JP6184029B2 - ブロー成形を用いて金属飲料容器を形成するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、２０１１年１２月３０日付けで出願された「金属飲料容器を形成するためのシステムおよび方法」と題する同時係属米国仮特許出願第６１／５８１，８６０号明細書と、２０１２年１月１６日付けで出願された「金属飲料容器プリフォーム」と題する同時係属米国仮特許出願第６１／５８６，９９５号明細書と、２０１２年１月１６日付けで出願された「加熱されたプリフォームのブロー成形」と題する同時係属米国仮特許出願第６１／５８６，９９０号明細書との優先権を主張するものであり、それらの全内容を参照により本明細書に援用する。

本開示は、金属飲料容器の製造に関する。

金属容器は、飲料を保存するために使用することができる。一体型絞りしごき本体、または、両端部が開いており、頂部および底部に別個のクロージャ部材を備えた本体を有する典型的な缶は、一般に、単純な直立筒状側壁を有する。美観および／または製品識別に関する理由から、側壁を異なった、かつ／またはより複雑な形状に成形することが望まれ得る。例えば、ガラス瓶に似るように缶を成形することが望まれ得る。

金属プリフォーム（「プリフォーム」）は、例えば再結晶化され、または回復した微細構造を有し、ゲージが約０．００４インチ〜約０．０１５インチの範囲の金属板（例えば、アルミニウム板、アルミニウム合金、鋼など）から作ることができる。また、約０．００２インチ〜約０．０２０インチなどの、より薄いゲージおよびより厚いゲージでも可能である。プリフォームは、例えば絞り−再絞り加工、またはバック押出しによって作られた閉鎖端チューブであり得る。プリフォームの直径は、所望の容器製品の最小直径と最大直径との間にあり得る（しかし、必須ではない）。後の成形作業の前に、ねじ山をプリフォーム上に形成することができる。プリフォームの閉鎖端の形状は、最終製品の底部形状の成形を助けるように設計することができる。

瓶形容器などの容器には、充填、梱包、出荷、棚置きおよび消費者の使用を含む、瓶のライフサイクル中における瓶の損傷を防ぐために、特定の軸方向の強度基準があるため、容器に使用される材料が限定される。柔らかすぎる材料は、軸方向の強度基準の理由から適さない。さらに、厚すぎる材料は、軸方向強度を改善するのを助けるであろうが、消費者製品を製造および出荷するための重量およびコストの制限から適さない。特定の金属を加熱すると、最終製品の強度および構造が劣化し得るため、金属容器を製造するには、ガラス瓶の形状であっても、またはそうでなくても同様に、金属選択工程および加熱工程が限定され得る。

ブロー成形を行う際には、金属飲料容器を製造するための方法は、金属側壁と、塑性変形せずに、例えば平方インチ当たり少なくとも９０ポンドの圧力に耐えるように構成されたドーム形金属底部または閉鎖端部とを有する金属プリフォームを、（ｉ）少なくとも３０バールの流体圧力を受けた時に、金属側壁が半径方向に膨張することができるように金属側壁を十分軟化させるため、熱源からの熱が金属側壁に伝えられるように、かつ（ｉｉ）ドーム形金属底部が、塑性変形せずに、平方インチ当たり少なくとも９０ポンドの圧力に耐える能力を損なわないよう、金属側壁内の熱が、ドーム形金属底部に伝わる前に十分放散するように、熱源に隣接して配置するステップを含んでもよい。ブロー成形方法はまた、側壁を半径方向に、例えば少なくとも１５％膨張させるために金属プリフォームを加圧するステップを含んでもよい。

金属容器を製造する方法およびシステムの一実施形態は、加工硬化金属であるプリフォームを設けるステップを含んでもよい。プリフォームは、開放部、閉鎖端部および本体部を含む。プリフォームの本体部は、プリフォームの開放部および閉鎖端部に加えられている熱を制限するように予熱してもよい。予熱されたプリフォームは複数のセグメントを含む金型に挿入してもよく、金型の複数のセグメントは閉じてもよい。プリフォームに、金型によって画定された形状をとらせるように、プリフォームをブロー成形してもよく、成形されたプリフォームは、金型から取り出してもよい。

金属容器を製造するためのシステムおよび方法の別の実施形態は、加工硬化金属から形成されているプリフォームを設けるステップであって、プリフォームは、開放部、閉鎖端部および本体部を有するステップを含んでもよい。プリフォームは、複数のセグメントを含む金型に挿入してもよく、室温である。金型の複数のセグメントは閉じてもよく、プリフォームに、金型によって画定された形状をとらせるように、プリフォームを室温でブロー成形してもよい。成形されたプリフォームは、金型から取り出してもよい。

加圧成形を行う際には、金属管状プリフォームを成形するためのシステムは、閉じた時にキャビティを形成するように構成されたセグメント金型と、少なくとも１つの制御部とを含んでもよい。セグメント金型がプリフォームの周りで閉じてキャビティを形成し、プリフォームを少なくとも部分的に成形する時に（すなわち、閉じている間、金型の内向きに延在する凸部は、プリフォームと接触してもよい）、プリフォームの形状欠陥を生じるプリフォームの変形が最小限に抑えられるように、制御部はプリフォームを加圧することができる。制御部はまた、プリフォームをキャビティ内に配置するようにセグメント金型にプリフォームの周りで閉じさせ、かつ、プリフォーム内の圧力の段階的な上昇により、プリフォームの部分をキャビティ内へ膨張させることができる。制御部はさらに、プリフォームを第１の流体で加圧することができる。プリフォーム内の圧力の段階的上昇は、プリフォームの部分をキャビティ内へ膨張させるために用いることができ、プリフォーム内に第２の流体を送達するステップを含んでもよい。第１の流体および第２の流体は、異なっていてもよい。例えば、第１の流体は気体であり得、第２の流体は液体であり得る。あるいは、第１の流体は液体であり得、第２の流体は液体であり得る。プリフォームは、加圧成形工程中に加熱しなくてもよい。

加圧成形を行う際には、金属管状プリフォームを成形するための方法は、セグメント金型がプリフォームの周りで閉じてキャビティを形成し、プリフォームを少なくとも部分的に成形する時に、キャビティの補完物ではないプリフォームの形状を生じるプリフォームの変形を抑制するように、金属管状プリフォーム内に気体を送達し、プリフォームに予圧を加えるステップを含んでもよい。その方法はさらに、プリフォームをキャビティ内に配置するように、予圧が加えられたプリフォームの周りでセグメント金型を閉じるステップと、プリフォーム内に液体を送達し、プリフォーム内の圧力上昇により、プリフォームの部分をキャビティ内へ膨張させるステップとを含む。プリフォーム内の圧力を段階的に上昇させるために、プリフォーム内に液体を送達することができる。プリフォームは、加圧成形工程中に加熱しなくてもよい。セグメント金型は、先に説明したように、セグメント金型がプリフォームの周りで閉じる際にプリフォームを変形させる凸部を含み得る。

金属容器を製造するシステムおよび方法の一実施形態は、複数のセグメントを含む金型にプリフォームを挿入するステップであって、プリフォームが加工硬化金属であるステップを含んでもよい。予圧は、第１の圧力レベルでプリフォームに加えてもよい。金型の複数のセグメントは閉じてもよく、金型を閉じた後に、階段関数を用いてプリフォームに加えられている圧力を第２の圧力レベルまで上昇させてもよい。第１の圧力レベルから第２の圧力レベルまでの圧力の上昇により、プリフォームに、金型によって画定された形状をとらせる。成形されたプリフォームは、金型から取り出してもよい。

本発明の例示的実施形態について、添付図面を参照して詳細に以下に説明するが、それらを参照により本明細書に援用する。

金属飲料容器を形成するための作業を示す概略図である。 セグメント金型（開いている）および流体成形前のプリフォーム、ならびに成形金属容器を製造する際に利用される制御部および流体源の側面断面図である。 ピストンポンプオイルシステムによって発生した内部プリフォーム圧力のプロット図である。 オイルアキュムレータシステムによって発生した内部プリフォーム圧力のプロット図である。 本発明の原理に従って金属容器を製造するためのエアコンプレッサシステムによって発生した内部プリフォーム圧力のプロット図である。 膨張前の図２のセグメント金型（閉じている）およびプリフォームの側面断面図である。 膨張後の図２のセグメント金型（閉じている）およびプリフォームの側面断面図である。 本発明の原理による、部分的に加工された金属プリフォームと、プリフォームの一部を加熱する際に使用するための加熱装置との例示的側面図である。 金属プリフォームを予熱およびブロー成形するための例示的工程のフロー図である。 例示的未加工金属プリフォームの側面図である。

発明の詳細な説明
加圧成形工程
図１を参照すると、本技術分野で理解されるように、カッピング作業１０４によって金属コイル１０２を加工し、金属コイル１０２の一部をカップ１０６に成形してもよい。カップ１０６は、本技術分野で理解されるように、本体作製作業１０８によって加工し、ベアシリンダまたはベアチューブ１１０（金属プリフォームまたはプリフォーム）に成形することができる。ベアシリンダ１１４には、ステップ１１２で既知の／適切な印刷作業およびコーティング作業を行い、コーティングされたシリンダ１１４（コーティングされたプリフォーム）を得ることができる。以下でさらに詳細に説明するように、コーティングされたプリフォーム１１４（またはプリフォーム１１０）は、ステップ１１６で成形および仕上（または、圧潰および流体成形）作業によって成形し、例えばガラス瓶に似た金属飲料容器１１８の部分を形成することができる。図１に示した工程は、種々異なる製造用途に用いられている。しかしながら、特定の設計基準（例えば、軸方向の強度閾値）を満たす成形金属容器（例えば、ガラス瓶形容器）を製造するための特定の材料を使用しなければならないことから、いくつかある工程の中で特に、成形および仕上工程１１６には、本明細書でさらに説明するような従来にない技術を使用して、それらの成形金属容器を製造してもよい。

図２を参照すると、例示的成形システム２００は、側部セグメント２０４ａおよび２０４ｂ、ならびに底部セグメント２０４ｃ（集合的に２０４）から形成された金型２０２を含み、金属飲料容器１１８（図１）の底部における形状の補完物を画定するキャビティ２０６を形成するように構成されている。金型２０２は、他の実施形態では、任意の所望の数のセグメントを有することができる。図２の実施形態では、側部セグメント２０４ａおよび２０４ｂ（閉じている時）によって形成されたキャビティ２０６は、例えばコカ・コーラ社が販売するガラス飲料容器の底部上に見られる「フルート」または「リブ」の形状の補完物を画定する。また、他の構成でも可能である。

一実施形態では、セグメント２０４ａおよび２０４ｂがプリフォーム１１４の周りで閉じてキャビティ２０６を形成する時に、キャビティ２０６の凸部または突起部２０８がプリフォーム１１４に突出する／当たる。凸部２０８は、プリフォーム１１４を部分的に変形させる／成形する。セグメント２０４ａおよび２０４ｂがプリフォーム１１４の周りで閉じてキャビティ２０６を形成する時に、キャビティ２０６の凹部２１０はプリフォーム１１４に突出しない／当たらない。プリフォーム１１４をキャビティ２０６の凹部２１０内へ膨張／変形させるために、流体成形技術（例えば、ハイドロフォームなど）を用いることができる。

プリフォーム１１４内の圧力が十分低い場合（例えば、３バール未満）、セグメント２０４ａおよび２０４ｂが閉じてキャビティ２０６を形成する時に、プリフォーム１１４内の形状欠陥が生じ得ることがテストから明らかになっている。この閾値圧力は、プリフォーム１１４のゲージ、プリフォーム１１４の直径、プリフォーム１１４を含む材料などに依存し、テスト、シミュレーションなどによって決定することができる。すなわち、凸部２０８がプリフォーム１１４に当たった時に、キャビティ２０６によって画定された形状の補完物と一致しない変形、潰れまたはしわが生じ得る。これらの形状欠陥を最小限に抑え、または防ぐために、プリフォーム１１４に予圧を加えることができる。超塑性金属および超塑性合金などの、より弾性がある他の金属に比較して、プリフォーム１１４は膨張能力が限定されているため、プリフォーム１１４の材料は、弾性が限定的で（例えば、３０００シリーズのアルミニウムなどの加工硬化アルミニウム）、ゲージが薄い（例えば、約０．００４インチ〜約０．０２０インチ）ことから、閉位置にある時に、プリフォーム１１４の直径は、金型２０２の直径より大きくてもよいことが理解されるべきである。プリフォーム１１４の代替構成は、プリフォーム１１４の直径が、閉位置にある金型２０２の直径よりも小さい場合に利用してもよく、これにより、閉じている間、金型がプリフォームと接触しないようにしてもよい。本発明の原理に従って利用してもよい金属としては、本技術分野で理解されるように、飲料缶合金およびバルクアルミニウムが挙げられ得る。金属の種類、金型構成、成形技術などにより、閉じる時に金型がプリフォームと接触するかどうかが判定される。すなわち、プリフォームの金属が比較的非塑性金属であれば、金属で可能な伸縮量は限られているため、成形作業中にプリフォームが金型のすべての部分と接触し得るように、閉じている間に、金型はプリフォームのより近くにあるべきであり、これはプリフォームと接触することも含む。

図３を参照すると、ピストンポンプオイルシステムによって発生した例示的圧力波形３００が示され、本発明の原理に従って、使用のための成形金属容器を製造する際に不十分または許容し得ない結果をもたらし得る圧力波形を示す。示したように、プリフォームは、セグメント金型をプリフォームの周りで閉じる前に加圧することができる。プリフォームを最初に加圧する圧力は、上記形状欠陥を最小限に抑え、または防ぐのに十分であるべきである。図３の実施形態では、この第１の圧力閾値（予加圧閾値）は５バールである。しかしながら、プリフォームゲージ、プリフォーム直径、プリフォーム材料などに応じて、他の閾値を使用することができる。プリフォームに予圧を加えるために、任意の適切な流体（例えば、水、油、空気）を使用することができる。一実施形態では、液体は圧縮できないため、予圧には空気が使用される。すなわち、本明細書でさらに説明するように、速い動きでより高圧（例えば、約４０バール以上）を発生するために、水などの液体を使用してもよい（図４および図５を参照）。

一旦セグメント金型がプリフォームの周りで閉じると、流体（例えば、水、油、空気）を導入することによって、プリフォーム内の圧力を第２の圧力閾値（最終加圧閾値）まで上昇させ、プリフォームをキャビティの凹部内に流体成形することができる。この第２の圧力閾値は、図３の実施形態では約４０バールである。しかしながら、プリフォームゲージ、プリフォーム直径、プリフォーム材料、プリフォームを加圧するために使用される流体などに応じて、他の閾値を用いることができる（例えば、３５〜１６０バール）。超塑性アルミニウムもしくは超塑性合金を含む、より塑性のある金属または他の材料は、より柔軟であることから、同等のゲージで、より低い圧力を用いる傾向があることが理解されるべきである。しかしながら、そのような材料は、消費者飲料製品に使用するための十分な強度、少なくとも軸方向強度を達成しない傾向がある。一実施形態では、室温で加圧が行われる（すなわち、成形工程の前、またはその間に、プリフォームに熱を加える熱源がない）。一旦成形が完了すると、プリフォーム内の流体を排出することができ、プリフォームを所望のとおり、さらに加工することができる。

また、プリフォーム内の圧力を第１の加圧レベルから最終加圧レベルまで上昇させる速度によって、プリフォームが不必要に疲労し得ることがテストから明らかになっている。図３から明らかなように、最終加圧閾値まで約１０秒上昇させる間、圧力波形３００の２次パルシングが観察される（すなわち、金型が閉じる時間から始まり、最大圧力までの圧力波形３００上に示したパルシングパターン）。このパルシングは、コンプレッサ（気体用）またはアキュムレータ（液体用）が、プリフォーム圧力を上昇させるように動作する方法で生じ、その結果、プリフォームにサイクル荷重がかかり、これによりプリフォームの金属が疲労し得る。圧力上昇速度が比較的遅ければ、例えばコンプレッサがプリフォーム内の圧力を上昇させるように動作するため、コンプレッサは、圧力を上昇および減少させるミニサイクルを受ける。代替パラメータ（例えば、より高い塑性、より厚いゲージなど）を有する材料には、本発明の原理に従って利用されている材料より遅い圧力上昇を用いてもよいことが理解されるべきである。図４および図５に関して以下に説明するように、圧力上昇の時間を短縮することによって、圧力波形３００のパルシングを減少させることができる。

図４および図５を参照すると、オイルアキュムレータシステムおよびエアコンプレッサシステムのそれぞれを使用することによって生成された例示的圧力波形４００および５００は、成形金属容器を製造するためのプリフォームに適用してもよい２つの代替圧力プロファイルを提供する。示したように、圧力が第１の加圧レベル（Ｐ１）から最終加圧レベル（Ｐ２）まで上昇する時間が短縮されている。図４および図５それぞれのアキュムレータシステムおよびコンプレッサシステムは、比較的短い時間間隔（例えば、約０．２秒以下）の間に圧力の段階的変化を促進し、パルシング、ひいてはプリフォームの疲労を最小限に抑える。疲労の軽減は、短い圧力転移によって膨張を防ぐように、プリフォームのゲージ、弾性、温度などでの金属の反応する能力を制限することから得られる。図４に示したように、第１の圧力レベルＰ１と第２の圧力レベルＰ２との間を十分速く転移しないと、第１の圧力レベルＰ１と第２の圧力レベルＰ２との間を転移する間、圧力波形４００は中間圧力レベル４０２で停止する。中間圧力レベル４０２で一時的に止まった結果、圧力波形４００によって形成される金属容器には、不具合（例えば、引裂きまたはしわ）が生じ得る。

図５に示したように、圧力波形５００は、第１の圧力レベルＰ１と第２の圧力レベルＰ２と間を十分速く（例えば、約０．２秒未満または０．２秒より著しく短い）転移する。この急速な圧力上昇により、アキュムレータシステムおよびコンプレッサシステムは上記のミニサイクルを受け得ない。しかしながら、金属容器の損傷を防ぐのに十分速い任意の適切な加圧時間（例えば、０．１秒〜１秒）を用いてもよい。上記のように、加工硬化アルミニウムなどの強い金属に対し、最高圧力は４０バール以上であってもよい。一実施形態では、加工硬化アルミニウムは、３１０４アルミニウム合金などの３０００アルミニウムシリーズであってもよい。室温で、低い圧力から高い圧力までの圧力転移が速かった結果として、金属プリフォームが損傷しなかったという驚くべき結果が得られた。プリフォームに利用されているゲージの加工硬化アルミニウムは、圧力転移に反応する機会がないため、室温での上記のようなステップの形態における速い圧力転移により、プリフォームが損傷しない点で最良の結果が得られ、それによって、プリフォームの材料の不連続または不均一な膨張が最小限に抑えられることが見出された。

図２を再び参照すると、流体源２１２は、セグメント２０４ａおよび２０４ｂが閉じる前に、プリフォーム１１４と流体連通するように配置されている。流体源２１２は、気体（例えば、空気など）および／または液体（例えば、水、油など）流体をプリフォーム１１４に供給するように構成することができる。図２の実施形態では、流体源２１２は、空気および／または水をプリフォーム１１４に供給するように、適切な弁および配管を介して配置された空気タンクおよび水タンクを含む。言うまでもなく、プリフォーム１１４は、圧力を保持することができるように、任意の既知の／適切な方法で密閉される。しかしながら、他の配置でも可能である。

圧力センサ２１４は、プリフォーム１１４内の圧力を検出するために、プリフォーム１１４内、または、プリフォーム１１４と流体源２１２とを流動的に連結する弁および配管内に配置することができる。圧力センサ２１４を含む結果として、オペレータおよび／または制御部２１６は、プリフォーム１１４への成形作業を行う前、その間およびその後に、プリフォーム１１４に加えられている圧力を監視し得る。

金型２０２、流体源２１２（タンク、弁、配管、導管など）および圧力センサ２１４は、１つまたは複数の制御部２１６（集合的に「制御部」）と連通し／その制御を受けることができる。制御部２１６は、金型２０２の開／閉と、導管２１３を介したプリフォーム１１４への流体の送達とを制御するように構成してもよい。導管２１３は、流体源２１２と金型２０２のキャビティ２０６との間を流体が流れることを可能にするチューブまたは他の中空部材であってもよい。プリフォーム１１４がセグメント２０４ｃ上、および開いたセグメント２０４ａと２０４ｂとの間に適切に位置付けされた状態で、プリフォーム１１４の内圧が約５バールなどの予圧を達成するまで、制御部２１６は、例えばプリフォーム１１４に空気を供給することによって、例えば予圧を引き起こすように流体源２１２に供給させることができる。一実施形態では、制御部２１６は、流体源２１２を制御し、流体を生じさせたり、またはそうでなければ放出したりして、プリフォーム１１４で圧力を上昇させてもよい。あるいは、制御部によって、導管２１３に取り付けられた１つまたは複数の弁（図示せず）を調整し（例えば、開く、閉じる、または部分的に開く／閉じる）、流体を放出してプリフォーム１１４で圧力を上昇させてもよい。プリフォーム１１４で圧力を上昇させる際には、制御部２１６は、本技術分野で理解されるように、電気信号を伝達し、弁などの電気機械装置を調整するように構成してもよい。

図６を参照すると、制御部２１６は、内部プリフォーム圧力が例えば５バールに到達した後に、セグメント２０４ａおよび２０４ｂにプリフォーム１１４の周りで閉じさせ、キャビティ２０６を形成することができる。上記のように、凸部２０８がプリフォームを変形させるため、この内圧によりプリフォームの形状欠陥が最小限に抑えられる／防がれる。

図７を参照すると、制御部２１６は、図４および図５に関して説明したのと同様に、プリフォームの内圧が約４０バールに到達するまで、流体源２１２に、例えば水または油をプリフォームに供給させることができる。図７の例では、この成形作業は、プリフォームをキャビティ２０６の凹部２１０内へ膨張させる。一旦プリフォーム１１４の成形が完了すると、成形プリフォーム１１８を所望のとおりにさらに加工することができるように、制御部２１６は、プリフォーム内の流体を排出させることができる。圧力を発生させるために油または水などの液体を利用してもよいが、圧力を発生させるために空気または他の気体を利用してもよく、それによって、洗浄ステップおよび／または乾燥ステップをなくしてもよい。

図２、図６および図７に示したプリフォームは加熱されていない。すなわち、加熱作業は、セグメント２０４ａおよび２０４ｂが閉じる前、または流体成形中に行う必要がない。先に説明したように、プリフォームの材料に応じて、予熱によりプリフォームが脆弱化し、それによって、成形工程の間、またはその後にプリフォームに損傷をもたらし得る。図１に示したように、プリフォーム１１０には、プリフォーム１１４を作製する際に、印刷およびコーティングを施してもよい。成形工程１１６の前、またはその間におけるプリフォームの加熱は一般に、超塑性金属などの金属には摂氏２００度以上の温度である。そのような温度は、プリフォーム１１４を脆弱化させることに加えて、プリフォーム１１４の印刷および／またはコーティングに損傷をもたらし得る。したがって、室温で成形および仕上工程１１６を行うことによって、プリフォーム１１４の印刷および／またはコーティングの損傷を防いでもよく、プリフォームは可能な限り強度を維持し得る。代替の実施形態では、金属を脆弱化させず、プリフォーム上のコーティングまたは印刷に悪影響を及ぼさない、摂氏２００度未満の温度でプリフォームを予熱することが可能であってもよい。

ブロー成形工程
ブロー成形技術は、金属を例えばガラス瓶の形状に成形するために使用することができる。ブロー成形装置には、金属プリフォーム、例えば開放端および閉鎖端を有するシリンダを装填することができる。次いで、開放端を介してプリフォームの内部に圧力下の流体を送達し、プリフォームを周囲金型内へ膨張させることができる。そのような状況でのプリフォームの最大の半径方向膨張は、例えば３０００シリーズのアルミニウムでは８％〜９％の範囲にある。しかしながら、先に説明したような特定のゲージを有する加工硬化プリフォームは、室温で２０％を超えて膨張する能力を有することがわかっている。したがって、仕上容器の直径が約５８ミリメートルであるべきならば、プリフォームの初期直径は、約５３ミリメートル以上であるべきである。プリフォームの直径が、金型の最小直径よりも小さい場合、プリフォームは金型が閉じることによって変形しないため、予加圧を必要としなくてもよい。最大４０％など、より大きく膨張させるためには、本明細書でさらに説明するように、選択的または局部的に予熱を行って、プリフォームの膨張をさらに増大させてもよい。そのような増大させた膨張は、最終ブロー成形品を作製するのにプリフォームを伸長すべき部分が金型にある場合に使用してもよい。

瓶形金属飲料容器は、容器の開放端の近くに形成された頂部または仕上部を有することが多い。容器から飲み易くするために、頂部の直径は通常、関連付けられたプリフォームの初期直径より小さい。頂部の直径は、例えば約２８ミリメートルであり得る。プリフォームの初期直径を所望の頂部仕上直径まで小さくするためには、３５〜４０個ものダイネッキング（または同様の）作業を行う必要があり得る。この数の作業を行うことは、全体的な容器製造時間のかなりの部分を占め、処理能力を制限する。さらに、この数の作業を支援するためには、いくつかの（高価な）ダイネッキング機械が必要である。

ブロー成形前に金属プリフォームの部分を選択的に加熱することにより、１５％〜２５％またはそれを超えて、場合によっては４０％以上もプリフォームの最大の半径方向膨張を増大させることができることが見出されている。したがって、仕上容器の最大直径が約５８ミリメートルであるべきならば、プリフォームの初期直径は、約４５ミリメートル以下であり得る。初期のプリフォーム直径のこの縮小により、所望の頂部仕上直径を達成するのに必要なダイネッキング（または同様の）作業の数を５０％も減らすことができる。そのような作業がより少なければ、全体的な容器製造時間、およびこれらの作業を支援するのに必要なダイネッキング機械の数（およびコスト）が削減される。さらに、プリフォームを半径方向に膨張する能力が高まることを考えると、非対称の容器形状を含む種々の容器形状が可能となる。

図８を参照すると、金属プリフォーム８０２が、開放端部８０４、成形閉鎖端（または底）部８０６、および本体部８０８を有する例示的環境８００。底部８０６は、ドームとして構成してもよく、塑性変形せずに、平方インチ当たり少なくとも９０ポンドの圧力に耐えることを可能にする。本体部８０８は、加熱装置８１０の近くに位置付けされるように示しているが、加熱装置８１０は、発熱体、加熱ランプ、ホットエアガンまたは任意の他の熱源であってもよい。プリフォーム８０２は、ブロー成形工程前に加熱装置８１０の近くを通過し、加熱装置８１０からの熱８１２で本体部８０８を軟化させてもよい。一実施形態では、導管または他のマニホールド構成（図示せず）を利用して、加熱装置８１０からの熱をプリフォーム８０２の開放端部８０４および底部８０６から遠ざけて、本体部８０８に方向付けてもよい。一実施形態では、ファンなどのブロー装置（図示せず）を利用して、熱８１２をプリフォーム８０２に方向付けてもよい。示したように、開放端部８０４および閉鎖端部８０６が、プリフォーム８０２の本体部８０８と同量の直射熱を受けないように、プリフォーム８０２を加熱装置８１０に対して位置付けされる。開放端部８０４は、直径を小さくした瓶形容器の頂部を最終的に形成するため、この部分はブロー成形の対象ではなく、したがって、伸張するためにより柔軟になる必要がないため、意図的にこの部分を加熱する必要はない。加熱によってプリフォーム金属は軟化し、したがって、その強度が低下し得るため、容器底部の強度損失を最小限に抑えるために、閉鎖端部８０６の意図的な加熱を避ける。しかしながら、プリフォーム８０２の本体部８０８全体にわたる熱伝導により、開放端部８０４および閉鎖端部８０６の意図しない加熱は起こり得る。

プリフォーム８０２の予熱を行う際には、１つまたは複数のプロセッサを含み得る制御部８１４が、機械または機器８１６と連通してもよい。機械８１６は、本技術分野で理解されるように、金属缶および／または瓶を加工および製造する際に使用するための標準的な機器であってもよい。しかしながら、予熱が用いられる場合、機械８１６はブロー工程前にプリフォーム８０２を選択的に予熱するために、図９のステップ９０４に関して以下にさらに説明するように、予熱を行うように修正してもよい。一実施形態では、金型が閉じる前に金型に予圧を加え、それによって、先に説明したように、プリフォームの半径が金型の最小半径より大きい場合、プリフォームの損傷を最小限に抑えてもよい。

閉鎖端部８０６の底部の強度は、その最終幾何形状設計と、金属厚さと、降伏強度との組合せに基づく。容器に保存された飲料からの圧力を受けると、容器底部の強度低下により、望ましくない膨れ、または変形が生じ得る。そのような望ましくない膨れまたは変形は、容器壁の幾何形状に関連したフープ強度により、本体部８０８で起こる可能性ははるかに低い。

プリフォーム加熱工程中に、膨れず、あるいは塑性（永久）変形せずに、例えば平方インチ当たり少なくとも９０ポンドの圧力に耐える底部の能力を維持することが望まれ得る。膨れず、または塑性変形せずに、例えば平方インチ当たり少なくとも９０ポンドの圧力に耐えるドーム形金属底部８０６の能力を損なわないように、本体部８０８の側壁内の熱を、ドーム形金属底部８０６に伝わる前に十分放散させる、閉鎖端部８０６と加熱装置８１０との距離は、（ｉ）プリフォームの材料および厚さ、（ｉｉ）加熱装置８１０の温度、（ｉｉｉ）本体部８０８の目標温度などのような因子に依存し、テスト、シミュレーションなどによって、任意の特定の構成に対して決定することができる。さらに、冷却空気（または他の流体）を底部８０６上に方向付け、熱放散を促進することができる。

初期のプリフォームの厚さおよび直径、ならびに所望の最大の半径方向膨張は、プリフォームの本体部８０８を加熱する範囲に影響を及ぼし得る。例えば、初期直径が４５ミリメートルで、所望の半径方向膨張が２０％のプリフォームは、室温でブロー成形してもよく、または、摂氏２００度未満などの温度まで加熱して、ブロー成形中にプリフォーム金属を完全に膨張伸張させることを必要としてもよい。初期直径が３８ミリメートルで、所望の半径方向膨張が４２％のプリフォームは、より高い温度（例えば、少なくとも摂氏２８０度）に加熱して、ブロー成形などの間にプリフォーム金属を完全に膨張伸張させることを必要としてもよい。さらに、加熱ステーションからブロー成形ステーションまでのプリフォームの移動に関連した時間は、この移動中にプリフォームが冷め得るため、加熱方法にさらに影響を及ぼし得る。例えば６秒の移動時間中に、摂氏１００度程度のプリフォームの温度低下が観察されている。

材料、ゲージ、加熱時間などに応じて、摂氏約１００度〜摂氏約２５０度までの温度範囲を利用してもよいことが理解されるべきである。所与のプリフォーム設計の様々な部分に対する所望温度、および加熱時間などは、テストまたはシミュレーションによって決定することができる。予熱しない、または摂氏２００度以上の温度で予熱しない上記加圧成形工程とは反対に、図９に示したように、ブロー成形工程後にプリフォームをコーティングし、それによって、加熱工程が少なくとも摂氏約２００度であるべき場合、加熱工程中にコーティングが損傷しないようにしてもよい。本技術分野で理解されるように、成形されたプリフォームにコーティングを施すことは可能であるが、成形前にプリフォームにコーティングを施すよりも技術的に難しく、コストがかかる。

図９を参照すると、金属容器をブロー成形するための例示的工程のフロー図９００が示されている。工程９００は、ステップ９０２から始まり、金属プリフォームを設けてもよい。金属プリフォームは、３０００シリーズのアルミニウムなどの加工硬化金属であってもよい。ステップ９０４では、作業９０６でのブロー成形作業に先立ち、金属プリフォームを上記のように加熱してもよい（すなわち、プリフォームの開放端および閉鎖端ではなく、本体部を加熱する）。作業９０６では、プリフォームの部分を所望の形状に成形するように、予熱されたプリフォームをブロー成形する。一実施形態では、所望の形状は、ガラス瓶の形状であってもよい。プリフォーム内の圧力は、室温の、または高温（例えば、摂氏２００度〜摂氏３００度）に加熱された流体を使用して、例えば約０．５秒で４０バールまで上昇させ、プリフォームの部分を周囲金型内へ膨張させることができる。言うまでもなく、他のシナリオが考えられる。次いで、成形されたプリフォームの追加加工を行うことができる。

工程９００は、少なくとも部分的に自動化された工程を用いて行ってもよい。工程９００を行う際には、制御部８１４は、加熱装置８１０によって発生した熱８１２でプリフォーム８０２を加熱する機械８１６と連通してもよい。例えば、機械８１６と連通する制御部８１４は、プリフォーム８０２に加熱装置８１０の近くを通過させ、加熱装置８１０にプリフォーム８０２の近くを通過させ、加熱装置８１０をプリフォーム８０２に利用し、移動可能かつ／または弁で調節され得る導管（すなわち、開放弁は熱を加え、閉鎖弁は、熱が加えられるのを防ぐ）を介して、加熱装置８１０からの熱をプリフォーム８０２に加え、または、本技術分野で理解されるような任意の他の方法で、加熱装置８１０からの熱をプリフォーム８０２に加えてもよい。制御部８１４は、加熱装置８１０と連通して、加熱装置８１０に熱を発生させてもよい。一実施形態では、加熱装置８１０は、制御部８１４によって特定温度に設定してもよい。加熱装置８１０は金属プリフォーム８０２に接近して近いことを示したが、加熱装置８１０は、上で示唆したように、金属プリフォーム８０２と、加熱装置８１０からプリフォーム８０２まで延在する導管（図示せず）とから位置付けしてもよく、成形ステーションなどのステーションに位置付けしながら、または本技術分野で理解されるようにコンベア、キャリア、もしくは他の機械によってステーション間を通過させながら、プリフォーム８０２に熱を加えるために使用してもよいことが理解されるべきである。別の実施形態では、金型自体は、成形工程の前および／またはその間に、金型内へ熱を加え、または熱を加えさせるように構成してもよい。

特定の初期プリフォーム幾何形状は、上記加熱ブロー成形工程の歩留まりを改善することがさらに見出されている。すなわち、これらのプリフォームから加熱ブロー成形によって形成された容器には、しわ、引裂きまたは他の欠陥の事例がほとんどない。

図１０を参照すると、管状金属プリフォーム１０００は、初期の厚さまたはゲージが例えば０．０２５インチ以下の範囲である金属板から形成されている。プリフォーム１０００は、開放端部１００２、閉鎖端部１００４、および本体部１００６を有する。プリフォーム１０００はさらに、厚さＴ、最大幅Ｄ、および高さＨを有する。厚さＴは、プリフォーム１０００の高さＨに沿って変化することができ、例えば公称値は０．０１０インチである。閉鎖端部１００４は、最大幅ｄを有する平坦部１００８（搬送中の安定性を促進するための）と、平坦部および本体部１００６の垂直壁を連結する、有効曲率半径Ｒによって画定された湾曲部とを有する。他の例では、Ｒは複合半径（平坦部および垂直壁に接する弧に一体化された２つ以上の半径）であってもよい。

実験およびシミュレーションから、以下の関係のうちの少なくともいくつかを満たすプリフォームが一般に、上記加熱ブロー成形作業に好適であることが明らかになっている。
Ｄ＜２Ｒ＋ｄ （式１）
ｄ／Ｄ＞０．３ （式２）
Ｈ／Ｄ＞３ （式３）

例えば、Ｄが４５ミリメートルであり、Ｈが１８５ミリメートルである場合、ｄは１３．５ミリメートル以上であり、Ｒは１５．７５ミリメートル以上であり得る（または、複合半径を所望のとおり用いることができる）。

例示的実施形態を上で説明しているが、これらの実施形態が、本発明のすべての可能な形式について説明していることを意図していない。本明細書で使用する用語は、限定するものではなく、説明の用語であり、本開示の精神および範囲から逸脱せずに、様々な変更を行うことができることが理解される。先に説明したように、様々な実施形態の特徴を組み合わせて、明示的に説明し、または示し得ない本発明のさらなる実施形態を形成することができる。様々な実施形態について、１つもしくは複数の所望の特性に対して利点を示し、または、他の実施形態もしくは先行技術の実施態様を参照して説明することはできたが、所望の全体的なシステムの特質を達成するために１つもしくは複数の特徴または特性を損ない得、それら特質は、特定の用途および実施に依存することを当業者は認識する。これらの特質には、コスト、強度、耐久性、ライフサイクルコスト、市場性、外観、梱包、寸法、サービス性、重量、製造可能性、組立て易さなどが挙げられ得るが、これらに限定されない。したがって、１つもしくは複数の特性に対する他の実施形態または先行技術の実施態様より望ましくないと説明した実施形態は、本開示の範囲外ではなく、特定の用途に望まれ得る。

Claims (40)

1. 加工硬化金属から形成されているプリフォームを設けるステップであって、前記プリフォームが、開放部、閉鎖端部および本体部を有するステップと、
   前記プリフォームの前記開放部および前記閉鎖端部に加えられている熱を制限するように、前記プリフォームの前記本体部を予熱するステップと、
   予熱された前記プリフォームを、複数のセグメントを含む金型に挿入するステップと、
   前記金型の前記複数のセグメントを閉じるステップと、
   前記プリフォームに、前記金型によって画定された形状をとらせるように、前記プリフォームをブロー成形するステップと、
   成形された前記プリフォームを前記金型から取り出すステップと
   を含む、金属容器を製造する方法。
2. 前記金型が閉じた後に、階段関数を用いて前記プリフォームに圧力を加えるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記圧力を加えるステップが、約４０バールを超える圧力を加えるステップを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記プリフォームの前記本体部を予熱するステップが、前記プリフォームの前記本体部を摂氏約２００度以下に加熱するステップを含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記プリフォームの前記本体部を予熱するステップが、前記プリフォームの前記本体部を摂氏約２００度〜摂氏約２８０度に加熱するステップを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記プリフォームをブロー成形した後に、前記プリフォームにコーティングを施すステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
7. プリフォームを設けるステップが、前記金型の最大半径より最大約４５パーセント小さい半径を有するプリフォームを設けるステップを含む、請求項１に記載の方法。
8. プリフォームを設けるステップが、約０．０２５インチ未満のゲージを有するプリフォームを設けるステップを含む、請求項１に記載の方法。
9. プリフォームを設けるステップが、以下のパラメータを有する閉鎖端部を有するプリフォームを設けるステップを含み、Ｄが最大幅、Ｒが有効曲率半径、ｄが底平坦部の最大幅である、請求項１に記載の方法。
   Ｄ＜２Ｒ＋ｄ （式１）
   ｄ／Ｄ＞０．３ （式２）
   Ｈ／Ｄ＞３ （式３）
10. プリフォームを設けるステップが、複合半径を有する閉鎖端部を有するプリフォームを設けるステップを含む、請求項１に記載の方法。
11. 加工硬化金属から形成されているプリフォームを予熱する際に使用するための加熱装置であって、前記プリフォームが、開放部、閉鎖端部および本体部を有し、前記プリフォームの前記開放部および前記閉鎖端部に加えられている熱を制限するように、前記プリフォームの前記本体部を予熱するように構成されている加熱装置と、
    複数のセグメントを含み、開位置にある時に予熱された前記プリフォームを受けるように構成されている金型と、
    前記プリフォームに、前記金型によって画定された形状をとらせるように、前記金型が閉位置にある時に前記プリフォームをブロー成形するように構成されたブロー装置と
    を含む、金属容器を製造するためのシステム。
12. 制御部をさらに含み、前記制御部が、前記金型が閉じた後に、階段関数を用いて前記プリフォームに圧力を加えるように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記制御部が、圧力を加えるステップにおいて、約４０バールを超える圧力を加えるように構成されている、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記加熱装置が、前記プリフォームの前記本体部を摂氏約２００度以下に加熱するように構成されている、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記加熱装置が、前記プリフォームの前記本体部を摂氏約２００度〜摂氏約２８０度に加熱するように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
16. 前記金型に入れる前に、前記プリフォームがコーティングされていない、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記プリフォームが、前記金型の最大半径より最大約４５パーセント小さい半径を有する、請求項１１に記載のシステム。
18. 前記プリフォームが、約０．０２５インチ未満のゲージを有する、請求項１１に記載のシステム。
19. 前記プリフォームが、以下のパラメータを有する閉鎖端部を有し、Ｄが最大幅、Ｒが有効曲率半径、ｄが底平坦部の最大幅である、請求項１１に記載のシステム。
    Ｄ＜２Ｒ＋ｄ （式１）
    ｄ／Ｄ＞０．３ （式２）
    Ｈ／Ｄ＞３ （式３）
20. 前記プリフォームが、複合半径を有する閉鎖端部を有する、請求項１３に記載のシステム。
21. 加工硬化金属から形成されているプリフォームを設けるステップであって、前記プリフォームが、開放部、複合半径を有する閉鎖端部および本体部を有するステップと、
    前記プリフォームを、複数のセグメントを含む金型に挿入するステップであって、前記プリフォームが室温であるステップと、
    前記金型の前記複数のセグメントを閉じるステップと、
    前記プリフォームに、前記金型によって画定された形状をとらせるように、前記プリフォームを室温でブロー成形するステップと、
    成形された前記プリフォームを前記金型から取り出すステップと
    を含む、金属容器を製造する方法。
22. 前記プリフォームをブロー成形するステップにおいて、約４０バールを超える圧力を前記プリフォームに加えるステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
23. プリフォームを摂氏２００度未満に予熱するステップであって、前記プリフォームが加工硬化金属から形成されているステップと、
    予熱された前記プリフォームを、複数のセグメントを含む金型に挿入するステップと、
    前記プリフォームに第１の圧力レベルの予圧を加えるステップと、
    前記金型の前記複数のセグメントを閉じるステップと、
    前記金型を閉じた後に、階段関数を用いて前記プリフォームに加えられている前記圧力を第２の圧力レベルまで上昇させるステップであって、前記第１の圧力レベルから前記第２の圧力レベルまでの前記圧力の前記上昇により、前記プリフォームに、前記金型によって画定された形状をとらせるステップと、
    成形された前記プリフォームを前記金型から取り出すステップと
    を含む、金属容器を製造する方法。
24. 前記プリフォームに前記予圧を加えるステップが、前記プリフォームに少なくとも約５バールの圧力を加えるステップを含む、請求項２３に記載の方法。
25. 金型にプリフォームを挿入するステップが、前記金型の最小半径より大きい半径を有するプリフォームを挿入するステップを含み、それによって、前記金型が閉じる時に前記金型に前記プリフォームを変形させる、請求項２３に記載の方法。
26. 前記圧力を上昇させるステップが、前記圧力を少なくとも約４０バールまで上昇させるステップを含む、請求項２３に記載の方法。
27. 前記圧力を上昇させるステップが、約０．２秒未満で前記圧力を上昇させるステップを含む、請求項２６に記載の方法。
28. プリフォームを挿入するステップが、約０．００２インチ〜約０．０２インチのゲージを有するプリフォームを挿入するステップを含む、請求項２６に記載の方法。
29. 前記金型を閉じる前に、前記プリフォームに予圧を加えるステップを行う、請求項２３に記載の方法。
30. 予圧を加えるステップが、前記プリフォームに第１の流体を加えるステップを含む、請求項２３に記載の方法。
31. 前記圧力を上昇させるステップが、前記プリフォームに第２の流体を加えるステップを含む、請求項３０に記載の方法。
32. 加工硬化金属から形成されているプリフォームを予熱する際に使用するための加熱装置であって、前記プリフォームが、開放部、閉鎖端部および本体部を有し、前記プリフォームの前記開放部および前記閉鎖端部に加えられている熱を制限するように、前記プリフォームの前記本体部を予熱するように構成されている加熱装置と、
    予熱された前記プリフォームが挿入される複数のセグメントを含む金型と、
    前記プリフォーム上に圧力を発生させるステップにおいて、使用するための流体を保存するように構成された流体源と
    制御部であって、
    前記加熱装置を作動させ、
    前記流体を使用して、前記プリフォームに第１の圧力レベルの予圧を加えて、前記金型を開閉させ、
    前記金型の前記複数のセグメントを閉じ、
    前記金型を閉じた後に、階段関数を用いて前記プリフォームに加えられている前記圧力を第２の圧力レベルまで上昇させ、前記第１の圧力レベルから前記第２の圧力レベルまでの前記圧力の前記上昇により、前記プリフォームに、前記金型によって画定された形状をとらせ、
    成形された前記プリフォームを前記金型から取り出すことができるように、前記金型を開くよう構成された
    制御部と
    を含む、金属容器を製造するためのシステム。
33. 前記制御部が、前記プリフォームに前記予圧を加えるステップにおいて、前記プリフォームに少なくとも約５バールの圧力を加えるステップを含む、請求項３２に記載のシステム。
34. 前記プリフォームが、前記金型の最小半径より大きい半径を有し、それによって、前記金型が閉じる時に前記金型に前記プリフォームを変形させる、請求項３２に記載のシステム。
35. 前記制御部が、前記圧力を上昇させるステップにおいて、前記圧力を少なくとも約４０バールまで上昇させる、請求項３２に記載のシステム。
36. 前記制御部が、前記圧力を上昇させるステップにおいて、約０．２秒未満で前記圧力を上昇させる、請求項３５に記載のシステム。
37. 前記プリフォームが、約０．００２インチ〜約０．０２インチのゲージを有する、請求項３５に記載のシステム。
38. 前記金型を閉じる前に、前記プリフォームに前記予圧が加えられる、請求項３２に記載のシステム。
39. 前記制御部が、前記予圧を加えるステップにおいて、前記プリフォームに第１の流体を加える、請求項３２に記載のシステム。
40. 前記制御部が、前記圧力を上昇させるステップにおいて、前記プリフォームに第２の流体を加える、請求項３９に記載のシステム。

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