KR100646262B1 - 재밀봉이 가능한 금속 용기의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 용기의 바닥부를 어깨부와 주입부로 성형하는 과정에서 주름이나 파단과 같은 성형 불량을 예방할 수 있는 재밀봉이 가능한 금속 용기의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 금속 용기 제조 방법은 펀치 몸통부의 상단 모서리에 테이퍼면을 갖는 펀치를 제작하는 단계와, 펀치를 이용해 원판 소재를 가압 성형하여 몸통부와 테이퍼부 및 바닥부로 이루어짐과 동시에 테이퍼부와 바닥부가 몸통부보다 큰 두께를 가지는 본체를 형성하는 단계와, 바닥부와 테이퍼부를 다이와 홀더 사이에 위치시키고, 다단 드로잉을 통해 바닥부를 바깥으로 돌출되게 성형하여 어깨부와 주입부를 형성하는 단계와, 주입부를 커팅하여 주입구를 형성하고, 주입부에 컬링부와 나사부를 형성하는 단계와, 몸통부 하단에 하부 뚜껑을 권체하는 단계를 포함한다.

금속용기, 재밀봉, 몸통부, 바닥부, 드로잉, 아이어닝, 테이퍼부, 펀치

Description

재밀봉이 가능한 금속 용기의 제조 방법 {FORMING METHOD OF RECLOSABLE METAL CONTAINER}

도 1은 종래 기술에 의한 하부 축경법을 설명하기 위해 도시한 개략도이다.

도 2a 내지 도 2c는 종래 기술에 의한 2피스 본체를 대상으로 하는 하부 축경 과정을 도시한 개략도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 용기 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 용기 제조 방법 중 제1 공정에서 제작된 펀치의 부분 확대 단면도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 용기 제조 방법에서 제2 공정이 완료된 본체의 단면도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 용기 제조 방법에서 제3 공정을 설명하기 위해 도시한 금형과 본체의 부분 확대 단면도이다.

도 7은 제3 공정을 통해 어깨부와 주입부가 성형된 본체의 단면도이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 용기 제조 방법에서 제4 공정을 설명하기 위해 도시한 본체의 단면도이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 용기 제조 방법에서 제5 공정을 설 명하기 위해 도시한 본체의 단면도이다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 용기 제조 방법에서 본체 성형 과정을 상세하게 도시한 개략도이다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 용기 제조 방법에서 주입부 성형을 위한 바닥부 다단 드로잉 공정을 도시한 개략도이다.

본 발명은 재밀봉이 가능한 병 모양 금속 용기의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속 용기의 바닥부를 어깨부와 주입부로 성형하는 과정에서 주름이나 파단과 같은 성형 불량을 예방할 수 있는 금속 용기의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 식음료 저장 등에 사용되는 금속 용기는 바닥부와 몸통부로 구성되는 본체와, 몸통부에 결합되는 뚜껑으로 이루어진다. 바닥부와 몸통부가 일체로 성형된 것을 2피스 캔이라 하고, 바닥부와 몸통부를 별개로 제작한 다음 결합한 것을 3피스 캔이라 한다. 금속 용기는 내용물을 충진한 후 풀-오픈 엔드(full-open end)나 이지-오픈 엔드(easy-open end)와 같은 뚜껑을 권체(seaming)하고 필요에 따라 살균 또는 레토르트 과정을 거쳐 출시된다.

금속 용기는 뚜껑에 부착된 탭에 손가락을 걸고 당겨 올려 개봉하게 되는데, 재밀봉하여 보관할 수 있는 기능이 없기 때문에 개봉후 바로 소비하기에 부담이 적 은 소용량 중심의 용기 분야에 주로 적용되고 있다.

한편, 유리 용기 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)와 같은 고분자 수지를 연신 성형하여 제조하는 플라스틱 용기는 음료를 충진한 후 스크류 캡으로 주입구를 밀봉시킨 상태로 생산 및 판매되고 있다. 이러한 용기는 재밀봉이 가능하며, 금속 용기의 주 소비시장인 소용량 용기 분야에도 그 적용 범위를 넓히고 있다.

따라서 성형성이나 재활용성의 장점 뿐만 아니라 차광성, 내기체투과성, 급속 냉각성 등이 우수한 금속 용기에 대하여, 유리 용기 또는 플라스틱 용기와 동등한 재밀봉 기능을 부여함으로써 용기 시장에서의 경쟁력을 향상시키려는 다양한 시도들이 진행되고 있다.

금속 용기에 재밀봉 기능을 부여하는 방법으로서 본체의 형태를 변화시키고 그 변형 부위에 주입구를 형성하며 주입구를 캡으로 밀봉하는 기술이 공지되어 있다. 이 가운데 도 1에 도시한 바와 같이, 몸통부(11)와 일체로 성형된 바닥부(13)를 다단 드로잉 작업에 의해 바깥으로 돌출되게 성형하여 어깨부(15)와 주입부(17)를 형성하는 하부 축경법(下部 縮俓法; bottom neck reducing)이 알려져 있다.

하부 축경법을 통해 제조된 금속 용기에서는 바닥부(13)가 원판과 거의 동일한 두께를 유지하면서 가공 경화가 없기 때문에, 일회의 드로잉 공정에 의해서도 높은 축경률을 얻을 수 있으므로 주입부(17) 성형에 필요한 공정수를 대폭 줄일 수 있다. 그러나 아이어닝(ironing) 성형에 의해 완성된 2피스 본체를 대상으로 하부 축경법을 적용하는 경우에는 소재 유동(material flow)에 대한 고려가 필수적이다.

도 2a 내지 도 2c는 종래 기술에 의한 2피스 본체를 대상으로 하는 하부 축 경 과정을 도시한 개략도이다.

도 2a에 주입부 성형이 개시되기 전 다이(19)와 홀더(21) 사이에 본체가 장착되는 초기 상태를 도시하였다. 주입부 성형을 위해 바닥부(13)를 바깥으로 돌출시키는 하부 축경법은 몸통부(11)에 원주 방향으로 압축 변형을 수반하는 드로잉 모드 성형에 해당하며, 압축 변형시 몸통부(11)에서의 주름 발생을 억제하기 위하여 적절한 크기의 블랭크 홀딩력(blank holding force)을 작용시켜야 한다.

본체와 금형의 초기 장착 상태에서는 다이(19)와 홀더(21)의 간극에 삽입된 바닥부(13) 모서리가 아이어닝 성형 전의 원판 두께를 유지하고 있으므로 바닥부(13) 모서리가 다이(19)면과 홀더(21)면에 균일하게 접촉하고, 그 접촉부(23, 원형 점선으로 도시)에 블랭크 홀딩력이 고르게 작용한다고 볼 수 있다.

그런데 도 2b에 도시한 바와 같이 주입부(17) 성형을 위해 펀치(25)를 상승시키면, 두께가 얇은 아이어닝 성형부(27)가 다이(19)와 홀더(21)의 간극으로 진입하므로 아이어닝 성형부(27)는 다이(19)면과 홀더(21)면에 균일하게 접촉하지 못하고 다이(19)와 홀더(21) 사이에 간극이 존재하게 된다.

그 결과 펀치(25)를 계속 상승시키면 금형의 간극으로 진입한 아이어닝 성형부(27)에 블랭크 홀딩력이 작용하지 않게 되고, 몸통부(11)에 작용하는 원주 방향의 압축력에 의해 도 2c에 도시한 바와 같이 주름(29)이 발생하게 된다. 계속하여 펀치(25)를 상승시키면 주름은 더욱 성장하고, 소재의 유입 저항이 증가하여 주입부(17)의 모서리에서 파단이 발생하게 된다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 2피스 본체의 바닥부를 다단 드로잉 성형에 의해 바깥으로 돌출시켜 어깨부와 주입부를 성형하는 과정에서 몸통부에 주름이나 파단이 발생하지 않도록 하여 제조 품질을 높일 수 있는 재밀봉이 가능한 금속 용기의 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

펀치 몸통부의 상단 모서리에 테이퍼면을 갖는 펀치를 제작하는 단계와, 이 펀치를 이용해 원판 소재를 가압 성형하여 몸통부와 테이퍼부 및 바닥부로 이루어짐과 동시에 테이퍼부와 바닥부가 몸통부보다 큰 두께를 가지는 본체를 형성하는 단계와, 바닥부와 테이퍼부를 다이와 홀더 사이에 위치시키고, 다단 드로잉을 통해 바닥부를 바깥으로 돌출되게 성형하여 어깨부와 주입부를 형성하는 단계와, 주입부를 커팅하여 주입구를 형성하고, 주입부에 컬링부와 나사부를 형성하는 단계와, 몸통부 하단에 하부 뚜껑을 권체하는 단계를 포함하는 재밀봉이 가능한 금속 용기 제조 방법을 제공한다.

상기 펀치를 제작하는 단계에서 상기 테이퍼면 상단에 곡률부를 함께 형성할 수 있다.

상기 펀치를 제작하는 단계에서 펀치 몸통부에 대한 테이퍼면의 각도가 1° 내지 4°가 되도록 형성할 수 있다. 또한, 이 단계에서 테이퍼면의 길이가 하기 조건을 만족하도록 형성할 수 있다.

여기서, A는 펀치의 상단 중앙부로부터 테이퍼면이 끝나는 지점까지의 펀치 외표면 선상 길이를 나타내고, B는 상기 어깨부와 주입부 형성 단계가 완료된 본체에서 주입부 중앙부로부터 어깨부가 끝나는 지점까지의 본체 외표면 선상 길이를 나타낸다.

상기 본체를 형성하는 단계는 컵 드로잉 공정과 리드로잉 공정 및 복수의 아이어닝 성형 공정을 포함할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 용기 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.

도 3을 참고하면, 금속 용기 제조 방법은 펀치 몸통부의 상부 모서리에 테이퍼면을 갖는 펀치를 제작하는 제1 공정(S1)과, 펀치로 원판 소재를 가압 성형하여 몸통부와 테이퍼부 및 바닥부로 이루어진 본체를 형성하는 제2 공정(S2)과, 다단 드로잉을 통해 바닥부를 바깥으로 돌출되게 성형하여 어깨부와 주입부를 형성하는 제3 공정(S3)과, 주입부를 커팅하여 주입구를 형성하고 주입부에 컬링부와 나사부를 형성하는 제4 공정(S4)과, 몸통부 하단에 하부 뚜껑을 권체하는 제5 공정(S5)을 포함한다.

본 실시예에서 원판 소재는 알루미늄 합금판, 주석 도금강판, 수지피복 금속 판 등으로 이루어질 수 있으며, 본체의 성형법으로는 디아이(DI; Drawing and Ironing) 방식, 디티알(DTR; Drawing and Thin Redrawing)+아이어닝(ironing) 방식 등 아이어닝 성형이 부가되는 모든 방법이 적용될 수 있다.

도 4는 제1 공정에서 제작된 펀치의 부분 확대 단면도이고, 도 5는 제2 공정이 완료된 본체의 단면도이다.

도 4를 참고하면, 펀치(10)의 몸통부(12) 상단 모서리는 소정의 곡률(R)을 가지는 곡률부(14)와 소정의 경사를 가지는 테이퍼면(16)으로 이루어진다. 도 5를 참고하면, 상기 펀치(10)에 의해 성형된 본체(20)는 몸통부(22)와 바닥부(24) 및 몸통부(22)와 바닥부(24) 사이의 모서리에서 소정의 경사를 가지며 위치하는 테이퍼부(26)로 이루어진다. 바닥부(24)와 테이퍼부(26)는 아이어닝 성형에 의해 두께가 얇아진 몸통부(22)에 비해 원판과 거의 동일한 두께를 유지한다.

본체(20)의 테이퍼부(26)는 아이어닝 성형에 의해 두께가 급격하게 감소하는 위치를 몸통부(22) 쪽으로 지연시키고, 실질적으로 원판의 두께를 그대로 유지하는 성형 영역을 몸통부(22) 쪽으로 확대시키는 역할을 한다. 이로써 테이퍼부(26)는 추후 주입부 성형을 위한 다단 드로잉 과정에서 몸통부(22)에 압축 변형이 작용하여도 주름이나 파단 발생이 없는 안전한 성형을 가능하게 한다.

도 6은 제3 공정을 설명하기 위해 도시한 금형과 본체의 부분 확대 단면도이고, 도 7은 제3 공정이 완료된 본체의 단면도이다.

전술한 테이퍼부(26)를 갖는 본체(20)를 이용하여 공지의 하부 축경법으로 주입부(28)를 형성하면, 도 6에 도시한 바와 같이 다단 드로잉 과정에서 다이(30) 와 홀더(32) 사이의 간극에는 두께가 얇아진 몸통부(22) 대신 원판 소재와 거의 비슷한 두께를 가지는 테이퍼부(26)가 위치하게 된다. 테이퍼부(26)는 그 두께에 변화가 거의 없으며, 다이(30)면 및 홀더(32)면과 균일한 접촉을 이룬다. 이로 인해 테이퍼부(26)에 블랭크 홀딩력이 적절하게 작용하게 된다.

따라서 도 7에 도시한 바와 같이 몸통부(22)로부터 어깨부(34)와 주입부(28)가 이어져 형성되며, 몸통부(22)와 어깨부(34)에 주름이 발생하지 않음과 동시에 주입부(28)에 파단이 발생하지 않는 안전한 성형이 이루어진다.

한편 도 4와 도 7을 참고하면, 펀치(10)의 곡률부(14)는 제조하고자 하는 금속 용기의 형상에서 어깨부(34)와 동일한 곡률로 형성될 수 있다. 그러나 반드시 여기에 한정되지 않으며, 펀치(10)는 곡률부(14) 없이 직선상의 모서리를 형성하여도 무방하다.

또한 상기 펀치(10)에 테이퍼면(16)을 형성하기 위해서는 펀치 몸통부(12)에 대한 테이퍼면(16)의 각도를 나타내는 테이퍼 각도(θ)와, 펀치(10)의 길이 방향에 따른 테이퍼면(16)의 길이를 나타내는 테이퍼 길이(L)의 적절한 선정이 중요하다.

테이퍼 각도(θ)는 너무 크면 몸통부(22)의 주름을 유발하므로 1° 내지 4° 범위가 바람직하다. 테이퍼 길이(L)는 두께 변화가 생기는 몸통부(22)와 테이퍼부(26)의 경계 위치를 결정하는 중요한 역할을 하므로 제조하고자 하는 금속 용기의 주입부(28) 높이(L')를 고려하여 결정하여야 한다.

도 4에서 펀치(10)의 상단 중앙부로부터 테이퍼면(16)이 끝나는 지점까지의 외표면 선상 길이를 A라 하고, 도 7에서 주입부(28) 중앙부로부터 어깨부(34)가 끝 나는 지점까지의 외표면 선상 길이를 B라 하면, 펀치(10)는 다음의 조건을 만족하도록 형성된다.

펀치(10)와 접촉하는 원판 소재는 최초 펀치(10) 외표면의 선상 길이(A)에서 도 7에 도시한 금속 용기 외표면의 선상 길이(B)로 변한다는 기본적인 관점에서 볼 때, 펀치(10) 외표면의 선상 길이(A)와 금속 용기 외표면의 선상 길이(B)는 같아야 하지만, 하부 축경법을 적용하여 주입부(28)를 성형하는 다단 드로잉 작업에서 소재의 연신이 발생하므로 펀치(10) 외표면의 선상 길이(A)는 금속 용기 외표면의 선상 길이(B)보다 짧아도 무방하다.

특히 식음료 캔용 소재로 널리 사용되는 주석 도금강판이나 알루미늄 합금판 등의 금속 박판은 연성이 20% 이상이고, 최대 40%에 달하는 소재도 있으므로 펀치(10) 외표면의 선상 길이(A)는 금속 용기 외표면 선상 길이(B)의 최소 60% 수준으로 설정될 수 있다.

도 8과 도 9는 각각 제4 공정과 제5 공정을 설명하기 위해 도시한 본체의 단면도이다.

도 8을 참고하면, 주입부(28) 성형이 완료된 본체는 제4 공정에서 펀칭 또는 트리밍에 의해 주입구(281)를 형성하고, 주입부(28) 끝단에 컬링부(36)를 형성한 다음, 주입부(28) 외면에 스크류 캡과의 조립을 위한 나사부(38)를 형성한다. 도 9 를 참고하면, 제5 공정에서는 본체(10)의 몸통부(22)에 하부 뚜껑(40)을 권체하여 재밀봉이 가능한 금속 용기를 완성한다.

(실시예)

도 10을 참고하면, 0.246mm 두께의 주석 도금강판을 준비하고, 이 강판의 양면에 수용성 윤활제를 도포한 다음 통상의 컵 드로잉 공정과 같이 컵핑 프레스(cupping press)에서 컵(42)을 제조하였다. 제조된 컵(42)의 직경은 88.9mm이다. 이 컵을 몸체 성형기(body maker)로 이송하여 1회의 리드로잉과 3회의 아이어닝 성형을 실시하였다.

리드로잉과 아이어닝 성형은 통상의 음료캔 제조 공정과 거의 유사하나 펀치의 형상은 도 4와 동일하게 이루어진다. 본 실시예에서 적용된 펀치의 테이퍼 각도(θ)는 2°이고, 테이퍼 길이는 30mm이다. 아이어닝 성형이 완료된 본체(20)의 외경은 약 66mm이고, 3회 아이어닝 단계별로 26%, 33%, 25%의 두께 감소율이 적용되었다.

아이어닝 성형이 완료된 본체(20)에서 몸통부(22) 두께는 약 0.090mm이다. 그 후 본체(20)의 높이를 일정하게 맞추는 트리밍 작업과 세척 및 건조 작업을 완료한 후 주입부를 성형하기 위한 하부 축경 공정으로 이송한다.

도 11을 참고하면, 하부 축경 공정은 도 6에 도시한 하부 축경 개념을 적용하였으며, 3회의 다단 드로잉 작업을 통해 바닥부(24)에서 바깥으로 돌출된 주입부(28) 성형을 완료하였다. 3회의 드로잉 공정으로 성형된 주입부(28)의 외경은 27.75mm로서 직경 28mm인 알루미늄 표준 알오피피(ROPP; Roll-On Pilfer Proof) 캡 을 수용할 수 있다.

상기 펀치를 이용한 3회의 주입부 성형 과정에서 몸통부(22)와 어깨부(34)에 전혀 주름이 발생하지 않았으며, 매끄러운 어깨 곡률을 지니는 본체(20)가 형성됨을 확인하였다. 주입부(28)를 형성한 다음 펀칭 또는 트리밍에 의해 주입구를 형성하고, 주입부 끝단에 컬링부와 나사부를 형성하였으며, 몸통부 바닥에 하부 뚜껑을 권체하여 재밀봉이 가능한 병 모양 금속 용기를 완성하였다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이와 같이 본 발명에 의한 금속 용기의 제조 방법에 따르면, 리드로잉과 아이어닝 성형을 통해 본체를 성형하고 다단 드로잉 작업을 거쳐 바닥부를 어깨부와 주입부로 성형하는 과정에 있어서 리드로잉과 아이어닝 성형을 위한 펀치의 모서리에 테이퍼면을 형성함으로써 아이어닝 성형 개시 전후에 몸통부 주름이나 파단과 같은 성형 불량을 효과적으로 억제할 수 있다.

Claims (5)

1. 펀치 몸통부의 상단 모서리에 테이퍼면을 갖는 펀치를 제작하는 단계;

   상기 펀치를 이용해 원판 소재를 가압 성형하여 몸통부와 테이퍼부 및 바닥부로 이루어짐과 동시에 테이퍼부와 바닥부가 몸통부보다 큰 두께를 가지는 본체를 형성하는 단계;

   상기 바닥부와 테이퍼부를 다이와 홀더 사이에 위치시키고, 다단 드로잉을 통해 바닥부를 바깥으로 돌출되게 성형하여 어깨부와 주입부를 형성하는 단계;

   상기 주입부를 커팅하여 주입구를 형성하고, 주입부에 컬링부와 나사부를 형성하는 단계; 및

   상기 몸통부 하단에 하부 뚜껑을 권체하는 단계;

   를 포함하는 재밀봉이 가능한 금속 용기 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 펀치를 제작하는 단계에서 상기 테이퍼면 상단에 곡률부를 형성하는 재밀봉이 가능한 금속 용기 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 펀치를 제작하는 단계에서 상기 펀치 몸통부에 대한 상기 테이퍼면의 각도가 1° 내지 4°가 되도록 형성하는 재밀봉이 가능한 금속 용기 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 펀치를 제작하는 단계에서 상기 테이퍼면의 길이가 하기 조건을 만족하도록 형성하는 재밀봉이 가능한 금속 용기 제조 방법.

   

   여기서, A는 상기 펀치의 상단 중앙부로부터 테이퍼면이 끝나는 지점까지의 펀치 외표면 선상 길이를 나타내고, B는 상기 어깨부와 주입부 형성 단계가 완료된 본체에서 주입부 중앙부로부터 어깨부가 끝나는 지점까지의 본체 외표면 선상 길이를 나타낸다.
5. 제1항에 있어서,

   상기 본체를 형성하는 단계가 컵 드로잉 공정과 리드로잉 공정 및 복수의 아이어닝 성형 공정을 포함하는 재밀봉이 가능한 금속 용기 제조 방법.

Images