專利名稱：成形熱塑性薄片及其類似物的方法
成形熱塑性薄片及其類似物的方法 相關(guān)的文獻
在此要求美國臨時申請No.60/808475(申請日2006年5月25曰， 發(fā)明名稱THERMAL SHAPING OF THIN GLASS SUBSTRATES USING POROUS MEDIA)的權(quán)益，該文獻整個在此引入作為參考。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及到玻璃薄片和熱塑性材料薄片的成形，其使用熱來軟 化該薄片，并使用流體或者氣體來對它進行成形。作為此處使用的， 術(shù)語熱塑性材料指的是其粘度作為溫度的函數(shù)而變化的任何材料，包 括硅酸鹽玻璃例如硼硅酸鹽玻璃和熔融石英，和聚合物材料例如聚甲 基丙烯酸曱酯(PMMA)。
玻璃薄片被用于廣泛的應(yīng)用范圍中，例如平板顯示器、硬盤驅(qū)動 器、汽車擋風玻璃、裝飾品和x射線望遠鏡的光學元件。不同的應(yīng)用 需要不同的薄片最終形狀公差。平板顯示器和空間望遠鏡工業(yè)需要很 薄的片來使重量最小，而用于這樣的應(yīng)用中的基材需要在它們的厚度 均勻性和表面平坦度方面嚴格的公差，目的是滿足每個領(lǐng)域所需的規(guī) 格。
在液晶平板顯示器的例子中，兩個玻璃薄片被小于10pm厚度的 小間隙隔開，在此將該間隙用液晶填充。為了防止顯示器的不均勻 (mura)例如顏色不均勻或者對比度不均勻以及為了賦予彩色液晶顯示 器良好的顯示性能例如均勻顯示、高對比率和寬的視角，人們必須保 持兩個玻璃薄片之間的間隙的恒定和均 一 。當所用的玻璃薄片具有波 狀表面時(其導(dǎo)致了間隙尺寸的變化)，這變成了一種挑戰(zhàn)。
通過加熱和使材料重力垂流(sag)到模具或者夾具(mandrel)中來成 形玻璃和熱塑性材料是公知的。這種方法也^t稱作塌落(slumping)。將 工件溫度升高到接近它的軟化點，并通過重力作用將加熱薄片垂流來 共形于模具的形狀，其可以是任何通常的形狀。 一些方法使用重力之 外的力，例如真空或者可移動的在熱塑性薄片表面上的活塞(plunger) 來便于和加快成形加工。在這種方法中重要的是模具由這樣的材料制
5成該材料能夠經(jīng)受高于薄片軟化溫度的溫度而沒有損壞或明顯的變 形。在達到期望的形狀之后，將薄片和模具緩慢的冷卻到薄片的軟化 溫度以下，產(chǎn)生凝固成期望形狀的熱塑性材料。
在任何形狀的并且它的表面已經(jīng)研磨和拋光成為期望公差的夾
具(mandrel)上的塌落可以用作 一 種提高熱塑性薄片的表面平坦度的 方法。使用不同的方法(例如浮法、熔融法和狹縫拉伸(slot-draw)方法) 制造的玻璃薄片通常被用作平板顯示器和空間望遠鏡的基材。當形成 玻璃時，狹縫拉伸和熔融方法具有在玻璃薄片和任何的工具之間的最 小的接觸或者沒有接觸。這對于平板顯示器工業(yè)來說是特別重要的， 因為它消除了雜質(zhì)的引入或者玻璃薄片的損壞，使其產(chǎn)生純凈和光滑 的和燒邊(fire-polished)質(zhì)量的表面。
塌落這樣的玻璃或者熱塑性薄片到夾具上來改變薄片的形狀或 者來提高它的平坦度會危及該薄片的表面質(zhì)量。與塌落加工所需的高 溫夾具的接觸會損傷薄片的表面。夾在薄片和夾具之間的灰塵粒子和 其他顆粒雜質(zhì)或者細小的污染物材料的存在會導(dǎo)致在塌落之后在薄 片最終表面中的波紋。在生產(chǎn)環(huán)境中從夾具和熱塑性薄片的表面上除 去全部的灰塵粒子和污染物可能是困難的。
在某些例子中，灰塵粒子的完全除去，例如通過徹底的清潔和使 用潔凈室環(huán)境，會產(chǎn)生夾具與所形成的工件的熔接。例如，參見Ralf K.Heilmann等人，Novel Methods for Shaping thin-foil optics for x-ray astronomy, Proc.SPIE,第4496巻(2001)。夾具與工件的炫4矣還會由 過長的或者在過高的溫度進行的塌落過程而產(chǎn)生。這種問題對于玻璃 和熱塑性塑料模塑領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是公知的。例如，玻璃領(lǐng)域技 術(shù)人員通常將一種薄涂層施涂到由細小的難熔粒子的漿料制成的模 具上來防止在塌落過程中的粘連。對于另外一種例子，有機脫模劑的 薄涂層通常在熱塑性聚合物的形成過程中被施用到模具上來防止粘 連。對于另外一種例子，石墨脫模劑通常被用于在汽車擋風玻璃形成 過程中所用的模具上。但是，在全部的這些例子中，涂層的粗糙度和 上述的粒子以及其他表面污染物的作用會危及最終的產(chǎn)品的形狀和 表面質(zhì)量。
本發(fā)明通過在薄片和夾具之間引入移動的流體例如空氣的薄膜 來消除工件與夾具接觸的不良后果。該夾具因此充當了一種流體承載物(bearing),所承載(bearing)的流體是液體或者氣體。重要的是選擇能 夠經(jīng)受所述加工所需高溫的流體，該溫度必須超過熱塑'性材料的軟化 溫度。例如，對于聚合物材料來說，該流體可以是水或者油。對于硼 硅酸鹽玻璃來說，該流體可以是氣體例如空氣或者氮氣。
同樣重要的是將夾具和薄片之間的間隙控制到大于通常在生產(chǎn) 環(huán)境中的顆粒雜質(zhì)的最大尺寸的尺寸。這種條件使得流體薄層能夠包 裹或者吸收雜質(zhì)粒子，因此防止了這樣的粒子或者表面污染物傳遞到 夾具和工件之間的力。該流體層還提供了玻璃或者熱塑性材料表面成 形所需的力。
本發(fā)明一個主要的目標是克服用于成形玻璃薄片或者熱塑性材 料薄片的已知方法的上述缺點。
本發(fā)明另外 一個目標是通過使用來自在薄片和參比夾具之間所 夾的流體例如空氣的移動層的力來在流體承載物上成形玻璃薄片或 者熱塑性材料薄片。該流體承載物可以由多孔材料或者由機器制造的 或者加工的材料來制成。
發(fā)明概述
本發(fā)明涉及通過使用來自夾在薄片和夾具之間的流體例如空氣 的層的力來成形玻璃或者熱塑性材料薄片的方法和設(shè)備。當所述體系 處于熱平衡時，該成形方法是在接近熱塑性薄片軟化點的溫度進行。 因此通過這種方法而實現(xiàn)的形狀通過緩慢冷卻通過材料軟化點而保 持在薄片中?？諝獬休d物夾具的形狀對于熱塑性材料最終形狀的控制 是非常重要的；但是它不是唯一的控制因素。在薄片和夾具之間所夾 的流體的壓力分布(pressure profile)是控制薄片最終形狀的另外 一種 重要因素。
本發(fā)明的一種方法可以在薄片的一個表面上進行，目的是使來自 空氣層的力作用到薄片的一個表面上。本發(fā)明的一種方法還可以在薄 片的兩個表面上進行，目的是使得來自空氣層的力作用到薄片的兩個 表面上。該雙構(gòu)造提供了不同的所形成的玻璃或者熱塑性薄片的結(jié) 果。如果當薄片在連續(xù)的加工例如熔融和狹縫拉伸方法(其用來制造平 板顯示器工業(yè)所用的薄片)中制造時使用，則在薄片的兩個表面上使用 這樣的方法對于提高薄片的平坦度是特別有用的。流體的壓
力分布是重要的。在薄片和夾具之間所夾的流體的壓力分布是另外一 種決定所形成的薄片最終形狀的因素。通常，越小的間隙導(dǎo)致通過間 隙中的流體賦予越大的粘性力到玻璃或者熱塑性材料薄片上。壓力分 布取決于夾具的形狀、夾具和薄片之間的空氣間隙尺寸和在夾具和薄 片之間擠壓的流體所提供的壓力。這些原則將從下面的優(yōu)選的實施方 案以及相結(jié)合的附圖描述中而變得更加顯而易見。


圖1是一種垂直構(gòu)造的透視圖，其代表本發(fā)明的第一實施方案， 在這里熱塑性薄片被在兩個夾具之間擠壓，同時吹過兩個夾具的加熱
的空氣成形薄片的表面；
圖2是圖1中同樣的實施方案的側(cè)截面圖，在沒有夾具滑動機構(gòu) 的情況下表示；
圖3是一種具有機加工凹槽的夾具的透視圖4是一種垂直構(gòu)造的側(cè)視圖，其代表本發(fā)明的第二實施方案， 在這里兩個夾具被放置在波形熱塑性薄片例如玻璃的兩側(cè)，同時它使 用連續(xù)的方法來制造，在其中加熱的空氣吹過夾具并靠著玻璃薄片來 對其進行成形；
圖5是本發(fā)明第三實施方案的垂直構(gòu)造的側(cè)視圖，這里兩個夾具 被放置在玻璃或者熱塑性薄片的兩側(cè)，并且從薄片下端引入加熱的空 氣來與該薄片平行流動，對其進行成形并從上端排出；
圖6是本發(fā)明第四實施方案水平構(gòu)造的側(cè)視圖，這里熱塑性薄片 例如玻璃被放在一個平的夾具的上面，并且空氣吹過夾具來承載該薄 片的重量，并對其進行成形；
圖7是圖6的實施方案的側(cè)視圖，這里示意了玻璃通過吹過夾具 并靠著玻璃薄片的空氣而成形；
圖8是本發(fā)明第五實施方案水平構(gòu)造的側(cè)視圖，這里將熱塑性薄 片放在一個曲面的夾具上面，該夾具在這個圖中被表示為凸起的，在 熱塑性薄片由于在高溫時自身重量的作用下垂流(sag)之后，將空氣吹 過夾具來成形該熱塑性薄片；
圖9是圖8相同的實施方案的側(cè)視圖，這里示意了玻璃通過吹過
8夾具并靠著玻璃薄片的空氣而成形；和
圖10是本發(fā)明一種實施方案的側(cè)視圖，其以連續(xù)的方式來成形 不連續(xù)的薄片。
發(fā)明詳述
根據(jù)本發(fā)明的熱塑性材料成形方法包括通過使用在薄片和預(yù)成 形的空氣承載物夾具之間所夾的流體例如空氣的層來成形熱塑性材 料薄片。該熱塑性材料必須被加熱到接近它的軟化點的溫度。對于玻
璃的情況，該溫度可能典型的是400。C-800。C。使用爐子來控制薄片、 空氣承載物夾具和成形空氣的溫度，目的是該成形加工是在接近熱平 衡來進行的。
圖1表示了第一實施方案的透視圖，其將一個薄片放置在兩個空 氣承載物之間，該空氣承載物在相對于重力垂直平面上定向。圖2是 所述的同樣的實施方案的截面圖，沒有滑動承載物結(jié)構(gòu)。期望的結(jié)果 是提高玻璃或者熱塑性薄片6的表面平坦度。 一種優(yōu)選的薄片材料是 硼硅酸鹽玻璃SchottD263T，其典型地制造成具有與其厚度相當?shù)穆N 曲。
這種實施方案是在能夠隨時容納一個薄片的設(shè)備上進行的?？諝?承載物夾具3可以由陶瓷或難熔材料制成，雖然也可以使用金屬。一 種優(yōu)選的材料是多孔氧化鋁陶瓷。夾具3是由多孔材料制成，該多孔 材料的前表面5已經(jīng)進行了研磨并被磨平(lapped)到被加工的玻璃或 者熱塑性薄片6所期望達到的平坦度。該多孔材料的側(cè)壁ll使用高 溫釉料來密封以避免空氣泄漏。
一種將陶瓷夾具3結(jié)合到高壓結(jié)構(gòu)(plenum structure) 9的方式是 通過已知的高溫粘結(jié)劑結(jié)合方法例如銅焊或者熔結(jié)結(jié)合來進行的。還 可以選擇使用螺栓連接或者其他類型的機械扣件。優(yōu)選的是在進行前 表面磨平加工之前完成夾具3與高壓結(jié)構(gòu)9的結(jié)合，其目的是為了避 免由于結(jié)合應(yīng)力引起的變形，并由此實現(xiàn)優(yōu)異的平坦度。
在該實施方案中，在薄片6和夾具3之間受控的間隙7是依靠八 個小的精確并等厚的難熔材料隔片12來獲得的，隔片12被剛剛布置 在薄片6的拐角內(nèi)。隔片12如圖l和2所示成對裝配，定向在薄片6 的相對各側(cè)和夾具3之間，目的是在塌落過程中將薄片12保持在適當?shù)奈恢?。例如，當塌?00mmxl00mm尺寸的玻璃薄片時，優(yōu)選的 隔片優(yōu)選為大約10mmxl0mm的尺寸，并因此覆蓋小面積的薄片，并 且不阻止在薄片和夾具之間受擠壓的空氣逸出到大氣中。這些隔片的 厚度決定了在每個夾具3和薄片6之間的空氣間隙7的尺寸。例如， 當塌落玻璃薄片時，優(yōu)選的隔片12的厚度是10-20微米。
在這種實施方案中，熱塑性薄片可以備選地使用其他方法來限制 在適當?shù)奈恢?，例如從上面懸掛該薄片。在這種情況中，夾具之間的 間隙能夠通過任何精確的機械組件來保持，該組件能夠在夾具3的表 面之間保持一種受控的和均勻的間隙。雖然這種方案產(chǎn)生了 一種更復(fù) 雜的塌落設(shè)備，但是其優(yōu)點是將獲得具有提高的平坦的更大比例的基 材。通常，需要的是這樣設(shè)備，其將薄片6保持到使得該薄片的期望 形成的表面(一個或兩個表面)與夾具表面相隔離。
在本發(fā)明的第一實施方案中， 一種成形玻璃薄片的方法如下來進 行。將帶有固定隔片12并不帶有玻璃薄片6的夾具3在爐子(未示出) 中的打開位置中放在滑動承載物13上。該塌落組件開始時保持在低 于待成形的薄片6軟化溫度的溫度。使用未示出的機械裝置將仍然是 固體的薄片6引入到兩個開放的夾具3之間，并使用滑動承載物13 將夾具3移動來彼此靠近，直到在每個夾具3上的四個隔片12與薄 片6相接觸并將它擠壓到夾具3之間的適當?shù)奈恢?。在夾具3上的隔 片12與玻璃薄片6均勻的接觸力可以依靠承載物13的精確的機械設(shè) 計和組裝來實現(xiàn)，或者通過允許至少一個夾具小的水平和垂直旋轉(zhuǎn)的 柔性機構(gòu)(未示出)來實現(xiàn)。這個力必須大于在間隙7中受壓的空氣所 施加的力，否則其將在成形過程中產(chǎn)生兩個夾具彼此的分離。在將薄 片6在夾具3之間裝配和壓縮之后，將爐子中的溫度升高到薄片的軟 化溫度，在該溫度將加熱的空氣如下所述吹過夾具。可選擇的，加熱 的空氣可以在達到上述的軟化溫度之前吹過夾具。
將加壓空氣進行預(yù)熱并通過入口 2引入到高壓間1中?？諝獗仨?以相同的溫度和壓力被引入通過放置在熱塑性薄片6的左側(cè)和右側(cè)的 夾具3二者來避免在熱塑性薄片6兩側(cè)的熱梯度和力的變化。例如， 在高壓間1之間的空氣溫度差異導(dǎo)致了沿著薄片6的厚度的溫度梯 度，其依次導(dǎo)致薄片在冷卻過程中彎曲。如果表面彎曲是所期望的形 狀，則可以使用這種熱梯度?？諝庠诒砻?進入多孔空氣承載物并在表面5排出。在這種實施
方案中優(yōu)選將多孔材料用于空氣承載物夾具，這是因為與下迷的補償
承載物相比，多孔材料提供了在分隔夾具3和薄片6的間隙7中相對 均勻的壓力分布。在熱塑性薄片6的相對側(cè)上的夾具3必須相同來確 保在薄片兩側(cè)上的力相同。該力不相同時會導(dǎo)致在冷卻過程中薄片彎曲。
還可以是使用具有不同的空氣擴散機構(gòu)的夾具(也被稱作補償方 法)，例如在它們的表面中具有機器加工的孔的夾具或者具有內(nèi)孔和凹 槽的凹槽夾具。這樣的夾具的一種構(gòu)造表示在圖3中。在該構(gòu)造中， 夾具100已經(jīng)被制成具有多個孔101,該孔提供了空氣從高壓間1流 動到薄片6的通路?？諝獾牧鲃邮峭ㄟ^被加工到夾具100的表面中的 多個通道102來擴散的。除了這些細節(jié)之外，所加工的夾具100起到 與多孔夾具9相同的功能。
因為這種加工是在當熱塑性薄片6柔軟時進行的，因此來自空氣 層7的力可以改變薄片6的形狀。在該空氣層中的力是當其以大于大 氣壓的壓力在表面5離開多孔夾具3并流向夾具3的端部8時(在這里 壓力降低到大氣壓)，由空氣層7的滯流(viscousflow)而產(chǎn)生的。將第 二個相同的夾具放在薄片6的對側(cè)同樣在該側(cè)上產(chǎn)生了同樣的壓力供 給。這保證了該薄片以這樣的方式進行成形即在薄片兩側(cè)上的力是 平衡的。
來自空氣層的力相反的取決于夾具3和薄片6之間所形成的間隙 厚度7。在該間隙相對較小的地方，由于薄片初始時的波紋形狀，來 自間隙中的空氣所產(chǎn)生的力相對更大，而在該間隙相對較大的地方， 所述的力相對較小。這種性能在目的是提高薄片6的表面平坦度的薄 片表面形成中是重要的。對于在兩個高壓間中壓力供給相同的情況， 當薄片6兩側(cè)上的間隙尺寸在沿著該薄片長度的任何給定的點上是相 等的時，可以達到力平衡。結(jié)果，如圖2所示，降低了玻璃熱塑性薄 片表面波形并提高了它的表面平坦度。該玻璃薄片的未曝露到空氣薄 層的端部仍然保持翹曲。
一旦將薄片進行了成形，則將爐子的溫度緩慢的降低直到該薄片 凝固，此時將夾具滑動分離，除去薄片并將其放在另外一個熱控的室 內(nèi)，在這里使其進一步冷卻。這種方法需要夾具對于每個薄片進行熱循環(huán)，其可能是費時的(time-consuming)。如后所述， 一種另外的實施 方案避免了對熱循環(huán)的需要。
薄片的波狀端(其在薄的加壓空氣層7影響區(qū)域之外，或者接近與 隔片12接觸的區(qū)域)可以被切掉，留下通過空氣7的薄層成形的薄片 的大的中心部分。這種成形可以完成而不危及在該切掉的薄片的中心 區(qū)域的薄片表面質(zhì)量，其在整個加工過程中不與任何其他的表面接 觸。
在這種實施方案中的這種方法的一個基本的要求是空氣承載物 夾具自身的平坦度。薄片將僅僅被成形為與夾具一樣平坦?？梢允褂?公知的技術(shù)例如研磨、磨平或者金剛石車削來將夾具制成所需要的平 坦度。
另外一種提高薄片表面平坦度的重要因素是在薄片放入到設(shè)備 之前該薄片的厚度均勻性。如果薄片的厚度是不均勻的，則這種方法 將最好提高薄片的平坦度，目的是其等于薄片的厚度均勻性。在大部 分的玻璃薄片制造方法中，薄片厚度的非均勻性至少比薄片的波度小 一個數(shù)量級。因此，該實施方案提高了玻璃或者熱塑性薄片的表面平 坦度并降低了其波度，目的是表面平坦度變得與薄片的厚度非均勻性 相當?shù)臄?shù)量級。
厚度均勻性可以通過薄片的雙面拋光的公知方法來提高。另一方 面，表面波度不能通過雙面拋光的方法來提高，這是因為薄片在從雙 面拋光工具中取出之后，該薄片傾向于彈回到它的以前的波浪形狀。
本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明的第一實施方案的替代的方案， 在其中期望的薄片6的形狀是非平坦的形狀，例如圓筒、球體或者回 轉(zhuǎn)拋物面的一部分。在這種情況中，將使用已知的方法來制造與期望 的形狀相符合的匹配凸起和凹下形狀的相反的多孔夾具。期望通過第 一實施方案的方法來成形為非平坦的形狀的平薄片6可以首先形成 大致接近的期望形狀，例如，通過使用常規(guī)的方法初步塌落到非空氣 承載物夾具上。這些預(yù)成形的薄片然后可以使用前述第一實施方案的 方法來裝配和塌落到塌落空氣承載物夾具設(shè)備上。
本發(fā)明的第二實施方案如圖4所述，其中期望的結(jié)果是當使用連 續(xù)的方法例如用于玻璃的狹縫拉伸或者熔融方法來制造熱塑'l"生薄片 時，提高該熱塑性薄片的表面平坦度。該實施方案將薄片10和夾具16放置在垂直平面上，在其中處于連續(xù)的條帶(根據(jù)寬度、厚度、加
工等等也被稱作線或薄膜)形的玻璃薄片10在箭頭D的方向上向下移
動，其通過常規(guī)的適于這樣的材料(例如諸如在熔融或狹縫拉伸加工中 所用的玻璃或者熱塑性材料)連續(xù)條帶的傳送設(shè)備來支撐和移動。通 常，用于這種實施方案的表面的名義點的垂線是相對于重力是水平
的。在該實施方案中，優(yōu)選的是在薄片IO進入到夾具16之間的狹縫 20的入口 21的這一點，薄片IO接近于或者稍高于該薄片材料的軟化 溫度。當在制造過程中波形薄片10在重力作用下向下移動時，它被 引入到在兩個相對的空氣-承載物夾具16(其放置在移動的玻璃的通路 中)之間的間隙中。第一個、上面組的夾具U的頂部在21處成錐形來 便于玻璃薄片10在夾具16之間的進入，在這里它通過間隙20中的 空氣來成形。該成形方法類似于第一實施方案中所述的方法，其中空 氣通過入口 15進入到高壓間14,并通過表面17流入到夾具16中。 在移動的薄片10和平坦的夾具16之間受壓的空氣19、 22的薄層對 熱的、軟化的玻璃進行成形來提高它的平坦度。夾具的端部23被密 封，目的是流體不從其中逸出，而是通過表面18離開進入到間隙20 中。
這種成形方法可以在薄片制造的同時，當該薄片向下移動時，在 薄片的不同的部分進行，目的是所述的部分(其處于最高的并因此最靠 近薄片被引入的地方)在更高的溫度進行，并且沿著移動的薄片的長度 的下面的部分L在更低的溫度進行直到熱塑性薄片被足夠冷卻到凝固 并傳送到空氣承載物之外的地方，例如，它可以被切割成段的地方。 圖4僅僅表示了兩個這樣的部分用于成形薄片的上部的、熱的部分 U和下部的、較冷的部分L(在這里薄片在離開夾具之前以其成形形狀 進行凝固)?？梢愿淖儫峥夭糠值臄?shù)目來滿足不同的要求。可以使用加 熱元件24來控制沿著移動的薄片10長度的不同部分的溫度。
因此，由均勻厚度的薄片開始并依照本發(fā)明的這種實施方案進行 將會產(chǎn)生對于降低所述薄片表面波度而言更好的結(jié)果。
當通過使用曲線夾具而將平薄片在兩個夾具之間移動時，上述的 圖4所示的實施方案還可以用來改變該平薄片的曲率。兩個夾具，例 如相對凹下和凸起的夾具，可以用來擠壓在它們之間的薄片并使該薄 片成形以與夾具表面幾何形狀 一 致。薄片的重力垂流效應(yīng)能夠在夾具
13的設(shè)計中得以校正。
圖5所示的第三實施方案同樣是將薄片30以及夾具25放置在相 對于重力的垂直平面中(其中垂直于薄片表面名義點的線相對于重力 是水平的)。非多孔夾具25具有它們的研磨并磨平到期望平坦度公差 的表面26來形成熱塑性薄片30。在這種實施方案中，成形空氣在箭 頭A的方向上從熱塑性薄片30的下端27流向該薄片的上端28?？?氣通過入口 34引入到高壓間32中，并進入到薄片30和夾具25之間 來成形該薄片。加熱元件33被用來控制薄片的溫度。該薄片可以使 用隔片31或者其他在第一實施方案所述的機構(gòu)來將表面保持在與夾 具表面26隔離的適當位置上。 一旦該固體薄片30被限制在兩個夾具 25之間，將薄片30的溫度升高到接近它的軟化點，以使得流動空氣 的粘性力對軟化的薄片30的兩個表面進行成形。 一旦達到期望的形 狀，則如前述的實施方案一樣降低溫度來凝固該薄片。
在這種實施方案中，空氣層的力與間隙29的厚度之間的關(guān)系類 似于第一實施方案。這種性能對于目標是提高薄片30的表面平坦度 的薄片表面成形來說是重要的。夾具表面26的平坦度和薄片厚度均 勻性同樣是該實施方案的主要要求并且必須很好的控制來獲得更好 的薄片平坦度結(jié)果。
全部此處所述的實施方案還可以在除垂直面之外將成形工件相 對于其平面表面定向來進行，例如當將曲率引入到薄片表面的時候； 但是，當旋轉(zhuǎn)遠離垂直面時，薄片重量變成了在設(shè)計夾具和控制空氣 間隙中的壓力分布時必須考慮的另外一種關(guān)鍵參數(shù)。通常，在夾具25 和薄片30之間的間隙29中的越高的壓力傾向于降低(這種實施方案和 全部的上述的實施方案的)重力垂流的作用。
圖6表示了第四實施方案，其將工件薄片39的平面表面和夾具 38定向在水平面上。在這種方案中，將唯一的一個預(yù)制的夾具38放 在熱塑性薄片39之下。該夾具可以是多孔或者實心的，根據(jù)需要帶 有機加工的孔和凹槽。在薄片39和夾具38之間的空氣層41承載著 薄片的重量。將包封(enclosing)這種組件的爐子(未示出)的溫度升高到 接近薄片39的軟化點。將加熱的空氣通過入口 40引入到高壓間35 中。空氣通過表面36進入多孔空氣-承載物夾具38中并通過表面37 離開夾具38。在薄片39上的作用力是來自在間隙41中的粘滯空氣流的向上的力和薄片39向下的負荷二者的組合。在夾具的端部42處的 壓力是大氣壓。這種構(gòu)造典型的產(chǎn)生如圖7所示的曲面薄片。這是因 為供給的壓力存在于夾具和薄片的中心，而端部處于較低的大氣壓 力。由于重力而作用在薄片上的壓力在它的區(qū)域內(nèi)是均勻的。因此， 向下的成形作用力(其是向下的重力作用力和向上的流體承載物的作 用力之和)在端部是向下的更大，并因此在端部向下的力遠大于中部， 因此產(chǎn)生曲化的薄片。當獲得特定形狀的薄片時，將爐子溫度降低直 到薄片凝固和取出?？梢赃M行引入來自在薄片39上的粘滯空氣和薄 片39負荷的壓力的有限元分析來預(yù)測薄片的最終形狀。
圖8表示了第五實施方案，其放置著薄片和主要表面基本上處于 水平面中的彎曲的空氣-承載物夾具。這種構(gòu)造可以在期望大的薄片曲 率時使用。將夾具47研磨和磨平到所需的曲率。薄片46放置在夾具 的上面。當冷卻時，僅僅小面積的薄片46(如在中心部分)與夾具47 相接觸。空氣通過入口 48流入到高壓間43中，并通過表面44進入 夾具47中，通過表面45離開夾具。當處于冷卻態(tài)時，初始的接觸面 積沒有大到足以使粘性力舉起薄片。當爐子溫度升高到接近薄片的軟 化點時，薄片46軟化并開始由于其自身的重量而塌落。當該薄片表 面越來越接近于彎曲的夾具表面45時，來自粘滯空氣流動的力成為 主要的作用力并隨著薄片46和夾具47之間的間隙厚度的降低而提 高。當空氣流動力增加時，薄片被舉起以使得它不與夾具接觸，如圖 9所示。當獲得期望形狀的薄片時，將爐子溫度降低直到薄片凝固和 取出。
圖10表示了第六實施方案，其以連續(xù)的制造方法來對限制在兩 個夾具之間的單個薄片進行加工和變平而進行成形。這種實施方案的 一個另外的優(yōu)點是每個薄片的全部區(qū)域可以被成形為良好的公差而 不損失邊緣的區(qū)域，該邊緣區(qū)域在其他的實施方案中可能位于空氣承 載物之外或者在加工過程中與夾持機構(gòu)相接觸。任何幾何形狀的單個 薄片是以連續(xù)的方法通過在該薄片和該薄片的每個邊上的兩個夾具 之間受壓的空氣而依次成形。 一 種難熔材料例如不銹鋼的連續(xù)的或者 環(huán)形的傳送帶51(具有狹槽52)將多個不連續(xù)的基材薄片移動通過加 熱的夾具49、 50。傳送帶51的厚度小于薄片54的厚度。傳送帶的狹 槽被設(shè)計來限制薄片的橫向運動。 一種加載機構(gòu)(未示出)在夾具49、50中之間進入(在右邊所示)之前的位置將預(yù)熱的固體薄片54放在傳 送帶的狹槽中。下面的夾具50充當了承載薄片重力的空氣承載物。 傳送帶在箭頭A的方向上移動薄片(該薄片現(xiàn)在漂浮在來自下面的空 氣承載物的空氣層上)并將其引入到兩個夾具49、 50之間的區(qū)域，在 這里加熱的空氣流過夾具49、 50并靠著薄片來對其進行成形。錐形 入口 56便于將薄片擠壓到兩個空氣承載物之間。加熱器53用來控制 夾具的溫度以及在薄片通過夾具之間時的薄片的溫度。薄片的溫度在 入口時升高到接近它的軟化點并在出口時冷卻回固態(tài)。這保證了已成
形的薄片不失去它的最終形狀，并且保證了其在離開夾具之前進行凝 固。在從夾具區(qū)域出來之后，現(xiàn)在將已成形的薄片通過以下方式從帶 子上取出通過機械手(未示出)或者通過使它下降到另外 一 個更低位 置上的傳送帶55來將其傳送來用于進一步的加工(如果需要)。
已經(jīng)示意了本發(fā)明的不同的實施方案，在其中熱塑性材料薄片是 在該薄片至少 一 個表面與夾具表面之間的流體承載物的存在下形成 的。在一些情況中，該薄片優(yōu)選是垂直定向的，并且依靠除了來自流 體承載物之外的作用力來支撐以抗重力(例如通常如圖4所示)。在圖 4的情況中，流體承載物所提供的一個重要的功能是保持薄片與夾具 隔離，目的是不發(fā)生薄片與夾具的任何物理接觸。實際上，在全部所 示的實施方案中，流體承載物都提供了將薄片與夾具隔離不進行接觸 的功能。根據(jù)其他的實施方案，所述薄片是完美地或者近乎完美地水 平定向的，目的是它的一個表面面向著重心低于該薄片的夾具表面， 但是對于流體承載物的存在，則該薄片將與夾具表面相接觸。圖8和 9表示了這種實施方案，在這里所形成的薄片不是平坦的，而是彎曲 的。在這種類型的例子中，流體承載物部分的用來支撐薄片以抗重力 作用，該重力迫使薄片向下與夾具接觸。因此，流體承載物使得薄片 懸浮(在這種上面的情況中)而與夾具表面隔離，目的是在其之間沒有 接觸。雖然沒有示出，但是這里還可能有位于薄片表面周圍的隔片來 使該薄片與夾具在起始時，或者在沒有流體流動的過程中保持隔離。 當薄片被加熱并開始坍塌時，流體的流動保持塌落薄片材料不與夾具 表面相接觸，否則在此位置，軟化態(tài)的薄片材料將向下坍塌。最后， 這里可以有未示出的實施方案，在這里成形的薄片以相對于重力為銳 角來定向，目的是薄片表面的垂線具有相對于重力為水平分量和垂直分量。這樣的實施方案可以形成連續(xù)的熱塑性材料帶(如圖4所示)、
不連續(xù)的基材帶(如圖8所示)或者不連續(xù)的基材流(如圖IO所示)。在
這些例子中，流動的流體將用來懸浮或者支撐薄片以抗重力作用，該 重力迫使它趨向于下面的夾具。它還被用來提供用于使薄片平坦化的 作用力。
還應(yīng)當提及的是，除了支撐薄片抗重力作用力，或者抗在薄片正 面的流體承載物的作用力之外，流體承載物還可以用來支撐薄片抗由
常規(guī)的接觸型成形模具所產(chǎn)生的力，其可以用于這樣的情況在這里 所形成的薄片的 一 邊可以承受由這樣的接觸成形方法(這里模具與薄 片的正面相接觸)所賦予的表面條件。
本發(fā)明一種重要的實施方案是一種將具有軟化點和至少一個表 面的熱塑性材料工件成形為特定形狀的方法。該方法包含支撐熱塑 性材料工件，目的是將所述的至少一個表面與具有已成形表面的夾具 隔開；使流體沿著該工件表面流動，沿著工件表面形成壓力分布；加 熱該工件到接近軟化點的溫度；等待直到該工件符合特定的形狀；和 冷卻工件到軟化點以下來保持該特定的形狀。
根據(jù)重要的相關(guān)實施方案，所述的特定形狀可以與已成形的夾具 表面一致。或者該特定的形狀可以不同于已成形的夾具表面，但是與 其具有一些聯(lián)系。
對于一種相關(guān)的有利的實施方案，構(gòu)建壓力分布來將工件表面與 夾具保持隔離，并且在許多情況中，構(gòu)建壓力分布來將工件表面的每 個點保持與夾具表面基本上等距隔離。
對于優(yōu)選的實施方案，所述的流體可以包含氣體，例如空氣，或 者它可以是液體。
根據(jù) 一種優(yōu)選的實施方案，流體的流動是通過在工件表面的流體 承載物來提供，并且該流體承載物可以在工件的一個或兩個表面上。
如果存在著兩個流體承載物，則其每個可以有利的沿著各自工件 表面形成壓力分布，目的是在工件第一表面上的壓力下流體的流動將 力施加到該工件上，該力壓迫工件來《fe抗沿著工件第二表面流動的流 體。
根據(jù)一種有用的實施方案，對該工件進行定向，目的是使一個表 面的垂線是水平的。或者可以對該工件進行定向，目的是使一個表面
17的垂線是垂直的，或者這樣的垂線可以具有水平分量和垂直分量。
對于這里工件被定向為一個表面的垂線具有垂直分量的實施方
案，可以排布壓力分布來支撐至少部分的工件重量以抗重力。
根據(jù)仍然的另外一種有用的實施方案，工件可以是單個的，或者
多個不連續(xù)的熱塑性材料基材?？蛇x擇的，該工件可以有利的是基本
上連續(xù)的熱塑性材料體。
本發(fā)明的一種相關(guān)的重要實施方案是一種用于成形熱塑性材料
工件的設(shè)備，從該材料來制造具有周長尺寸和特定表面形狀的最終制
品，該工件具有至少一個表面，并且該材料具有軟化點。所述設(shè)備包
含加熱器，用來將熱塑性材料工件加熱到接近其軟化點的溫度；和 支撐體，配置來支撐軟化的工件，目的是使在膨脹(expanse)到最終制 品那樣大的過程中，全部的表面與任何其它的物理物體隔開并且不接 觸。該設(shè)備進一步包括流體流動導(dǎo)向器，其布置來將流動的流體導(dǎo)向 到鄰近軟化的工件的至少 一 個表面足夠的時間期間，由此使得該工件 符合特定的表面形狀。
對于本發(fā)明的設(shè)備的一種重要的實施方案，流體流動導(dǎo)向器可以 包含液體流動導(dǎo)向器，其布置來導(dǎo)向流動的液體。或者它可以包含氣 體流動導(dǎo)向器，其布置來導(dǎo)向流動的氣體。
本發(fā)明設(shè)備另外一種實施方案進一步包含冷卻器，其布置來冷卻 工件。
設(shè)備實施方案還可以包括多個壓鉗來把持工件抗重力，該壓鉗每 個可以是與工件的兩個相對表面反作用力的耐熱隔片對。
對于許多的有用的實施方案，所述的工件被布置成為至少一個表 面通常與水平面平行，并且所述的支撐體可以包含具有通常與水平面 平行排布的支撐表面的夾具，重心低于工件，目的是使流動的流體在 夾具表面和軟化的工件之間流動。
對于一些有用的實施方案，夾具支撐表面是一種基本上平坦的表 面。對于其他的技術(shù)方案，它是一種不平坦的彎曲表面。
流體流動導(dǎo)向器可以是鄰近工件的至少一個表面，例如兩個表面 的流體承載物。
本發(fā)明設(shè)備的一種非常重要的和優(yōu)選的實施方案使用空氣作為 流體，并且流體承載物是多孔空氣承載物。該承載物還可以是補償承
18載物。
對于本發(fā)明仍然的另外 一種設(shè)備的實施方案，該設(shè)備加工多個不 連續(xù)的熱塑性材料基材并且該設(shè)備進一步包含傳送帶，該傳送帶將單 個基材元件移動到靠近流體流動導(dǎo)向器，然后從那里移去。
而且，對于本發(fā)明仍然的另外一種重要的設(shè)備實施方案，工件是 一種基本連續(xù)的熱塑性材料條帶，同時該設(shè)備進一步包括條帶傳送機 構(gòu)。
此處所迷表示和描迷的本發(fā)明的形式代表了示例性實施方案及 其某些改變。應(yīng)當理解可以進行不同的改變而不脫離本發(fā)明在下面所 要求的主題所定義的主旨。
已經(jīng)在此描述了本發(fā)明的許多技術(shù)和方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理 解許多這些技術(shù)可以和其他所公開的技術(shù)一起使用，即使它們沒有明 確的以共同使用的方式進行描述。例如，許多用于形成平面薄片所示 的方法和設(shè)備能夠用來形成非平面薄片或者具有復(fù)雜曲率的薄片。機 械薄片磨平和傳送機構(gòu)可以是單獨的或者組合的，并且與任何種類的 流體承載物相結(jié)合來支撐軟化的薄片以抗重力的作用力。流體承載物 可以是處于薄片的一側(cè)或兩側(cè)上，并且可以用于在薄片的一側(cè)或兩側(cè) 上形成薄片形狀。大于一種類型的流體可以用于相同的操作中。如果 適當，在與不連續(xù)的和固定的設(shè)備相關(guān)的所示的機構(gòu)和所討論的技術(shù) 可以與連續(xù)的或者移動的設(shè)備一起使用。夾具對可以是平坦的或者是 成形的，并且每個構(gòu)造以形成基本水平的、基本垂直的或者成夾角的 表面來使用。
本公開文獻描述和公開了大于一項的發(fā)明。本發(fā)明在此文件和相 關(guān)文件的權(quán)利要求中進行了闡明，不但是已經(jīng)申請?zhí)峤坏?，而且是?基于本公開的任何專利申請進行過程中形成的。本發(fā)明的目的是將全 部的不同的發(fā)明主張到現(xiàn)有技術(shù)所允許的界限，如同隨后所確定的那 樣。此處描述的特征不是此處公開的每個發(fā)明的要點。因此，本發(fā)明
何具體的權(quán)壽'J要求中所要求的)不應(yīng)當并^7^到任何這樣的權(quán)3 'j要求中。 一些硬件的組件或者步驟組在此提及作為發(fā)明。但是，這不是承 認任何的這種組件或者組是本發(fā)明的必需的專利性區(qū)別特征，特別是 法律和規(guī)則關(guān)于發(fā)明的數(shù)目(其將在 一件專利申請中進行審查)或者發(fā)明的單一性所規(guī)定的。它的目的是以簡要的方式來敘述本發(fā)明的實施 方案。
因此提交了摘要。要強調(diào)的是該摘要是按照對摘要所要求的規(guī)則 來提供的，其將允許審查員和其他的檢索者快速的確定所公開的技術(shù) 的主題。應(yīng)當理解所提交的摘要不是用來解釋或者限制權(quán)利要求書的 范圍或者含義，如專利局的規(guī)則所承諾的那樣。
前面的討論應(yīng)當被理解為是示例性的并且不應(yīng)當認為具有任何 的限制性含義。雖然已經(jīng)參考其優(yōu)選的實施方案對本發(fā)明進行了具體 的表示和描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解可以在其中進行不同的
范^。" 、 、、 ' i 、 ' ，、 ，、、
在下面的權(quán)利要求書中的相應(yīng)的結(jié)構(gòu)、材料、動作和全部裝置或 步驟的等價物加上功能要素目的是包括任何的特定要求的用于進行 與其他所要求的要素相結(jié)合的功能的結(jié)構(gòu)、材料或者動作。
已經(jīng)描述了本發(fā)明，請求保護的是下面的
權(quán)利要求
權(quán)利要求
1. 一種將具有軟化點和至少一個表面的熱塑性材料工件成形為特定形狀的方法，該方法包含支撐熱塑性材料工件，目的是將所述的至少一個表面與具有已成形表面的夾具隔開；使流體沿著該工件表面流動，沿著工件表面形成壓力分布；加熱該工件到接近軟化點的溫度；等待直到該工件符合特定的形狀；和冷卻工件到軟化點以下使得其保持該特定的形狀。
2. 權(quán)利要求l的方法，該特定形狀與已成形的夾具表面一致。
3. 權(quán)利要求1的方法，配置所述的壓力分布來使得工件表面與夾 具保持隔離。
4. 權(quán)利要求3的方法，配置所述的壓力分布來使得工件表面的每 個點基本上與夾具表面保持等距。
5. 權(quán)利要求1的方法，該流體包含氣體。
6. 權(quán)利要求5的方法，該氣體包含空氣。
7. 權(quán)利要求1的方法，該流體包含液體。
8. 權(quán)利要求1的方法，其中流體的流動是通過在工件表面上的流 體承載物來提供的。
9. 權(quán)利要求1的方法，其中流體的流動是通過在工件兩個表面的 每 一 個上的流體承載物來提供的。
10. 權(quán)利要求9的方法，每個流體承載物沿著各自的工件表面形 成壓力分布，目的是在工件第一表面上的壓力下流體的流動將力施加 到該工件上，該力壓迫工件來抵抗沿著工件第二表面流動的流體。
11. 權(quán)利要求10的方法，對該工件進行定向，目的是使一個表面 的垂線是水平的。
12. 權(quán)利要求10的方法，對該工件進行定向，目的是使一個表面 的垂線是垂直的。
13. 權(quán)利要求10的方法，對該工件進行定向，目的是使一個表面 的垂線具有水平分量和垂直分量。
14. 權(quán)利要求10的方法，對該工件進行定向，目的是使一個表面 的垂線具有垂直分量，進一步的排布壓力分布來支撐至少部分的工件重量以抵抗重力。
15. 權(quán)利要求1的方法，其中該工件包含多個不連續(xù)的熱塑性材 料基材。
16. 權(quán)利要求1的方法，其中該工件包含基本上連續(xù)的熱塑性材 料體。
17. —種用于成形熱塑性材料工件的設(shè)備，從該材料來制造具有 膨脹的和特定表面形狀的最終制品，該工件具有至少一個表面，并且 該材料具有軟化點，所述設(shè)備包含加熱器，用來將熱塑性材料工件加熱到接近其軟化點的溫度； 支撐體，配置來支撐軟化的工件，目的是使在膨脹到最終制品那樣大的過程中，全部的表面與任何其它的物理物體隔開并且不接觸； 流體流動導(dǎo)向器，布置來將流動的流體導(dǎo)向到鄰近軟化的工件的至少 一 個表面足夠的時間期間，由此使得該工件符合特定的表面形狀。
18. 權(quán)利要求17的設(shè)備，該流體流動導(dǎo)向器包含液體流動導(dǎo)向 器，其布置來導(dǎo)向流動的液體。
19. 權(quán)利要求17的設(shè)備，該流體流動導(dǎo)向器包含氣體流動導(dǎo)向 器，其布置來導(dǎo)向流動的氣體。
20. 權(quán)利要求17的設(shè)備，進一步包含冷卻器，其布置來冷卻工件。
21. 權(quán)利要求17的設(shè)備，所述的支撐體包含多個壓鉗來把持工件 抗重力。
22. 權(quán)利要求21的設(shè)備，每個壓鉗包含與工件的兩個相對表面反 作用力的耐熱隔片對。
23. 權(quán)利要求17的設(shè)備，所述的工件被布置成為至少一個表面通 常與水平面平行，所述的支撐體包含具有通常與水平面平行排布的支 撐表面的夾具，重心低于工件，目的是使流動的流體在夾具表面和軟 化的工件之間流動。
24. 權(quán)利要求23的設(shè)備，所述的夾具支撐表面包含基本上平坦的 表面。
25. 權(quán)利要求23的設(shè)備，所述的夾具支撐表面包含不平坦的曲線 表面。
26. 權(quán)利要求17的設(shè)備，所述的流體流動導(dǎo)向器包含鄰近工件至少 一個表面的流體承載物。
27. 權(quán)利要求26的設(shè)備，所述的流體流動導(dǎo)向器包含鄰近工件兩 個表面的流體承載物.
28. 權(quán)利要求26的設(shè)備，該流體包含空氣。
29. 權(quán)利要求17的設(shè)備，該流體承載物包含多孔承載物。
30. 權(quán)利要求17的設(shè)備，該流體承載物包含補償承載物。
31. 權(quán)利要求17的設(shè)備，所述的工件包含多個不連續(xù)的熱塑性材 料基材，該設(shè)備進一步包含傳送帶，該傳送帶將單個的基材移動到鄰 近流體流動導(dǎo)向器，然后從那里離開。
32. 權(quán)利要求17的設(shè)備，所述的工件包含基本上連續(xù)的熱塑性材 料條帶，該設(shè)備進一步包含條帶傳送機構(gòu)。
全文摘要
使用來自流動的流體層例如空氣層的力在接近熱塑性材料的軟化溫度來成形玻璃或者熱塑性材料薄片的方法和設(shè)備，所述的流體層處于該薄片和夾具之間。通過冷卻來保持所述形狀?？諝獬休d物夾具的形狀和夾層流體的壓力分布決定了最終的形狀?？梢栽谝粋€或兩個表面上進行加工，目的是來自空氣層的力作用在薄片的一個或兩個表面上。如果在連續(xù)的制造加工過程例如熔融或狹縫拉伸中使用雙面方法，則其提高薄片的平坦度。薄片和夾具之間的間隙尺寸決定了間隙中的壓力分布，其同樣決定了最終的薄片形狀。通常，越小的間隙導(dǎo)致通過流體賦予的越大的粘性力。壓力分布取決于夾具的形狀、夾具和薄片之間的流體間隙尺寸和流體提供的壓力。
文檔編號C03B19/00GK101454250SQ200780018929
公開日2009年6月10日 申請日期2007年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月25日
發(fā)明者M·K·阿基利安, M·L·沙滕伯格 申請人:麻省理工學院