KR20170012352A

KR20170012352A - 저-산포도 금속재질의 세장형 병 및 제조 방법

Info

Publication number: KR20170012352A
Application number: KR1020167035719A
Authority: KR
Inventors: 다니엘 데이비스; 쉐릴 로저스; 마크 슈레머; 마크 비옥스
Original assignee: 앤호이저-부쉬, 엘엘씨
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2017-02-02
Also published as: RU2016146995A3; RU2016146995A; MX2016015620A; US20160368650A1; WO2015181792A1; EP3148725A1; CA2949764A1; RU2689322C2; JP2017526591A; AU2020200519A1; AR100690A1; AU2015265444A1; US20150344166A1; CN106414256A

Abstract

고속으로 금속 병을 제조하는 것과 관련된 불합격률을 감소시키기 위한 저-산포도(low-spread) 금속 재질의 세장형 병(100) 및 그의 제조 방법을 기재한다. 상기 세장형 병(100)은 박판 금속 재질로 성형된 몸체를 포함한다. 박판 금속(101)은, 박판 금속(101)의 항복 응력에 상응하는 항복 상태와 박판 금속(101)의 극한 인장 응력에 상응하는 극한 인장 상태 간의 산포도가 낮다. 상기 몸체는 원형 둘레(117)를 갖는 오목한 바닥 부분(115)을 더 포함한다. 원통형 부분(110)은 바닥 부분(117)의 원형 둘레로부터 연장되며, 일정한 직경을 가진다. 병목 부분(105)은 원통형 부분(110)으로부터 연장되며, 테이퍼형 구조(107)를 가진다. 병목 부분(105)은 병목 부분(105)의 외부 표면 상으로 노출되는 나사산들을 포함한 나사산형 부분(120), 또는 크라운(300)의 압착을 위한 영역을 포함할 수 있다.

Description

저-산포도 금속재질의 세장형 병 및 제조 방법{LOW-SPREAD METAL ENLONGATED BOTTLE AND PRODUCTION METHOD}

본 개시는 금속재질의 세장형 병 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 세장형 저-산포도 알루미늄 병 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

음료 용기는 흔히 금속 박판으로 만들어지는데, 이는 금속 박판의 단단한 구조, 경량, 그리고 그 재료들의 양호한 열전도도 때문이다. 예를 들어, 알루미늄 캔이 음료 업계에 널리 보급되어 있으며, 이들 캔은 알루미늄 판재 코일을 절단, 드로잉, 성형, 트리밍 및 코팅 작업하여 원통형 용기로 성형한 것이다. 그런 후 원통형 용기에 음료를 채우고, 일회용 뚜껑을 사용하여 밀봉한다.

최근, 금속 박판 재료는, 좁은 병목부와, 캡을 수용하도록 나사산이 형성되어 있거나 또는 압착(crimped)된 크라운을 포함하는 알루미늄 병 형상의 용기를 제조하는 데에도 사용되었다. 알루미늄 병의 좁은 병목부와 가느다란 형상은 마시는 사람들이 병을 잡을 때 더 편안함을 느끼도록 하고, 또한 매력적인 시각적 외관을 제공한다. 하지만, 알루미늄 용기의 세장형 몸체와 좁은 병목부를 얻기 위해서는 용기를 성형할 때 원래의 알루미늄 판재 재료의 소성변형을 증가시킬 필요가 있다. 이렇게 알루미늄 판재의 변형을 증가시켰을 때, 알루미늄 캔 제조와 비교하여 제조 결함이 늘어났고, 불합격률이 더 높아졌다.

본 개시는 저-산포도 금속재질의 세장형 병 및 그의 제조 방법을 제공한다. 아래에 더 상세히 설명하겠지만, 상기 저-산포도 금속 병 및 제조 방법의 불합격률은 알루미늄 병을 전통적인 알루미늄 캔 재료 및 제조 방법을 이용하여 만들었을 때의 불합격률과 비교하여 감소되었다. 저-산포도 금속재질의 세장형 병은 저-산포도 금속으로 형성되며, 세장형 몸체 형상과 좁은 병목부를 가진다. 저-산포도 금속은 박판 금속의 항복 응력에 상응하는 항복 상태와 박판 금속의 극한 인장 응력에 상응하는 극한 인장 상태 간의 산포도가 낮다.

특정의 일 양태에 의하면, 박판 금속의 산포도는 항복 응력과 극한 인장 응력 간의 산술적 차이이다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 저-산포도 박판 금속의 항복 응력과 극한 인장 응력 간의 차이는 약 22.4 MPa 또는 3.25 ksi이다. 일부 실시형태에서, 저-산포도 박판 금속의 항복 응력은 약 200 MPa 또는 29 ksi이다.

다른 양태에서는, 항복 상태와 극한 인장 상태 간의 산포도가 낮은 박판 금속 조각을 제공하는 단계를 포함하는 세장형 병의 제조 방법을 기재한다. 항복 상태는 박판 금속의 항복 응력에 상응하며, 극한 인장 상태는 박판 금속의 극한 인장 응력에 상응한다. 박판 금속 조각을 원형 컵으로 성형한다. 이러한 원형 컵을 개방단과 폐쇄단을 가진 원통형 용기로 드로잉한다. 원통형 용기의 폐쇄단을 오목한 바닥 부분으로 성형한다. 원통형 용기의 개방단을 병목 부분으로 좁게 만든다.

특정의 일 양태에 의하면, 상기 방법은 개방단을 병목 부분으로 좁게 만드는 작업 이전에, 개방단을 직선형 가장자리로 트리밍하는 단계를 더 포함한다.

다른 특정 양태에 의하면, 원통형 용기의 개방단을 병목 부분으로 좁게 만드는 작업은 개방단에 인접한 중심측 용기의 원통축에 수직 방향으로 압력을 인가하는 작업을 더 포함한다.

또 다른 특정 양태에 의하면, 상기 방법은 세장형 병의 외부 표면 상에 페이트 층을 도포하는 단계를 더 포함한다. 페인트 층 상에 투명 씰 층을 추가로 도포한다.

특정의 일 양태에 의하면, 상기 방법은 세장형 병의 내부 표면 상에 씰 막을 도포하는 단계를 더 포함한다.

다른 특정 양태에 의하면, 박판 금속의 산포도는 상기 박판 금속의 항복 응력과 극한 인장 응력 간의 산술적 차이이다. 일부 실시형태에서, 산포도는 약 22.4 MPa 또는 3.25 ksi 이내이다.

다른 양태에서는, 박판 금속 성형 몸체를 포함한 세장형 병이 기재되며, 이때 박판 금속 성형 몸체의 박판 금속은 상기 박판 금속의 항복 응력에 상응하는 항복 상태와 상기 박판 금속의 극한 인장 응력에 상응하는 극한 인장 상태 간의 산포도가 낮다. 몸체는 원형 둘레를 갖는 오목한 바닥 부분과, 상기 바닥 부분의 원형 둘레로부터 연장되는 원통형 부분을 또한 포함한다. 일부 실시형태에 의하면, 원통형 부분은 일정한(균일한) 직경을 가진다. 병은 또한 테이퍼형 구조를 형성하기 위해 원통형 부분의 일정한 직경에서 줄어드는 가변적 직경을 가진 병목 부분을 포함한다. 병은 또한 개구를 포함한다.

일부 실시형태에 의하면, 박판 금속의 항복 응력과 극한 인장 응력 간의 산술적 차이가 약 21 MPa 또는 3.05 ksi 내지 약 23.1 MPa 또는 3.35 ksi이다.

다른 실시형태에 의하면, 박판 금속의 항복 응력과 극한 인장 응력 간의 산술적 차이가 약 21.4 MPa 또는 3.1 ksi 내지 약 22.8 MPa 또는 3.3 ksi이다.

또 다른 실시형태에 의하면, 박판 금속의 항복 응력과 극한 인장 응력 간의 산술적 차이가 약 22.1 MPa 또는 3.2 ksi이다.

또 다른 실시형태에 의하면, 박판 금속의 항복 응력이 약 196.5 MPa 또는 28.5 ksi 내지 약 217.2 MPa 또는 31.5 ksi이다.

다른 실시형태에 의하면, 박판 금속의 항복 응력이 약 29 ksi 내지 약 31 ksi이다.

또 다른 실시형태에 의하면, 항복 응력이 약 29.8 ksi이다.

일부 실시형태에 의하면, 병의 원통형 부분은 약 114 mm 또는 4.490" 내지 약 162 mm 또는 6.381"의 길이를 가진다.

다른 실시형태에 의하면, 원통형 부분은 약 162 mm의 길이를 가진다.

또 다른 실시형태에 의하면, 병은 약 190 mm 내지 약 238 mm의 전체 길이를 가진다.

다른 실시형태에 의하면, 병은 약 238 mm의 전체 길이를 가진다.

일부 실시형태에 의하면, 병의 병목 부분은 나사산형 부분(threaded portion)을 포함한다.

다른 실시형태에 의하면, 병목 부분의 나사산형 부분은 접힘형 플랜지(folded flange)를 포함한다.

일부 실시형태에 의하면, 병은 나사산형 부분과 결합가능한 나사산형 캡을 포함한다.

또 다른 양태에서는, 박판 금속을 제공하는 단계로서, 박판 금속의 항복 응력에 상응하는 항복 상태와 박판 금속의 극한 인장 응력에 상응하는 극한 인장 상태 간의 산포도가 낮은 박판 금속을 제공하는 단계를 포함하는 세장형 병의 제조 방법이 기재된다. 상기 방법은 박판 금속을 원형 컵으로 성형하는 단계와, 원형 컵을 개방단과 폐쇄단을 가진 원통형 용기로 드로잉 및 아이어닝(ironing)하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 원통형 용기의 폐쇄단을 오목한 바닥 부분으로 성형하고, 원통형 용기의 개방단을 절단하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 원통형 용기의 개방단을 병목 부분으로 성형하는 단계를 포함한다.

일부 실시형태에 의하면, 상기 방법은 용기가 약 127 mm 또는 5" 내지 약 254 mm 또는 10"의 전체 길이를 갖도록 성형하는 단계를 포함한다.

다른 실시형태에 의하면, 상기 방법은 용기가 약 238 mm의 전체 길이를 갖도록 성형하는 단계를 포함한다.

일부 다른 실시형태에 의하면, 항복 응력과 극한 인장 응력의 산술적 차이는 약 22.4 MPa 또는 3.2 ksi이다.

또 다른 양태에서는, 박판 금속을 원형 컵으로 성형하는 단계를 포함하는 음료 용기의 제조 방법을 제공하며, 이때 박판 금속은, 박판 금속의 항복 응력에 상응하는 항복 상태와 박판 금속의 극한 인장 응력에 상응하는 극한 인장 상태 간의 산포도가 낮다. 박판 금속의 항복 응력과 극한 인장 응력의 산술적 차이는 약 22 MPa 또는 3.2 ksi이고, 항복 응력은 약 205.5 MPa 또는 29.8 ksi이다. 상기 방법은 또한 원형 컵을 개방단과 폐쇄단을 갖는 원통형 용기로 드로잉 및 아이어닝하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 원통형 용기의 폐쇄단을 오목한 바닥 부분으로 성형하고, 원통형 용기의 개방단을 절단하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 원통형 용기의 개방단을 병목 부분으로 좁게 만들고, 개방단의 가장자리를 외부측으로 접어 플랜지를 성형하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에 의하면, 병은 약 238 mm의 전체 길이를 가진다.

다른 실시형태에 의하면, 상기 방법은 용기의 몸체 부분에 대해 약 45도의 각도로 숄더 부분을 성형하는 단계를 포함한다.

다른 양태, 특징 및 이점들은 본 개시의 일부이면서 여기에 개시된 본 발명의 원리들을 예로서 설명하는 첨부 도면들과 함께 하기의 상세 설명으로부터 더 명백해질 것이다.

도 1은 본 개시에 따른, 저-산포도 금속으로 만들어진 세장형 병의 일 실시형태의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 세장형 병을 만드는 데 사용되는 저-산포도 금속의 응력-변형률 관계를 나타내는 그래프들이다.
도 3은 도 1의 세장형 병을 밀봉하기 위한 캡의 개략도이다.
도 4는 도 1의 세장형 병의 제조 방법의 일 실시형태를 예시하는 흐름도이다.

금속재질의 세장형 병은 (배경기술에서 간략하게 논의한 대로) 전통적인 캔-형상의 용기보다 많은 장점을 가진다. 그러나, 제조 과정 동안, 세장형 병에 대한 불합격률은 전통적 캡의 불합격률보다 높을 수 있는데, 이는 병의 복잡한 기하학적 구조 및 병의 세장형 형상과 더 좁은 병목을 위해 더 높은 정도의 소성 변형이 요구되기 때문이다. 예를 들어, 과도한 금속 확장과 브림 롤 분할과 같은 결함들로 인해, 금속 병을 제조하는 데 있어서의 불합격률은 약 5% 내지 약 95% 범위일 수 있다.

이전에는, 알루미늄 용기를 성형하는 데 사용되었던 박판 알루미늄의 항복 응력과 극한 인장 응력 간의 산포도가 넓으면 금속 성형 특성들에 대한 작업 자유 범위를 높일 수 있게 하여 더 낮은 불합격률을 제공할 것으로 생각되었다. 그러나, 3104 시리즈 알루미늄과 같은 박판 알루미늄의 항복 응력과 극한 인장 응력 간의 낮은 산포도, 즉, 낮은 차이가 높은 생산 속도에서 더 낮은 불합격률을 제공한다는 것이 밝혀졌다. 그 외에도, 저-산포도 금속과 함께, 금속의 특별한 후-성형 열처리 역시 제조 결함들을 줄이는 데 도움이 되는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, 일부 실시형태에 의하면, 저-산포도 금속으로 성형된 컵에 장식용 인쇄 코트를 도포한 후에 컵을 열처리하여 상기 장식용 인쇄를 건조한다. 그런 후에는 컵에 네킹 및 나사산 형성 작업을 행하고, 병의 개구에 브림 롤을 적용한다. 일부 실시형태에 의하면, 저-산포도 금속과 함께, 금속을 열처리함으로써, 낮은 결함률과 높은 생산 속도로 네킹 처리, 나사산 형성 및 브림 롤링을 가능하도록 상당량의 가공 경화를 없앤다.

본 개시는 저-산포도 금속재질의 세장형 병, 및 알루미늄 병의 제조와 관련된 불합격률을 감소시키는 제조 방법을 제공한다. 일부 실시형태에 의하면, 본원에 기술되는 제조 방법은 또한 이전에 사용되던 알루미늄 병보다 키가 큰 세장형 병의 제조를 가능하게 한다. 일부 실시형태에 의하면, 본원에 기술되는 제조 방법은 또한 이전에 사용되는 것보다 더 얇은 측벽 두께 및 이에 따라, 더 적은 알루미늄 재료를 사용할 수 있게 한다. 아울러, 개시된 공정들 및 장치들은 비-저 산포도 금속으로는 실현가능성이 덜한 복잡한 병 형상을 성형하는 데 이용될 수 있다.

도 1은 저-산포도 박판 금속(101)으로 만들어진 세장형 병(100)의 개략도이다. 세장형 병(100)은 "드로잉 및 아이어닝" 제조 방법을 이용하여 저-산포도 박판 금속(101) 코일로부터 대량생산이 가능하다. 일부 실시형태에서는, 벽 두께를 더 두껍게 하기 위해, 유사한 물리적 특성의 금속괴들과 함께 충격 압출법을 이용할 수도 있다. 저-산포도 박판 금속(101)은 열처리 및 화학처리된 알루미늄 합금으로서, 박판 금속(101)의 항복 응력에 상응하는 항복 상태와 박판 금속(101)의 극한 인장 응력에 상응하는 극한 인장 상태 간의 산포도(즉, 산술적 차이)가 낮다.

도 1에 도시된 세장형 병(100)은 저-산포도 금속을 이용하여 만들어진 병(100)의 일 예이며, 다른 기하학적 구조, 디자인 및 변경이 가능하다. 세장형 병(100)은 오목한 바닥 부분(115), 원통형 부분(110), 및 나사산형 부분(120)이 마련된 병목 부분(105)을 포함한다. 바닥 부분(115)은 원형 둘레(117)를 포함한다. 바닥 부분(115)의 오목한 형상은 그 안에 담긴 가압된 음료액에 대한 구조적 지지를 제공한다. 바닥 부분(115)은 박판 금속(101)의 중심 부분으로부터 생성되며, 폐쇄단을 형성한다. 원통형 부분(110)은 원형 둘레(117)로부터 연장되며, 일정한 직경(112)을 가진다. 제조 과정 동안, 원통형 부분(110)은 병(100)의 높이를 약간 초과하는 길이로 드로잉 및 아이어닝된다. 일부 실시형태에서는, 원통형 부분(110)은 약 0.213 mm 또는 0.0084" 내지 약 0.239 mm 또는 0.0094"의 벽 두께를 가진다. 다른 실시형태에서는, 원통형 부분(110)은 약 0.165 mm 또는 0.0065"의 벽 두께를 가진다.

병목 부분(105)은 병(100)의 개방단(191) 가까이에 성형된다. 병목 부분(105)은 원통형 부분(110)의 상기 일정한 직경(112)으로부터 줄어드는 가변적 직경을 가진다. 이러한 가변적 직경은 병목 부분(105)이 개구(123) 측 방향으로 점차적으로 축소되는 테이퍼형 구조(107)를 형성한다. 일부 실시형태에서는, 병목 부분(105)의 숄더 부분(111)이 원통형 부분(110)으로부터 약 45도의 각도로 연장된다. 일부 실시형태에서는, 병목 부분(105)의 상부 병목 부분(113)이 병(100)의 중심선(103)으로부터 약 6도의 각도로 연장된다. 다른 실시형태에서는, 병목 부분(105)의 상부 병목 부분(113)이 병(100)의 중심선(103)으로부터 약 5.75도의 각도로 연장된다.

병목 부분(105)은 나사산형 부분(120)을 포함하며, 상기 나사산형 부분(120)의 외부 표면 상으로 하나 이상의 나사산(122)이 노출된다. 나사산(122)은 나사산형 캡(300)(도 3)이 개구(123)를 닫고 밀봉할 수 있도록 한다. 일부 실시형태에서, 나사산형 부분(120)은 병(100)으로부터 음료를 마실 때 안전한 접촉을 위해 개구(123)로부터 외부측으로 접힌 접힘형 플랜지(125)를 더 포함한다.

일부 실시형태에서, 병(100)의 외부 표면 위로 인쇄 표시(118)가 도포된다. 인쇄 표시(118)는 병(100)의 외부 표면에 도포된 깨끗하거나 투명한 코트(coat)(119)와 추가로 봉공처리(seal)될 수 있다. 상기 세장형 병(100)의 내부 표면에는 음료를 박판 금속(101)으로부터 격리시키기 위한 내부 코팅(130)이 도포될 수 있다.

일부 실시형태에서, 병(100)의 원통형 부분(110)은 약 114 mm 또는 4.490" 내지 약 162 mm 또는 6.381"의 높이를 가진다. 일부 실시형태에서는 원통형 부분(110)이 약 120 mm 또는 4.7244" 내지 약 155 mm 또는 6.1024"의 높이를 가진다. 다른 실시형태에서는 원통형 부분(110)이 약 162 mm 또는 6.3779"의 높이를 가진다. 일부 실시형태에서는 병(100)이 약 190 mm 또는 7.48" 내지 약 238 mm 또는 9.37"의 전체 높이를 가진다. 다른 실시형태에서는 병(100)이 약 200 mm 또는 7.874" 내지 약 220 mm 또는 8.661"의 전체 높이를 가진다. 다른 실시형태에서는 병(100)이 최대 약 762 mm 또는 30"의 전체 높이를 가질 수 있다. 아래에 더 상세히 설명되겠지만, 이러한 높이의 병들은 높은 결함률로 인해 이전에는 높은 생산 속도로 일관성을 기반으로 성형하기가 어려웠다. 예를 들어, 키가 더 큰 용기를 성형하는 작업에 포함되는 금속의 냉간 가공량이 증가하면서 금속이 더 깨지기 쉬운 상태로 되었으며, 이는 제조 결함률의 상승으로 이어졌다. 열처리와 함께 저-산포도 금속을 사용하면 낮은 결함률로 고속으로 병-형상 용기를 제조할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 본 개시는 높은 생산 속도에서 전체 높이가 약 238 mm (9.37")이거나 더 키가 큰 병(100)을 낮은 결함률로 지속적으로 일관되게 제조할 수 있게 한다.

도 2a와 도 2b는 저-산포도 박판 금속(210)과 비-저-산포도 박판 금속(220)의 예시적인 응력-변형률 관계의 실시형태들을 도시한다. 도 2a와 도 2b는 예시적인 목적으로 제공된 것으로서, 다른 응력-변형률 관계를 가진 다른 재료들도 본 개시의 범위에 속한다. 이제 구체적으로 도 2a를 참조하면, 저-산포도 박판 금속의 응력-변형률 곡선을 210으로 나타내었고, 비-저산포도 박판 금속의 응력-변형률 곡선을 220으로 나타내었다. 도 2a의 수평축은 변형률 변수(ε)를 나타내고, 수직축은 응력 변수(σ)를 나타낸다. 곡선 210 및 220으로 표시된 이러한 두 가지 상이한 금속들은 동일한 탄성계수(E) (참조번호 215로 도시됨) 및 동일한 항복 응력(σ_y) (참조번호 202로 도시됨)을 가진다. 곡선 210 및 220에 도시한 대로, 항복 응력(202)은 변형률(222)과 (항복 응력, 변형률)에 상응하거나, (σ_y, ε₁)은 응력-변형률 관계와, (ε_0.2, 0), (이때, ε_0.2 = 0.002)부터 탄성 계수(E)의 기울기로 연장되는 직선 사이의 교점에서 정의된다. 저-산포도 금속(210)의 극한 인장 응력은 σ_uL로 표시되었고 (참조번호 204로 도시됨), 비-저-산포도 금속(220)의 극한 인장 응력은 σ_uN으로 표시되었다 (참조번호 206으로 도시됨). 본 예에서, σ_uL 및 σ_uN 둘 다는 참조번호 224로 도시된 동일한 극한 인장 변형률 ε_T에 상응한다. 도 2a에 제시된 예에서는 비교를 용이하게 하도록 σ_yL = σ_yN = σ_y이다. σ_yL과 σ_yN의 실제값들이 상이할 수 있다. 마찬가지로, 극한 인장 변형률 ε_T는 또한 저-산포도 금속(210)과 비-저-산포도 금속(220)에 대해 각각의 값을 가질 수 있다. 동일한 합금의 경우, σ_uL 및 σ_uN은 열처리, 합금 요소들의 변동, 화학 처리, 또는 금속 결정 구조에 대한 다른 변경에 따라 달라질 수 있다.

도 2a에 도시한 대로, 저-산포도 금속(210)의 항복 응력과 극한 인장 응력 간의 차이는 비-저-산포도 금속의 항복 응력과 극한 인장 응력 간의 차이보다 적으므로, σ_uL - σ_yL < σ_uN - σ_yN이 성립된다. 일부 실시형태에서, 저-산포도 박판 금속(210)의 극한 인장 응력 σ_uL과 항복 응력 σ_yL 간의 차이(즉, 산포도)는 비-저-산포도 박판 금속(220)의 극한 인장 응력 σ_uN과 항복 응력 σ_yN 간의 차이보다 현저하게 적다. 예를 들어, 일부 실시형태에서는 저-산포도 박판 금속(210)이 약 227.53 MPa 또는 33ksi의 극한 인장 응력과, 약 205.46 MPa 또는 29.8 ksi의 항복 응력을 가지며, 전형적인 비-저-산포도 박판 금속은 약 268.9 내지 317.2 MPa 또는 39 내지 46 ksi의 극한 인장 응력과, 약 241 내지 289.6 MPa 또는 35 내지 42 ksi의 항복 응력을 가진다.

일부 실시형태에서, 저-산포도 알루미늄 박판 재료의 극한 인장 응력은 약 213.7 MPa 또는 31 ksi 내지 약 241.3 MPa 또는 35 ksi이다. 일부 실시형태에서는 알루미늄 박판 재료의 극한 인장 응력이 약 227.5 MPa 또는 33 ksi이다. 일부 실시형태에서, 알루미늄 박판 재료의 항복 응력은 약 196.5 MPa 또는 28.5 ksi 내지 약 217.2 MPa 또는 31.5 ksi이다. 일부 실시형태에서는 항복 응력이 약 205.5 MPa 또는 29.8 ksi이다. 약 193 MPa 또는 28 ksi 미만의 항복 응력은 병(100)의 좌굴 강도 손실을 가져올 수 있는 것으로 밝혀졌다. 일부 실시형태에 의하면, 저-산포도 금속의 항복 응력과 극한 인장 응력 간의 산술적 차이는 약 21 MPa 또는 3.05 ksi 내지 약 23.1 MPa 또는 3.35 ksi이다. 다른 실시형태에서는 저-산포도 금속의 항복 응력과 극한 인장 응력 간의 산술적 차이가 약 21.4 MPa 또는 3.1 ksi 내지 약 22.1 MPa 또는 3.2 ksi이다. 일부 실시형태에서는 저-산포도 금속의 항복 응력과 극한 인장 응력 간의 산술적 차이가 약 22.4 MPa 또는 3.25 ksi이다. 예를 들어, 일부 실시형태에 의하면, 저-산포도 금속(210)은 항복 응력 σ_y = 200 MPa (또는 29 ksi) 및 인장 응력 σ_uL = 222.4 MPa (또는 32.25 ksi)를 가질 수 있다. 따라서, 저 산포도 σ_uL - σ_Y는 약 22.4 MPa (또는 3.25 ksi) 이내이다. 위에 설명한 대로, 비-저-산포도 금속에서의 항복 응력과 극한 인장 응력의 산술적 차이는 전형적으로 약 255.1 MPa 또는 37 ksi이다.

변형시, 저-산포도 박판 금속(210)이 달성할 수 있는 최대 소성 변형은 참조번호 233으로 도시된 ε_L이며, 이때 ε_T - ε_L이 탄성 변형률이다. 마찬가지로, 비-저-산포도 박판 금속(220)의 최대 소성 변형은 참조번호 231로 도시된 ε_N이며, 이때 ε_T - ε_N이 탄성 변형률이다. σ_uN 이 σ_uL보다 크기 때문에, 두 금속(210 및 220)은 동일한 탄성 계수 E(215)를 가지며, 달성가능한 소성 변형 ε_L(233)이 ε_N(231)보다 크다. 이로써, 고속으로 이루어지는 금속 병 제조시, 저-산포도 금속(210)이 비-저-산포도 금속(220)보다 더 큰 소성 변형을 견딜 수 있는 것으로 밝혀졌다. 그 밖에도, 저-산포도 금속에 있어서의 ε_L(233)과 ε_N(231) 간의 차이는 제조 과정 동안 병 내의 파열과 결함들을 줄임으로써 불합력률을 감소시키는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, 일부 실시형태에 의하면, 약 3.2 ksi의 산포도를 갖는 저-산포도 금속은, 비-저-산포도 재료를 사용한 경우의 결함률 약 10% 내지 약 60%와 비교하여, 약 3%의 결함률로 분단 약 1,200개의 병을 만드는 속도로 병들(100)을 제조하였다.

이전에는 캔과 병을 성형하는 데 사용되었던 금속 박판의 항복 응력과 극한 인장 응력 간의 산포도가 낮으면 결합률을 높이고, 생산을 늦출 것으로 생각되었다. 특히, 이전에는, 금속 성형 특징들에 대한 작업 자유 범위를 높이기 위해서는 넓은 산포도가 필요하다고 생각되었다. 그러나, 항복 응력과 극한 인장 응력 간의 산포도가 낮은 박판 금속을 사용하는 것이 세장형 알루미늄 병들을 고속으로 성형하는 데 매우 적합하다는 것이 밝혀졌다.

도 2b는 저-산포도 박판 금속(260)과 비-저-산포도 박판 금속(270)을 비교하는 응력-변형률 곡선들의 제 2 예제 세트를 도시한다. 도 2a에서와 마찬가지로, 도 2b의 수평축은 변형률 변수(ε)를 나타내고, 수직축은 응력 변수(σ)를 나타낸다. 이러한 두 가지 상이한 금속들(260 및 270)은 동일한 탄성계수(E) (215) 및 동일한 항복 응력(σ_y) (252)을 가진다. σ_y(252)는 변형률 ε₁ (272)에 상응하며, 이때 (ε₁, σ_y)는 응력-변형률 관계와, (ε_0.2, 0), (이때, ε_0.2 = 0.002)부터 E(265)의 기울기로 연장되는 직선 사이의 교점에서 정의된다. 저-산포도 금속(260)의 극한 인장 응력은 σ_uL(254)이고, 비-저-산포도 금속(270)의 극한 인장 응력은 σ_uN(256)이다. σ_uL(254)은 극한 인장 변형률 ε_uL(275)에 상응하고,σ_uN(256)은 극한 인장 변형률 ε_uN(285)에 상응한다. 도 2b에 제시된 예에서 σ_yL = σ_yN = σ_y,이지만, 위에 설명한 대로 이들 값은 변경될 수 있다.

전술한 대로, 저-산포도 박판 금속(260)은 비-저-산포도 박판 금속(270)보다 낮은 산포도를 가지는데, 즉, 달리 말하면, σ_uL - σ_yL < σ_uN - σ_yN이 성립된다. 도 2b에 제시된 예에서, 더 낮은 극한 인장 강도 σ_uL(254)는 ε_uN(285)보다 큰 극한 인장 변형률 ε_uL(275), 즉, ε_uL > ε_uN에 해당된다. 변형시, 저-산포도 박판 금속(260)이 달성할 수 있는 최대 소성 변형은 ε_L(273)이며, 이때 ε_uL - ε_L이 탄성 변형률이다. 마찬가지로, 비-저-산포도 박판 금속(270)의 최대 소성 변형은 ε_N(283)이며, 이때 ε_uN - ε_N 이 탄성 변형률이다. σ_uN 이 σ_uL보다 크기 때문에, 두 금속(210 및 220)은 동일한 탄성 계수 E(215)를 가지며, 소성 변형 부분 (ε_uN - ε_N)이 (ε_uL - ε_L)보다 크다. 또한, ε_L이 ε_N보다 크다. 이로써, 높은 생산 속도에서 저-산포도 금속(260)이 비-저-산포도 금속(270)보다 훨씬 더 큰 소성 변형을 견딜 수 있는 것으로 밝혀졌다. 또한, ε_L(273)과 ε_N(283) 간의 차이는 제조 과정 동안 소성 변형에 대해 더 높은 변형률 값 ε_L을 제공함으로써 불합력률을 감소시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다. 제조 결함 없이 지속적으로 일관되게 예비성형체 용기가 성형될 수 있기 때문에, 넓은 산포도가 필요하지 않는 것으로 밝혀졌다. 실제로, 넓은 산포도는 병목 및 나사산 형성과 관련된 제조 결함률을 높이는 것으로 밝혀졌다.

도 3은 도 1의 세장형 병(100)을 밀봉하기 위한 캡(300)의 개략도이다. 캡(300)은 병(100)의 나선형 나사산(122)에 상응하는 나선형 나사산(310)을 포함한다. 나선형 나사산(310)은 나사산형 부분(120)을 세장형 병(100)에 체결할 수 있다. 일부 구현에서, 캡(300)은 금속, 플라스틱, 또는 다른 적합한 재료로 만들어질 수 있다. 캡(300)은 또한 캡(300)이 한 번 개봉된 적이 있음을 표시하는 구성요소, 예컨대 캡(300)의 바닥 가장자리에 파괴가능한 띠를 포함할 수 있다.

도 4는 도 1의 세장형 병(100)의 제조 방법에 대한 흐름도(400)이다. 402 단계에서는 상기 세장형 병(100)을 만들기 위한 저-산포도 박판 금속을 제공한다. 이러한 저-산포도 박판 금속은 박판 금속의 항복 응력에 상응하는 항복 상태와 박판 금속의 극한 인장 응력에 상응하는 극한 인장 상태 간의 산포도가 낮다. 일부 실시형태에 의하면, 박판 금속의 낮은 산포도는 항복 응력과 극한 인장 응력 간의 산술적 차이와 같다. 예를 들어, 일부 실시형태에 의하면, 저-산포도 금속의 항복 응력과 극한 인장 응력의 산술적 차이는 약 22.4 MPa 또는 3.25 ksi이다.

404 단계에서는 박판 금속이 컵으로 성형된다. 이어서 406 단계에서는 컵이 원통형 용기 안으로 드로잉된다. 원통형 용기는 개방단과 폐쇄단을 가진다. 408 단계에서는 원통형 용기의 폐쇄단에 오목한 바닥 부분이 형성된다. 일부 구현예에서는 개방단을 병목 부분으로 좁게 만드는 작업 이전에, 개방단을 직선형 가장자리로 트리밍한다. 410 단계에서, 장식용 코팅과 씰러가 컵에 도포된다. 일부 실시형태에서는, 세장형 병(100)의 외부 표면 상에 페인트 층이 도포되고, 이러한 페인트 층 위에 투명한 씰러(119) 층이 추가로 도포될 수 있다. 음료를 박판 금속으로부터 격리시키기 위해, 씰러(130) 막을 상기 세장형 병(100)의 내부 표면 상에 도포할 수 있다. 412 단계에서는 원통형 용기를 열처리하여, 이전 단계들에서 초래된 가공 경화 효과의 일부 또는 모두를 제거하고, 컵에 도포되었던 장식용 코팅 또는 씰러를 건조시킬 수 있다. 4114 단계에서는, 병목 부분이 원통형 용기(100)의 개구(123) 가까이에 성형된다. 병목 부분(105)은 네킹 작업으로 성형될 수 있으며, 좁아지는 테이퍼형 구조(107)를 형성하도록 가변적 직경을 가질 수 있다.

416 단계에서는 하나 이상의 나사산(122)을 형성하기 위해 병목 부분(105)의 일부분을 변형시키거나 압입시켜 병목 부분(105) 상에 나사산형 부분(120)을 성형한다. 이들 나사산(122)은 세장형 병(100)의 외부 표면 상으로 노출된다. 418에서는 개구(123)의 가장자리에 있는 플랜지(125)를 외부측으로 접어, 둥근 테두리를 제공한다.

일부 실시형태에 의하면, 병에 도포된 임의의 장식용 코팅을 경화시키고, 금속을 열적으로 회복시키도록 412 단계 동안의 온도 설정치와 순환 주기를 구성한다. 예를 들면, 이렇게 코팅된 병(100)을 워셔 드라이-오프 오븐, 핀 오븐, 및 베이크 오븐에 통과시킬 수 있다. 일부 실시형태에서는, 코팅된 병(100)이 약 275 내지 500 ℉의 워셔 드라이-오프 오븐을 약 5 내지 17 ft/min으로 통과해 이동할 수 있다. 그런 후, 코팅된 병(100)은 약 390 내지 500 ℉의 핀 오븐을 약 200 내지 1500개의 캔/min의 속도로 통과해 이동할 수 있다. 그리고 마지막으로, 코팅된 병(100)은 베이크 오븐을 약 12 내지 22 ft/min의 최대 속도로 통과해 이동할 수 있다. 내부측 오븐 온도는 제 1 영역에서 약 290 내지 340 ℉, 제 2 영역에서 약 410 내지 500 ℉, 그리고 제 3 영역에서는 400 내지 500 ℉일 수 있다.

다른 실시형태에서는, 코팅된 병(100)이 약 280 내지 350 ℉의 워셔 드라이-오프 오븐을 약 6 내지 14 ft/min으로 통과해 이동할 수 있다. 그런 후, 코팅된 병(100)은 약 425 내지 485 ℉의 핀 오븐을 약 400 내지 1300개의 캔/min의 속도로 통과해 이동할 수 있다. 그리고 마지막으로, 코팅된 병(100)은 베이크 오븐을 약 14 내지 20 ft/min의 최대 속도로 통과해 이동할 수 있다. 내부측 오븐 온도는 제 1 영역에서 약 300 내지 330 ℉, 제 2 영역에서 약 450 내지 490 ℉, 그리고 제 3 영역에서는 약 440 내지 490 ℉일 수 있다.

일부 다른 실시형태에서는, 코팅된 병(100)이 약 300 내지 320 ℉의 워셔 드라이-오프 오븐을 약 7 내지 12 ft/min으로 통과해 이동할 수 있다. 그런 후, 코팅된 병(100)은 약 460 내지 470 ℉의 핀 오븐을 약 600 내지 1200개의 캔/min의 속도로 통과해 이동할 수 있다. 그리고 마지막으로, 코팅된 병(100)은 베이크 오븐을 약 16 내지 18 ft/min의 최대 속도로 통과해 이동할 수 있다. 내부측 오븐 온도는 제 1 영역에서 약 310 내지 320 ℉, 제 2 영역에서 약 465 내지 475 ℉, 그리고 제 3 영역에서는 약 460 내지 470 ℉일 수 있다. 일부 실시형태에 의하면, 위의 온도들과 이동 속도들은 금속의 가공 경화 중 적어도 일부를 회복시켜, 전술한 대로, 저-산포도 금속이 병목-형상 부분을 가진 병의 모양으로 성형될 수 있게 한다.

특정 실시형태들에 대한 위의 설명에서는 명료성을 위해 특수 용어를 재분류하였다. 하지만, 본 개시는 이렇게 선택된 특수 용어들에 제한되고자 의도되지 않으며, 각각의 특수 용어에는 유사한 기술적 목적을 달성하기 위해 유사한 방식으로 수행되는 다른 기술적 동등물들이 포함되는 것으로 이해해야 한다. 본 명세서에서, 용어 "포함한(하는)"은 "개방적" 의미, 즉, "포괄하는"의 의미로 이해되어야 하고, 따라서 그의 "폐쇄적" 의미, 즉, "~로만 필수적으로 구성된" 의미로 제한되지 않는다. 이에 상응하는 의미가 그 사용되는 곳에서 해당 용어들 "포함한(다)"에도 부여된다.

아울러, 위에서는 본 발명(들)의 일부 실시형태만 설명하였으며, 제한적이 아닌 예시적으로 상기 개시된 실시형태들의 범위와 사상을 벗어나지 않으면서 이들 실시형태를 변경, 수정, 부가 및/또는 변화시킬 수 있다.

더 나아가, 본 발명은 상기 개시된 실시형태들에 제한되는 것이 아니라, 이와는 반대로, 본 발명(들)의 사상과 범위 내에 포함된 다양한 수정 사항들 및 동등한 장치들을 포괄하고자 의도된다. 또한, 전술된 다양한 실시형태들은 다른 실시형태들과 함께 구현될 수 있다. 예컨대, 한 실시형태의 양태들을 다른 실시형태의 양태들과 조합하여 또 다른 실시형태들을 실현할 수 있다. 또한, 임의의 주어진 어셈블리의 각각의 독립적 특징이나 구성요소는 추가적 실시형태를 구성할 수 있다.

Claims

항복 응력에 상응하는 항복 상태와 극한 인장 응력에 상응하는 극한 인장 상태 간의 산포도가 낮은 박판 금속(sheet metal)으로 성형된 몸체를 포함한 세장형 병으로서, 상기 몸체는:
원형 둘레를 갖는 오목한 바닥 부분과;
상기 바닥 부분의 원형 둘레로부터 연장되고, 일정한 직경을 갖는 원통형 부분과;
상기 원통형 부분의 일정한 직경으로부터 줄어드는 가변적 직경을 가지며, 상기 가변적 직경을 통해 테이퍼형 구조를 형성하는 것인 병목 부분(neck portion)과;
개구를 갖는 것인, 세장형 병.
제1항에 있어서, 상기 박판 금속의 항복 응력과 극한 인장 응력 간의 산술적 차이가 약 21 MPa 또는 3.05 ksi 내지 약 23.1 MPa 또는 3.35 ksi인, 세장형 병.
제1항에 있어서, 상기 박판 금속의 항복 응력과 극한 인장 응력 간의 산술적 차이가 약 21.4 MPa 또는 3.1 ksi 내지 약 22.75 MPa 또는 3.3 ksi인, 세장형 병.
제1항에 있어서, 상기 박판 금속의 항복 응력과 극한 인장 응력 간의 산술적 차이가 약 22 MPa 또는 3.2 ksi인, 세장형 병.
제1항에 있어서, 상기 박판 금속의 항복 응력이 약 196.5 MPa 또는 28.5 ksi 내지 약 217.2 MPa 또는 31.5 ksi인, 세장형 병.
제1항에 있어서, 상기 박판 금속의 항복 응력이 약 213.7 MPa 또는 31 ksi 내지 약 268.9 MPa 또는 39 ksi인, 세장형 병.
제3항에 있어서, 상기 박판 금속의 항복 응력이 약 205.5 MPa 또는 29.8 ksi인, 세장형 병.
제1항에 있어서, 상기 원통형 부분은 약 114 mm 또는 4.490" 내지 약 162 mm 또는 6.381"의 길이를 갖는 것인, 세장형 병.
제8항에 있어서, 상기 원통형 부분은 약 162 mm의 길이를 갖는 것인, 세장형 병.
제1항에 있어서, 상기 병은 약 190 mm 내지 약 238 mm의 전체 길이를 갖는 것인, 세장형 병.
제1항에 있어서, 상기 병은 약 238 mm의 전체 길이를 갖는 것인, 세장형 병.
제1항에 있어서, 상기 병목 부분은 나사산형 부분(threaded portion)을 포함하는 것인, 세장형 병.
제12항에 있어서, 상기 나사산형 부분은 접힘형 플랜지(folded flange)를 더 포함하는 것인, 세장형 병.
제12항에 있어서, 상기 나사산형 부분과 결합가능한 나사산형 캡을 더 포함하는 세장형 병.
항복 응력에 상응하는 항복 상태와 극한 인장 응력에 상응하는 극한 인장 상태 간의 산포도가 낮은 박판 금속을 제공하는 단계와;
상기 박판 금속을 원형 컵으로 성형하는 단계와;
상기 원형 컵을 개방단과 폐쇄단을 가진 원통형 용기로 드로잉 및 아이어닝(ironing)하는 단계와;
상기 원통형 용기의 폐쇄단을 오목한 바닥 부분으로 성형하는 단계와;
상기 원통형 용기의 개방단을 절단하는 단계와;
상기 원통형 용기의 개방단을 병목 부분으로 성형하는 단계
를 포함하는, 세장형 병의 제조 방법.
제15항에 있어서, 상기 병이 약 190 mm 내지 약 238 mm의 전체 길이를 갖는 것인, 방법.
제15항에 있어서, 상기 병이 약 238 mm의 전체 길이를 갖는 것인, 방법.
제15항에 있어서, 상기 박판 금속의 항복 응력과 극한 인장 응력의 산술적 차이가 약 3.2 ksi인, 방법.
항복 응력과 극한 인장 응력 간의 산포도가 낮으며, 상기 항복 응력과 상기 극한 인장 응력의 산술적 차이가 약 22.4 MPa이고, 상기 항복 응력이 약 200 MPa인 박판 금속을 원형 컵으로 성형하는 단계와;
상기 원형 컵을 개방단과 폐쇄단을 갖는 원통형 용기로 드로잉 및 아이어닝하는 단계와;
상기 원통형 용기의 폐쇄단을 오목한 바닥 부분으로 성형하는 단계와;
상기 원통형 용기의 개방단을 절단하는 단계와;
상기 원통형 용기의 개방단을 병목 부분으로 좁게 만드는 단계와;
개방단의 가장자리를 외부측으로 접어 플랜지를 성형하는 단계
를 포함하는 음료 병의 제조 방법에 있어서,
상기 병은 약 238 mm의 전체 길이를 갖는 것인, 방법.
제19항에 있어서, 상기 용기의 몸체 부분에 대해 약 45도의 각도로 숄더 부분을 성형하는 단계를 더 포함하는, 방법.