KR20140110835A - 딥-드로잉된 페인트 필름 라미네이팅된 판금을 성형하는 방법 및 그로부터 제조된 용품 - Google Patents

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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

용품의 일부의 복합 또는 합성 곡면 3차원적 표면을 페인팅하는 방법. 방법은, 페인트 필름(24)을 제공하는 단계; 양쪽 주 표면을 갖는 판금(26)을 제공하는 단계; 제1 부분 및 제2 부분을 포함하는 페인팅 된 판금 라미네이트(22)를 성형하기 위해 판금의 한쪽 주 표면 상에 페인트 필름을 라미네이팅하는 단계; 페인팅 된 판금 라미네이트의 제1 부분을 복합 또는 합성 곡면 3차원적 형상을 갖는 용품의 형태 부분으로 영구적으로 변형시키는 단계; 상기 영구적 변형 단계의 초기 스테이지 동안에 페인팅 된 판금 라미네이트의 제2 부분을 고정시키기 위한 초기 힘을 가하는 단계; 및 상기 영구적 변형 단계의 후기 스테이지 동안에 페인팅 된 판금 라미네이트의 제2 부분을 고정시키기 위한 후기 힘을 가하는 단계를 포함한다. 후기에 가해진 힘은 초기에 가해진 힘보다 더 크다.

Description

딥-드로잉된 페인트 필름 라미네이팅된 판금을 성형하는 방법 및 그로부터 제조된 용품 {METHOD OF FORMING DEEP-DRAWN PAINT FILM LAMINATED SHEET METAL AND ARTICLES MADE THEREFROM}
본 발명은 중합체 필름으로 라미네이팅된 판금을 변형시키는 방법에 관한 것이고, 특별하게는, 페인트 대체 필름으로 라미네이팅된 판금을 복합 3차원적 용품으로 성형하는 방법, 더 특별하게는, 페인트 필름 라미네이팅된 판금을 차량(예를 들어, 자동차, 항공기, 배, 우주선 등), 기기(예를 들어, 냉장고, 접시 또는 의류 세탁기, 솥, 난로 등), 또는 다른 제품의 복합 3차원적 페인팅 된 바디 부품(예를 들어, 합성 3차원적 곡률을 갖는)으로 성형하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 본 발명의 방법에 따라 제조될 수 있는 페인팅 된 복합 3차원적 용품(예를 들어, 자동차 바디 패널과 같은 합성 3차원적 곡률을 갖는 용품)에 관한 것이기도 하다.
몇몇 페인트 대체 필름, 또는 건성 페인트 필름이 자동차의 용도에서의 액체 페인팅을 대체하기 위해 상업상 구입 가능하다. 이러한 페인트 필름은 전형적으로 다이컷(die-cut) 되고, 자동차의 구조체 상에 아플리케(
Figure pct00001
)로서 합체된다. 그러한 페인트 필름은 그린 토카이 컴퍼니 리미티드(Green Tokai Co. Ltd.)에 양도된 US5759477의 필름 플라스틱 부품을 제조하는 방법(Method of Making Film Plastic Parts); 라미네이트 프러덕츠 인코포레이티드(Laminate Products, Inc.)에 양도된 US 7833380 B2의 장식성 시스템 합성물 및 방법(Decorative System Composite and Method); 라미네이트 프러덕츠 인코포레이티드에 양도된 US 7853454 B2의 페인트 필름 부품 생산 방법(Method of Producing a Paint Film Part); 데코마 인터내셔널 인코포레이티드(Decoma International Inc.)에 양도된 US 6090336의 외부 필름이 고정된 사출 성형된 용품을 제조하는 방법(Method for Manufacturing an Injection Molded Article with Outer Film Secured Thereto); 및 2004년 1월의 플라스틱스 테크놀로지(Plastics Technology) - 주제가, 릴리 마놀리스 세르만(Lilli Manolis Sherman)에 의한, 성형 가능한 필름에 의한 장식(Decorating with Formable Films) - 에 개시된 것들을 포함한다. 이러한 미국 특허들은 모두 그 전부가 여기에 참고로 포함된다.
중합체 코팅된 금속에 관한 연구 활동은 주로 부식 보호 또는 부식성 박리에 집중된다. 중합체 필름과 금속 사이의 특성의 본질적인 부조화에 비추어, 예를 들어, 딥 드로잉(deep-drawing)과 같은 수단에 의한 코팅된 금속의 산업상 제조가 훨씬 덜 주목받고 있다. 발간된 논문은, 중합체 코팅된 강철 및 중합체 코어가 사이에 낀 라미네이팅된 강판들의 접착력 및 복원성의 상실을 다루고 있지만; 그러나, 복합 3차원적 부품을 생산하기 위한 자동차의 스탬핑 공정(stamping processes)에서 페인트 필름 라미네이팅된 판금의 이용에 관한 이력이 사실상 전혀 없다.
2004년 1월의 플라스틱스 테크놀로지 - 주제가, 성형 가능한 필름에 의한 장식 - 의 저자, 엘. 세르만(L. Sherman)은 페인트 필름에 의한 인 몰드 데코레이팅(in-mold decorating)(IMD)의 영역에서의 광고를 기술한다. 이 참고문헌은 필름 라미네이팅된 플라스틱 부품의 생산에 집중한다. 용품은 GE 플라스틱(GE Plastics)에서의 산업 관리자를 인용하며: "페인트 라인(Paint line)이 자동차 조립 플랜트에서의 최대 투자이고; 그것은 플랜트 바닥 면적의 절반을 점유하며; 그것은 연간 1500 톤을 초과하는 VOC(휘발성 유기 화합물(volatile organic chemicals))을 발생시킬 수 있다.
저널 오브 머티리얼즈 프로세싱 테크놀로지(Journal of Materials Processing Technology) 46 (1994) 455의 저자 (페이지 477)의: 자동차의 패널을 제조함에 있어서의 판금 및 그 성형에서의 최근의 경향(Recent trends in sheet metals and their formability in manufacturing automotive panels)은, 완성된 부품의 외관의 악화 및 주름지는 것을 극복하고 성형 가능한 범위를 증대시키기 위한 성형 기법의 개발에 대한 필요성을 기술한다. 그러나, 그들은 이 필요성을 충족하기 위한 어떤 해결책도 제공하지 않는다.
저널 오브 머티리얼즈 프로세싱 테크놀로지 151 (2004) 133-140의 저자의: 라미네이팅된 강판의 주름지는 거동(Wrinkling behavior of laminated steel sheets)은, 중합체 코어 및 중합체의 양측의 금속판들로부터 생성되는 라미네이트를 기술한다. 저자는, 동종의 강판들에 비해, 강철과 중합체의 재료 특성의 큰 차이로 인한 거동 차이를 기술한다.
저널 오브 엔지니어링 머티리얼즈 앤드 테크놀로지(Journal of Engineering Materials and Technology), 2007년 10월, 129권, 페이지 530의 저자의: 판금 성형에 있어서 금속/중합체 라미네이트의 성형 거동에 대한 온도의 영향(The Influence of Temperature on the Forming Behavior of Metal/Polymer Laminates in Sheet Metal Forming)은, 중합체가 금속 층들의 사이에 끼워지는 금속-중합체 라미네이트의 성형 거동을 기술한다. 동종의 금속들을 위한 결과에 비해, 구성물이 중량 저감 및 진동 댐핑(vibration damping)의 관점에서 장점을 제공할지라도, 구성물은 주름지게 하는 경향의 관점에서 열악하다.
저널 오브 머티리얼즈 프로세싱 테크놀로지 209 (2009) 297-302의 저자의: 중합체 코팅된 금속판의 딥 드로잉 중의 박리의 예측에 관한, 중합체 코팅된 판금을 성형하는 값들의 하이라이트(On the prediction of delamination during deep-drawing of polymer coated metal sheet., highlight the value of forming polymer coated sheet metal)는: 코팅의 후속 단계들을 감소시키고, 비용 절감을 증대시키며, VOC 방출을 제거한다. 그들은 또한 딥 드로잉이 큰 플라스틱 변형을 초래한다는 것을 기술한다. 이 변형은 거친 표면 및 접착력의 상실을 초래하며, 그것은 또한 박리를 초래할 수도 있을 것이다. 그들은 이러한 문제에 대한 어떤 해결책도 제공하지 않는다.
토요 세이칸 가이샤 리미티드(Toyo Seikan Kaisha, Limited)에게 양도된 US 4225553호는 낮은 경도의 주름이 없는 용품을 제조하는 방법을 개시한다. 라미네이트 구성물 두께가 200 미크론을 초과할 수 없고, 열가소성 수지 필름, 알루미늄 포일(aluminum foil), 및 열봉합 가능한 수지 필름으로 이루어진다. 이 라미네이트의 드로잉은 가열 단계 없이 냉간 드로잉을 통해 수행된다.
시엠비 푸드 캔 피엘시(CMB Food can plc)에게 양도된 US 5093208호는, 금속판을 비정질 폴리에스테르 필름과 라미네이팅하는 공정을 개시한다. 구성물은 캔(can)으로 드로잉하기에 유용하다.
알캔 테크놀로지 앤드 매니지먼트 리미티드(Alcan Technology and Management Ltd.)에게 양도된 US 6699566 B2호는, 형상화 패키징(shaped packaging)을 제조하는 공정을 개시한다. 공정에서는 냉간 드로잉이 이용된다. 특허청구범위는 금속 층의 두께를 8 내지 150 미크론으로, 그리고 플라스틱 층의 두께를 12 내지 120 미크론으로 한정한다.
[발명의 개요]
페인트 필름 라미네이팅된 판금(Paint film laminated sheet metal)은, 그것들이 성형된 부품 상에서 품질이 양호하고 수명이 길며 심미감 있는 표면을 비용 효율적으로 달성할 잠재력을 가지므로, 자동차의 용도에서 액체 페인트 마무리에 대한 대체품으로서 관심이 있다. 또한, 건성 페인트 필름을 이용하는 것에 대한 잠재적 환경 이익도 있으며, 그것은 자동차 제조 플랜트에서의 액체 페인트 라인의 저감 또는 제거 및 스탬핑 라인(stamping line)에서의 오염성 윤활제의 이용의 저감을 포함한다. 페인트 필름 라미네이팅된 판금을 성형하는 것의 이점이 명백하지만, 지금까지는, 그렇게 성형된 라미네이트로 얻어진 표면 외관이 이미 성형된 판금 부품(예를 들어, 자동차 도어 B 필러(door B pillar) 및 윈도우 새시(window sashe)) 상에 부착되는 미리 절단된 건성 페인트 필름의 외관에 비해 열악했다. 강철과 중합체 필름의 물리적 재료 특성이 현저하게 상이하고; 그러므로, 노출된 표면 상에서의 용인할 수 없는 주름의 성형으로 인해, 원하는 클래스 A 표면의 생성이 이루어지지 않는다.
다양한 페인트 대체 필름, 또는 페인트 필름이 상업상 구입 가능하고, 예를 들어, 전형적으로 액체 페인트로 착색시키기 곤란한 자동차의 특정한 바디 부품(예를 들어, 도어 B 필러 및 윈도우 새시)과 같은 미리 성형된 판금 용품의 표면을 착색시킴에 있어서 액체 페인트를 대체하기 위해 이용된다. 그러나, 본 발명 전에는, 페인트 필름 라미네이팅된 판금의 평탄한 조각을, 페인트 필름의 용인 가능한 표면 품질 외관(예를 들어, 자동차의 클래스 A 마무리)을 여전히 유지한 채로, 자동차의 바디 패널처럼 복합 3차원 형상화 용품으로 성공적으로 성형하는 방법을 어느 누구도 알지 못했다.
본 발명의 한 양태에서는, 용품의 일부의 복합 또는 합성 곡면 3차원적 표면을 페인팅하는 방법이 제공된다. 방법은, 페인트 필름(paint film)을 제공하는 단계; 양쪽 주 표면(opposite major surfaces)을 갖는 판금(sheet metal)을 제공하는 단계; 제1 부분 및 제2 부분을 포함하는 페인팅 된 판금 라미네이트(painted sheet metal laminate)를 성형하기 위해 판금의 한쪽 주 표면 상에 페인트 필름을 라미네이팅(laminating)하는 단계; 페인팅 된 판금 라미네이트의 제1 부분을 복합 또는 합성 곡면 3차원적 형상(complex or compound curved three-dimensional shape)을 갖는 용품(article)의 형태 부분(formed portion)으로 영구적으로 변형(permanently deforming)시키는 단계; 상기 영구적 변형 단계의 초기 스테이지(initial stage) 동안에 페인팅 된 판금 라미네이트의 제2 부분을 고정시키기 위한 초기 힘(initial force)을 가하는 단계; 및 상기 영구적 변형 단계의 후기 스테이지(later stage) 동안에 페인팅 된 판금 라미네이트의 제2 부분을 고정시키기 위한 후기 힘(later force)을 가하는 단계를 포함한다. 후기에 가해진 힘(later applied force)은 초기에 가해진 힘(initially applied force)보다 더 크다.
본 발명은, 페인트 필름 재료 흐름(paint film material flow)을 제어하고 필름 주름짐(film wrinkling)을 억제하기 위해, 적어도 부분적으로, 새로운 클램핑력(clamping force)(예를 들어, 블랭크 홀더 힘(blank holder force)) 제어 계획(control strategy)을 제공한다. 이 계획은 페인트 필름 라미네이팅된 판금으로부터 무결함, 복합 또는 합성 3차원적 변형된(defect-free, complex or compound three dimensionally deformed)(예를 들어, 딥 드로잉된(deep drawn)) 부품을 생산하게 할 수 있다. 딥 드로잉 및 기타의 그러한 절차를 통해 클래스 A 마무리 제품을 생산하게 하는 재료 또는 공정을 설계하는 능력은 금속 성형 산업에 큰 장점을 제공할 것이다. 용품을 착색 및/또는 보호하기 위해 액체 페인트를 페인트 대체 필름으로 대체하는 것을 목표로 하는 자동차 및 산업적 비지니스에 대한 큰 상업적 장점이 있다.
본 발명의 이러한 및 다른 양태, 특징부 및/또는 장점은 여기에서의 도면 및 상세한 설명에서 추가로 도시되고 기술되며, 여기에서 유사한 인용부호는 유사한 부품을 나타내기 위해 이용된다. 그러나, 도면 및 설명은 예시의 목적만을 가지며 본 발명의 범주를 부당하게 제한하는 방식으로 읽혀져서는 안 된다는 것을 이해하여야 한다.
용어 "포함하는" 및 그 변이형은 이들 용어가 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 나타날 경우 제한적 의미를 갖지 않는다.
단어 "바람직한" 및 "바람직하게는"은 소정의 환경 하에서 소정의 이득을 제공할 수 있는 본 발명의 실시예를 말한다. 그러나, 동일하거나 또는 다른 상황 하에서 다른 실시예가 또한 바람직할 수 있다. 또한, 하나 이상의 바람직한 예의 언급은 다른 예가 유용하지 않다는 것을 의미하지 않으며, 본 발명의 범주로부터 다른 예를 배제하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단수형 용어("a," "an," "the"), "적어도 하나" 및 "하나 이상"은 서로 바꾸어서 사용될 수 있다. 그래서, 예를 들어, "단수형 용어"로 표현되는 형광성 분자 결합기를 포함하는 나노입자는 나노입자가 "하나 이상의" 형광성 분자 결합기를 포함함을 의미하는 것으로 해석될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단수형 용어("a," "an," "the"), "적어도 하나" 및 "하나 이상"은 서로 바꾸어서 사용될 수 있다. 그래서, 예를 들어, "단수형 용어"로 표현되는 형광성 분자 결합기를 포함하는 나노입자는 나노입자가 "하나 이상의" 형광성 분자 결합기를 포함함을 의미하는 것으로 해석될 수 있다.
용어 "및/또는"은 나열된 원소들 중 하나 또는 전부 또는 나열된 원소들 중 어떤 둘 이상의 조합을 의미한다(예를 들어, 고통을 방지함 및/또는 치료함은 추가적 고통을 방지함, 치료함, 또는 치료하고 방지하는 것을 모두 함을 의미한다).
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "또는"은 내용이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 일반적으로 "및/또는"을 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 본 명세서에서 종점(endpoint)에 의한 수치 범위의 설명은 그 범위 이내에 포함된 모든 수를 포함한다 (예를 들어, 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4, 5 등을 포함함).
여기에서 이용되는 바로서, 용어 "클래스 A" 표면은 높은 효율 및 품질을 갖는 한 세트의 자유형 표면을 기술하기 위해 자동차 설계에서 흔히 이용된다. 자유형 표면은 3D 기하학적 요소의 스킨(skin)을 기술하기 위해 컴퓨터 이용 설계(computer aided design)(CAD) 및 다른 컴퓨터 그래픽스 소프트웨어(computer graphics software)에서 이용된다. 자유형 표면은, 평면, 원통 및 원추면과 같은 규칙적인 표면과 달리, 경직된 방사상의 치수(rigid radial dimension)를 갖지 않는다. 그것들은 차체 및 선체와 같은 형태를 기술하기 위해 이용된다. 클래스 A 표면에서, 표면의 곡률은 각각의 방향으로 연속적이게 설계되며, 공통선(common line)을 따르는 각각의 점이 동일한 곡률 반경을 가져야 함을 의미한다. 클래스 A 부품은 질감화 마무리(textured finishe)를 가질 수 있고, 그것들은 거의 완전한 반사 품질(reflection quality)의 곡률 및 탄젠트 정렬(curvature and tangency alignment)로 설계된다.
본 발명의 상기의 개요는 본 발명의 각각의 개시된 실시예 또는 모든 구현 형태를 설명하고자 하는 것은 아니다. 이하의 기재는 더 구체적으로 예시적인 실시예를 예시한다. 본 출원 전체에 걸쳐 여러 곳에서, 예들의 목록을 통하여 지침이 제공되며, 예들은 다양한 조합으로 사용될 수 있다. 각각의 경우에, 열거된 목록은 단지 대표 그룹으로서의 역할을 하며, 배타적인 목록으로 해석되어서는 안된다.
첨부 도면과 관련하여 본 발명의 다양한 실시예들의 이하의 상세한 설명을 고려하면 본 발명이 보다 완전히 이해되고 인식될 수 있다.
<도 1a>
도 1a는 본 발명에 따라 이용되는 디스크형 페인트 필름/판금 라미네이트 블랭크의 측면도이고;
<도 1b>
도 1b는 본 발명에 따른 라미네이트 블랭크를 딥 드로잉하기 위한 장치의 부분적으로 횡단면을 가진 개략적 측면도이며;
<도 2a 및 도 2b>
도 2a 및 도 2b는, 펀치와 다이 공동 사이의, 종래의 간격을 이용하여 변형된 하나의 샘플 및 변경된 간격을 이용하여 변형된 다른 샘플에 의한, 두장의 동일한 유형의 라미네이트 샘플의 사진이고;
<도 2c 및 도 2d>
도 2c 및 도 2d는, 펀치와 다이 공동 사이의, 종래의 간격을 이용하여 변형된 하나의 샘플 및 변경된 간격을 이용하여 변형된 다른 샘플에 의한, 두장의 동일한 유형의 대안적 라미네이트 샘플의 사진이며;
<도 3>
도 3은 예시적 컵 드로잉 동안의 다양한 공정 파라미터의 시간 이력을 도시하는 그래프이고;
<도 4>
도 4는 컵 플랜지로부터 컵 벽 위로 컵의 상단까지의 선을 따라 샘플 변형된 컵 표면에 걸친 주 변형 및 부 변형 분포의 플롯이다.
본 발명의 아래의 실시예들을 기술함에 있어서, 명료함을 위해 구체적인 용어들이 이용된다. 그러나, 본 발명은 이와 같이 선택된 특정 용어로 제한하고자 하는 것은 아니며, 이와 같이 선택된 각각의 용어는 유사하게 작동하는 모든 기술적 등가물을 포함한다.
달리 나타내지 않는 한, 본 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 특징부의 크기, 양 및 물리적 특성을 표현하는 모든 수는 모든 경우 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 나타내지 않는 한, 전술한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에 개시된 수치 파라미터는 본 명세서에 개시된 교시 내용을 이용하여 당업자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 달라질 수 있는 근사치이다.
종점(endpoint)에 의한 수치 범위의 언급은 그 범위 내에 포함되는 모든 수를 포함하며(예를 들어, 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4 및 5를 포함함) 및 그 범위 내의 임의의 범위를 포함한다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태("a", "an" 및 "the")는 그 내용이 명백하게 다르게 지시하지 않는 한 복수의 지시 대상을 갖는 실시예를 포함한다. 본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 바와 같이, "또는"이라는 용어는 일반적으로 그 내용이 명백하게 다르게 지시하지 않는 한 "및/또는"을 포함하는 의미로 이용된다.
용어 "중합체"는 중합체, 공중합체(예를 들어, 2개 이상의 상이한 단량체들을 사용하여 형성된 중합체), 올리고머 및 이들의 조합뿐만 아니라 혼화 가능한 블렌드로 형성될 수 있는 중합체, 올리고머 또는 공중합체를 포함하는 것으로 이해될 것이다.
예
하기의 예들은 단지 본 발명의 특징부, 이점 및 기타 상세 사항을 추가로 예시하기 위하여 선택하였다. 그러나, 이 예들이 이와 같은 목적을 갖지만, 사용된 특정 성분과 양 및 기타 조건과 상세 사항은 본 발명의 범주를 부당하게 제한하는 방식으로 해석되지 않아야 한다는 것을 명확히 이해하여야 한다.
물질
본 발명의 라미네이트의 예시적 구성요소는 약 0.6 ㎜의 게이지 두께(gauge thickness)를 갖는 받은 그대로의(as-received bare) 304 스테인리스 스틸(304SS) 판금을 포함하였다. 이 판금은 미국, 일리노이, 시카고 소재의 센트랄 스틸 앤드 와이어 컴퍼니(Central Steel and Wire Company)로부터 구입되었다. 다양한 중합체성 페인트 대체 필름이 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 제공되었다. 그것들은 다음을 포함했다:
일본, 도쿄, 세타가야쿠 소재의 스미토모 쓰리엠 리미티드(Sumitomo 3M Limited)로부터의, 5 밀(mil) 두께를 갖고 아크릴성 감압 접착제가 후면에 있는, 고광택, 흑색 폴리올레핀 폴리에틸렌/폴리프로필렌 (PE/PP) 공중합체 페인트 필름인, 9000J - 3M™ 페인트 리플레이스먼트 필름(Paint Replacement Film) FPW9000J.
일본, 도쿄, 세타가야쿠 소재의 스미토모 쓰리엠 리미티드로부터의, 5.6 밀 두께를 갖고 아크릴성 감압 접착제가 후면에 있는, 매트 흑색 폴리염화비닐(PVC) 페인트 필름인, FRA-0045 - 3M™ 페인트 대체 필름 FRA0045J.
4 밀 두께를 갖는 PVC 감압 배면 접착 페인트 필름, 실버 그래픽 필름인, 210-420 - 3M™ 스카치칼 디럭스 실버 그래픽 필름(Scotchcal™ Deluxe Silver Graphic Film) 210-420.
아크릴성 접착제가 후면에 있고, US 2011/0027594 A1: 페인트 필름 합성물 및 그것의 제조 및 이용 방법(PAINT FILM COMPOSITES AND METHODS OF MAKING AND USING THE SAME) - 그 전부가 본 명세서에 참고로 포함됨 - 에 따라 제조되고, 미국, 미네소타, 세인트폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니에 의해 제조된, 2 밀 두께를 갖는 폴리우레탄 페인트 필름인, 10 BDC.
이러한 페인트 필름들은 본 명세서에서, 필름 A = 9000J, 필름 B = 10 BDC, 필름 C = FRA-0045; 및 필름 D = 210-420로 지칭된다.
샘플 페인트 필름/판금 라미네이트의 준비(Preparation of Sample Paint Film/Sheet Metal Laminates)
네개의 상이한 직경[88.90, 114.30, 139.70 및 165.10 ㎜ (3.5, 4.5, 5.5 및 6.5 인치)]을 갖는 판금으로 된 원형 블랭크가 축대칭성 딥 드로잉 실험에 제공되는 페인트 필름 라미네이팅된 판금 샘플을 위한 기판으로서 활용되었다. 모든 샘플 판금 블랭크는 워터 제트 머신(water jet machine)에 의해 절단되었고, 모든 날카로운 모서리가 회전식 그라인더(rotary grinder)를 이용하여 데버링되고(deburred) 연마되었다. 강철 블랭크들은 라미네이션(lamination)을 위한 공압을 제공하는 상업적 롤 라미네이터(commercial roll laminator)(미국, 오하이오, 멘토르 소재의 켐인스트루먼츠(Cheminstruments))를 이용하여 필름 A 내지 D와 라미네이팅되었다. 모든 샘플 판금 블랭크는 예시적 페인트 필름 라미네이팅된 판금 샘플을 생산하기 위해 동일한 조건하에서 상온에서 라미네이팅되었다. 각각의 판금 기판은 롤러들 사이의 틈으로 한번씩만 통과되었고, 판금의 초기 롤링 방향과 평행하게 유지되었다. 롤 사이의 틈은 판금과 페인트 필름 층의 조합된 두께의 80%로 설정되었다. 모든 샘플 페인트 필름/판금 라미네이트는 변형된 중합체 층을 안정화 하기 위해 라미네이션 후 72 시간 동안 환경 조건하에 유지되었다.
위에 기술된 샘플은 단지 약 0.6 ㎜ 두께의 판금 및 약 0.140 ㎜ 두께의 배면 접착 필름(즉, 약 0.107 ㎜ 두께의 필름 및 약 0.035 ㎜ 두께의 접착제 층)만을 활용하고 있지만, 성형 작업 중에 판금이 많이 주름지지 않으므로, 훨씬 더 두꺼운 판금 기판 및 훨씬 더 두꺼운 페인트 필름으로 만들어진 라미네이트들이 유사한 결과를 산출할 것으로 생각된다. 자동차 용도에서는 전형적으로, 바디 패널 및 다른 바디 부품을 스탬핑 또는 다른 방식으로 성형하기 위해 이용되는 강철 판금이 약 0.6 ㎜로부터 약 1.2 ㎜까지의 범위의 두께를 가지며, 이용되는 알루미늄 판금은 전형적으로 더 두껍다(예를 들어, 약 0.9 ㎜로부터 약 2 ㎜까지). 예를 들어, 도어 또는 후드 내부 패널과 같이, 바디 패널이 아닌 다른 자동차 구성요소를 위해 더 두꺼운 판금 게이지도 이용된다. 판금의 두께는 판금이 이용되는 용도의 특별한 요구(예를 들어, 재료 강도, 재료 밀도, 부품 중량 제한, 강성, 단가 및 다른 고려사항)에 크게 의존할 것이다. 본 발명은, 복합 또는 합성 3차원적 곡면 및/또는 형상으로 현저하게 변형된(예를 들어, 펀칭되거나, 스탬핑되거나 또는 다른 방식으로 성형된) 후, 종래의 액체 페인트를 이용하여 페인팅 되거나 또는 착색되는 판금을 현재 이용하는, 다수의 잠재적 용도에서 이용될 수 있을 것이다. 이러한 용도는 자동차, 항공기, 배 및 기기의 페인팅 된 바디 부품을 포함한다.
실험적 딥 드로잉 절차(Experimental Deep Drawing Procedure)
판금을 딥 드로잉하기 위한 종래의 장비(20)의 개요도가, 종래의 판금 조각(도 1a 참조)의 대신에 도시되는 판금 조각(26)에 접착되는 페인트 필름(24)으로 이루어지는 라미네이트 블랭크(22)의 형태인 본 발명의 라미네이트와 함께, 도 1b에 도시되어 있다. 블랭크(22)는 직경 Db를 갖는 원형 디스크이다. 장비(20)는 상면에 블랭크(22)가 안착되는 블랭크 홀더(28), 홀더(28) 위에 배치된 매칭 다이(matching die)(30), 및 샘플 블랭크(22)를 변형시키기 위해 이용되는 펀치(32)를 포함한다. 블랭크 홀더(28)는 작동하는 펀치(32)가 통과하게 중앙에 배치된 개구를 갖는다. 펀치(32)는 펀치(32)를 상하 이동시키는 펀치 작동축(34)의 선단에 장착되어 있다. 다이(30)는 블랭크(22)에 힘을 가하는 펀치(32)가 통과하는 다이 공동(36)을 포함한다. 라미네이트 블랭크(22)는 홀더(28)와 다이(30) 사이에 배치되어 딥 드로잉 공정 동안에 금속측(26)이 펀치(32)와 접촉하고 있게 한다. 블랭크(22)는 블랭크(22)의 중앙 부분을 변형시키거나 또는 다이 공동(36) 속으로 드로잉하도록 펀치(32)가 힘을 가하게 하기에 충분한 힘으로 홀더(28)와 다이(30) 사이에 압착되거나 또는 클램핑된다. 상이한 라미네이트 샘플(A, B, C, 및 D)의 각각을 위한 딥 드로잉은, 펀치 축(34)(및 펀치(32))과 다이(30)의 서로 다가가고 멀어지는 운동을 제어하기 위한 두개의 서보 제어 작동기(servo-controlled actuator)(도시 안 됨)와 맞춰진 MTS 기계 시험기(mechanical testing machine) 상에서 수행되었다. 블랭크 홀더는 공정 동안에 비교적 움직이지 않게 유지된다. MTS 시험 시스템의 용량은 두개의 작동기 모두에 대해 111.21 kN(25,000 lbf)의 힘 및 15.24 cm(6 인치)의 최대 스트로크로 한정되었다. 다이(30)에 부착된 상부 작동기 시스템은 성형 공정 동안에 홀더(28)에 대한 다이(30)의 클램핑력의 정밀 제어를 허용하였고, 펀치 축(34)에 부착된 하부 작동기 시스템은 펀치(32)의 변위가 제어되게 하였다. 샘플 라미네이트 블랭크(22)는, 나중에 설명하듯이, 최적화 블랭크 홀더 힘 프로필에 기초하여 62.28 kN(14,000 lbf)의 클램핑 부하까지 홀더(28)와 다이(30) 사이에서 클램핑되었다. 드로잉 실험은 선택된 컵 높이까지 15 ㎜/분(또는 초 당 0.01 인치)의 속도로 수행되었다. 변위에 대한 펀치 부하의 데이터는 시험 동안에 연속적으로 기록되었다.
종래의 드로잉 장비의 수정(Modifications of the Conventional Drawing Equipment)
드로잉 다이에 대한 수정을 함으로써 변형된 라미네이트 샘플의 주름짐 및 벽 마찰이 저감될 수 있다는 것이 발견되었다. 특히, 라미네이팅된 페인트 필름과 다이 사이의 마찰을 저감시키기 위해, 다이 공동 또는 개구와 펀치 사이의 간격이 증대되었다. 전형적으로, 대부분의 종래의 판금 컵 드로잉 작업에서의 펀치와 대응하는 다이 공동 또는 개구 사이의 간격은 시트 두께의 107 % 내지 115 % 사이의 범위에 있다. 이 범위는, 그러한 종래의 간격이 페인트 필름의 주름짐 및 찢어짐을 초래할 수 있기 때문에, 페인트 필름 라미네이팅된 판금 샘플을 위해 만족스럽지 못했음이 밝혀졌다. 적어도 일부의 페인트 필름 라미네이트를 위해 적절한 간격은 총 라미네이트 두께의 약 180%로부터 약 205%까지의 범위 내에 있음이 밝혀졌다. 이 수정 전후의 변형된 컵형 라미네이트 샘플(40 및 42)의 비교는 도 2a 및 도 2b에 제각기 도시되어 있다. 샘플(40 및 42)은 페인트 필름 D에 라미네이팅된 304 스테인리스 스틸(304SS)의 시트로 만들어진다. 도 2a에서 알 수 있듯이, 종래의 간격으로 변형된 컵형 샘플(40)은 그 플랜지 구역(44) 및 측벽(46)에서 페인트 필름 표면의 주름짐을 나타내었다. 도 2b에서 알 수 있듯이, 변경된 간격으로 변형된 컵형 샘플(42)은 그 측벽(48)에서 페인트 필름 표면의 주름짐이 전혀 없고 그 플랜지 구역(50)에서의 약간의 주름짐만 나타내었다. 이 수정 전후의 대안적 변형된 컵형 라미네이트 샘플(52 및 54)의 비교는 도 2c 및 도 2d에 제각기 도시되어 있다. 샘플(52 및 54)은 페인트 필름 A에 라미네이팅된 304SS의 시트로 만들어진다. 도 2c에서 알 수 있듯이, 종래의 간격으로 변형된 컵형 샘플(52)은 그 플랜지 구역(56) 및 측벽(58)에서 페인트 필름 표면의 주름짐을 나타내었다. 도 2d에서 알 수 있듯이, 변경된 간격으로 변형된 컵형 샘플(54)은 그 측벽(60)에서 페인트 필름 표면의 주름짐이 전혀 없고 그 플랜지 구역(62)에서의 약간의 주름짐만 나타내었다.
다이의 표면과 라미네이팅된 페인트 필름 사이의 윤활제를 이용하는 것은 그러한 성형 작업을 겪는 페인트 필름의 표면 외관을 유지하는 것을 도울 수 있음이 밝혀지기도 했다. 윤활제의 이용은 두가지 방식으로 도울 수 있다. 첫째, 윤활제의 이용은 다이 공동 또는 개구의 접촉면과 라미네이팅된 페인트 필름 사이 뿐만 아니라, 블랭크 홀더의 접촉면과 라미네이팅된 페인트 필름 사이의 마찰을 저감시킬 수 있고, 그것은 페인트 필름 라미네이팅된 판금의 이른바 드로잉 특성을 향상시킬 수 있다. 둘째, 윤활제를 이용하는 것은 라미네이팅된 페인트 필름의 표면과 다이 공동 또는 개구 및 블랭크 홀더의 표면 사이의 직접 접촉을 최소화할 수 있다. 그러한 유체역학적 윤활은 딥 드로잉 공정 동안의 페인트 필름에 대한 표면 손상을 저감시킬 수 있다. 그러한 표면 손상은 전형적으로 가시적 표면 스크래치(surface scratche)의 형태이고(최악의 경우에), 또한 페인트 필름의 색상 및 광택 레벨을 저감시킬 수 있다.
그 표면이 노출될 것이기 때문에, 페인트 필름의 외관은 중요하다. 예를 들어, 대부분의 자동차 주문자 상표 부착 생산자(original equipment manufacturer)(OEM)들은 자신들의 페인팅 된 바디 표면이 클래스 A 마무리를 나타내고 최소의 광택 레벨 및 이미지의 독특성(distinctness of image)(DOI)을 갖기를 요구한다. 다이 공동 또는 개구의 표면 마무리는 라미네이팅된 페인트 필름의 표면 외관에 영향을 줄 수 있음이 밝혀졌다. 라미네이팅된 페인트 필름의 표면이 다이 공동 또는 개구의 표면과 접촉하고 미끄러지기 때문에, 다이 공동 또는 개구의 표면 외관(예를 들어, 표면 거칠기)은 페인트 필름의 표면에 영향을 줄 수 있다. 펀치는 판금에 접촉하기만 하기 때문에, 펀치의 표면 마무리는 중요하지 않다. 다이 표면이 아주 매끈하면(예를 들어, 연마된 표면), 페인트 필름과 다이 공동 또는 개구 사이의 마찰력이 낮아질 것이며, 그것은 페인트 필름의 표면 마무리가 더 좋아지는 것으로 귀결될 수 있다. 전형적으로, 다이 표면은 평균 거칠기 값(하첨자 a가 붙은 부호 R 또는 Ra에 의해 지정됨)을 지정함으로써 다이의 가공시에 지정될 수 있다. 평균 거칠기 값을 낮출수록 표면 마무리가 더 매끈해진다(그러나, 다이의 가공 비용이 더 비싸진다). 양호한 일반 규칙은 다이 표면의 평균 표면 거칠기가 판금 표면의 평균 표면 거칠기보다 더 작은 크기를 갖게 하는 것일 수 있을 것이다. 롤링된 판금 표면은 전형적으로 약 0.3 내지 약 0.7 마이크로미터의 범위의 평균 표면 거칠기를 갖는다. 페인트 필름이 다이 표면과 접촉하고 있을 것이고, 펀치가 판금과 접촉하고 있을 것이기 때문에, 고광택(낮은 평균 거칠기) 다이 표면 및 펀치를 위한 저광택(높은 평균 거칠기) 표면은 딥 드로잉 작업을 위해 그 반대의 경우보다 더 양호한 결과를 제공할 것이다.
드로잉 작업을 위한 공정 최적화(Process Optimization for Drawing Operation)
표면 결함이 사실상 없는 복합 또는 합성 3차원적 변형된(예를 들어, 컵 드로잉된) 페인트 필름 라미네이팅된 판금을 생산하려는 노력으로, 성형 공정을 위한 최적화 계획이 개발되었다. 본 명세서에서 이용되는 바로서, 아무런 표면 결함도 없거나 또는 존재하는 어떤 표면 결함이든 정상적인 20/20 시력을 갖는 육안으로 가시적이지 않으면, 페인트 필름 라미네이팅된 판금은 표면 결함이 사실상 없는 것으로 간주된다. 예시적 컵 드로잉 시험 동안에, 펀치(32)가 판금(26)의 노출된 하측에 접촉하고 페인트 필름(24)이 다이(30)의 표면에 접촉한 채로, 각각의 샘플 라미네이트 블랭크(22)는 블랭크 홀더(28)와 다이(30) 사이에 클램핑되었다(도 1b 참조). 전형적으로, 그리고 판금의 컵 드로잉을 위해 업계에서 관례화된 바로서, 컵 드로잉 공정 동안에 일정한 블랭크 홀더 힘이 가해진다. 가할 블랭크 홀더 힘을 선택하는 것은 쟁점 사항들을 균형잡는 것을 포함한다. 과잉 블랭크 홀더 힘은 다이 속으로의 금속 흐름을 저감시킬 것이며, 그것은 펀치 프로필 반경에서의 금속의 균열 또는 찢어짐을 초래할 수 있다. 그러나, 충분한 블랭크 홀더 힘을 가하지 않는 것은 금속 플랜지의 주름짐을 초래할 것이다.
본 발명은 수정된 블랭크 홀더 힘 프로필을 가하는 것을 포함하는 최적화 드로잉 절차를 제공한다. 일정한 가해진 힘을 이용하는 대신에, 펀치가 최대의 가해진 힘에 도달하기 전에, 블랭크 홀더 힘은 선형적으로 증대된다. 도 3은 컵 드로잉 시험을 위한 펀치 및 블랭크 홀더의 부하 이력을 도시한다. 블랭크 홀더 힘에 관한 두꺼운 흑색 실선 및 펀치 힘에 관한 얇은 흑색 실선을 참조하면, 주름짐을 억제하고 플랜지가 다이 공동 속으로 드로잉되게도 하기 위해, 블랭크 홀더 힘이 초기에는 약 62.28 kN(14,000 lbf)으로 일정하게 유지되는 것(두꺼운 흑색 선의 선분 AB)을 나타낸다. 그러나, 펀치 변위가 시작되고 펀치 힘이 급속하게 상승하기 시작하면, 블랭크 홀더 힘은 추가로 증대된다(두꺼운 흑색 선의 선분 BC). 컵 드로잉 공정 도중의 블랭크 홀더 힘의 이 변화는 라미네이트 재료가 다이 공동 또는 개구 속으로 흐르는 것을 여전히 허용하면서도 플랜지에서의 주름의 추가적 억제를 가능하게 했다. 그 후, 펀치의 스트로크를 유지하기 위해 펀치 부하가 하락하였지만 블랭크 홀더 힘은 일정하게 유지되었다. 최적화 블랭크 홀더 힘 프로필은 12.70 ㎜(0.5 인치), 19.05 ㎜(0.75 인치), 22.86 ㎜(0.9 인치), 30.48 ㎜(1.2 인치), 38.10 ㎜(1.5 인치) 및 58.42 ㎜(2.3 인치)의 상이한 높이에 대한 향상된 컵 드로잉으로 귀결되었다.
펀치가 그 최대의 가해진 힘 또는 변위에 도달하기 전에, 블랭크 홀더 힘은 그 초기 값으로부터 증대되었다. 얻어진 결과는 블랭크 홀더 힘을 증대시키기 위한 최적 시간인 성형 작업 동안에 최적의 지점 또는 범위가 있음을 나타낸다. 복합 또는 합성 3차원적 성형 작업, 또는 적어도 펀칭 작업을 위해, 이 지점은 펀치가 펀치 스트로크 또는 변위(즉, 라미네이트 블랭크와 접촉한 후 펀치가 이동하는 총 거리)의 약 25%(1/4) 내지 33.33%(1/3)에 도달했을 때의 범위에 있을 것으로 보인다.
페인트 필름 라미네이트를 제자리에 클램핑하기 위해 이용되는 힘(예를 들어, 블랭크 홀더 힘)이 성형 공정 전체에 걸쳐 높은 값으로 유지되면, 플랜지 구역에서의 라미네이트 재료는 다이 공동 또는 개구 속으로 잘 흐르지 않을 것이며, 그것은 성형 공정에서 초기에는 성형된 라미네이트의 파손(예를 들어, 페인트 필름의 찢어짐 및/또는 주름짐)을 초래할 수 있다. 더 낮은 초기 클램핑력(예를 들어, 블랭크 홀더 힘)을 이용하는 것은 다이 공동 또는 개구 속으로 흐를 페인트 필름 재료가 필름의 파손을 방지하고 얻을 수 있는 변형의 정도(예를 들어, 컵 높이)를 증대시키게 하는 것으로 생각된다. 공정의 후기 스테이지에서의 증대된 클램핑력은 주 변형의 영역(예를 들어, 컵 벽)에서의 페인트 필름의 주름짐을 크게 억제할 뿐만 아니라, 플랜지에서의 페인트 필름의 주름짐을 현저하게 저감시킨다. 예시적 성형 작업을 위해, 초기 블랭크 홀더 힘은 실험에서 이용되는 총 블랭크 홀더 힘의 약 90%이었다.
노화 및 특성(Aging and Characterization)
컵이 두달 동안 환경 조건하에 저장된 후, 304SS 기판 상의 상이한 필름의 주름지는 경향이 평가되었다. 304SS/필름 A 라미네이트는 박리가 컵 드로잉의 가공된 에지에서 시작하였음을 보였다. 시간이 지남에 따라 304SS/금속성 필름 컵의 에지에 가까운 컵 벽 상에서 미세 주름이 관찰되었다. 다른 한편으로, 304SS/필름 B 및 304SS/필름 C 컵에서는 시간이 지나도 어떤 변화도 관찰되지 않았다. 이러한 결과는 어떤 필름 유형/조성(예를 들어, 필름 B 및 필름 C)은 복합 또는 합성 3차원적 성형 작업(예를 들어, 컵 드로잉)을 위해 이용하기에 더 적합하다는 것을 나타낸다.
컵 드로잉 동안의 라미네이팅된 필름의 주름짐 및 찢어짐(Wrinkling And Tearing Of Laminated Films During Cup Drawing)
위 최적화 프로필을 이용하여 주름짐이 현저하게 저감되었음에도 불구하고, 예를 들어, 38.10 ㎜(1.5 인치)의 높이로 드로잉되는 것들과 같은, 동일한 샘플들의 플랜지 영역에서, 그리고, 예를 들어, 58.42 ㎜(2.3 인치)의 높이로 드로잉되는 것들과 같은, 동일한 샘플들을 위한 컵 벽을 따라, 시험 동안 및 그 후 시간이 지남에 따라 주름이 여전히 성형되었다. 컵 성형 후 필름에서의 주름 성형을 억제하기 위해 상이한 방법들이 연구되었다. 컵 드로잉 시험 후 주름을 정지시키기 위해 세개의 용액이 제안되고 시험되었다.
(1) 플랜지의 에지에서의 필름이 도 6a에 도시된 바와 같이 컵 드로잉 시험 전에 라미네이트로부터 절단되었다. 시험 시스템으로부터 라미네이트 샘플을 제거한 후 페인트 필름에서 주름이 관찰되었을 때, 컵 벽을 따라 주름의 전진하는 전면에서 하부의 판금까지 관통하게 페인트 필름이 나이프(knife)로 절단되었다.
(2) 마찰을 증대시키기 위해 컵 벽의 상단에서 펀치와 다이 사이의 간격은 저감되었다. 이 실험은 필름이 큰 전단 변형을 겪고, 그럼으로써 판금 기판에 '융합'하는 것으로 귀결되었고, 그것은 주름의 시작 및 성장을 억제하였다.
(3) 드로잉되고 시험 시스템으로부터 제거되었을 때, 컵은 플랜지 및 컵 벽의 인접 구역을 제거하기 위해 가공되었다.
변형 측정을 위한 격자 각인(Grid imprinting for strain measurement)
원래대로의 304SS 시편이 시험 전에 채워진 원 또는 점으로 된 주기적 격자 패턴으로 전기화학적으로 에칭되었다. 채워진 원들의 중심 대 중심 간격은 2 ㎜로 유지되었다. 패턴은 금속 표면 상에 배치된 격자 스텐실을 이용하여 적용되었다. 격자의 상부에 배치된 흡수용 면 패드가 전해질 용액(Electrolyte 53NC)으로 적셔졌다. 도트 패턴을 발생시킨 판금을 통해 전류(15-20 암페어)가 통과되었을 때, 용액과 접촉하고 있는 어떤 노출된 표면이든 산화되었다. 라미네이팅된 시편을 위해, 먼저 시편의 중합체 측에 주기적 원형 구멍(3 ㎜의 중심 대 중심 거리)을 갖는 정밀한 플라스틱 마스크를 부착한 후, 에어 브러시를 이용하여 마스크의 구멍을 통해 잉크를 도포함으로써 규칙적인 점들이 각인되었다. 딥 드로잉 공정 동안, 도트 패턴은 그것이 라미네이트와 함께 변형함에 따라 찌그러졌다. ARGUS 광학 시스템은 공정의 끝에서 시편 상의 변형 분포를 측정하기 위해 원형 도트들 사이의 분리 거리의 변화를 이용한다. 시험 후, 상이한 각도 및 관점으로부터 딥 드로잉 시편의 일련의 사진을 찍기 위해 ARGUS 카메라가 활용된다. 그 후, 소프트웨어는 변형된 격자 간격과 초기 격자 간격을 비교함으로써 도트들의 중심 사이의 상대 거리 및 변형된 구역 전체에 걸친 변형을 계산한다.
성형된 컵에 대해 측정된 변형 분포(Strain distribution measured over formed cups)
주기적 격자를 갖는 상이한 블랭크 직경을 위한 컵 드로잉 시험이 수행되었을 때, ARGUS 시스템을 이용하여 변형 맵이 생산되었다. 주 변형 및 부 변형의 분포를 얻기 위해 컵 벽의 상단으로부터 그 하단까지 컵 프로필을 따라 단면이 취해졌다. 도 4는 컵 플랜지로부터 컵 벽 위로 컵의 상단까지의 선을 따라 샘플 변형된 컵 표면에 걸친 주 변형 및 부 변형 분포의 플롯을 도시한다. 이러한 프로필은 컵 드로잉에서 관찰되는 전형적인 것이다.
추가의 실시예
1. 용품(예를 들어, 차량의 바디 부품)의 적어도 일부 또는 전부의 복합 또는 합성 곡면 3차원적 표면(예를 들어, 클래스 A 표면)을 페인팅하는 방법으로서, 상기 방법은 다음을 포함한다:
보호용 중합체성 투명 코트로 코팅된 하나의 주 표면 및 접착제(예를 들어, 감압 접착제)로 코팅된 다른 한 주 표면을 갖는, 착색 안료가 함침된 중합체성 층을 포함하는 배면 접착 페인트 필름을 제공하는 단계. 페인트 필름의 노출된 주 표면(접착제 코팅된 주 표면의 반대쪽)이 일시적이고 제거하기 쉬운 프리마스크(temporary and easily removable pre-mask)로 보호되는 것이 바람직할 수 있다.
양쪽 주 표면을 갖고 강철, 알루미늄 또는 어떤 다른 원하는 원소 금속 또는 합금 금속으로든 만들어지는 비교적 평탄한 판금 조각을 제공하는 단계.
제1 부분 또는 형태 부분(first or forming portion) 및 제2 부분 또는 클램핑 부분(second or clamping portion)을 포함하는 페인팅 된 판금 라미네이트를 성형하기 위해 판금의 한쪽 주 표면 상에 (예를 들어, 핫멜트, 열활성화 또는 감압 접착제로) 페인트 필름을 라미네이팅하는 단계. 제1 부분 또는 형태 부분은 복합 또는 합성 곡면 3차원적 형상을 갖는 용품의 형태 부분으로 영구적으로 또는 가소적으로 변형되려는 것이다. 제2 부분 또는 클램핑 부분은 제1 부분을 부분적으로 또는 전적으로 둘러싸거나, 또는 그 주변부 상에 있다. 제2 부분 또는 클램핑 부분은 클램핑되거나 또는 다른 방식으로 압축력에 의해 고정되기에 적합하다.
페인팅 된 판금 라미네이트의 제1 부분을 복합 또는 합성 곡면 3차원적 형상을 갖는 용품의 형태 부분으로 영구적으로 변형시키는 단계.
상기 영구적 변형 단계의 초기 스테이지 동안에 페인팅 된 판금 라미네이트의 제2 부분을 고정시키기 위한 초기 클램핑 또는 다른 방식의 고정력(예를 들어, 압축력)을 가하는 단계; 및
상기 영구적 변형 단계의 후기 스테이지 동안에 페인팅 된 판금 라미네이트의 제2 부분을 고정시키기 위한 후기 클램핑 또는 다른 방식의 고정력(예를 들어, 압축력)을 가하는 단계.
후기에 가해진 힘은 초기에 가해진 힘보다 더 크다.
2. 실시예 1에 따른 방법으로서:
상기 영구적 변형 단계의 초기 스테이지 동안에 페인팅 된 판금 라미네이트의 제2 부분을 고정시키기 위한 하나 이상의 중간 클램핑 또는 다른 방식의 고정력(예를 들어, 압축력)을 가하는 단계를 추가로 포함하고, 하나 이상의 중간 힘은 초기 힘 후에 후기 힘 전에 가해지며, 하나 이상의 중간 힘은 초기 힘보다 더 크고, 후기 힘은 하나 이상의 중간 힘보다 더 크다.
3. 실시예 1 또는 실시예 2에 따른 방법으로서, 페인팅 된 판금 라미네이트의 영구적 변형이 완료되기 전에, 가해지는 초기 힘은 후기 힘까지 선형적으로 증대된다.
4. 실시예 1 또는 실시예 2에 따른 방법으로서, 후기 힘이 가해지기까지, 초기 힘은 일정하게 유지된다.
5. 실시예 1 내지 실시예 4 중 어느 하나에 따른 방법으로서, 페인팅 된 판금 라미네이트의 영구적 변형의 백분율 완성이 약 25 % 내지 약 33.33 %의 범위에 들 때까지, 초기 힘이 가해진다.
6. 실시예 1 내지 실시예 4 중 어느 하나에 따른 방법으로서, 페인팅 된 판금 라미네이트의 영구적 변형의 백분율 완성이 약 33.33 % 이상일 때까지, 후기 힘이 가해지지 않는다.
7. 실시예 1 내지 실시예 6 중 어느 하나에 따른 방법으로서, 초기 힘의 크기는 후기 힘의 크기의 약 90% 이하이다.
8. 실시예 1 내지 실시예 7 중 어느 하나에 따른 방법으로서, 제공된 페인트 필름은 외면을 갖고, 페인트 필름의 외면은 페인팅 된 판금 라미네이트의 외면을 성형하며, 제1 부분이 영구적으로 변형된 후, 복합 또는 합성 곡면 3차원적 형상의 외면은 클래스 A 표면이다.
9. 실시예 1 내지 실시예 8 중 어느 하나에 따른 방법으로서, 용품은 차량의 바디 부품이다.
10. 실시예 1 내지 실시예 9 중 어느 하나에 따른 방법으로서, 페인트 필름은 보호용 중합체성 투명 코트로 임의적으로 코팅된 하나의 주 표면, 및 접착제(예를 들어, 감압 접착제)로 코팅된 다른 한 주 표면을 갖는, 착색 안료가 함침된 중합체성 층을 포함하는 배면 접착 페인트 필름이다.
11. 실시예 10에 따른 방법으로서, 페인트 필름은 일시적이고 제거하기 쉬운 프리마스크로 보호된 노출된 주 표면을 갖는다.
12. 실시예 1 내지 실시예 11 중 어느 하나에 따른 방법으로서, 판금은 비교적 평탄한 판금 조각이다.
13. 실시예 1 내지 실시예 12 중 어느 하나에 따른 방법으로서, 각각의 가해진 힘은 클램핑 또는 다른 방식의 압축력이다.
14. 실시예 1 내지 실시예 13 중 어느 하나에 따른 방법으로서, 페인팅 된 판금 라미네이트의 제1 부분을 영구적으로 변형시키는 상기 단계는 적어도 부분적으로, 펀치 및 다이 공동을 이용하여 성취되고, 펀치와 다이 공동 사이의 간격은 페인팅 된 판금 라미네이트의 총 두께의 약 180%로부터 약 205%까지의 범위에 있다.
15. 실시예 1 내지 실시예 14 중 어느 하나에 따라 페인팅 된 복합 또는 합성 곡면 3차원적 표면을 포함하는 용품.
16. 페인팅 된 판금 라미네이트를 성형하기 위해 판금의 한쪽 주 표면에 라미네이팅된 페인트 필름을 포함하는 용품으로서, 상기 페인팅 된 판금 라미네이트는 제1 부분 및 상기 제1 부분의 주변부 상의 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분은 복합 또는 합성 곡면 3차원적 형상을 가지며, 상기 제1 부분 내의 상기 페인트 필름의 적어도 일부는 상기 페인트 필름의 일부가 복합 또는 합성 곡면 3차원적 형상으로 영구적으로 변형되도록 연신되었음을 나타내는 인장 또는 연신 변형 프로필(tensile or stretching strain profile)을 나타내고, 상기 페인팅 된 판금 라미네이트의 상기 제1 부분이 복합 또는 합성 곡면 3차원적 형상으로 영구적으로 변형되도록 연신되었음에도 불구하고, 상기 제2 부분 내의 상기 페인트 필름의 적어도 일부는 상기 페인트 필름의 일부가 압축 또는 클램핑력 하에서 제자리에 유지되고 있음을 나타내는 압축 변형 프로필을 나타낸다.
17. 실시예 15 또는 실시예 16의 용품으로서, 용품은 차량의 바디 부품이다.
본 발명에 따른 최적화 홀더 힘 프로필을 이용함에 따른 장점은 다양한 페인트 필름에 적용 가능할 것으로 보인다. 위 교시는 예시적 컵 드로잉 공정에서 이용되는 것들과 상이한 (1) 판금 두께, (2) 금속 유형(예를 들어, 상이한 강철, 알루미늄, 구리, 합금 등), (3) 다이 공동 또는 개구, 및/또는 (4) 컵 크기를 갖게 만들어진 페인트 필름 라미네이트에도 잘 적용할 수 있을 것으로 생각된다. 또한, 예시적 컵 드로잉 공정에 대한 본 발명의 수정도 복합 또는 합성 3차원적 변형된 페인트 필름 라미네이팅된 판금을 생산하기 위해 이용되는 다른 판금 성형 작업에도, 적어도 대체로, 적용 가능할 수 있을 것으로 생각되기도 한다. 또한, 예시된 것처럼 단지 한번만이 아니라, 페인트 필름 라미네이트의 변형 동안에 여러 번 클램핑력(예를 들어, 블랭크 홀더 힘)을 증대시키는 것을 포함하는 클램핑력 프로필을 이용하는 어떤 장점도 있을 수 있다. 실례로, 전체 성형 작업(예를 들어, 펀치 스트로크) 동안에 클램핑력(예를 들어, 블랭크 홀더 힘)을 2 단계로 증대시키는 것이 바람직할 수 있을 것이다. 예를 들어, 하나의 클램핑력 프로필 최대로 가해지는 클램핑력의 85%에서 시작한 후, 성형 작업(예를 들어, 펀치 스트로크) 동안의 어떤 지점에서는 최대로 가해지는 힘의 90%까지 될 수 있다. 프로필은 시간에 대한 클램프 힘의 곡선에서 일련의 증대 단계들을 보일 수 있다. 이러한 단계들은 '다단계' 또는 '가변적' 클램핑 방법론을 실행하도록 성형 장비(예를 들어, 스탬핑 프레스)에 인터페이스되는 컴퓨터에서 프로그램 될 수 있다. 그래서, 본 발명은 그 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변경을 취할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 전술한 것에 의해 제한되는 것이 아니라, 하기의 청구의 범위 및 이의 임의의 균등물에 기술된 한계에 의해 좌우되어야 한다.
본 발명은 본 명세서에 구체적으로 개시되지 않은 임의의 요소의 부재 시에도 적합하게 실시될 수 있다.
배경기술 단락에 인용된 것을 비롯하여 상기 인용된 모든 특허 및 특허 출원은 전체적으로 본 명세서에서 참고로 포함된다.

Claims (16)

  1. 용품(article)의 일부의 복합 또는 합성 곡면 3차원적 표면(complex or compound curved three-dimensional surface)을 페인팅하는 방법으로서, 상기 방법은:
    페인트 필름(paint film)을 제공하는 단계;
    양쪽 주 표면(opposite major surfaces)을 갖는 판금(sheet metal)을 제공하는 단계;
    제1 부분 및 제1 부분의 주변부(periphery) 상의 제2 부분을 포함하는 페인팅 된 판금 라미네이트(painted sheet metal laminate)를 성형하기 위해 판금의 한쪽 주 표면 상에 페인트 필름을 라미네이팅(laminating)하는 단계;
    페인팅 된 판금 라미네이트의 제1 부분을 복합 또는 합성 곡면 3차원적 형상(complex or compound curved three-dimensional shape)을 갖는 용품의 형태 부분(formed portion)으로 영구적으로 변형(permanently deforming)시키는 단계;
    상기 영구적 변형 단계의 초기 스테이지(initial stage) 동안에 페인팅 된 판금 라미네이트의 제2 부분을 고정시키기 위한 초기 힘(initial force)을 가하는 단계; 및
    상기 영구적 변형 단계의 후기 스테이지(later stage) 동안에 페인팅 된 판금 라미네이트의 제2 부분을 고정시키기 위한 후기 힘(later force)을 가하는 단계를 포함하고,
    후기에 가해진 힘(later applied force)은 초기에 가해진 힘(initially applied force)보다 더 큰, 방법.
  2. 제1항에 있어서:
    상기 영구적 변형 단계의 초기 스테이지 동안에 페인팅 된 판금 라미네이트의 제2 부분을 고정시키기 위한 하나 이상의 중간 힘(at least one intermediate force)을 가하는 단계를 추가로 포함하고, 하나 이상의 중간 힘은 초기 힘 후 및 후기 힘 전에 가해지며, 하나 이상의 중간 힘은 초기 힘보다 더 크고, 후기 힘은 하나 이상의 중간 힘보다 더 큰, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 페인팅 된 판금 라미네이트의 영구적 변형이 완료되기 전에, 가해지는 초기 힘은 후기 힘까지 선형적으로 증대되는, 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 후기 힘이 가해지기까지, 초기 힘은 일정하게 유지되는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 페인팅 된 판금 라미네이트의 영구적 변형의 백분율 완성이 약 25 % 내지 약 33.33 %의 범위에 들 때까지, 초기 힘이 가해지는, 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 페인팅 된 판금 라미네이트의 영구적 변형의 백분율 완성이 약 33.33 % 이상일 때까지, 후기 힘이 가해지지 않는, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 초기 힘의 크기는 후기 힘의 크기의 약 90% 이하인, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 제공된 페인트 필름은 외면을 갖고, 페인트 필름의 외면은 페인팅 된 판금 라미네이트의 외면을 성형하며, 제1 부분이 영구적으로 변형된 후, 복합 또는 합성 곡면 3차원적 형상의 외면은 클래스 A 표면인, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 용품은 차량의 바디 부품인, 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 페인트 필름은 보호용 중합체성 투명 코트로 임의적으로 코팅된 하나의 주 표면, 및 접착제로 코팅된 다른 한 주 표면을 갖는, 착색 안료가 함침된 중합체성 층을 포함하는 배면 접착 페인트 필름인, 방법.
  11. 제10항에 있어서, 페인트 필름은 일시적이고 제거하기 쉬운 프리마스크(temporary and easily removable pre-mask)로 보호된 노출된 주 표면을 갖는, 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 판금은 비교적 평탄한 판금 조각인, 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 가해진 힘은 클램핑 또는 다른 방식의 압축력인, 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 페인팅 된 판금 라미네이트의 제1 부분을 영구적으로 변형시키는 상기 단계는 적어도 부분적으로, 펀치(punch) 및 다이 공동(die cavity)을 이용하여 성취되고, 펀치와 다이 공동 사이의 간격은 페인팅 된 판금 라미네이트의 총 두께의 약 180%로부터 약 205%까지의 범위에 있는, 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법에 따라 페인팅 된 복합 또는 합성 곡면 3차원적 표면을 포함하는, 용품.
  16. 페인팅 된 판금 라미네이트를 성형하기 위해 판금의 한쪽 주 표면에 라미네이팅된 페인트 필름을 포함하는 용품으로서, 상기 페인팅 된 판금 라미네이트는 제1 부분 및 상기 제1 부분의 주변부 상의 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분은 복합 또는 합성 곡면 3차원적 형상을 가지며, 상기 제1 부분 내의 상기 페인트 필름의 적어도 일부는 상기 페인트 필름의 일부가 복합 또는 합성 곡면 3차원적 형상으로 영구적으로 변형되도록 연신되었음을 나타내는 인장 또는 연신 변형 프로필(tensile or stretching strain profile)을 나타내고, 상기 페인팅 된 판금 라미네이트의 상기 제1 부분이 복합 또는 합성 곡면 3차원적 형상으로 영구적으로 변형되도록 연신되었음에도 불구하고, 상기 제2 부분 내의 상기 페인트 필름의 적어도 일부는 상기 페인트 필름의 일부가 압축 또는 클램핑력 하에서 제자리에 유지되고 있음을 나타내는 압축 변형 프로필을 나타내는, 용품.
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