KR101309228B1 - 유연한 성형 롤러를 구비한 무금형 판재 성형 장치 - Google Patents

유연한 성형 롤러를 구비한 무금형 판재 성형 장치 Download PDF

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강범수
윤준석
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 무금형 판재 성형 장치에 관한 것으로, 상하로 대응되게 배열되고, 각각 다양한 곡률로 휘어질 수 있는 두 개의 회전가능한 성형 롤러와; 각 성형 롤러에 일단이 고정되고, 길이 조절이 가능하도록 구성되어, 길이에 따라 상기 성형 롤러의 곡률과 두 개의 성형 롤러 사이의 간격을 조절하는 다수의 롤러 조절 부재;를 포함하며, 상기 롤러 조절 부재에 의하여 상기 성형 롤러의 곡률 및 간격을 조절함으로써 판재의 성형 형태가 달라지는 것을 특징으로 한다. 이렇게 구성되는 무금형 판재 성형 장치는 목적 형상이 변경될 경우 용이하게 성형 형상을 수정할 수 있어 다품종 소량 판재 성형에 적합하면서 딤플이나 주름을 유발하지 않는 장점이 있으며, 소재의 가장자리까지 성형이 가능하고 판재의 두께나 크기에 제한이 없이 성형이 가능하다.

Description

유연한 성형 롤러를 구비한 무금형 판재 성형 장치{SHEET FORMING APPARATUS WITH FLEXIBLE ROLLERS}
본 발명은 무금형 판재 성형 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 곡률 변경이 가능한 유연한 성형 롤러를 이용하는 다품종 소량 판재 성형에 적합한 무금형 판재 성형 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 후판 또는 박판 등의 판재를 성형하기 위해서는 도 1에 도시된 바와 같이 상부와 하부에 목적 형상에 부합하는 금형(1)을 제작하여 그 사이에 판재(3)를 배치한 후 프레스 장치를 이용하여 판형 제품을 성형 및 제작하였다.
그러나, 이러한 종래의 금형을 이용한 판재 성형 장치는 동일한 곡면 형상을 갖는 제품의 대량 생산은 가능하나, 목적 형상이 수정되거나 변경되는 경우 이를 반영하기 위해서는 새로운 금형을 제작하여야 하므로 금형 설계비 및 최종 제품의 생산 단가가 증가하게 되어 다품종 소량 생산에는 적합하지 않았다. 또한, 목적 형상이 수정되지 않더라도, 금형을 한시적 또는 영구적으로 사용하지 않는 경우 보관, 유지보수 및 폐기 등으로 인한 추가적인 비용이 발생하였다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 특허등록 제10-1034592호 등에서는, 도 2와 같이 상부 금형(11a) 및 하부 금형(11b)이 각각 개별적으로 상하이동 가능하게 구성된 다수의 펀치로 이루어진 다점 판재 성형 장치를 개시하고 있다. 이러한 다점 판재 성형 장치는 목적 형상이 수정되거나 변경되었을 때 상하부금형의 펀치의 높이를 조절하여 성형 형상을 용이하게 변경할 수 있다. 그러나, 각각의 펀치 헤드의 곡률반경과 펀치들 간의 높이차로 인하여 판재와 성형 장치 사이에 불규칙한 공간이 발생하게 되며, 이로 인해 국부적으로 작은 곡률반경을 가지는 곡면이나 모서리를 갖는 곡면의 성형이 어렵고 판재의 가장자리는 성형이 잘 되지 않아 잘라냄으로써 소재의 낭비를 초래하는 문제가 있었다. 또한, 판재의 두께가 비교적 두꺼운 후판의 경우와는 달리, 두께가 얇은 박판을 성형하는 경우 각 펀치의 크기에 따라 딤플(dimple)이 발생하거나 국부적으로 주름(wrinkle)이 발생하는 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위하여 도 3에 도시된 바와 같이 다수의 성형 펀치(21a, 21b)와 판재(23) 사이에 우레탄 등의 소재로 형성된 탄성패드(25)를 배치하여 성형하는 방법이 개발되었으나, 탄성패드의 재질과 목적 형상에 따라 각각의 펀치 길이를 재조정하여야 하여 역시 장치의 운용이나 성형 정밀도를 저하시키는 단점이 있었다.
또한, 종래의 금형 성형 장치와 다수의 펀치를 이용한 다점 성형 장치는 금형의 크기에 따라 판재의 최종 형상의 크기가 제한되어, 대형 판재를 성형하기 위해서는 최종 형상을 분할 성형하여 추가적인 기계적 가공 및 용접 등에 의한 접합을 통하여 최종 제품을 제조하거나, 판재에 직접 열을 가하여 열에 의해 발생하는 잔류응력을 이용하여 곡면을 성형하였다. 그러나, 이러한 추가적인 가공 등은 성형 비용 및 기간을 증가시키는 요인이 되었다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하여 단순한 구성으로 목적 형상이 변경되더라도 용이하게 성형 형상을 수정할 수 있어 다품종 소량 판재 성형에 적합하면서 딤플이나 주름을 유발하지 않는 무금형 판재 성형 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 소재의 가장자리까지 성형이 가능하고 판재의 두께나 크기에 제한이 없이 성형이 가능한 무금형 판재 성형 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무금형 판재 성형 장치는, 상하로 대응되게 배열되고, 각각 다양한 곡률로 휘어질 수 있는 두 개의 회전가능한 성형 롤러와; 각 성형 롤러에 일단이 고정되고, 길이 조절이 가능하도록 구성되어, 길이에 따라 상기 성형 롤러의 곡률과 두 개의 성형 롤러 사이의 간격을 조절하는 다수의 롤러 조절 부재;를 포함하며, 상기 롤러 조절 부재에 의하여 성형 롤러의 곡률 및 간격을 조절함으로써 판재의 성형 형태가 달라지는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 무금형 판재 성형 장치는 상하로 놓인 두 개의 성형 롤러 사이에서 판재를 성형하므로 구성이 간단할 뿐 아니라 길이 방향으로 판재의 크기에 제한이 없이 성형이 가능하고, 롤러 조절 부재에 의하여 성형 롤러의 곡률 및 간격을 조절하여 간단히 성형 형태를 수정할 수 있어 다품종 소량 판재 성형에 적합하다.
바람직하게는, 상기 롤러 조절 부재는 내부 나사산을 가진 외부 부재 및 외부 나사산을 가진 내부 부재를 포함하여, 외부 부재와 내부 부재의 나사 결합 길이에 따라 롤러 조절 부재의 길이가 조절된다.
이와 같이 롤러 조절 부재의 길이 조절에 의하여 성형 롤러의 곡률은 다양하게 조절될 수 있으며, 이에 따라 단일 곡률, 이중 곡률, 복곡률, 다중 곡률, 비틀린 형상 등의 판재를 성형할 수 있다.
더 바람직하게는, 상기 외부 부재는 성형 롤러에 고정되고, 상기 내부 부재는 모터에 연결되어, 모터의 회전에 의해 롤러 조절 부재의 길이가 조절될 수 있다. 또한, 각 롤러 조절 부재가 별도의 모터를 구비하거나 하나 또는 복수의 모터가 이동하면서 롤러 조절 부재를 조절할 수 있다. 이와 같이 모터를 사용하여 롤러 조절 부재의 길이를 손쉽게 조절할 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 외부 부재는 성형 롤러에 고정되고, 외부 부재의 성형 롤러에 고정되는 단부에는 회동가능한 롤러 가이드가 구비되며, 상기 롤러 가이드는 성형 롤러가 맞물리는 반원보다 큰 원호형 홈을 가질 수 있다. 즉, 성형 롤러가 회동 가능한 홈에 물린 채 롤러 조절 부재의 길이가 조절됨으로써 성형 롤러의 다양한 곡률을 용이하게 변경할 수 있다.
본 발명의 장치를 이용하여 판재를 성형할 때에는, 상기 두 개의 회전가능한 성형 롤러 사이에 피성형 판재를 삽입하고, 이 판재가 성형 롤러 사이를 통과하도록 잡아당겨 성형할 수 있다. 또한, 상부 또는 하부의 하나의 성형 롤러는 양단이 롤러 회전 모터에 연결되어 모터에 의하여 구동되도록 구성되거나, 상하의 성형 롤러 모두 모터에 의하여 구동되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 구동 성형 롤러는 그 회전에 의하여 성형 롤러 사이에 맞물린 피성형 판재를 밀어내어 성형하게 된다.
바람직하게는, 상기 성형 롤러는 다수의 강선을 감아 형성될 수 있으며, 이때 성형 롤러의 외면에 감긴 강선은 판재와 접촉하는 바깥쪽 면이 평평하도록 연삭가공되는 것이 바람직하다. 달리, 성형 롤러의 외면에는 판재와 접촉하는 바깥쪽 면이 평평하도록 단면이 타원형인 강선이 감길 수 있다. 이와 같이, 외면이 평평한 성형 롤러의 연속적인 곡면을 따라 판재를 성형함으로써, 국부적인 딤플이나 주름없이 매끈한 성형면을 얻을 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 무금형 판재 성형 장치는 상하 두 개의 성형 롤러의 형태 및 그 사이의 간격을 조절하여 판재를 성형하므로, 구성이 간단하고 설치 공간이 비교적 작으며, 금형 제작비, 보관 및 유지보수 비용이 크게 절감되는 효과가 있다.
또한, 롤러 조절 부재로 성형 롤러의 곡률 및 간격을 조절하여 성형 형상을 다양하게 변경할 수 있어 다품종 소량 판재 성형에 적합할 뿐 아니라, 판재의 길이에 제한이 없어 대형 판재 성형이 가능하며 추가 가공이 필요하지 않다.
또한, 다수의 펀치를 사용하지 않고 성형 롤러의 연속적인 곡면을 따라 판재를 성형하므로, 소재의 가장자리까지 성형이 가능하고, 박판의 경우에도 딤플이나 주름이 발생하지 않는 이점이 있다.
도 1은 종래의 금형 판재 성형 장치를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 종래의 다점 판재 성형 장치를 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 종래의 탄성패드를 구비한 다점 판재 성형 장치를 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무금형 판재 성형 장치를 개략적으로 도시한 사시도,
도 5는 도 4의 무금형 판재 성형 장치에 사용되는 롤러 조절 부재의 일 실시예를 도시한 사시도,
도 6은 도 5의 롤러 조절 부재가 모터와 결합된 예를 도시한 부분 단면도,
도 7은 도 5의 롤러 조절 부재가 모터와 결합된 다른 예를 도시한 도면,
도 8은 도 4의 무금형 판재 성형 장치에 사용되는 성형 롤러의 일 구성예를 도시한 도면,
도 9는 도 8의 성형 롤러의 변형예를 도시한 도면,
도 10은 두 개의 성형 롤러 사이에서 판재를 성형하는 일 실시예를 도시한 도면,
도 11은 두 개의 성형 롤러 사이에서 판재를 성형하는 다른 실시예를 도시한 도면,
도 12는 본 발명에 따른 무금형 판재 성형 장치에 의한 판재 성형의 일 예로서 판재를 볼록형으로 성형할 때 상하 성형 롤러의 배치를 도시한 단면도,
도 13은 도 12의 상하 성형 롤러의 배치에 의한 판재의 성형 형태를 도시한 도면,
도 14는 본 발명에 따른 무금형 판재 성형 장치에 의한 판재 성형의 다른 예로서 판재를 안장형으로 성형할 때 상하 성형 롤러의 배치를 도시한 단면도,
도 15는 도 14의 상하 성형 롤러의 배치에 의한 판재의 성형 형태를 도시한 도면,
도 16은 본 발명에 따른 무금형 판재 성형 장치에 의한 판재 성형의 또 다른 예로서 판재를 비틀린형으로 성형할 때 상하 성형 롤러의 배치를 도시한 단면도,
도 17은 도 16의 상하 성형 롤러의 배치에 의한 판재의 성형 형태를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조한 실시예를 통하여 더 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무금형 판재 성형 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 판재 성형 장치(100)에는 수평으로 배열된 두 개의 성형 롤러(101a, 101b)가 서로 상하로 대응되게 배치된다. 이 성형 롤러(101a, 101b)는 각각 다양한 곡률로 유연하게 휘어질 수 있도록 구성된다.
각 성형 롤러(101a, 101b)에는 곡률을 조절하기 위하여 다수의 롤러 조절 부재(103)가 설치되는데, 도 5에는 상기 롤러 조절 부재(103)의 일 예가 도시되어 있으며, 도 6에는 이를 일부 단면도로써 더 구체적으로 도시하고 있다. 도시된 롤러 조절 부재(103)는 내부 나사산을 가진 외부 부재(105)와 외부 나사산을 가진 내부 부재(107)를 포함하여, 내부 부재(107)가 외부 부재(105)에 끼워져 나사결합되도록 구성되며, 외부 부재(107)와 내부 부재(105)의 나사 결합된 길이에 따라 롤러 조절 부재(103)의 길이가 조절된다.
롤러 조절 부재(103)는 또한 길이 조절을 용이하게 하기 위하여 도 6에 도시된 바와 같이 모터에 연결될 수 있다. 즉, 외부 부재(105)는 성형 롤러에 고정되고 내부 부재(107)는 모터에 연결되어, 모터의 회전에 의해 내부 부재(103)의 외부 부재(105)에 대한 결합 깊이가 달라져 롤러 조절 부재(103)의 전체적인 길이가 조절된다. 이때, 각각의 롤러 조절 부재(103)에는 별도의 모터가 제공될 수 있으나, 도 7에 도시된 바와 같이 하나 또는 다수의 모터가 이동하면서 다수의 롤러 조절 부재(103)를 조절하도록 구성될 수도 있다.
따라서, 하나 또는 다수의 모터에 의해 각각의 내부 부재(103)를 회전하여 롤러 조절 부재(103)의 길이를 조절하며, 이에 따라 외부 부재(105)의 일단에 연결된 성형 롤러의 형태와 상하 성형 롤러들(101a, 101b) 사이의 간격을 조절하게 된다.
도 5 및 도 6으로 돌아가서, 롤러 조절 부재(103)의 성형 롤러(101a, 101b)에 고정되는 단부, 즉 도면의 실시예에서 외부 부재(105)의 하단 단부에는 회동가능한 롤러 가이드(109)가 구비될 수 있는데, 롤러 가이드(109)에는 성형 롤러(101a, 101b)가 맞물리는 반원보다 큰 원호형 홈(109a)이 제공된다. 두 개의 수평으로 놓인 성형 롤러(101a, 101b)에 대하여 다수의 롤러 조절 부재(103)가 수직으로 배열되므로, 성형 롤러(101a, 101b)가 맞물리는 회동가능한 롤러 가이드(109)는 롤러 조절 부재(103)의 길이를 조절하여 성형 롤러(101a, 101b)의 곡률을 변경할 때 성형 롤러가 자연스럽게 휘어질 수 있도록 한다.
도 8 및 도 9는 상기 성형 롤러의 구성예를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 성형 롤러(101a)는 다수의 강선을 여러 겹으로 감아 형성될 수 있다. 이때 성형 롤러(101a)의 최 외곽 면에 감긴 강선은 판재와 접촉하는 바깥쪽 면(111)이 평평하도록 연삭가공되는 것이 바람직하다. 이와 같이 성형 롤러(101a)가 판재와 접촉하는 면(111)을 평평하게 형성함으로써 국부적인 딤플이나 주름이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 달리, 성형 롤러(101a)의 최 외곽 면에 단면이 타원형인 강선을 감아 판재와 접촉하는 면(111a)을 평평하게 형성할 수도 있다. 도면에는 하나의 성형 롤러(101a)에 대하여 도시하였으나, 나머지 성형 롤러(101b)도 동일하게 구성된다.
성형 롤러(101a, 101b)는 또한 도 4에 도시된 바와 같이 양단이 롤러 회전 모터(113)에 연결되어 자동 회전하도록 구성될 수 있는데, 이 경우 판재(102)는 도 10에 도시된 바와 같이 상하 성형 롤러(101a, 101b) 사이에 맞물린 채 성형 롤러들(101a, 101b)의 회전에 의해 밀려나오면서 성형된다. 이때 판재(102)의 성형 형상은 두 개의 성형 롤러(101a, 101b)의 형태 및 그 사이의 간격에 의해 결정되며, 이러한 성형 롤러(101a, 101b)의 형태와 간격은 목적 형상에 따라 상기한 바와 같이 롤러 조절 부재(103)에 의해 조절된다. 달리, 롤러 회전 모터(113)는 상부 성형 롤러(101a) 또는 하부 성형 롤러(101b) 하나에만 연결되어 구동력을 전달 할 수도 있으며, 또는 롤러 회전 모터가 생략될 수도 있다. 롤러 회전 모터가 없는 경우에는 도 11에 도시된 바와 같이 상하 성형 롤러(101a, 101b) 사이에 판재(102)를 삽입하고 반대편에서 잡아당겨 성형하게 된다. 판재(102)의 성형 형상은 역시 두 개의 성형 롤러(101a, 101b)의 형태 및 그 사이의 간격에 의해 결정되며, 이는 롤러 조절 부재(103)에 의해 조절된다.
이와 같이, 유연한 성형 롤러의 형태 및 간격을 조절하여 판재를 성형함으로써, 목적 형상의 변경에 따라 간단히 성형 형상을 수정할 수 있으며, 연속적인 성형면을 제공하는 상하 두 개의 성형 롤러(101a, 101b)가 판재(102)에 맞물려 성형하므로 딤플이나 주름이 형성될 염려가 없다.
이하에서는, 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 무금형 판재 성형 장치를 사용하여 판재를 성형하는 방법을 구체적인 성형예를 통하여 살펴본다.
본 발명에 따른 판재 성형 장치(100)에서는 상하로 대응되는 두 개의 성형 롤러(101a, 101b)의 곡률 및 그 사이의 간격에 의해 판재(102)의 성형 형상이 결정된다. 즉, 두 개의 성형 롤러(101a, 101b) 사이의 간격이 좁은 부위에서는 그 사이에 맞물려 성형되는 판재의 길이변화량이 크고, 두 개의 성형 롤러(101a, 101b) 사이의 간격이 넓은 부위에서는 성형되는 판재의 길이변화량이 적은 원리에 의하여 판재(102)의 곡면이 성형된다.
예컨대, 도 12와 같이 두 개의 성형 롤러(101a, 101b)의 간격이 중간 부분(c)에선 좁게 형성되고 가장자리(a 및 e)에서 넓게 형성되어 전체적으로 (a = e) > (b = d) > c의 간격으로 배열되는 경우, 도 13과 같이 판재(102)의 길이변화량은 중간 부분(c')이 크고 가장자리(a' 및 e')는 적어 전체적으로 c' > (b' = d') > (a' = e') 이 되며, 따라서 볼록형(Convex type)으로 성형된다.
또한, 도 14와 같이 두 개의 성형 롤러(101a, 101b)의 간격이 중간 부분(c)에선 넓게 형성되고 가장자리(a 및 e)에서 좁게 형성되어 전체적으로 c > (b = d) > (a = e)의 간격으로 배열되는 경우, 도 15와 같이 판재(102)의 길이변화량은 중간 부분(c')이 적고 가장자리(a' 및 e')는 커서 전체적으로 (a' = e') > (b' = d') > c' 이 되며, 따라서 안장형(Saddle type)으로 성형된다.
또 다른 예로, 도 16과 같이 두 개의 성형 롤러(101a, 101b)의 간격이 한 방향으로 점점 넓어져 전체적으로 e > d > c > b > a의 간격으로 배열되는 경우, 도 17과 같이 판재(102)의 길이변화량은 a' > b' > c' > d' > e' 로 비틀린형(Twist type)으로 성형된다.
이와 같이, 롤러 조절 부재(103)의 길이 조절에 의해 성형 롤러(101a, 101b)의 곡률 및 간격을 여러 모양으로 조절할 수 있으며, 이에 따라 판재(102)를 다양한 형태로 성형할 수 있다. 따라서, 본 발명의 판재 성형 장치는 다품종 소량 판재 성형에 적합할 뿐 아니라, 판재의 가장자리까지 성형이 가능하고, 판재의 길이에 제한이 없이 성형이 가능하다.
100: 판재 성형 장치 101a, 101b: 성형 롤러
102: 판재 103: 롤러 조절 부재
109: 롤러 가이드 113: 롤러 회전 모터

Claims (9)

  1. 상하로 대응되게 배열되고, 각각 다양한 곡률로 휘어질 수 있는 두 개의 회전가능한 성형 롤러와;
    각 성형 롤러에 일단이 고정되고, 길이 조절이 가능하도록 구성되어, 길이에 따라 상기 성형 롤러의 곡률과 두 개의 성형 롤러 사이의 간격을 조절하는 다수의 롤러 조절 부재;를 포함하며,
    상기 롤러 조절 부재에 의하여 상기 성형 롤러의 곡률 및 상기 성형 롤러의 축방향 각 지점에서 피성형 판재가 통과하는 두 개의 성형 롤러 사이의 간격을 조절함으로써 판재의 성형 형태를 조절하는 것을 특징으로 하는 무금형 판재 성형 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 롤러 조절 부재는 내부 나사산을 가진 외부 부재 및 외부 나사산을 가진 내부 부재를 포함하여, 상기 외부 부재와 내부 부재의 나사 결합 길이에 따라 상기 롤러 조절 부재의 길이가 조절되는 것을 특징으로 하는 무금형 판재 성형 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 외부 부재는 상기 성형 롤러에 고정되고, 상기 내부 부재는 모터에 연결되어, 상기 모터의 회전에 의해 상기 롤러 조절 부재의 길이가 조절되는 것을 특징으로 하는 무금형 판재 성형 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 외부 부재는 상기 성형 롤러에 고정되고, 상기 외부 부재의 상기 성형 롤러에 고정되는 단부에는 회동가능한 롤러 가이드가 구비되며, 상기 롤러 가이드는 상기 성형 롤러가 맞물리는 반원보다 큰 원호형 홈을 가지는 것을 특징으로 하는 무금형 판재 성형 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두 개의 회전가능한 성형 롤러 사이에 피성형 판재를 삽입하고, 상기 판재가 성형 롤러 사이를 통과하도록 잡아당겨 성형하는 것을 특징으로 하는 무금형 판재 성형 장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성형 롤러 중 하나 이상은 양단이 롤러 회전 모터에 연결되어 구동되며, 구동 성형 롤러의 회전에 의하여 상기 성형 롤러 사이에 맞물린 피성형 판재를 밀어내어 성형하는 것을 특징으로 하는 무금형 판재 성형 장치.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성형 롤러는 다수의 강선을 감아 형성되는 것을 특징으로 하는 무금형 판재 성형 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 성형 롤러의 외면에 감긴 강선은 판재와 접촉하는 바깥쪽 면이 평평하도록 연삭 가공되는 것을 특징으로 하는 무금형 판재 성형 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 성형 롤러의 외면에는 판재와 접촉하는 바깥쪽 면이 평평하도록 단면이 타원형인 강선이 감기는 것을 특징으로 하는 무금형 판재 성형 장치.
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