KR20060004704A - 내열성 코팅 다이 설계 방법 및 장치 - Google Patents

내열성 코팅 다이 설계 방법 및 장치 Download PDF

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마크 제임스 와이어트
에릭 마틴 페더슨
루이지 사토르
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애버리 데니슨 코포레이션
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Abstract

본 발명은, 설계 방법, 및 그 결과물로서의 열적으로 안정된 가열된 코팅 다이 장치에 관한 것이다. 다이 장치는, 히터 및 온도 센서를 갖는 가열 시스템 및 다이 구조를 갖는 다이(20)를 포함한다. 본 발명애 따른 발명과 그 결과물로서의 장치는, 최소화된 온도 구배, 롤 평면으로 향한 다이 내에 있는 평평한 립 페이스, 및 다이의 평평한 립 페이스에 수직이고 기판 너비와 평행한 평면 내에 있는 평평한 다이를 제공한다. 본 발명의 방법은, 다이의 기능 특성, 수용 가능한 편평도의 최소 이탈에 관련된 온도 측정의 최소 단위 및 제어 정확성, 열-구조 재료 특성에 관한 코팅 다이 제조 재료, 및 바람직한 코팅 다이 특성을 고려하면서, 열 전도 및 구조 수치 모델링 및 통계 분석을 이용함으로써, 다이 구조, 히터 배열, 온도 센서의 배열, 및 작동 환경으로부터의 보호를 동시에 최적화한다.
코팅 다이 장치(coating die apparatus), 코팅 다이 설계(coating die design), 립 페이스(lip face), 히터(heater), 온도 센서(temperature sensor), 편평도(flatness)

Description

내열성 코팅 다이 설계 방법 및 장치{THERMO-STABLE COATING DIE DESIGN METHOD AND APPARATUS}
본 발명은 코팅 다이, 특히, 실제 동작 조건에서, 동작 온도에서의 코팅 립의 치수의 평탄성을 유지시킬 수 있는, 가열된 코팅 다이의 설계 방법에 관한 것이다.
가열된 코팅 다이는 보통, 접착제 및 그 밖의 코팅(총괄하여 “코팅”)과 같은, 융해된 폴리머를 함유하는 재료로 코팅하는데 이용된다. 이러한 코팅은 코팅 다이에 공급되어 그 너비 방향을 따라 넓게 펼쳐진다. 코팅액은, 가해진 압력에 의해, 다이 내에 형성된 피드 갭(feed gap)을 통과한다. 이 피드 갭의 출구를 코팅 립(coating lips)이라고 부른다. 많은 코팅 어플리케이션에 있어서, 립 페이스는, 립 페이스 위치에 있는 기판 상에 필름을 형성한다. 이러한 필름 형성 영역을 코팅 비드(coating bead)라고 부른다. 최종적으로, 코팅을 코팅 립(즉, 코팅)의 너비 방향을 따라 균일하게 펼치기 위해, 코팅 립 및 기판은 평탄한 갭을 형성할 필요가 있다(다이 내의 분포는 균일하다고 가정).
상업적으로 이용 가능한, 가열된 코팅 다이의 립 페이스의 편평도를 측정한 결과를 보면, 립 표면이 가열된 경우에는 립 페이스가 편평하지 않다는 것을 알 수 있다. 차가울 때는 .001"보다 양호한 편평도를 보이지만, 가열된 경우에는 다이는 수 밀리 인치(several thousandths of an inch) 단위로 휠 수 있다. 이것은 신뢰성 있는(robust) 코팅 프로세스에 적합하지 않다. 휜 상태를 관리하는 방법에 관한 3가지 공지의 방법은 다음과 같다:
(1) 기계적인 방법으로써, 특히 다이 스테이션과 결합한 조절 장치를 사용하여 반대 방향으로 다이를 휘게 하는 방법.
(2) 다이를 제조할 때에, 다이가 가열된 상태에서 코팅 립을 평평하게 가공하는 방법.
(3) 소프트 고무 롤러에 코팅 립 및 기판을 밀어 넣고, 립에 존재하는 고르지 않은 흐름 저항을 중화시키도록 코팅액을 재분배하기 위해 피드 갭 조절장치를 이용하는 방법.
비록 이러한 모든 방법들이 사용되고 있지만, 이 방법들은 모두 제어 신뢰성(robust)이 높은 프로세스는 아니다. 첫 번째 방법에서, 다이의 정밀도가 손실되면, 그 손실이 기계적 힘을 통해 또 다른 장치(즉, 다이 스테이션)에 전달되어, 정밀도가 감소한다. 또한, 휨을 일으키는 내부 응력(stress)이 소멸되지 않고 이동한다. 결국, 일단 코팅이 시작되면, 다이의 가열 시스템과 코팅액의 흐름의 상호작용에 의해 휨 상태가 변화하여, 초기에 설정한 조정을 쓸모 없게 한다.
두 번째 방법 또한 문제가 있다. 첫째, 다이가 가열된 상태에서 가공될 수 있는 경우라도, 다이가 차가워지면 다이는 반대 방향으로 휠 것이고, 그로 인해 다이 스테이션에 장착(mount)할 때 불확실성이 발생한다. 또한, 일단 코팅이 시작되 면, 휨 상태가 변화하여 가공된 표면이 더 이상 평탄하지 않게 될 수 있다. 또한, 가열된 상태에서 다이가 얼마나 평탄하게 가공될 수 있는가에 관한 불확실성이 존재한다.
세 번째 방법은 상당히 비선형적이며 생산 라인 시동 시간이 길고 불안정해질 수 있다. 또한 코팅에 결함이 발생할 수 있고, 그것은 적시에 발견되지 않을 수 있다.
이러한 세 가지 방법은 모두, 코팅 립과 기판 사이의 초기 핫갭(hot gap)을 결정함에 있어 어려움을 겪는다. 보통의 방법에서는, 립 페이스와 기판(또는 백-업 롤(back-up roll) 사이의 갭을 통해 빛을 비추어 시각적으로 평행하게 조절한다. 만일 이 갭의 편평도가, 가열 시스템과 다이 내의 온도를 재분배를 일으키는 코팅액 흐름의 상호작용에 의해, 시동할 때에 상당한 정도로 변화하여, 그에 따른 휨 상태가 변화하게 되면, 공정에 또 다른 불확실성이 추가된다.
따라서, 코팅하기 이전과 코팅하는 동안에, 안정적이면 휨 상태를 조절 할 수 있는, 신뢰성 있고(robust) 빠르게 시동되는 코팅 프로세스에 대한 요구가 존재한다. 본 발명은 그러한 요구를 만족하는 솔루션을 제공한다.
본 발명에 의해, 코팅 립의 통상적인 상태가 편평하도록(뜨거운지 차가운지에 상관없이, 코팅 중이든 아니든 상관없이), 다이 구조, 다이의 가열 시스템 및 온도 센서의 위치를 설계하는 방법이 제공된다. 또한, 본 발명에 따라, 그러한 설계 방법을 구현하는 예시적인 다이 장치가 제공된다. 따라서, 휨 상태를 기계적으로 조정하는 방법과 같이 정밀하지 않은 방법 및 불확실한 가공 방법은 필요 없게 되고, 코팅 균일도에 영향을 미치는 다른 변수들과 함께 휨 상태의 존재가 제거된다.
본 발명에 의해, 다이 및 통합된 가열 시스템을 포함하는 코팅 다이 장치가 제공된다. 상기 다이는, 리어 부분(rear portion), 너비(width), 및 리어 부분으로부터 프런트 부분의 말단부까지 이어지는, 적어도 2개의 코팅 립(coating lips)을 구비한다. 적어도 2개의 코팅 립은, 너비 방향을 가로질러 펼쳐져 있고, 적어도 2개의 코팅 립과 기판 사이에 적어도 하나의 코팅 갭을 제공하고, 상기 기판 위로는, 2개의 코팅 립과 너비 사이로부터 기판 위로 유체 층(fluid layer)이 공급된다. 상기 통합된 가열 시스템은, 너비를 가로질러(종단면), 그리고 프런트에서 뒷면을 가로질러(횡단면), 그리고 상부에서 하부를 가로질러(횡단면) 온도 구배를 최소화하는 방식으로, 온도를 모니터하고 제어하기 위해, 다이에 결합된다.
통합된 가열 시스템은, 종단 히터로 이루어진 그룹을 더 포함할 수 있다. 종단 히터(cross-width heater)는, 뒤쪽 부분(back portion)에서 프런트 부분 방향으로 및/또는 프런트 부분에서 뒤쪽 부분 방향으로, 구역(zones) 내의 너비를 가로질러, 다이 내부에 간격을 두고 배치된다. 각각의 구역은, 각각의 종단 온도 센서를 포함한다. 각각의 종단 온도 센서는, 각각의 구역 내의 각각의 종단 히터에 의해 제공된 열량을 조절하기 위해, 각각의 종단 온도 제어 시스템에 결합된다.
통합된 가열 시스템은, 1개 이상의 횡단 히터(cross-section heater)를 더 포함할 수 있다. 횡단 히터는, 너비에 걸쳐 길이 방향으로 다이 내부에 간격을 두고 배치된다. 각각의 횡단 히터는, 각각의 횡단 온도 센서를 갖는다. 각각의 횡단 온도 센서는, 각각의 횡단 히터에 의해 제공된 열량을 조절하기 위해 횡단 온도 제어 시스템에 결합된다.
본 발명에 의해, 열적으로 안정된 코팅 다이는, 온도 제어를 위한 온도 센서 및 카트리지 히터(cartridge heater)로 구성된 가열 시스템을 포함할 수 있다. 그리고 코팅 다이는, X-Y평면 내의 너비방향의 온도 구배를 최소화함으로써, 그리고 기울기를 제거하기 어려운 곳에서는 역안정(counter-balanced) 온도 구배를 제공하여 보상함으로써, 미리 특정한 허용 오차 범위내에서 Y-Z 및 X-Z 평면 내에서의 치수 편평도를 유지하도록 설계된다. 제어 가능한 방업을 사용하여 가열 시스템의 균형을 무너트림으로써, 다이의 편평도를 의도적으로 변화될 수 있다. 히터 및 온도 센서의 위치는, 유한 요소 모델링 및/또는 측정을 이용하여 최적의 위치로 결정된다. 그리고, 또는, 히터 및 온도 센서의 위치는, 다이 내의 온도 및/또는 온도 분포 및/또는 결과적인 온도 왜곡을 계산 및/또는 결정하기 위한 다른 방법을 이용하여, 최적의 위치로 결정된다. 그리고, 히터 및 온도 센서 위치는, 최적화 프로세스를 이용하여 최적의 위치로 결정된다. 통계적 분석 뿐만 아니라 열 플럭스(heat flux), 스트레스, 또는 스트레인을 측정하는 기술 또는 센서를 이용할 수 있다.
본 발명이 적용될 수 있는 가열된(또는 가열되지 않은) 다이는, 보통 2에서 3개의 구역을 포함한다. 2개의 구역을 갖는 경우에는, 단일층 코팅을 제공하는 단일 피드 갭이 형성된다. 3개의 구역을 갖는 다이의 경우, 이중층 코팅을 제공하는 2개의 피드 갭이 형성된다. 당해 기술분야의 당업자는, 복수의 층이 추가될 수 있다는 가능성을 이해할 수 있을 것이다.
다이의 구조, 히터의 배치 및 온도 센서의 배치는, 가열된 상탱서, 다이의 내부 상태로 인하여 립 페이스가 기판에 대해 편평하게 되는 방식으로 최적화 된다. 이러한 최적화는, 우선, 열점/냉점을 만들어내는 불필요한 재료(보통은 철)를 제거하여 다이 구조를 간단하게 만듦으로써 이루어진다. 다음으로, 다이의 구조는, 남아있는 다이의 모든 부분들이 가열되고 및/또는 열 손실로부터 단열되고 온도를 모니터할 수 있는 방식으로 설계된다. 그 다음, 히터는, 다이 전체를 균일하게 가열할 수 있도록 배치된다. 그 후에, 온도 센서는, 그 센서가 모니터하는 히터 구역의 온도 상태를 정확하게 나타낼 수 있는 위치에 배치된다. 위의 모든 방법들은, 수치 열 전도 모델(numerical heat transfer model)을 이용하여 계산함으로써, 검증되고 최적화될 수 있다. 열 변형은, 온도 결과값을 수치 구조 모델 상에 대응시킴(mapping)으로써 추정될 수 있다. 열 모델 및 구조 모델은, 유체가 다이를 통해 흐르는 경우 및 유체가 흐르지 않는 경우 등과 같이, 프로세스의 변화 결과를 예측하기 위해 실행된다. 일단 모든 파라미터(다이 구조, 히터의 배치, 온도 센서의 배치)를 최적화하고, 반복적인 방식으로 설계한 후에, 다이를 제조한다. 의도한 목적(즉, 기판 상에 유체를 코팅하는 것)에 맞는 기능을 갖는 다이를 만들기 위해, 열 및 구조상의 요구 조건과 더불어, 설계할 때에 다이 구조에 대하여 어떤 변형을 가할 필요가 있다는 사실에 주목해야 한다. 다이가 차가울 때에 평평한 립 페이스를 제조하고 검증한 후에는, 다이를 가열하여, 가열된 다이의 립 페이스의 편평도를 측정한다. 다이를 평평하게 만들도록 가열 시스템을 조절하기 위해, 온도 설정 포인트(temperature setpoints)를 약간 변화시킨다. 이러한 설정 포인트 오프셋은, 다이 스테이션 내에서 검증될 수 있고, 필요하다면 이 오프셋을 조절할 수 있다. 측정/제어 가능한 최소의 온도 상승값을 제공할 수 있는 온도 센서 및 제어 시스템에 의해 휨 상태가 최소한으로 변화된다.
또한, 본 발명은, 휨 상태를 제어하기 위해 국부적으로 가열/냉각함으로써, 보통의 가열되지 않은 코팅 다이에 적용할 수 있다. 또한, 당해 기술분야의 당업자는, 본 발명의 실시가 다른 타입의 다이(즉, 압출 다이(extrusion dies), 커튼 다이(curtain dies))에 적용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 1a는 일반적으로 공지된 단일층 코팅 공정을 간략하게 도시한다.
도 1b는 본 발병의 구현에 따른 여러 가지 평면을 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 각각, 단일층 및 이중층 코팅 공정을 간략하게 도시한다.
도 3은 본 발명에 다른 설계 프로세스의 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 설계 프로세스의 “새로운 설계 개념의 개발” 측면을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명에 다른 설계 프로세스의 “실행(run) 감도 학습” 측면을 나타내는 블록도이다.
도 6은 서로 다른 가열 구성에 대한 휨의 크기를 도시한 그래프이다.
도 7은 적절한 히터를 갖는 예시적인 입체 모델이다.
도 8은 다이의 초기 온도 맵핑(mapping)을 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 개량된 다이의 후속하는 온도 맵핑을 나타내는 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 다이 장치의 간략화된 도면이다.
도 11a 내지 도 11e는 본 발명에 따른 여러 가지 다이 장치의 실시예의 대표적인 X-Y평면을 도시한다.
도 12는 본 발명에 따른, 횡단-폭 가열 및 제어 시스템의 작동에 관한, 다이 장치 실시예의 일부를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른, 단면 가열 및 제어 시스템의 작동에 관한, 다이 장치 실시예의 일부를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른, 다이 내부의 전반적인 온도 분포에 영향을 미치는 추가적인 부착물에 관한, 다이 장치 실시예의 추가적인 부분을 나타낸 도면이다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명에 따른, 다이의 전반적인 온도에 영향을 미치는 추가적인 부착물에 관한, 다이 장치 실시예의 일부를 나타낸 간략한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 알려진 단일층 코팅을 위한 코팅 기술이 간략한 형태로 도시되어 있다. 기판 상에 단일층으로 코팅되기 위한 액체가 다이 내에 형성된 가늘고 긴 슬롯을 통해서 주입된다.(따라서, 이 기술은 종종 “슬롯 코팅”이라고도 부린다). 이 슬롯은 기판의 운동 방향에 대해 대략 직각 방향에 위치한다. 다이는 고정되어 있지만, 다이의 헤드(head)는, 슬롯의 개구부를 정의하는 2 개의 코팅 립을 포함하며, 기판에 근접하여 위치한다. 기판은, 코팅 립 앞을 통과할 때에 백업롤(back-up roll) 주위를 이동할 수 있다. 코팅 립에 의해 형성된 슬롯과 기판은 실질적으로 동일한 폭을 가지므로, 기판의 전체 횡폭은, 다이 바깥으로 흘러나와 이동하는 기판 위로 흐르는 액체에 의해 한번에 코팅된다. 다이의 여러 가지 부분의 위치를 잡는데 도움을 주기 위해 X, Y, Z 좌표 시스템(23)이 표시되어 있고, 여기서 X-Z 평면은 코팅 립에 의해 형성된 슬롯을 통과한다. Y-Z 및 X-Y 평면은 각각, 통상적인 좌표 시스템 방향에 있어서, X-Z 평면에 수직이다.
도 1b를 참조하면, 도 1b의 X, Y, Z 좌표 시스템 및 여기에 형성된 관련 평면에 대해 더 자세히 설명한다. X 및 Y 좌표는 X-Y 평면23.1을, Y-Z 좌표는 Y-Z 평면 23.2을, 그리고 X-Z 좌표는 X-Z 평면 23.3을 형성한다. 이하, X-Y 평면 휨이라 함은, 평면 23.1에서 굴곡 23.1b로의 X-Y 평면 내의 휨을 말한다. Y-Z 평면 휨이라 함은, 평면 23.2에서 굴곡 23.2b로의 Y-Z 평면 내의 휨을 말한다. X-Z 평면 휨이라 함은, 평면 23.3에서 굴곡 23.3b로의 X-Z 평면 내의 휨을 말한다. 본 발명은 X-Z 및 Y-Z 휨 모드에 초점을 둔다.
모든 다이가 보정될 필요는 없다. 적어도 하나의 치수가 길고 가느다란 다이는 길다란 평면 내에서 휘기 쉽다. 도 1a의 X-치수 길이(12)에 대한 너비의 비율 및/또는 도 1a의 Y-치수 길이(14)에 대한 너비의 비율에 의해, 다이가 X-Z 및/또는 Y-Z 평면 내에서 휘는 경향의 특성을 각각 알 수 있다. 일반적으로 2.5 또는 그보다 큰 비율을 갖는 다이는 본 발명에 따른 보정이 고려된다. 이러한 치수는 다이의 구조적으로 중요한 부분의 전형적인 치수이다. “전형적인” 치수를 정하 는 것이 어렵다면, 평균치수를 이용한다. 이것은 기하학적인 고려이다. 사각형 및 육면체(예컨대 비율=1인 것)는 구속 강성(restraining stiffnesses)에 의해 많이 휘지는 않는다. 열-물리 특성이 개선됨에 따라, 임의의 비율에서의 최적화 작업은 더 쉬워진다. 안정 상태 작동을 위해 개선된 특성은, 증가하는 열 전도성(watt per meter per degree-Celsius) 및 감소하는 열 팽창 계수(meter per meter per degree-Celsius)를 포함한다.
만일 적절하게 설계되고 정비된다면, 다이는, 얇은 레이어 내의 코팅 립에 의해 형성된 출구의 바깥으로 액체를 평탄하고 균일하게 배출할 것이다. 본 발명은 다이 내의 내부 액체 분포에 초점을 맞추지는 않는다. 일반적으로, 다이는 기판쪽으로 또는 기판으로부터(X 방향) 이동하기 위해 방사상으로 정비되어, 코팅 립과 기판 사이의 갭(“코팅갭(coating gap)”이라고도 불림)을 결정할 수 있다. 주어진 코팅 두께에 대해, 유속(flow rate)을 포함하여, 액체의 흐름 파라미터(flow parameter)가 결정될 수 있다. 일단 이러한 파라미터가 결정되고 다이가 코팅 머신에 설치되면, 코팅 갭은 일반적으로 작동 중에 조정된다.
그러나, 극도로 얇은 층이 코팅되기 때문에, 그러한 조정에 의하여 공정상 어느 정도의 부정확성이 발생한다. 또한 다이 자체의 정확성에 관한 물리학적 한계가 존재한다. 예컨대, 다이의 립 구조, 특히 수 인치에서 수백 인치 이상까지 변할 수 있는 슬롯의 폭에 대하여 극도로 작은 허용오차를 유지하는 것은 매우 어렵다.
도 1a 및 도2a를 참조로 하여, 일반적인 다이 코팅 공정이 간략히 도시되어 있다. 다이(20)는 코팅 립(36a, 36b) 영역에서 Y 방향(24)으로 이동하는 기판(22)에 근접하여 위치하고 있다. 다이(20)는, 완전히 동작하는 다이에 일반적으로 포함되는 히터, 단열, 또는 온도 센서를 제외하고 간단하게 도시하였으나, 이하, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 더 자세히 설명한다. 기판(22)은, 다이(20)의 말단부(distal end)를 지나 통과하면서, 백-업 롤(26) 주위를 돌아나온다. 도 1에 도시된 바와 같이, 다이(20) 및 기판(22)은 모두 실질적으로 동일한 폭(Z 방향)을 가지므로, 기판의 전체 폭의 대부분이, 다이 안팎으로 흐르고 기판(22) 위로 흐르는 유체(23)에 의해 한번에 코팅된다는 것을 알 수 있다.
다이(20)는, 여러 개의 개별적인 구성 요소들로부터 조립될 수 있고, 그 후 장착 가능한 장치로서 코팅 머신(즉, 도시되지 않은 다이 스테이션) 내에 장착될 수 있다는 점에서 모듈형이라 할 수 있다. 각 다이 구성요소는 유체 매니폴드(manifold)(19) 및 말단의 다이 섹션(21)를 포함할 수 있다. 다이 섹션의 최말단부는 코팅 립(29)이라고 불리우며, 도 2a 및 도 2b와 연관되어 더 자세히 설명된다.
다이(20)는, 코팅 갭(30)을 조절하기 위해 백-업 롤(26)로 또는 백-업 롤(26)로부터 멀리 방사상으로 이동할 수 있다. 코팅 갭(30)은 코팅 립(29)과 기판(22) 사이의 거리로 정의된다. 다이(20)의 구성요소들은, 코팅 재료, 즉 유체(23)을 제공하는 피드 갭(32) 또는 슬롯에 의해 서로 조금씩 분리되어 있다. 코팅 재료는 유체 매니폴드(19)에서 흘러나와 피드 갭(32)를 거쳐 이동하는 기판(22)으로 흐른다.
도 2a는, 이동하는 기판(22)에 근접 위치하여 코팅 갭(30)을 형성하는 한 쌍의 코팅 립(36a, 36b)을 통과하여 X-Y 평면(23.1)에서 취해진 개략적으로 확대된 도면이다. 도 1a와 관련하여, 도 2a의 기판(22)은 평탄하거나 수평이지만, 그것이 백-업 롤(26)에 접촉할 때는 어느 정도의 구부러진다. 그러나, 도 2a에 도시된 구성은, 코팅 립(36a, 36b)과 이동하는 기판(22) 사이의 코팅 갭(30)에서 형성되는 액체의 비드(42)에서 발생하는 유체 역학을 근사화하여 잘 설명한다.
코팅 갭(30)은 도 2a에서 치수 A로 표시되어 있다. 코팅 갭(30)은, 서로 다른 립 구조, 립 가공 결함, 모나거나 빗면인 립, 조정, 조정 불량등에 따라, z 방향에서 다이의 너비를 따라 변할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 본 발명에 따라 이용되는 다층 다이(21)의 확대된 단면도가 도시되어 있다. 도 2a에서의 다이(20)와 비슷하긴 하지만, 다이(21)는 업스트림 다이 섹션(50a) 및 다운스트림 다이 섹션(50b), 및 이 두개를 분리하는 중간 섹션(50c)을 포함한다. 업스트림 피드 갭(52a) 및 다운스트림 피드 갭(52b)는 이러한 여러 가지 섹션들 사이에 형성된다. 업스트림 피드 갭(52a)의 액체는 기판(22) 위로 흘러나가서 하부 층(58)을 형성하고, 다운스트림 피드 갭(52b)의 액체는 하부 층 위로 흘러 나가서 상부 층(56)을 형성한다.
립 페이스와 기판 사이의 코팅 갭은 기판 위에 균일한 층을 제공하는데 있어서 결정적이다. 철과 같은, 다이의 재료의 특성 및 그 조작시의 온도 상태 때문에, 보정되지 않는다면, 대기 온도 이상으로 다이를 가열하는 것은 철 다이의 균일하지 않은 왜곡이 발생을 일으키고, 코팅 갭이 다이와 기판 너비에 걸쳐 평탄하지 않게 만들 것이다: 공지의 구조 형상을 이용한 코팅 공정 동안의 열 분포는 온도에 관하여 모델링 될 수 있다. 도 8 및 도 9를 간단히 참조하면, 온도 분호는 특별한 컴퓨터 열 모델링 기술을 이용하여 칼라로 디스플레이 될 수 있고, 칼라 디스플레이는 일반적으로 뜨거운 영역(예컨대, 실제로는 빨강 또는 흰 색이지만, 도 8 및 도 9에서는 1-12 범위의 온도 구분 중 높은 번호로 표시됨)으로부터 차가운 영역(예컨대, 실제로는 파랑색이지만, 도 8 및 도 9에서는 1-12 범위의 온도 구분 중 낮은 번호로 표시됨)에 걸쳐 표시된다. 이러한 작동상의 온도 구배는 다이의 구조, 다이의 재료, 다이에 적용된 가열 시스템의 히터의 위치, 및 이러한 히터를 제어하기 위한 온도 센서의 정확성/배치에서 기인한다. 온도 차이 때문에, 다이의 서로 다른 부분들은 서로 다른 정도로 팽창하거나 수축하여, 다이 왜곡을 발생시킨다.
따라서, 본 발명의 핵심 이슈는, 다이를 작동시키는 동안 X-Z 및 Y-Z 평면 내의 너비에 걸쳐, 립 페이스가 기판과 얼마나 평탄하고 평행한가에 관한 것이다. 전형적인 단층 다이는, 코팅 립 쌍 중 하나는 고정된 립 섹션이고, 코팅 립 쌍 중 다른 하나는 가요성(可撓性) 있는 립 섹션일 수 있다. 유연성 있는 립 섹션은, 소량의 피드 갭 비평탄성이 존재하는 경우, 이를 보상하기 위해 기계적으로 보정될 수 있다. 고정 립 부분과 가요 립 부분이 기판에 대하여 서로 다른 방향으로 왜곡될 수 있도록, 고정/가요(可撓) 다이 조립 부품의 열 분포가 이루어진다. 이것은 또한 고정/고정 다이에서도 발생할 수 있다. 또한, 코팅이 시작되면, 유체가 가열 시스템과 상호 작용하기 시작하기 때문에, 다이는 서로 다르게 가열된다. 이것은 휨 상태를 변화시킬 수 있다.
온도 경사를 제거하기 위해, 열에 관하여 모델링 된 다이의 적절한 장소에 적절한 양의 열을 추가하고 감소시키는 시뮬레이션에 의해, 균일한 코팅 갭을 갖는 다이에 근접한 다이를 제조하기에 앞서, 구조 모델은, 열에 관하여 보정된 다이를 검증할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 설계 공정 순서는, 균일한 코팅 갭을 제공하는, 열적으로 보정된 다이의 개발을 제공하도록 설정된다. 첫째로, 제조 공장 공정 요구(manufacturing plant process need)(예컨대, 코팅 갭을 왜곡하기 위해 휘지 않는 뜨거운 용융 다이)가 설정된다(60). 다음으로, 주어진 온도에서의 휨 상태를 측정함으로써, 그리고 왜 이러한 휨이 발생하는지 설명하기 위한 컴퓨터 모델을 제공함으로써(62), 현재의 다이를 (선택적으로) 분석할 수 있다. 그 다음에는, 휘지 않는 다이를 만들기 위해 모델이 이용될 수 있는데(64), 이 모델을 사용하여 온도에 관한 물리적 특성을 이해함으로써 다이가 휘지 않는 이유를 보이고, 그리고 공정 조작 목적(예컨대, 휘지 않는 다이) 및 파라미터(예컨대, 립 스타일, 사이즈, 모양, 재료)를 만족시키기 위해 보정을 행한다. 모델은 보정 학습 프로세스를 시작하기 위한 기본적인 구성을 제공한다. 다음으로, 환경적인 조건, 열 손실을 제어하기 위해 요구되는 단열 재료의 타입, 다이 주위의 점착성 흐름 및 기류 패턴을 고려한, 감도 학습이 진행된다(66). 감도 학습은 다이의 작동 범위(operating envelope)를 만들어내고(68), 만일 만족스럽지 않다면, 다이 구성은 작동 범위를 만족시키기 위해 보정된다(70). 일단 작동 범위가 만족스럽다면, 다이 구조, 히터/온도 센서/단열 재료 타입, 사이즈 및 위치에 관한 구체적인 사항들이 계획된 다이에 대해 설정된다(72). 그 다음 다이는, 표준 기안 및 제조 프로세스에 따라 제조되고(74) 뜨것운 부분과 차가운 부분이 검사된다(76). 만일 점검이 성공적이라고 판명되면 다이는 작동을 위해 실행된다(78).
도 4를 참조하여, 도 3의 “새로운 설계 개념을 개발”(64)을 더 자세히 설명한다. 첫째, 현재의 다이가 (선택적으로) 체크되고 분석될 수 있다(80). 그 다음, 만일 현재의 설계가 의도하는 코팅 갭 목적을 만족하지 못한다면, 설계 요구 조건 및 한계(예컨대, 다이가 작동하게 될 다이 사이즈/모양 구조 윈도우, 재료 특성) 및 이용 가능한 기술을 고려하여, 새로운 및/또는 개선된 가열 시스템 설계를 고려한다(82). 이 결과 예비적인 설계(84)가 도출된다. 일단 예비적인 설계가 정해지면, 다이 구성 요소(예컨대, 상부, 하부, 코팅 립)의 3-D 모델을 만든다(88). 이 모델은 다이 내에서의 열 전도 및 온도 맵(thermal map)(온도의 공간 위치)에 영향을 줄 수 있다. 입체 모델로부터, 한정된 구성 요소 메슁 루틴이 사용되어 구조 모델을 위한 메쉬(90) 및 열 전도 모델을 위한 메쉬(92)를 만든다. 부품들(상부, 하부, 립)은 결합되고(94) 열 전도 모델이 실행된다. 그 다음 온도가 입체 구조 모델(98) 위에 맵핑되어 결과적으로 생기는 변형을 결정한다.
도 5를 참조하여, 도 3의 “실행 감도 학습”(66)을 더 자세히 설명한다. 첫째, 가능한 환경적 조건 및 설계 이슈가 결정된다(100). 그 다음, 다이 주변의 기류의 양, 유체의 유량과 같은 경계 조건이 설정된다(102). 그 다음, 경계 조건은 열 모델(104)에 적용된다. 그 후에, 열 모델을 해석하여(106) 각 조건의 3-D 온도 맵을 제공한다(108). 그 다음, 온도 맵은 구조 모델(110) 위에 맵핑된다. 그 후에, 구조 모델을 해석하여 변형을 결정한다(112). 그 다음, 결과를 분석하여(114) 설계를 받아들일 수 있는지 결정한다.
도 6을 참조하면, 다이 가열 열 구역 및 구조 구성(geometry configuration) 및 서로 다른 다이 공정에 대한 다이의 휨 크기를 비교한 예시가 도시되어 있다. 이 예증적인 연구는, 설계 공정의 3-D 안정성을 테스트 하기 위해 단순한 기준(최대의 실용적인 표면 단열을 포함한 또는 포함하지 않은)을 사용한다. 도 6의 x-축을 따른 바깥쪽 선은 일반적인 코팅의 두께(예컨대 +/-20 미크론)를 나타내는 기준선이다. x-축을 따른 안쪽의 점선은 차가운 다이에 대한 기계 가공의 허용 오차를 나타내는 추가적인 기준선이다. 예컨대, 립 페이스는 기준 평면으로부터 8-10 미크론 내의 오차범위 내에 있어야 한다. 망상(網狀) 막대(cross-hatched bars)는 X-Z 평면 내에서의 코팅 립의 휨을 도시한다. 점 막대는 Y-Z 평면 내에서의 다이 립의 휨을 도시한다. 이 데이터는, 다이의 임의의 위치에 히터를 추가해야 할 필요성 및 온도 센서 위치를 결정하는 것과 같은, 가열 구성 및 다이 구조에 있어 요구되는 변화를 결정하는데 도움이 된다.
도 7 내지 도 9를 참조하여, 본 발명에 다른 코팅 립 페이스에서의 휨을 최소화하기 위해 고정된 상부 핫 멜트 슬롯 다이(hot melt slot die)를 포함하는 예시적인 다이 설계를 자세히 설명한다. 도 7에서, 적절한 위치에 히터를 갖는 입체 모델(200)이 도시되어 있다. 히터들은 모델을 간단히 하기 위해서 직사각형 슬롯으로 모델링 되었다. 히터(202a-202d)는 다이의 너비를 따라 길게 가로질러 배치되어 있다. 히터(204a-204r)는 리어에서 프런트까지 배치되고, 앞부분은 부분적으 로 다이를 가로지르는 코팅 립을 구비한다.
다이 설계 목적을 만족시키기 위한 적장한 열 분포를 개발하기 위해, 여러 개의 대표적인 다이 단면에서의 온도를 조사한다. 도 8을 참조하면, 코팅 립(212), 앞벽(213), 앞벽 테퍼(taper)(215), 한 쌍의 앞뒤 히터(214a, 214b), 및 고정된 상부를 갖는 다이(210)의, 대표적인 단면의 온도 범례를 갖는, 온도 맵이 도시되어 있다. 유체 매니폴드(216)은 코팅 갭(218)에 유체를 제공한다. 온도 분포는, 50°F 범위에 걸쳐, 12(최대 온도), 6(중간 온도), 1(최저 온도), 및 그 사이의 온도로 식별되는 온도 영역으로 도시된다. 도시된 것에서 알 수 있는 것과 같이, 온도는 후미 영역(220)에서는 낮고, 히터(214a, 214b) 근처의 영역에서는 높고, 코팅 립(212)에서는 다소 중간 값을 갖는다. 따라서, 이러한 다이 구성에서는, 후미 영역은 수축하고, 앞 부분은 팽창하며, 다이는 뒷쪽으로 오목하게 휘는 경향을 갖는다.
도 9를 참조하면, 예컨대, 도 8의 다이(210)의 구조가 보정되고 길이 방향의 히터가 추가되면, 고정된 상부를 갖는 다이(230)의 온도 맵이 개선된다. 고정된 상부를 갖는 다이(230)는, 코팅 립(232), 앞벽(234), 앞벽 테퍼(236), 한 쌍의 앞뒤 히터(238a, 238b), 및 3개의 길이 방향의 히터(240a, 240b, 및 240c)를 구비한다. 유체 매니폴드(242)는 유체를 코팅 갭(244)에 공급한다. 도 8과 같이, 온도 구배는, 50°F 범위에 걸쳐, 12(최대 온도), 6(중간 온도), 1(최저 온도), 및 그 사이의 온도로 식별되는 온도 영역으로 도시된다. 도시된 바로부터 알 수 있듯이, 다이 전역에 걸쳐 온도가 균일하고, 온도 구배는 작기 때문에, 의도하지 않은 휨을 방지하는데 도움이 된다.
이것은 구조 설계 변화, 즉, 와이어 수용기를 다이 바깥으로 옮기고, 다이가 짧아지고, 불필요한 재료가 제거되고, 길이 방향의 히터(240a, 240b, 240c)를 추가하고, 그리고 앞뒤의 히터(238a, 238b)를 다이(210)의 앞뒤의 히터(214a, 214b)보다 더 바깥쪽으로 이동시켜 변화시킨 것에 따른 결과이다.
도10 내지 도 15b를 참조하여, 본 발명에 따라 개발된 다이 장치의 실시예 및 그 가열 시스템을 더 자세히 설명한다.
다이의 가열 시스템은 일반적으로 가열 소스(전기 저항 히터, 기름, 스팀, 또는 다른 종류의 가열 및 냉각 소스), 온도 센서(열전지, 저항 온도 검출기, 서미스터, 도는 다른 종류의 온도 센서), 단열 재료, 및 차단 재료, 전기 연결 하드웨어(전기 히터를 사용하고 센서 신호가 있는 경우), 유체 분배 장치(기름, 스팀 도는 다른 유체가 사용되는 경우) 등으로 구성된다. 가열 시스템은 다이 구조와 동시에 개발되어 양쪽으로부터 최대의 효과를 얻는다.
예컨대, AISI P-20 공구강(Tool steel)과 같은 공구강 다이 및 그 가열 시스템에 대한 작동 기준은 다음을 포함할 수 있다. (1) X-Z 평면에서 다이 립의 휨 평탄도가 .001"보다 작은 이탈값, 바람직하게는 0.0005"보다 작은 이탈값을 유지하는 방식으로 작동해야 한다. 이것은 정밀한 화강암 테이블 위에서 기계적인 또는 광학적인 계량기로 측정한 값이다. (2) Y-Z 평면에서 립 페이스의 평탄도가 .004"보다 작은 이탈값, 바람직하게는 .002"보다 작은 이탈값을 유지하는 방식으로 작동해야 한다. 이것은 정밀한 화강암 테이블 위에서 기계적인 또는 광학적인 계량기 로 측정한 값이다. (3) 코팅이 시작된 후에, X-Z 또는 Y-Z 평면에서의 립 평탄도 이탈값의 크기가 .001", 바람직하게는 0.0004"보다 큰 값으로 변화하기 않아야 한다. 이것은 유한 요소 모델링 또는 다른 수단에 의해 설명할 수 있다. (4) 최소한 X-Z 평면에서, 다이의 휨에 대한 제어가 허용되어야 한다. 휨은, 여기에 설명된 적절한 구성을 갖는 자유로운 다이에 대해 X-Z 평면에서, 다이의 앞뒤(포인트 1의 평평한 상태로부터 시작하여) 사이에서 1°F당 .0005"- .003"의 오프셋 값을 갖는다. (5) 다이의 명목상 온도(nominal temperature) 또는 그 근처의 점착성 온도(adhesive temperature)를 갖는, 슬롯 너비에 걸친 온도 차이가 15°F, 바람직하게는 8°F보다 작은 값을 유지해야 한다. 이것은 유한 요소 모델링에 의해 결정되고, 립 페이스나 그 근처의 표면 온도 측정으로 검증될 수 있다.
앞 단락에서 기술한 공구강 다이에 대한 작동 기준은, X-축 길이에 대한 너비의 비율이 최고 11인 경우, 또는 Y-축 길이에 대한 너비의 비율이 최고 14인 경우, 그리고 200°C까지의 작동 온도에서의 정상 상태인 경우에 적용 가능하다. 모든 경우에, 2.5보다 큰 값을 갖는, 너비의 X-축 길이에 대한 임의의 비율 및/또는 너비의 Y-축 길이에 대한 임의의 비율, 및 200°C보다 큰 정상 상태의 작동 온도가 가능하지만, 달성 가능한 요구 조건은 바뀔 수 있다. 다른 다이 구성이 설계될 수 있지만, 달성 가능한 요구 조건은 바뀔 수 있다. 다른 재료가 고려될 수 있지만, 달성 가능한 요구 조건은, 그 재료의 열 및 물리적 특성에 따라 변할 수 있다. 변형계(strain gauge), 또는 다른 스트레스/스트레인 (stress/strain) 측정 기법을 포함하는, 평탄도를 측정하기 위한 다른 수단이 사용될 수 있다. 약술한 방법 내 에서 이러한 모든 변형들이 고려될 수 있다.
여기에 기술된 다이 가열 시스템 히터는 “횡단(cross-sectinal)” 또는 “종단(cross-width)” 또는 양쪽 모두로 분류된다. 횡단 히터는 X-Z 및 Y-Z 평면의 평탄도 또는 휨에 실질적인 효과를 보여주는 히터다. 종단 히터는 다이이 너비에 걸친(Z-방향) 온도 분포에 실질적인 효과를 보여주는 히터다. 히터들은 모두 횡단 및 종단 히터다. 히터란 능동적인 가열 소스 또는 냉각 소스를 말한다. 이러한 것들은 총괄하여 능동 열전도 수단이라고 불린다.
X-Z 평면의 평탄도는 가장 중요하다. 왜냐하면 코팅의 두께에 직접적으로 영향을 미치기 때문이다. 기판이 피드 갭 사이즈에 비해 상대적으로 평면에 가까운 한 Y-Z 평면은 덜 중요하다(즉, 020"의 작은 피드 갭을 갖는 16"의 큰 직경을 갖는 롤 상의 코팅은 대체로 평탄한 표면이다). 보통은, Y-Z 평면의 휨 상태가 설계 방법에 있어 명시적으로 최적화 됨에 불구하고, 다이는, X-Z 평면 휨에 대해 최적화 된 후에, Y-Z 평면에 대해 수용 가능한지 체크된다. 종단 온도 변동은 유체 유동학(流動學)에 있어 중요하지만, 본 발명에 있어서, 그것은 주로 가열 시스템의 횡단 부분과의 상호 작용과의 관계에서 고려된다.
도 10은 히터를 갖는 다이(300)의 간략한 도면이다. 다이(300)는, 유체를 다이의 너비를 따라 분배하는, 내부 길이 방향의 유체 홈통과 T-모양으로(도시되지 않음) 연결된 유체 주입구(301)를 포함한다. 길이 방향의 양 단부에 있는 유체 홈통 개구부(303)는, 다이의 각 양단부로부터 유체가 흘러나오는 것을 방지하기 위해 캡으로 씌워지거나 개스킷으로 매워진다(도시되지 않음).
X-Z 평면에서의 평탄함을 유지하기 위해서, 히터는, 다이의 프런트 단부(305) 및/또는 리어 단부(307)의 캐비티 안으로 삽입된다. 다이의 프런트 및 리어를 가열하는 히터는, 어떤 경우에는 종단 히터로도 기능할 수 있음에도 불구하고, 프런트 횡단 히터 및 리어 횡단 히터로 간주된다. 2개의 히터(302, 304)는 프런트 히터이고, 이것들은 각각 다이의 너비를 따라 길이 방향으로 배열되는 단일 히터이다. 보통 이러한 히터는 각각, 그 파워를 조절하기 위해 피드백을 위해 결합된 단일 온도 센서를 갖는다. 히터들 내에 분리된 제어 구역을 둠으로써, 또는 단일 히터를 여러 개의 구역으로 그룹된 복수의 작은 개별 히터로 대체함으로써, 그리고 이러한 양 경우에, 각 구역에 제어 루프 및 온도 센서를 추가함으로써, 이러한 히터들을 횡단 히터로 사용할 수 있다.
히터(306) 및 옵션 히터(308)는 리어 횡단 히터이다. 이것들은 프런트 히터(302, 304)와 유사하고 다이의 너비를 따라 길이 방향으로 배열된다.
히트 그룹(310, 312)은 분리된 횡단 다이 구역(314, 316, 318, 320,322)에 그룹된 복수의 개별 히터이고, 다이의 프런트 및/또는 리어에 캐비티 내로 삽입될 수 있다. 도 10에 도시된 실시예에서, 히터 그룹(310, 312)은 다이의 리어 캐비티에 삽입된다. 횡단 히터이고, 이 경우 그 길이와 배치 때문에, 그것들은 주로 다이의 리어 부분에 영향을 준다. 그 차제로, 그것든은 또한 횡단 히터로 간주될 수 있다. 특정한 횡단 다이 구역의 횡단 히터와 결합한 온도 센서는, 이러한 효과를 보장하기 위해 프런트 가열보다 리어 가열에 더 민감하게 반응하는 위치에 놓인다.
이 간략화된 실시예에 대한 횡단 히터의 경우, (단부의 손실을 최소화하기 위해) 양 단부에서 독립적으로 제어되는 구역(314, 322), (요동하는 유체 주입구 온도를 조절하기 위해) 중앙부에 대해 독립적으로 제어되는 구역(318) 그리고 독립적으로 제어되는 주된 히터 구역(316,320)(단부와 중앙부 사이)으로 구역이 나뉜다. 일실시예에서, 다이의 상부(324)는, 구조적으로 붙어 있기는 하지만, 횡단(Y-Z) 평탄도를 더 제어하기 위해, 다이 하부(326)과 독립적으로 구획된다.
종단 히터와 횡단 히터의 상호 관계를 설명하기 위해, 대표하는 X-Y 평면의 단면이 도 11a 내지 도11e에 도시되어 있다. 이 도면에서, 프런트 및 리어 히터는 길이 방향의 히터이고, 종단 히터는 대략 개별 히터들로 구역이 나뉘어 있고, 각 그룹의 단일 종단 히터가 도시되어 있다. 보통 다이의 리어에서 프런트까지의 거리는 5-10"이다. 보통 다이의 상부 또는 하부의 두께는 2-4"이다.
도 11a는, 길이 방향으로 2개의 프런트 히터(302, 304), 길이 방향으로 1개의 리어 히터(306), 및 횡단 히터(리어 가열)이기도 한 종단 히터(310, 312)를 갖는 다이를 도시하고 있다. 도 11b는, 종단 히터(330, 332)가 프런트 횡단 히터이기도 한, 전형적이지는 않지만 가능성 있는 구성을 도시한다. 이런 형태를 일반적으로 잘 쓰이지 않지만, 가능성은 있다. 도 11c는, 종단 히터(334, 336)가 다이의 뒤쪽에서 프런트 방향으로 상당히 확장된 점을 제외하고는, 도 11a와 유사한 상황을 도시한다. 이 경우, 종단 히터는 보통 횡단 히터로는 작용하지 않는다. 도 11d는 뚜렷하게 종단 히터를 갖고 있지 않은 다이를 도시한다. 상술한 바에 불구하고, 독립 구역은 길이 방향 히터에 제조될 수 있다.
도 11a-11d에 도시된 모든 다이는 고정된 상부를 갖는 다이이다. 즉, 피드 갭은 고정되어 있으며 다이의 반을 기계 가공함에 의해 결정된다. 도 11e를 참조하면, 가요성 상부를 형성하기 위해 프런트 상부를 금형을 깎아낸 부분(338)을 제외하고는 도 11a에 도시된 다이와 유사하다. 피드 갭을 조절하기 위해 부분적으로 가요성 상부를 구부리기 위한 여러 가지 메커니즘을 사용할 수 있다. 온도의 관점에서 본다면, 도 11a-11d에서, (상부와 하부 뿐만 아니라) 다이의 프런트와 리어 사이에 장유로운 열의 이동이 있다. 도 11e에서, 하부의 프런트와 리어 사이에 자유로운 이동이 있지만, 상부에서는 그렇지 않다. 상부의 프런트는 상부의 리어와 효율적으로 분리되어 있다. 약간의 열 전도가 있지만, 가요성 부분(338)의 철의 두께에 의해 제한된다. 일반적으로, 도 11a 및 도 11e의 실시예에 대하여, 종단 히터는 리어 횡단 히터이다.
도 12를 참조하면, 다이의 하부(326)의 구역(316) 부분 및 도 10의 히터 그룹(312)의 대표적인 3개의 히터(312a, 312b, 312c)가, 주된 구역의 온도 센서(400) 및 관련된 가열 및 제어 시스템(402)과 함께 도시되어 있다.
각 구역은, 특정 구역 내의 히터(종단 히터 및 횡단 히터 모두)와 결합된 구역 온도 센서를 갖는다. 센서는, 감지된 온도 데이터를 감지된 온도 데이터를 온도 설정 포인트와 비교하는 PID(proportional integral derivative) 온도 제어기로 전송한다. 만일 비교 결과 감지된 온도가 온도 설정 포인트보다 낮다면, PID 제어기는 히터의 파워를 올리도록 신호를 보낸다. 만일 비교 결과 감지된 온도가 온도 설정 포인트보다 높다면, PID 제어기는 히터의 파워를 낮추도록 신호를 보낸다. 따라서, 이러한 구역 온도 센서는 다이의 종단 온도를 제어하기 위해 효율적으로 이용된다. 각각의 구역 온도 센서는 히터에 근접하여 다이 내에 배치되어 해당 구역을 제어한다.
도 12를 다시 참조하면, 일실시예에서 감지 팁(410)을 구비한 RTD(resistance temperature detector: 저항 온도 감기기)와 같은, 주된 구역의 온도 센서(400)가 튜브 내에 설치될 수 있다. 이 튜브는 다이 내에 미리 형성된 센서 채널 또는 드릴 홀을 통해 다이의 하부(326) 내부에 편리한 방향에 삽입되어 지지된다. 센서는 미리 결정된 온도 기준을 맞추도록 배치된다. 이러한 위치는 적절히 변화할 수 있다. 예컨대, 설계 방법론에 있어서, (너비에 대한 X-축 길이 비율 및/또는 너비에 대한 Y-축 길이 비율이 2.5보다 크고, 최대 실내 온도 200°C에서 동작하는 공구강에 대한) 온도 센서 위치는, 각 구역에 대해 유한 요소 모델링에 의해 결정되는 다음의 조건을 만족하도록 선택될 수 있다.
(1) 모든 온도 센서의 센싱 팁은 계획대로의 다이 온도와 1°F, 바람직하게는 0.2°F보다 작은 범위 내에 있고, 다이 온도는 유입되는 유체 온도와 10°F, 바람직하게는 2°F보다 작은 범위 내에 있다. 조건 (1)은, 유체가 다이를 통해 흐르지 않을 때에 만족된다(코팅 갭을 시각적으로 세팅한 경우, 편평도를 측정하는 경우 등). 조건 (1)은 계획대로의 다이 온도와 2°F, 최대10°F 내의 유체가 최대 유속으로 다이를 통해 흐를 때 만족된다.
(2) 센싱 팁 영역 내의 로컬 온도 구배는, 가능하다면, 인치당 5°F, 바람직하게는 1°Fq다 작다.
특정 다이 구조 내의 히터 및 센서는, 보통은, 측정에 의해 작은 온도 오프 셋이 결정된 후에, 이러한 요건들이, 상술한 요건 (1)-(5)를 만족하는 동안 만족되도록 배치된다. 센서(400)는 그 위치의 다이 온도(406)를 읽어 들이고 감지된 온도 데이터를 온도 제어기(4040)에 제공한다. 온도 제어기는 미리 결정된 바람직한 구역 온도 설정 포인트(408)를 갖는다. 온도 제어기(404)는 측정된 다이 온도와 설정 포인트 온도를 비교하고, 온도 차이 제어 신호(420)를, 전류가 각각의 저항성 히터에 흐르도록 하는 릴레이 메커니즘과 같은, 히터 제어 장치(422)에 보낸다. 감지된 다이 온도 및 설정 포인트 온도가 동일할 때에, 히터들로 들어가는 전류는 일정하게 유지된다.
또한, 상기 기준을 만족하는 프런트 상부, 프런트 하부, 리어 상부 및 리어 하부 온도 센서가 존재할 수 있다. 이러한 센서들은 다이 횡단 온도를 제어하는데 사용된다. 이러한 센서들은, 각각의 프런트 상부, 프런트 하부, 리어 상부 및 리어 하부의 길이 방향의 횡단 히터들에 근접하여 다이 내에 배치된다.
도 13을 참조하면, 횡단 히터 및 그 히터 제어의 예시로서, 도 10의 대표적인 3개의 히터(304, 306) 및 다이 하부(326)의 단부의 일부분이, 그 각각의 길이 방향의 온도 센서(450, 452) 및 관련되 각각의 가열 및 제어 회로(454, 456)와 관련하여 도시되어 있다. 유체 통 개구부(303)은 도 13에 노출되어 도시되었지만, 보통은 상술한 바와 같이 봉인된다. 각각의 횡단 히터는 그 자신의 센서 및 관련된 가열 및 제어 시스템을 갖는다. 예컨대, 프런트 하부 횡단 히터(304)는 다이 하부(326)의 너비를 따라 확장되며, 결합된 프런트 하부 온도 센서(450)을 갖는다. 이 온도 센서는 프런트 하부 가열 및 제어 시스템(460)에 연결된다. 가열 및 제어 시스템(460)은 온도 제어 장치(462) 및 히터 제어 장치(464)를 포함한다. 유사하게, 리어 하부 횡단 히터(306)는 하부 다이(326)의 너비를 따라 확장되고, 결합된 리어 하부 온도 센서(452)를 갖는다. 이 온도 센서는 리어 하부 가열 및 제어 시스템(454)에 연결된다. 가열 및 온도 제어 시스템(454)은 온도 제어 장치(456) 및 제어 장치(458)를 포함한다. 프런트 하부 가열 및 제어 시스템(460) 및 리어 하부 가열 및 제어 시스템(454)은 모두, 도 10의 가열 및 제어 시스템(402)에 관하여 앞에 개시한 것과 유사한 방식으로 작동한다. 센서(450 및 452)는 상술한 기준을 만족하기 위해 유한 요소 모델링에 의해 결정된 위치에 배치된다. 즉, 예컨대, 결합된 설정 포인트에 의해 프런트 및 후면 온도가 동일하도록 제어하기 위해, 각 히터(304, 306) 근처, 특히 각 히터로부터 5" 떨어진 위치에서 히터의 길이 방향을 따라 배치된다.
또한, 각각의 센서는, 횡단 히터에 대한 센서 또는 종단 히터에 대한 센서이든, 다른 횡단 가열 영역 또는 다른 종단 가열 구역과 관련 되었든지간에, 다른 감지된 영역과의 크로스-톡(cross-talk)이 최소화되도록 배치된다.
종단 및 횡단 히터 모두에 대한 각각의 가열 및 제어 시스템은, 그 각각의 시스템을 피드백 시켜, 전체 다이에 걸친 모든 센서가 동일 온도를 갖도록 한다. 일단 히터 및 센서 위치가 모든 기대된 부착물과 열 손실을 갖는 주어진 다이 구조에서 적절히 선택되면, 그리고 모든 다이 영역이 동일한 온도를 갖는다면, 다이는 요구된 작동 조건에 대해 평탄하다고 볼 수 있다.
도 14를 참조하면, 상부 다이 부분(324) 및 하부 다이 부분(326)을 갖는, 도 10에 도시된 다이의 일부분은, 다이의 전반적인 온도 분포에 영향을 줄 수 있는 추가 부착물을 구비하고 있는 것이 도시되어 있다. 상부 다이 부분(324)은 그 리어 부분에, 상부 다이 부분과 결합된 여러 가지 종단 히터 와이어를 모을 수 있는 와이어 함(50)을 부착하고 있다. 유사하게, 하부 다이 부분(326)은 그 리어 부분에, 하부 다이 부분과 결합된 여러 가지 종단 히터 배선을 모을 수 있는 와이어 함(502)을 부착하고 있다. 다이의 단부는, 유체 홈통의 단부를 봉인하기 위한 개스킷 플레이트(504)를 포함한다. 상부 및 하부 다이의 횡단 및/또는 종단 센서 배선은 길이 방향으로 배치되고 각각의 커넥터 하우징(506, 508)에서 마무리된다. 블록(510)과 같은, 설치 블록은, 다이에 결합되어 다이 부품이 다이 근처에 있는 다이 스테이션 하우징 구조물(도시되지 않음)에 장착될 수 있게 한다.
그러나, 현재의 상부 및 하부 다이 조합은 다이 근처의 어떠한 다이 스테이션 하우징으로부터 열적으로 격리될 수 있다는 사실을 이해해야 한다. 이렇게, 본 발명의 방법과 장치는 가열된 다이를 위한 통합된 주된 가열 시스템에 관한 것이고, 다이 스테이션 하우징과 관련된 열 손실에 주된 관심이 있는 것이 아니다. 바람직하게는, 기판 위에서 이용하기 위한 적절한 온도로 유체를 가열하는 것은, 가능한 한 본 발명의 히터와는 개별적으로 수행된다. 언급할 필요도 없이, 가열된 유체에 의해 대류로 순환된 열은, 그것이 유체 주입구로부터 코팅 립까지 통과하는 동안, 전반적인 다이 온도 분포에 영향을 줄 것이다.
도 15a 및 도 15b를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예의 간략화된 단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 기판(22)은, 백-업 롤(26)이 방향(25)으로 회전할 때에, Y 방향(24)으로 움직인다. 다이(300)는, 다이(300)의 상부 및 하부 표면 단열 재료(600, 602) 및 백-업 롤(26)의 회전에 의해 발생되는 바람을 방향(606)으로 편향시키는 윈드 가드(wind guard)(604)를 포함한다. 기류 가드는, 기판으로부터 공기 경계 층이 제거됨으로 인해 다이의 프런트 하부가 부분적으로 냉각되는 것을 방지한다. 영역(608)이 도 15b에 도시되어 있다. 또한, 다이 스테이션 하우징(512)에 들어맞는 와이어 함(500, 502) 및 설치 블록(510)도 도시되어 있다. 본 발명에 따른 모델링 프로세스는 다이의 여러 가지 특징, 및 다이 내의 온도 분포에 영향을 줄 수 있는 다이의 부착물들을 고려한다.
일반적으로, 프런트 횡단 히터는, 실제의 히터 배치 및 센서 위치에 따라, 다이에 총 제공된 가열 파워의 20%-60%를 제공한다. 예시적인 구성에서, 히터의 효율은 25%-45%일 수 있다. 이것은 온도 제어기의 실제 파워 출력에 근거한 것이다. 리어 히터(와 선택적인 작은 보조 히터)는 균형의 대부분을 유지한다(종단 히터를 포함). 프런트 및 리어 길이 방향 히터는 일반적으로, 그 중심이, 가장 가가운 바깥 표면으로부터 1.5" 이내에 있도록 배치된다. 종단 히터는 일반적으로, 다이의 리어에서 시작하여 프런트 쪼긍로 3-6" 연장되어 있다.
이러한 구성에서는 다이에 부착된 여러 가지 아이템 대부분이 리어에 부착되는 경향이 있고, 그 곳에서 열 손실 변동이 더 심하기 때문에 예시적인 실시예라고 할 수 있다. 단부 히터는 전체 단부를 모두 가열하도록 배치될 수 있다.
본 실시예에서, 와이어가 감긴 백금 저항 온도 검출기(RTDs)는, 목표 온도(즉, 346°F)에서 작동할 때에, +/-1°F보다 양호한, 또는 바람직하게는 0.4°F보다 양호한 정확도를 위해 사전에 삽입된다. 이 경우, 대체(replacement)에 의해 다이의 휨 상태에 큰 영향을 주지는 않을 것이다. 또한, 와이어가 감긴 RTD의 이동은 시간이 지나도 매우 작은 것으로 알려져 있다. 고 정밀도의 PID 온도 제어기가 포함될 수 있으나, Syscon RKC SR Mini HG System에 한정되는 것은 아니다.
추가적인 실시예는 다음과 같을 수 있다:
(1) 프런트 히터 (및 슬롯과 매니폴드)가 계획한 온도가 되도록 프런트 히터를 작동시킨다. 코팅은, 이 계획한 온도 또는 그 근처의 온도에서 다이에 들어간다.
(2) 다이가 제조된 후에 실제로 평탄도를 측정함에 있어, 만일, 다이가 측정된 평탄도 요구 조건을 만족시키기 위해 가열 시스템 내의 횡단 구역에 대한 설정 포인트로부터의 오프셋이 요구된다면, 가능하다면 다이의 리어에 위치하게 한다. 이것은 다음과 같다. (a) 슬롯 및 매니폴드의 온도는 점착물의 온도와 같을 것이고, 따라서 휨에 대한 보정은, 유체 유동학에 있어 최소의 효과를 가질 것이다; 그리고 (b) 유체는 보통 다이의 리어의 중앙부에서 주입되므로, 이러한 다이에 코팅된 재료의 열전도율은 매우 낮기 때문에, 그리고 금속 벽으로부터 튜브의 중심까지의 거리가 보통 크기 때문에, 고온 또는 저온으로의 열 전도는 최소가 될 것이다; 거꾸로 다이의 앞부분은, 유체는 큰 열 전도 영역을 갖는 얇은 필름(보통 0.060"보다 작음)으로 펼쳐지므로, 열전도율을 매우 크다.
(3) 이러한 오프셋은 다음과 같은 이유 때문에 필요하다: (a) 열 및 구조의 유한 요소 모델은 자체적으로 불확실성을 갖는다. 이로 인해 횡단 및/도는 종단 온도 분포의 불확실성이 생길 수 있다. 단일 구역(즉, 리어 구역)에 대한 온도를 설정하기 위해 단일 온도 센서를 사용하여 이것을 결합하는 것에 의해, 센서에서 측정된 실제 온도가 원래 예측되었던 값으로부터 시프트될 수 있다. 일단 시프트가 보정되면 다이가 안정화된다는 것이 설명된 바 있다. (b) 금속 와이어 함과 같은, 다이에 부착되는 부착물은, 복잡한 방식으로 다이와 상호작용하며 부착물들 사이의 상호작용이 있을 수 있기 때문에, 종종 올바르게 모델링하기 어려워서(특히 열 방사에 의한 전달 및 기류 변경의 관점에서), 부착 포인터 근처의 부분 온도 분포의 불확실성이 생긴다. (c) 다이가 가공되고 응력이 해제되는 방법에 따라, 유한 요소 모델링에 의해 쉽게 기대되지 않는 방향-선택적인 응력이 존재할 수 있다. 횡단 가열 구역 설정 포인트의 최대값과 최소값 사이의 오프셋은 10°C를 초과하면 안되고, 바람직하게는 4°C를 초과해서는 않된다.
(4) 부분적인 열점 또는 냉점의 존재를 최소화 하기 위해, 다이를 부착물로부터 가능한 단열시키고, 다이를 임의의 외부 장착 구조물로부터 격리시켜야 한다. 이러한 열점 또는 냉점은 온도 분포를 정확하게 예측하는 능력을 복잡하게 만들기 때문에, 히터 및 센서 위치를 결정하는데 있어서 불확실성을 야기한다. 또한, 대류에 의한 공기로의 열 손실을 최소화 하기 위해 넓은 표면을 단열시키는 것을 고려해야 하고, 열방사에 의한 열 손실을 감소시켜야 하며, 다라서 이러한 표면 주위에서의 온도 구배를 줄여야 한다. 가능하다면, 다이 표면과 임의의 금속 부착물 사이에 단열층을 배치해야 한다. 다이가 그 지지 구조물에 장착되는 위치에서, 장착 구조물로의 열 손실로부터 다이를 격리시키기 위해, 구조적인 단열 재료를 사용 해야 한다. 넓은 표면에서 단열재를 사용하는 것은 환경 조건에 대한 감도를 최소화하는데 도움이 된다. 기판에 의해 운반되며, 다이의 프런트를 냉각시키는 고속의 공기를 편향시키기 위해, 다이의 프런트 하부에 어떤 종류의 차폐물(shield)을 사용해야 한다. 도 15a 및 도 15b는 그러한 차폐물(윈드 가드), 및 단열을 위한 가능한 전략을 도시한다. 전체적으로, 주어진 히터 구역이 조절할 필요가 있는 효과의 개수와 크기를 최소화 하여야 한다. 효과가 더 클수록, 그리고 크기가 더 클수록, 서로 다른 작동 조건에 대한 절충과 감도의 가능성이 더 커진다. 다이를 장착할 때에, 열 손실로부터 다이를 격리시켜야 한다. 이것은, 가열 시스템은 오직 공기에 의한 열손실만을 다루어야 하고, 부착물에는 제한된 손실만이 허용됨을 의미한다.
당해 기술분야의 당업자는, 위에 설명하고 도시한 실시예와 다른 대안적인 실시예들이 본 발명의 범위에 속한다는 것을 인식할 수 있다. 에컨대, 도 2b를 참조하면, 당해 기술분야의 당업자는, 도 10-15b와 관련하여 설명한 본 발명의 개념이 도2b의 복수의 섹션 다이에 적용 가능하다는 것을 인식할 수 있다. 횡단 히터, 종단 히터 및 그와 연결된 센서는 모델링될 수 있고, 도 2b의 적절한 다이 섹션(50a, 52a, 52b)에 배치될 수 있다.
본 발명에 의해, 실제 동작 온도에서 코팅 립의 편평도가 유지되는 효과가 있다.

Claims (56)

  1. X-축의 다이 길이에 대한 Z-축의 다이 너비 길이의 비율, 및/또는 Y-축의 다이 길이에 대한 Z-축의 다이 너비 길이의 비율이 2.5보다 큰 값을 갖고, 또 정상 상태(steady state)의 작동 온도를 가지며, 또한 Y-Z 평면 내의 다이 립 페이스(lip faces) 및 상기 립 페이스에 수직인 X-Z 평면 내의 슬롯 개구부(slot opening)를 포함하는 다이 구조(die geometry), 능동 열 전도 수단, 온도 및/또는 열 플럭스 센서(heat flux sensor)를 가지는, 열적으로 안정적인 코팅 다이 장치를 설계함에 있어서, 평평한 다이 립 페이스를 제공하기 위한 방법으로써,
    상기 다이 구조, 상기 능동 열 전도 수단의 배치, 상기 온도 또는 열 플럭스 센서의 배치, 및 작동 환경으로부터의 차폐를 동시에 최적화하는 단계; 및
    다이 기능 특성, 수용 가능한 평면으로부터의 최소 이탈값에 관련된 온도 측정의 최소 증가분 및 제어 정확성, 열-구조적인(thermo-structural) 재료 특성에 관한 코팅 다이의 제조 재료, 및 바람직한 코팅 다이 재료 특성을 고려하면서, 열 전도(heat transfer) 및 구조 수치(structural numerical) 모델링, 및/또는 통계적 분석, 및/또는 온도 및/또는 열 플럭스, 및/또는 치수 및/또는 스트레인 및/또는 스트레스 측정 기술을 이용하는 단계를 포함하고,
    상기 최적화 단계는,
    코팅이 시작될 때에, 상기 X-Z 평면 또는 Y-Z 평면 내의 다이 립의 편평도 이탈값이, 한정된 편평도 이탈값을 넘지 않게 하면서, 상기 X-Z 평면 내의 상기 다이 립 페이스의 휨 편평도(bending flatmess)의 공칭(nominal) 상태를 한정된 편평도 이탈값보다 작게 유지하는 단계, 및
    상기 각각의 평면 내에서 예측 가능한 휨 방향 및 휨 정도를 얻기 위해, 상기 X-Z 평면 및/또는 Y-Z 평면 내의 온도 구배를 최소화하기 위한 가열 시스템의 균형을 유지하는 단계를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 평평한 다이 립 페이스를 제공하기 위한 방법..
  2. 제1항에 있어서,
    상기 X-축 다이 길이에 대한 Z-축 다이 너비 길이의 비율은 최대 11이고, 상기 Y-축 다이 길이에 대한 Z-축 다이 너비 길의 비율은 최대 14이고, 상기 작동 온도는 최대 200°C이고, 그리고 상기 제조 재료는 철이며, 그리고
    상기 최적화 단계는.
    의도적으로 상기 X-Z 평면 내의 상기 다이를 1°F당 0.0005" 내지 0.003"의 비율로 휘게하고, 상기 X-Z 평면 내에서 의도적으로 유발된 온도 구배 비율을 갖도록 할 수 있게 하면서, 또, 코팅이 시작될 때에, 상기 X-Z 평면 또는 Y-Z 평면 내의 립의 편평도 이탈값의 상기 크기가 .001"을 넘지 않게 하면서, 상기 X-Z 평면 내의 상기 다이 립 페이스의 휨 편평도의 이탈값이 .001"보다 작도록 유지하는 단 계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 상기 Y-Z 평면 내의 다이 휨 편평도 이탈값이 .004"보다 작도록 유지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 최적화 단계는, 상기 점착 온도가 상기 다이의 상기 공칭 온도와 같거나, 또는 상기 공칭 온도로부터 10°F의 이탈값 이내에 있으면서, 상기 슬롯 개구부 내의 종단 온도 편차(cross-width temperature deviation)가 15°F보다 작도록 유지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    코팅이 시작될 때에, 상기 X-Z 평면 또는 Y-Z 평면 내의 립 편평도 이탈값의 상기 크기가 .0004"을 넘지 않도록 하면서, 상기 X-Z 평면 내의 상기 다이 립 페이스의 휨 편평도의 이탈값이 .0005"보다 작도록 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 Y-Z 평면 내의 휨 편평도의 이탈값이 .002"보다 작도록 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    점착 온도가 상기 다이의 공칭 온도와 같거나 또는 상기 공칭 온도로부터 2°F의 이탈값 이내에 있으면서, 상기 슬롯 개구부 내의 종단 온도 편차가 8°F보다 작도록 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 작동 환경은, 다이 단열(die insulation), 기류(air flow), 및 상기 다이 내의 유체 흐름의 존재 또는 부존재에 대한 상기 가열 시스템의 둔감성(insensitivity)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 온도 구배를 조절(managing)하고 소멸시킬 목적으로 제어가능한 가열을 제공하기 위해, 상기 립 페이스에 길이 방향으로 히터를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 온도 구배를 총괄하여 제어하고 최소화할 목적으로 종단으로(cross-width) 배치된 히터들과 상호작용하기 위해 상기 립 페이스에 길이 방향으로 히터를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 국부(local) 온도 구배를 최소화하거나 소멸시키기 위해 요구되는 히터를 가열 구역(heating zones) 내에 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 온도 구배를 감소시키거나 소멸시키기 위해, 상기 다이 장치를 단열시키는(insulating) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 상기 기판으로부터 공기 경계층(air boundary layer)이 분리됨으로 인하여 상기 다이의 프런트 하부(front lower portion)가 국부적으로 냉각되는 것을 방지하기 위해 기류 가드(air flow guard)를 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 온도 측정의 불확실성을 최소화하기 위해 고정밀도의 온도 센서를 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 상기 휨 상태를 조절하기 위해서, 제어 가능하게 상기 온도 밸런스를 어긋나도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 전기 히터 또는 오일, 물, 스팀과 같은 유체 또는 다른 가열 또는 냉각 수단 및 열 전도를 자극할 수 있는 기계 장치를 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 열점(hot spot) 및/또는 냉점(cold spot)을 유발하는 불필요한 재료를 제거하기 위해 상기 다이 구조를 단순화하는 단계를 더 포함하고, 남아 있는 상기 다이의 구조적으로 중요한 모든 부분은, 가열될 수 있고, 열 손실로부터 단열될 수 있고, 온도가 모니터링 될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 상기 다이 전체를 균일하게 제어하여 가열하기 위해, 상기 다이 내에 히터들을 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 상기 다이 립 페이스에 길이 방향으로 히터들을 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 상기 온도 센서가 모니터링하는 히터 구역의 상기 온도 상태를 정확하게 가리키는 다이 위치 내에, 온도 센서를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 온도 센서가 저항 온도 검출기(resistance temperature detectors)인 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 최적화 단계는, 수치 열 전도 모델의 계산에 의해, 구조 단순화(geometry simplication), 및 히터 및 온도 센서의 위치를 최적화하는 단계를 더 포함하고, 열 변형(thermal deformation)은 상기 온도 결과를 수치 구조 모델에 대응시킴으로써(mapping) 추정되고, 상기 열 및 구조 모델은 프로세스 변동(process variation)을 고려하여 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 프로세스 변동이, 상기 다이를 통과하는 유체의 흐름 및 또는 상기 다이 주위의 기류를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제2항에 있어서,
    상기 작동 환경은, 다이 단열, 기류, 및 상기 다이 내의 유체 흐름의 존재 또는 부재에 대한 상기 가열 시스템의 둔감성을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제2항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 온도 구배를 조절(managing)하고 소멸시킬 목적으로 제어가능한 가열을 제공하기 위해, 상기 립 페이스에 길이 방향으로 히터를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 온도 구배를 총괄하여 제어하고 최소화할 목적으로 종단으로 배치된 히터들과 상호작용하기 위해 상기 립 페이스에 길이 방향으로 히터를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제2항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 국부 온도 구배를 최소화하거나 소멸시키기 위해 요구 되는 히터를 가열 구역 내에 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제2항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 온도 구배를 감소시키거나 소멸시키기 위해 상기 다이 장치를 단열시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제2항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 상기 기판으로부터 공기 경계층이 분리됨으로 인하여 상기 다이의 프런트 하부가 국부적으로 냉각되는 것을 방지하기 위해 기류 가드를 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법
  30. 제2항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 온도 측정의 불확실성을 최소화하기 위해 고정밀도의 온도 센서를 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법
  31. 제2항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 상기 휨 상태를 조종하기 위해서 제어 가능하게 다이 온도의 균형을 잡는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제2항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 전기 히터 또는 오일, 물, 스팀과 같은 유체 또는 다른 가열 또는 냉각 수단 및 열 전도를 자극할 수 있는 기계 장치를 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제2항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 열점 및/또는 냉점을 유발하는 불필요한 재료를 제거하기 위해, 상기 다이 구조를 단순화하는 단계를 더 포함하고, 구조적으로 중요한 남아 있는 상기 다이의 모든 부분은, 가열될 수 있고, 또는 열 손실로부터 단열될 수 있고, 온도가 모니터링 될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 상기 다이 전체를 균일하게 제어하여 가열하기 위해, 상기 다이 내에 히터들을 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 상기 다이 립 페이스에 길이 방향으로 히터들을 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법
  36. 제35항에 있어서,
    상기 최적화 단계가, 상기 온도 센서가 모니터링하는 히터 구역의 상기 온도 상태를 정확하게 가리키는 다이 위치 내에, 온도 센서를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 온도 센서가 저항 온도 검출기인 것을 특징으로 하는 방법
  38. 제33항에 있어서,
    상기 최적화 단계는, 수치 열 전도 모델의 계산에 의해, 구조 단순화, 및 히터 및 온도 센서의 배치를 최적화하는 단계를 더 포함하고, 열 변형은 상기 온도 결과를 수치 구조 모델에 대응시킴으로써 추정되고, 상기 열 및 구조 모델은 프로세스 변동을 고려하여 실행되는 것을 특징으로 하는 방법
  39. 제 38항에 있어서,
    상기 프로세스 변동이, 상기 다이의 유체 흐름 및 또는 상기 다이 주위의 기류를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법
  40. 다이; 및
    통합된 가열 시스템을 포함하고,
    상기 다이의, X-축의 다이 길이에 대한 Z-축의 다이 너비 길이의 비율, 및/또는 Y-축의 다이 길이에 대한 Z-축의 다이 너비 길이의 비율은, 2.5 이상의 값을 갖고,
    상기 다이는, 기계적으로 적합한 작동 온도, Y-Z 평면 내의 다이 립 페이스 및 X-Z 평면 내의 상기 립 페이스에 수직인 슬롯 개구부, 상기 다이 립 페이스와 기판 사이에 형성되는 코팅 갭을 구비하고,
    상기 다이 립 페이스는 상기 리어 부분으로부터 프런트 부위의 말단부까지 상기 슬롯 개구부를 형성하고,
    상기 기판 위에서는, 상기 Z-축의 다이 너비 길이를 따라, 상기 슬롯 개구부로부터 상기 기판위로 유체 층이 제공되고,
    상기 통합된 가열 시스템은, 1개 이상의 프런트 횡단 히터, 1개 이상의 리어 횡단 히터를 구비하여,
    상기 1개 이상의 프런트 횡단 히터는, 길이 방향으로, 상기 너비와 근위 단부를 가로질러 상기 프런트 부분으로 간격을 두고 상기 다이 내에 배치되고,
    상기 각각의 프런트 횡단 히터(cross-section heater)는, 선택적으로 상부 프런트 횡단 히터 또는 하부 프런트 횡단 히터이며,
    상기 각각의 프런트 횡단 히터는, 각각의 프런트 횡단 온도 센서를 구비하고,
    상기 각각의 프런트 횡단 온도 센서는, 상기 각각의 프런트 횡단 히터에 의해 제공되는 열량을 조절하기 위해 프런트 횡단면 온도 제어 시스템에 연결되고,
    상기 1개 이상의 리어 횡단 히터는, 길이 방향으로, 상기 너비와 말단부를 가로질러 상기 프런트 부분으로 간격을 두고 상기 다이 내에 배치되며,
    상기 각각의 리어 횡단 히터는, 선택적으로 상부 리어 횡단 히터 또는 하부 리어 횡단 히터이고,
    상기 각각의 리어 횡단 히터는, 각각의 리어 횡단 온도 센서를 구비하고,
    상기 각각의 리어 횡단 온도 센서는, 상기 각각의 리어 횡단 히터에 의해 제공되는 열을 조절하기 위해 리어 횡단면 온도 제어 시스템에 연결되고,
    정상 상태의 작동 온도에서 작동하는 상기 통합된 가열된 시스템은, 최대 횡단면 온도 설정값과 최소 횡단면 온도 설정 사이값의 차이가, 다이의 설계 최적화 과정에서의 불확실성에 의해 결과적으로 발생한 온도 차이값과 동일하거나 또는 그보다 작게 되도록 하고, 상기 프런트 횡단 히터는 상기 정상 상태 작동 온도를 유지하기 위해 요구되는 총 파워의 특정 부분을 제공하고, 상기 리어 횡단 히터 및/또는 다른 히터들은 총 파워의 나머지 부분을 제공하고,
    상기 통합된 가열 시스템은, 코팅이 시작될 때에, X-Z 평면 또는 Y-Z 평면 내의 다이 립 편평도 이탈값의 크기가, 정의된 편평도 이탈값을 넘지 않게 하면서, 상기 X-Z 평면 내의 상기 코팅 립 페이스의 휨 편평도를 정의된 편평도 이탈값보다 작은 값으로 유지하기 위해, 상기 X-Y 평면 내의 상기 너비를 따라 온도 구배를 최소화하기 위해 균형 잡힌(balanced) 상태를 갖고,
    상기 통합된 가열 시스템은, 선택적으로 불균형(unbalanced) 상태를 갖는데,
    이 불균형 상태는,
    상기 X-Z 평면 내의 상기 다이의 휨을 제어하기 위해, 리어 횡단 히터에 공급되는 가열 파워에 대한 프런트 횡단 히터에 공급되는 가열 파워의 비율을 조절하는 것에 의해 프런트 횡단 히터 및 리어 횡단 히터 사이의 온도 차이를 변화시킴으로써; 및/또는
    상기 Y-Z 평면 내의 상기 다이의 휨을 제어하기 위해, 하부 횡단 히터에 제공되는 가열 파워에 대한 상부 횡단 히터에 제공되는 가열 파워의 피율을 조절하는 것에 의해 상부 횡단 히터와 하부 횡단 히터 사이의 온도 차이를 변화시킴으로써 이루어지는 것
    을 특징으로 하는 코팅 다이 장치.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 X-축의 다이 길이에 대한 Z-축의 다이 너비 길이의 비율은 최대 11이고, 상기 Y-축의 다이 길이에 대한 Z-축의 다이 너비 길이는 최대 14이고, 상기 작 동 온도는 최대 200°C이며, 상기 제조 재료는 철이고, 상기 최대 횡단면 온도 설정값과 최소 횡단면 온도 설정값 사이의 차이가 10°C이거나 10°C보다 작고, 상기 프런트 횡단 히터는 상기 정상 상태 작동 온도를 유지하기 위해 요구되는 상기 총 파워 중 특정의 20%-60%를 제공하고, 코팅이 시작될 때에 상기 X-Z 평면 또는 Y-Z 평면 내의 립 편평도 이탈값의 크기가 .001"을 넘지 않도록 하면서 상기 X-Z 평면 내의 상기 다이 립 페이스의 휨 편평도의 이탈값이 .001"보다 작도록 하고, 그리고 상기 X-Z 평면 내의 상기 다이를 1°F당 0.0005" 내지 0.003"의 비율로 의도적으로 휘게 하고, 상기 X-Z 평면 내에서 의도적으로 유발된 온도 구배 비율을 갖도록 할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 코팅 다이 장치.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 통합된 가열 시스템의 균형은, 코팅이 시작될 때에, 상기 X-Z 평면 또는 Y-Z 평면 내의 립 편평도 이탈값의 크기가 .0004"를 넘지 않으면서, 상기 X-Z 평면 내의 상기 다이 립 페이스의 휨 편평도의 이탈값이 .0005"보다 작게 유지하기 위해, 최적화되는 것을 특징으로 하는 코팅 다이 장치.
  43. 제41항에 있어서,
    상기 통합된 가열 시스템의 상기 균형은, 상기 Y-Z 평면 내의 다이 휨 편평도의 이탈값이 .004"보다 작게 유지하기 위해, 최적화되는 것을 특징으로 하는 코팅 다이 장치.
  44. 제41항에 있어서,
    상기 통합된 가열 시스템이, 구역들 내의 다이 너비를 따라, 뒤쪽 부분에서 프런트 방향으로 및/또는 프런트 부분에서 뒤쪽 부분 방향으로 상기 다이 내에 간격을 두고 배치된 종단 히터(cross-width heater)의 그룹을 더 포함하고, 상기 구역은 각각의 종단 온도 센서를 구비하고, 상기 각각의 종단 온도 센서는, 상기 각각의 구역 내에서 상기 각각의 종단 히터에 의해 제공되는 열을 조절하기 위해 각각의 종단면 온도 제어 시스템에 연결되는 것을 특징으로 하는 코팅 다이 장치.
  45. 제44항에 있어서,
    종단 히터 구역들은, 상기 점착 온도를 상기 다이의 상기 공칭 온도와 같거나 또는 상기 공칭 온도로부터 10°F의 이탈값 이내로 유지하면서, 상기 슬롯 개구부 내의 종단 온도 편차를 15°F보다 작게 유지하기 위해, 횡단 히터 구역들과 함께 동시에 열적으로 균형을 이루는 것을 특징으로 하는 코팅 다이 장치.
  46. 제43항에 있어서,
    종단 히터 구역들은, 상기 Y-Z 평면 내의 휨 편평도의 이탈값을 .002"보다 작게 유지하기 위해 횡단 히터 구역들과 함께 동시에 열적으로 균형을 이루는 것을 특징으로 하는 코팅 다이 장치.
  47. 제45항에 있어서,
    종단 히터 구역들은, 상기 점착 온도를 상기 다이의 상기 공칭 온도와 같거나 또는 상기 공칭 온도로부터 2°F의 이탈값 이내로 유지하면서, 상기 슬롯 개구부 내의 종단 온도 편차를 8°F보다 작게 유지하기 위해, 횡단 히터 구역들과 함께 동시에 열적으로 균형을 이루는 것을 특징으로 하는 코팅 다이 장치.
  48. 제41항에 있어서,
    상기 다이 장치가, 온도 구배를 감소시키거나 소멸시키기 위해 외부로부터 단열되는 것을 특징으로 하는 코팅 다이 장치.
  49. 제41항에 있어서,
    상기 기판으로부터 공기 경계층이 분리됨으로 인하여 상기 다이가 국부적으로 냉각되는 것을 방지하기 위해, 기류 가드가 상기 프런트 부분 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 코팅 다이 장치.
  50. 제41항에 있어서,
    상기 프런트 횡단 온도 센서 및 상기 리어 횡단 온도 센서는, +/-1°F보다 양호한 정밀도를 갖는, 와이어가 감긴 백금 저항 온도 검출기인 것을 특징으로 하는 코팅 다이 장치.
  51. 제41항에 있어서,
    상기 종단 온도 센서는, +/-1°F보다 양호한 정밀도를 갖는, 와이어가 감긴 백금 저항 온도 검출기인 것을 특징으로 하는 코팅 다이 장치.
  52. 제40항에 있어서,
    상기 통합된 가열 시스템은, 구역들 내의 상기 너비를 따라, 뒤쪽 부분에서 프런트 방향으로 및/또는 프런트 부분에서 뒤쪽 부분 방향으로 상기 다이 내에 간격을 두고 배치된 종단 히터 그룹을 더 포함하고, 상기 구역은 각각의 종단 온도 센서를 구비하고, 상기 각각의 종단 온도 센서는, 상기 각각의 구역 내에서 상기 각각의 종단 히터에 의해 제공되는 열을 조절하기 위해 각각의 종단면 온도 제어 시스템에 결합되는 것을 특징으로 하는 코팅 다이 장치.
  53. 제40항에 있어서,
    상기 다이 장치는, 온도 구배를 감소시키거나 소멸시키기 위해 외부로부터 단열되는 것을 특징으로 하는 코팅 다이 장치.
  54. 제40항에 있어서,
    상기 기판으로부터 공기 경계층이 분리됨으로 인하여 상기 다이가 국부적으로 냉각되는 것을 방지하기 위해, 기류 가드가 상기 프런트 부분 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 코팅 다이 장치.
  55. 제40항에 있어서,
    상기 프런트 횡단 온도 센서 및 상기 리어 횡단 온도 센서는, +/-1°F보다 양호한 정밀도를 갖는, 와이어가 감긴 백금 저항 온도 검출기인 것을 특징으로 하는 코팅 다이 장치.
  56. 제40항에 있어서,
    상기 종단 온도 센서는, +/-1°F보다 양호한 정밀도를 갖는, 와이어가 감긴 백금 저항 온도 검출기인 것을 특징으로 하는 코팅 다이 장치.
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