模具，如美国专利临时申请第61/264915号所述，可以设置所述加热器，使得该加热器沿着基本垂直于所述2D玻璃片材的方向将热量射向所述2D玻璃片材。在一个实施方式中，热再成形还包括使得加热的2D玻璃片材弯垂到模具的具有一定轮廓的表面上，使得所述2D玻璃片材采取所述模具的具有一定轮廓的表面的轮廓，从而形成3D玻璃制品。当所述2D玻璃片材弯垂到所述模具的具有一定轮廓的表面上的时候，所述2D玻璃片材优选处于成形温度。所述成形温度可以在玻璃的软化点和退火点之间，或在玻璃粘度为IO7P至IO11P的温度之间。在2D玻璃片材弯垂的过程中，所述对齐销将所述2D玻璃片保持在与模具空腔边缘对齐。可以通过真空辅助所述2D玻璃片材的弯垂，将真空施加于所述模具空腔，将所述2D玻璃片材拉到所述模具的具有轮廓的表面上。热再成形不仅限于所述2D玻璃片材弯垂到所述模具的具有轮廓的表面上。在另一个实施方式中，可以通过成形柱塞将所述2D玻璃片材压入模具之内，从而完成所述热再成形。还可以使用弯垂和压制的组合来将所述2D玻璃片材成形为3D玻璃制品。所述3D玻璃制品置于模具中的同时进行冷却。可以通过以下方式进行冷却使得所述模具暴露于环境空气，或者使得冷却空气或冷却气体围绕所述模具以及3D玻璃制品循环。可以将所述3D玻璃制品冷却至低于其退火点或应变点的温度。在冷却之后，将所述3D玻璃制品从所述模具取出。然后对所述3D玻璃制品进行退火。在退火之后，将所述3D 玻璃制品置于CNC机械工具的支架(例如真空卡盘)之上。当通过机械工具对所述3D玻璃进行加工的时候，所述真空卡盘或支架保持所述3D玻璃制品。通过所述对齐销和凹口使得所述3D玻璃制品在所述卡盘(或支架)上精确对齐，与所述2D玻璃片材在模具上对齐的情况相同。例如，图3显示了安装在真空卡盘12上的3D玻璃制品10，使得所述真空卡盘12上的对齐销6与所述3D玻璃制品10边缘的凹口 8接触。可以使用一个或多个对齐销使得所述3D玻璃制品在所述卡盘上对齐。一旦例如通过真空使得所述3D玻璃制品在所述卡盘上对齐并且固定于所述卡盘，则可以将所述对齐销从所述凹口和卡盘移除。使用CNC机械工具将所述3D玻璃制品的边缘精磨至最终形状和尺寸。还可以在3D制品固定于卡盘上的时候，在所述3D玻璃制品中机械加工出其它的特征件,例如孔或狭缝。在所述边缘精磨过程中，除去所述3D玻璃制品边缘处的凹口(或标记件)。但是，如上文所述，在使用所述凹口(或标记件)和对齐销将3D玻璃制品在所述卡盘上精确设置之后，不再需要所述卡盘(或标记件)，因此这样做没有问题。在所述边缘精磨之后，可以将所述3D玻璃制品从所述卡盘取出，进行离子交换工艺。所述离子交换工艺的目的是对所述3D玻璃制品进行强化。出于该目的，所述3D玻璃制品应当由可进行离子交换的玻璃制造。可进行离子交换的玻璃是包含碱金属的玻璃，其中包含较小的碱金属离子，例如Li+和/或Na+，在离子交换过程中，这些较小的碱金属离子可以被较大的碱金属离子，例如K+，交换。合适的可进行离子交换的玻璃的例子参见美国专利申请公开第 11/888213，12/277573，12/392577，12/393241 和 12/537393号，美国专利临时申请第61/235，767和61/235，762号(全部转让给康宁有限公司(CorningIncorporated)),这些文献的内容全部参考结合入本文中。所述玻璃可以在较低的温度下进行离子交换，可以离子交换到至少30微米的深度。例如在美国专利第5，6747，90号(Araujo, Roger J.)中描述了通过离子交换强化玻璃的方法。离子交换过程通常发生在不超过玻璃的转变温度的升高的温度范围内。通过以下方式进行该操作将玻璃浸没在包含碱金属盐(通常是硝酸盐)的玻璃中，所述碱金属盐的离子大于所述玻璃中的主体碱金属离子。所述主体碱金属离子被交换为较大的碱金属离子。例如，可以将含Na+的玻璃浸在硝酸钾(KN03)熔浴中。熔浴中的较大K+将置换玻璃中的较小Na+。由于较大的碱金属离子处于之前由较小的碱金属离子占据的位点，在玻璃表面处或表面附近产生压缩应力，在玻璃内部产生张力。在离子交换操作之后，将玻璃从熔浴中取出并冷却。离子交换深度(即侵入的较大碱金属离子渗入玻璃的深度)通常约为40-300微米的数量级，通过玻璃组成和浸泡时间控制所述离子交换深度。如果适当地进行所述离子交换操作，可以形成抗划擦的玻璃表面。根据本发明另一个实施方式的方法制造的3D玻璃制品具有弯曲的正面和平坦的背面(术语“正”和“背”可以任意使用)。所述正面可以选自圆柱形、非圆柱形、球形和非球形的表面。所述制造包括弯曲的正面和平坦的背面的3D玻璃制品的方法上述制造包括弯曲正面和弯曲背面的3D玻璃制品的所有步骤，还包括对弯曲的表面平面化的另外的步骤。以上描述了将2D的玻璃片材热成形为3D玻璃制品的步骤。在热成形之后，所述3D玻璃制品具有两个相反的弯曲表面。为了形成具有弯曲的正面和平面的背面的3D玻璃制品，需要对所述两个相反的弯曲表面中的一个表面进行平面化。可以在退火之后进行所述平面化操作。所述平面化步骤包括在位于凹口位置的对齐销的帮助下(如上文关于将2D玻璃片材在模具上对齐所述的方式)将具有两个相反的弯曲表面的3D玻璃制品放置在支架上。然后通 过以下操作的适当组合对所述3D玻璃制品的一个弯曲表面进行平面化研磨(grinding)、磨光(lapping)、抛光(polishing)。研磨是固定磨料的工艺,而磨光和抛光是疏松磨料的工艺。研磨可以用来快速除去材料，然后进行磨光，使得研磨之后的表面均匀化，然后进行抛光，使得磨光之后的表面平滑化。对于研磨工艺，可以将所述3D玻璃制品放置在真空卡盘中。为了说明的目的，图4显示了位于真空卡盘16中的3D玻璃制品14，所述真空卡盘16具有一定轮廓以容纳所述3D玻璃制品。通过所述真空卡盘上的对齐销15使得所述3D玻璃制品14在所述真空卡盘16内对齐。所述对齐销15在所述3D玻璃制品14的边缘处与所述凹口 17啮合(engage)(如上文所述，所述凹口从所述2D玻璃片带入成形的3D玻璃制品中)。一旦通过真空使得所述3D玻璃制品14保持就位，则可将所述对齐销15从所述凹口 17和真空卡盘16除去。然后，可以通过研磨、磨光和抛光的任意合适的组合将所述3D玻璃制品14的弯曲表面18平面化，例如形成虚线20所示的平面。在磨光和抛光过程中，可能需要不同于真空卡盘16的承载体。图5显示了平面化之后的3D玻璃制品14。现在，所述3D玻璃制品14具有平面-凸形的形状。可以通过类似的方式制造具有平面-凹形形状的3D玻璃制品。在平面化步骤之后，按照以上所述用来制造具有弯曲正面和弯曲背面的3D玻璃制品的方法进行剩下的操作。尽管已经就有限数量的实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员在了解本发明的益处的基础上可以理解，在不偏离本文所揭示的本发明范围的前提下，可以设计出其他的实施方式。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求书限定。
权利要求
1.一种制造三维(3D)玻璃制品的方法，其包括 (a)在二维(2D)玻璃片材的边缘上形成至少一个标记件； (b)将所述2D玻璃片材热再成形为3D玻璃制品，其中所述2D玻璃片材的边缘上形成的至少一个标记件被带入所述3D玻璃制品的一个边缘上； (c)使用位于所述3D玻璃制品的边缘上的至少一个标记件使得所述3D玻璃制品在支架上对齐；以及 (d)将所述3D玻璃制品的边缘精磨至最终形状和尺寸。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)中的至少一个标记件是凹口。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)包括使得所述支架上的对齐销与所述凹口接触。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述凹口的曲率半径大于所述支架上的对齐销的半径。
5.如权利要求I所述的方法，所述方法还包括在步骤(c)之前对所述3D玻璃制品进行退火。
6.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在步骤(d)之后对所述3D玻璃制品进行离子交换处理。
7.如权利要求I所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中形成的3D玻璃制品具有两个相反的弯曲表面。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在步骤(d)之前对弯曲的表面中的一个进行平面化，形成平-弯曲的3D玻璃制品。
9.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤(d)包括在所述3D玻璃制品中形成一个或多个特征件。
10.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤(d)包括对3D玻璃制品的边缘进行以下操作中的至少一种研磨、磨光和抛光。
11.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在步骤(a)之前，由较大的2D玻璃片切割所述2D玻璃片材。
12.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括使用在所述2D玻璃片材的边缘上形成的至少一个标记件，使得所述2D玻璃片材在模具上对齐。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述使得2D玻璃片材在模具上对齐的步骤包括使得所述模具上的对齐销与所述2D玻璃片材的边缘上形成的至少一个标记件对齐。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述2D玻璃片材的边缘上形成的至少一个标记件是凹口。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述凹口的曲率半径大于所述模具上的对齐销的半径。
全文摘要
一种制造3D玻璃制品的方法，包括在2D玻璃片材的边缘上形成至少一个标记件。将所述2D玻璃片材热再成形为3D玻璃制品,其中所述2D玻璃片材的边缘上形成的至少一个标记件被带入所述3D玻璃制品的一个边缘上。使用位于所述3D玻璃制品的边缘上的至少一个标记件使得所述3D玻璃制品在支架上对齐。然后，将所述3D玻璃制品的边缘精磨至最终形状和尺寸。
文档编号C03B23/025GK102883856SQ201180022499
公开日2013年1月16日 申请日期2011年5月2日 优先权日2010年5月3日
发明者T·A·基布勒, R·萨比亚, L·尤克雷辛克 申请人:康宁股份有限公司