KR20160082982A - 대규모 금속 성형 - Google Patents

Abstract

본 명세서에 설명되는 특정 실시예에서, 가열된 선 성형 시스템이, 금속 부재의 표면 상에 가열된 선을 생성하도록 구성되는 가열 코일 시스템을 포함한다. 또한, 가열된 선 성형 시스템은, 상기 가열된 선을 위한 건조 영역을 유지하도록, 그리고 냉각제가 상기 금속 부재 상의 가열된 선 내로 유동하거나 튀지 않도록 분무 메커니즘을 통해 상기 가열된 선 주변으로 냉각제(예를 들어, 냉각수, 액화 아르곤과 같은 액화 기체, 드라이아이스와 같은 고화 기체, 등)를 유도하도록 구성되는, 공기 나이프 냉각 시스템을 포함한다. 특정 실시예에서, 가열된 선 성형 시스템은, 선을 따라 배열되며 그리고 짧은 간격으로 이격되지만, 함께 동시에 작동하게 될 때, 금속 부재의 표면 상에 가열된 선을 형성하는, 복수의 유도 코일을 포함한다.

Description

대규모 금속 성형{LARGE SCALE METAL FORMING}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 모든 목적을 위해 그 전체가 참조로 본 명세서에 통합되는 2013년 11월 7일 출원된 "대규모 금속 성형"으로 명칭이 부여된 미국 가특허출원 제61/901,294호의 우선권 및 이익을 주장한다.

본 발명은 개괄적으로 금속 성형에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동화된 열성형 공정 및 시스템에 관한 것이다.

스틸 및, 이보단 덜하지만, 알루미늄은, 대부분의 제조를 위한 선택의 구조 재료이다. 결과적으로, 금속 굽힘 및 금속 성형 작업은, 제조자에게 계속해서 상당한 중요성을 가질 것이다. 품질 및 생산성 요건이 증가함에 따라, 자동화된 시스템이 이러한 요구를 만족시키기 위해 요구될 것이다. 오늘날, 제조 산업은, 선 가열, 점 가열, 기계적 굽힘, 프레스 브레이크와 같은 수동 공정들 및 대부분의 금속 성형 작업을 위한 수동 작동 장비에 의존한다. 하나의 주요 제조 산업은 선박 건조 산업이며; 결과적으로 선박 건조의 예들이 본 설명에 포함된다. 그러나, 다른 제조 산업들이 본 명세서에 설명되는 자동화된 열성형 공정 및 시스템으로부터 이익을 얻을 것이다.

일반적으로, 열간 성형과 냉간 성형의 두 가지 방법이 대형 금속 플레이트 부재의 성형에 사용된다. 기계적 냉간 성형은 일반적으로, 선형 프레스 또는 롤러를 사용하여 달성되며, 그리고 단순한 만곡된 플레이트 또는 복잡하지 않은 3차원 성형 플레이트를 형성하기 위한 방법으로서, 또는 앞선 플레이트 부재 성형 방법과 같이 본래 평평한 플레이트 표면의 평면에서 x 수직축 및 y 수직축에서 모두 곡률이 존재하는 일정 곡률을 갖는 플레이트를 생성하기 위한 방법으로서 주로 사용된다. 이러한 이중으로 만곡된 플레이트들은 통상 열간 성형을 이용한다. 열간 성형은 균일하게 가열된 플레이트 상에 힘을 작용시키기 위한 프레스를 사용하여 달성될 수 있다. 열성형 또는 선 가열로 지칭될 수 있는 다른 열간 성형 방법이, 차등적 또는 국부적 가열 및 냉각에 의해 생성되는, 잔류 열 탄성 소성 변형(residual thermal elastic-plastic deformation)을 이용한다. 이러한 선 가열 또는 열성형은 이중으로 만곡된 플레이트들을 형성하기 위해 또는 선체 블록들 내의 잔류 용접 변형을 제거하기 위한 방법으로서 이용될 수 있을 것이다.

열간 성형 방법은, 플레이트들이 플레이트 표면 상의 선 또는 가상선을 따라 일정한 방향으로 단일 열원을 이동시킴에 의해 가열되기 때문에, 선 가열 공정으로 지칭될 수 있을 것이다. 대형의 평평한 금속 플레이트는, 이후에 사전 결정된 선을 따라 이동하게 되며 그리고 이어서 신속하게 냉각되는, 점(spot)을 상승된 온도로 국부적으로 가열함에 의해, 복합 곡률의 3차원 형상을 갖도록 성형될 수 있을 것이다. 가열은 플레이트의 두께를 완전히 관통하도록 이루어질 수도 또는 그렇지 않을 수도 있다. 두께를 관통하는 가열 및 이후의 냉각의 이용은, 플레이트 내에 상당한 수축을 야기할 수 있으며, 그의 상당한 부분은 열원 또는 가열된 점에 의해 횡단되는 가열된 선에 직교하는 방향으로 존재한다. 가열은, 플레이트가 새로운 형상으로의 점진적 변형을 갖도록, 기하학적 패턴으로 그리고 미리 선택된 순서로, 선들을 따라 수행될 수 있을 것이다. 플레이트는, 마감된 플레이트의 형상일 수 있으며 또는 성형 공정 도중에 조절될 수 있는, 아래에 놓이는 크래들(cradle) 또는 일련의 핀-지그들(pin-jigs) 상에서 지지될 수 있다.

본 명세서에 설명되는 특정 실시예에서, 가열된 선 성형 시스템이, 금속 부재의 표면 상에 가열된 선을 생성하도록 구성되는 가열 코일 시스템을 포함한다. 또한, 가열된 선 성형 시스템은, 상기 가열된 선을 위한 건조 영역을 유지하도록 그리고 냉각제가 상기 금속 부재 상의 가열된 선 내로 유동하거나 튀지 않도록 분무 메커니즘을 통해 상기 가열된 선 주변으로 냉각제(예를 들어, 냉각수, 액체 아르곤과 같은 액화 기체, 드라이아이스와 같은 고화 기체 등)를 유도하도록 구성되는, 공기 나이프 시스템을 포함한다. 특정 실시예에서, 가열된 선 성형 시스템은, 선을 따라 배열되며 그리고 짧은 간격으로 이격되지만, 함께 동시에 작동하게 될 때, 금속 부재의 표면 상에 가열된 선을 형성하는, 다중 유도 코일들을 포함한다.

본 발명의 이러한 그리고 다른 특성들, 양태들 및 장점들은, 유사한 참조 부호들이 도면 전체에 걸쳐 유사 부분들을 나타내는 첨부 도면들을 참조하여 뒤따르는 상세한 설명이 읽혀질 때 더욱 잘 이해될 것이다.
도 1은 통상적인 금속 성형 공정에 사용될 수 있는 통상적인 선형 프레스 브레이크를 도시하며;
도 2a 내지 도 2c는 본 개시의 실시예에 따른 예시적인 열성형 공정에서의 복수의 단계를 도시하고;
도 3은 본 개시의 실시예에 따른 맞대기 용접부(butt weld)에서의 각도 뒤틀림에 대한 도면이고;
도 4a 및 도 4b는 각각 산소 아세틸렌 가열 대 유도 가열의 시간차 및 온도차를 도시하며;
도 5는 본 개시의 실시예에 따른 예시적인 자동화된 열성형 시스템의 측면도이고;
도 6은 본 개시의 실시예에 따라 성형되는 비교적 복잡한 굽힘을 보여주는 다른 측면도이고;
도 7a 및 도 7b는 본 개시의 실시예에 따른 금속 굽힘 또는 성형을 위한 선 가열 방법 대 가열된 선 방법에 대한 평면도이고;
도 8은 본 개시의 실시예에 따른 예시적인 열성형 시스템의 측단면도이고;
도 9는, 본 개시의 실시예에 따른 열성형 공정 도중에 플레이트들이 그 위해 지지될 수 있는, 변형 가능한 액체-충전 주머니(bladder)를 포함하는 예시적인 가열 베드의 측면도이며; 그리고
도 10은, 본 개시의 실시예에 따라 가열 헤드의 대향하는 측부들에 배치되는 대향하는 평행한 벽들에 의한 공기 가이드를 구비하는, 예시적인 열성형 조립체에 대한 절개 평면도이다.

본 발명의 하나 이상의 특정 실시예들이 아래에 설명될 것이다. 이러한 실시예들에 대한 간결한 설명을 제공하기 위한 노력으로, 실제 구현예의 모든 특징들이 본 명세서에서 설명되니 않을 수 있을 것이다. 임의의 공학적 또는 설계 프로젝트에서와 같은, 임의의 그러한 실제 구현예에 대한 개발에서, 수많은 구현-특정 결정들이, 하나의 구현예와 다른 구현예 간에 변할 수 있는 시스템 관련 및 비즈니스 관련 제약의 준수와 같은, 개발자의 특정 목표들을 달성하기 위해 이루어져야만 한다는 것을 알아야 한다. 더불어, 그러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 본 개시 내용의 이익을 갖는 당업자에게, 설계, 조립 및 제조에 대한 일상적인 업무일 것이라는 점이 인식되어야 한다.

본 발명의 다양한 실시예들 요소들을 소개할 때, 관사들은 하나 이상의 요소들이 존재한다는 것을 의미하도록 의도된다. "포함하는", "구비하는" 및 "갖는"과 같은 용어들은, 포괄적이도록 그리고 열거된 요소들과 다른 부가적인 요소들이 존재할 수도 있다는 것을 의미하도록 의도된다.

이상에 논의된 수동의 그리고 수동으로 조작되는 금속 성형 공정을 이용하는 비용은 상당할 수 있을 것이다. 도 1은 통상적인 금속 성형 공정에 사용될 수 있는 전형적인 선형 프레스 브레이크(10)(예를 들어, 40 피트 폭, 2500 톤의 프레스 브레이크)를 도시한다. 프레스 브레이크(10)는 비교적 신속하게 굽힘부를 형성할 수 있지만, 임의의 상당한 크기의 부품을 위해, 시스템은, 시트 재료(14)를 들어올리기 위한 크레인(12) 및 굽힘부가 생성될 수 있기 이전에 수 분 동안 작업하는 무려 5명의 크레인 및 기계 작업자(16)를 요구한다. 때때로, 크레인(12)은 반자동화된 플레이트 이동 시스템(비교적 고가일 수 있음)으로 대체될 수 있다. 조선소 피고용인에 대한 합리적인 급여 수준을 유지하기 위해 그리고 여전히 국제적 수준에서 경쟁하기 위해, 조선소에서의 금속 성형은 더욱 자동화된 방법들로부터 이익을 얻을 수 있을 것이다.

제조 산업에서 기존의 수작업 노동자는 상당 부분, 컴퓨터화된 모니터링 시스템 및 제어 시스템을 감독하고 유지하는 작업자로 대체되었으며, 한때 사용되었단 공정들 중 많은 것이 더 이상 적용되지 않고 있다. 예를 들어, 20년 전에는, 대부분의 구멍이 회전 드릴을 사용하여 뚫렸다. 오늘날, 자동화된 공장들에서, 구멍들은 레이저로 뚫린다.

제조가 미국과 유럽에서 자동화를 구현할 수 없었던 하나의 이유는, 제조의 일반적인 특성이다. 아시아와 같은 다른 지역에서 생산되는, 대량 생산된 선박들은, 매우 자동화되었지만, 그러한 조선사들은 공정 제어 및 품질 모니터링의 대부분을 위해 정교한 로봇 프로그래밍에 의존한다. 이것은 또한, 특히 미국과 여타 지역에서의 자동차 산업에서도 그러하다. 공통점은 동일 부품의 대량 생산이다. 미국에서의 그리고, 어느 정도는 유럽에서의 선박 건조는, 단품 생산 및 소량 생산(one-off and few-of-a-kind production)의 대형 부품을 갖는다. 이러한 환경에서, 많은 상이한 종류의 부품을 위한 로봇 프로그래밍과 재-프로그래밍은, 예컨대, 일부 자동차 공장의 경우 수십억 달러까지 또는 그 이상으로 엄청나게 고가일 수 있다.

경제적으로 실행 가능하게 될 완전히 자동화된 금속 성형을 위해, 선박 건조의 단품 생산 및 소량 생산의 제조 환경에서 유연한 자동화를 활용하는 것이 유리할 것이다. 유연한 자동화는 일반적으로, 뒤따르는 3가지 과제를 자동으로 달성하기 위한 능력에 기초하게 된다: 1) 컴퓨터 응용 설계(CAD) 모델에 담긴 정보로부터 직접적으로 로봇 동작 및 처리 제어를 프로그램하는 것; 2) 유연한 자동화를 가능하게 하는 새로운 금속 성형 공정을 구비하는 것; 3) 모두 실시간으로 품질 보증에 대해 모니터링하고 공정을 제어하어 하는 것.

금속의 열성형은 일반적으로, 차등적 가열 및 냉각에 의해 금속 부재 내에 잔류 스트레인(residual strain)을 생성하는 공정이다. 오늘날 조선소에서 사용되는 이러한 공정은, 주로 비교적 숙련된 사람에 의해 수동으로 행해지는 "선 가열"로 지칭된다. 본 명세서에 설명되는 실시예들은, 도 1에 도시된 선형 브레이크 프레스(10)와 같은, 선 가열 및 통상적인 금속 성형 작업보다 더 정확하게 열성형 부품들을 생성할 수 있으며 그리고 비교적 빠른, 자동화된 열성형 공정 및 시스템을 지향한다.

도 2a 내지 도 2c는 본 개시의 실시예에 따른 예시적인 열성형 공정(18)에서의 복수의 단계를 도시한다. 도시된 열성형 공정(18)은, 외부에서 작용하게 되는 힘을 요구함 없이 금속을 성형하는, 가열 및 냉각의 2개의 주요 단계를 포함한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 공정(18)은 변형되지 않은 시트 재료(14)와 더불어 시작할 것이다. 이어서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 가열이, 예컨대, 시트 재료(14)의 제1 표면(22)을 가로질러 열원(20)(예를 들어, 화염, 레이저 빔, 유도 가열 코일 등)을 이동시키는 것에 의해 시트 재료(14)에 가해질 수 있을 것이다. 가열된 영역(24)에서의 시트 재료(14)의 금속의 온도는, 충분한 열팽창이 소성 변형의 생성을 야기하도록, 충분히 증가하게 된다. 제1 표면(22) 상의 가열된 영역(24)은 측부들로 팽창하지 않는 것으로 알려진다. 대신에, 가열된 영역은 비교적 차가운 주변 재료에 의해 구속되며, 따라서 제1 표면(22)으로부터 멀어지게 팽창하여, 영구 변형하고 더 두꺼워진다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 일단 시트 재료(14)가 냉각되면, 화살표들(26)에 의해 도시되는 바와 같이, 가열된/변형된 영역(24)은 수축하여, 시트 재료(14)의 제1 표면(22)을 당긴다. 시트 재료(14)의 가열된 영역(24)은 대시 온도로 다시 냉각되며, 이는, 시트 재료(14)에 굽힘(예를 들어, 변형)을 야기하기에 그리고 스트레인을 생성하기에 충분한 수축 응력을 결과적으로 생성하는, 열 수축을 야기한다. 특정 실시예에서, 이러한 공정은, 원하는 형상을 생성하기 위해 사전 한정된 패턴으로, 시트 재료(14)의 제1 표면(22), 파이프 재료, I-자형 빔 재료, L-자 형상 재료, 봉재(bar stock), 원추형, 원형, 사다리꼴, 정사각형, 다각형 또는 다른 초기 형상을 가로질러, 열원(20)을 스캐닝하는 것에 의해 반복될 수 있다.

열성형 공정의 이론은, 가열 작업이 두께 관통 방향(28)(즉, 시트 재료(14)의 제1 표면(22)에 대체로 직교하는 방향)으로 열 팽창 및 영구적 스트레인을 생성해야 한다는 것이다. 냉각 작업은, 두께 관통 방향(28)에 직교하는 2차원 평면(30)(즉, 시트 재료(14)의 제1 표면(22)에 대체로 평행한 2차원 평면) 내에 열 수축 및 영구적 스트레인을 생성할 필요가 있다. 열 팽창 및 열 수축으로 인한 소성 변형의 이러한 비대칭성이, 금속이 굽는 것을 야기한다.

일반적으로, 시트 재료(14)의 비교적 신속한 가열이, 가열된 금속의 열 팽창이 단지 두께 관통 방향(28)으로만 구속되는 것으로부터의 이익을 얻는 한, 유리하다. 그에 따라, 가열은, 가열되지만, 도 2b에 도시된 바와 같이 시트 재료(14)의 두께의 대략 절반만 가열되는, 상당한 양의 금속을 얻기에 충분하도록 빠르게 실행되어야 한다. 이는, 신속하게 가열되는 경우, 열이 주변 재료로 전파되지 않기 때문에, 주로 두께 관통 방향(28)으로 일어나는 열 팽창을 가능하게 한다. 고온 금속의 항복 강도는 비교적 낮으며, 따라서, 높은 항복 강도의 저온 금속에 의해 구속되는 고온 금속은 쉽게 변형한다. 그러나, 일어나는 열 수축은, 어느 정도, 금속 표면(22)에 평행한 평면(30) 내에 존재하며, 그리고 주로 하나의 표면(예를 들어, 도 2c에 도시된 실시예에서의 제1 표면(22)) 근처에 집중될 것이다. 이전에 가열된 금속은 냉각되고 항복 강도는 증가하며, 결과적으로 이러한 금속은 둘러싸는 금속에 상당한 하중을 가할 것이며 그리고 금속 부재가 굽는 것을 야기한다.

그에 따라, 냉각 작업을 위한, 주된 열 수축은 대체로 두께 관통 방향(28)에 직교하는 평면(30)에 존재하며, 그리고 시트 재료(14)의 제1 표면(22) 또는 제2 표면(332) 중 하나(예를 들어, 다시 도 2c에 도시된 실시예에서의 제1 표면(22))에 가깝게 집중된다. 도 3은 본 개시의 실시예에 따른 맞대기 용접부에서의 각도 뒤틀림에 대한 도면이다. 열성형 공정은, 도 2a 내지 도 2c의 고체 시트 재료(14)와 거의 동일한 방식으로, 도 3에 도시된 맞대기 용접부(34)와 같은 용접부들에서의 금속의 굽힘을 생성한다. 주된 열 수축이 두께 관통 방향(28)에 직교하는 평면(30)에 존재하며 그리고 시트 재료(14)가 타표면(22, 32)보다 일표면(22, 32) 상에서 더 고온인 경우, 이때 굽힘이 일어날 것이다. 일반적으로, 굽힘은 가장 뜨거운 표면(22, 32)을 향할 것이다.

본 명세서에 설명되는 열성형 공정을 위한 가열의 정밀한 제어는, 적절한 금속 성형을 가능하게 한다. 일반적으로, 열이 적절히 제어되지 않는 경우, 이때 공정은 요구되는 금속 성형으로 이어지지 않을 것이다. 그러한 열 제어와 관한 여러 고려 사항이 존재한다. 우선, 가열된 재료(14)는, 저온 금속의 둘러싸는 용기에 의해 구속되어야 한다. 일반적으로, 열은, 가열되고 있는 표면(예를 들어, 도 2b에 도시된 실시예에서의 제1 표면(22))에 가장 가까운 재료에만 국한되어야 하고, 따라서 최대 수축이 그러한 표면에 또는 그러한 표면 근처에 집중되어 일어나도록 할 것이다. 또한, 일반적으로, 두께 통과 방향(28)에 직교하는 평면(30)의 다른 측면(예를 들어, 도 2b에 도시된 실시예에서 제2 표면(32)) 상의 재료의 표면 및 금속의 두께 방향 중간부는 어떠한 상당한 가열도 받지 않는다. 금속의 가열되지 않은 측면으로의 열 흐름(즉, 전도)은 시간 의존적이기 때문에, 이것은, 가열이 중단되고 냉각이 시작될 때의 시점에, 두께 관통 방향(28)에서의 열 구배를 최대화하기 위해, 열이, 가능한 최대 속도로 가해져야 한다는 것을 의미한다. 일반적으로, 두께 관통 방향(28)에 직교하는 평면(30)에서의 열 팽창은, 금속 성형 공정의 최대 효율을 획득하는데 대해 역효과를 보일 것이다. 그에 따라, 주변 재료는, 가열된 재료를 구속하기 위해 가능한 한 상대적으로 차갑게 유지될 수 있을 것이다. 이것은 일반적으로, 주된 열 팽창이 두께 관통 방향(28)으로 존재할 것을 보장한다. 그렇지 않은 경우, 굽힘을 야기하는 열 수축의 순수한 양이, 두께 관통 방향(28)으로 존재하지 않는 열 팽창의 양만큼 감소하게 될 것이다.

화염 가열은, 대부분의 조선소에서 적용되는 주된 방법이다. 레이저 가열은, 열성형을 위한 다른 잠재적인 열원(20)이지만, 화염 가열 또는 레이저 가열 어떤 것도 두꺼운 금속 상에서의 사용을 위해 이상적이지 않다. 화염 가열은, 연소 공정에 의해 생성되는 대부분의 열이 주변 환경으로 소실된다(예를 들어, 화염 열의 30% 내지 50% 정도가 소실될 수 있을 것이다)는 단점을 갖는다. 추가로, 외부에서 생성되는 열은, 금속의 표면에서 계면(interface)을 통과해야만 하며, 이는 화염 가열 및 레이저 가열 모두에 대한 부가적인 비효율성이다. 더불어, 레이저의 가열 효율은, 화염보다도 훨씬 덜 효율적일 수 있다. 우선, 레이저는 전형적으로, 3% 내지 30%의 효율로 작동한다. 따라서, 효과적인 레이저의 경우에도, 에너지의 70%가 폐열로 소실될 수 있을 것이다. 부가적으로, 폐열을 제거하는 연관된 냉각 시스템 또한 에너지를 사용한다. 이때, 열이 금속 표면의 계면을 통과할 수 있기 이전에, 레이저는 레이저 광 빔의 에너지를 전달하기 위해 표면과 커플링되어야만 한다. 그에 따라, 화염 가열 및 레이저 가열은, 본 명세서에 설명되는 열성형 실시예들에 분명히 사용될 수 있지만, 화염 및 레이저 모두에 대해, 에너지 효율은 30% 미만일 수 있을 것이다.

결과적으로, 화염 및 레이저 가열 모두가 이용될 수 있는 가운데, 가능한 한 신속하게 가열하기 위한, 열성형 시스템의 제1 목적을 만족시킨다면, 이들은 최적 조건과는 거리가 있을 수 있다. 가능한 한 신속하게 가열하기 위해, 시스템은, 가열된 재료(14)의 내부로 최대량의 열을 최단 시간 내에 투입시킬 수 있어야 한다. 특정 실시예에서, 유도 가열이, 유도 코일에 가장 가까운 표면 근처의 부분에 직접적으로 유도 전류를 생성하기 위해 이용될 수 있을 것이다. 가열은, 유도 코일에 의해 생성되는 고주파 전자기장에 의해 유도되는, 재료(14)의 내부 체적 내로 전도되는 고주파 "와상(eddy)" 전류에 의해 달성된다. 일반적으로, 유도 가열은, 본 명세서에 설명되는 실시예에서의 사용을 위한 가장 신속하고 가장 효율적인 가열 방법일 수 있을 것이다. 본 명세서에 설명되는 실시예에서 활용될 수 있는 유도 가열 시스템의 예들이, 예컨대, 참조로 본 명세서에 통합되는, 2011년 5월 19일자로 출원된 "보도 용접 가열 시스템"으로 명칭이 부여된 미국 특허출원공개 제2011/0284527호에 개시된다.

성형 온도에 도달하기 위한 시간의 계산은, 선택된 공정의 열속(heat flux)에 의존한다. 특정 상황에서, 예컨대, EH-36 해양용 스틸에 대한 열성형을 위한 최대 허용 가능 온도는 대략 1150 ℉이다. 다음의 수학식이, 성형 온도에 도달하기 위해 요구되는 상대적인 시간을 계산하기 위해, 이용될 수 있다.

여기서, t_ig = 성형 온도에 도달하기 위한 시간,

T_ig = 성형 온도(°K) = 1150,

T₀ = 주변 온도(°K) = 370,

q" = 열속(W/m²)

= 48,880,000(아세틸렌) =

= 1,400,000,000(35 kW 유도 가열).

열 생성 효율의 변동성 및 금속 표면의 열 장벽 때문에, 단지 상대적인 시간의 근사치만이 도달될 수 있을 것이다. 그러나, 하나의 예로서, 35 kW 유도 가열 헤드에 넘버 4 산소-아세틸렌 토치 팁을 비교하는 실험적 데이터가, 가열 시간의 비율이 대략 20:1 이라는 것을 보여준다.

t_ig = 20 초(아세틸렌),

t_ig < 1 초(35 kW 유도 가열)

도 4a 및 도 4b는 각각, 산소-아세틸렌 가열 대 유도 가열(예를 들어, 35 kW 유도 가열 시스템에 의한)의 시간차 및 온도차를 도시한다. 대략 6초 후에, 화염(36)의 가열된 영역(24)은, 재료(14)의 절반 두께 지점을 훨씬 넘어 확장되었으며 그리고 요구되는 가열된 점 크기의 폭을 훨씬 넘어 퍼지고 있으며, 그렇지만 제1 표면(22)에서의 최대 온도는 여전히 단지 800 ℉이다. 대조적으로, 대략 1초 후에, 유도 가열에 의한 가열된 표면(22)의 온도는, 1150 ℉의 열성형 온도를 초과하였다. 그러므로, 유도 가열 컨트롤러는, 요구되는 성형 온도를 달성하기 위해, 최대 출력에서 대략 850 ms 동안만 가열하는 것이 필요하다. 출력 레벨과 코일 크기를 조절함에 의해, 유도 가열 시스템(38)은, 열성형 공정을 최적화하기 위해, 이상적인 가열된 영역 크기를 생성하도록 "조정"될 수 있다.

본 명세서에 설명되는 열성형 공정의 다른 목적은, 재료(14)를 가능한 한 신속하게 냉각시키는 것이다. 레이저 가열 및 화염 가열 모두, 그들이 금속으로 전달할 수 있는 열량에 관해 비교적 제한되기 때문에, 이러한 가열 공정들 중 어느 것도 유도 가열처럼 꽤 양호하지 않다. 즉, 열 전도가 시간에 기초하게 됨에 따라, 최대 온도에 도달하는데 필요하게 되는 가열 시간이 더 길수록, 열을 주변 금속으로 전도하기 위한 가용 시간이 더 길어질 것이다. 주된 가열된 영역을 둘러싸는 모든 그러한 고온 금속은, 냉각 속도를 늦추는 경향이 있을 것이다. 특정 실시예에서, 가열된 영역(24)의 크기를 여전히 유지하는 가운데, 레이저의 출력 레벨을 증가시킴에 의해 레이저 가열을 위한 가열 속도를 변경시키는 것이 가능할 수 있을 것이다. 단점은, 고출력 레이저가 유도 가열과 비교하여 구매하기에 그리고 유지하기에 엄청나게 고가일 수 있다는 점이다.

특정 실시예에서, 본 명세서에 설명되는 열성형 공정은, 비교적 두꺼운 금속 요소들에 대해 배제적으로 유도 가열만을 이용할 수 있을 것이다. 특정 실시예들은, 조선소에서의 데크 플레이트 또는 격벽 바로잡기(straightening)와 같은, 이동식 용도를 가능하게 할 수 있을 것이다. 그러한 경우, 예컨대, 25 kW 이동식 유도 전원이, 열원(20)으로서 사용될 수 있을 것이다. 특히 비교적 대형인 플레이트들을 성형하기 위한 다른 실시예들은, 하나(또는 복수)의 35 kW 유도 전원을 열원(20)으로서 사용할 수 있을 것이다. 또 다른 실시예에서, 더욱 높은 용량의 전원 및 더 큰 유도 코일이 사용될 수 있을 것이다.

화염 토치가 주어진 양의 시간 내에 하나의 유도 가열 헤드에서와 같은 굽힘의 13%를 달성할 수 있다고 믿어진다. 열성형에 대한 비용 비교가, 아세틸렌 비용이 입방 피트 당 0.17$이라는 것 그리고 전기 비용이 kW-hr 당 0.07$이라는 것을 가정하여 계산될 수 있다. 이러한 가정이 주어지면, 각각 1.00$의 유도 가열 헤드의 운용 비용에 대해, 화염 토치에 의해 동일한 양의 성형을 달성하기 위한 비용은 157.37$이다. 그에 따라, 본 명세서에 설명되는 유도 가열의 실시예는, 비교 가능한 화염 가열의 실시예들보다 훨씬 덜 저가일 수 있을 것이다.

도 5는 본 개시의 실시예에 따른 예시적인 자동화된 열성형 시스템(40)의 측면도이다. 추가로, 도 6은 본 개시의 실시예에 따른 자동화된 열성형 시스템(40)에 의해 성형되는 비교적 복잡한 굽힘부를 도시하는 다른 측면도이다. 특정 실시예에서, 자동화된 열성형 시스템(40)은, 하나 이상의 열성형 조립체(88)의 15 자유도 운동 제어가 가능한 제어 시스템(86)을 포함하며, 각각의 열성형 조립체(88)의 위치는, 개별적인 열성형 조립체(88)에 부착되며 그리고 제어 시스템(86)에 의해 독립적으로 제어 가능한, 위치 설정 장치(90)(예를 들어, 도시된 바와 같이 특정 실시예에서 겐트리(gantry) 시스템을 포함할 수 있는 열성형 스테이션(46)에 대해 이동 가능한 장치)를 통해, 독립적으로 제어 가능하다.

특정 실시예에서, 제어 시스템(86)은, 열성형 시스템(40)의 작동 파라미터들의 제어를 유효하게 하기 위해 열성형 시스템(40)의 구성요소들에 전송될 수 있는 제어 신호들을 생성하기 위해 제어 시스템(86)의 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 수 있는 컴퓨터 명령을 저장하는, 적어도 하나의 기억 매체를 포함한다. 그러한 제어 신호들은, 열성형 스테이션(46)에 대한 위치 설정 장치(90)(그리고 확장하면, 그들의 개별적인 열성형 조립체(88))의 위치 설정 및/또는 이송 속도[열 성형되는 재료(14)의 표면(22)에 대해 x 방향 및 y 방향으로의, 뿐만 아니라 재료(14)의 표면(22)으로부터 가열 헤드(42)의 거리(높이)]를 제어할 목적으로, 위치 설정 장치(90)로 전송되는 위치 설정 제어 신호들, 열성형 조립체(88)에 의해 가해지는 열의 양(및 열성형 조립체에 의해 생성되는 관련 온도)을 조절할 목적으로, 열성형 조립체(88)로 전송되는 가열 제어 신호들, 열성형 조립체(88)를 통한 공기의 유량 및/또는 압력을 조절할 목적의, 공기 유동 및/또는 압력 제어 신호들, 열성형 조립체(88)를 통한 냉각제의 유량 및/또는 압력을 조절할 목적의, 냉각제 유동 및/또는 압력 제어 신호, 등을 포함한다.

부가적으로, 특정 실시예에서, 시스템(40)은, 제어 시스템(86)에 피드백을 제공하기 위해, 여러 위치에서의 공기 유동 및 압력, 여러 위치에서의 냉각제 유동 및 온도, 플레이트 표면(22)으로부터의 각각의 가열 헤드(42)의 이격(stand-off), 가열된 영역들의 온도, 진단용 센서 에러, 등을 모니터링하는 복수의 센서(92)(예를 들어, 최대 32개의 또는 32개 초과의 센서)를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 유연한 자동화 시스템(40)은, 성형 스테이션(46)의 각각의 45-피트 길이의 측면(44) 상의 2개의 x-축 선형 운동 구성요소와 12-피트 폭의 가열 베드(48)를 가로지르는 2개의 y-축 선형 운동 구성요소, 및 각각의 열성형 조립체(88)[그리고 확장하면, 열성형 조립체(88)와 연관되는 가열 헤드들(42)]의 높이 제어를 위한 것들인, 6개의 선형 운동 구성요소, 그리고 (예를 들어, 특정 실시예에서는 6개의) 가열 헤드들(42)을 하강/상승시키기 위해 수직 방향으로 "헤드 바"(50)를 이동시키는 2개의 주된 Z-축 선형 운동 구성요소를 포함한다. 모두 12개의 운동 축이, 각각의 열성형 조립체(88)를 위해 독립적으로 제어 가능하거나, 또는 다양한 조합으로 소프트웨어 제어 하에서 동기식으로 이동하도록 잠기게 될 수 있을 것이다. 시스템(40)은, 최대 74개의 열성형 조립체(88)[그리고 확장하면, 열성형 조립체(88)와 연관되는 가열 헤드(42)]와 함께 최대 80개의 운동 축을 작동시키기 위한 능력을 갖는 것으로 알려진다. 특정 실시예에서, 2-색상 셀프-보정 광학 온도 센서(92)가, 반복 가능하고 예측 가능한 최종 플레이트 형상을 보장하도록, 가열된 영역(24)의 온도를 초당 10회 모니터링하기 위해, 사용될 수 있을 것이다. 이동형 성형 베드(48)는 스틸 플레이트의 신속한 삽입 및 제거를 위해 사용될 수 있을 것이다.

도 5에 도시된 플레이트(예를 들어, 재료(14))는, 이동형 성형 베드(48) 상에 놓여 있다. 이동형 성형 베드(48)들은, 트랙(52) 상에서 2개의 성형 베드가 교대로 작동하여, 따라서 기계 내에서 플레이트(14)가 성형되고 있는 가운데, 크레인이 완성된 플레이트(14)를 언로딩할 수 있으며 그리고 성형될 플레이트(14)를 로딩할 수 있도록 한다. 이러한 자동 로딩의 사용은, 기계가 처리량을 최대화하는 것을 가능하게 한다. 특정 실시예에서, 시스템(40)은, 6개의 가열 헤드(42)를 갖도록 구성되지만, 전술한 바와 같이, 기술은, 최대 74개의 또는 74개 초과의 가열 헤드(42)를 작동시킬 수 있다. 이러한 적용을 위해, 74개의 가열 헤드(42)를 갖는 경우, 플레이트(14)가 로 15분 내에 또는 그 보다 적은 시간 내에 성형될 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 특정 실시예에서, 가열 베드들(48)은, 플레이트(14)가 열성형 공정 도중에 그 위에서 지지될 수 있는, 비교적 평탄한 표면들을 포함할 수 있으며, 평탄한 표면들은, 플레이트가 열성형 공정 도중에 변형함에 따라, 플레이트(14)의 형상(중간 형상 또는 최종 형상)과 일치하지 않는다. 그러나, 다른 실시예에서, 가열 베드들(48)은 대신에 열성형 공정 도중에 플레이트(14)를 지지하는 변형 가능한 액체-충전 주머니(bladder)를 포함할 수 있다. 도 9는, 플레이트(14)가 본 명세서에 설명되는 열성형 공정 도중에 그 위에서 지지될 수 있는, 변형 가능한 액체-충전 주머니(94)를 포함하는 가열 베드(48)의 예시적인 실시예의 측면도이다. 도시된 바와 같이, 플레이트(14)가 열성형 공정 도중에 변형함에 따라, 액체-충전 주머니(94)는 열성형 공정 내내 플레이트(14)의 형상에 일치한다. 또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 특정 실시예에서, 분할된 요소들(96)의 층 이, 열성형 공정 도중에 액체-충전 주머니(94)의 상부(예를 들어, 플레이트(14)와 액체-충전 주머니(94) 사이)에 배치될 수 있다. 특정 실시예에서, 각각의 분할된 요소(96)는, 인접한 분할된 요소(96)에 부착될 수 있지만, 이들이 열성형 공정 도중에 집합적으로 플레이트(14)의 형상에 일치하도록, 서로에 대해 가볍게 이동할 수 있다. 특정 실시예에서, 분할된 요소들(96)은, 열성형되는 플레이트(14)로부터 액체-충전 주머니(94)로 전달되는 열을 감소시키도록 구성될 수 있을 것이다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 분할된 요소들(96)은 세라믹 타일들일 수 있다.

최대 생산시, 처리량을 최대화하기 위해, 크레인(예를 들어, 도 1에 도시된 크레인(12)과 유사함)이 제1 이동형 성형 베드(48) 상에, 대략 7.5분 이내에 플레이트(14)를 언로딩한 다음, 대략 7.5분 이내에 새로운 플레이트(14)를 로딩할 수 있을 것이다. 이후, 크레인은, 제2 이동형 성형 베드(48)가 현재 성형 되고 있는 플레이트(14)를 이동시키게 될 기계의 다른 단부로 이동한다. 성형된 플레이트(14)를 제거하고 성형될 플레이트(14)를 배치하는 공정은, 제1 성형 베드(48) 상의 플레이트(14)가 적소로 이동되어 성형되는 가운데, 제2 성형 베드(48) 상에서 반복된다. 이 공정은 반복되며, 따라서 기계의 처리량은, 예컨대 시간당 4개까지의 10×40 피트 성형 플레이트(14)일 수 있다.

지금부터 다시 도 5를 참조하면, 특정 실시예에서, 제어 시스템(86)은, 이동형 성형 베드(48)가 플레이트(14)를 적소로 이동시키기 위해 취하는 시간 내에 모두, 각각의 플레이트(14)에 대한 CAD 모델로부터 데이터를 다운로드하고, 성형 작업을 자동으로 계획하며 그리고 (특정 실시예에서, 시스템(40)을 시동하고 모니터링하는 것을 제외한 조작자의 개입 없이) 성형 작업을 개시한다. 성형 작업 이후에, 각각의 가열 헤드(42) 상의 높이 센서들은 측정 센서들이 된다. 플레이트(14)는 시스템(40)의 디지털 품질 제어 시스템을 위해 스캐닝될 수 있으며 그리고 치수들이 시스템의 디지털 품질 제어 시스템을 위해 기록될 수 있을 것이다.

임의의 제강 공장으로부터 인도되는 각각의 스틸 플레이트(14)는, 치수, 조성, 열적-기계적 이력, 등이 다를 수 있다. 이러한 다름은, 공정 모델이 예상하는 것처럼 스틸 플레이트(14)가 정확하게 반응하지 않도록 야기할 수 있다. 결과적으로, 열성형 시스템(40)은, 성형 이후에 취해지는 스캐닝 데이터로부터 임의의 이탈 사양 상태를 식별할 수 있다. 이러한 정보는, 플레이트(14)를 사양과의 적합 상태에 이르도록 하기 위한 가열 계획을 생성하도록, 계획 알고리즘에 의해 활용될 수 있다. 특정 실시예에서, 센서들(92)은, 표면 높이 측정에 있어 3 밀(mil)의 해상도를 가능하게 하며, 그리고 CAD 모델 사양으로부터 비교적 작은 차이를 검출할 수 있다. 특정 실시예에서, CAD 모델 데이터는, 보충적인 성형이 플레이트(14)를 적합 상태에 이르도록 하기 위해 요구되는지를 판정하기 위해, 제어 시스템(86)이 플레이트 측정치와 비교하게 될, 허용 사양을 포함한다.

특정 실시예에서, 플레이트의 일련번호 또는 다른 식별 정보가 플레이트(14) 상에 존재하면, 제어 시스템(86)은 (예를 들어, 스캐닝 장치를 사용하여) 그러한 정보를 판독할 수 있으며 그리고 정확한 CAD 모델을 자동으로 다운로드할 수 있다. 따라서, 기계 조작자는, 단지 기계 작동만을 모니터링할 필요가 있으며, 그리고 필요하게 될 때 기계를 수리할 수 있다. 특정 실시예에서, 플레이트들(14)은, 이들이 필요하게 되는 순서로 적층될 수 있다. 따라서, 크레인은, 조작자의 개입 없이, 이동형 성형 베드(48) 상에 로딩하는 것은 물론, 이동형 성형 베드(48)로부터 플레이트(14)를 언로딩하는 것에 관해, 자동화될 수 있다. 따라서, 크레인과 성형 시스템의 작동을 모니터링하기 위해 단지 한 명의 조작자만을 요구하는 것이 가능할 수 있을 것이다. 이것은, 예컨대 도 1과 관련하여 이상에 논의된 것과 같은, 대형 프레스 브레이크(10)에 비해, 인건비를 절감할 수 있다.

본 실시예의 가열 헤드들(42)이, 도 1에 관해 이상에 논의된 것과 같은 선형 프레스 브레이크(10)와 같이 반드시 플레이트(14)를 이동시켜야 하는 대신에, 제어 시스템(86)의 제어 하에서 독립적으로 이동 가능하기 때문에, 이상에 설명된 모든 자동화된 처리가 가능하다. 프레스 브레이크(10) 내에서 플레이트(14)를 이동시키는 것은, 비교적 저속이며 그리고 번거롭다. 대조적으로, 본 명세서에 설명되는 실시예에 대해, 일단 도입되는 플레이트의 기준점들(datum points)이 식별되고, 전체 성형 작동은 완전히 자동화되며 그리고 매우 신속하게 실행될 수 있다. 가열 헤드들(42)은, 성형이 실행되는 장소들로 이동하게 되며 그리고 이어서, CAD 모델 데이터에 기초하여, 다음의 성형 위치로 자동으로 이동하게 된다.

통상적인 제어 시스템들은 대체로, 방대한 양의 센서 데이터를 동시에 처리하기 위해 그리고 본 명세서에 설명되는 바와 같은 80개의 운동 축을 제어하기 위해 필요하게 되는 능력을 구비하지 않는다. 열성형 시스템(40)의 구성은, 프로세서 및 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어를 사용하는 제어 시스템(86)이 기계 작동을 감독하도록 그리고 종합적인 조작자 인터페이스를 제공하도록 한다. 제어 시스템(86)은, CAD 모델 데이터를 처리하며 그리고, 특정 실시예에서 열성형의 계획을 행하기 위해 인공 신경망 처리 모델을 활용한다. 이후, DSP-기반 컨트롤러가, 가열 계획을 수신하며 그리고 그러한 계획을 실행한다. 특정 실시예에서, 총 74개의 가열 헤드(42)를 갖는 제어 시스템(86)은, 공정 및 기계 건전성을 모니터링하기 위해, 초당 10 메가바이트 이상의 센서 데이터를 처리할 수 있을 것이다. 특정 실시예에서, 제어 시스템(86)은, 국립 표준 및 기술 연구소의 진보된 기술 프로그램(National Institute of Standards and Technology-Advanced Technology Program(NIST-ATP)으로부터 자금 출자를 받아, Energyn Tech, Inc. 의 인력 및 Caterpillar Corporation에 의해 공동 개발된 모니터링 프로그램인, S.H.I.E.L.D의 수정된 버전을 활용할 수 있다. S.H.I.E.L.D는, 실질적으로 실시간으로, 대형의 이동형 구조물 내에 매립된 100개를 넘는 센서들(예를 들어, 본 명세서에 설명되는 센서들(92))로부터의 데이터를 처리하도록, 피로 손상을 모니터링하도록, 그리고 구조물의 잔여 수명을 계산하도록, 설계되었다. Energyn Tech 팀에 의해 S.H.I.E.L.D를 위해 개발된 소프트웨어는, 또한 실질적으로 실시간으로, 시스템(40)으로부터의 대량의 센서 데이터를 모니터링하는 것이 가능하게 되도록 수정되었다.

하나의 주요 단점은, 열성형이, 기계적 굽힘을 이용하여 생성하기에 비교적 어려운 3차원 형상을 생성할 때를 제외하고, 기계적 성형 방법과 비교하여 비교적 느리다는 것이다. 특정 실시예에서, 시스템(40)의 속도를 증가시키기 위해, 가열된 선이, 금속을 변형시키기 위해, 선을 따라 가열된 점을 이동시키는 대신에, 이용될 수 있을 것이다. 다시 말해, 열성형 조립체(88)는, 플레이트(14)의 전체 길이(또는 적어도 길이의 실질적인 부분)에 걸쳐 연장되는 선이 동시에 가열되도록, 구성될 수 있다. 이러한 가열된 선 방법은, 레이저 빔이 선으로 광학적으로 변환되는 실시예에서 열성형의 속도에서의 상당한 증가를 결과적으로 초래한다. 기계적 굽힘은 일반적으로, 비교적 두꺼운 금속 부재들에 대한 열성형의 선 가열 방법보다 더 빠를 수 있다. 따라서, 두꺼운 금속 부재에 사용되기에 충분한 출력을 갖는 가열된 선 굽힘 방법에 대한 요구가 존재한다.

본 명세서에 설명되는 실시예는, 비교적 두꺼운 금속 부재에 신속하게 성형 또는 굽힘을 생성할 수 있도록 하기 위한 균등한 가열된 선을 형성하기 위해 비교적 높은 출력의 유도 가열을 이용하는, 열성형 방법을 제공하는 것에 의해 이러한 단점들을 해소한다. 본 기술은, 전형적인 화염 또는 레이저보다 더 많은 출력을 생하도록 하기 위해, 열성형 시스템(40)의 열원(20)(예를 들어, 가열 헤드(42))과 같은 하나 이상의 유도 가열 전원을 사용할 수 있도록 하며, 그리고 그것은 그에 따라 비교적 두꺼운 금속을 훨씬 더 신속하게 굽히거나 성형할 가열된 선의 균등물을 형성함에 의해 열성형 공정을 실행할 수 있도록 할 것이다. 본 명세서에 설명되는 실시예는 또한, 열성형 공정에 필요한 상당한 열 구배가 금속 부재 내에 존재하도록 충분히 신속하게 열을 제거하기 위해, 금속 부재의 냉각 제어를 고려한다.

가열된 점(54)이 화살표(58)에 의해 도시된 바와 같이, 선 경로(56)를 따라 이동하게 되며 그리고 이어서 복수의 인접한 선 경로들(56)이 금속 부재(14) 내에 굽힘부를 생성하기 위해 사용되는, 선 가열 접근법(예를 들어, 도 7a)과 대조적으로, 본 방법(예를 들어, 도 7b)은, 하나의 가열된 선(60)을 생성하며 그리고 가열된 선은, 금속 부재(14) 내에 굽힘부를 생성하기 위해, 화살표(62)에 의해 도시되는 바와 같이, 예를 들어, 가열된 선(60)의 방향에 수직으로, 이동하게 될 수 있다. 특정 실시예에서, 가열된 선(60)은, 비교적 큰 전원을 갖는 유도 코일과 같은 단일 가열 요소에 의해 또는, 일렬로 배열되거나 또는 가열된 선(60)의 균등물을 함께 구성하는 선을 따라 이동하게 되는, 일련의 작은 유도 코일들에 의해, 형성될 수 있을 것이다. 단일 냉각 시스템 또는 복수의 작은 냉각 시스템들이, 가열된 선(60)이 플레이트 표면을 가로질러 이동하게 될 때, 금속 부재(14)를 냉각하기 위해 사용될 수 있을 것이다.

선 가열 방법(예를 들어, 도 7a)의 하나의 단점은, 가열된 점(54)이 단일 장소에서 플레이트(14)를 굽히기 위해 작용하지만, 경로(56)를 따르는 금속의 나머지 부분은, 능동적으로 성형되거나 굽혀지지 않으며 그리고 그에 따라 성형 또는 굽힘에 대한 장애가 된다는 것이다. 전체 가열된 선(60)을 사용하는 것에 의해(예를 들어, 도 7b), 가열된 선(60)의 모든 부분들이 동시에 성형되며 그리고 협력적인 굽힘 또는 성형이 일어난다. 이것은, 종래의 방법과 비교하여, 금속 부재(14)의 성형 속도에서의 100배 증가를 초과할 수 있는, 성형 속도의 상당한 증가를 초래한다.

제어 시스템(86)에 의해 구현되는 선 가열을 위한 계획은, 가열된 점(54)이 횡단할(도 7a의 선 가열 방법의 경우) 선 경로(56) 또는 가열된 선(60)의 선 경로(도 7b의 가열된 선 방법의 경우), 각각의 가열 헤드(42)에 의해 가해지는 열량, 선의 경로의 각각의 부분을 따라 이루어질 가열된 점(54)의 통과 횟수(도 7a의 선 가열 방법의 경우), 등을 포함한다. 일반적으로, 이러한 공정을 위한 계획 시스템은, 제어 시스템(86)에 실행을 위한 계획을 제공할 수 있으며 그리고 성형되어야 할 부재(예를 들어, 금속 플레이트(14))의 형상을 설명할 수 있는, 컴퓨터 응용 설계 및 컴퓨터 응용 제조(CAD/CAM) 시스템으로부터의 데이터를 활용한다.

특정 실시예에서, 단일 가열 헤드(42)(예를 들어, 특정 실시예에서, 단일 유도 코일과 연관되는)가, 가열된 선(60)을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 다시 말해, 특정 실시예에서, 개별적인 열성형 조립체(88)의 가열 헤드(42)가, 재료(14)의 전체 선이 동시에 가열될 수 있는 방식으로 성형될 수 있을 것이다. 그러한 실시예에서, 가해지는 에너지의 전력 레벨이 유도 코일의 길이가 증가함에 따라 증가하게 될 필요가 있을 것이라는 점을 인식하게 될 것이다. 다른 실시예에서, 복수의 유도 코일이 개별적으로 낮은 전력 레벨과 더불어 사용될 수 있지만, 성형되고 있는 금속 합금 및 선(60)의 길이에 어울리는, 높은 총계의 전력 레벨과 더불어 사용될 수 있을 것이다. 복수의 유도 코일이 사용되는 그러한 실시예에서, 복수의 유도 코일과 연관되는 열성형 조립체들(88)은, 이들이 선(60)에 대해 적절히 정렬되도록, 제어 시스템(86)에 의해 위치 설정될 수 있을 것이다.

특정 실시예에서, 유도 코일의 높이는, 위치 설정을 안내하기 위해 센서들(92)로부터의 센서-피드백을 사용하여 제어 시스템(86)에 의해 제어될 수 있을 것이다. 아래 설명되는 바와 같이, 수냉이 일반적으로 사용되기 때문에, 특정 실시예에서, 물은, 수면에 의해 잘못 유도되는 레이저 광의 반사로 인해 레이저 높이 센서(92)를 이용하는 직접적인 측정과 적어도 부분적으로 간섭할 것이다. 그러한 실시예에서, 기계적 기기가, 재료(14)의 표면(22)에 대한 유도 코일의 높이를 측정하기 위해 사용될 수 있을 것이다. 아래 설명되는 바와 같이, 특정 실시예에서, 원형 공기 나이프가 사용될 것이다. 그러한 실시예에서, 레이저 높이 센서(92)가, 열성형되는 재료(14)의 표면(22)에 대한 유도 코일의 높이를 측정하기 위해 사용될 수 있을 것이다. 원형 공기 나이프에 의해 생성되는 건조 영역은, 잘못된 측정의 위험을 최소화하며 그리고 제어 시스템(86)에 대한 안정적인 데이터 피드백을 제공한다. 특정 실시예에서, 적외선 온도 센서(92)가 또한, 정확한 최대 온도가 열성형 공정 내내 비교적 균일하게 유지되도록, 유도 코일로 전달되는 전력을 제어하기 위해 사용될 수 있을 것이다. 그러한 실시예에서, 원형 공기 나이프는, 적외선 센서(92)가 열성형되는 재료의 표면(22) 상의 물 또는 파편으로 인해 잘못된 데이터 출력을 생성하지 않도록, 유도 코일 아래의 점을 건조하고 깨끗하게 유지한다.

특정 실시예에서, 복수의 유도 코일(예를 들어, 복수의 열성형 조립체들(88)과 연관되는)이 사용될 수 있으며, 그리고 열성형되는 재료(14)의 표면(22)에 대한 각각의 개별 유도 코일의 높이는 제어 시스템(86)에 의해 개별적으로 제어될 수 있다. 가열된 선(60)을 형성하기 위한 복수의 유도 코일의 사용은, 열성형되는 재료(14)의 표면(22)에 대해 임의의 주어진 위치(및 상대적인 높이)에 각각의 유도 코일을 갖도록 하는 가열된 선 성형 시스템의 능력을 제공하며, 이는 재료(14)(심지어 초기의 만곡된 윤곽(topography)을 갖는)의 정확한 성형을 가능하게 한다. 가열된 선(60)을 따르는 복수의 유도 코일은, 재료(14)의 형상이 열성형 공정 도중에 변경됨에 따라, 가열된 선(60)의 표면 윤곽의 형상을 변경시킬 능력을 갖는 자동화된 열성형 시스템(40)을 제공한다.

선형 경로(56)를 따라 가열된 점(54)을 이동시키는 것 또는 전체적으로 가열된 선(60)을 사용하는 것을 주로 수반하는 것으로 여기에서 설명되지만, 다른 실시예에서, 가열된 점(54)이 이동하게 되는 패턴 또는 가열된 "선"이 형성하는 패턴은 전혀 선이 아닐 수 있으며, 오히려 전술한 축들 중 임의의 축 또는 모든 축에 대한 임의의 곡선 패턴일 수 있다. 예를 들면, 특정 실시예에서, 가열된 점(54)이, 가열된 재료(14)의 평면(30)에 평행한 방향 및/또는 상기 평면(30)에 직교하는 방향으로 임의의 곡선 패턴으로 이동하게 될 수 있다(예를 들어, 두께 관통 방향(28)으로 가열 재료(14)에 대해 가까워지거나 멀어지는 방향 및/또는 가열 재료(14)의 길이를 따르는 방향). 유사하게, 복수의 가열 헤드(42)의 레이아웃은, 시스템(40)에 의해 이동하게 되는 가열된 선(60) 대신에, 가열 헤드들(42)의 가열된 곡선 패턴이 시스템(40)에 의해 이동하게 될 수 있도록 하는 것일 수 있다. 그러한 비선형 가열 패턴들은, 예컨대 파이프 성형, I-자형 빔 성형, 파동형 또는 다른 복잡한 3차원 패턴이 요구될 때의 플레이트 성형, 등에 유리한 것으로 입증될 것이다. 그러한 비선형 열성형 기술은, 심지어 그러한 복잡한 3차원 굽힘부들을 제공할 수 없을 수도 있는 통상적인 기계적 굽힘 기술을 넘는, 분명한 장점들을 제공한다.

전술한 바와 같이, 가열된 금속을 둘러싸는 냉각 금속의 제약은, 열성형 공정의 적절한 기능에 기여한다. 주변 금속이 가열되는 것을 방지하기 위해 필요하게 되는 비교적 큰 열 구배를 유지하기 위해, 공정은, 주변 금속이 더 차가울수록, 더욱 효율적이고 더욱 신속하게 이루어진다. 특정 실시예에서, 냉각은, 금속 표면으로부터의 열의 대류에 의해 또는 주변 금속 상에 물의 분무를 가하는 것에 의해 달성될 수 있다. 이러한 접근법의 한 가지 단점은, 물이 가열된 점(54) 또는 가열된 선(60)으로 침입하여, 그로 인해 이용 가능한 열량을 감소시킴으로써 가열 속도를 감소시키는 것이다. 부가적으로, 물이 금속 표면 상으로 분무되지 않으면, 이때 따듯한 액체의 막이 금속 표면 상에 형성되고, 이는 냉각 효율을 감소시키며, 그리고 그에 따라 성형 효율을 그리고 그에 따라 성형 속도를 감소시킨다. 그러나, 표면에 인접한 따듯한 물의 막을 연속적으로 제거하기에 충분한 힘으로 표면 상에 물을 분무하는 것은, 가열된 점(54) 또는 가열된 선(60) 상으로 물이 튀는 것을 야기할 수 있다.

하나의 냉각 방법은, 표면 상으로의 압축수의 분무를, 냉각된 금속 표면과 가열된 금속 표면 사이에 장벽을 생성하여 가열된 영역으로 물이 튀는 것을 방지는, 공기 나이프와 조합하는 것이다. 가열된 점(54)의 경우, 원형 공기 나이프가, 가열된 점(54) 주변에 생성될 수 있다. 원형 공기 나이프가 절두원추 형상으로 이루어져 절두원추 형상의 좁은 단부가 금속 표면에 가장 근접하게 되면, 이때 금속 표면에 대한 공기의 수렴은, 상승된 공기 압력의 영역을 생성한다. 상승된 공기 압력은, 공기가 가열된 점(54)으로부터 멀어지게 이동하도록 야기함으로써, 공기 난류가 금속 표면 상의 가열된 영역 내로 물의 일부를 끌어당기는 것을 방지하도록 한다. 단지 좁은 범위의 원뿔 각도(cone angle)가, 원형 공기 나이프의 절두원추 형상을 위해 사용될 수 있다. 원뿔 각도가 너무 크면, 이때 공기 나이프로부터의 공기의 유동은, 작은 압력차를 극복할 것이며 그리고 물은 플레이트 표면으로부터 표면의 가열된 영역으로 끌어 당겨질 수 있다. 테이퍼 각도가 너무 작으면, 이때 공기 나이프는 원형 공기 나이프 내부에서의 국부적인 압력의 충분한 증가를 생성하지 못할 것이며 그리고 금속 표면에서의 난류는 표면의 가열된 영역 내로 물을 끌어당길 것이다. 특정 실시예에서, 공기 나이프 대신에, 물리적 장벽이 사용될 수 있으며 그리고, 이러한 장벽은 열성형되는 재료(14)의 표면(22)으로 아래로 연장되지 않지만, 예컨대, 레이저가 열원(20)으로서 사용될 때, 표면으로부터 반사되는 레이저 광의 방출에 대한 장벽으로서 작용할 수 있을 것이다.

절두원추형 원형 공기 나이프는, 부드러운 표면을 갖는 절두원추형 공기 가이드를 형성함에 의해 생성된다. 도 8은 본 개시의 실시예에 따른 예시적인 열성형 시스템(40)의 측단면도이다. 절두원추형 공기 가이드(64)를 둘러싸는 것이 원형 공기 운반 디바이스(66)이며, 이는, 공기를 하향 경로로 출발시킨 다음, 화살표(72)로 나타낸 바와 같이, 공기 흐름을 절두원추형 공기 가이드(64)의 중심을 향해 반경 방향 내측으로 방향 전환시키는, 내부 통로(70)에 의해 공기(68)가 운반되도록 구성된다. 절두원추형 공기 가이드(64)에 인접한 개구에서, 공기 운반 디바이스 통로(70)는 좁아지며 그리고 얇은 층상의 유동(lamellar flow)을 전개하는 공기 시트를 형성하고, 얇은 층상의 유동은, 얇은 층상의 공기 시트가 따르는 곡면의 형상에 일치한다. 표면의 곡률은 대응하는 절두원추형 공기 가이드(64)와 같이 동일한 유동 각도로 종결되어, 얇은 층상의 유동하는 공기 시트(68)가, 절두원추형 공기 가이드(64)로 운반되며 그리고 절두원추형 공기 가이드를 따르게 되어, 아래의 성형될 금속 부재(14)의 표면(22)에 이르도록 한다. 절두원추형 공기 가이드(64)는 가열 코일(74)을 둘러싸며, 가열 코일은, 굽혀지거나 또는 성형되는 금속 부재(14)에 인접하게 유지되어, 코일(74) 바로 아래의 플레이트 상에 가열된 영역을 형성하도록 한다. 물 분무는, 금속 부재 표면(22)을 향해 아래로 화살표들(76, 78)에 의해 예시되는 경로를 따르며, 이어서 화살표들(80, 82, 84)에 의해 예시되는 공기 유동에 의해 금속 부재(14) 상의 가열된 영역으로부터 멀어지게 유도된다. 비록 물을 사용하는 것으로 본 명세서에 설명되지만, 다른 냉각제들(예를 들어, 액체 아르곤과 같은 액화 기체들, 드라이아이스와 같은 고화 기체들, 등)이, 특히 물에 반응할 수 있는 금속들의 냉각 속도를 증가시키기 위해, 물 대신에 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다.

복수의 가열 점(54)으로 이루어지지 않는 대신에 단일의 연속적인 코일(74)을 갖는 가열된 선(60)의 경우, 설계는, 단면이 원형 공기 나이프 대신에 긴 선형의 공기 나이프인 것을 제외하고는, 도 8에 도시된 것과 유사할 수 있다. 예를 들면, 공기 가이드(64)의 측면들은 절두원추형 원형 대신에 평면형일 수 있다. 그렇지 않으면, 설계는 실질적으로 유사한 단면 윤곽을 가질 것이다.

다른 실시예에서, 개별적인 가열 헤드들(42)(예를 들어, 유도 코일들)을 갖는 복수의 열성형 조립체(88)가 함께 사용될 수 있으며 그리고 가열된 선(60)을 따라 적절히 위치 설정될 수 있을 것이다. 그러한 실시예에서, 열성형 조립체들(88)을 위한 공기 가이드들(64)은, 예컨대, 개별적인 가열 헤드들(42)의 양측에 배치되는 2개의 실질적으로 평행한 벽(98)을 포함할 수 있으며, 그리고 제어 시스템(86)은, 열성형 조립체들(88)의 벽들(98)이 대체로 서로 평행하게 정렬되어, 열성형 조립체들(88)의 공기 가이드들(64)이 전술한 바와 같이 긴 선형 공기 나이프와 같은 동일한 기능을 제공하도록, 열성형 조립체들(88)을 위치 설정할 수 있다. 도 10은 그러한 실시예의 절개 평면도이다.

본 발명의 특정 특징부만이 여기에 도시되고 설명되었지만, 많은 수정 및 변경이 당업자에게 일어날 것이다. 그러므로, 첨부된 청구범위는, 본 발명의 진정한 사상 내에 속하는 것으로서, 그러한 수정 및 변경을 커버하도록 의도된다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (22)

1. 가열된 선 성형 시스템으로서:
   열성형 공정 도중에 금속 플레이트의 표면 상에 가열된 선을 생성하도록 구성되는 가열 코일 시스템; 및
   상기 열성형 공정 도중에 상기 가열된 선을 위한 건조 영역을 유지하도록 구성되며, 그리고 냉각제가 상기 열성형 공정 도중에 상기 금속 플레이트의 표면 상의 상기 가열된 선 상으로 유동하는 것을 차단하기 위해 분무 메커니즘을 통해 상기 가열된 선 주변으로 냉각제를 유도하도록 구성되는, 공기 나이프 냉각 시스템
   을 포함하는 것인, 가열된 선 성형 시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 가열된 선은, 상기 가열 코일 시스템의 복수의 유도 가열 코일에 의해 생성되는 것인, 가열된 선 성형 시스템.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 공기 나이프 냉각 시스템은, 상기 복수의 유도 가열 코일 각각에 대한 개별적인 공기 나이프를 포함하는 것인, 가열된 선 성형 시스템.
4. 제 2항에 있어서,
   상기 복수의 유도 가열 코일은, 자동화된 제어 시스템에 의해 지지 구조체에 대해 독립적으로 위치 설정 가능한 것인, 가열된 선 성형 시스템.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 금속 플레이트가 상기 열성형 공정 도중에 지지되는 적어도 하나의 평평한 표면을 포함하고, 상기 적어도 하나의 평평한 표면은 상기 열성형 공정 도중에 최종 금속 플레이트 형상 또는 중간 금속 플레이트 형상과 일치하지 않는 것인, 가열된 선 성형 시스템.
6. 제 1항에 있어서,
   액체-충전 주머니를 포함하며, 상기 금속 플레이트는 상기 열성형 공정 도중에 상기 액체-충전 주머니에 의해 지지되며, 상기 액체-충전 주머니는 상기 열성형 공정 도중에 최종 금속 플레이트 형상 또는 중간 금속 플레이트 형상과 일치하는 것인, 가열된 선 성형 시스템.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 열성형 공정 도중에 상기 액체-충전 주머니와 상기 금속 플레이트 사이에 배치되는 분할된 요소들의 층을 포함하고, 상기 분할된 요소들의 층은, 상기 열성형 공정 도중에 상기 금속 플레이트로부터 상기 액체-충전 주머니로 전달되는 열을 감소시키도록 구성되는 것인, 가열된 선 성형 시스템.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 분할된 요소들은, 세라믹 타일들을 포함하는 것인, 가열된 선 성형 시스템.
9. 제 1항에 있어서,
   상기 가열된 선을 따르는 복수의 가열된 점이 동시에 가열되는 것인, 가열된 선 성형 시스템.
10. 가열된 선 성형 시스템으로서:
    열성형 공정 도중에 금속 플레이트의 표면 상에 가열된 선을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 유도 가열 코일; 및
    상기 열성형 공정 도중에 상기 하나 이상의 유도 가열 코일을 각각 독립적으로 제어하도록 구성되는 제어 시스템
    을 포함하는 것인, 가열된 선 성형 시스템.
11. 제 10항에 있어서,
    상기 제어 시스템은, 적어도 부분적으로 상기 가열된 선 성형 시스템의 하나 이상의 센서에 의해 검출되는 작동 데이터에 기초하여, 상기 하나 이상의 유도 가열 코일 각각에 대한 적어도 하나의 작동 파라미터를 독립적으로 제어하도록 구성되는 것인, 가열된 선 성형 시스템.
12. 제 11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 파라미터는, 상기 금속 플레이트의 굽힘의 양, 상기 개별적인 유도 가열 코일에 의해 생성되는 온도, 상기 금속 플레이트의 표면으로부터의 상기 개별적인 유도 가열 코일의 거리, 상기 금속 플레이트에 대한 상기 개별적인 유도 가열 코일의 이동 속도, 상기 금속 플레이트에 대한 상기 개별적인 유도 가열 코일의 위치, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인, 가열된 선 성형 시스템.
13. 제 10항에 있어서,
    상기 열성형 공정 도중에, 상기 가열된 선을 위한 건조 영역을 유지하도록 구성되며, 그리고 냉각제가 상기 금속 플레이트의 표면 상의 상기 가열된 선 상으로 유동하는 것을 차단하기 위해 분무 메커니즘을 통해 상기 가열된 선 주변으로 냉각제를 유도하도록 구성되는, 공기 나이프 냉각 시스템을 포함하는 것인, 가열된 선 성형 시스템.
14. 제 13항에 있어서,
    상기 공기 나이프 냉각 시스템은, 상기 하나 이상의 유도 가열 코일 각각에 대한 개별적인 공기 나이프를 포함하는 것인, 가열된 선 성형 시스템.
15. 제 10항에 있어서,
    상기 하나 이상의 유도 가열 코일은, 상기 제어 시스템에 의해 상기 가열된 선 성형 시스템의 지지 구조체에 대해 독립적으로 위치 설정 가능한 것인, 가열된 선 성형 시스템.
16. 제 10항에 있어서,
    상기 금속 플레이트는 실질적으로 평면형의 금속 플레이트를 포함하는 것인, 가열된 선 성형 시스템.
17. 제 10항에 있어서,
    상기 금속 플레이트는 만곡된 금속 플레이트인 것인, 가열된 선 성형 시스템.
18. 제 10항에 있어서,
    상기 금속 플레이트가 상기 열성형 공정 도중에 지지되는 적어도 하나의 평평한 표면을 포함하고, 상기 평평한 표면은 상기 열성형 공정 도중에 최종 금속 플레이트 형상 또는 중간 금속 플레이트 형상과 일치하지 않는 것인, 가열된 선 성형 시스템.
19. 제 10항에 있어서,
    액체-충전 주머니를 포함하며, 상기 금속 플레이트는 상기 열성형 공정 도중에 상기 액체-충전 주머니에 의해 지지되며, 상기 액체-충전 주머니는 상기 열성형 공정 도중에 최종 금속 플레이트 형상 또는 중간 금속 플레이트 형상과 일치하는 것인, 가열된 선 성형 시스템.
20. 제 19항에 있어서,
    상기 열성형 공정 도중에 상기 액체-충전 주머니와 상기 금속 플레이트 사이에 배치되는 분할된 요소들의 층을 포함하고, 상기 분할된 요소들의 층은 상기 열성형 공정 도중에 상기 금속 플레이트로부터 상기 액체-충전 주머니로 전달되는 열을 감소시키도록 구성되는 것인, 가열된 선 성형 시스템.
21. 제 20항에 있어서,
    상기 분할된 요소들은 세라믹 타일들을 포함하는 것인, 가열된 선 성형 시스템.
22. 제 10항에 있어서,
    상기 가열된 선을 따르는 복수의 가열된 점이 동시에 가열되는 것인, 가열된 선 성형 시스템.

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