KR20040097259A - 연료 전지 재료층을 절단하기 위한 유연성 절단 다이 장치 - Google Patents

연료 전지 재료층을 절단하기 위한 유연성 절단 다이 장치 Download PDF

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KR20040097259A
KR20040097259A KR10-2004-7015598A KR20047015598A KR20040097259A KR 20040097259 A KR20040097259 A KR 20040097259A KR 20047015598 A KR20047015598 A KR 20047015598A KR 20040097259 A KR20040097259 A KR 20040097259A
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비하이머랜스이.
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

평판 다이 스테이션을 사용하기 위한 절단 장치는 연료 전지의 구성에 사용되는 얇은 재료층과 같은 비교적 얇은 평면 재료층을 절단하는 데 채용된다. 절단 장치는 사실상 평면인 제1 표면과 사실상 평면인 제2 표면을 갖는 다이를 포함한다. 절단면 및 적어도 하나의 베어러면은 다이의 제1 표면으로부터 각각 돌출된다. 베어러면의 높이는 절단면의 높이와 사실상 동일하며, 베어러면은 절단면 및 베어러면이 평판 다이 스테이션의 앤빌면과 접촉할 때 절단면에의 손상을 방지한다. 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌과 같은 유연성 재료의 하나 이상의 층은 절단 장치에 유연성을 부가하기 위하여 다이의 제2 표면과 접촉하여 위치될 수 있다.

Description

연료 전지 재료층을 절단하기 위한 유연성 절단 다이 장치{COMPLIANT CUTTING DIE APPARATUS FOR CUTTING FUEL CELL MATERIAL LAYERS}
다양한 종류의 절단 다이가 매우 다양한 재료를 절단하고 천공하기 위해 개발되어 왔다. 절단 다이 장치의 하나의 종류는 회전 절단 다이로써 언급된다. 회전 다이는 전형적으로 자기 강철 롤에 장착된다. 이러한 강철 롤은 이 다이를 위한 매우 높은 강성 지지부를 제공한다. 회전 다이는 강철 앤빌(anvil) 롤에 대항하여 절단한다.
절단 다이 장치의 다른 종류는 평판(platen)형 다이로써 언급된다. 평판 다이 스테이션은 힘을 받는 상태에서 축방향으로 접촉하게 되는 앤빌과 절단 다이를 합체한다. 평판 및 회전 다이 스테이션 양자는 많은 적용예에서 사용가능하다. 그러나, 종래 기술의 회전 및 평판 다이 장치에서의 본래의 제한점으로 약 0.0254 mm(0.001 인치)의 두께를 갖는 재료와 같은 비교적 얇은 층의 재료를 절단할 때에는 최적이 아니게 한다.
연료 전지의 구성에 사용되는 재료와 같은 비교적 얇은 층의 재료를 절단하기에 적절한 개선된 잘단 장치의 필요성이 있었다. 회전 및 평판형 다이 장치 양자 모두에게 유익한 개선된 절단 장치에 대한 필요성이 있다.
본 발명은 일반적으로 절단 다이에 관한 것으로, 특히 연료 전지의 재료층과 같은 비교적 얇은 재료층을 절단하는 데 사용하기 위한 절단 다이 및 절단 스테이션(station)에 관한 것이다.
도1은 연료 전지 및 그 구성층의 사시도이다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 절단 및 베어러 정지 특성을 채용하는 절단 다이의 사시도이다.
도3은 도2에 도시된 절단 다이의 다른 도면이다.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 절단 및 베어러 정지 특성을 갖는 절단 다이를 채용하는 절단 다이 스테이션의 사시도이다.
본 발명이 다양한 변형예와 변경된 형태를 따르면서, 그 상세는 도면에 예시적으로 도시되었고, 상세하게 설명될 것이다. 그러나, 그 의도가 본 발명을 설명된 특정 실시예들로 제한하려는 것이 아님을 알 수 있을 것이다. 이와는 반대로, 본 발명은 본 발명의 기술 사상 및 범주 내에 있는 모든 변형물들, 균등물들 및 변경물들을 포함하는 것이다.
본 발명은 비교적 얇은 평면 재료층을 절단하기 위한 평판 다이 스테이션에 사용하기 위한 절단 장치에 관한 것이다. 본 발명의 절단 장치는 연료 전지의 구성에 사용되는 얇은 재료층을 절단하기에 특히 적절하다. 일 실시예에 따르면, 절단 장치는 사실상 평면인 제1 표면 및 사실상 평면인 제2 표면을 갖는 다이를 포함한다. 절단면은 다이의 제1 표면으로부터 돌출된다.
절단 장치는 다이의 제1 표면으로부터 돌출된 적어도 하나의 베어러(bearer)면을 더 포함한다. 베어러면의 높이는 사실상 절단면의 높이와 동일하여, 베어러면은 절단면 및 베어러면이 평판 다이 스테이션의 앤빌면과 접촉하도록 이동될 때 절단면에의 손상을 방지한다. 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌과 같은 유연성 재료의 하나 이상의 층은 절단 장치에 유연성(compliance)을 부가하기 위해 다이의 제2 표면에 접촉하도록 위치될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 평판 다이 조립체는 비교적 얇은 평면 재료층을 절단하기 위한 절단 장치와 합체된다. 평판 다이 조립체는 제1 플레이트와 제2 플레이트를 포함한다. 제2 플레이트는 앤빌면을 포함한다. 제1 플레이트 및 제2 플레이트는 그들 사이의 상대 이동이 허용되도록 장착된다.
평판 다이 조립체의 다이는 사실상 평면인 제1 표면과 사실상 평면인 제2 표면을 포함한다. 다이의 제2 표면은 제1 플레이트에 부착된다. 절단면은 다이의 제1 표면으로부터 돌출된다. 적어도 하나의 베어러면은 다이의 제1 표면으로부터 돌출된다. 베어러면의 높이는 사실상 절단면의 높이와 동일하다.
제어식 엑츄에이터는 제1 플레이트와 제2 플레이트 사이에서 접촉하게 한다. 베어러면은 가압 하에서 제2 플레이트의 앤빌면과 접촉하도록 절단면 및 베어러면이 이동될 때 절단면에의 손상을 방지한다. 유연성 재료의 하나 이상의 층은 절단 장치에 유연성을 부가하기 위해 제1 플레이트와 다이의 제2 표면 사이에 위치될 수 있다.
본 발명의 상술된 요약은 본 발명의 각 실시예 또는 모든 실시를 설명하려고 의도된 것은 아니다. 본 발명의 더 완전한 이해와 함께 장점 및 목표를 첨부 도면과 관련하여 취해진 이하의 상세한 설명 및 청구범위를 참조함으로써 명확히 이해할 수 있을 것이다.
도시된 실시예에 대한 이후의 상세한 설명에서는 그 일부를 형성하는 참조 도면을 참조하고, 본 발명이 수행될 수 있는 다양한 실시예를 참조한다. 본 실시예가 사용될 수 있고, 본 발명의 범위 내에서 구조적 변경이 가능하다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 절단 다이 장치는 비교적 얇은 재료층을 절단하는 데 채용될 수 있다. 예로써, 본 발명의 절단 다이 장치는 연료 전지의 구조에 사용되는 재료의 층을 절단하기에 적합하다. 연료 전지를 구성하는 데 사용된 재료층은 약 0.0254 mm(0.001 인치)의 두께를 가질 수 있다. 이러한 재료는 다양한 다공성을 가질 수 있고, 취성의 관점에서 다양해 질 수 있다. 이 기술 분야의 숙련자는 연료 전지 구성에 사용되는 것과 같은 얇은 재료를 정밀하고 안전하게 절단하는 것이 매우 중요한 요구라는 점을 알 수 있다.
본 발명의 절단 다이 장치는 회전 절단 다이의 몇몇의 유익한 특성을 효과적으로 이용할 수 있고, 평판 프레스 상에 사용하기 위해 상술한 특성을 적용시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 절단 다이 장치는 절단 다이에 장착된 하나 이상의 정지부 또는 베어러를 합체시킬 수 있다. 장착식 베어러는 본 발명의 절단 다이 장치를채용하는 절단 프레스의 행정을 제어하도록 작동한다. 절단 다이로 장착된 하나 이상의 정지부 또는 베어러의 합체는 절단 다이의 외부에 배치된 정지부에 대한 필요성을 바람직하게 제거한다. 이러한 외부 정지부는 비용이 비싸고, 각각의 다이를 변경한 후 숙련된 기계 기술자에 의한 주의깊은 조절을 필요로 한다고 일려져 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 절단 다이 장치의 베어러 또는 베어러들의 높이는 절단 다이 장치의 절단면의 높이에 일치한다. 베어러 및 절단면의 높이가 절단 다이에 일치하기 때문에, 절단면의 분쇄 위험성은 제거되지는 않더라도 현저하게 감소된다.
종래의 평판 다이 장치는 종종 프레스 행정의 최종 단계에서 다이의 절단면과 접촉하는 수용부(즉, 앤빌면)로써 나일론과 같은 희생 연성 재료(sacrificial soft material)를 채용한다. 이러한 접근법이 절단면의 바람직스럽지 못한 분쇄의 가능성을 감소시키지만, 비교적 연성인 나일론 수용면은 0.00254 mm(0.0001 인치) 정도의 두께로 비교적 얇은 재료층을 절단하려 할 때 지지 및 안정성을 충분히 제공하지 못한다.
베어러 및 절단면의 높이가 절단 다이와 일치하기 때문에, 본 발명의 절단 다이 장치를 채용하는 평판 프레스의 수용 또는 앤빌면은 앤빌로써 사용하기에 적절한 고강도 금속과 같은 강성 재료로 제조될 수 있다. 본 발명의 절단 다이 장치에 베어러 및 절단면을 합체시키는 것은 매우 얇은 재료층의 절단에 적용할 때 종래의 평판 다이 절단 기술을 사용하여 이전에 유용하지 않은 회전 절단 다이의 유익한 특성인 강성의 앤빌면의 사용을 허용한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 절단 다이 장치는 절단 다이 장치의 비절단면과 평판 프레스면 사이에 위치된 얇은 유연성 재료를 포함할 수 있다. 이 기술 분야의 숙련자들은 0.0254 mm(0.001 인치) 정도의 두께의 연료 전지 층과 같은 얇은 재료층을 소정의 절단 다이를 사용하여 절단하는 것이 절단면의 높이가 절단면의 길이를 따라 달라지게 하는 문제를 발생시킨다는 것을 알 수 있다. 예로써, 특정 절단 다이의 절단면의 높이는 약 0.0127 mm(0.0005 인치)까지 변할 수 있다. 이러한 절단면 높이의 변화는 절단 다이 제조 공정에서의 부정밀성으로 인해 커진다. 본 실시예에 따라, 소량의 유연성이 절단 다이 장치에 합체된다. 약간의 유연성 지지부를 절단 다이 뒤에 부가함으로써 매우 얇은 재료는 깨끗하게 절단될 수 있고, 절단 다이 높이에서의 약간의 변화는 절단 공정에 불리한 영향을 미치지 않으면서 수용될 수 있다. 또한, 절단 다이 뒤에 유연성 재료를 채용함으로써 강성 앤빌면에 대한 매우 얇은 재료의 절단을 제공할 수 있다.
본 발명의 절단 다이 장치는 연료 전지의 일부 또는 연료 전지를 형성하는 재료층의 자동 절단을 용이하게 하기 위해 채용될 수 있다. 연료 전지는 전기, 열 및 물을 발생시키기 위해 공기로부터의 산소와 수소 연료를 혼합시키는 전기화학 장치이다. 연료 전지는 연소법을 사용하지 않고, 위험한 유출물을 발생시키지 않는다. 연료 전지는 수소 연료와 산소를 직접 전기로 변환시키고, 예로써 내연기관 전기 발전기보다 고효율로 작동될 수 있다.
도1에서는 전형적인 연료전지를 도시하다. 도1에 도시된 연료 전지(10)는양극(14)에 인접한 제1 유체 이송층(12)을 포함한다. 전해질 막(16)은 양극(14)에 인접한다. 음극(18)은 전해질 막(16)에 인접하게 위치되고, 제2 유체 이송층(19)은 음극(18)에 인접하게 위치되다. 작동 중에, 수소 연료는 연료 전지(10)의 양극부로 유입되고, 제1 유체 이송층(12)을 통해 양극(14)을 지나 통과한다. 양극(14)에서, 수소 연료는 수소 이온(H+) 및 전자(e-)로 분리된다.
전해질 막(16)은 수소 이온 또는 양성자만이 전해질 막(16)을 통해 연료 전지(10)의 음극부로 통과하게 한다. 전자는 전해질 막(16)을 통과할 수 없으며, 대신 전기 전류 형태로 외부 전기 회로를 통해 유동한다. 이러한 전류는 전기 모터와 같은 전기 로드(electric load; 17)에 동력을 공급할 수 있거나 또는 재충전식 배터리와 같은 에너지 저장 장치로 배향될 수 있다.
산소는 제2 유체 이송층(19)을 통해 연료 전지(10)의 음극측으로 유동한다. 산소는 음극(18)을 지나기 때문에, 물 및 열을 생성하기 위해 산소, 양성자 및 전자는 합체된다.
도1에 도시된 바와 같이, 각각의 연료 전지는 연료 전지 스택을 형성하기 위해 다른 복수의 연료 전지와 조합될 수 있다. 이 스택 내의 복수의 연료 전지는 스택의 총 전압을 결정하며, 각각의 전지의 표면 영역은 총 전류를 결정한다. 주어진 연료 전지 스택에 의해 발생된 총 전력은 총 스택 전압에 총 전류를 곱함으로써 결정될 수 있다.
본 발명의 절단 다이 장치는 다양한 기술의 연료 전지의 구성에서의 재료층의 자동 절단을 용이하게 하기 위해 채용될 수 있다. 예로써, 본 발명의 절단 다이 장치는 양성자 교환 막(PEM) 연료 전지를 구성하는 데 사용된 재료층을 절단하는 데 채용될 수 있다. PEM 연료 전지는 비교적 저온(약 79.4℃(약 175℉))에서 작동하고, 고전력 밀도를 갖고, 전력 요구량의 변화를 충족시키기 위해 신속하게 출력할 수 있고, 예로써 차량에서와 같이 신속한 시동이 요구되는 적용예에 적합하다.
PEM 전지 연료에 사용된 양성자 교환막은 수소 이온의 통과를 허용하는 얇은 플라스틱 시트이다. 막은 활성 촉매인 높은 분산성 금속 또는 금속 합금 입자(예로써, 백금 또는 백금/루테늄)로 양측면이 코팅된다. 사용된 전해질은 전형적으로 고상 유기 폴리머 폴리-펄프루오르술포닉 산이다. 고상 전해질의 사용은 부식 및 유비 보수의 문제점을 감소시키기 때문에 유익하다.
수소는 전자를 방출하여 수소 이온(양성자)화시키기 위해 촉매가 수소 이온을 촉진시키는 연료 전지의 음극측으로 공급된다. 전자는 산소가 유입되는 연료 전지의 음극측으로 복귀하기 전에 사용될 수 있는 전류 형태로 이동된다. 동시에, 양성자는 막을 통해 음극으로 확산되며, 수소 이온은 물을 생성하기 위해 산소와 재조합되어 재반응된다.
하나의 PEM 연료 전지 구성에 따르면, PEM 층은, 예로써 확산 전류 집전자(diffuse current collector) 또는 가스 확산층과 같은 한 쌍의 유체 이송층(FTL) 사이에 개재된다. 양극은 제1 FTL과 막 사이에 위치되고, 음극은 막과 제2 FTL 사이에 위치된다. 일 구성에서, PEM층은 일 표면을 코팅하는 양극 촉매와 타 측면을코팅하는 음극 촉매를 포함하도록 제조된다. 다른 구성에 따르면, 제1 및 제2 FTL은 각각 양극 및 음극 촉매층을 포함하도록 제조된다. 또 다른 구성에서, 양극 촉매 코팅은 제1 FTL 상에 부분적으로 그리고 PEM의 한 면에 부분적으로 배치될 수 있고, 음극 촉매 코팅은 제2 FTL 상에 부분적으로 그리고 PEM의 타 측면 상에 부분적으로 배치될 수 있다. 제1 FTL/양극/PEM/음극/제2 FTL로 형성된 5개의 층 구성체는 막 전극 조립체(MEA)로써 언급된다.
FTL은 전형적으로 탄소 섬유지 또는 부직포 재료로 제조된다. 제품 구성에 따라, FTL은 일 측 상에 탄소입자 코팅을 가질 수 있다. 상술한 바와 같이, FTL은 촉매 코팅을 포함하거나 배제하도록 제조될 수 있다. 이러한 구성에 따른 FTL은 다공성이며 취성이다. 본 발명의 원리에 일치하는 절단 다이 장치는 자동 연료 전지 조립 중에 PEM 층 및 FTL과 같은 얇은 연료 전지 층을 정밀하게 절단하는 데 특히 적절하다.
다이렉트 메탄올 연료 전지(DMFC)는 모두가 전해질로서 폴리머 막을 사용한다는 점에서 PEM 전지와 유사하다. 그러나, DMFC에서, 양극 촉매 자체는 액체 메탄올 연료로부터 수소를 유출하여 연료 리포머(reformer)에 대한 필요성을 제거한다. DMFC는 전형적으로 48.9 내지 87.8℃(120 내지 190℉) 사이의 온도에서 작동하다.
용융된 탄산염 연료 전지(MCFC)는 전해질용 매트릭스에 침지된 리튬, 나트륨 및/또는 탄산칼륨의 액체 용액을 사용한다. MCFC는 약 648.9℃(약 1,200℉)에서 작동한다. 높은 작동 온도는 전해질의 충분한 전도성을 달성하기 위해 필요하다.이러한 높은 온도로 인해, 불활성 금속 촉매는 전지의 전기화학적 산화를 요구하지 않아 공정을 감소시킨다. MCFC는 전형적으로 수소, 일산화탄소, 천연 가스, 프로판, 매립지 가스(landfill gas), 선박용 디젤(marine diesel) 및 유사 석탄 가스화 제품(simulated coal gasification product)에서 작동된다.
고상 산화물 연료 전지(SOFC)는 전형적으로 액상 전해질 대신 작동 온도가 982.2℃(1,800℉)에 도달하는 것을 허용하는 고상 지르코늄 산화물 및 소량의 산화 이트리아(ytrria)의 강성 세라믹 재료를 채용한다.
재생식 연료 전지에서, 물은 태양열 동력 전해조에 의해 수소와 산소로 분리된다. 수소 및 산소는 전기, 열 및 물을 생성하는 재생식 연료 전지로 공급된다. 이후, 물은 태양열 동력 전해조로 재순환 복귀되고, 공정은 반복된다.
양성자 세라믹 연료 전지(PCFC)는 상승된 온도에서 높은 양성자 도전성을 나타내는 세라믹 전해질 재료를 채용한다. PCFC는 약 704.4℃(약 1,300℉)에서 작동하다. PCFC는 고온에서 작동할 수 있고 화석 연료를 직접 양극으로 전기 화학적으로 산화시킬 수 있다. 탄화 수소 연료의 기상 분자는 수증기의 존재 하에서 양극의 표면에 흡수되며, 수소 이온은 1차 반응제로서 이산화탄소와 함께 전해질로 흡수되도록 효과적으로 떨어진다(strip-off). 이러한 및 다른 연료 전지 기술들이 본 발명에 따른 절단 다이 장치에 의해 절단된 재료층으로 제조될 수 있다.
도2 및 도3에는, 본 발명의 실시예에 따른 절단 다이 장치(40)의 실시예가 도시되어 있다. 도2 및 도3에 도시된 절단 다이 장치(40)는 사실상 평면의 다이 기부(41)를 포함한다. 다이 기부(41)의 상부면(42)에는 상부면(42)으로부터 돌출되어 도시된 절단면(44)이 구비된다. 도2 및 도3에서는 단일 절단면(44)을 도시하였지만, 두 개 이상의 절단면(44)이 상부면(42) 상에 구비될 수 있다.
절단면(44)은 연속 절단 에지로써 도시된다. 일 구성에 따르면, 절단면은 도2 및 도3에 도시된 절단면(44)의 경우에서와 같이 사실상 정사각형 형상이다. 절단면(44)은 사실상 직사각형 형상을 가질 수도 있다. 다른 구성에 따르면, 절단면은 사실상 타원형이거나 또는 원형을 갖는다. 절단면(44)에 의해 둘러싸인 절단 영역(45)의 형상은 절단면(44)에 의해 절단된 최종 재료층의 크기 및 형상을 나타낸다. 절단면(44)의 형상은 절단 다이 장치(40)를 사용하여 절단하는 재료층의 의도된 형상에 따라 변경될 수 있다.
다른 실시예에 따라, 절단면(44)은 불연속 절단 에지를 포함하도록 구성될 수 있다. 예로써, 절단면(44)은 구멍, 틈 또는 다른 불연속점과 같은 하나 이상의 천공을 포함할 수 있다. 절단면(44)은 다양한 형상의 절단 에지의 복수의 루프에 의해 형성될 수 있다. 다른 예에서, 절단면(44)은 큰 직사각형 형상의 에지 내에 구비된 몇몇의 작은 원형 또는 타원형의 절단 에지를 갖는 단일의 큰 직사각형 형상의 에지를 포함할 수 있다. 많은 다양한 절단면 구성이 본 발명의 범위 내에서 고려될 수 있다는 점을 알 수 있다.
절단면(44)은 절단 다이 장치(40)의 상부면(42) 내에 일체로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 달리, 절단면(44)은 공지된 기술을 사용하여 상부면(42)에 분리식으로 형성되고 사실상 장착될 수 있다. 다이 기부(41)의 배면에 대한 절단면(44)의 높이는 약 0.508 mm(0.02 인치)와 약 2.032 mm(0.08 인치) 사이의 범위가바람직하다.
도2 및 도3에 도시된 구성에서, 사실상 정사각형 형상의 연속 절단면(44)의 대향측들 사이의 거리는 약 152.4 mm(6인치)이다. 절단 다이 장치의 길이는 약 381 mm(15 인치)이며, 그 폭은 약 381 mm(15 인치)이다. 이러한 구성에 따라, 절단 다이 기부(41)와 절단면(44)의 축적 두께를 나타내는 절단 장치(40)의 최대 두께는 약 1.016 mm(0.04 인치)이다. 상술한 치수들은 도시를 목적으로 한 것일 뿐 이 치수들로 제한하지 않는 다는 점을 알 수 있다.
또한, 절단 다이 장치(40)는 하나 이상의 베어러 또는 정지부(46)를 포함한다. 베어러(46)는 절단 다이 장치(40)의 상부면(42)으로부터 돌출된 것으로 도시된다. 정렬 구멍과 같은 하나 이상의 정렬 장치(48)가 하나 이상의 베어러(46) 상에 제공된 것으로 도시된다. 정렬 장치(48)는 평판 프레스에 채용될 때 절단 다이 장치와 앤빌면 사이의 정밀한 정합을 위해 제공된다. 이 기술 분야에 공지된 바와 같이, 정렬 구멍들과는 다른 정렬 장치(48)가 채용될 수 있다는 점을 알아야 한다. 또한, 정렬 장치(48)는 베어러(46)에 위치될 필요는 없고, 대신 절단 다이 장치(40) 상의 다른 곳에 위치될 수 있다.
베어러 또는 베어러들(46)은 절단 다이 장치(40)의 상부면(42)과 일체로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 달리, 베어러 또는 베어러들(46)은 상부면(42)에 분리식으로 형성되고 사실상 장착될 수 있다. 다이 기부(41)의 배면에 대한 각각의 베어러(46)의 높이는 약 0.508 mm(0.02 인치)와 약 2.032 mm(0.08 인치) 사이의 범위가 바람직하다.
도2 및 도3의 실시예에서 도시된 바와 같이, 다이 기부(41)는 제1, 제2, 제3 및 제4 에지(61, 62, 63, 64)를 포함하고, 제1 및 제2 에지(61, 62)는 제3 및 제4 에지(63, 64)에 각각 대향한다. 절단면(44)은 제1, 제2, 제3 및 제4 절단 에지(51, 52, 53, 54)를 포함하며, 제1 및 제2 절단 에지(61, 62)는 각각 제3 및 제4 절단 에지(63, 64)에 대향한다. 제1 베어러(46a)는 제1 절단 에지(51)와 다이 기부(41)의 제1 에지(61) 사이에 위치되고, 제2 베어러(46b)는 절단면(44)의 제3 절단 에지(53)와 다이 기부(41)의 제3 에지(63) 사이에 위치된다.
이와 달리 또는 이에 부가하여, 제3 베어러(도시 생략)는 제2 절단 에지(52)와 다이 기부(41)의 제2 에지(62) 사이에 위치될 수 있고, 제4 베어러(도시 생략)는 절단면(44)의 제4 절단 에지(54)와 다이 기부(41)의 제4 에지(64) 사이에 위치될 수 있다. 상부면(42)에 구비된 하나 이상의 베어러(46)의 위치는 필요에 따라 또는 요구에 따라 변경될 수 있다.
절단면(44) 및 하나 이상의 베어러(46)를 포함하는 절단 다이 장치는 강화 강철(예로써, 스프링강)과 같은 고강도 재료 또는 금속으로 형성되는 것이 바람직하다. 절단면(44)은 다이 기부(41) 및/또는 베어러(46)보다 큰 경도를 갖도록 견고할 수 있다.
상술한 바와 같이, 다이 기부(41)의 배면에 대한 각각의 베어러(46)의 높이는 사실상 절단면(44)의 높이와 사실상 동일하다. 하나의 특정한 실시예에서, 베어러(46)와 절단면(44)의 높이는 약 0.508 mm(0.02 인치)와 약 2.032 mm(0.08 인치) 사이의 범위이며, 특히 약 1.016 mm(0.04 인치)가 사용가능한 높이를 나타낸다.
유연성은 다이 기부(41)의 배면과 평판 프레스 표면 사이에 위치된 얇은 유연성 재료를 포함함으로써 절단 다이 장치(40)에 형성될 수 있다. 유연성 재료의 하나, 둘 또는 그 이상의 층이 채용될 수 있다. 유연성 재료는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌과 같은 중합체 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 유연성 재료의 각각의 층은 약 0.0508 mm(0.002 인치)와 약 0.2032 mm(0.008 인치) 사이의 범위의 두께를 갖는다.
도4에는 본 발명의 절단 다이 장치(40)를 합체한 평판 프레스(50)의 실시예가 도시된다. 본 발명의 절단 다이 장치(40)가 하나 이상의 베어러 또는 정지부(46)를 합체하기 때문에, 평판 프레스에 구비된 고가의 외부 프레스 행정 정지부에 대한 필요성은 제거되며, 각각의 다이가 변화한 후 숙련된 기계 기술자에 의해 이러한 정지부의 주의깊은 조정에 대한 필요성이 있다.
도4에 도시된 평판 프레스(50)는 복수의 지지부(60)가 부착된 기부 플레이트(52)를 포함한다. 또한, 상부 플레이트(54)는 지지부(60)에 연결된다. 기부 및 상부 플레이트(52, 54)는 전형적으로 정지식 구조물이다. 이동식 플레이트(56)는 지지부(60)를 활주식으로 결합하고, 기부 및 상부 플레이트(52, 54)에 대해 이동 가능하다. 이동식 플레이트(56)의 이동은 상부 플레이트(54)에 장착된 것으로 도시된 엑츄에이터(58)에 의해 제어된다. 엑츄에이터(58)는 전형적으로 이동식 플레이트(56)를 기부 플레이트(52)로 이동시키고 이로부터 멀어지게 이동시키기 위해 제어될 수 있는 공압식 또는 유압식 엑츄에이터이다. 엑츄에이터(58)는 적절한 제어 장치에 의해 제어될 수 있다.
평판 프레스(50)의 기부 플레이트(54)는 앤빌면(65)을 포함한다. 상술한 앤빌면(65)은 경도를 갖는 금속과 같은 견고한 재료로 성형된다. 매우 얇은 재료층이 절단되는 적용예에서, 절단 다이 장치(40)의 배면측과 이동식 플레이트(56)의 인접 지지면 사이에 하나 이상의 유연성 지지체(compliant backer; 49)를 포함하는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 각각이 약 0.1016 mm(0.004 인치)와 약 0.1524 mm(0.006 인치) 사이의 범위의 두께를 갖는 두개의 유연성 지지체(49)는 절단 다이 장치(40)의 배면측과 이동식 플레이트(56)의 인접 지지면 사이에 위치될 수 있다.
작동 중에, 절단되는 재료의 얇은 층은 기부 플레이트(52)의 앤빌면(65)에 적절하게 위치된다. 유압식, 공압식 또는 전기식 신호일 수 있는 제어 신호는 엑츄에이터(58)와 연통된다. 제어 신호에 응답하여, 엑츄에이터(58)는 이동식 플레이트(56)와 절단 다이 장치(40)를 앤빌면(65)을 향해 이동시킨다. 절단 다이 장치(40)가 비활성 재료의 층과 접촉하거나 또는 그렇지 않으면 진공을 사용함과 같이 앤빌면(65) 상의 제위치에 보유될 때, 엑츄에이터(58)에 의해 발생된 힘은 절단 다이 장치(40)의 절단면(44)이 재료의 층을 천공하게 한다.
이동식 플레이트(56)는 베어러(46)가 앤빌면(65)에 접촉할 때까지 엑츄에이터(58)에 의해 생성된 힘 하에서 앤빌면(65)으로 계속해서 이동한다. 베어러(46)가 사실상 절단면(44)과 동일한 높이이기 때문에, 절단면(44)은 재료의 층의 절단을 완료하기 위해 앤빌면(65)과 약간의 접촉을 이루지만, 베어러(46)와 앤빌면(65) 사이의 접촉에 의해 앤빌면(65)을 향해 더 이동하는 것은 방지된다. 또한, 절단면(44)에의 손상이 방지된다.
재료의 층을 절단한 후, 엑츄에이터(58)와 연통된 제어 신호는 엑츄에이터(58)가 이동식 플레이트(56)를 앤빌면(65)에 대해 비결합 위치로 후퇴시키게 한다. 이후, 재료의 절단층은 자동으로 또는 수동으로 앤빌면(65)으로부터 제거될 수 있다. 상술한 절단 공정은 일련의 재료층에 대해 반복된다.
본 발명의 다양한 실시예들의 상술한 설명은 예시와 설명을 목적으로 제공되었다. 개시된 세부 사항으로 본 발명을 제한하거나 또는 본 발명 전체가 되는 것은 아니다. 많은 변형예 및 수정예가 상술된 교시를 기초로 하여 있을 수 있다. 본 발명의 범위는 이러한 상세한 설명에 의해서가 아니라, 후속의 청구범위에 의해서 제한되고자 의도하는 바이다.

Claims (37)

  1. 비교적 얇은 평면 재료층을 절단하기 위하여 평판 다이 스테이션을 사용하는 절단 장치이며,
    사실상 평면인 제1 표면과 사실상 평면인 제2 표면을 구비하는 다이와,
    상기 다이의 제1 표면으로부터 돌출된 절단면과,
    상기 다이의 제1 표면으로부터 돌출된 적어도 하나의 베어러면을 포함하며,
    상기 베어러면의 높이는 절단면의 높이와 사실상 동일하여, 상기 베어러면은 절단면과 베어러면이 평판 다이 스테이션의 앤빌면과 접촉하도록 이동될 때 절단면의 손상을 방지하는 절단 장치.
  2. 제1항에 있어서, 하나의 베어러면은 상기 다이의 제1 표면으로부터 돌출되는 절단 장치.
  3. 제1항에 있어서, 제1 베어러면은 절단면의 제1 에지에 인접하게 위치되고, 제2 베어러면은 절단면의 제2 에지에 인접하게 위치된 절단 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 다이는 제1, 제2, 제3 및 제4 에지를 포함하며 상기 제1 및 제2 에지는 다이의 제3 및 제4 에지에 각각 대향하며, 제1 베어러면은 상기 다이의 제1 에지에 인접하게 위치되고 제2 베어러면은 다이의 제3 에지에 인접하게위치된 절단 장치.
  5. 제4항에 있어서, 제3 베어러면은 상기 다이의 제3 에지에 인접하게 위치되고, 제4 베어러면은 다이의 제4 에지에 인접하게 위치된 절단 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 절단면은 연속 절단 에지를 포함하는 절단 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 절단면은 불연속 절단 에지를 포함하는 절단 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 절단면은 사실상 정사각형 또는 사실상 직사각형 형상을 갖는 절단 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 절단면은 사실상 타원형 또는 사실상 원형 형상을 갖는 절단 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 절단면은 외부 절단 에지와 이 외부 절단 에지 내에 각각 위치된 하나 이상의 내부 절단 에지를 포함하는 절단 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 절단면은 상기 다이에 일체형인 절단 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 다이, 절단면 및 적어도 하나의 베어러면은 각각 고강도 금속으로 형성되는 절단 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 베어러면은 정렬 장치를 포함하며, 상기 정렬 장치는 평판 다이 스테이션의 정렬 장치와 정합하도록 적어도 하나의 베어러면 상에 위치되는 절단 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 정렬 장치는 적어도 하나의 정렬 구멍을 포함하는 절단 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 베어러 및 절단면의 높이는 각각 약 0.508 mm(0.02 인치)와 약 2.032 mm(0.08 인치) 사이의 범위인 절단 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 다이의 제2 표면과 접촉하는 유연성 재료의 하나 이상의 층을 더 포함하는 절단 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 유연성 재료는 중합체 재료를 포함하는 절단 장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 유연성 재료는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌을 포함하는 절단 장치.
  19. 제16항에 있어서, 각각의 유연성 재료층은 약 0.508 mm(0.002 인치)와 약 2.032 mm(0.008 인치) 사이의 범위의 두께를 갖는 절단 장치.
  20. 비교적 얇은 평면 재료층을 절단하기 위한 평판 다이 조립체이며,
    사이의 상대 이동을 허용하도록 배열된 제1 플레이트 및 앤빌면을 갖는 제2 플레이트와,
    사실상 평면인 제1 표면과, 사실상 평면이고 상기 제1 플레이트에 부착된 제2 표면을 구비한 다이와,
    상기 다이의 제1 표면으로부터 돌출된 절단면과,
    상기 다이의 제1 표면으로부터 돌출하고, 그 높이는 절단면의 높이와 사실상 동일한 적어도 하나의 베어러면과,
    상기 제1 플레이트와 제2 플레이트 사이의 접촉을 이루게 하는 엑츄에이터를 포함하며,
    상기 베어러면은 절단면 및 베어러면이 가압 하에서 제2 플레이트의 앤빌면과 접촉하도록 이동될 때 절단면에의 손상을 방지하는 평판 다이 조립체.
  21. 제20항에 있어서, 하나의 베어러면은 상기 다이의 제1 표면으로부터 돌출되는 평판 다이 조립체.
  22. 제20항에 있어서, 제1 베어러면은 절단면의 제1 에지에 인접하게 위치되고, 제2 베어러면은 절단면의 제2 에지에 인접하게 위치되는 평판 다이 조립체.
  23. 제20항에 있어서, 상기 다이는 제1, 제2, 제3 및 제4 에지를 포함하며 상기 제1 및 제2 에지는 다이의 제3 및 제4 에지에 각각 대향하고, 제1 베어러면은 상기 다이의 제1 에지에 인접하게 위치되고 제2 베어러면은 상기 다이의 제3 에지에 인접하게 위치되는 평판 다이 조립체.
  24. 제23항에 있어서, 제3 베어러면은 상기 다이의 제3 에지에 인접하게 위치되고, 제4 베어러면은 상기 다이의 제4 에지에 인접하게 위치된 평판 다이 조립체.
  25. 제20항에 있어서, 상기 절단면은 연속 절단 에지를 포함하는 평판 다이 조립체.
  26. 제20항에 있어서, 상기 절단면은 불연속 절단 에지를 포함하는 평판 다이 조립체.
  27. 제20항에 있어서, 상기 절단면은 사실상 정사각형 또는 사실상 직사각형 형상을 갖는 평판 다이 조립체.
  28. 제20항에 있어서, 상기 절단면은 사실상 타원형 또는 사실상 원형 형상을 갖는 평판 다이 조립체.
  29. 제20항에 있어서, 상기 절단면은 외부 절단 에지와, 이 외부 절단 에지 내에 각각 위치된 하나 이상의 내부 절단 에지를 포함하는 평판 다이 조립체.
  30. 제20항에 있어서, 상기 절단면은 다이와 일체형인 평판 다이 조립체.
  31. 제20항에 있어서, 상기 다이, 절단면 및 적어도 하나의 베어러면은 각각 경화된 금속으로 형성되는 평판 다이 조립체.
  32. 제20항에 있어서, 상기 적어도 하나의 베어러면은 정렬 장치를 포함하며, 상기 정렬 장치는 제2 플레이트의 정렬 장치와 정합하도록 위치된 적어도 하나의 베어러면 상에 위치되는 평판 다이 조립체.
  33. 제20항에 있어서, 상기 베어러와 절단면의 높이는 각각 약 0.508 mm(0.02 인치)와 약 2.032 mm(0.08 인치) 사이의 범위인 평판 다이 조립체.
  34. 제20항에 있어서, 상기 다이의 제2 표면과 제1 플레이트 사이에 위치된 유연성 재료의 하나 이상의 층을 더 포함하는 평판 다이 조립체.
  35. 제34항에 있어서, 상기 유연성 재료는 중합체 재료를 포함하는 평판 다이 조립체.
  36. 제34항에 있어서, 상기 유연성 재료는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌을 포함하는 평판 다이 조립체.
  37. 제34항에 있어서, 상기 각각의 유연성 재료층은 약 0.0508 mm(0.002인치)와 약 0.2032 mm(0.008 인치) 사이의 범위의 두께를 갖는 평판 다이 조립체.
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