相关申请的交叉引用
本申请依据35u.s.c.§119要求于2015年6月16日提交的系列号为62/180173的美国临时申请的优先权的权益，本文以该申请的内容为基础并通过引用将其全文纳入本文。
背景
本公开一般涉及用于热控制翘曲的系统和方法，更具体而言，涉及形成三维玻璃材料的实施方式以使得翘曲得到控制。
背景技术：
客户对用于手持式显示装置的三维(非平面)玻璃盖板越来越感兴趣。具体来说，目前，这些装置中的许多装置包括三维玻璃材料，该三维玻璃材料包含90度(或其他角)弯部以覆盖显示装置的不止一个表面。因此，这些弯部一般具有极小的弯曲半径。在需要这些三维玻璃盖板的情况下，由于玻璃盖板的平坦度和形状所允许的容差较小，因此将玻璃材料成形成所需形状可能是困难的。
在现有的许多成形方案中，在受控的环境中将玻璃材料加热到低粘度以使得玻璃材料在较短的时间内可顺应成形模具。随着玻璃冷却到室温，通常存在于玻璃中的热梯度产生了不期望的翘曲。另外，由于在加工玻璃材料期间的热循环，成形模具可能翘曲，这可进一步增加玻璃材料的不期望的翘曲。此外，对玻璃材料进行的后续处理，例如玻璃材料的离子交换强化，还可能造成玻璃材料的不期望的变形。因此，在技术上存在需要。
技术实现要素：
本文公开的实施方式提供了用于控制材料翘曲的方法，所述方法包括将成形模具置于加热装置中，使玻璃材料成形为成形模具的形状，以及将玻璃材料和成形模具冷却到玻璃材料的预定粘度。一些实施方式包括在从加热装置中移除玻璃材料和成形模具之前的预定时间，将玻璃保持在加热装置中的模具处，其中加热装置温度基本上等于刚好离开加热装置进入到环境温度之前的模具和玻璃温度。一些实施方式包括从加热装置中移除玻璃材料和成形模具以在环境温度下进一步冷却玻璃材料和成形模具，其中，在从加热装置中移除玻璃材料和成形模具后，玻璃材料将表现出所需的材料翘曲。
本文公开的另一种方法的实施方式可以包括将玻璃材料形成成形模具的形状，其中，将成形模具和玻璃材料置于加热装置中，其中，成形模具包括中心区段和边缘，并且其中，加热玻璃材料和成形模具以在边缘和中心区段之间形成预定的温差。一些实施方式可以包括将玻璃材料和成形模具冷却到玻璃材料的预定粘度，其中，保持边缘与中心区段之间的预定的温差。一些实施方式包括在从加热装置中移除玻璃材料和成形模具之前的预定时间，使玻璃材料和成形模具进一步冷却，以使得成形模具的温度基本上等于加热装置的温度。类似地，一些实施方式包括从加热装置中移除玻璃材料和成形模具以在环境温度下进一步冷却玻璃材料和成形模具，其中，在从加热装置中移除玻璃材料和成形模具后，玻璃材料将表现出所需的材料翘曲。
本文公开的系统的实施方式包括加热装置，所述加热装置包括加热元件和冷却元件，以及用于接受玻璃材料以将其模塑成预定的三维构造的成形模具。成形模具可以包括中心区段和边缘。可以对系统进行构造以通过加热元件加热玻璃材料和成形模具来使玻璃材料形成预定的构造，以使得边缘与中心区段之间具有预定的温差。所述系统可以通过冷却元件将玻璃材料和成形模具进一步冷却到玻璃材料的预定粘度，并且其中保持边缘与中心区段之间的预定的温差。一些实施方式还可以在从加热装置中移除玻璃材料和成形模具之前，通过冷却元件使玻璃材料和成形模具进一步冷却预定量的时间，以使得成形模具的温度基本上等于在预定量的时间期间加热装置的温度；以及从加热装置中移除玻璃材料和成形模具以在环境温度下进一步冷却玻璃材料和成形模具，其中，在从加热装置中移除玻璃材料和成形模具之后，玻璃材料将表现出所需的材料翘曲。
在以下的具体实施方式中给出了附加特征和优点，通过所作的描述，其中的部分特征和优点对于本领域的技术人员而言是显而易见的，或者通过实施包括以下具体实施方式、权利要求书以及附图在内的本文所描述的实施方式而被认识。
附图简要说明
应理解，前述的一般性描述和下文的详细描述都描述了各个实施方式且都旨在提供用于理解所要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各个实施方式的进一步理解，附图并入本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了本文所描述的各个实施方式，且与说明书一起用于解释所要求保护的主题的原理和操作。
图1a和1b描述了根据本文公开的一些实施方式的分别具有碟形构造和橇形(sled)构造的玻璃材料的实施方式；
图2a-2c描述了根据本文公开的一些实施方式的在成形工艺期间玻璃材料可能经历的翘曲的实施方式；
图3描述了根据本文描述的一些实施方式的具有成形模具和玻璃材料的加热装置；
图4描述了根据本文描述的一些实施方式的用于热控制玻璃材料翘曲的方法；以及
图5描述了根据本文描述的一些实施方式的用于热控制玻璃材料翘曲的另一种方法。
具体实施方式
本文公开的实施方式涉及用于热控制三维玻璃材料的翘曲的系统和方法。具体而言，构造本文描述的实施方式以使得当成形模具和玻璃材料离开加热装置时，由于玻璃的非模具侧暴露于室温空气而在玻璃材料中形成大的温度梯度。该温度梯度可以提供驱动力用于使玻璃材料与成形模具分离并且获得与在室温下所需的形状不相同的形状。另外，在一些实施方式中，冷却阶段期间的加热装置的温度低于成形模具的温度以允许冷却更加快速以及随后的循环更短。这样的实施方式——其中在冷却期间加热装置比成形模具更冷——可提供促进不期望的翘曲的温度梯度。因此，当玻璃材料即将离开加热装置进入环境温度环境时，可以通过关注温度梯度来管理翘曲，同时允许不利的温度梯度出现在冷却的较早期中(以使得冷却更快和循环更短)。为了满足终产品的形状容差，可以构造本文描述的实施方式以在玻璃材料进行离子交换工艺时赋予玻璃材料正翘曲，或者在玻璃材料不进行离子交换工艺时减少不期望的翘曲。根据实施方式，不期望的翘曲可以包括任何量的负翘曲或大于预定量的负翘曲。负翘曲可以是指已经在凹形成形模具上成形的玻璃材料的翘曲(例如，其中玻璃材料在成形模具的内侧或凹侧上形成)并且翘曲也在凹形方向上。类似地，一些实施方式可以使用凸形成形模具(例如，其中玻璃材料在成形模具的外侧或凸侧上形成)。在使用凸形模具的一些实施方式中，不期望的翘曲可在正方向上或在凸形方向上。虽然本文描述的实施方式使用凹形模具，因此不期望的翘曲可以为负翘曲并且期望的翘曲可以为非负翘曲或正翘曲，但是这些仅是实例。
现在参考附图，根据本文公开的实施方式，图1a和1b描述了具有碟形构造100a和橇形构造100b的玻璃材料100的实施方式。如图1a所例示的，碟形构造100a包括平坦或近于平坦的中心区域，同时全部四个外缘均弯曲以提供三维属性。在图1b中，三维属性通过橇形构造100b实现，所述橇形构造100b包含平坦或近于平坦的中心部分和仅有的两个弯曲的相对外缘。如在下文更加详细论述的，通过对玻璃材料的平面片材(预制件)进行热机械加工，可以将这些三维玻璃材料形成图形描述的实施方式(和/或其他实施方式)。可以将玻璃预制件放置在适当成形的模具304(图3)上，并且可以在加热装置302(例如炉)中加热玻璃-模具组件(图3)。可以将玻璃材料100和成形模具304加热到一定的温度，在所述一定的温度下，玻璃材料100的粘度足够低以根据成形模具304对玻璃材料100进行成形。
然后通过施加机械力迫使玻璃材料100顺应成形模具304。取决于具体的实施方式，机械力可以包括真空、气体/空气压力和/或通过互补模具施加的压力(在两模具压制工艺中)。在经过了预定的时间后，可以移除在玻璃材料100上的顺应力(conformingforce)，并且在之后的时间和较低的温度下，可以从成形模具304中卸载玻璃材料100。随着玻璃材料100已经与成形模具304分离，可以将玻璃材料100进一步冷却到室温。取决于实施方式，这些热机械成形工艺可以是非等温的或等温的。可以构造非等温成形工艺以使玻璃材料100的不同区域经受不同的温度。这允许相对更短的循环时间，并且盖板玻璃的显示区域的外观质量更高同时形成具有小半径的弯部(例如通过在弯部处具有比玻璃制品的中心区域更低的粘度/更高的温度来实现)。
此外，可以随后对玻璃材料100进行退火以改善机械加工性、减少应力/应力双折射和/或改善离子交换工艺中的压缩应力。在退火期间成形应力的松弛也可伴随着翘曲。具体而言，该退火翘曲还可加剧玻璃材料100的形状偏离期望的容差。因此，本文描述了在非等温成形工艺中控制翘曲和应力以达到客户要求的形状容差的实施方式。所述实施方式可以适用于不同形状的玻璃材料100，包括具有最小弯曲半径(例如小于约5毫米，但是在一些实施方式中，可在约2毫米至约10毫米的范围内或在约10毫米至约1000毫米的范围内)的弯部的实施方式，这对于盖板玻璃的客户来说是更大的兴趣所在。
图2a-2c描述了根据本文公开的一些实施方式的在成形工艺期间玻璃材料100可能经历的翘曲的实施方式。具体而言，图2a描述了根据本文描述的一些实施方式的玻璃材料100的穹顶形负翘曲202a。具体而言，许多使用非等温成形工艺的现有方案通常具有穹顶形负翘曲。如上文所论述的，凹形模具的负翘曲包括在凹形方向上的玻璃材料100的翘曲(例如向玻璃材料100的内部翘曲)。这可能是不期望的成形，因为负翘曲常超过玻璃材料100的平坦度的最大阈值，并且随后对玻璃材料100进行的加工(例如进行离子交换工艺)可导致玻璃材料100进一步负翘曲。
图2b描述了玻璃材料100的正翘曲202b。具体而言，可以构造本文描述的实施方式以提供可接受的翘曲(方向和程度)，从而使得在玻璃材料100完成了所有的加工后，玻璃材料100的形状和翘曲将在可接受的阈值内。如图所例示的，正翘曲为玻璃材料沿凹形方向或远离玻璃材料100的内部的方向变形。
图2c描述了在成形工艺中已经实现了正翘曲202b，然后进行离子交换工艺之后发生的玻璃材料100的翘曲202c。明显的是，翘曲202c可以具有零翘曲或者为正或负的翘曲202c，但是该正或负的翘曲202c在终产品的可接受的容差和阈值内。
因此，关注模具离开炉时的温度和温度梯度，本文描述的实施方式实现了玻璃材料100的中心正翘曲。因为这些实施方式允许模具在远高于玻璃材料100的退火点的温度下离开加热装置302并且仍然具有恰好的形状，因此，可使成形循环更短。另外，本文描述的实施方式对于大多数的冷却来说，通过允许加热装置302(图3)的温度低于成形模具304的温度，促进了更快的冷却，并因此使循环时间更短。这些实施方式对于小半径和大半径的形状均表现良好，并且已经成功地验证了各种形状的玻璃材料100。
图3描述了根据本文描述的一些实施方式的具有成形模具304和玻璃材料100的加热装置302。如图所例示的，将玻璃材料100的平坦片材(预制件)置于所需形状的成形模具304(阴模)上并且在加热装置302中进行加热。加热装置302可以包括设置在成形模具304上方的加热元件306并且构造该加热元件306以将预制件和成形模具304加热到高温(和/或低粘度)。加热装置302可以包括真空装置、空气装置和/或用于进一步模塑玻璃材料100的压力装置。设置加热元件306(可以包括一个或多个加热元件)以加热成形模具304和玻璃材料100。如下文所述，如果加热元件306的温度低于成形模具304的温度，则可以不使用冷却元件308来冷却成形模具304和玻璃材料100。无论如何，通过施加真空压力、空气压力或来自互补模具的力迫使玻璃材料100顺应模具。然后将玻璃材料100和成形模具304冷却到它们可离开加热装置302的温度，并且进一步冷却到可以从成形模具304中卸载玻璃材料100的第二低温。接着可以使玻璃材料100独立于成形模具304而进一步冷却到室温。
图3中还包括冷却元件308。可以构造冷却元件308以在成形工艺期间进一步施加真空压力，和/或可以在冷却工艺期间冷却成形模具304(例如通过空气冷却、液体冷却等)。
在一个实施方式中，一旦玻璃片材完全顺应模具表面，则在炉中使玻璃-模具组件冷却固定的时间，该固定的时间视总的循环时间而定。通过使加热装置302的温度低于成形模具304的温度进行冷却，和/或使用冷却元件308，利用与玻璃相对侧上的模具接触的流体冷却部分进行冷却。在模具下方的冷却元件308中的流体的流动速率可以首先保持在小的值(例如对于约200毫米乘以125毫米乘以25毫米的金属模具来说为约15标准升每分钟)，以使得成形的玻璃材料100中的应力是低应力。为了在固定的冷却时间内促进低的模具出口温度，当加热装置302的温度基本上等于模具温度时，在成形模具304离开加热装置302之前的最后约15秒之外，可以降低加热装置302的温度。在玻璃-模具组件离开加热装置302之后，可以从成形模具304中卸载玻璃材料100，然后允许冷却到室温。如果成形的玻璃材料100在室温下具有不期望的翘曲[例如负翘曲(或者不充分的正翘曲)]，则在成形模具304离开加热装置302之前，可以使加热装置302的温度与成形模具304的温度匹配更长时间(例如约30秒)。然后，成形的玻璃材料100可以具有更少的负(或更加正的)翘曲。
作为一个实例，构造一些实施方式以使得用约15秒的指示时间(indextime)在加热装置302中形成碟形构造100a，该碟形构造100a具有约100微米的碗形翘曲。指示时间可以包括成形模具304在具有多个用于加热和冷却的模块的加热装置302中停留的持续时间。在高于退火点约36摄氏度的模具出口温度(粘度为约1012.2泊)下产生(翘曲)幅度。最后的模块的温度比成形模具304(图3)的温度高2摄氏度。成形模具304(尺寸为约200毫米乘以约125毫米乘以约25毫米)的边缘比中心热约25摄氏度。在另一个实例中，在高于退火点约20摄氏度至约50摄氏度的模具出口温度(例如1011.75泊<粘度<1012.75泊)下可以产生约50微米至约150微米的翘曲幅度。最后的模块的温度比成形模具304的温度高0摄氏度至约10摄氏度。此外，成形模具304(尺寸为约200毫米乘以约125毫米乘以约25毫米)的边缘比中心热约5摄氏度至约20摄氏度。
为了进一步减少不期望的翘曲，例如负翘曲(或增加正翘曲)，由于模具边缘比中心加热得更快，因此可通过在逐渐更长的持续时间内升高加热装置302的温度来增加中心至边缘的温差。另一个实施方式可以在冷却的至少部分时间内，将加热装置302的温度设定为远低于成形模具304的温度，由于成形模具304的边缘比中心冷却得更快，因此减少了中心至边缘的温差。在现有的方案中，当加热装置306的温度下降到低于成形模具304的温度时，目标可以为提高冷却速率以及降低加热装置306出口处的成形模具304的温度。中心至边缘的温差减小(因为边缘冷却得更快)通常是不期望的结果。因此，可以构造一些实施方式以提高加热装置302的温度，这导致中心至边缘的温差更高，从而促进了正翘曲。
另一个实施方式可以包括使模具侧的冷却增加。具体而言，通过使用仅接触成形模具304中心部分的冷却元件308来选择性地冷却成形模具304的中心区域，可增加中心至边缘的温差。除了引起所需的温差，使模具侧的冷却增加也降低了成形模具304的出口温度。这两个因素有助于减少不期望的翘曲。冷却元件308的一个实例为空气冷却的金属室，其被置于紧邻成形模具304，或者与成形模具304接触。通过冷却元件308的空气的流动速率控制了除热速率。
在一些实施方式中，可以选择性地加热成形模具304的边缘。具体而言，通过在冷却期间将加热元件306放置在边缘附近(或者嵌入成形模具304中，或者在成形模具304的外侧)，可以相对于中心加热边缘。
图4描述了根据本文描述的一些实施方式的用于控制玻璃材料100翘曲的方法。如在方框450中所例示的，可以将成形模具304和玻璃材料100放置在加热装置302中。在方框452中，可以根据成形模具304对玻璃材料100进行成形。具体而言，可以在粘性温度范围内，在应力松弛时间(可以通过粘度除以剪切模量计算)小于1秒温度下，使玻璃材料100成形至成形模具304，以使得在3秒内释放高于95％的应力。
在方框454中，可以冷却玻璃材料100和成形模具304。作为一个实例，可以在加热装置302中冷却玻璃材料100和成形模具304以使得玻璃材料100达到约1011.81泊至约1012.47泊的粘度。在一些实施方式中，温度可以比1011.81泊时的退火点高约小于50摄氏度。在一些实施方式中，粘度可以大于约1012.13泊，同时温度比退火点高约小于40摄氏度。在一些实施方式中，粘度可以大于约1012.47泊，同时温度比退火点高约小于30摄氏度。在一些实施方式中，当从加热装置中移除玻璃材料和成形模具时，将玻璃材料和成形模具冷却到某一温度，该温度比对应约1013.2泊玻璃粘度的温度高约0摄氏度至约50摄氏度。然后可以将玻璃材料100和成形模具304移出加热炉并移入室温环境。
无论如何，在方框456中，可以将玻璃材料100保持在预定的温度。在成形和冷却期间，特别是随着玻璃离开加热装置302并进入室温环境，成形模具304的边缘可以比中心热。视实施方式而定，这一温差可以为约0摄氏度或者可以在约0摄氏度至大于约15摄氏度。对于预定的时间——该预定的时间可以为玻璃离开炉并进入室温环境前的至少约15秒至约30秒，可以在加热装置302的温度基本上等于成形模具304的温度的情况下冷却玻璃材料100。例如，基本上等于可以包括加热装置302和成形模具304的温度可以具有5％或更小、4％或更小、3％或更小、2％或更小或者1％或更小的差异。在一些实施方式中，在约最后的15秒内，加热装置302可以比模具高约5摄氏度至约10摄氏度。
在方框458中，可以从加热装置302中移除玻璃材料100。在离开加热装置302之后，可以用凹侧上的成形模具304和另一侧上的室温空气冷却玻璃材料100，冷却约15秒至约30秒。在方框460中，接着可以使玻璃材料100脱离成形模具304并冷却到室温。
应理解，可以构造一些实施方式以通过向成形模具304施加冷却来冷却玻璃材料100和成形模具304。这可以被构造成扇或其他冷却机制以提供所述冷却。
因此，图4的方法的实施方式允许在高于玻璃材料100的退火点约30摄氏度至约50摄氏度的温度下，使成形模具304离开加热装置302。这允许短的循环时间(在一些实施方式中，约为6分钟)。另外，通过改变加热装置302的温度及改变成形模具304的冷却，可以控制玻璃材料100中的温度梯度。通过调节这两个参数可同时管理应力和翘曲。
图5描述了根据本文描述的一些实施方式的用于热控制玻璃材料100翘曲的另一种方法。如在方框550中所例示的，可以对玻璃材料100进行成形以适应成形模具304，其中，将成形模具304和玻璃材料100放置到加热装置302中，并且其中成形模具304包含中心区段和边缘。在一些实施方式中，加热玻璃材料100和成形模具304以在边缘和中心区段之间形成预定的温差。在方框552中，可以将玻璃材料100和成形模具304冷却到玻璃材料100的预定粘度，其中，保持边缘与中心区段之间的预定的温差。在一些实施方式中，当玻璃材料顺应成形模具304时，温差为比中心区段高约5摄氏度至约50摄氏度，并且在从加热装置302中离开时，温差为比中心区段高约0摄氏度至约15摄氏度。
在方框554中，在从加热装置302中移除玻璃材料100和成形模具304之前的预定时间，可以使玻璃材料100和成形模具304冷却，以使得成形模具304的温度基本上等于加热装置302的温度。例如，基本上等于可以包括加热装置302和成形模具304的温度具有5％或更小、4％或更小、3％或更小、2％或更小或者1％或更小的差异。在方框556中，可以从加热装置302中移除玻璃材料100和成形模具304以在环境温度下(或者以另外的方式暴露于环境空气中)进一步冷却玻璃材料100和成形模具304，其中，在从加热装置302中移除玻璃材料100和成形模具304后，玻璃材料100将表现所受控的或所需的材料翘曲。
因此，可以构造本文描述的实施方式以将三维玻璃材料形成为对于小半径和大半径来说均具有紧密形状容差。这些实施方式可以通过赋予反向翘曲用于抵消在下游工艺(例如边缘机械加工和离子交换)中玻璃材料100的翘曲。还可以构造实施方式以形成具有所需形状的玻璃材料，即使成形模具304因热循环而翘曲。还可以构造一些实施方式以通过在较高的温度下(例如比玻璃材料100的退火点高约30摄氏度至约50摄氏度)卸载玻璃材料100来缩短循环时间(和使产率提高)。实施方式还可以允许冷却更加快速，这取决于主要靠近炉出口或向着粘弹性-弹性边界的温度梯度而不是取决于在整个粘弹性温度范围内的温度梯度。这允许更快地冷却玻璃材料100和成形模具304。还可以构造实施方式以管理玻璃材料的成形部位中的应力。具体而言，可对成形部位进行机械加工以具有客户需要的边缘几何结构；在最终的产品装置上具有狭槽和孔特征。
对本领域的技术人员显而易见的是，可以对本文所述的实施方式进行各种修改和变动而不偏离要求保护的主题的精神和范围。因此，本说明书旨在涵盖本文所述的各种实施方式的修改和变化形式，只要这些修改和变化形式落在所附权利要求及其等同内容的范围之内。