KR20120126075A

KR20120126075A - 벽 두께 구배를 갖는 프리폼으로부터 금속 용기를 가압 성형하는 방법

Info

Publication number: KR20120126075A
Application number: KR1020127019584A
Authority: KR
Inventors: 로버트 말로리; 이하이 쉬
Original assignee: 몬테벨로 패키징; 노벨리스 인코퍼레이티드
Priority date: 2010-01-12
Filing date: 2011-01-11
Publication date: 2012-11-20
Also published as: WO2011085472A1; BR112012016997A2; JP5675844B2; EP2523762A4; EP2523762A1; CN102781602A; US8683837B2; CA2784851C; ES2545506T3; BR112012016997B1; KR101486125B1; JP2013517137A; EP2523762B1; CN102781602B; CA2784851A1; US20110167886A1

Abstract

폐쇄 단부와 폐쇄 단부로부터 멀어지는 방향으로 점차 감소하는 벽 두께를 갖는 중공의 금속 프리폼을 제공하고, 프리폼에 내부 유체 압력을 가하여 원하는 용기 형상을 한정하는 다이 캐비티가 벽에 대해 프리폼을 팽창시킴으로써 병 형상 또는 다른 윤곽을 가진 금속 용기를 성형하는 방법이다. 이 방법은 프리폼의 폐쇄 단부를 변위 및 변형시키기 위해 후방 램에 의해 펀치가 다이 캐비티 내로 이동되는 가압-램-성형 절차에서 적용될 수 있다.

Description

벽 두께 구배를 갖는 프리폼으로부터 금속 용기를 가압 성형하는 방법{METHODS OF PRESSURE FORMING METAL CONTAINERS AND THE LIKE FROM PREFORMS HAVING WALL THICKNESS GRADIENT}

본 발명은 중공의 금속 프리폼(preform)을 가압 성형하여 금속제 용기 등을 제조하는 방법에 관한 것이다. 중요한 특정 측면으로서, 본 발명은 비대칭 특징을 갖는 병 형상과 같은 윤곽의 형상을 갖는 알루미늄 또는 다른 금속제 용기를 가압-램-성형하는 방법에 관한 것이다.

금속제 캔은 음료수용으로 주지된 것으로서 널리 사용되고 있다. 종래 음료수 캔 몸통은 일반적으로 단순한 직립 원통형 측벽을 갖는다. 그러나 미관, 소비자 요청 및/또는 제품 식별의 이유로, 금속제 음료수 용기의 측벽 및/또는 바닥에 다양하고 더욱 복잡한 형상을 형성하고, 특히 금속제 용기에 평범한 원통형 캔 형상보다 병의 형상을 제공하는 것이 때로는 요구된다.

가압 성형에 의해, 즉 프리폼을 다이(die) 내에 넣고 프리폼에 내부 유체 압력을 가하여 상기 프리폼을 외측으로 팽창시켜 다이와 접촉시킴으로써, 중공의 프리폼으로부터 그와 같은 물품을 제조하는 방법이 이전에 제안되어 왔다. 예를 들면, 미국 특허 제6,802,196호 및 제7,107,804호에 기재된 바와 같이, 가압-램-성형(PRF: pressure-ram-forming) 기법은 소재를 병 형상 또는 다른 복잡한 형상으로 성형하는 편리하고 효과적인 방법을 제공한다. 그와 같은 방법은 방사상으로 대칭이 아닌 윤곽을 갖는 용기 형상을 성형하는 것이 가능하므로 다양한 디자인을 얻을 수 있다.

한정된 형상과 측면 디멘션을 갖는 금속제 용기를 성형하는 PRF 방법에 있어서, 폐쇄 단부를 갖는 중공의 금속제 프리폼은 상기 형상 및 측면 디멘션을 한정하는 다이 벽에 의해 측면으로 에워싸인 다이 캐비티 내에 배치되고, 상기 캐비티의 일 단부에는 상기 캐비티 내로 이동 가능한 펀치가 배치되고, 상기 프리폼 폐쇄 단부는 펀치와 인접 대면하여 위치되고 상기 프리폼의 적어도 한 부분은 초기에 상기 다이 벽으로부터 내측으로 이격되어 있다. 상기 프리폼은 내부 유체 압력을 받아 다이 벽과 실질적으로 완전히 접촉하도록 팽창하고, 그에 의해 상기 프리폼에 한정된 형상 및 측면 디멘션을 형성하며, 프리폼 폐쇄 단부에 대한 상기 유체 압력은 캐비티의 상기 일 단부를 향해 가해진다. 프리폼이 팽창하기 전이나 후에 그러나 프리폼의 팽창이 완료되기 전에, 유체 압력에 의해 가해진 힘의 방향과 반대 방향으로 프리폼의 폐쇄 단부와 맞물려 변위시키고, 프리폼의 폐쇄 단부를 변형시키기 위해 펀치는 캐비티 내로 이동된다. 펀치의 이동은 프리폼을 변위 및 변형시키기 위해 펀치에 충분한 힘을 인가할 수 있는 램(ram)에 의해 실시된다. 이 방법은 용기가 인가된 내부 유체 압력에 의해 그리고 램에 의한 펀치의 이동에 의해 형성되기 때문에 가압-램-성형(PRF)이라고 한다.

프리폼은 통상 폐쇄 단부의 반대측에 개방 단부를 갖고 대략 원통형 벽을 갖는 단일 소재(workpiece)이다. 펀치는 윤곽이 있는(예컨대, 돔형의) 표면을 갖고, 프리폼의 폐쇄 단부는 윤곽이 있는 표면을 따르도록 변형된다. 그 내부에서 용기가 성형되는 한정된 형상은 목 부분과 목 부분보다 측면 디멘션이 더 큰 본체 부분을 포함하는 병 형상일 수 있고, 다이 캐비티는 장축을 갖고, 프리폼은 장축을 갖고 캐비티와 거의 동축으로 배치되어 있고, 펀치는 캐비티의 장축을 따라 이동된다.

또한, 바람직하게는, 다이 벽은 성형된 용기의 제거를 위해 분리 가능한 분할 다이, 즉 다이 캐비티의 주변부에서 맞물리는 2개 이상의 세그먼트로 이루어진 다이를 포함한다. 분할 다이에 의하면, 소정의 형상은 캐비티의 장축에 대해 비대칭일 수 있다.

PRF 공정은 프리폼을 가지고 높은 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 또한, 예를 들면 개방 단부에서 폐쇄 단부까지 프리폼 내에 온도 구배를 유발하기 위한 개별 히터를 부가함으로써, 프리폼 내에 온도 구배를 유발하는 것이 지금까지 제안되어 왔다. 그와 같은 프리폼 내의 온도 구배는 다이 내의 프리폼에 내부 유체 압력이 가해질 때 프리폼 팽창(볼록함)의 개시를 제어하는데 도움이 된다. 구체적으로, 개방-폐쇄 단부 압력 구배는 점진적인 팽창을 초래하는데, 상대적으로 온도가 더 높은 개방 단부에 인접한 프리폼의 부분이 먼저 팽창하여 다이와 접촉하고 따라서 팽창이 폐쇄 단부를 향해 이동하면서 다이 캐비티 내에 프리폼을 가두게 되고, 동시에 후방 램은 펀치를 앞으로 밀고 프리폼의 폐쇄 단부와 접촉을 유지하여 폐쇄 단부 (용기 기부) 외형을 형성한다. 특히, 점진적인 팽창은 램으로 하여금 펀치를 이동시켜 폐쇄 단부와 접촉시키고 또한 프리폼의 인접 부분이 다이 벽과 맞닿기 전에 용기 기부를 형성하도록 함으로써 파열(blowout)을 방지한다.

그러나 프리폼 내의 온도 구배를 제어하는 것이 어려운데, 이는 상기 온도 구배가 제조 속도, 프리폼 크기 및 기구 설치와 같은 변수에 불리하게 영향을 받기 때문이다. 따라서, 상기 목적을 위해 효과적인 온도 구배를 설정 및 유지할 필요 없이 개방 단부에서 폐쇄 단부까지 점진적인 팽창의 이점을 달성하는 것이 바람직할 것이다.

구체적인 실시예에서, 본 발명은 한정된 형상 및 측면 디멘션을 갖는 용기와 같은 중공의 금속제 물품을 성형하는 방법을 포함하고, 벽, 상기 형상 및 측면 디멘션을 한정하는 다이 벽에 의해 측면으로 에워싸인 다이 캐비티 내의 폐쇄 단부 및 개방 단부를 갖는 중공의 금속제 프리폼을 배치하는 단계; 및 프리폼에 내부 유체 압력을 가하여 프리폼을 외측으로 팽창시켜 다이 벽에 실질적으로 완전히 접촉시키고, 그에 의해 상기 한정된 형상 및 측면 디멘션을 프리폼에 형성하는 단계를 포함하고, 상기 프리폼 폐쇄 단부는 캐비티의 일 단부에 대면하는 관계로 위치되고 프리폼의 적어도 한 부분은 초기에 다이 벽으로부터 내측으로 이격되고, 폐쇄 단부에 가해진 상기 유체 압력은 캐비티의 상기 한 단부을 향해 가해지며, 다이 캐비티 내에 배치된 프리폼은, 프리폼 벽 두께가 폐쇄 단부로부터 개방 단부를 향해 점진적으로 감소하는 벽 두께 구배를 갖는다.

본 발명은 주요 형태로서 한정된 형상 및 측면 디멘션을 갖는 금속 용기를 성형하는 방법을 제공하는 것이며, 벽, 폐쇄 단부 및 개방 단부를 갖는 중공의 금속 프리폼을, 상기 형상 및 측면 디멘션을 한정하는 다이 벽에 의해 측면으로 에워싸인 다이 캐비티 내에 배치하는 단계; 상기 프리폼에 내부 유체 압력을 가하여 상기 다이 벽과 실질적으로 완전히 접촉하도록 외측으로 상기 프리폼을 팽창시키고, 그에 의해 상기 한정된 형상 및 측면 디멘션을 상기 프리폼에 형성하는 단계; 유체 압력에 의해 상기 프리폼에 가해진 힘의 방향과 반대인 방향으로 상기 프리폼의 폐쇄 단부에 맞물려 변위시켜 상기 프리폼의 폐쇄 단부를 변형하기 위해 상기 펀치를 상기 캐비티 내로 이동시키는 단계를 포함하고, 상기 캐비티의 일 단부에는 캐비티 내로 이동 가능한 펀치가 위치하고, 상기 프리폼의 폐쇄 단부는 상기 펀치와 대면하는 관계로 인접하여 위치되고 상기 프리폼의 적어도 일부는 초기에 상기 다이 벽으로부터 내측으로 이격되며, 상기 폐쇄 단부에 가해지는 상기 유체 압력은 상기 캐비티의 상기 일 단부를 향하고, 상기 다이 캐비티 내에 배치된 상기 프리폼은, 프리폼의 벽 두께가 상기 폐쇄 단부로부터 상기 개방 단부를 향해 점진적으로 감소하는 벽 두께 구배를 갖는다.

상기 방법은 폐쇄 단부, 개방 단부, 및 벽 두께 구배를 갖는 중공의 금속 프리폼을 제공하는 최초 단계를 포함하고, 상기 프리폼의 벽 두께 구배는 프리폼의 벽 두께가 프리폼의 폐쇄 단부로부터 개방 단부를 향해 점진적으로 감소하는 것이다.

구체적인 실시예에서, 프리폼은 시트 금속 블랭크를 인발 및 아이어닝하여 생성되는 것이 가능하고, 상기 아이어닝은 프리폼의 개방 단부를 향하여 점진적으로 상기 프리폼 벽을 더 얇게 만드는 테이퍼형 펀치를 사용하여 수행된다.

벽 두께 구배 때문에, 프리폼에 내부 유체 압력이 가해질 때, 외측 팽창이 프리폼의 개방 단부에 시작되고 프리폼의 폐쇄 단부까지 아래로 이동한다. 즉, 프리폼의 개방 단부의 부분이 폐쇄 단부의 벽보다 상대적으로 더 얇기 때문에 먼저 팽창한다. 이것은 일정한 벽 두께를 갖는 프리폼을 다이 캐비티 내에서 가열하여 개방 단부와 폐쇄 단부 사이에 온도 구배를 유발시켜 달성되는 점진적인 팽창의 효과와 본질적으로 동일하지만, 온도 구배와 관련된 어려움을 회피한다. 다시 말해서, 프리폼의 벽 두께 구배는 바람직하게는 프리폼에 내부 유체 압력을 인가하는 단계 동안, 프리폼의 외측 팽창은 프리폼의 벽 두께가 가장 작은 개방 단부에 인접한 부분에서 시작되고, 벽 두께가 가장 큰 폐쇄 단부를 향해서 진행하는 것이다.

프리폼의 벽 두께 구배는 다른 편익도 제공한다. 생성된 용기의 벽 두께는 용기가 성형되는 프리폼의 두께보다 더 얇지만, 용기가 (통상 돔형의 바닥이 예컨대, 에어로졸 제품으로부터의 내부 압력을 견디도록 하기 위해 바람직한) 상대적으로 더 강하고, 더 두꺼운 하단 부분과 (폐쇄를 위해 필요한 플랜지(flange) 또는 컬(curl)로의 성형의 용이함을 위해 바람직한) 상대적으로 더 얇은 상단 부분을 갖는 결과, 상기 구배는 특히 일직선의 벽을 가진 용기에서 유지되는 경향이 있다.

본 발명의 PRF 방법에서 온도 구배는 바람직하게는 제공되지 않지만, 성형 공정의 이전 및/또는 도중에 프리폼의 전체적인 가열은 특히 파열을 초래하지 않으면서 가능한 측벽 팽창의 총량을 증가시키는데 유리하다.

추가의 바람직한 실시예에서, 본 발명은 한정된 형상 및 측면 디멘션을 갖는 금속 용기를 성형하는 방법을 제공하며, (a) 벽, 폐쇄 단부 및 개방 단부를 갖는 중공의 금속 프리폼을, 상기 형상 및 측면 디멘션을 한정하는 다이 벽에 의해 측면으로 에워싸인 다이 캐비티 내에 배치하는 단계; (b) 상기 프리폼에 내부 유체 압력을 가하여 상기 다이 벽과 실질적으로 완전히 접촉하도록 외측으로 상기 프리폼을 팽창시키고, 그에 의해 상기 한정된 형상 및 측면 디멘션을 상기 프리폼에 형성하는 단계; 상기 프리폼의 폐쇄 단부는 상기 캐비티의 일 단부와 대면하는 관계로 위치되고 상기 프리폼의 적어도 일부는 초기에 상기 다이 벽으로부터 내측으로 이격되며, 상기 폐쇄 단부에 가해지는 상기 유체 압력은 상기 캐비티의 상기 일 단부를 향하고, 상기 다이 캐비티 내에 배치된 상기 프리폼은, 프리폼의 벽 두께가 상기 폐쇄 단부로부터 상기 개방 단부를 향해 점진적으로 감소하는 벽 두께 구배를 갖는다.

이 방법에서, 단계 (b)는 상기 캐비티 내의 프리폼에 내부 유체 양압과 외부 유체 양압을 동시에 인가하는 단계; 및 상기 내부 유체 양압과 외부 유체 양압 사이의 차이를 변경하기 위해 상기 프리폼에 동시에 가해지는 상기 내부 및 외부 유체 양압을 독립적으로 제어함으로써 상기 프리폼의 변형 속도를 제어하는 단계를 포함하며, 상기 내부 유체 양압은 상기 외부 유체 양압보다 더 높다.

상기 용기는 바람직하게는 알루미늄 용기이고, 상기 방법은 바람직하게는 단계 (a)의 수행 이전에, 약 0.25 mm 내지 약 1.5 mm 범위의 치수를 갖는 재결정 또는 재생 미세 구조를 갖는 알루미늄 시트로부터 상기 프리폼을 만드는 단계를 추가로 포함한다.

상기 용기는 바람직하게는 알루미늄 용기이고, 상기 한정된 형상은 목부와 상기 목부보다 측면 디멘션이 더 큰 몸통부를 포함하는 병 형상이고, 상기 다이 캐비티는 장축을 갖고, 상기 프리폼은 장축을 갖고 또한 단계 (a)에서 상기 캐비티와 실질적으로 동축으로 배치되며; 상기 프리폼은 상기 폐쇄 단부의 반대측에 상기 개방 단부를 갖는 초기에는 대략 원통형인 긴 소재이고 상기 병 형상의 상기 목부와 지름이 실질적으로 같으며; 상기 방법은, 단계 (a) 및 단계 (b)를 수행하기 전에, 상기 소재를 상기 다이 캐비티보다 작은 다이 캐비티 내에 배치하고, 및 상기 다이 캐비티 내의 상기 소재에 내부 유체 압력을 가하여 상기 소재를 상기 한정된 형상 및 측면 디멘션보다 더 작은 중간 크기 및 형상으로 팽창시키는 예비 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 한정된 형상 및 측면 디멘션을 갖는 중공의 금속 용기를 성형하는 방법을 제공하며, (a) 벽, 폐쇄 단부 및 개방 단부를 갖는 중공의 금속 프리폼을, 상기 형상 및 측면 디멘션을 한정하는 다이 벽에 의해 측면으로 에워싸인 다이 캐비티 내에 배치하는 단계; 및 (b) 상기 프리폼에 내부 유체 압력을 가하여 상기 다이 벽과 실질적으로 완전히 접촉하도록 외측으로 상기 프리폼을 팽창시키고, 그에 의해 상기 한정된 형상 및 측면 디멘션을 상기 프리폼에 형성하는 단계를 포함하고, 상기 프리폼의 폐쇄 단부는 상기 캐비티의 일 단부와 대면하는 관계로 위치되고 상기 프리폼의 적어도 일부는 초기에 상기 다이 벽으로부터 내측으로 이격되며, 상기 폐쇄 단부에 가해지는 상기 유체 압력은 상기 캐비티의 상기 일 단부를 향하고, 상기 다이 캐비티 내에 배치된 상기 프리폼은, 프리폼의 벽 두께가 상기 폐쇄 단부로부터 상기 개방 단부를 향해 점진적으로 감소하는 벽 두께 구배를 갖는다.

상기 방법은 바람직하게는, 단계 (a)의 수행 이전에, 약 0.25 mm 내지 약 1.5 mm 범위의 치수를 갖는 재결정 또는 재생 미세 구조를 갖는 알루미늄 시트로부터 상기 프리폼을 만드는 단계를 추가로 포e다.

상기 물품이 중공의 알루미늄 물품인 경우, 상기 한정된 형상은 바람직하게는 목부와 상기 목부보다 측면 디멘션이 더 큰 몸통부를 포함하는 병 형상이고, 상기 다이 캐비티는 장축을 갖고, 상기 프리폼은 장축을 갖고 또한 단계 (a)에서 상기 캐비티와 실질적으로 동축으로 배치되며; 상기 프리폼은 상기 폐쇄 단부의 반대측에 상기 개방 단부를 갖는 초기에는 대략 원통형인 긴 소재이고 상기 병 형상의 상기 목부와 지름이 실질적으로 같으며; 상기 방법은, 단계 (a) 및 단계 (b)를 수행하기 전에, 상기 소재를 상기 다이 캐비티보다 작은 다이 캐비티 내에 배치하고, 및 상기 다이 캐비티 내의 상기 소재에 내부 유체 압력을 가하여 상기 소재를 상기 한정된 형상 및 측면 디멘션보다 더 작은 중간 크기 및 형상으로 팽창시키는 예비 단계를 포함한다.

도 1은 가압-램-성형하는 기구의 개략적인 사시도이고,
도 2a 및 도 2b는 PRF 방법을 실행하는 순차적 단계를 도시하는 도 1과 유사한 도면이고;
도 3은 유동 매체로서 공기를 사용하는, 내부 압력 (하이드로포밍 압력 하중)과 램 변위를 시간에 대해 도시하는 그래프로서, 프리폼에 내부 유체 압력을 인가하는 단계와 도 2a 및 도 2b에서 도시된 방법에서 펀치를 이동시키는 단계 사이의 시간 관계를 도시하며;
도 4a 내지 도 4d는 수정된 PRF 방법의 실행에 있어서 순차적인 단계의 도 1과 유사한 도면이고;
도 5a 및 도 5b는 각각 도 1에 유사한, 스핀-성형 단계의 간략한 사시도로서, 또 다른 수정된 PRF 방법의 실행에서 순차적인 단계를 도시하며;
도 6a 내지 도 6d는 PRF 방법에서의 연속적인 단계를 컴퓨터로 생성한 개략적인 사시도이고;
도 7은 다이 캐비티 내의 프리폼에 독립적으로 제어 가능한 내부 및 외부 유체 정압을 동시에 적용하고 외부 정압의 부재하에서 그들 사이의 내부 정압 변화(도 3과 같은)을 비교하는 특징을 도시하는, 성형 중의 압력 이력(임의의 시간 유닛을 이용하는 시간에 따른 압력 변화)의 그래프이고;
도 8은 유한 요소 분석으로부터 도출된, 성형 중의 시간에 따른 스트레인(strain) 변화의 그래프로서, 도 7과 비교하여 2개의 상이한 압력 조건(배압(.: back pressure)의 존재 및 부존재) 하에서 하나의 특정 위치(요소)에 대한 변형을 보여주고;
도 9는 도 7과 유사한 도면으로 (재료 특성에 종속적인 변형 속도(strain rate)를 갖는) 성형 중의 압력 이력의 그래프로서 내부 및 외부 유체 정압이 다이 캐비티 내의 프리폼에 동시에 가해질 때 성형 프로세스에서 사용될 수 있는 특정 제어 메커니즘을 도시하고;
도 10은 PRF 방법을 실행하기 위해 사용하는 장치의 실시예의 사시도이고;
도 11은 도 10의 장치의 부분적인 분해 사시도이고;
도 12a 내지 도 12c는 도 10 및 도 11의 장치의 분할 다이의 반쪽의 사시도로서, 도 12a는 분할 다이 반쪽의 분할 인서트(split inserts)의 분해도, 도 12b는 분할 인서트 홀더, 도 12c는 인서트와 홀더가 조립된 관계를 도시하며;
도 13은 도 10 및 도 11의 장치의 완전 분해도이고;
도 14a 내지 도 14c는 본 발명의 실시예에서와 같이 개방 단부로부터 폐쇄 단부까지 프리폼이 점진적으로 팽창하는 PRF 방법의 실행에 있어서 연속적인 단계를 도시하는 개략적인 단면 사시도이고;
도 15는 본 발명의 방법에서 사용되는 프리폼의 일 예의 부분 단면 사시도이고;
도 16은 도 15에 도시된 타입의 프리폼을 제조하는 아이어닝(ironing) 단계를 도시하고,
도 17a 및 도 17b는 각각 도 15에 도시된 타입의 프리폼의 제조에서 연속적인 단계의 간략한 평면도 및 단면 사시도로서, 도 17b는 도 17a의 B-B선에서 얻은 단면도이고;
도 18a 내지 도 18d는 본 발명 방법의 특정 실시예에서 사용되는 두꺼운 벽 두께 구배를 갖는 프리폼의 제조에서 연속적인 커핑(cupping), 재인발(redrawing) 및 아이어닝 공정을 도시하는 간략한 단면 사시도이고;
도 19는 도 18d의 한 부분의 부분 확대도이고;
도 20은 도 18a 내지 도 18d에 도시된 공정에 의해 제조된 테이퍼 형(tapered) 벽을 갖는 프리폼의 단면 사시도이고;
도 21a 및 도 21b는 프리폼을 가압-램-성형하기 전에 도 20과 같이 프리폼을 플랜징(flanging)하는 공정을 도시하는 간략한 측면 사시도;
도 22는 가압-램-성형 다이 또는 금형 캐비티의 개략적인 단면 사시도이고;
도 23a 내지 도 23d는 본 발명의 방법의 실시예에서 연속 단계의 컴퓨터 생성된 사시도이고;
도 24는 본 발명 방법의 실시에 있어서 전형적인 PRF 성형 공정에 대한 성형 조건(성형 압력, 후방 램 동작 및 후방 하중 기계 출력 데이터)를 보여주는 기계 출력 데이터의 그래프이다.

한정하는 것이 아니라 예시로서, 수압 (내부 유체 압력) 및 펀치 성형의 조합, 즉 PRF 방법을 사용하여 축 대칭(용기의 기하학적 축에 대해 방사상 대칭)이 요구되지 않는 윤곽 형상을 갖는 알루미늄 용기를 성형하는 방법의 실시예로서 본 발명이 설명될 것이다. 여기서 용어 "알루미늄"은 순수한 알루미늄 금속뿐만 아니라 알루미늄 기반 합금을 지칭한다.

이하에서 설명되는 바와 같이, 본 발명의 주요 특징은 특정 PRF 방법의 수정 및 개량에서 구현되며, 구체적으로는 PRF 공정이 적용되는 프리폼의 제조 및 구조적 특징에 관련된다. 본 발명에 따라 제조된 프리폼은, 예컨대 미국 특허 제6,802,196호 및 제7,107,804호에 개시된 유형의 다양한 PRF 방법이 적용되며, 후자의 방법은 상기 프리폼에 적용될 때 본 발명 방법의 실시예를 구성한다.

따라서, 이하의 설명은 미국 특허 제6,802,196호 및 제7,107,804호에 개시된 PRF 방법의 개관으로 시작될 것이다. 그 다음에 본 발명의 구체적인 특징이 설명될 것이다.

미국 특허 제6,802,196호 및 제7,107,804호에 개시된 바와 같이, PRF 제조 방법은 2개의 별도의 단계, 즉 프리폼 제작 단계와 프리폼을 최종 용기로 성형하는 후속 단계를 갖는다. 완전한 성형 경로에 있어서는 몇 가지 옵션이 있으며 그것의 적절한 선택은 사용되는 알루미늄 시트의 성형성에 의해 결정된다.

프리폼은 0.25mm 내지 1.5mm 범위의 두께를 갖는 재결정된(recrystallized) 또는 재생된(recovered) 미세구조를 갖는 알루미늄 시트로 만들어질 수 있다. 프리폼은 예를 들면 인발(draw)-재인발(redraw) 프로세스에 의해 만들어질 수 있는 폐쇄 단부 실린더이다.

프리폼의 직경은 원하는 용기 제품의 최소 및 최대 직경 사이에 있다. 후속 성형 공정에 앞서 프리폼에 나사산(thread)이 형성될 수 있다. 프리폼의 폐쇄 단부의 프로파일은 최종 제품의 바닥 프로파일의 성형을 지원하도록 설계될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, PRF 방법을 위한 기구 조립체는 축 방향으로 수직인 병 형상을 한정하는 프로파일된 캐비티(11)를 갖는 분할 다이(10), 용기의 바닥에 필요한 윤곽을 갖는 펀치(12)(예컨대, 도시된 실시예에서, 성형된 용기의 바닥에 돔 형상을 형성하기 위한 볼록한 돔형 윤곽) 및 펀치에 부착되는 램(ram)(14)을 포함한다. 도 1에는, 2개의 분할 다이 중 한쪽만 도시되어 있으며, 다른 한쪽은 도시된 다이 반쪽의 거울 대칭이며; 따라서 2개의 분할 다이 반쪽들은 다이 캐비티(11)의 벽에 의해 한정된 병 형상의 기하학적 축을 포함하는 평면에서 서로 만난다.

다이 캐비티(11)의 상부 개방 단부(11a)(캐비티의 병 형상의 목부에 대응함)에서의 최소 직경은 캐비티 내에 놓이는 프리폼(도 2a 참조)의 외부 직경에 틈새를 위한 여유 치수를 더한 것과 같다. 프리폼은 초기에 펀치(12)보다 약간 높게 배치되고 내부 가압을 가능하게 하기 위해 개방 단부(11a)에 개략적으로 표시된 가압 부재(pressure fitting)(16)를 갖는다. 가압은 예를 들면 프리폼의 상부 개방 단부에 형성된 나사산에 커플링하거나, 또는 프리폼의 개방 단부 내로 튜브를 삽입하고 분할 다이에 의해 또는 어떤 다른 가압 부재에 의해 밀봉하여 달성될 수 있다.

가압 단계는, 프리폼의 벽이 캐비티를 한정하는 다이 벽에 대해 실질적으로 완전히 압착되고, 이에 의해 팽창된 프리폼에 캐비티의 형상 및 측면 치수를 형성할 때까지, 프리폼을 캐비티에서 팽창시키기 위해 충분한 압력하에서 물 또는 공기와 같은 유체를 중공의 프리폼의 내부에 도입하는 것을 포함한다. 일반적으로, 사용된 유체는 프리폼 벽이 받는 압력을 제어하기 위해 임의의 질량, 플럭스, 체적 또는 압력이 제어되는 압축성 또는 비압축성 유체이다. 유체를 선택할 때는 성형 공정에서 사용되는 온도 조건을 고려할 필요가 있으며; 만일 유체가 물이라면, 예를 들어, 온도는 100℃ 미만이어야 하고, 만일 고온이 필요하다면, 유체는 성형 공정의 온도에서 끊지 않는 액체이거나 공기와 같은 기체이어야 한다.

가압 단계의 결과, 다이 벽에 형성된 릴리프 구조(relief features)는 생성된 용기의 표면 위에 역경상(inverse mirror-image) 형태로 재현된다. 비록 생성된 용기의 이러한 릴리프 구조, 또는 전체 형상이 축 대칭이 아닐지라도, 용기는 분할 다이의 사용으로 인해 어려움 없이 기구에서 제거된다.

도 2a 및 도 2b에 도시된 특정 PRF 방법에서, 프리폼(18)은 성형되는 병 형상의 목부의 외부 지름과 동등한 외부 지름을 갖고 하부 폐쇄 단부(20)와 상부 개방 단부(22)를 갖는 중공의 원통형 알루미늄 소재이고, PRF 공정에 성형 변형(strains)은 (온도 및 변형 속도에 종속하는) 프리폼의 성형성에 의해 설정된 경계 내에 존재한다. 프리폼이 이러한 특성의 성형성을 가지는 경우, 다이 캐비티(11)의 형상은 최종 제품의 요구에 따라 정확히 만들어지고 제품은 단일의 PRF 공정으로 만들어질 수 있다. 램(14)의 동작 및 내부 가압 속도는 성형 공정의 변형을 최소화시키고 원하는 형상의 용기를 제작하는데 적합해야 한다. 목부 및 측벽 구조는 주로 내부 압력에 의한 프리폼의 팽창으로 형성되는 반면, 바닥의 형상은 램 및 펀치(12)의 동작과, 프리폼 폐쇄 단부(20)와 대면하는 펀치 표면의 윤곽에 의해 형성된다.

내부 유체 압력 인가와 램 및 펀치의 동작(다이 캐비티 내로 이동)의 적절한 동기화(同期化)는 중요하다. 도 3의 그래프는 공기 압력이 플럭스에 의해 제어되는 도 2a 및 도 2b 성형 작업을 컴퓨터로 생성된 시뮬레이션된 데이터(유한 요소 분석 출력의 시퀀스)를 보여준다. 특히, 그래프는 압력과 램의 관련된 시간 이력을 나타낸다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 프리폼 내 유체 압력은, (ⅰ) 프리폼의 팽창이 시작되기 전에 제1 최고점(24)으로 상승하는 단계, (ⅱ) 팽창이 시작함에 따라 최소값(26)까지 하강하는 단계, (ⅲ) 다이 벽과 완전하게 접촉되지 않지만 프리폼이 팽창될 때까지 팽창이 진행되면서 점차로 중간값(28)까지 상승하는 단계, 및 (ⅳ) 프리폼 팽창이 완성되는 동안 중간값에서 더욱 빠르게("30"에서) 상승하는 연속 단계로 일어난다. 이러한 연속 가압단계의 시퀀스를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에서 프리폼의 폐쇄 단부를 변위 및 변형시키기 위한 펀치의 이동 개시는 실질적으로 단계 (ⅲ)의 끝에서 일어난다. 시간, 압력 및 램 변위의 단위는 그래프에 표시되어 있다. (컴퓨터로 생성한 시뮬레이션으로) 도 3에 도시된 공정들의 프리폼에 대한 효과는 도 3의 x-축에 표시된 0.0초, 0.096초, 0.134초 및 0.21초에 대하여 도 6a, 6b, 6c 및 6d에 도시된다.

중공의 프리폼에 내부 유체 압력의 도입을 개시할 때, 펀치(12)는, 공급된 내부 압력의 영향하에서 프리폼의 축 방향 신장을 제한하도록, (도시된 바와 같이, 기구의 축 방향의 수직 방향을 가정할 때) 프리폼의 폐쇄 단부 아래에 근접하게(예를 들면, 접촉하게) 배치된다. 프리폼의 팽창이 완전한 정도는 아니지만 상당한 정도로 이루어질 때, 램(14)이 작동되어 펀치를 위로 강제 이동시키고, 프리폼의 폐쇄 단부의 금속을 위로 변위시키고, 내부 압력에 의한 프리폼의 측면 팽창이 완성될 때 폐쇄 단부를 펀치 표면의 윤곽으로 변형시킨다. 설명된 이들 절차에서, 폐쇄된 프리폼 단부의 상향 변위는 램이 펀치를 위로 구동하기 시작할 때 이미 일어난 프리폼 팽창의 크기 때문에 (램의 너무 이른 상승 조작에 의해 일어날 수 있는 것과 같이) 다이에 대하여 상향으로 프리폼을 이동시키지 않거나, 프리폼의 측벽을 좌굴시키지 않는다.

PRF 방법의 제 2 실시예는 도 4a ~ 도 4d에 도시된다. 이 실시예에서, 도 2a 및 도 2b에서와 같이, 원통형 프리폼(38)은 최종 제품의 최소 지름(목부)과 같은 최초 외부 지름을 가진다. 그러나, 이 실시예에서 PRF 공정의 성형 변형은 프리폼의 성형성 한계를 초과하는 것으로 가정한다. 이 경우, 두 개의 순차적 가압 성형 공정이 필요하다. 제1공정(도 4a 및 도 4b)은 램을 필요로 하지 않고 단순히 분할 다이(40) 내의 프리폼을 내부 가압에 의해 지름이 더 큰 소재(38a)로 팽창시킨다. 제2공정은 PRF 공정(도 4c 및 도 4c)으로서, 초기에 다이(40)에서 팽창된 소재를 가지고 시작하고, 병 형상 캐비티(44)를 갖는 분할 다이(42)와 램(48)에 의해 구동되는 펀치(46)를 사용하여, 즉 내부 압력과 램의 동작을 모두 사용하여, 펀치(46) 동작에 의해 주로 성형되는 바닥의 윤곽과 측벽 프로파일의 모든 구성을 포함하는 최종적인 소망의 병 형상을 성형한다.

PRF 공정의 제 3 실시예는 도 5a 및 도 5b에 도시된다. 이 실시예에서, 프리폼(50)은 최종 병 형상 용기의 원하는 최소 외부 지름(보통 목부의 지름)보다 더 큰 최초 외부 지름을 갖도록 만들어진다. 이러한 프리폼의 선택은 예비성형 공정의 성형 한계를 고려한 결과이거나 또는 PRF 공정에서 변형을 감소시키기 위해 선택될 수 있다. 그 결과, 최종 제품의 제조는 프리폼의 직경 확장 및 축소 모두를 포함하고 따라서 PRF 장치 단독으로 완성될 수 없다. 단일의 PRF 공정(도 5a, 분할 다이(52)와 램-구동 펀치(54)를 사용함)은 (도 2a 및 도 2b의 실시예에서와 같이) 벽 및 바닥 프로파일을 형성하기 위해 사용되고 스핀 성형 또는 또 다른 네킹(necking) 공정이 용기의 목부를 성형하기 위해 필요하다. 도 5b에 도시되는 바와 같이, 사용될 수 있는 스핀 성형 절차의 한 가지 유형이 미국특허 제6,442,988호에 개시되어 있고, 이 예에서는 병의 목부(60)를 성형하기 위해 복수의 스핀 성형 디스크(56)의 탠덤 세트와 테이퍼형 굴대(58)를 이용하며, 그 전체 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

전술한 PRF 절차의 실행에서, PRF 변형은 클 수 있다. 따라서 합금 조성은 원하는 제품 특성들의 조합과 강화된 성형성을 제공하도록 선택되거나 조절된다. 만일 더 나은 성형성이 필요하면, 성형 온도를 상승시킬 수 있는데, 이는 온도의 상승이 더 나은 성형성을 부여하기 때문이다; 따라서 성형성을 증가시키기 위해, PRF 공정을 상승된 온도에서 수행할 필요가 있을 수 있고 및/또는 프리폼의 재생 어닐(recovery anneal)이 필요할 수 있다.

PRF 절차는 또한 강철과 같은 다른 재료로부터 용기를 성형하기 위해 사용될 수도 있다.

(도 2a 및 도 2b에서와 같은) 프리폼(18)의 폐쇄 단부(20)를 변위 및 변형시키기 위해 램-구동 펀치(12)를 다이 캐비티(11) 내로 이동시키는 것의 중요성은 도 6a ~ 6d와 함께 (위에서 언급한) 도 3을 참조하여 추가로 설명될 것이며, 도면에서 점선은 다이 캐비티(11)의 수직 프로파일을 나타내고, 내부 압력의 개시 이후 다양한 시간에서 돔형-윤곽을 가진 펀치(12)의 변위(mm 단위)는 상기 점선의 우측에 눈금으로 표시되어 있다.

램은 알루미늄 병의 성형에서 두 개의 필수적인 기능을 제공한다. 이것은 축방향의 인장 변형을 제한하고 용기 하부의 형상을 형성한다. 초기에 램-구동 펀치(12)는 프리폼(18) 하부에 가까이 인접하거나 접촉되어 유지된다(도 6A). 이것은 내부 가압의 결과로서 발생할 수 있는 프리폼 측벽의 축방향 신장을 최소화시킨다. 따라서, 내부 압력이 증가함에 따라, 프리폼의 측벽은 현저한 신장 없이 팽창하여 다이 내부와 접촉한다. 이들 절차에서, 임의의 시점에서 프리폼의 바닥은 거의 반구 형상이 될 것이며, 상기 반구의 반경은 다이 캐비티의 반경과 대략 동일하다(도 6b 참조). 펀치(12)를 상방으로 구동하기 위해 램이 작동되어야 하는 것은 바로 이 시점이거나 그 전이다(도 6c 참조). 램의 돌출부의 프로파일(즉, 펀치 표면 윤곽)은 용기 하부의 프로파일 완전히 한정한다. 내부 유체 압력이 다이 캐비티 벽에 대하여 프리폼의 몰딩을 완성할 때(도 6b, 6c 및 6d에서 병의 어깨부와 목부를 비교), 램의 동작은, 내부 압력과 결합하여, 어쩌면 실패할 수 있는 과도한 인장 변형 없이 원하는 윤곽을 생성하는 방식으로 프리폼의 하부를 펀치 표면의 윤곽으로 밀어 넣는다(도 6d 참조). 램의 상향 동작은 프리폼의 반구형 부분에 압축력을 가하고, 가압 작용에 의한 초래된 전반적인 변형을 감소시키며, 재료를 방사상으로 외측으로 공급하여 펀치 돌출부의 윤곽을 채우는 데 도움을 준다.

만일 내부 가압 속도에 비해 램 동작이 너무 빠르게 작용되면, 프리폼은 축방향 압축력 때문에 구부러지고 접혀진다. 만일 너무 늦게 작용되면, 재료가 축방향으로 과도하게 변형되어 성형에 실패하게 된다. 따라서, 성공적인 성형 공정을 위해서는 내부 가압의 속도와 램 및 펀치 돌출부의 동작의 조정이 필요하다. 최상의 필요한 타이밍은 상기 프로세스의 유한 요소 분석(FEA: finite element analysis)에 의해 달성된다. 도 3은 FEA의 결과를 기초로 한다.

PRF 절차는 지금까지, 마치 양의 (즉, 대기압보다 높은) 유체 압력이 다이 캐비티 내의 프리폼의 외부에 인가되지 않는 것처럼, 설명되었고 도 3에서 도시되어 있다. 이러한 경우에, 캐비티 내 프리폼 상의 외부 압력은 실질적으로 주변의 대기압일 수 있다. 프리폼이 팽창됨에 따라, 캐비티 내의 공기는, 다이 캐비티와 다이의 외부 사이를 연통하고 배출을 위해 제공된 적절한 배출구 또는 통로를 통해, (프리폼의 외부와 다이 벽 사이의 체적의 점진적인 감소에 의해) 배출될 것이다.

실례로서, 특정 알루미늄 용기를 참조하여 설명하면, 어떤 양의 외부 압력도 인가되지 않는 상태에서, 일단 프리폼이 소성적으로 변형(유동)하기 시작하면, 가압-램-성형 공정의 처리 온도(예를 들면, 약 300℃)에서 알루미늄 합금의 낮은 또는 제로 가공 경화 속도 때문에, 프리폼의 변형률은 매우 높게 되고 본질적으로 제어를 할 수 없다는 것이 FEA에 의해 알려졌다.

다시 말하면, 그와 같은 온도에서 알루미늄 합금의 가공 경화 속도는 제로이고 연성(즉, 성형 한계)은 변형률의 증가에 따라 감소한다. 따라서, 원하는 최종 형상을 갖는 용기 제품을 만들 수 있는 능력은, 성형 공정의 변형률이 증가하고 알루미늄의 연성이 감소함에 따라, 감소한다.

PRF 절차의 추가 특징에 의하면, 양의 유체 압력이 다이 캐비티 내의 프리폼 외부에 인가되는 동시에, 프리폼의 내부에 양의 유체 압력이 인가된다. 이러한 외부 및 내부의 양의 유체 압력은 두 개의 독립적으로 제어되는 압력 시스템에 의해 각각 제공된다. 양의 외부 유체 압력은, 다이와 팽창하는 프리폼 사이의 체적에 양의 압력을 유지하기 위해, 독립적으로 제어 가능한 양의 유체 압력 공급원을 전술한 배출구 또는 통로에 연결하는 것에 의해 편리하게 공급될 수 있다.

도 7 및 도 8은 양의 외부 압력을 제어하는 상태와 제어하지 않는 상태에서 용기를 가압-램-성형함에 있어서 시간-압력 및 시간-변형 이력을 비교한다(여기서 "변형(strain)"이란 용어는 외부 힘에 의해 몸통에서 일어난 단위 길이당 신장을 말한다). 도 7의 선(101)은 프리폼에 외부의 양의 유체 압력이 작용하지 않는 경우에 대해 도 3에서 "압력"으로 표시된 선에 대응하고; 도 8의 선(103)은 FEA에 의해 결정된 한 특정 위치(요소)에서 발생한 변형을 나타낸다. 명확히, 이 경우에 상기 변형은 거의 순간적이며, 이는 프리폼을 다이 벽과 접촉하도록 팽창시키는데 있어서 매우 짧은 시간과 매우 높은 변형률을 시사한다. 대조적으로, 도 7의 선(105, 107, 109)은 각각, 내부 및 외부 압력 모두가 제어될 때, 즉 독립적으로 제어되는 양의 외부 및 내부 유체 압력이 다이 캐비티 내 프리폼에 동시에 제공될 때, 양의 내부 유체 압력, 양의 외부 유체 압력, 및 그 둘 사이의 차이를 나타내며; 프리폼의 팽창이 실행되도록 하기 위해 내부-외부 압력 차가 양의 값이 되도록 내부 압력은 외부 압력보다 더 크다. 도 8에서 선(111)은 선(105, 107, 109)에 의해 표시된 독립적으로 제어된 내부-외부 압력 조건에 대해 후프(hoop) 변형(프리폼이 팽창함에 따라 프리폼의 원주 둘레 수평면에서 발생한 변형)을 나타내며; 선(111)에 의해 도시된 후프 변형은 훨씬 더 긴 시간에 걸쳐 선(103)의 값과 같은 최종 값에 도달하므로 변형률이 훨씬 더 작다. 도 8의 선(115)은 축 방향 변형(프리폼이 신장할 때 수직 방향에서 발생한 변형)을 나타낸다.

독립적으로 제어 가능한 양의 내부 및 외부 유체 압력을 다이 캐비티 내 프리폼에 동시에 제공하고, 이러한 내부 및 외부 압력의 차이를 변화시키는 것에 의해, 성형 공정은 완벽한 제어 상태로 유지되며, 매우 높고 제어가 불가능한 변형률을 피할 수 있다. 프리폼의 연성과, 그에 따른 성형 공정의 성형 한계는, 두 가지 이유 때문에 증가한다. 첫째로, 성형 공정의 변형률의 감소는 알루미늄 합금의 본래의 연성을 증가시킨다. 둘째로, 양의 외부 압력의 부가는 팽창하는 프리폼의 벽에서 정수 응력을 감소시킨다 (또한 음의 압력으로 만들 가능성도 있다). 이것은 금속 내 미소 공동(microvoid) 및 금속 간 입자(intermetallic particles)와 관련된 유해한 효과를 감소시킬 수 있다. 여기서 "정수 응력(hydrostatic stress)"은 x, y 및 z 방향의 세 개의 수직 응력의 산술적인 평균을 지칭한다.

상기 기술된 특징은, 성형 공정의 변형률의 제어를 가능하게 하고 또한 성형 동안 금속 내 정수 응력을 감소시킴으로써, 병 형상 등의 알루미늄 용기를 성공적으로 제조하는 가압-램-셩형 공정의 성능을 향상시킨다.

압력 차이의 선택은 프리폼이 만들어지는 금속의 재료 특성을 기초로 한다. 특히, 금속의 가공 경화율 및 항복 응력이 고려되어야 한다. 프리폼이 소성적으로(즉, 비탄성적으로) 유동하기 위해서는, 상기 압력 차이는 프리폼 내 유효(Mises) 응력이 항복 응력을 초과하도록 해야 한다. 만일 양의 가공 경화율이 존재하면, 항복 응력을 초과하여 (압력으로부터) 인가된 고정 유효 응력은 상기 인가된 유효 응력의 레벨과 같은 응력 레벨까지 금속을 변형시킬 것이다. 그 지점에서 변형 속도는 제로 접근할 것이다. 가공 경화율이 매우 낮거나 또는 제로인 경우에, 금속은 몰드(다이)의 벽과 접촉하거나 또는 파손이 발생할 때까지 높은 변형률로 변형할 것이다. PRF 프로세스에서 예상되는 상승된 온도에서, 알루미늄 합금의 가공-경화율은 제로 가까이 낮아진다.

내부 및 외부 압력 모두를 공급하기 위해 사용하기 적합한 기체로는 질소, 공기, 아르곤, 및 이러한 기체들의 어떤 조합도 가능하며, 이에 한정되지 않는다.

프리폼의 벽 임의의 지점에서 소성 변형률은, 임의의 시점에서, 순간 유효 응력에만 종속하며, 이 순간 유효 응력은 차례로 압력 차이에만 종속한다. 프리폼의 벽에서 유효 응력과 변형률을 달성하고 제어하는 전반적인 원칙하에서, 외부 압력의 선택은 내부 압력에 종속한다.

도 9는 성형 프로세스에서 사용될 수 있는 다른 제어 메커니즘을 도시한다. 상기 프로세스를 최적화하기 위해 유한 요소 시뮬레이션이 사용되었다. 도 9에서, 선(120)은 프리폼에 작용하는 내부 압력(P_in)을 나타내고, 선(122)은 프리폼에 작용하는 외부 압력(P_out)을 나타내고, 선(124)은 압력 차이(P_diff=P_in - P_out)를 나타낸다. 이 도면은 한 제어 방법에 따른 압력 변화를 도시한다. 이 경우에서, 내부 캐비티의 유체 질량은 일정하게 유지되고 외부 캐비티(프리폼의 외부)의 압력은 선형적으로 감소한다. 변형률에 종속하는 재료 특성 역시 시뮬레이션에 포함된다. 이 후자의 제어 메커니즘은 더욱 단순한 프로세스를 제공하기 때문에 현재 선호되고 있다.

금속 용기를 성형하기 위해 어떤 PRF 절차를 수행하는 장치의 예가 도 10 ~ 도 13에 도시되어 있다. 이 장치는 축방향으로 수직인 병 형상을 한정하는 프로파일된 캐비티(211)을 갖는 분할 다이(210), (비대칭일 수 있는) 원하는 용기 하부 형상을 형성하는 윤곽을 갖는 펀치(212), 펀치를 이동시키는 후방 램(214), 및 도 10에서와 같이 프리폼이 캐비티 내에 삽입될 때 다이 캐비티와 금속(예컨대, 알루미늄) 용기 프리폼(218)의 상부 개방 단부를 밀봉하는 밀봉 램(216) 외에도, 추가적인 구성 요소와 아래 설명되는 수단들을 포함한다.

도 10 ~ 도 13의 장치의 분할 다이에서, 교체 가능한 제1 인서트(219) 및 제 2 프로파일 섹션 또는 인서트(221, 223)는 메인 분할 다이 부재(210) 내에 수용된 분할 인서트 홀더(225)의 내부 표면에 끼워진다. 이들 섹션은 금속 용기가 형성될 때 그것에 장식 또는 엠보싱(embossing)을 적용하기 위한 릴리프 패턴(relief patterns)(본 명세서에서 용어 "릴리프"는 양각과 음각 모두를 지칭한다)이 형성된 내부 표면을 갖는 스텐실로서 기능을 할 수 있다. 각각의 인서트(219, 221, 223)는 분할 인서트이고, 2개의 분리된 분할 인서트 홀더 반쪽들(225a, 225b)에 각각 끼워지는 2개의 분리된 조각(219a, 219b; 221a, 221b; 223a, 223b)으로 형성되며, 상기 인서트 홀더 반쪽들(225a, 225b)은 각각 축 방향으로 수직인, 2개의 메인 분할 다이 부재 반쪽(210a, 210b)의 마주하는 반원통형 통로 내에 수용된다.

플리폼의 내부 및 외부 가압을 위해 가스가 2개의 분리된 통로를 통해 다이에 공급된다. 프리폼의 외부에서 다이 캐비티의 내부로의 기체 공급은 다이 구조체(210)와 인서트 홀더(225)의 짝을 이루는 포트를 통해 실행되고, 그것으로부터 (예를 들면) 인서트(219, 221, 또는 223)를 통해 캐비티 내부까지 개구 또는 통로가 존재하며; 그와 같은 개구 또는 통로는 형성된 용기에 표면 구조를 생성하고, 따라서 두드러지지 않게, 예를 들면 용기 표면 설계의 일부분을 구성하도록, 위치 및 형성된다. 다이 내에는 가열 요소가 포함될 수 있다. 가열 요소(231)는 프리폼과 동축으로 그 내부에 장착되며; 이 가열 요소는, (전술한) 본 발명의 다른 실시예에서와 같이, 프리폼을 팽창시키기 위해 프리폼의 내부에 공급되는 기체를 예열할 필요성을 제거할 수 있다.

도 10 ~ 도 13의 장치의 전술한 특징들은 더욱 신속한 다이의 변경, 에너지 비용의 감소, 및 생산 속도의 증가를 가능하게 한다.

도 10 ~ 도 13의 장치에서 추가로 도시된 바와 같이, 생산 속도를 증가시키기 위해, (나사 마개의 부착을 가능하게 하는) 나사산(thread) 또는 러그(lug) 및/또는 목부 링이, 별도의 목부 형성 단계에 의하지 않고 PRF 공정 동안에 그 일부로서 용기의 목 부분에 형성될 수 있다. 이것은, 프리폼이 (다이 캐비티의 목 부위에서) 팽창할 때 프리폼에 나사산 또는 러그 릴리프 패턴이 형성되도록, 성형된 용기의 목부에 대응하는 분할 다이의 내부 표면 부위에 음의 나사산을 생성함으로써 달성된다. 그와 같은 나사산-성형 공정에 있어서, 적어도 프리폼의 목 부분은 최종 성형된 용기의 목부보다 직경이 더 작게 만들어진다.

도 11 ~ 도 13을 참조하여 설명하면, 상기 인서트 홀더는 좌우대칭인 2개의 조각(225a, 225b)으로 구성되고 각 조각은 축 방향으로 수직이고 대략 반원통형의 내부 표면을 갖는다. 제1 인서트(219)와 2개의 제2 분할 인서트(221, 223)는 다이 캐비티의 축을 따라 직렬로 인접하여 연속으로 배치되며, 제2 인서트 각각의 각 조각은 분할 인서트 홀더의 반쪽에 끼워지며, 인서트 홀더의 2개의 반쪽이 마주하는 관계로 조립되면, 각 분할 인서트의 2개의 반쪽은 서로 마주하여 일치된다. 제1 및 제2 인서트는 수평 에지(241, 243, 245)에서 서로 짝을 이루고 분할 인서트 홀더의 반쪽의 내부 표면에 형성된 레지(ledge)(247)와 같은 구조(features)와 상호 고정되는 외측 표면을 갖는다. 합쳐진 인서트는 성형되는 용기의 형상을 한정하는 전체 다이의 벽을 구성한다.

제1 프로파일 인서트 반쪽들(219a, 219b) 각각은 병 형상과 같은 원하는 용기 형상의, 목부를 포함하는 상부의 절반을 한정하는 내부 표면을 갖는다. 도 10에서 '237'로 표시된 바와 같이, 제1 분할 인서트의 각 반쪽의 목부 형성 표면은 성형된 용기의 목부에 마개와 맞물리는 나사산을 형성하는 나사산으로서 윤곽이 형성된다. 제1 분할 인서트의 내부 표면의 나머지는 매끈한 표면을 가진 용기를 형성하도록 매끈하거나, 원하는 표면 거칠기 또는 반복 패턴을 갖는 용기를 형성하도록 무늬가 새겨질 수 있다.

2개(상부 및 하부)의 2차 프로파일 인서트(221, 223)의 어느 하나 또는 둘 다의 하나 또는 두 반쪽은 형성된 용기의 표면 위에 양의 및/또는 음의 릴리프 패턴, 디자인, 심볼 및/또는 문자를 제공하도록 구성된 내부 표면을 갖는다. 예를 들어, 부합하여 상이한 디자인 또는 표면을 갖는 형성된 금속 용기를 제조하는데 사용하기 위해, 서로 상이한 표면 구조를 갖는, 복수 세트의 교체 가능한 인서트가 제공된다. 그 후에 아주 신속하게 그리고 인서트 홀더의 한 세트의 인서트를 간단히 빼버리고 그것과 교체 가능한 다른 세트의 인서트로 대체함으로써 기구 변경이 실행될 수 있다. 상기 분할 다이의 마주하는 구성 요소들 사이의 밀봉은 개스킷 및 링의 필요를 제거하는 정밀 가공에 의해 완성된다.

도시된 장치에서, 분할 다이 부재(210)는, 다이 조립체에 위에서 아래로 수직으로 각각 삽입되고 각각 다이 세트의 수직 높이의 절반을 갖는 12개의 로드 히터(249)에 의해 가열된다. 다이 캐비티 내의 프리폼의 내부 및 외부 가압을 위한 가스는 2개 구성요소 압력 수용 블록(분할 다이 부재(210)) 내에 2개의 분리된 채널을 통과함으로써 예열될 수 있다. 외부 가압을 위한 통로는 다이 캐비티 내로 연통하는 반면, 내부 가압을 위한 통로는 밀봉 램 가스 포트(250)를 통해 가스가 전달되는 밀봉 램(216)을 경유하여 프리폼의 내부에 연통한다.

가열 요소(231)는 밀봉 램에 부착되고 프리폼과 동축으로 위치된 히터 로드이고, 프리폼의 개방 단부를 통해 그 바닥 근처까지 프리폼 내부로 하방 연장하며, 이때 밀봉 램은 PRF 절차의 실행을 위해 가장 낮은 위치에 있다. 가열 요소(231)는 자체의 독립 온도 제어 시스템(도시하지 않음)을 갖는다. 이러한 배열에 의해, 가스의 예열이 회피될 수 있고, 가스 예열 설비의 제거 및 적어도 대체로 다이 구성요소를 예열할 필요를 회피하는 것을 가능하게 하는데, 이는 프리폼 자체만이 고온일 필요가 있기 때문이다. 상기 밀봉 램에는 인접한 하중 셀(load cell)과 유압장치(hydraulics)의 과열을 방지하기 위해 세라믹 온도 아이솔레이션 링(253)이 제공된다.

도 10 및 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 장치에는 또한 유압 밀봉 램 어댑터(255) 및 유압 후방 램 어댑터(257); 아이솔레이션 링-밀봉 램 어댑터(259); 밀봉 램 링(261); 및 분할 메인 다이 부재(210)의 각 반쪽을 위한 상부 및 하부 압력 수용 마개(263)가 제공된다. 램을 이동시키기 위한 유압장치의 대안으로서 캠(cam) 시스템이 사용될 수도 있다.

본원 발명

전술한 타입의 PRF 절차에서 구현된 바와 같이, 본 발명의 방법은 프리폼의 개방 단부로부터 폐쇄 단부까지, 즉 여기서 예시된 배향의 관례에서, 다이의 상부로부터 하부까지, (다이 캐비티 내에 배치된) 프리폼에 내부 유체 압력을 가하는 단계 동안에, 프리폼의 점진적인 외측 팽창을 실행하는 새롭고 개선된 방법을 제공할 수 있다. 이와 같은 점진적인 외측 팽창은 도 1과 같이 다이(10)에서 가압-램-성형되는 프리폼(18)의 경우에 대해서 도 14a ~ 14c에 도시되어 있다. 초기에, 하부폐쇄 단부(20)와 상부 개방 단부(22)를 구비하고 긴 형상의 대략 원통형 프리폼이 윤곽이 형성된 다이 캐비티(11) 내에 배치된다(도 14a 참조). 이때, 다이 캐비티의 하부에 있는 펀치(12)는 프리폼 하부 단부(20)와 맞물리도록 위치된다. (아래를 향하는 화살표에 의해 표시된 바와 같이) 가압 부재(16)를 통해 도입된 유체의 내부 압력이 프리폼에 가해질 때, 프리폼 측벽은 외측으로 팽창하기 시작한다 - (이 예에서) 펀치는 정지되어 있는 것으로 도시되어 있음. 바람직하게는, 이 외측으로의 팽창은 프리폼의 상단 부분에서 시작하고(도 14b 참조) 전체 프리폼의 측벽이 다이 캐비티 벽과 맞닿을 때까지 프리폼의 하단 부분을 향해 하방으로 진행하며(도 14c 참조), 이때 펀치는 상향 화살표에 의해 표시된 하중 하에서 위로 이동하여 프리폼의 하단부를 성형한다.

지금까지, PRF 공정에서, 그와 같은 점진적인 팽창은 프리폼의 상부(프리폼의 개방 단부 근처)를 최고 온도까지 가열하여 프리폼의 상부에서 하부까지 프리폼의 길이를 따라 온도 구배를 제공하고, 그리고 프리폼의 하부(폐쇄) 단부까지 점진적인 온도 감소를 제공함으로써 달성되었다. 최고의 온도에 있는 프리폼의 상부가 다이 캐비티와 접촉할 때까지 먼저 팽창하면서, 프리폼이 다이 캐비티 내에 갇히고 이때 펀치는 프리폼의 베이스(폐쇄 단부)를 밀어 올려서 베이스 프로파일을 형성한다.

본 발명에 의하면, 점진적인 팽창을 야기하기 위해 프리폼 길이를 따른 온도 구배를 사용하는 대신에, 프리폼의 베이스(폐쇄 단부)에서 측벽이 가장 두껍고 상방향으로(프리폼의 개방 단부를 향해) 가면서 벽 두께가 점진적으로 감소하는, 프리폼 측벽을 따라 두께 구배를 갖는 프리폼이 제공된다. 이 벽 두께 구배 때문에, 프리폼의 측벽이 가장 얇은 (상단) 부분은 내부 압력이 가해질 때 먼저 외측으로 팽창하고, 성형 중에 압력이 증가함에 따라서, 프리폼의 외측 팽창은 도 14a ~ 도 14c에 도시된 것과 같이 폐쇄 단부까지 아래 방향으로 진행한다.

도 15에는 점진적인 팽창을 생성하는 벽 두께 구배를 갖는 프리폼(318)이 도시되어 있고, 이 도면은 프리폼 측벽(319)과 폐쇄 단부(320)의 인접 부분의 종방향 단면을 표시한다. 표시된 것과 같이, 프리폼 측벽은 폐쇄 단부(320)에 인접하여 0.38 mm (0.0150 inch)의 최대 두께를 갖고 개방 단부(322)에 인접하여 0.30 mm (0.0120 inch)의 최소 두께로 점진적으로 감소한다.

그와 같은 프리폼은 도 16 ~ 도 24에서 예시된 것과 같이 드로잉 및 아이어닝 절차에 의해 용이하게 제조될 수 있다. 먼저 도 17a 및 도 17b를 참조하면, 적절하게 매끄럽게 처리된 평탄한, 원형 알루미늄 시트 블랭크(324)에 대해 제 1 머신에서 커핑 공정(cupping operation)이 이루어지며, 이 공정에서 툴 팩은 표준 인발(draw) 방법을 사용하여 상기 블랭크를 컵(236)으로 형성한다. 상기 컵은 그 다음에 재인발(redraw) 툴 팩에 전달되고 제1 재인발이 실시되어 직경이 감소된 신장된 소재(328)가 생성되며; 동일한 방식으로, 제2 재인발이 실시되어 '330'으로 표시된 것과 같이 소재의 길이가 더욱 길어지고 직경은 더욱 작아진다. 이 단계에서, 재인발된 컵은 불균일한 상부를 제거하고 프리폼 높이를 맞추기 위해 다듬어 진다. 상기 컵은 그 다음에 본체 제조자에게 전달되어 ('332'로 표시된, 추가의 길이 신장과 직경 감소를 위한) 제3 재인발과 측벽을 따라 두께 구배를 갖는 미리 결정된 두께로 프리폼의 측벽 두께를 감소시키는, 테이퍼형 펀치(334)(도 16 참조)에 의한 아이어닝 단계가 실행된다. 본체 제조자를 떠난 후, 프리폼은 개방 단부의 임의의 불균일을 제거하기 위해 그리고 프리폼의 높이를 맞추기 위해 다듬어진다. 다듬어진 프리폼(318)은 세척되고 상부 개구의 직경을 감소시키기 위해 목부 가공이 이루어지며, 그 후 원하는 마개가 형성된다.

도 16을 더 참조하면, 아이어닝 단계에서 소재(332)는 아이어닝 다이(338) 내부에 놓이고, 상기 소재의 폐쇄 단부의 가장 근접한 부분에서 지름이 가장 작은 윤곽(테이퍼형) 펀치(334)가 소재의 개방 단부를 통해 소재 내부로 도입되고 아래로 향하는 화살표의 방향으로 이동한다. 테이퍼형 펀치의 프로파일은 제작된 프리폼(318)의 측벽 두께 구배를 결정하는데 이는 아이어닝 다이의 지름이 고정되어 있기 때문이다. 펀치가 펀치와 다이의 공통 축을 따라 다이 내부로 이동할 때, 지름이 가장 큰 펀치 부분(펀치와 아이어닝 다이 사이의 갭이 가장 작은 부분)에 의해 프리폼 벽의 가장 얇은 부분이 얻어지며, 펀치의 지름이 가장 작은 부분(펀치와 다이 사이의 갭이 가장 큰 부분)에 의해 프리폼 벽의 가장 두꺼운 부분이 얻어진다. 일반적으로 말하면, 관련 파라미터는 표 1에 제시된 범위에 있다.

파리미터	작동 범위	바람직한 범위
시트 개시 두께 inch mm	0.005 - 0.100 0.13 - 2.5	0.010 - 0.030 0.25 - 0.76
펀치 테이퍼, 각도	0.0001 - 1.0	0.01 - 0.10
벽 두께 변동	1 - 50%	20 - 40%

벽 두께 변동은 최대(T1)와 최소(T2) 벽 두께 사이의 차이로서, [(T1-T2)/T2] x 100%로 표현된다.

본 발명의 추가적인 설명에서, 다음의 구체적인 실시예를 참조한다.

실시예

본 발명의 방법을 실시하는데 사용하기 위한 알루미늄의 테이퍼형 벽을 갖는 프리폼이 5개의 별도의 단계에서 형성되며, 도 18a - 도 18d에 개략적으로 도시되어 있다. 도 17a 및 도 17b를 참조하여 위에서 설명된 이들 5개의 단계들은 커핑(cupping), 제1 재인발, 제2 재인발, 몸통 제조(즉, 제2 재인발 및 벽 아이어닝), 및 트리밍(trimming)이다.

표 2에는 테이퍼형 벽을 갖는 프리폼을 제작하는데 사용된 블랭크 크기, 재인발 지름, 및 감소 백분율이 제시되어 있다. 실시예 프리폼을 형성하는 작업에서는 표준 블랭크 및 인발, 재인발, 및 인발 및 아이어닝 프로세스를 사용했다.

	지름 mm(inch)	감소(%)
블랭크(324)	158(6.217)	-
인발(컵)(326)	106(4.165)	33.01
제1 재인발(328)	76(3.000)	27.97
제2 재인발(330)	52(2.050)	31.67
제3 재인발(332)	37(1.468)	28.39

상기 블랭크 및 인발 공정은 상용 커퍼 프레스(cupper press)(340)의 일반 블랭크 및 인발 툴 팩을 사용하여 실행되었다. AA3104 알루미늄 합금 코일, H19 템퍼, 0.50 mm(0.0199 inch) 게이지 캔 몸통 스톡(342)이 커퍼 프레스 내로 공급되고, DTI C1 커퍼 윤활유로 미리 윤활처리되었다. 펀치(344), 인발 패드(346), 커팅 에지(348) 및 인발 다이(350)를 포함한 이 프레스에서, 상기 시트는 블랭크화되고(블랭크(324)로 절단됨, 도 17a, 도 17b 참조) 컵(326)으로 인발되었다.

상기 블랭크 및 인발 공정으로부터 얻어진 컵은 재인발 프레스로 전달되며, 프레스에서는 펀치(352), 제1 재인발 슬리브(354) 및 제1 재인발 다이(356)를 포함하는 일반 재인발 툴 팩(351)(도 18b 참조)을 사용하여 제1 재인발 공정이 실행되어 제1 재인발 컵(328)을 생성한다.

제1 재인발 컵은 온수와 DTI C1 커퍼 윤활유의 7:1 에멀젼에 침지하여 미리 윤활처리되었고, 펀치(360), 제2 재인발 슬리브(362) 및 제2 재인발 다이(364)를 포함하는 일반 실험실 재인발 툴 팩(358)(도 18c 참조)을 사용하여 서보 유압식 듀얼 축 프레스에서 제2 재인발 공정이 실행되어 제2 재인발 컵(330)을 생성했다.

이 단계에서 제2 재인발 컵은 비균일 상부를 제거하기 위해 트리밍되고 트리밍 잔해를 제거하기 위해 세척되었다. 수정된 제2 재인발 컵은 온수와 DTI C1 커퍼 윤활유의 7:1 에멀젼에 침지함으로써 미리 윤활 처리되고, 전술한 테이퍼형 펀치(334), 제3 재인발 슬리브(368), 제3 재인발 다이(370), 및 아이어닝 링 또는 아이어닝 다이(338)를 포함하는 일반 실험실 수직 몸통 메이커 툴 팩(366)(도 18d 참조)으로 이송되었다. 몸통 메이커에서, 컵은 표준 인발 및 아이언 프로세스를 거쳤으며, 먼저 제3 재인발 다이(370)를 통해 제3 재인발 컵(332)이 생성되고, 그 다음 아이어닝 링(338)을 통해 테이퍼형 벽을 갖는 프리폼(318)이 생성되었으며, 양 공정에 대해 테이퍼형 펀치(334)가 사용되었다. 아이어닝 링 윤활유(물과 DTI C1 윤활유의 10:1 에멀젼)는 냉각수/윤활유 링을 포함하는 (도시되지 않은) 폐쇄 루프 윤활 시스템에 의해 공급되었다.

제3 재인발 다이(370)는 아이어닝 펀치(334)의 가장 넓은 부분과 제2 재인발 컵(330)의 측벽의 두께를 수용할 수 있는 크기로 만들어지며; 따라서 제3 재인발 단계 동안에 컵의 측벽의 두께 감소는 일어나지 않는다. 그러나 아이어닝 링(338)의 지름은 더 작고, 이것이 테이퍼형 펀치와 조화를 이루어 프리폼의 측벽 두께를 측벽을 따라 구배를 갖는 미리 결정된 두께로 감소시켰다(도 19 참조). 이 실시예에서 원래 시트 게이지에 대한 아이어닝 감소는 폐쇄 단부 근처에서 14.57%였고, 개방 단부에서 29.6%로 가늘어진다.

수직 몸통 메이커를 나온 후, 프리폼(318)은 상부의 임의의 비균일을 제거하고 또한 190.5 mm (7.5 인치)의 높이를 갖도록 하기 위해 트리밍되었다. 두께 구배와 프리폼 치수를 보여주는 단면도가 도 20에 도시되어 있다. 상부의 부근에서, 측벽 두께는 0.36 mm (0.014 인치)이고, 하부(320) 부근에서 측벽 두께는 0.43 mm (0.017 인치)이고, 바닥 두께는 0.5 mm (0.0199 인치)이며, 지름은 38 mm (1.498 인치)이다.

상기 손질된 프리폼은 온수와 세제의 에멀젼으로 세척되고, 프리폼의 개방 단부 내에 망치를 사용하여 손으로 끼워지는 플랜지 툴(372)을 사용하여 성형 몰드의 밀봉이 가능하도록 개방 단부에서 플랜지 접속되어(도 21a 및 도 21b), 6.35 mm(1/4 인치) 밀봉 플랜지(374)를 생성한다. 다음, 플랜지 접속된 프리폼은 오븐으로 이송되며, 거기서 프리폼은 5분 동안 450℃에서 완전히 어닐링 되었다. 완전한 어닐링 후에, 프리폼은 30분 동안 공기 중에서 냉각되었다.

본 실시예에서 이렇게 생성된 프리폼에 대해 다이 또는 금형 캐비티(411), 후방 램(414)을 구비한 펀치(412), 및 밀봉 램(416)을 포함하는 실험실의 다중 축 서보 유압 머신(375)에서 PRF 처리가 실행되었다. 전술한 바와 같이 측벽에서 두께 구배를 갖는 테이퍼형 벽을 갖는 프리폼(318)은 먼저 상기 머신 내에 배치되고 금형 캐비티가 완전히 폐쇄되었다. 프리폼에서 균일한 열 분포를 보장하기 위해 캐비티 내의 프리폼은 90초 동안 예열되었다. 금형 캐비티 온도는 구배 없이 250℃로 설정되었다. 예열기간 후에, PRF 프로그램이 실행되었다. 이 성형 사이클 동안에, 프리폼에는 1500 lbs의 플랜지 밀봉 하중과 300 psi/sec의 변화율로 400 psi의 내부 압력이 가해졌다. 동시에 후방 램은 3.38 mm (0.133 인치)/sec의 속도로 10.16 mm (0.4 인치)의 거리를 이동하기 시작했다.

성형 압력, 후방 램 모션 및 후방 하중 기계 출력 데이터는 도 24에 도시되어 있다.

도 23a ~ 도 23d는 컴퓨터 모델링 결과로서, 유한 요소 해석(FEA)에 기초하여, 본 발명을 구현하는 PRF 방법을 수행하는 동안 본 발명에 있어서 벽 두께 구배를 갖는 프리폼의 점진적인 팽창을 도시한다. 도시된 것과 같이, 내부 유체 압력을 인가하기 전에(도 18a 참조) 프리폼(318)은 다이 캐비티 벽(411)으로부터 균일하게 이격된 대략 원통형의 측벽(319)을 갖는 반면, 다이의 하단부에 있는 펀치(412)는 프리폼의 폐쇄 단부(320)에 기대고 있다. 프리폼에 내부 가압을 개시할 때, 프리폼의 개방 상단부에 인접한 측벽의 가장 얇은 부분은 다이 캐비티 벽을 향해 외측으로 팽창한다(도 23b 참조). 내부 가압이 증가할 때, 프리폼의 외측 팽창은 더 두꺼운 벽 부분을 향해 아래로 진행한다(도 23c 참조). 펀치(412)는 프리폼 하단부(320)를 향해 위로 이동하여 생성된 용기의 바닥을 형성하고(도 23d 참조), 프리폼 측벽은 다이 캐비티 벽과 전체 길이에 걸쳐 맞닿는다.

즉, 도 23a 내지 23d에 도시된 것과 같이, 테이퍼형 벽을 갖는 프리폼의 팽창은 측벽 두께 분포와 가압의 조합하에서 국지적인 팽창의 개시로 인해 프리폼의 얇은 상부에서 시작한다(도 23a 및 23b 참조). 압력이 증가함에 따라, 이 팽창은 프리폼의 상부로부터 하부로 확산되고 결국에는 램 모션이 용기 형상을 완성한다(도 23c 및 23d 참조).

최종 용기의 벽 두께는 용기로부터 제작되는 프리폼의 두께보다 얇지만, 벽 두께 구배는 본 발명을 실시하는 PRF 방법에서, 특히 직선의 벽을 가진 용기에서, 유지되는 경향이 있다. 더 얇은 상부가 폐쇄를 위한 플랜지 또는 컬(curl)을 형성하는 것을 용이하게 하지만, 수용된 에어로졸 제품으로부터의 내부 압력에 돔형 바닥이 견디도록 더 강하고 두꺼운 용기 바닥 부분이 돕는 것이 바람직하다.

따라서, 일반적으로, 본 발명의 방법은, 예컨대 전술한 및 도 1 내지 도 13d에 도시된 임의의 PRF 절차를 사용하여, 벽 두께가 프리폼의 폐쇄 단부로부터 개방 단부까지 점진적으로 감소하는 벽 두께 구배를 갖는 프리폼을 가압-램-성형하는 것을 포함한다.

요약하면, 본 발명의 특정 실시예에 따르면, 개방 단부로 갈수록 벽이 점차 얇아지도록 테이퍼형 펀치로 아이어닝함으로써 프리폼의 벽에 두께 구배가 생성된다. PRF 다이에서 프리폼에 내부 유체 압력이 가해지면, 팽창이 상부에서 개시되고 바닥을 향해 이동한다. 이것은 본질적으로, 상부에서 바닥까지의 온도 구배를 유발하기 위해 일정한 벽 두께의 프리폼을 다이 내에서 가열함으로써 얻어지는 효과와 동일하지만, 생산 속도, 프리폼 크기 및 공구 셋업과 같은 변수의 (온도 구배에 대한) 역효과의 문제는 없다. 점진적인 팽창은, 용기의 하위 부분이 다이와 접촉하기 전 또는 후에, 하부 램 펀치가 위로 이동하여 저부를 형성하는 것을 가능하게 함으로써 파열(blowout)을 방지한다.

본 발명은 위에서 구체적으로 제시된 실시예 및 절차에 한정되지 않으며 다음의 청구항들의 범위 내에서 다른 방법으로 실행될 수 있음을 인식해야 한다.

Claims

한정된 형상 및 측면 디멘션을 갖는 금속 용기를 성형하는 방법에 있어서,
(a) 벽, 폐쇄 단부 및 개방 단부를 갖는 중공의 금속 프리폼을, 상기 형상 및 측면 디멘션을 한정하는 다이 벽에 의해 측면으로 에워싸인 다이 캐비티 내에 배치하는 단계;
(b) 상기 프리폼에 내부 유체 압력을 가하여 상기 다이 벽과 실질적으로 완전히 접촉하도록 외측으로 상기 프리폼을 팽창시키고, 그에 의해 상기 한정된 형상 및 측면 디멘션을 상기 프리폼에 형성하는 단계; 및
(c) 유체 압력에 의해 상기 프리폼에 가해진 힘의 방향과 반대인 방향으로 상기 프리폼의 폐쇄 단부에 맞물려 변위시켜 상기 프리폼의 폐쇄 단부를 변형하기 위해 상기 펀치를 상기 캐비티 내로 이동시키는 단계를 포함하고,
상기 캐비티의 일 단부에는 캐비티 내로 이동 가능한 펀치가 위치하고, 상기 프리폼의 폐쇄 단부는 상기 펀치와 대면하는 관계로 인접하여 위치되고 상기 프리폼의 적어도 일부는 초기에 상기 다이 벽으로부터 내측으로 이격되며,
상기 폐쇄 단부에 가해지는 상기 유체 압력은 상기 캐비티의 상기 일 단부를 향하고,
상기 다이 캐비티 내에 배치된 상기 프리폼은, 프리폼의 벽 두께가 상기 폐쇄 단부로부터 상기 개방 단부를 향해 점진적으로 감소하도록 벽 두께 구배를 갖는 금속 용기 성형 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 프리폼의 벽 두께 구배는, 단계 (b)에서 상기 프리폼의 외측 팽창이 상기 개방 단부에 인접한 부분에서 시작하고 상기 폐쇄 단부를 향하는 방향으로 진행하는 금속 용기 성형 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
단계 (a)에서 배치를 위해 상기 중공의 금속 프리폼을 제공하는 단계를 포함하는 금속 용기 성형 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 프리폼을 제공하는 단계는 시트 금속 블랭크를 인발 및 아이어닝하는 단계를 포함하고,
상기 아이어닝은 상기 개방 단부를 향하여 점진적으로 상기 프리폼 벽을 더 얇게 만드는 테이퍼형 펀치를 사용하여 수행되는 금속 용기 성형 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펀치는 상기 프리폼이 팽창하기 시작한 후 그리고 단계 (b)에서 상기 프리폼의 팽창이 완성되기 전에 상기 캐비티 내로 이동되는 금속 용기 성형 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펀치는 상기 프리폼의 팽창이 개시되기 전에 이동되어 상기 프리폼의 폐쇄 단부와 접촉하고, 상기 접촉은 상기 프리폼의 팽창 동안 유지되는 금속 용기 성형 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펀치는 윤곽 표면(contoured surface)을 구비하고,
상기 프리폼의 폐쇄 단부는 상기 윤곽 표면에 일치하도록 변형되는 금속 용기 성형 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 한정된 형상은 목부와 상기 목부보다 측면 디멘션이 더 큰 몸통부를 포함하는 병 형상이고,
상기 다이 캐비티는 장축을 갖고,
상기 프리폼은 장축을 갖고 또한 단계 (a)에서 상기 캐비티와 실질적으로 동축으로 배치되며,
상기 펀치는 상기 캐비티의 장축을 따라 이동 가능한 금속 용기 성형 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 펀치는 돔형 윤곽을 갖고,
단계 (c)는 상기 프리폼의 폐쇄 단부를 상기 돔형 윤곽으로 변형하는 금속 용기 성형 방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다이 벽은 단계 (c)에 후속하여 상기 성형된 용기를 제거하기 위해 분리 가능한 분할 다이를 포함하는 금속 용기 성형 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 한정된 형상은 상기 캐비티의 장축에 대해 비대칭인 금속 용기 성형 방법.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펀치는 단계 (b)의 시작 시 초기에 상기 유체 압력에 의한 상기 프리폼의 축 방향 신장을 제한하도록 위치되는 금속 용기 성형 방법.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
단계 (c)는 상기 프리폼의 상기 부분이 상기 다이 벽과 접촉하기 시작할 때와 거의 동시에 개시되는 금속 용기 성형 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 프리폼은, 상기 폐쇄 단부의 반대측에 상기 개방 단부를 갖는 길다랗고 초기에는 대략 원통형인 소재(workpiece)이고, 상기 병 형상의 목부와 지름이 실질적으로 같은 금속 용기 성형 방법.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소재는 단일의 가압 성형 공정에서 상기 한정된 형상으로 팽창할 수 있는 충분한 성형성을 갖는 금속 용기 성형 방법.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
단계 (a), (b) 및 (c)를 수행하기 전에, 상기 소재를 제1 디메션 다이 캐비티보다 작은 다이 캐비티 내에 배치하고, 다이 캐비티 내의 상기 소재에 내부 유체 압력을 가하여 상기 소재를 상기 한정된 형상 및 측면 디멘션보다 더 작은 중간 크기 및 형상으로 팽창시키는 예비 단계를 포함하는 금속 용기 성형 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 프리폼은, 상기 폐쇄 단부의 반대측에 상기 개방 단부를 갖는 길다랗고 초기에는 대략 원통형인 소재(workpiece)이고, 상기 병 형상의 목부보다 지름이 더 크고,
단계 (a), (b) 및 (c)의 수행 후, 지름이 감소된 목부를 형성하기 위해 상기 소재의 상기 개방 단부 부근에 스핀 성형 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 금속 용기 성형 방법.
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프리폼은 알루미늄 프리폼인 금속 용기 성형 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 프리폼은 재결정 또는 재생 미세구조를 갖는 알루미늄 시트로부터 만들어지는 금속 용기 성형 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 프리폼은 폐쇄 단부 원통으로 제작되는 금속 용기 성형 방법.
제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
단계 (b) 동안, 상기 프리폼 내의 유체 압력은, (i) 상기 프리폼의 팽창이 시작되기 전에 제1 정점으로 상승하는 단계, (ⅱ) 팽창이 시작되면서 최소값으로 하강하는 단계; (ⅲ) 상기 프리폼이 상기 다이 벽과 완전히 접촉하지는 않지만 신장할 때까지 팽창이 진행되어 중간값으로 점차 상승하는 단계, 및 (ⅳ) 프리폼 팽창의 완성 동안 상기 중간값으로부터 상승하는 연속 단계로 일어나고,
단계 (c)에서 상기 프리폼의 폐쇄 단부를 변위 및 변형시키기 위한 상기 펀치의 이동의 개시는 실질적으로 단계 (ⅲ)의 끝에서 일어나는 금속 용기 성형 방법.
제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
단계 (b) 동안에, 상기 프리폼의 폐쇄 단부는 상기 프리폼의 상기 부분이 단계 (b)에서 상기 다이 벽과 최초 접촉할 때 대략 반구체의 확대된 형상을 갖고,
단계 (c)에서 상기 프리폼의 폐쇄 단부를 변위 및 변형시키기 위한 상기 펀치의 이동 개시는 실질적으로 상기 프리폼 폐쇄 단부가 상기 형상을 갖는 시점에 일어나는 금속 용기 성형 방법.
제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
단계 (b)는 상기 캐비티 내의 프리폼에 내부 유체 양압과 외부 유체 양압을 동시에 인가하는 단계를 포함하고,
상기 내부 유체 양압은 상기 외부 유체 양압보다 더 큰 금속 용기 성형 방법.
제 23 항에 있어서,
상기 내부 유체 양압과 외부 유체 양압 사이의 차이를 변경하기 위해 상기 프리폼에 동시에 가해지는 상기 내부 유체 양압과 외부 유체 양압을 독립적으로 제어함으로써 상기 프리폼의 변형 속도를 제어하는 단계를 포함하는 금속 용기 성형 방법.
제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펀치는 실질적으로 상기 팽창 단계의 끝에서 상기 프리폼의 폐쇄 단부를 변위 및 변형시키기 위해 작동되는 금속 용기 성형 방법.
제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다이 캐비티는 상기 일 단부의 반대측의 제2 단부 및 그 사이에서 연장하는 축을 갖고,
상기 다이 벽은, 상기 형상의 연속하는 부분을 한정하기 위해 상기 축을 따라 일렬로 배치된 복수의 분할 인서트(inserts)을 포함하고 단계, (c)에 후속하여 상기 형성된 용기의 제거를 위해 분리 가능한 분할 다이를 포함하는, 금속 용기 성형 방법.
제 26 항에 있어서,
상기 분할 인서트는 단계 (b) 및 단계 (c)의 수행 동안 고정된 다이 캐비티 한정 위치 내에 상기 인서트를 유지하는 분할 홀더 내에 제거 가능하고 대체 가능하게 수용되는 금속 용기 성형 방법.
제 27 항에 있어서,
상기 인서트의 하나 이상은 상기 용기에 대응하는 릴리프 구조(relief feature)를 형성하는 릴리프 구조를 갖는 내부 표면을 구비하는 금속 용기 성형 방법.
제 27 항에 있어서,
각각 상이한 릴리프 구조를 갖는 내부 표면들을 갖는 교체 가능한 인서트의 그룹으로부터 상기 하나 이상의 인서트를 선택하는 단계, 및
단계 (b)를 수행하기 전에, 상기 선택된 인서트를 상기 홀더 내에 배치하는 단계를 더 포함하는 금속 용기 성형 방법.
제 23 항에 있어서,
상기 내부 및 외부 유체 양압은 별도의 통로를 통해 상기 프리폼의 내부와 상기 프리폼의 외부 다이 캐비티에 가스를 각각 공급하여 인가되는 금속 용기 성형 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 한정된 형상의 목부는 상기 형성된 용기에 나사 마개(screw closure)를 고정하기 위한 나사산(screw thread) 또는 러그(lug)를 포함하고,
상기 다이 벽은 단계 (b)의 수행 동안에 상기 프리폼에 나사산을 형성하기 위한 나사산 또는 러그가 형성된 목부를 갖는 금속 용기 성형 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 한정된 형상의 목부는 목부 링을 포함하고,
상기 다이 벽은 단계(b)의 수행 동안에 상기 프리폼에 목부 링을 형성하기 위한 릴리프 구조가 형성된 목부를 갖는 금속 용기 성형 방법.
제 1 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프리폼은 단계 (b) 및 단계 (c)의 수행 동안에 온도가 상승되는 금속 용기 성형 방법.
한정된 형상 및 측면 디멘션을 갖는 금속 용기를 성형하는 방법에 있어서,
(a) 벽, 폐쇄 단부 및 개방 단부를 갖는 중공의 금속 프리폼을, 상기 형상 및 측면 디멘션을 한정하는 다이 벽에 의해 측면으로 에워싸인 다이 캐비티 내에 배치하는 단계; 및
(b) 상기 프리폼에 내부 유체 압력을 가하여 상기 다이 벽과 실질적으로 완전히 접촉하도록 외측으로 상기 프리폼을 팽창시키고, 그에 의해 상기 한정된 형상 및 측면 디멘션을 상기 프리폼에 형성하는 단계를 포함하고,
상기 프리폼의 폐쇄 단부는 상기 캐비티의 일 단부와 대면하는 관계로 위치되고, 상기 프리폼의 적어도 일부는 초기에 상기 다이 벽으로부터 내측으로 이격되며,
상기 폐쇄 단부에 가해지는 상기 유체 압력은 상기 캐비티의 상기 일 단부를 향하고,
상기 다이 캐비티 내에 배치된 상기 프리폼은, 프리폼의 벽 두께가 상기 폐쇄 단부로부터 상기 개방 단부를 향해 점진적으로 감소하도록 벽 두께 구배를 갖는 금속 용기 성형 방법.
제 34 항에 있어서,
단계 (b)는 상기 캐비티 내의 프리폼에 내부 유체 양압과 외부 유체 양압을 동시에 인가하는 단계; 및
상기 내부 유체 양압과 외부 유체 양압 사이의 차이를 변경하기 위해 상기 프리폼에 동시에 가해지는 상기 내부 및 외부 유체 양압을 독립적으로 제어함으로써 상기 프리폼의 변형 속도를 제어하는 단계를 포함하고,
상기 내부 유체 양압은 상기 외부 유체 양압보다 더 높은 금속 용기 성형 방법.
제 34 항에 있어서,
상기 용기는 알루미늄 용기이고,
상기 방법은,
단계 (a)의 수행 이전에, 약 0.25 mm 내지 약 1.5 mm 범위의 치수를 갖는 재결정 또는 재생 미세 구조를 갖는 알루미늄 시트로부터 상기 프리폼을 만드는 단계를 더 포함하는 금속 용기 성형 방법.
제 36 항에 있어서,
상기 용기는 알루미늄 용기이고;
상기 한정된 형상은 목부와 상기 목부보다 측면 디멘션이 더 큰 몸통부를 포함하는 병 형상이고, 상기 다이 캐비티는 장축을 갖고, 상기 프리폼은 장축을 갖고 또한 단계 (a)에서 상기 캐비티와 실질적으로 동축으로 배치되며;
상기 프리폼은 상기 폐쇄 단부의 반대측에 상기 개방 단부를 갖는 길다랗고 초기에는 대략 원통형인 소재이고, 상기 병 형상의 상기 목부와 지름이 실질적으로 같으며;
상기 방법은,
단계 (a) 및 단계 (b)를 수행하기 전에, 상기 소재를 제1 디멘션 다이 캐비티보다 작은 다이 캐비티 내에 배치하고, 그리고 상기 다이 캐비티 내의 상기 소재에 내부 유체 압력을 가하여 상기 소재를 상기 한정된 형상 및 측면 디멘션보다 더 작은 중간 크기 및 형상으로 팽창시키는 예비 단계를 포함하는 금속 용기 성형 방법.
한정된 형상 및 측면 디멘션을 갖는 금속 용기를 성형하는 방법에 있어서,
(a) 벽, 폐쇄 단부 및 개방 단부를 갖는 중공의 금속 프리폼을, 상기 형상 및 측면 디멘션을 한정하는 다이 벽에 의해 측면으로 에워싸인 다이 캐비티 내에 배치하는 단계;
(b) 상기 프리폼에 내부 유체 압력을 가하여 상기 다이 벽과 실질적으로 완전히 접촉하도록 외측으로 상기 프리폼을 팽창시키고, 그에 의해 상기 한정된 형상 및 측면 디멘션을 상기 프리폼에 형성하는 단계를 포함하고,
상기 프리폼의 폐쇄 단부는 상기 캐비티의 일 단부와 대면하는 관계로 위치되고, 상기 프리폼의 적어도 일부는 초기에 상기 다이 벽으로부터 내측으로 이격되며,
상기 폐쇄 단부에 가해지는 상기 유체 압력은 상기 캐비티의 상기 일 단부를 향하고,
상기 다이 캐비티 내에 배치된 상기 프리폼은, 프리폼의 벽 두께가 상기 폐쇄 단부로부터 상기 개방 단부를 향해 점진적으로 감소하도록 벽 두께 구배를 갖는 금속 용기 성형 방법.
제 38 항에 있어서,
단계 (b)는 상기 캐비티 내의 프리폼에 내부 유체 양압과 외부 유체 양압을 동시에 인가하는 단계; 및
상기 내부 유체 양압과 외부 유체 양압 사이의 차이를 변경하기 위해 상기 프리폼에 동시에 가해지는 상기 내부 및 외부 유체 양압을 독립적으로 제어함으로써 상기 프리폼의 변형 속도를 제어하는 단계를 포함하고,
상기 내부 유체 양압은 상기 외부 유체 양압보다 더 높은 금속 용기 성형 방법.
제 38 항에 있어서,
단계 (a)의 수행 이전에, 약 0.25 mm 내지 약 1.5 mm 범위의 치수를 갖는 재결정 또는 재생 미세 구조를 갖는 알루미늄 시트로부터 상기 프리폼을 만드는 단계를 더 포함하는 금속 용기 성형 방법.
제 38 항에 있어서,
물품은 중공의 알루미늄 물품이고,
상기 한정된 형상은 목부와 상기 목부보다 측면 디멘션이 더 큰 몸통부를 포함하는 병 형상이고, 상기 다이 캐비티는 장축을 갖고, 상기 프리폼은 장축을 갖고 또한 단계 (a)에서 상기 캐비티와 실질적으로 동축으로 배치되며;
상기 프리폼은 상기 폐쇄 단부의 반대측에 상기 개방 단부를 갖는 길다랗고 초기에는 대략 원통형인 소재이고 상기 병 형상의 상기 목부와 지름이 실질적으로 같으며;
상기 방법은,
단계 (a) 및 단계 (b)를 수행하기 전에, 상기 소재를 상기 다이 캐비티보다 작은 다이 캐비티 내에 배치하고, 그리고 상기 다이 캐비티 내의 상기 소재에 내부 유체 압력을 가하여 상기 소재를 상기 한정된 형상 및 측면 디멘션보다 더 작은 중간 크기 및 형상으로 팽창시키는 예비 단계를 포함하는 금속 용기 성형 방법.