KR100781841B1 - 충전제 함유 성형 부품의 제조 방법 및 이에 유용한 장치 - Google Patents

충전제 함유 성형 부품의 제조 방법 및 이에 유용한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 충전제 함량을 보다 신속하게, 그리고 가능하다면 재료의 손실 없이 상이하게 변화시키는 방식으로 예를 들어, 폴리올과 이소시아네이트의 자유 유동(free-flowing) 반응 혼합물로부터 충전제 함유 성형 부품 또는 성형 제품을 제조하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 이는 1종 이상의 반응 성분을 둘 이상의 부분 (이들 중 적어도 한 부분은 충전제로 충전됨)으로 나누고, 상기 둘 이상의 부분들의 혼합 비율 및 그에 따른 최종 성형 부품의 충전제 함량을 조정함으로써 달성된다. 1종 이상의 반응 성분들을 저장하기 위한 2개 이상의 저장 용기가 제공된다. 조정가능한 계량 장치는 상기 2개 이상의 저장 용기와 혼합 장치 사이에 배치한다.
성형 부품, 성형 제품, 충전제, 폴리올, 이소시아네이트, 자유 유동, 저장 용기, 계량 장치

Description

충전제 함유 성형 부품의 제조 방법 및 이에 유용한 장치{A Process for the Production of Filler-Containing Molded Parts and Apparatus Useful Therefor}
도 1은 화학 반응 성분들 중 1종만을 두 부분 (한 부분은 충전제를 함유하고 다른 부분은 충전제를 함유하지 않음)으로 나눈, 본 발명의 방법을 수행하기에 적합한 장치를 도시한다.
도 2는 2종의 화학 반응 성분들 모두를 두 부분 (한 부분은 충전제를 함유하고 다른 부분은 충전제를 함유하지 않음)으로 나눈, 본 발명의 방법을 수행하기에 적합한 장치를 도시한다.
도 3은 도 2에 도시된 장치내의 혼합 장치로 유입되는 스트림을 개략적으로 도시한다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 6, 10, 21, 26, 30, 34: 교반기
3, 9, 13, 23, 29, 33, 37: 피스톤형 계량 장치
5, 25, 43: 혼합 장치
14, 38: 금형
41, 42, 45, 46: 공급 라인
본 발명은 자유 유동 혼합 혼합물로부터 충전제 함유 성형 부품 또는 성형 제품을 제조하는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명의 방법에서, 2종 이상의 자유 유동 화학 반응 성분들 (이들 중 1종 이상은 충전제를 함유함)은 혼합을 통해 반응시킨다. 자유 유동 반응 혼합물은 금형에 도입되며, 여기서 반응 이 종결된다. 이어서, 성형 제품 또는 성형 부품이 금형으로부터 꺼내어진다.
폴리올과 이소시아네이트 (이들 중 적어도 하나는 충전제를 함유함)를 혼합 및 반응시키고, 생성된 반응 혼합물을 금형에 도입하여 경화시키고, 이어서 경화된 반응 혼합물을 금형으로부터 꺼냄으로써 충전제 함유 폴리우레탄 성형 부품을 제조하는 것은 일반적으로 알려져 있다.
이러한 방법에 사용되는 화학 반응 성분들의 예로는 이소시아네이트 및 폴리올을 들 수 있다. 바람직한 충전제로는 유리 섬유, 탄소 섬유 및 천연 섬유, 예를 들어 황마 및 대마 섬유와 같은 섬유를 들 수 있다. 그러나, 과립 및 분말, 예컨대 재생품, 멜라민 및 초크 형태의 물질도 사용될 수 있다.
최근, 이러한 성형 부품은 일반적으로 비교적 대형의 플랜트에서 제조된다. 교반기를 구비한 저장 용기로부터 시작하는 라인은 계량 장치를 경유하여 혼합 장치에 이르는데, 각각의 경우 1개의 금형에 할당되며, 소위 다중 계량 시스템 (multi-point metering system)으로 불리운다. 이러한 금형 중 1개 또는 2개는 정적 성형 지지부에 배치될 수 있다.
종종, 동일한 플랜트에서 동일하거나 상이한 형상의 성형 부품 또는 성형 제품 (이들의 충전제 함량은 상이함)을 제조할 필요가 있다. 이 때문에, 저장 용기 1 배치 당 1종의 반응 성분 및 그에 상응하는 양의 충전제를 준비한다.
일련의 성형 부품을 충전제 함량이 상이한 또다른 성형 부품으로 변화시키려면, 새로운 배치의 반응 성분(들)을 준비해야 하며, 플랜트를 세정하여 기존의 충전제 함유 반응 성분을 제거해야 한다. 이는 재료의 손실 뿐만 아니라 상기와 같 은 변화에 요구되는 시간으로 인해 제조 시간의 손실도 따름을 의미한다.
본 발명의 목적은, 충전제 함유 성형 부품의 제조 과정에서 보다 신속하게, 그리고 가능하다면 재료의 손실 없이 반응 혼합물의 충전제 함량을 상이하게 변화시킬 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
당업계 숙련자들에게 명백할 본 발명의 상기 목적 및 다른 목적은, 1종 이상의 반응 성분들을 둘 이상의 부분으로 나누고, 이들 부분 중 적어도 한 부분을 충전제로 충전함으로써 달성된다. 반응 성분 부분들의 혼합 비율을 조정하면 최종 성형 부품의 충전제 함량도 조정하게 된다.
본 발명의 방법에서는, 1종 이상의 반응 성분들을 2개 부분으로 나눈다. 이들 중 한 부분은 충전제를 포함한다. 다른 부분은 충전제를 포함하지 않는다. 이들 부분의 혼합 비율을 조정하면, 제조 공정에 중대한 조업중단 없이도 최종 성형 부품의 충전제 함량을 변화시킬 수 있다.
그 결과, 반응 혼합물은 간단한 배치전환에 의해, 충전제 함유 부분에 대한 충전제가 없는 부분의 비율 또는 제2의 충전제 함유 부분에 대한 제1의 충전제 함유 부분의 비율을 변화시킴으로써 폴리올-폴리이소시아네이트 배합비를 유지하면서 반응 혼합물의 충전제 함량을 상이하게 변화시킬 수 있다.
화학 배합비, 즉 반응 성분들 상호에 대한 정량비는 본 발명의 방법을 진행하는 동안 충전제 함량을 변화시키는 과정에서 일정하게 유지된다. 단지 하나의 충전제 함유 성분 부분만이 이용가능한 경우, 상기 성분은 모든 충전제 성분을 가능한 최대 함량으로 조정하기 위해서는 최종 성형 부품중의 기대되는 충전제 함량의 최대값 이상에 상응해야 한다. 성분 부분들에 충전제를 충전한 경우, 그 충전량은 상이할 것임에 틀림없다. 성형 부품에서 충전제를 원하는 함량으로 조정하기 위해, 한 부분은 충전제 함량이 보다 높고 다른 부분은 충전제 함량이 보다 낮다.
본 발명의 방법의 일 실시양태에서, 충전제가 상이한 양으로 충전된 동일한 유형의 두 부분 이상의 반응 성분을 가공 또는 처리에 이용할 수 있다.
2종의 반응 성분들 중 충전제가 없는 부분과 충전제를 함유한 부분을 가공 또는 처리에 이용하는 것도 가능하다.
반응 성분들 중 1종 이상을 두 부분 이상 (두 부분 이상이 충전제로 충전됨)으로 나눌 수 있음도 물론이다. 그러나, 대체로 그렇게까지 많은 설비가 요구되어서도 안되고, 필요로 하지도 않는다.
섬유는 충전제로 사용하기에 바람직하다. 적합한 섬유 재료의 예로는 유리 섬유와 같은 무기 섬유, 폴리아미드 섬유와 같은 합성 섬유, 및 황마 또는 대마 섬유와 같은 천연 섬유를 들 수 있다.
적합한 충전제에는 또한 재생품과 같은 과립 형태나, 멜라민 또는 초크와 같은 분말 형태의 통상의 충전제도 포함된다.
본 발명에 따른 자유 유동 반응 혼합물로부터 충전제 함유 성형 부품을 제조하기 위한 장치는 2개 이상의 자유 유동 화학 반응 성분용 저장 용기 (이들 중 적어도 하나는 충전제가 충전됨)를 기본적으로 구비한다. 저장 용기는 일반적으로 계량 장치를 통해 1개 이상의 혼합 장치 (금형으로 개방됨)에 연결된다.
2개 이상의 저장 용기를 1종 이상의 반응 성분용으로 구비한다. 이들 반응 성분의 두 부분 중 적어도 한 부분은 충전제를 충전한다. 조정가능한 계량 장치는 이들 2개의 저장 용기와 혼합 장치 사이에 배치한다.
도 1 및 2는 본 발명에 따라, 이소시아네이트와 폴리올의 반응 성분들로부터 폴리우레탄의 충전제 함유 성형 부품을 제조하기에 적합한 장치를 개략적으로 명백히 도시한다. 도 1은 적합한 장치의 제1 실시양태를 도시하고, 도 2는 이러한 장치의 제2 실시양태를 도시하고, 도 3은 상기 혼합 장치와, 임의로 충전제가 충전된 반응 성분용으로 연결되어 있는 라인의 상면도를 도시한다.
도 1에서, 라인 (4)는 교반기 (1)를 구비한, 충전제가 없는 이소시아네이트용 저장 용기 (2)로부터 피스톤 형 계량 장치 (3)를 경유하여 혼합 장치 (5)에 이른다. 리인 (8)은 교반기 (6)를 구비한, 높은 함량의 충전제를 충전한 폴리올용 저장 용기 (7)로부터 피스톤형 계량 장치 (9)를 경유하여 혼합 장치 (5)에 이른다. 라인 (12)는 교반기 (10)을 구비한, 보다 낮은 함량의 충전제를 충전한 폴리올용 저장 용기 (11)로부터 피스톤형 계량 장치 (13)를 경유하여 혼합 장치 (5)에 이른다. 혼합 장치 (5)는 성형 부품 (15)가 나타나 있는 금형 (14)을 종점으로 연결되어 있다. 상술한 장치에 실질적인 변화를 가하지 않으면서도, 저장 용기 (11)은 순수한 폴리올로 교호 충전할 수 있고, 저장 용기 (7)에 저장된 폴리올에는 적어도 기대되는 최대 함량의 충전제를 충전하여 성형 제품 (15)을 제조한다.
도 2에서, 라인 (24)는 교반기 (21)가 구비된, 충전제가 없는 이소시아네이 트용 저장 용기 (22)로부터 피스톤형 계량 장치 (23)를 경유하여 혼합 장치 (25)에 이른다. 라인 (28)은 교반기 (26)가 구비된, 낮은 함량의 충전제가 충전된 이소시아네이트용 저장 용기 (26)로부터 피스톤형 계량 장치 (29)를 경유하여 혼합 장치 (25)에 이른다. 라인 (32)은 교반기 (30)가 구비된, 충전제가 없는 폴리올용 저장 용기 (31)로부터 피스톤형 계량 장치 (33)를 경유하여 혼합 장치 (25)에 이른다. 마지막으로, 라인 (36)은 교반기 (34)가 구비된, 높은 함량의 충전제가 충전된 폴리올용 저장 용기 (35)로부터 피스톤형 계량 장치 (37)를 경유하여 혼합 장치 (25)에 이른다. 혼합 장치 (25)는 성형 부품 (39)이 나타나 있는 금형 (38)을 종점으로 연결되어 있다. 이 실시양태에서, 또한 저장 용기들 (22, 27, 31 및 34)은 수행되는 방법에 따라, 장치의 구조에 실질적인 변화를 가하지 않고도 상이한 방식으로 충전을 수행할 수 있다.
도 3에서, 폴리올로 구성된 반응 성분의 충전제 함유 부분용의 2개의 공급 라인들 (41 및 42)은 혼합 장치 (43)에 연결되어 있다. 이들 공급 라인들 (41 및 42)은 분기 라인 (44)으로부터 공급되어 혼합 장치 (43)에 정반대 방향으로 연결되어 있다. 이들 공급 라인들에 대해 90도 방향으로, 충전제가 없는 폴리올용 공급 라인 (45) 및 충전제가 없는 이소시아네이트용 공급 라인 (46)이 서로 마주보게 연결되어 있다. 선택된 작업 방식에 따라, 혼합 장치 (43)에 공급 라인들 (41, 42, 45 및 46)을 통해 상이한 방식으로 공급할 수 있음은 물론이다. 하나의 변형법을 설명하기 위해, 예를 들어 동일한 반응 성분의 충전제를 함유하는 부분의 단지 두 부분을 공급 라인들 (41 및 42)을 통해 서로 마주보게 도입시키면서 충전제가 없는 반응 성분들을 2개의 다른 공급 라인들 (45 및 46)을 통해 공급할 수 있다. 특히 양호하게 혼합하기 위해서는, 마주보는 공급 라인들내의 유동 에너지를 크기 순으로 배치하는 것이 유리하다.
성형 부품의 제조 과정에서, 혼합 장치에서 임의의 시간에 제조된 이소시아네이트-폴리올-충전제 혼합물은 요구되는 비율에 부합되어야 한다. 즉, 금형내 개개 성분들의 정량비도 전적으로 정확해야 할 뿐 아니라 임의의 시간에서 개개 흐름의 서로에 대한 용적 유량도 마찬가지로 요구되는 비율에 부합되어야 한다.
하기의 작업 양식은 본 발명의 장치를 사용하여 수행할 수 있다.
<실시예 1>
도 1에 도시된 장치를 사용하여 충전제로서 섬유 형태의 유리를 함유하는 폴리우레탄 성형 부품을 제조하였다. 반응 성분은 이소시아네이트와 폴리올 및 유리였다. 총 용적은 3,000 ㎤이었다. 최종 성형 부품중의 유리 함량은 14 중량%이었다. 2종의 반응 성분을 100:170.9의 질량비로 공급하였다. 폴리올 성분을 충전제가 없는 부분과 충전제 함유 부분으로 나누었다. 충전제 함유 반응 성분 중에서 폴리올 대 유리의 질량비는 100:80이었다. 반응 성분의 밀도는 폴리올의 경우 1.02 kg/ℓ이고, 이소시아네이트의 경우 1.12 kg/ℓ이고, 유리의 경우 2.56 kg/ℓ이었다. 충전제 함유 폴리올의 밀도는 1.392 kg/ℓ로 산출되었다. 0.8 초의 계량 또는 충전 시간을 선택하는 경우, 다음과 같은 용적 유량을 얻었다.
이소시아네이트: 2,136.5 ㎤/초
충전제 함유 폴리올: 997.8 ㎤/초
충전제가 없는 폴리올: 615.7 ㎤/초
이어서, 동일한 성형 부품 용적을 유지하면서 성형 부품중의 유리 섬유 함량이 22 중량%까지 증가되도록 제품을 변화시켰다. 본 명세서에서는 또한, 반응 성분을 100:170.9의 질량비로 공급해야 했다. 마찬가지로, 충전제 함유 성분 중의 폴리올 대 유리의 질량비는 100:80에서 일정하게 유지시켰다. 0.8 초의 동일한 계량 또는 충전 시간 및 최종 성형 부품 중 22 중량%의 유리 함량에서 다음과 같은 용적 유량이 산출된다.
이소시아네이트: 2,040.3 ㎤/초
충전제 함유 폴리올: 1,651.0 ㎤/초
충전제가 없는 폴리올: 58.7 ㎤/초
<실시예 2>
도 1에 도시된 장치를 사용하여 충전제로서 섬유 형태의 유리를 함유하는 폴리우레탄 성형 부품을 제조하였다. 반응 성분은 이소시아네이트와 폴리올 및 유리였다. 총 용적은 3,000 ㎤이었다. 최종 성형 부품중의 유리 함량은 14 중량%이었다. 2종의 반응 성분을 100:170.9의 질량비로 공급하였다. 폴리올 성분을 충전제 함량이 빈약한 부분 (폴리올 대 유리의 질량비가 100:40임)과 충전제 함량이 풍부한 부분 (폴리올 대 유리의 질량비가 100:80임)으로 나누었다. 순수한 반응 성분의 밀도는 폴리올의 경우 1.02 kg/ℓ이고, 이소시아네이트의 경우 1.12 kg/ℓ이고, 유리의 경우 2.56 kg/ℓ이었다. 충전제 함량이 빈약한 폴리올 및 충전제 함량이 풍부한 폴리올의 밀도는 각각 1.232 kg/ℓ 및 1.392kg/ℓ이었다. 0.8 초의 계량 또는 충전 시간을 선택하는 경우, 다음과 같은 용적 유량이 산출된다.
이소시아네이트: 2,136.5 ㎤/초
충전제 함량이 풍부한 폴리올: 185.8 ㎤/초
충전제 함량이 빈약한 폴리올: 1,427.7 ㎤/초
다른 방식으로 한계 조건을 동일하게 유지하면서 성형 부품의 유리 비율을 22 중량%까지 증가시켜야 하는 경우, 다음과 같은 용적 유량이 산출된다.
이소시아네이트: 2,040.3 ㎤/초
충전제 함량이 풍부한 폴리올: 1,573.6 ㎤/초
충전제 함량이 빈약한 폴리올: 136.0 ㎤/초
<실시예 3>
도 1에 도시된 장치를 사용하여 충전제로서 섬유 형태의 유리를 함유하는 폴리우레탄 성형 부품을 제조하였다. 반응 성분은 이소시아네이트와 폴리올 및 유리였다. 총 용적은 3,000 ㎤이었다. 최종 성형 부품중의 유리 함량은 30 중량%이었다. 2종의 반응 성분을 100:170.9의 질량비로 공급하였다. 폴리올 성분을 충전제가 없는 부분과 충전제 함유 부분으로 나누었다. 충전제 함유 반응 성분 중에서 폴리올 대 유리의 질량비는 100:80이었다. 이소시아네이트는 또한 충전제를 함유하였다. 이소시아네이트 대 유리의 질량비는 100:60이었다. 순수한 반응 성분의 밀도는 폴리올의 경우 1.02 kg/ℓ이고, 이소시아네이트의 경우 1.12 kg/ℓ이고, 유리의 경우 2.56 kg/ℓ이었다. 충전제 함유 폴리올의 밀도는 1.392 kg/ℓ로 산출될 수 있다. 충전제 함유 이소시아네이트의 밀도는 1.419 kg/ℓ로 산출될 수 있다. 0.8 초의 계량 또는 충전 시간을 선택하는 경우, 다음과 같은 용적 유량을 얻었다.
충전제 함유 이소시아네이트: 2,441.0 ㎤/초
충전제 함유 폴리올: 277.5 ㎤/초
충전제가 없는 폴리올: 1,031.6 ㎤/초
다른 방식으로 조건을 동일하게 유지하면서 최종 성형 부품의 유리 비율을 38 중량%까지 증가시켜야 하는 경우, 다음과 같은 용적 유량을 설정해야 한다.
충전제 함유 이소시아네이트: 2,290.1 ㎤/초
충전제 함유 폴리올: 1,219.6 ㎤/초
충전제가 없는 폴리올: 240.4 ㎤/초
<실시예 4>
도 2에 도시된 장치를 사용하여 충전제로서 섬유 형태의 유리를 함유하는 폴리우레탄 성형 부품을 제조하였다. 반응 성분은 이소시아네이트와 폴리올 및 유리였다. 총 용적은 3,000 ㎤이었다. 최종 성형 부품중의 유리 함량은 30 중량%이었다. 2종의 반응 성분을 100:170.9의 질량비로 공급하였다. 폴리올 성분을 충전제가 없는 부분과 충전제 함유 부분으로 나누었다. 충전제 함유 반응 성분 중에서 폴리올 대 유리의 질량비는 100:80이었다. 이소시아네이트 성분도 마찬가지로 충전제가 없는 부분과 충전제 함유 부분으로 나누었다. 충전제 함유 부분중의 이소시아네이트 대 유리의 질량비는 100:60이었다. 순수한 반응 성분의 밀도는 폴리올의 경우 1.02 kg/ℓ이고, 이소시아네이트의 경우 1.12 kg/ℓ이고, 유리의 경우 2.56 kg/ℓ이었다. 충전제 함유 폴리올의 밀도는 1.392 kg/ℓ로 산출될 수 있다. 충전제 함유 이소시아네이트의 밀도는 1.493 kg/ℓ로 산출될 수 있다. 0.8 초의 계량 또는 충전 시간을 선택하는 경우, 다음과 같은 용적 유량을 얻는다.
충전제 함유 이소시아네이트: 1,958.0 ㎤/초
충전제가 없는 이소시아네이트: 483.4 ㎤/초
충전제 함유 폴리올: 277.5 ㎤/초
충전제가 없는 폴리올: 1,031.6 ㎤/초
다른 방식으로 조건을 동일하게 유지하면서 최종 성형 부품의 유리 함량을 38 중량%까지 증가시켜야 하는 경우, 다음과 같은 용적 유량을 설정해야 한다.
충전제 함유 이소시아네이트: 1,837.0 ㎤/초
충전제가 없는 이소시아네이트: 453.5 ㎤/초
충전제 함유 폴리올: 1,219.6 ㎤/초
충전제가 없는 폴리올: 240.4 ㎤/초
본 발명을 예시의 목적으로 상기에서 상세히 설명하였지만, 이러한 상세내용은 단지 예시를 위함이며, 특허청구범위에 의해 제한될 수 있음을 제외하고는 본 발명의 정신 및 범주를 벗어나지 않는 한 당업자가 변화시킬 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명에 따르면, 충전제 함량을 신속하면서도 재료의 손실 없이 상이하게 변화시키는 방식으로 자유 유동 반응 혼합물로부터 충전제 함유 성형 부품 또는 성형 제품을 제조하는 방법 및 그 장치를 제공할 수 있다.

Claims (12)

  1. a) (1) 제1 반응 성분, 및 (2) 2개 이상의 부분으로 나누어지고 상기 부분 중 적어도 한 부분에 충전제가 충전된 제2 반응 성분을 포함하는 2종 이상의 자유 유동(free-flowing) 화학 반응 성분들을, 제2 반응 성분 부분들의 혼합 비율을 조정하여 성형 부품의 충전제 함량을 변화시킬 수 있는 방식으로 혼합하는 단계,
    b) 자유 유동 반응 혼합물을 금형에 도입하는 단계,
    c) 금형내 반응 혼합물의 반응을 종결하는 단계, 및
    d) 성형 부품을 금형으로부터 꺼내는 단계
    를 포함하는, 상기 자유 유동 반응 혼합물로부터 충전제 함유 성형 부품을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제2 반응 성분의 2개 이상의 부분에 상이한 양의 충전제를 충전하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 제1 반응 성분을 충전제가 없는 부분과 충전제 함유 부분으로 나누는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 반응 성분 각각을 충전제가 없는 부분과 충전제 함유 부분으로 나누는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유를 충전제로 사용하는 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 유리 섬유, 천연 섬유, 황마 섬유, 및 대마 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 충전제로서 사용하는 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. a) 제1 자유 유동 화학 반응 성분용의 제1 저장 용기,
    b) 충전제가 충전된 제2 자유 유동 화학 반응 성분의 제1 부분용의 제2 저장 용기,
    c) 제2 자유 유동 화학 반응 성분의 제2 부분용의 제3 저장 용기,
    d) 제1 저장 용기로부터 나오는 제1 자유 유동 화학 반응 성분의 흐름을 조 절하는 계량 장치,
    e) 제2 저장 용기로부터 나오는 제2 자유 유동 화학 반응 성분의 제1 부분의 흐름을 조절하는 계량 장치,
    f) 제3 저장 용기로부터 나오는 제2 자유 유동 화학 반응 성분의 제2 부분의 흐름을 조절하는 계량 장치,
    g) 계량된 양의 자유 유동 반응 혼합물 성분들을 수용하는 혼합 장치, 및
    h) 상기 혼합 장치로부터 나오는 반응 혼합물을 수용하는 금형
    을 포함하는, 2종 이상의 자유 유동 화학 반응 성분들로 형성된 자유 유동 반응 혼합물로부터 충전제 함유 성형 부품 또는 성형 제품을 제조하는 장치.
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