[发明专利]对玻璃制品进行离子交换的系统和方法

说明书

本文揭示了用于对玻璃制品进行离子交换的系统和方法。对玻璃制品进行离子交换的方法包括：从一个或多个用户输入装置接收加工指令；基于加工指令，用机器人升降机将容纳了多个玻璃制品的匣盒自动地装载到一个或多个离子交换工作站的熔盐浴中；基于加工指令，在预定时间之后，用机器人升降机自动地从熔盐浴取出匣盒；以及自动地转动匣盒，以从匣盒排出熔盐浴的流体。

相关申请交叉参考

本申请根据35U.S.C.§120要求2016年11月30日提交的题为“Systems andMethods for Ion Exchanging Glass Articles(对玻璃制品进行离子交换的系统和方法)”的美国临时申请第62/428,016号和2017年11月28日提交的题为“Systems andMethods for Ion Exchanging Glass Articles(对玻璃制品进行离子交换的系统和方法)”的美国非临时申请第15/824,582号的优先权，其全文通过引用结合入本文。

背景技术

技术领域

本说明书一般地涉及对玻璃制品进行离子交换的系统和方法，更具体地，涉及在受控加工单元内对玻璃制品进行离子交换的系统和方法。

技术背景

历史上，因为其相对于其他材料的气密性、光学透彻性和优异的化学耐久性，已经将玻璃用作许多应用的优选材料，包括：食物和饮料包装，药物包装，厨房和实验室玻璃器皿，以及窗户或者其他建筑特征。

但是，由于玻璃的机械性能，对于许多应用而言，玻璃的使用受到限制。具体来说，要考虑玻璃破裂，特别是在食物、饮料和药物包装中。对于食物、饮料和药物包装工业而言，破裂会是昂贵的，这是因为例如灌装线中的破裂可能要求丢弃邻近的未破裂容器，因为该容器可能含有来自破裂容器的碎片。破裂还可能要求灌装线减速或停车，导致生产效率降低。此外，非灾难性破裂(即，当玻璃具有裂纹但是没有破裂时)可能导致玻璃包装或容器的内含物丧失它们的无菌性，这进而可能导致昂贵的产品召回。

玻璃破裂的一个根据原因是对玻璃进行加工时和/或在后续灌装过程中，在玻璃的表面中引入瑕疵。引入到玻璃表面中的这些瑕疵可能来自各种来源，包括：相邻玻璃器皿片之间的接触以及玻璃与设备(例如，装卸和/或灌装设备)之间的接触。无论是何种来源，这些瑕疵的存在可能最终导致玻璃破裂。

离子交换加工是用于对玻璃制品进行强化的工艺。通过用来自熔盐浴的较大离子对玻璃制品中的较小离子进行化学替换，离子交换在玻璃制品的表面上赋予了压缩(即，压缩应力)。玻璃制品的表面上的压缩提升了裂纹传播的机械应力阈值；这进而改善了玻璃制品的整体强度。为了实现足够的保护免受瑕疵影响，约60-75μm左右的压缩层深度可能是合乎希望的。表面压缩和层深度取决于离子交换加工时间和温度。虽然时间和温度的增加增加了层深度，但是由于结构松弛导致表面压缩随时间发生下降，这降低了玻璃制品的强度。

此外，当加工大量玻璃制品时，将被称作匣盒(cassette)的装纳了多个玻璃制品的超级结构浸入离子交换罐中，在那里，玻璃制品与熔盐浴接触并与熔盐浴发生离子交换。但是，在如此大的匣盒中对玻璃制品进行离子交换具有其缺陷。具体来说，难以预测容量何时是可变的，或者如果对于不同类型的玻璃或者特定制品需要不同的离子交换循环的话，如此大的匣盒会是非常低效的。此外，使用较大的装置器可能由于对流传热效率低下而导致匣盒内侧到外侧的不同冷却。如上文所述，当玻璃在高温保持较长时间时，玻璃可能经受所谓的结构松弛。结构松弛指的是由于长期暴露于高温(例如，在离子交换加工和冷却期间)所导致的玻璃制品的压缩应力的下降，这可能导致强度减小。在冷却过程中，相比于位于匣盒边缘处的玻璃制品，位于相对于匣盒中心处的玻璃制品经受更大的结构松弛。对于压缩应力性质而言，这转变为更大的范围和更低的数值。

因此，存在对玻璃制品进行离子交换的替代方法和系统的需求，以实现更高效率和更均匀的加工结果。

发明内容