KR20210150572A - 캔 내부 경화 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
개선된 캔 내부 경화 기술을 제공한다. 한 구현은 캔 내부에 집속되어 초고속 경화 결과에 영향을 주는 협대역 반도체 생성 적외선 에너지를 사용한다. 이는 집속된 고출력 복사 에너지를 사용하여 캔 내벽을 덮고 있는 코팅에 직접 영향을 주어 코팅을 빠르게 경화시킨다. 경화가 너무 빨리 이루어지므로 알루미늄 캔 본체의 디템퍼링 및 어닐링이 발생할 시간이 없어 더 강한 캔을 남길 수 있다.
Description
본 출원은 2019년 4월 19일에 출원된 미국 가출원 번호 62/836,447을 기초로 하고 이에 대한 우선권을 주장하며, 이는 전체가 참고로 본원에 포함된다.
두 피스 알루미늄이나 스틸 음료 캔과 같은 캔을 제조하는 공정에서, 캔을 만드는 원료 알루미늄이나 스틸이 캔에 궁극적으로 충전될 제품에 직접 닿지 않도록 코팅을 할 필요가 있다. 캔에 넣을 액체 중 일부는 알루미늄 재료와 접촉하면 손상될 수 있다. 다른 액체는 알루미늄과 화학 반응을 일으켜 컨테이너의 무결성이 손상될 수 있다. 예컨대, 맥주는 원료 알루미늄과 조금만 접촉해도 파괴된다. 한편 청량 음료(soft drink)는 종종 이미 매우 얇은 알루미늄 표면에 화학적으로 에칭되어 강도와 무결성을 손상시킬 만큼 충분히 산성이다. 다른 제품은 맛의 변화로 인해 부정적인 영향을 받을 수 있다. 알루미늄 재료가 최종 캔 형상으로 형성되기 전에 평평한 길이로 절단되거나 코일 스톡으로 존재하는 동안 알루미늄 재료를 코팅하는 일부 공정이 사용 중이다. 그러나 대부분의 캔은 시작 플랫 코일 스톡에서 형성되는 형성 공정을 거친 후에 코팅된다. 현대식 식품 또는 음료 캔의 제조에는 두 가지 주요 공정이 있다. 그들은 드로우-리드로우 공정(draw-redraw process)(D&R) 또는 더 일반적으로 드로우 및 아이언 공정(draw and iron process)(D&I)를 거친다. D&I 공정은 때때로 드로우-월 아이언 공정(draw-wall iron process) 또는 DWI라고 한다. 두 공정 모두에서, 드로우 컵은 평평한(일반적으로) 코일 스톡으로 생산된다. 그 컵은 더 깊고 최종 크기의 컵을 드로잉하여 추가 처리된다. D&I 공정의 제 2 단계는 컵의 벽이 정확하고 원하는 두께와 치수가 될 때까지 연속적으로 "아이언닝(ironing)"하는 것이다. 상당한 양의 엔지니어링과 실험이 공정으로 진행하고 바닥 및 최종적으로는 차후 공정의 캔의 목 모두에서 최종 개발 형상으로 진행한다. 완성된 캔이 캔에 충전될 액체 식품 또는 음료의 가스에 의해 가해지는 압력을 견딜 수 있도록 정확한 형상 기하학이 매우 중요하다. 이 구조적 성형은 측벽을 따라 압력을 유지하기 위한 것이지만 궁국적으로 돔 형상의 바닥이 바닥 반전 실패로 지칭하는 것으로 실제로 실패하는 것을 방지해야 한다.
더 자세히 설명하기 위해, 전형적인 드로우 및 아이언 공정(D&I 또는 DWI)을 예로 사용하여 도 6을 참조한다. 도 6에서, D&I를 사용하여 캔을 형성하기 위한 예시적인 공정(600)이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 캔은 언코일러(uncoiler;602), 윤활제(604), 컵퍼(cupper;606), 보디메이커(bodymaker;608) 및 트림머(trimmer;610)를 사용하여 형성된다. 당업자는 전형적인 D&I 공정에서 이러한 요소의 형태와 기능을 이해할 것이다.
캔이 직선 벽의 목이 없는 캔 형상이 된 후, 내부 코팅 공정을 포함한 코팅 공정을 통해 넣어지기 전에, 와셔(612)를 사용하여 세척하고 예컨대 가스 건조기 오븐(614)을 사용하여 약 400℉에서 건조시킨다.
코팅 공정은 베이스코팅기(616)를 사용하여 캔의 외부에 잉크의 베이스코팅을 선택적으로 적용한 다음 대략 400℉에서 작동되는 선택적인 베이스코팅기 오븐(618)을 사용하여 적용된 베이스코팅을 건조함으로써 개시된다. 다음으로, 캔은 캔의 외부 표면에 잉크 패턴을 적용하기 위한 데코레이터(620) 및 캔의 바닥에 보호 코팅 층을 적용하기 위한 바닥 코팅기(622)를 통과한다. 다음으로 캔은 적용된 외부 코팅을 건조시키기 위해 데코 오븐(624)(약 400℉에서도 작동됨)으로 보내진다.
다음으로, 내부 코팅 공정을 시작하여 캔의 내부 표면을 코팅한다. 내부 코팅 공정은 일반적으로 내부 코팅기(626), 인덱싱 스타휠(indexing starwheel) 또는 연속 작동 스타휠을 통과하는 캔의 단일 파일 라인을 포함하며, 여기서 캔 내부를 코팅하는 분무 건이 작동된다. 분무 건은 모든 표면이 덮일 수 있도록 매우 미세한 습식 코팅 미스트를 캔으로 향하게 하기 위해 고도로 개발되었다. 캔은 작동 중에 분무 건 아래에서 회전하여 캔 내부 둘레에 360도 균일한 범위를 제공한다. 일반적으로 목표는 내부가 분무되는 동안 캔이 2 내지 5회 회전하는 것이다. 젖었을 때, 코팅은 캔 내부 전체의 표면에 부착된 얇은 흰색 페인트처럼 보인다. 캔은 코팅을 고르게 하기 위해 구심력을 사용하는 공정동안 고속으로 회전된다. 알루미늄 또는 스틸 캔 스톡을 적절히 덮을 수 있도록 분무 코팅이 정확한 두께로 진행되는 것이 중요하다. 적절하게 수행하기에는 너무 얇거나 너무 두꺼워서는 안 된다. 너무 두꺼우면 제대로 경화되지 않고 코팅을 낭비할 수 있는 런과 두꺼운 영역(runs and thick area)이 발생할 수 있다. 분무 코팅 공정 직후, 캔은 IBO(628)로 알려진 내부 베이킹 오븐에서 열 경화되어야 한다.
분무 코팅기에서 나오는 캔의 단일 파일 라인은 대량 운반으로 보내진다. 대량 컨베이어 재료 취급 그룹은 캔의 폭이 30 내지 80"인 넓은 컨베이어에 수십 개의 폭으로 중첩될 수 있을 만큼 서로 가깝게 그룹화된다. 캔이 IBO(628)를 통해 운반되는 컨베이어 벨트는 고온의 반복적인 혹독함으로 다루어서 벨트 재료가 오븐을 안전하게 통과하여 경화 오븐을 통해 캔을 운반할 수 있도록 한다. 경화 오븐을 통과하는 데 일반적으로 2 내지 4분이 소요된다. 오븐에는 일반적으로 캔이 점진적으로 통과하는 다중 열 섹션(multiple heat section)을 가진다. 일반적인 IBO 오븐 구성은 캔을 오븐의 제 1 섹션에 도입하여 캔을 예열로 약 60초 동안 200 내지 270℉에 노출시킨다. 섹션 또는 구역 2는 또 다른 약 60초 동안 온도를 270 내지 400℉로 높인다. 최종 섹션 또는 구역 3은 일반적으로 대략 최종 60초 경화 동안 온도를 380 내지 450℉로 유지한다. 캔은 오븐에서 총 약 180초를 소비하며 시간은 약간 다를 수 있지만 이는 기존의 상황을 나타낸다.
대량 운반된 캔이 IBO를 빠져나갈 때, 내부의 에폭시 코팅은 적절하게 경화되면 사실상 투명하게 보일 것이다. 투명도는 표시기이지만 코팅이 완전히 경화되었음을 보장하지는 않다. 확인하려면 실험실에서 테스트해야 한다. IBO의 개념은 대량 운반된 캔의 온도를 전체 경화 온도까지 점진적으로 가져온 다음 최소 몇 초 동안 380 내지 450℉에서 유지되었는지 확인하는 것이다. 이는 에폭시 코팅이 적절하고 완전한 경화에 필요한 결합 또는 연결 공정을 시작하는 데 필요한 시간이다. 일단 이 "온도에서의 시간"에 의해 시작된 연결 공정은 실제로 지정된 시간 동안 375℉ 온도 초과로 유지된 경우 완전히 경화될 때까지 계속된다. 언급했듯이 "투명한" 화합물은 제대로 경화되었음을 의미하는 것은 아니다. 시간에 약간 낮은 온도가 제공되면, 정확한 연결 온도가 시작되지 않은 경우에도 분명해질 것이다. 온도가 너무 높거나 온도가 너무 오래 유지되면 코팅이 노란변색 또는 물집이 생기는 과경화도 가능하다. 예컨대, 코팅된 캔을 상승 온도에서 15분 동안 유지하면, 눈에 띄는 노란변색 또는 물집이 생길 수 있으며 이는 분명히 허용 가능한 경화 결과가 아니다. 이는 일반적으로 오븐에 캔이 가득 찬 상태에서 오븐 컨베이어가 멈추는 경우에 발생할 수 있다. 음료 캔은 일반적으로 적절하게 경화되어야 하는 총 내부 코팅 중량 80 내지 150mg을 포함한다.
캔이 IBO(628)에서 나온 후, 캔은 추가 처리를 위해 왁스 처리기(630)로 보내진다. 왁서 기능이 완료된 후, 넥커(necker;632) 및 플랜저(634)를 사용하여 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이 캔 형성 공정을 완료한다. 광 시험기(636)도 사용할 수 있다. 마지막으로 형성된 캔은 팔레타이저(palletizer;638)로 보내진다.
이 공정은 전 세계적으로 사용되며 두 피스 캔에 안전한 식품 및 음료 포장을 위한 표준으로 널리 받아들여지고 있다. 동일하거나 매우 유사한 공정이 종종 다른 유형의 캔에도 사용된다.
그러나, 놀랍게도 현재의 IBO 오븐은 엄청난 양의 에너지를 사용한다. 대부분의 오븐은 천연 가스 연소이지만 일부는 전기이다. 두 유형 모두 매우 많은 양의 에너지를 사용하고 많은 양의 바닥 공간을 차지한다. 캔의 대량 운반이 일어나는 벨트가 오븐을 통과해야 하고 연속 24/7 기준으로 핫/콜드 사이클(hot/cold cycle)을 확인해야 하기 때문에 오븐은 광범위한 유지관리가 필요하다. 베어링, 구동 트레인, 가이드 및 벨트 재료 자체는 모두 지속적인 열 및 기계적 마모의 대상이 된다. 또한 오븐이 일반적으로 에너지를 얻는 화석 연료 기반을 감안할 때, IBO 오븐 주변에는 지속 가능성과 대기 오염 문제가 있다. 또한, 벨트를 작동하고 오븐 관련 공기를 계속해서 배기, 배기 및 세정을 위해서는 일반적으로 5개의 대형 전기 모터(전체 약 95HP)가 필요하다.
캔을 만드는 알루미늄은 IBO에서 보내는 시간 때문에 실제로 강도를 잃는다는 것은 캔 제조 산업에서 잘 알려져 있다. 캔이 상승 온도에서 2 내지 3분 동안 소비되기 때문에 디템퍼링/어닐링 효과(de-tempering/annealing effect)가 발생하여 3004 알루미늄 합금을 약화시키는 것으로 널리 알려져 있다. 일반 어닐링은 이 시간보다 훨씬 오래 걸리지만, 알루미늄은 매우 얇아서 충전한 열 침투가 일어나고 사실상 즉시 입자 구조에 영향을 미치기 시작하기 때문에 캔 본체에서 어닐링이 발생하는 것으로 생각된다.
이러한 디템퍼링/어닐링 효과의 결과, 캔이 최종 사양보다 실제로 더 강하도록 제조되어야 한다. 그들은 IBO 오븐 트립(IBO oven trip)의 결과로 적절한 성능을 위해 필요한 바닥 반전 강도(bottom reversal strength)의 약 8 내지 10%를 잃는다. 그들은 탄산 청량 음료의 경우 "바닥 반전" 전에 92 내지 95 PSI의 압력 억제 강도를 유지해야 하고 맥주의 경우 105 내지 110 PSI를 유지해야 한다. 이러한 고속 연화, 강화 해제 또는 어닐링은 알루미늄 합금의 인장강도 및 항복강도를 감소시키는 효과가 있어, 어닐링되지 않은 캔에 비해 요구되는 강도를 가지기 위해서는 알루미늄이 더 두꺼워져야 한다.
본 기술된 실시예의 한 양태에서, 캔 제조 내부 코팅 및 경화 공정에 사용하기 위한 방법으로서, 코팅이 캔의 내부 표면 상에 분무되는, 상기 방법은 일반적으로 적어도 하나의 경화 스테이션을 향해 상기 캔들을 운반하는 단계 및 협대역 복사 적외선 에너지 및 상기 적어도 하나의 경화 스테이션에 있는 상기 캔들 외부에 위치한 광학 요소들을 사용하여 상기 캔들을 개별적으로 전기적으로 가열하여 일련의 생산 캔들에서 각 연속 캔의 내부 표면 상의 상기 코팅이 상기 캔에서 디템퍼링(de-tempering) 또는 어닐링(annealing)이 발생하는 것을 방지하기 위해 20초 이내로 상기 코팅에서 경화 링크 공정을 개시하기 위해 임계 온도에 도달하도록 하는 단계를 포함한다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 각각의 캔은 상기 캔을 위한 시작 컵이 드로잉되는 블랭크의 절단 에지의 직경을 감소시키도록 재구성된 제조 툴링(manufacturing tooling)으로 형성되고, 그에 의해 코일 스톡 알루미늄의 두께가 실질적으로 툴링 재구성 전과 동일하지만 상기 코일 스톡이 더 좁아져서 각 캔을 제조하는 데 필요한 알루미늄 중량을 3% 초과 만큼 감소시킨다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 각각의 캔은 상기 캔이 제조되는 알루미늄을 감소시키기 위해 더 얇은 코일 스톡 재료로 상기 캔을 제조하도록 변조된 캔 설계 및 툴링을 사용하여 형성되고, 그에 의해 상기 링크 경화 공정을 20초 이내로 달성하기 위한 가열은 더 긴 시간 동안 경화된 두꺼운 캔과 비교하여 상기 캔이 유사한 측벽 축 방향 강도, 바닥 반전 강도 및 전체 강도를 갖도록 상기 캔의 강도 감소를 제거하고, 더 긴 시간 동안 금속을 약화시킨다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 상기 코팅의 전기 경화는 협대역 반도체 기반 복사 가열 시스템에 의해 구현된다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 상기 협대역 복사 에너지를 생성하는 반도체 기반 시스템이 마이크로초 내에 켜지거나 또는 꺼질 수 있고 상기 코팅 및/또는 상기 캔을 10초 이내에 경화 온도로 가열할 수 있다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 컨베이어가 상기 경화 공정 동안 상기 캔들을 운반하고 연속 회전 운동을 이용하여 적어도 하나의 조사 경화 스테이션(irradiation curing station)이 이에 의해 경화되는 상기 캔들과 동기식으로 연속 회전 운동을 하고 전력, 냉각액 및 제어 신호들 중 적어도 하나는 회전식 유니온을 통해 상기 적어도 하나의 경화 스테이션에 연결된다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, DC 전원 공급부, 냉각 열 교환기, 냉각 칠러(cooling chiller), 냉각 재순환 펌프, 및 상기 적어도 하나의 경화 스테이션을 지원하는 제어 시스템 중 적어도 하나가 회전 운동으로 및 상기 캔들과 동기식으로 이동하여, 연속 회전 운동 경화 시스템을 제공하고, 상기 시스템의 연속 운동이 냉각 기능을 보조한다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 컨베이어가 상기 경화 공정 동안 상기 캔들을 운반하고 인덱싱 회전 운동을 이용하여 다중 조사 경화 스테이션들이 터릿(turret)의 주변에 위치하지만 터릿 상에는 위치하지 않아서, 상기 캔들이 각각의 협대역 경화 스테이션들 아래에 있도록 상기 터릿이 회전 인덱싱되는 동안, 캔들의 그룹이 상기 터릿 주위의 선택된 수의 빈 스테이션들 내로 연속적으로 적재(load)되고, 상기 경화 스테이션들이 작동되어 상기 캔들을 경화한 다음 상기 터릿이 다시 회전 인덱싱되고, 이는 새로운 캔들의 세트가 경화를 위해 상기 경화 스테이션들 아래의 그들의 위치들로 인덱싱되고 공정이 계속 반복되는 동안 상기 경화된 캔들을 꺼낸다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 캔들이 5초 이내에 개별적으로 경화된다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 협대역 반도체 디바이스들은 각각의 연속 캔의 내부 표면 상의 코팅의 흡수 특성과 정합하는 파장에서 상기 협대역 복사 적외선 에너지를 방출한다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 가열에 사용되는 상기 협대역 복사 적외선 에너지의 파장은 800 nm 내지 1200 nm, 1400 nm 내지 1600 nm, 및 1850 nm 내지 2000 nm 중 하나의 파장 범위에 있다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 가열에 사용되는 상기 협대역 적외선 복사 에너지는 반도체 기반 조사 디바이스들, 발광 다이오드(LED)들 및 레이저 다이오드들 중 적어도 하나를 사용하여 생성된다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 상기 조사를 생성하는 상기 반도체 디바이스들은 100 와트 초과의 총 광 출력 전력을 생성하기 위해 10개 초과의 개별 반도체 디바이스들의 광 출력 전력을 결합하는 멀티-디바이스 어레이들로 구성된다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 상기 반도체 디바이스들은 레이저 다이오드들이고 전체 폭/절반의 최대 출력 대역폭이 20 나노미터보다 좁도록 되어 있다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 상기 반도체 디바이스들은 전체 폭/절반의 최대 출력 대역폭이 2 나노미터보다 좁은 표면 발광 레이저 다이오드들이다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 상기 에너지 소스들은 825 내지 1075 나노미터 사이의 광자 에너지 출력을 생성하는 표면 발광 레이저 다이오드들의 어레이들로 이루어진다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 재료/캔 취급은 분당 300캔을 초과하는 생산 속도로 캔들의 한 레인(lane)의 개별 경화를 용이하게 한다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 다중 병렬 경화 스테이션들이 하나를 제외한 모든 레인들을 운영하는 동안 분당 1,800캔을 초과하는 총 처리 속도로 개별적으로 경화하도록 배열되며, 상기 레인은 더 높은 수준의 전체 가동 시간(up-time)을 달성할 수 있도록 필요한 경우 추가 생산을 제공하거나 또는 추가 생산을 제공하도록 요구될 수 있는 임의의 유지관리를 위해 사용 가능하다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 상기 방법은 탄화수소계 연료 사용을 제거하고 캔 본체의 알루미늄의 어닐링 및 약화(weakening)를 제거하는 20초 이내 경화의 더 빠른 속도의 결과로서 3% 초과의 알루미늄이 캔 제조 공정에서 절약된다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 특정 첨가제들이 상기 코팅에 첨가되어 특히 상기 경화된 코팅의 성능 또는 기능을 개선하는 상기 협대역 적외선의 파장과 상호작용한다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 상기 방법은 코팅 제형(coating formulation)에서 BPA 또는 다른 바람직하지 않은 성분들을 제거하기 위해 상기 코팅의 재제형을 용이하게 한다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 상기 경화 방법의 장비 구성들은 상기 캔들 또는 생산 공정에 대한 해로운 영향 없이 쉽게 시작 및 중지될 수 있다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 구현(implementation)은 검사 시스템으로부터 얻은 감지 정보의 결과로서 동작 중에 그리고 순간적으로 상기 방법의 변조에 응답하는 능력을 제공한다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 캔 제조 내부 코팅 및 경화 공정에 사용하기 위한 시스템으로서, 코팅이 캔의 내부 표면 상에 분무되는, 상기 시스템은 생산 캔들을 적어도 하나의 경화 구역으로 연속적으로 이동시키도록 구성된 캔 취급 시스템, 일련의 생산 캔들에서 각각의 연속 캔의 내부 표면 상의 코팅이 상기 캔에서 디템퍼링 또는 어닐링이 발생하는 것을 방지하기 위해 20초 이내에서 링크 경화 공정을 생성하기 위해 임계 온도에 도달하도록, 상기 캔의 개방 단부 외부에 배치된 광학 요소들을 사용하여 경화 구역으로 이동한 각 캔의 내부 표면들을 개별적으로 전기적으로 가열하도록 배치된 반도체 기반 협대역 조사 디바이스들의 어레이들을 포함한다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 상기 반도체 기반 협대역 조사 디바이스들의 어레이들 및 상기 광학 요소들은 상기 캔들의 절단 에지의 상단 평면 바로 외부에 위치되고 경화되는 캔의 내부 안으로 상기 반도체 기반 협대역 조사 디바이스들의 어레이들에 의해 생성된 협대역 적외선 광자 에너지의 90% 초과를 조준하고 대부분의 에너지는 내부 반사들이 상기 캔의 하부 부분들을 노출하도록 측벽의 상부 절반에 집속된다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 상기 광학 요소들은 원주형 에너지(columnated energy)를 형성하기 위해 상기 반도체 기반 협대역 조사 디바이스들의 어레이들의 각각의 디바이스와 정렬된 적어도 하나의 마이크로 렌즈 어레이, 핀홀 또는 구멍 요소를 향해 그리고 핀홀 또는 구멍 요소를 통해 그리고 경화되는 캔의 내부로 상기 원주형 에너지를 집속시키도록 구성된 콘덴서 렌즈, 및 다르게는 상기 캔으로부터 탈출하고, 다시 상기 캔 내로 들어가는 상기 협대역 에너지를 재지향시키도록 작용하는 반사 가공 성형 표면의 정점을 통해 개구를 제공하는 상기 핀홀 또는 구멍을 포함한다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 반사 원추 표면에는 경화 캔으로부터 증기 제거를 용이하게 하기 위해 배기 슬롯들 또는 개구들이 구비된다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 상기 반사 가공 표면은 대략 원추형이고 구리, 알루미늄, 금 도금 금속, 은 도금 재료 및 고반사성 나노 구조 중 하나로 만들어진다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 상기 반도체 기반 협대역 조사 디바이스들의 어레이들 및 상기 광학 요소들은 상기 핀홀 또는 구멍 요소를 제외하고, 벗어난(stray) 적외선 에너지가 하우징으로부터 탈출하는 것을 방지하도록 구성된 상기 하우징에 장착되고 상기 어레이들과 상기 광학 요소들을 생산 경화 환경에서 허용 가능한 작동 온도로 유지하기 위해 재순환 수냉식 장치로 구성된다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 상기 반도체 기반 협대역 조사 디바이스들의 어레이들은 상기 캔 외부에 배치된 레이저 다이오드들의 적어도 하나의 어레이를 포함하고 상기 대응하는 광학 요소들은 경화 작업의 적어도 일부 동안 각각의 캔의 내부로 관절식 연결(articulate)된다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 상기 광학 요소들은 광학계 및 거울 조립체를 통해 상기 반도체 기반 협대역 조사 디바이스들의 어레이들로부터 에너지를 수용하도록 구성된 대물 렌즈를 포함하고 상기 시스템은 삽입 기구가 상기 캔 내부에 광학 조립체의 일부를 위치시킬 때 에너지의 광학적 전달이 정렬되고 따라서 광학 트레인(optical train)이 경화를 수행하기 위해 컨테이너 내부에 적절하게 위치할 때 상기 조사가 작동하도록 각 캔 위에 위치하도록 구성된 반사 억제 플레이트들을 통해 상기 광학 요소들을 상기 캔들 안으로 병진이동시키는 상기 삽입 및 후퇴 기구를 추가로 포함한다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 컨테이너들의 내벽들 상에 분무된 코팅을 경화시키기 위한 캔 또는 컨테이너 제조에 사용하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은 단일 파일 순서로 제2 컨베이어를 향하는 개별 컨테이너들의 이동을 용이하게 하거나 또는 조직화하도록 구성된 유입 트랙워크(ingoing trackwork) 또는 컨베이어; 상기 개별 컨테이너들을 적어도 하나의 경화 스테이션 안으로 및 적어도 하나의 경화 스테이션으로부터 멀리 이동시키도록 회전 터릿으로 구성되는 제2 컨베이어; 광학 구성을 포함하는 적어도 하나의 경화 스테이션으로서, 표면 발광 레이저 다이오드들의 적어도 하나의 어레이로부터의 광자 에너지가 원주형 광학계를 통과한 다음, 적어도 하나의 콘덴서 렌즈 요소에 의해 핀홀 또는 구멍을 통해 집속되고 상기 핀홀 또는 구멍에서 상기 광자 에너지를 넘어서 발산하여 코팅된 컨테이너의 내부 측벽들을 조사하고, 이러한 핀홀 또는 구멍은 반사 원추의 정점에 위치하며, 이러한 반사 원추는 광자 에너지를 다시 상기 컨테이너 내로 반사시켜 추가 경화 작업을 수행하도록 작용하는, 상기 적어도 하나의 경화 스테이션을 포함하고, 여기서 상기 코팅은 20초 이내에 경화되어 상기 컨테이너를 포함하는 알루미늄에서 약화 또는 어닐링이 일어나는 것을 방지하기에 충분히 빠르며; 상기 제 2 컨베이어는 상기 컨테이너들을 전달하고 상기 제 2 컨베이어로부터 밖으로 및 상기 제 2 컨베이어로부터 멀리 상기 컨테이너를 이동시키도록 구성된 제 3 컨베이어로 안내되고 따라서 상기 경화된 컨테이너들이 후속 컨테이너 제조 동작들을 향해 상기 제 3 컨베이어로 운반되는 동안, 빈 포켓들이 대기 중인 미경화 캔들을 적재하여 연속 경화를 계속하기 위해 사용 가능하다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 상기 후속 제조 동작들은 상기 제3 컨베이어에 위치된 검사 스테이션을 포함하고, 이 검사 스테이션의 기능은 각 컨테이너 내부를 이미징하고 베어 메탈 영역(bare metal area)들을 검색(search)하고, 상기 경화된 코팅의 이미지 품질 수준이 충분하지 않은 정도까지, 상기 검사 스테이션 이후 제 3 컨베이어 내로 구성된 불합격 스테이션에서 코팅 불량이 있는 상기 컨테이너를 불합격하고, 그 다음 각각의 공정을 교정하기 위해 코팅 시스템, 제어 시스템 및 경화 제어 시스템 중 적어도 하나에 신호들을 전송하여 적어도 상기 코팅 및 경화의 정확성(veracity)을 검증한다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 컨테이너의 내부 표면 상에 분무된 코팅을 경화하기 위한 캔 또는 개방 상단 컨테이너 제조에 사용하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은 단일 파일된 개별 컨테이너들을 제2 컨베이어를 향해 이동시키도록 구성된 유입 트랙워크 또는 컨베이어, 상기 컨테이너들을 적어도 하나의 경화 스테이션으로 또는 적어도 하나의 경화 스테이션으로부터 멀리 이동시키기 위해 회전 운동 테이블을 사용하도록 구성된 상기 제2 컨베이어, 경화 공정을 수행하기 위해 상기 어레이들로부터의 광자 에너지를 상기 컨테이너의 개방 상단을 통해 그리고 상기 컨테이너의 내부 표면들 상에 분무된 코팅으로 직접 재지향시키는 역할을 하는 가공된 반사기 중 하나를 통합하는 상기 적어도 하나의 경화 스테이션을 포함하고, 상기 코팅은 20초 이내에 경화되어 상기 컨테이너를 포함하는 알루미늄에서 약화 또는 어닐링이 일어나는 것을 방지하기에 충분히 빠르며, 상기 제2 컨베이어는 새로운 미경화 캔들이 빈 위치들에 연속적으로 적재되는 동안 이미 경화된 컨테이너들에 대한 출구를 제3 컨베이어에 제공하기 위해 회전하도록 구성되고, 상기 제3 컨베이어는 출구에서 이미 경화된 컨테이너들을 수용하고 다음 컨테이너 제조 동작들을 향해 이미 경화된 컨테이너들을 운반하도록 구성된다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 상기 제2 컨베이어는 주변부 주위에 위치된 다중 경화 스테이션들을 갖는 회전 구성이고, 상기 다중 경화 스테이션들 각각은 적어도 하나의 레이저 다이오드 어레이에 의해 생성된 적외선 에너지로 컨테이너 내부를 경화하도록 동시에 작용할 수 있다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 상기 다중 경화 스테이션들은 8개보다 많은 경화 스테이션들을 포함한다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 상기 제2 컨베이어는 테이블의 회전을 시작하거나 중지하지 않고 경화가 계속될 수 있도록 상기 컨테이너들과 동기식으로 회전되는 다중 경화 스테이션들을 갖는 회전 구성이고, 전력, 냉각 및 제어 신호들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 회전 유니온을 통해 상기 경화 스테이션들에 연결된다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 상기 유입 트랙워크 또는 컨베이어는 중력을 사용하여 단일 파일된 상기 컨테이너들을 전진시키고 중력 압력을 적용하여 각 개별 캔을 상기 제2 컨베이어로 공급하도록 구성된다.
본 기술된 실시예들의 다른 양태에서, 캔 제조 내부 코팅 및 경화 공정에 사용하기 위한 시스템으로서, 코팅이 캔의 내부 표면 상에 분무되는, 상기 시스템은 생산 캔들을 적어도 하나의 경화 구역으로 연속적으로 이동시키도록 구성된 캔 취급 시스템, 일련의 생산 캔들에서 각각의 연속 캔의 내부 표면 상의 코팅이 상기 캔에서 디템퍼링 또는 어닐링이 발생하는 것을 방지하기 위해 20초 이내에서 상기 코팅에서 링크 경화 공정을 생성하기 위해 임계 온도에 도달하도록, 상기 캔의 내부 표면의 상부 측벽들을 향해 조사를 지향시키도록 배치된 광학 요소들을 사용하여 경화 구역으로 이동한 각 캔의 내부 표면들을 개별적으로 전기적으로 가열하도록 배치된 광대역 적외선 소스 및 일관된 경화 온도 및 결과들을 유지하기 위해 상기 광대역 적외선 소스들의 출력을 변조하기 위해 센서 정보를 사용하도록 구성된 제어 시스템을 포함한다.
도 1은 본 기술된 실시예를 사용하여 경화될 예시적인 캔을 도시한다.
도 2는 본 기술된 실시예에 따른 시스템을 도시한다.
도 3은 본 기술된 실시예에 따른 다른 시스템을 도시한다.
도 4는 본 기술된 실시예에 따른 다른 시스템을 도시한다.
도 5는 본 기술된 실시예에 따른 다른 시스템을 도시한다.
도 6은 캔을 형성하기 위한 예시적인 종래 방법을 예시하는 흐름도를 도시한다.
도 7은 본 기술된 실시예에 따른 다른 시스템을 도시한다.
도 8은 본 기술된 실시예에 따른 다른 시스템을 도시한다.
도 2는 본 기술된 실시예에 따른 시스템을 도시한다.
도 3은 본 기술된 실시예에 따른 다른 시스템을 도시한다.
도 4는 본 기술된 실시예에 따른 다른 시스템을 도시한다.
도 5는 본 기술된 실시예에 따른 다른 시스템을 도시한다.
도 6은 캔을 형성하기 위한 예시적인 종래 방법을 예시하는 흐름도를 도시한다.
도 7은 본 기술된 실시예에 따른 다른 시스템을 도시한다.
도 8은 본 기술된 실시예에 따른 다른 시스템을 도시한다.
본 기술된 실시예는 식품, 음료 및 기타 유형의 캔 내부에 코팅을 경화하기 위한 완전히 새로운 개념을 교시한다. 본 기술된 실시예에 따르면, 많은 구현이 캔을 형성하기 위한 공지된 기술과 관련하여 위에서 설명된 종래의 내부 베이킹 오븐(IBO)을 대체하기에 적합하다.
하나의 바람직한 구현은 매우 고속 경화 결과에 영향을 미치기 위해 캔 내부에 집속되는 협대역 반도체 생성 적외선 에너지를 사용하는 것을 고려한다. 코팅 및 캔 내부 측벽에 직접 영향을 미치는 집속된 고출력 복사 에너지를 사용하여 에너지를 코팅 재료와 캔 벽 모두에 빠르게 전달한 다음 코팅 재료에 반사 및 재반사하는 것을 고려한다. 이 고출력의 복사 협대역 에너지는 각 개별 캔에 직접 도입되어 사실상 모든 에너지가 코팅과 알루미늄 기판에 흡수될 때까지 캔 내부에서 빛의 속도로 산란된다.
광대역 소스에 의해 캔 내부로 동일한 크기의 직접 복사 에너지에 영향을 주는 것이 가능하지만, 여러 가지 이유로 협대역 소스가 바람직하고 가장 이상적인 해결방안일 가능성이 높다. 석영 램프와 같은 광대역 소스를 사용할 수 있지만, 많은 이점이 달성되지 않고 구현이 그다지 유익하지 않다. 그러나 광대역 소스에 의해서 본 기술된 실시예를 구현하고 실행하는 것이 가능하다. 예컨대 석영 램프, 고강도 방전 또는 원호 램프를 사용할 수 있다. 이들은 일반적인 유리 광학계로 초점을 맞추기에 충분히 짧은 파장 범위의 파장 출력 대역을 갖는 경향이 있다. 그러나 일반 광학 유리는 약 2.7미크론 초과의 파장에서 비효율적이기 시작하므로 대부분의 광대역 광원 및 저항성 가열 소스의 상단부는 광학계를 때때로 과도한 온도로 가열하지 않으면 초점 광학계를 통과하지 못한다. 굴절 광학계로 열 광자 에너지를 집속시키는 대신 반사 광학 구성을 사용할 수 있다. 예컨대, 일반적으로 원추 형상의 반사기 또는 타원형의 원형 대칭 거울을 사용하여 캔 또는 컨테이너의 상부 측벽 내부에 적외선 에너지를 집속시킬 수 있다. 그것은 내부 반사가 선호하는 시작 영역에서 에너지를 분산시키기 때문에 캔 내부에 에너지를 가할 수 있는 최적의 영역이다. 우리가 캔 코팅 경화에 대해 다루고 있는 종류의 생산 속도에서 다양한 광대역 소스는 이 적용에 필요한 종류의 속도로 스위치를 껐다가 켤 수 없기 때문에 거의 확실하게 계속 켜져 있어야 한다. 그렇게 할 수는 있지만, 예컨대 각 경화 스테이션에 필요한 2,000 내지 3,000 와트 석영 전구를 취급하기 위해 이러한 시스템에 스위칭 전자장치를 장착하는 것도 비용이 많이 든다. 캔이 링크 경화 작용을 수행하는 데 필요한 온도로 가열되지만 캔의 알루미늄 본체를 어닐링할 정도로 뜨겁지 않도록 하려면 많은 주의를 기울여야 한다. 캔 온도에 대한 면밀한 모니터링과 광대역 디바이스 출력을 변조하는 전자 제어 기능은 매우 바람직할 것이다. 본 발명의 근본적인 이점 중 하나는 알루미늄에 대한 약화 효과를 제거하여 현재 세계 캔 산업에서 거의 보편적으로 사용되는 기존 공정에서 생성된 것과 동일한 강도의 캔을 제조하기 위해 더 적은 중량의 알루미늄을 사용하는 것을 용이하게 하는 것이다. 광대역 소스에 대한 한 가지 추가 고려 사항은 협대역 소스에 사용되는 반도체 디바이스보다 본질적으로 수명이 짧다는 것이다. 예컨대, 석영 램프의 경우 수명이 더 짧지만 자체적으로 낡아짐에 따라 광자 출력도 계속 줄어든다. 전자장치는 감소된 출력을 지속적으로 고려하기 위해 전력을 변조할 수 있어야 한다. 모니터링 센서는 협대역 디바이스와 마찬가지로 캔 온도에 대한 피드백을 제공하여 경화의 완전성을 제공하는 데 사용될 수 있다.
고출력 레이저, 다양한 반도체 기반 조사 디바이스, 레이저 다이오드, 에지 이미터 레이저 다이오드(edge emitter laser diode), VCSEL 레이저 다이오드, SE-DFB 레이저 다이오드를 포함하는 표면 발광 레이저 다이오드, 레이저 어레이 및 고출력 LED 어레이와 같은 발광 다이오드(LED)를 포함하여 구현될 수 있는 많은 협대역 소스들이 있다. 다중 디바이스 어레이(예: 어레이당 10개 초과의 디바이스)를 사용하여 출력 전력(예: 100와트 초과)을 생성할 수 있다. 본 기술된 실시예는 다른 방식으로 실행될 수 있지만, 구현의 용이성과 효율성 때문에 고출력 레이저 다이오드 어레이가 바람직한 구현이 될 것이다. 또한, 반도체 협대역 적외선 소스 또는 레이저 다이오드 어레이와 같은 어레이를 포함하는 협대역 소스 또는 어레이의 다양한 예 및 구현은 예컨대 2004년 12월 3일자로 출원된 미국 출원 번호 11/003,679(현재 미국 특허 7,425,296), 2010년 3월 5일자로 출원된 미국 출원 번호 12/718,899(현재 미국 공개 번호 2011/0002677 A1) 및 2010년 3월 5일에 출원된 미국 출원 번호 12/718,919(현재 미국 특허 번호 9,282,851)(이들 모두는 참고로 본원에 포함됨)에 기재되어 있다.
협대역 에너지는 또한 파장이 거의 동일하게 초점을 맞추기에 충분히 유사하기 때문에 더 나은 광학적 정밀도를 용이하게 하며, 이는 광대역 복사 소스의 경우가 아니다. 일부 구현에서, 항반사 코팅과 같은 광학계의 코팅은 사용되는 특정 파장 또는 좁은 범위의 파장에서 매우 효율적으로 최적화될 수 있다.
레이저 다이오드 어레이는 디지털 방식으로 스위칭될 수 있고, 즉시 온 및 즉시 오프될 수 있기 때문에, 이들은 본 기술된 실시예의 매우 다양한 가능한 구현을 용이하게 할 것이다. 또한 고속 경화의 효과적인 구현에 필요한 정확한 영역으로 정확한 에너지를 캔으로 전달하는 것을 용이하게 하기 위해 여러 편리한 방법으로 광학적으로 처리될 수 있도록 구성할 수 있다. 본 개시는 본 기술된 실시예의 구현자의 정확한 적용 및 선호도에 따라 가능한 예인 다수의 광학적 구현 및 다수의 캔 취급 기계적 구현을 교시할 것이다.
본 기술된 실시예가 효과적으로 실행된다면, 1초만큼 빨리 캔 내부의 코팅을 경화시키는 시스템에 영향을 미칠 수 있어야 한다. 복사 소스의 충분한 출력으로 코팅이 링크 공정을 충분히 빠르게 시작하도록 공식화되는 경우 1초 이내에 경화가 가능하다. 기존 방법과 비교하여 경화 시간을 줄이면 전체 효율성, 이점 및 결과가 향상된다는 점을 이해해야 한다. 특히, 경화 시간이 예컨대 1분 미만으로 감소함에 따라 예컨대 개선이 실질적으로 증가한다. 추가 예로서, 30초 이내, 20초 이내, 10초 이내, 5초 이내 및 (상기 언급된 바와 같이) 1초 이내의 경화 시간은 훨씬 더 큰 개선을 나타낸다. 경화 시간이 충분히 빠르면, 예컨대 적어도 하나의 실시예에서 20초 이내, 또는 추가 예로서 적어도 다른 실시예에서 30초 이내인 경우, 캔의 어닐링이 방지될 것이다. 더 짧은 경화 시간(예: 10초 이내, 5초 이내, 또는 1초 이내)은 마찬가지로 어닐링을 방지한다. 어닐링 효과를 방지할 수 있다면, 경화 공정 후 충분한 잔류 강도를 유지하기 위해 캔을 과도하게 강화할 필요가 없다. 이는 캔 제조자에 큰 이점이 될 수 있는 데 그 이유는 평균 캔의 재료 비용(bill of material;BOM) 및 제조 비용의 약 70%가 캔을 만드는 데 사용되는 알루미늄 재료의 비용이기 때문이다. 캔의 8 내지 10% 과-강화가 필요하지 않은 경우, 엄청난 잠재적 재료 절약이 있어 매우 큰 비용 절감이 가능하다. 지금까지 캔을 과도하게 제작할 필요를 방지하기 위해 생산 속도로 고속 경화를 수행하는 방법은 없었다. 이전의 생각으로는 이렇게 빠른 속도로 경화할 수 없었기 때문에 제조자는 항상 충분한 강도를 유지하기 위해 캔을 과도하게 제작해야 했기 때문에 이는 완전히 새로운 생각이다. 캔은 역사적으로 대량 운반에서 경화되었다. 본 기술된 실시예는 각각의 개별 캔의 고속 협대역 경화를 도입한다.
본 기술된 실시예의 적절한 구현으로부터 발생할 많은 이점을 개략적으로 설명하는 것이 유용하다. 재료의 양을 줄이는 것은 캔 제조의 주요 이점이다. 대안 절약 방법은 현재의 고합금 알루미늄보다 낮은 비용으로 사용할 수 있는 약간 덜 합금된 알루미늄일 수 있다. 본 기술된 실시예의 추가 이점은 더 짧은 절단 에지 길이의 결과로 알루미늄 코일 스톡의 폭이 감소될 수 있고, 따라서 드로잉된 컵의 더 작은 직경이 될 수 있다는 것이다. 폭의 감소는 공급 장비 및 코일 처리 장비의 더 낮은 비용 및 더 높은 신뢰성을 의미한다. 이는 또한 더 작고 더 가볍고 더 빠른 프레스 툴링으로서 더 좁은 베드, 이중 작용 압인 프레스를 구매하여 구현할 수 있음을 의미한다. 좁은 프레스 베드는 또한 기계 강성이 향상되고 이동 질량이 낮아져 프레스 수명과 공구 수명이 길어진다는 것을 의미한다. 더 작은 직경의 컵을 만드는 컵퍼 툴링(cupper tooling)은 초기에 더 저렴할 것이며 더 작은 직경이 관련되고 더 적은 공구강이 포함되기 때문에 교체 툴링 구성요소도 더 저렴할 것이다. 또 다른 이점은 본 기술된 실시예가 예컨대 수준 및 전체 경화 공정을 개선하거나 최적화하기 위해 경화 파라미터를 변경하고 정밀하게 조정하는 것을 용이하게 하는 디지털 협대역 경화 시스템을 사용한다는 것이다. 또 다른 이점은 이 조정을 동적으로 수행하여 임의의 선택한 생산 속도에 완벽하게 대응하고 에너지 절약을 개선하거나 최적화할 수 있다는 것이다. 경화의 정확성을 검증하고 발생할 수 있는 과소경화 또는 과경화를 교정하는 폐쇄 루프 공정도 개발할 수 있다. 또한 기계 시각 검사, 레이저 스캐닝 등으로 경화를 실시간으로 검증하여 경화 에너지의 양을 최적화할 수 있다. 이는 적절한 경화에 진정으로 필요한 에너지를 캔에 더 많이 주입하지 않음으로써 추가 에너지를 절약하는 데 사용할 수 있다. 추가 이점은 본 기술된 실시예가 일부 실시예에서 선택된 파장에서 보다 용이하고 최적으로 흡수되는 첨가제를 코팅에 넣는 것을 용이하게 하여 훨씬 더 낮은 에너지 경화 및 잠재적으로 더 높은 처리 속도를 위한 길을 열어준다는 것이다. 본 기술된 실시예는 엄청난 에너지 절약을 용이하게 하는 추가 이점을 갖는다. 또 다른 이점은 경화 공정에서 탄화수소 또는 화석 연료가 거의 제거되거나 거의 제거된다는 것이다. 캔 자체 내에서 그리고 주변의 다른 캔과 비교하여 균일하게 경화된다는 점에서 더 많은 이점이 있다. 또 다른 이점은 시스템이 제공하는 기능으로 유해한 결과를 최소화하면서 생산 라인을 즉시 중지하고 즉시 시작할 수 있다는 것이다. 유사한 이점은 가동중단 후에 냉각 라인 또는 온난한 라인으로부터의 생산 라인 시작 전에 필요한 예열이 필요 없다는 점이다. 또 다른 관련 이점은 예상치 못한 중단, 정전 등의 결과로 오븐을 청소하고 캔을 폐기할 필요가 없다는 것이다. 다른 품질 이점은 유해한 결과 없이 라인을 보다 일상적으로 중단할 수 있는 능력에서 비롯되며, 이러한 유해한 결과에 대한 두려움 때문에 현재 기술 사용자가 회피하는 관행이다. IBO 오븐 주변에서 발생하는 원치 않는 추가 플랜트 가열을 제거함으로써 추가 이점이 생성되며, 이는 많은 기후에서 추가 플랜트 냉각 또는 공기 조절의 필요성을 줄여준다. 추가 이점은 탄화수소 기반 연료 사용의 감소 또는 제거를 포함한다. 본 기술된 실시예의 또 다른 이점은 프로그램가능한 제어 하에 매우 신속하고 완전하게 한 유형의 캔에서 다른 유형의 캔으로 전환할 수 있는 능력이다. 또 다른 이점은 개별 단일 파일 경화 레인이 독립적으로 서비스될 수 있기 때문에 라인의 균형이 계속 실행되는 동안 라인의 경화 부분의 일부를 서비스할 수 있다는 점에서 발생한다. 이는 더 연속적으로 작동할 수 있고 오븐 유지관리를 위해 주기적으로 가동중지할 필요가 없다는 추가 이점을 제공한다. 궁극적으로 이는 생산 처리량을 늘리고 가동 중지 시간을 줄여야 한다.
이제, 도면을 참조하면, 본 기술된 실시예와 관련하여 설명된 협대역 고속 캔 내부 경화 기술이 여러 상이한 방식으로 실시될 수 있다. 본 기술된 예시적인 실시예를 실행하는 다양한 방식은 주로 2개의 일반적인 영역에 관한 것이다. 제 1 방식은 협대역 조사 소스에 캔을 도입하고 빼도록 시스템을 배열하는 방법이고, 제 2 방식은 협대역 조사가 발생하여 캔 내부에서 필요한 영역으로 구체적으로 지향되는 방법이다.
본 기술된 실시예에 따르면, 경화될 내부 코팅이 있는 두 피스 음료 캔은 일반적으로 업계에서 일반적으로 알려져 있고 도 1에 도시된 바와 같이 이하 설명되는 섹션을 포함한다. 비록 다른 형상 및 구성이 테이퍼진 벽을 갖는 캔과 같이 경화될 경우, 대부분의 두 피스 캔은 본 기술된 실시예의 실행에 대한 교육을 위해 여기에서 상세하게 설명될 구성을 그대로 유지한다. 이와 관련하여, 캔(22)은 해자(moat;26) 및 힐 영역(heel area;25)으로부터 캔의 상단까지 연장되는 직선 수직 벽(23)을 포함한다. 목이 없는 직선 벽형 캔(22)의 맨 위는 일반적으로 트리밍 에지 또는 트림 에지(21)로 지칭된다. 내부 코팅 및 후속 경화 작업은 일반적으로 목이 없는 직선 벽형 캔(22)에서 발생한다. 넥커/플랜저(necker/flanger) 기계 작업에서 트림 에지 근처 영역에서 나중 작업에서 목 및 플랜지가 있다. 캔(22)의 바닥에는 해자 영역(26)으로 전이된 다음 궁극적으로 캔(22)의 중심 바닥 부분에 있는 아치형 돔 영역(24)으로 전이되는 힐(25)이라고 하는 벽(23)의 바닥 섹션에서 시작하여 형성된 영역이 있다. 캔(22)의 이러한 다양한 섹션은 일반적으로 90 내지 110PSI 범위의 압력 범위인 청량 음료 또는 맥주 컨테이너에 필요한 압력을 견디도록 공학적가공되고 철저하게 테스트되었다. 캔(22)의 전체 본체가 제조되는 베이스 금속(28)은 가장 일반적으로 알루미늄 합금 #3,004로 제조된다. 이 합금은 캔 제조 공정 및 적용을 위한 강도, 성형성 및 탄력성의 조합으로 인해 대부분의 산업 분야에서 선택되고 표준화되었다. 확실히, 이 합금은 직선형 알루미늄 재료보다 더 비싸고 더 낮은 합금 재료로 완전한 기능을 갖춘 캔 제조를 용이하게 하기 위해 할 수 있는 모든 것이 제조자의 비용을 절약할 수 있다.
캔(22)의 외부 표면은 전형적으로 도시된 바와 같이 코팅 또는 잉크의 층(들)(29)으로 코팅되거나 인쇄된다. 현재 산업 관행에 따른 캔(22)의 전체 내부 표면은 이를 적절히 경화시키기 위해 베이킹되는 에폭시 기반 재료의 층(27)과 같은 층으로 코팅된다. 적절하게 경화된 코팅에 대한 산업 사양은 실제로 업계 내에서 잘 알려져 있으며 제조자 사양의 일부이다. 물론, 완전히 코팅되지 않았거나 적절하게 경화되지 않은 캔 내부 영역을 갖는 것은 완전히 용납될 수 없다. 캔 제조 산업은 코팅이 모두 올바르게 경화되고 완제품에 미경화 에폭시가 존재하는 빈 공간의 영역이 없는지 확인하는 데 끊임없이 관심을 가지고 있다. 에폭시 이외의 코팅이 실험되었지만 널리 보급되지 않았다. 다른 유형의 코팅 또는 부분 코팅이 열 또는 열경화를 필요로 하는 경우, 본 기술된 실시예는 이들에도 매우 적합할 것이다. 열 경화된 코팅에서 BPA를 줄이거나 제거하는 새로운 코팅의 경우에도 마찬가지이다.
설계 주의가 필요한 두 주요 영역이 있지만, 본 기술된 실시예를 실행하는 사람이 직면하는 제 1 문제는 강력한 협대역 조사를 생성하는 방법이다. 설계자의 제 1 충동은 360도 패턴이 아닌 경우 다방향으로 조사할 수 있는 캔에 삽입할 수 있는 것을 구성하려고 시도하는 것이다. 이것이 가능하지만, 고출력의 협대역 에너지를 생성하는 데 사용할 수 있는 대부분의 기술은 음료 캔의 목이 없는 상단을 통해 캔에 삽입할 수 있는 것보다 훨씬 더 크다. 기술이 축소되고 협대역 에너지 디바이스가 더 많은 전력을 더 효율적으로 더 작은 패키지로 생산함에 따라 이것이 더 실체적이 될 가능성은 확실히 있다. 에너지 생산 디바이스의 크기에 관계없이, "캔에 삽입" 기술의 문제는 더 많은 이동 부품과 기구가 포함된다는 것이다. 삽입/후퇴 동작은 분당 200 내지 400 스트로크 또는 삽입 사이에서 발생해야 하며 그 속도는 앞으로 증가할 것이다. 이는 캔 제조 라인을 통한 전체 생산 흐름이 6 내지 8개의 경화 레인으로 나뉘며 각각은 분당 200 내지 400캔 처리 비율로 작동한다고 가정한다. 이와 관련하여, 예컨대 일반적인 생산 속도는 분당 약 300캔 이상일 수 있다. 그럼에도 불구하고, 캔으로부터 조사 소스를 삽입하고 후퇴시키는 개념은 실행 가능한 구현 기술이지만, 이 빠른 비율로 조사 소스 장치를 삽입하고 빼기 위해서는 더 많은 기구가 필요하다. 캔 본체의 개구면을 통해 들어가지 않는 비연동식 장치보다 더 복잡하고 따라서 더 많은 유지관리가 필요할 것으로 예상된다.
협대역 조사의 실제 소스를 삽입 및 후퇴하는 대신, 삽입 및 후퇴될 수 있는 부분은 캔 외부에서 생성되는 협대역 조사를 캔 내부의 적절한 위치로 지향시키는 광학계 또는 일부 형태의 광 가이드일 수 있다. 이는 하나 이상의 협대역 소스 또는 소스들로부터 에너지를 수집하고 이를 캔으로 전달하도록 구성된 광섬유 광 가이드의 형태를 취할 수 있다. 예컨대, 단일 초고출력 레이저가 협대역 복사 에너지를 제공하는 데 사용되는 경우, 광섬유 광 가이드는 실제 경화 스테이션의 가혹한 조건, 진동 및 오염 물질로부터 안전하게 떨어진 위치에 결합될 수 있다. 캔 내부의 코팅을 적절하게 조사할 출력 패턴을 생성하기 위해 광섬유 광 가이드의 출구 단부에서 정확한 렌즈 또는 확산을 설계해야 한다.
광 가이드는 또한 광원(32) 근처에서 협대역 에너지를 수집한 다음 최종 대물 렌즈 구성(38) 및 관절식 기구(33)가 캔(22) 내부의 조사 위치에 완전히 삽입되었을 때 정확한 초점 거리에 있는 거울 조립체(34)를 통해 투영하도록 배열되는 렌즈 구성(도 3 참조)의 형태를 취할 수 있다. 광자 에너지(30)는 튜브(35)를 따라 캔(22) 내부의 대물 렌즈(38)의 출력으로 가능하게는 추가 디퓨저(37)와 결합하여 지향되고, 그 다음 캔 내부의 코팅(27)을 직접 조사할 수 있다. 고에너지 렌즈 및 광학 설계 분야의 숙련자에 의해 렌즈화 및 광 가이드 유형 접근의 많은 다른 순열(permutation)이 구성될 수 있다. 수직 삽입 및 후퇴 기구(33)는 이상적으로는 에너지를 캔으로 다시 반사시킴으로써 캔의 광자 에너지를 유지하기 위한 격납 반사 플레이트 장치(36)를 가질 것이다. 또한 조사가 모두 캔 내부로 전달되도록 하여 장치를 더 안전하게 유지한다. 모든 구성요소와 기구는 대량 생산 제조의 요구 사항을 충족하기 위해 캔 안으로 고속으로 이동하거나 캔에서 빼내는 혹독한 작업을 처리할 수 있도록 설계되어야 한다. 이 방법은 균일한 조사 패턴으로 캔 내부를 조사하는 훌륭한 방법으로 판명될 수 있지만, 관절식 기구 및 엔지니어링 측면에서 많이 필요하므로 구현 비용이 더 많이 든다. 우수한 결과를 위해 코팅된 표면에 협대역 조사를 투영하는 매우 직접적인 방법을 제공하는 뚜렷한 이점이 있다. 이는 에너지가 소진될 때까지 코팅된 표면에 계속 부딪치는 데 필요한 반사 에너지(39)의 일부를 차단하는 장애물(35)을 캔에 넣는 단점이 있다. 자체(35)가 반사기가 되지만, 코팅되지 않은 표면에서 반사하는 동안 손실되는 에너지(30)의 일부를 낭비하게 된다. 또한 처리 및 제거해야 하는 광학 조립체(35 및 34)에 상당한 열을 전달한다.
캔(22) 내부에 조사 에너지를 제공하기 위한 또 다른 기술이 도 2에 도시되어 있다. 이는 어떠한 구성요소도 캔의 내부로 돌출함으로써 트리밍된 에지(21)의 평면을 파괴하지 않는 설계 개념을 포함한다. 조사 기구가 캔 안팎으로 관절식연결되어야 하는 것이 아니라 어떤 방식으로 캔 바로 위에 고정될 수 있고 여전히 캔 내로 충분하고 적절하게 분산된 조사를 제공할 수 있다고 가정한다. 이와 관련하여, 광학 시스템은 조사 시스템에 통합되고 및/또는 조사 시스템과 함께 사용될 수 있다. 적어도 일부 실시예에서, 잘 설계된 광학 조사 시스템은 광학 구성으로부터 나오는 광학 에너지의 상대적으로 높은 비율, 예컨대 95% 초과 또는 90% 초과를 경화 목적으로 캔 내부에 직접적이고 균일하게 초점을 맞출 수 있다. 알루미늄은 이러한 적외선 파장에서 반사율이 높고 캔이 원통형이기 때문에, 많은 내부 반사를 안정적으로 예측할 수 있다. 대부분의 구현에서는, 에너지가 소진될 때까지 내부 반사 공정을 계속하기 위해 캔의 개방 상단을 통해 무작위로 반사된 에너지가 캔으로 다시 반사되도록 설계에 주의를 기울여야 한다. 적외선 에너지는 빛의 속도로 이동하기 때문에, 고속 경화를 위한 초단위의 긴 노출 시간 내에 많은 반사가 발생할 수 있다.
이러한 구성은 알루미늄이 가시광선 및 근적외선뿐만 아니라 단파장 적외선 파장대역에서도 반사율이 높다는 현실에 의존한다. 협대역 조사 조립체의 바닥 표면이 예컨대 캔(21)의 트림된 상단 에지에서 약 0.030” 내지 0.045” 떨어진 위치에 있으면, 갭을 통한 과도한 에너지 손실이 없을 정도로 충분히 가깝지만, 캔 내부 주위로 에너지를 산란하여 코팅을 효율적으로 경화시키기 위해 필요한 각도에서 충분히 우수한 에너지 전달이 일어날 만큼 충분히 가깝다. 원추 또는 원추형 표면(64)이 캔의 내부 형상과 계면을 이루어 캔의 개방 상단에서 반사되는 대부분의 에너지를 캔으로 되돌릴 수 있을 만큼 충분히 가까워야 한다. 원추형 표면은 구리, 알루미늄, 금도금 금속, 은도금 금속 및/또는 고반사 나노구조 재료를 포함하는 다양한 다른 재료로 형성될 수 있다.
도 2에 도시된 실시예는 또한 수정될 수 있다. 이와 관련하여, 도 7을 참조하면, 반사 원추(64) 또는 선택된 기하학적 구조는 대부분의 실시예에서 또한 루버(louver)를 적절하게 배치함으로써 캔 외부로 수증기의 배기를 위해 가장 최적으로 제공해야 한다. 루버(74)는 캔의 내부를 향하는 반사기이지만 (72) 진공 포트를 통한 진공 공기 흐름을 제공하기 위해 루버들 사이에 공간을 갖는 형상이어야 한다. 잘 설계된 공기 흐름 시스템은 실제로 공기를 캔 안으로 밀어넣을 뿐만 아니라 루버(74) 또는 반사 원추의 배출 구멍을 통해 캔 밖으로 증기가 많은 공기를 끌어내야 한다.
예컨대, 90° 끼인각(69)이 원추(64)의 내부 기하학으로 설계되면, 이는 추가 경화를 위해 협대역 에너지를 캔으로 다시 반사하거나 되돌리는 우수한 다중각 반사기(multi-angle reflector)의 역할을 한다. 에너지는 선택된 파장에 따라 모든 에너지가 코팅(27) 또는 기판 알루미늄(28)에 흡수될 때까지 캔 내부 주위에서 수백 또는 수천 번 산란될 수 있다.
도 2(또는 도 7)에 도시된 광학 장치의 주요 목적은 도시된 바와 같이 캔(22)의 내부로 광자 에너지를 주입하는 것이다. 한 예에서, 협대역 광자 복사 에너지는 도 2의 다이어그램 상단에 있는 어레이(51)에서 생성된다. 어레이 또는 어레이들(51)은 적절한 전원 공급부에 연결된 임의의 수의 레이저 다이오드를 가질 수 있다. 어레이 설계자는 레이저 다이오드 디바이스의 직렬 및/또는 병렬 연결 조합을 사용하여 자신이 설계하는 시스템에 맞게 원하는 전류 및 전압 입력 기본 설정을 얻을 수 있다. 이는 전원 공급부에 필요한 전류 용량과 전압을 결정한다. 정확한 조합을 선택하면, 전원 공급부 사양을 최적화할 수 있다. 레이저 다이오드는 에지 이미터 설계 또는 표면 발광 유형의 설계일 수 있다. 표면 발광 설계는 유효 구멍이 훨씬 더 크고 따라서 오염 물질로 인한 손상에 덜 민감하기 때문에 상당한 견고성 이점을 가진다. 기존의 에지 이미터는 광섬유 광 가이드에 가장 자주 결합되어 치명적인 구멍 고장을 일으킬 수 있는 어려운 환경과 오염 물질에 다소 취약한 구멍을 노출시키지 않고 광학 트레인에 협대역 에너지를 제공하는 더 나은 방법을 제공한다. 디바이스에 대한 광섬유 결합과 관련된 추가 비용 및 조립 복잡성으로 인해 기존의 에지 방출 레이저 다이오드가 본 기술된 실시예를 실행하기 위한 실행 가능한 해결방안이 되지만 다른 해결방안보다 덜 바람직하고 훨씬 더 비용이 많이 든다. 반면에 표면 발광 유형의 레이저 다이오드는 종종 섬유 결합이 필요하지 않다. 그들은 일반적으로 협대역 출력을 캔 안으로 직접 안내하는 광학 구성으로 직접 조사하도록 구성될 수 있다. 이러한 장치는 경우에 따라 경화 위치에 더 가깝기 때문에 더 취약하게 만들 수 있지만 섬유 결합을 제거하면 상당한 비용을 절감하고 전체 구성에서 더 많은 신뢰성을 제공할 수 있다. 어떤 유형의 디바이스가 적용을 위해 선택될 수 있는지에 관계없이, 광학 출력이 콘덴서 렌즈(56)를 향하여 지향되는 방식으로 하우징(55)에 장착되어야 한다. 적어도 하나의 실시예에서, 하우징의 다양한 구성이 구현될 수 있지만, 하우징은 핀홀 요소 또는 적절한 크기의 구멍 요소(후술됨)를 제외하고 빗나간 적외선 에너지가 하우징을 탈출하는 것을 방지하도록 구성된다. 레이저 다이오드의 출력은 빠른 축과 느린 축의 두 방향으로 발산하거나 한 방향으로 발산한다. SE-DFB의 경우, 출력이 한 방향으로 원주화(columnated)되고 다른 방향으로 느리게 발산된다. SE-DFB에 의해, 느린 축은 원주 방향으로 간주되고 빠른 축은 일반적으로 7 내지 10°에서 분기된다. VCSEL이 협대역 광자 에너지 생성 디바이스로 사용되면, 원추형 출력 패턴을 가진다. 선택한 레이저 다이오드 유형에 관계없이, 총 출력 전력이 충분하도록 다중 디바이스 어레이로 패키징되고 구성되어야 한다. SE-DFB, VCEL 및 기타 표면 발광 디바이스에 의해서, X x Y 또는 기타 패턴으로 냉각된 회로 보드에 패키징할 수 있지만, 에너지는 대부분 장착 회로 보드에 직교하게 지향된다.
어레이는 본 기술된 실시예를 실행하기 위해 확실히 다양한 크기를 가질 수 있다. 적어도 일부 실시예에서, 어레이는 250와트 내지 500와트 초과의 총 출력 범위인 캔 내부 경화를 위해 구축되고 사용될 수 있다. 예컨대, 500와트 어레이는 각각 10와트의 광학 협대역 근적외선 전력을 생성할 수 있는 50개의 표면 발광 레이저 다이오드로 구성될 수 있다. 이는 지정된 시간에 내부 코팅 경화를 수행하기에 충분한 광 출력이 아닐 수 있으므로 동일한 어레이의 배수가 설계자 최고의 구성일 수 있다. 한 분석은 단일 300와트 레이저 다이오드 어레이가 최적화된 광학 장치에 주의를 기울이지 않고도 10 내지 15초 이내에 내부 코팅의 매우 두꺼운 층을 적절하게 경화할 수 있음을 보여주었다. 도 2에 도시된 예와 같은 적절한 광학 구성의 예는 개선된 균일성과 훨씬 빠른 경화에 필요한 위치에 광자 에너지를 정확히 분배할 수 있다. 이 광학 구성은 낭비되는 광자 에너지를 줄이고 훨씬 빠른 경화 시간에 영향을 미친다는 것을 보장한다. 어레이의 정확한 수와 디자인을 조합함으로써, 개선된(예: 최대 최적화까지) 생산 엔지니어링 구성에서 각 개별 캔 내부의 에폭시 코팅을 1초 이내에 경화시키는 것이 상당히 합리적이다. 적어도 일부 실시예에서, 광학 구성은 캔 내부의 원하는 위치에 원하는 양의 에너지를 배치하도록 설계되거나 조정될 수 있음을 이해해야 한다. 예컨대, 캔의 내부 측벽 표면의 상단에 더 많은 에너지를 배치하고 캔의 측벽 아래로의 에너지 감소를 매끄럽게 하는 광학 구성이 구현될 수 있다. 다양한 광학 요소(예: 굴절, 반사, 비선형, 비구면 또는 기타 요소)를 사용하여 이러한 목적을 달성하고 특정 구성의 요구에 맞게 다른 목적을 달성할 수 있다.
이러한 개선되거나 최적화된 구성에서, 도 2(및 도 7)를 계속 참조하여, 시스템의 중심 광학 축과 평행하게 지향되는 원주형 에너지(54)를 생성할 수 있도록 광학계 또는 마이크로렌즈 어레이(52)가 선택된다. 원주형 에너지가 생성되어 콘덴서 렌즈(56) 쪽으로 지향되면, 출력 에너지(57)는 핀홀(65)에 있는 초점을 향해 수렴되고 빛 에너지는 핀홀(65)에서 교차하고 캔(22) 내부의 코팅을 향함에 따라 발산 광선(58)이 된다. 광자 에너지가 코팅의 제 1 층(27)을 통과한 캔 내부의 벽에 도달하면, 에너지가 코팅을 다시 통과하도록 캔(28)의 내벽에서 반사가 발생한다. 광자 에너지는 코팅(27)을 통해 계속 처리되고 모든 에너지가 코팅 및 캔 벽에 전달될 때까지 예컨대 (59)으로 표시된 바와 같이 벽(28)에서 산란되어 다시 코팅(27)을 통해 되돌아온다. 이러한 산란 중 일부는 또한 반사 원추 표면(64)에 충격을 주고 캔으로 다시 산란되어 공정을 계속한다. 원추 표면(64)은 반사율이 높은 재료로 제작되거나 코팅되어야 한다. 가능한 사용되는 특정 적외선 파장의 반사율이 높도록 구리, 은 코팅, 금 코팅 또는 기타 요소일 수 있다. 핀홀(65) 및 (71)은 깨끗하고 날카로운 핀홀 영역을 유지하기 위해 쉬운 유지관리를 제공하도록 교체 가능하도록 설계된 플레이트(62)에 있다. 거의 모든 초점이 맞춰진 광자 에너지가 핀홀 플레이트(62)에 에너지를 축적하지 않고 홀을 통과할 수 있도록 핀홀 크기(예: 3mm일 수 있음)와 측벽 형상은 광학 구성이 수용할 수 있는 가장 작은 크기이지만, 플레이트(62)와 원추(64)의 불필요하게 큰 개구는 아니다. 그러나, 적절한 크기의 구멍이 핀홀(65)로서 또는 그 대신에 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 이와 관련하여, 핀홀(65)과 같은 핀홀은 캔 내부로의 조사의 보다 정밀한 초점을 요구하는 본 기술된 실시예에 따른 시스템에 잘 구현될 수 있다. 그러나 이러한 장치(더 많은 열을 발생시키거나 구현 비용이 더 높을 수 있음)는 모든 구성에 필요한 것은 아닐 수 있다. 따라서, 임의의 적절한 크기의 구멍, 예컨대 캔의 상단의 개구보다 작은 직경을 갖는 구멍이 원하는 결과를 달성하기 위해 구현될 수 있다. 이와 관련하여, 하나의 예로서 그러한 구멍은 2인치보다 작거나 캔의 크기에 따라 다른 치수일 수 있다. 에너지를 캔으로 다시 반사시키는 가장 좋은 역할을 하는 어떤 기하학적 형상으로든 형성될 수 있는 반사 구조(64)는 또한 쉽게 재개장하고 깨끗한 반사 표면을 제공하기 위해 교체될 수 있도록 만들어진다. 필요한 경우 주기적으로 빠르고 쉽게 교체할 수 있으며 최소한의 도구로 수행할 수 있도록 설계해야 한다. 캔 기하학적 형상의 특정 형상을 고려하여 최대 에너지 양을 캔으로 다시 반사할 수 있도록 반사 원추 인서트(64)의 각도를 신중하게 모델링해야 한다. 하우징(55)은 수용할 적외선 복사의 산란 반사를 처리할 수 있는 재료로 만들어져야 한다. 물 또는 냉각제가 하우징을 통해 순환되어 항상 냉각될 수 있도록 전체에 냉각 구멍(61)이 있는 것이 바람직하다. 이는 반도체 디바이스 어레이(51)가 너무 따뜻한 주변 환경에서 작동하려고 하지 않도록 편안한 작동 온도로 유지하는 데 필요하다. 레이저 다이오드 어레이(51)도 어떤 형태의 냉각을 가져야 한다. 이들은 실제 어레이를 통해 냉매 순환 시스템에 의해 냉각되거나 탈이온수가 될 수 있다. 가장 바람직한 구현에서 어레이를 통한 일반 물 순환이 될 수 있다. 디바이스가 미래의 경우와 같이 매우 효율적이면, 가스 또는 액체 냉각제가 필요하지 않을 수 있으며 방열판 및 팬을 사용한 공냉식이 디바이스를 편안한 작동 온도 범위로 유지하는 데 적합할 수 있다. 하우징(55)은 또한 광학계 및 레이저 다이오드 어레이를 포함하여 거기에 장착된 구성요소가 너무 많은 열을 겪지 않도록 냉각 시설을 가질 수 있다. 다시 말하지만, 하우징(66)의 냉각은 재순환 워터 재킷일 수 있거나 강제 공기 냉각 장치일 수 있다. 또한 바닥 표면(67)은 적어도 하나의 형태에서 캔(22)의 내부로부터 빠져나가는 에너지의 반사를 제어하도록 구성된다는 것을 이해해야 한다. 이 목적을 달성하기 위해 다양한 구성 및/또는 기술이 구현될 수 있지만, 도시된 바와 같이 표면(67)에는 홈, 예컨대, 깊이 홈이 제공되어, 탈출하는 에너지에 대한 제어를 제공한다. 바닥 표면(67)의 구성에 관계없이, 하우징(55) 전후의 플러시 정합 표면은 유입 표면(73)이 하우징(55)의 바닥 표면(67)의 가장 먼 도달 거리와 같은 높이에 있도록 공학적설계되고 조립되어야 한다. 유출 표면(72)은 또한 하우징(55)의 바닥 표면(67)의 가장 먼 도달 범위와 같은 높이에 있거나 약간 높아야 범프가 캔(22)의 상단의 트림 에지 표면과 만나지 않는다.
이러한 다양한 기술에 의해, 석영 램프 또는 고에너지 방전 램프 등과 같은 광대역 적외선 조사 소스를 사용하는 것이 가능하다. 그러나 그것들은 에너지를 정확하게 집속시키기가 더 어렵다. 그것들은 가장 빠르고 최상의 경화를 위해 코팅과 정합하는 가장 효율적인 파장을 생성하는 데 에너지 효율적이지 않다. 그것들은 근본적으로 출력 에너지를 생산하는 방식 때문에 본질적으로 훨씬 더 뜨겁게 운영될 것이다. 이는 모든 것을 냉각으로 유지하고 캔을 완전히 과열시키지 않기 위해 많은 추가 엔지니어링이 필요하다. 캔이 과열되면 짧은 기간 동안에도 어닐링되거나 디템퍼링될 수 있다. 이러한 광대역 적외선 소스는 캔에 전달되는 열을 덜 제어할 수 있으며 처리 속도의 함수로 출력을 조절해야 한다. 그러나 그것들은 반도체 기반 조사와 같이 빠르고 정확한 방식으로 켜고 끌 수는 없지만, 이는 신중한 엔지니어링으로 변조될 수 있다. 예컨대, 위에서 언급한 바와 같이, 석영 램프, 고강도 방전 램프 또는 원호 램프와 같은 광대역 전기 적외선 구성요소가 사용될 수 있다. 다시 말하지만, 굴절 광학계로 열 광자 에너지를 집속시키는 대신에 반사 광학 구성을 사용할 수 있다. 예컨대, 적절하게 설계된 반사기 장치, 일반적으로 원추 형상의 반사기 또는 타원형의 원형 대칭 거울을 사용하여 캔 또는 컨테이너의 상부 측벽 내부에 적외선 에너지를 집속시킬 수 있다. 그것은 내부 반사가 선호하는 시작 영역에서 에너지를 분산시키기 때문에 캔 내부에 에너지를 가할 수 있는 최적의 영역이다. 이와 관련하여, 도 3에 도시된 구성(및 또한 도 2에 도시된 구성)은 복사 소스가 광대역 소스로 구현되고 광학 요소가 굴절 요소와 반대로 반사를 사용하여 구현되고 캔의 내부 표면의 상부 측벽에서 복사를 조준하거나 지향시키도록 배열되는 광대역 실시예를 구현하도록 적절하게 수정될 수 있다.
또한, 이제 도 8을 참조하면, 광대역 적외선 시스템(200)이 대표적으로 도시된다. 시스템(200)은 캔 제조 내부 코팅 및 경화 공정에서 사용하기 위한 것으로, 여기서 코팅은 캔의 내부 표면 상에 분무되며, 생산 캔을 적어도 하나의 하나의 경화 구역으로 연속적으로 이동시키도록 구성된 캔 취급 시스템(205)(상세하게 도시되지 않음)을 포함한다. 또한, 시스템(200)은 캔에서 디템퍼링 또는 어닐링이 발생하는 것을 방지하기 위해 코팅에서 링크 경화 공정을 20초 이내에 생성하기 위해 일련의 생산 캔에서 각각의 연속 캔의 내부 표면 상의 코팅이 임계 온도가 되도록 캔의 내부 표면의 상부 측벽을 향해 조사(예: 대표적으로 260으로 도시됨)를 지향시키도록 배치된 광학 요소(240)를 사용하여 경화 구역으로 이동된 각 캔(22)(단면으로 도시됨)의 내부 표면을 개별적으로 그리고 전기적으로 가열하도록 위치된 석영 램프(220)를 포함하는 광대역 적외선 소스(230)와 같은 광대역 적외선 소스를 포함한다. 시스템은 또한 센서 정보(도시되지 않음)를 사용하여 일관된 경화 온도 및 결과를 유지하기 위해 광대역 적외선 소스의 출력을 변조하도록 구성된 제어 시스템(210)[링크(250)을 사용하여 연결되고, 상기 제어 시스템은 다양한 형태를 취할 수 있고 대표적으로만 도시됨]을 구비한다. 이러한 시스템(200)의 형태는 도시된 바와 같이 다양할 수 있지만, 광학 요소는 예를 통해 상술한 바와 같이 적절하게 공학적설계된 반사기 장치, 일반적으로 원추 형상의 반사기 또는 캔 또는 컨테이너(22)의 상부 측벽 내부에 적외선 에너지를 집속하는 데 사용된 타원형의 원형 대칭 거울의 형태를 취할 수 있다. 적어도 하나의 형태에서, 이러한 광학 요소들은 캔으로의 적절한 에너지 전달 및 경화 목적을 위해 캔 내에서 해당 에너지의 적절한 유지관리를 허용하기 위해 컨테이너(22)와 같은 컨테이너의 개구 또는 컨테이너 직경보다 적어도 약간 작은 크기를 가진다.
그러나, 여기에 언급된 바와 같이, 정밀한 디지털 제어 및 정밀한 에너지 제어는 반도체 해결방안에 유리하다. 반도체 기반 조사 구성은 사용 수명 동안 훨씬 더 긴 수명과 훨씬 더 일관된 출력을 가져야 한다. 광대역 소스는 수천 시간의 유용한 수명을 가질 수 있지만, 그 시간 동안 출력이 지속적으로 떨어지므로 일관된 경화 결과를 보장하려면 신중하게 조정해야 한다. 그것들은 같은 속도로 낡아지는 것은 아니므로 각 램프의 복사 출력이 적절한 경화를 보장하기에 적절한지 확인하는 것은 엔지니어링 문제이자 만성적인 유지관리 문제가 될 것이다.
이제 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 기술된 실시예의 구현은 또한 대부분의 형태에서 기계적 캔 취급을 위한 바람직한 구성을 다루어야 한다. 이러한 구성은 적어도 4개의 다른 형태로 나타날 수 있다. 또한, 도 4 및 도 5의 설명은 조사의 협대역 소스의 예에 대한 참조를 포함한다는 것을 이해해야 한다. 그러나, 광대역 적외선 소스 및 대응하는 시스템은 또한 필요한 경우 적절한 수정으로 이러한 실시예에서 사용될 수 있다.
또한, 예시적인 구현이 도 4 및 도 5에 도시되어 있지만, 구현은 다양한 형태를 취할 수 있다. 이들 라인을 따라, 본 기술된 실시예에 따른 방법 및/또는 시스템은 코팅이 캔의 내부 표면 상에 분무된 캔 제조 내부 코팅 및 경화 공정에서 구현될 수 있다. 캔 취급 시스템(예: 다양한 형태를 취할 수 있는 컨베이어 포함)은 캔을 적어도 하나의 경화 스테이션을 향해 연속적으로 운반한다. 그 다음, 캔은 예컨대, 협대역 반도체 생성 복사 적외선 에너지(예: 반도체 기반 협대역 조사 디바이스들의 어레이에 의해 생성됨) 및 적어도 하나의 경화 스테이션에서 캔 외부에 위치된 광학 요소를 사용하여 개별적으로 전기적으로 가열되어, 일련의 단일 파일 생산 캔의 각 연속 캔 내부 표면의 코팅이 임계 온도에 도달하여 코팅에서 링크 경화 공정을 20초 이내에 완료하여 캔에서 디템퍼링 또는 어닐링이 발생하는 것을 방지한다. 따라서 이 기술을 사용하면, 예컨대 알루미늄의 양을 예컨대 3% 초과 만큼 줄일 수 있고 이전 기술과 비교할 때 더 두꺼운 캔이 더 긴 경화 동안 약해지기 때문에 더 긴 시간 동안 경화된 더 두껍고 무거운 캔과 비교할 때 유사한 측벽 축 방향 강도, 바닥 반전 강도 및 전체 강도를 가질 것이다. 또한, 예시적인 실시예는 단일 파일 순서로 제2 컨베이어를 향하는 개별 컨테이너들의 이동을 용이하게 하거나 또는 조직화하도록 구성된 유입 트랙워크 또는 컨베이어, 상기 개별 컨테이너들을 적어도 하나의 경화 스테이션 안으로 및 적어도 하나의 경화 스테이션으로부터 멀리 이동시키도록 회전 터릿으로 구성되는 제2 컨베이어, 광학 구성을 포함하는 적어도 하나의 경화 스테이션으로서, 표면 발광 레이저 다이오드들의 적어도 하나의 어레이로부터의 광자 에너지가 원주형 광학계를 통과한 다음, 적어도 하나의 콘덴서 렌즈 요소에 의해 핀홀 또는 구멍을 통해 집속되고 상기 핀홀 또는 구멍에서 상기 광자 에너지를 넘어서 발산하여 코팅된 컨테이너의 내부 측벽들을 조사하고, 이러한 핀홀 또는 구멍은 반사 원추의 정점에 위치하며, 이러한 반사 원추는 광자 에너지를 다시 상기 컨테이너 내로 반사시켜 추가 경화 작업을 수행하도록 작용하는, 상기 적어도 하나의 경화 스테이션을 포함하고, 여기서 상기 코팅은 20초 이내에 경화되어 상기 컨테이너를 포함하는 알루미늄에서 약화 또는 어닐링이 일어나는 것을 방지하기에 충분히 빠르며, 상기 제 2 컨베이어는 상기 컨테이너들을 전달하고 상기 제 2 컨베이어로부터 밖으로 및 상기 제 2 컨베이어로부터 멀리 상기 컨테이너를 이동시키도록 구성된 제 3 컨베이어로 안내되고 따라서 상기 경화된 컨테이너들이 후속 컨테이너 제조 동작들을 향해 상기 제 3 컨베이어로 운반되는 동안, 빈 포켓들이 대기 중인 미경화 캔들을 적재하여 연속 경화를 계속하기 위해 사용 가능하다. 아직 추가 예시적인 실시예는 단일 파일 순서로 제2 컨베이어를 향하는 개별 컨테이너들의 이동을 용이하게 하거나 또는 조직화하도록 구성된 유입 트랙워크 또는 컨베이어, 상기 개별 컨테이너들을 적어도 하나의 경화 스테이션 안으로 및 적어도 하나의 경화 스테이션으로부터 멀리 이동시키도록 회전 터릿으로 구성되는 제2 컨베이어, 광학 구성을 포함하는 적어도 하나의 경화 스테이션으로서, 표면 발광 레이저 다이오드들의 적어도 하나의 어레이로부터의 광자 에너지가 원주형 광학계를 통과한 다음, 적어도 하나의 콘덴서 렌즈 요소에 의해 핀홀 또는 구멍을 통해 집속되고 상기 핀홀 또는 구멍에서 상기 광자 에너지를 넘어서 발산하여 코팅된 컨테이너의 내부 측벽들을 조사하고, 이러한 핀홀 또는 구멍은 반사 원추의 정점에 위치하며, 이러한 반사 원추는 광자 에너지를 다시 상기 컨테이너 내로 반사시켜 추가 경화 작업을 수행하도록 작용하는, 상기 적어도 하나의 경화 스테이션을 포함하고, 여기서 상기 코팅은 20초 이내에 경화되어 상기 컨테이너를 포함하는 알루미늄에서 약화 또는 어닐링이 일어나는 것을 방지하기에 충분히 빠르며, 상기 제 2 컨베이어는 상기 컨테이너들을 전달하고 상기 제 2 컨베이어로부터 밖으로 및 상기 제 2 컨베이어로부터 멀리 상기 컨테이너를 이동시키도록 구성된 제 3 컨베이어로 안내되고 따라서 상기 경화된 컨테이너들이 후속 컨테이너 제조 동작들을 향해 상기 제 3 컨베이어로 운반되는 동안, 빈 포켓들이 대기 중인 미경화 캔들을 적재하여 연속 경화를 계속하기 위해 사용 가능하다.
보다 구체적으로, 도면을 다시 참조하여 도 5와 관련하여 개략적으로 설명될 하나의 예시적인 구성은 연속적인 회전 운동을 포함하는 구성이다. 이 장치에서 협대역 조사 소스(및 가능하게는 제어기), 광학계, 냉각기(예: 열교환기, 칠러 및/또는 재순환 펌프) 및 전원 공급부(예: DC 전원 공급부)는 캔을 구성하는 스타휠과 함께 회전하여 정확한 간격으로 캔을 움직이기 위한 추진력을 제공하고 조사를 위한 적절한 위치로 전달한다. 회전 유니온은 시스템에 설계되어 지속적으로 회전하는 턴테이블이나 터릿에 필요한 전력, 제어 신호, 압축 공기, 진공 및/또는 냉각을 제공한다. 여기서 가정은 협대역 조사 어레이 또는 소스가 전체 경화를 수행하기에 충분한 에너지 줄(joule)을 부여하는 데 필요한 시간 동안 광학 구성을 통해 캔 내부를 연속적으로 조사할 수 있도록 구성된다는 것이다. 전체 조사 시스템은 동기 운동으로 캔과 함께 우측으로 회전한다. 복사 에너지는 캔이 시작 조사 스테이션을 통해 회전할 때 켜지고 캔이 스타휠을 빠져나가기 전에 꺼진다. 예컨대, 특정 협대역 조사 시스템이 500 줄을 생성할 수 있고 특정 캔이 정확한 경화를 위해 850 줄이 필요한 경우, 조사는 스타휠 호의 1.7초 동안 켜져야 한다. 정시(on-time)의 시작 시간과 지속 시간은 고정되거나 더 이상적으로는 프로그램가능한 파라미터가 될 수 있다. 정시에 변조된 강도 또는 펄스 폭(듀티 사이클)은 최소한 일부 형식으로 프로그래밍할 수 있어야 한다. 사용자 인터페이스는 최종 고객의 요구 사항을 충족하도록 구성될 수 있다. 프로그램가능한 제어기의 디스플레이의 화면 항목처럼 간단할 수도 있고 켜짐/꺼짐 타이밍, 지속 시간 및 강도를 보여주는 사용자 친화적인 그래픽이 있는 PC 기반 사용자 인터페이스처럼 복잡할 수도 있다. 이는 또한 시간 또는 턴테이블 위치의 함수로 강도 곡선의 그래픽 설정 또는 프로그래밍 가능성을 용이하게 할 수 있다. 시스템의 제어기는 또한 태블릿, 스마트폰, 스마트 시계 등과 같은 휴대용 디바이스와 통신하여 경화 시스템의 설정, 속도 및 기능을 매우 편리하게 모니터링할 수 있다. 스타휠의 직경과 RPM은 조사가 적절한 경화를 수행할 수 있게 적절한 체류 기간이 제공되도록 구성해야 한다. 본 기술된 실시예의 이러한 구성은 아래에서 더 상세하게 설명될 것이다.
이 협대역 복사 경화 시스템은 프로그래밍 가능하고 가요성이기 때문에 다른 방식으로도 연결될 수 있다. 하류 검사 시스템(97)은 나가는 캔(89)을 검사하여 코팅이 캔 내부 전체를 덮고 있고 완전히 적절하게 경화되었는지 확인할 수 있다. 이 검사 시스템은 가시광선 회색조 또는 컬러 카메라를 사용하거나 경화 시스템에서 나오는 도중에 적외선 카메라를 사용하거나 두 가지 유형을 모두 사용할 수 있다. 검사 시스템은 궁극적으로 비코팅 금속 또는 미경화 코팅이 있는지 확인하려고 시도할 수 있다. 검사 시스템(97)이 코팅이 적절하게 경화되지 않았는지 확인하지 않은 경우, 시스템은 루프를 폐쇄하고 각 스테이션으로부터 다양한 캔에 적용되는 에너지 줄을 점진적으로 높여서 코팅이 제대로 경화되었는지 확인할 수 있다. 시스템은 어떤 캔이 어떤 경화 시스템(91)에 의해 경화되었는지 알 수 있다는 상관 관계를 가질 수 있다. 개별 경화 스테이션으로부터의 캔이 경화가 진행되는 정도까지, 시스템은 특정 경화 스테이션으로부터의 경화 에너지를 수정하고 증가시킬 수 있다. 검사 스테이션으로부터 특정 경화 스테이션으로 다시 루프를 폐쇄하는 방식에 의한 유사한 공정 수정은 본 기술된 실시예가 실행될 수 있는 임의의 구성에서 달성될 수 있다.
도 5의 시스템은 다음과 같이 기능할 것이다. 분무되지만 미경화된 캔(82)은 개별 컨테이너들을 예컨대 다른 컨베이어 또는 디바이스를 향한 단일 파일 순서로 이동하는 것을 조직화하거나 용이하게 하도록 구성된 컨베이어, 트랙워크 또는 유사한 기구 또는 시스템을 통해 도착한다. 이러한 컨베이어는 진공 컨베이어를 포함한 모든 형태의 컨베이어일 수 있거나 공기 또는 중력이 캔을 밀어내는 동안 단순히 캔을 안내하는 트랙워크를 의미할 수 있다. 개략적으로 도시된 것은 캔 열의 양측을 따라 안내 트랙워크(81)를 갖는 진공 벨트형 컨베이어(80)이다. 캔(82)의 열은 다음 적재 캔이 데드 플레이트(96)에 안착할 때 약간의 압력이 홀드 아웃 플레이트(hold out plate;87)에 가해지도록 밀린다. 턴테이블 또는 터릿(84)이 회전함에 따라, 캔은 다음 빈 포켓(86)이 도착하고 캔을 포켓으로 밀어 넣을 수 있을 때까지 캔은 홀드아웃 플레이트(87)를 계속 누른다. 캔이 포켓(86)으로 밀려 들어갈 때, 턴테이블의 중심에 가장 가까운 부분인 네스트 홀드 아웃 플레이트(nest hold out plate;87)의 후면에서 당겨지는 진공의 도움을 받을 수 있다. 홀드아웃/네스트 플레이트의 형상은 포켓이 개방되고 사용할 수 있을 때 캔이 매끄럽게 들어가고 캔이 찌그러지거나 변형되지 않도록 주의 깊게 파생되어야 한다. 이는 또한 캔을 위한 일관된 위치를 만들고 경화되는 동안 캔을 안정적이고 일관된 위치에 고정해야 한다. 턴테이블(84)이 계속 회전할 때, 네스트 위치(86)로 캔을 운반하고 적재 스테이션을 통과하면 조사 에너지를 켜라는 신호가 제공된다. 제어 시스템은 조사 디바이스가 유해한 영향 없이 처리할 수 있는 속도로 에너지를 켜지만, 너무 느리지 않아서 경화에 사용할 수 있는 시간이 낭비되지 않는다. 조사 디바이스(85)의 어레이가 작동됨에 따라, 각 조사 스테이션에 대응하는 제어 시스템 및 전원 공급부(95)에 의해 전원이 공급된다. 캔은 턴테이블에 의해 회전되는 전체 시간 동안 조사 광학계(91) 아래 중심에 위치해야 한다. 광학계(91), 어레이(85), 전원 공급부 및 제어 시스템(95)은 턴테이블(84)과 함께 회전되고 전체 회전 공정 동안 서로에 대한 상대적 위치를 유지한다. 인코더(93)는 케이블링(98)을 통해 중심 제어 시스템(99)에 회전 위치 및 속도 정보를 지속적으로 피드백한다. 중심 제어 시스템(99)은 적절한 타이밍 및 전력 수준으로 각 조사 스테이션(91)을 적절하게 작동하기 위해 필요한 로컬 제어부(95)에 각 스테이션이 가져야 하는 관련 정보를 피드백하고 있다. 각 제어 시스템(95)은 각 스테이션에 대한 냉각을 모니터링하고 모든 스테이션에 대한 완전한 감독 제어를 용이하게 하기 위해 상호 연결부(98)를 통해 중심 제어부(99)에 피드백한다.
경화된 캔(89)이 비적재 스테이션에 접근함에 따라, 스트리퍼 암(90)과 점차적으로 접촉하게 되며, 이는 스테이션에서 이미 이동 중인 진공 컨베이어 벨트(88)로 캔을 점진적으로 부드럽게 밀어낸다. 경화된 캔(89)은 계속해서 진공 컨베이어(88) 아래로 진행하고 경화 시스템에서 나오는 경로에서 검사 스테이션(97) 아래를 통과한다. 진공 컨베이어의 대안으로 트랙워크 시스템은 중력 또는 고체적, 저압 공기를 이용하여 이들을 따라 경화 시스템을 빠져나간다.
본 기술된 실시예에 대한 다른 실행 가능한 구성은 연속적인 회전 또는 선형 운동을 사용한다는 점에서 다소 유사하지만, 캔이 정확한 위치를 지날 때 에너지를 전달하기 위해 빛을 비추는(strobe) 고정 위치 조사 시스템을 사용한다. 이 구성은 시간을 정확하게 맞춰야 하는 매우 강력하고 매우 짧은 조사 에너지 펄스를 필요로 한다. 이러한 고속 스트로브 펄스(strobe pulse)의 지속 시간은 정확한 구현 세부 정보 및 재료 취급의 처리 속도에 따라 다르지만 500 밀리초 이내의 펄스가 필요할 가능성이 높지만 일부 고속 적용의 경우 300 마이크로초만큼 짧을 수도 있다. 매우 짧은 시간 동안 매우 높은 출력을 얻기 위해 협대역 적외선 반도체의 펄스 어레이를 초과하는 것이 가능하다. 여기서 개념은 어레이의 일반적인 전기 공급 전류 정격이 x인 경우, 매우 짧은 지속 시간 동안 10, 15 또는 20x가 훨씬 더 높은 피크 출력을 얻을 수 있다는 것이다. 예컨대 정확한 조사에 1700 줄이 필요한 경우, 조사 어레이 그룹은 일반적으로 15암페어의 전류 입력으로 1.7초 만에 1700 줄을 출력할 수 있으며 170 밀리초에 1700 줄을 생성하려면 150 암페어가 되는 정상 전류의 10배로 빛이 비추어질 수 있다. 이 전체 구성은 더 적은 기구를 필요로 하고 조사 어레이는 기계적으로 이동하거나 동적으로 관절식 연결될 필요가 없지만, 더욱 큰 전기 및 전자 작업이 이러한 큰 전력 전류를 펄스화하기 위해 수행될 필요가 있고 어레이는 임펄스 전력을 견디고 비례하여 높은 출력을 생성하는 것을 필요로 한다. 그것들은 실제로 이 정도까지 과도하게 펄스화될 수 있고 특정 구현에 대해 사용 가능한 서비스 수명이 있는지 확인하기 위해 시험되어야 한다.
스트로브 및 과펄스 구성은 회전 운동 구성 시스템 또는 연속 선형 운동 구성 시스템에서 실행될 수 있다. 두 장치 모두 경화 노출을 위해 스트로브 협대역 조사 어레이 아래에서 캔이 단일 파일을 통과할 수 있도록 한다. 본 기술된 실시예의 구현자는 재료 취급 처리 속도 대 조사 시스템의 구성 및 전력의 상대적 이점에 대해 지속적으로 토론할 것이다. 더 강력한 조사 시스템은 표면적으로 통합된 전력에 정비례하여 더 짧은 시간에 표면적으로 조사할 것이다. 예컨대, 실체적인 목적을 위해 2,000와트 어레이는 1,000와트 어레이보다 대략 두 배 빠른 속도로 조사하지만 1,000와트 어레이에는 더 느린 속도로 실행되는 더 많은 재료 취급 장비가 필요한 데, 그 이유는 시스템이 특정 처리 속도를 달성하려면 더 많은 직렬 또는 병렬 기구로 설계되어야 되기 때문이다. 스타휠, 컨베이어 등의 재료 취급 시스템은 2배의 속도로 작동하면 주어진 시간 동안 2배의 캔을 처리할 수 있다. 그러나 2배의 속도로 경화하기 위해서는, 협대역 조사 어레이 및 대형 전원 공급부 등에서 약 2배의 전력 출력이 필요하다. 더 높은 전력의 조사 시스템은 일반적으로 훨씬 더 많은 냉각을 필요로 하며 광학 트레인을 포함한 시스템의 모든 것이 훨씬 더 높은 전력 수준을 처리할 수 있어야 한다. 마찬가지로, 고속 재료 취급 장비는 자체적인 문제를 안고 있다. 이동 품목의 운동 에너지는 속도의 제곱만큼 증가하기 때문에, 2배의 속도로 작동하는 재료 취급 시스템은 취급 중인 캔을 포함하여 시스템 전체에서 관성 또는 운동 에너지의 4배를 처리해야 한다. 이러한 모든 요인의 결과로, 본 기술된 실시예의 설계자 및 구현자는 특정 처리량을 얻기 위해 시스템이 얼마나 많은 개별 레인으로 분할될 것인지, 그리고 재료 취급 시스템이 요구하는 비율로 경화하기 위해 조사 시스템에서 얼마나 많은 전력이 필요한지를 결정해야 한다.
일반적인 캔 라인은 현재 캔 내부 코팅을 하기 위해 생산 흐름을 7개의 레인으로 나눈다. 이 레인들 중 하나는 언제든지 유지관리가 가능한 것으로 가정하고 나머지 6개는 연속 생산을 실행한다. 본 기술된 실시예에 따르면, 각각의 경화 레인은 예컨대 분당 300캔(6개의 레인에 대해 분당 1800캔으로 해석됨)의 생산 속도로 개별 캔을 경화할 수 있다. 그 다음 6개의 활성 레인의 전체 출력은 IBO를 통과하기 전에 대량 운반으로 다시 합쳐진다. 본 기술된 실시예에서, 레인들은 여전히 분리되어 있는 동안 대응하는 경화 레인을 통해 계속 진행할 것이다. 따라서 경화 레인은 평행하고 독립적인 레인이므로, 독립적으로 시작 및 중지될 수 있다. 그것들은 제어, 서비스 및 속도 최적화에 대한 독립성을 유지한다. 이러한 독립적인 경화 레인들의 구성으로 인하여, 공장이나 전체 라인 생산을 중단하지 않고도 어떤 이유로든 모든 레인들을 시작하거나 중지할 수 있다. 이는 생산이 유지되는 동안 예정된 유지관리는 물론 생산을 중단하지 않고 자발적인 유지관리 또는 잼 제거를 용이하게 한다. 전자적 문제 해결 또는 구성요소 교체가 필요한 경우, 정상적인 생산이 진행되는 동안 원활하게 수행할 수 있다. 그 다음 별도의 경화 레인을 하나의 고속 단일 파일 레인으로 다시 병합하여, 일반적으로 네커 플랜저(necker flanger)인 다음 생산 단계를 통과할 수 있다.
본 기술된 실시예에 따라 구현될 수 있는 다른 장치는 고속의 인덱스 회전 운동을 포함한다. 이 구성에는 지정된 이동 원호를 반복적으로 이동시키는 회전 인덱스 구성을 통합하는 턴테이블 또는 스타휠 장치가 포함된다. 인덱싱 기술은 여러 기계적 또는 전기기계적 고려 사항 중 하나일 수 있다. 주기적 인덱싱은 전기 서보, 캠, 래칫 또는 클러치 기계, 공압 또는 기타 여러 인덱싱 기구를 포함한 여러 기술 중 하나일 수 있다. 본원에서는 고유한 방식으로 사용되지만, 이러한 모든 기계적 기구는 문헌 및 특허 데이터베이스에 자세히 설명되어 있으므로 여기에서 자세히 설명하지 않는다. 상업적으로 이용 가능한 제품은 기본 기구에 대한 이러한 요구를 매우 잘 충족할 수 있지만 고속 조사 경화 스테이션을 통해 캔을 처리하기 위해 매우 구체적이고 그에 따라 가공되어야 한다.
적절하게 인덱싱된 스타휠 또는 턴테이블은 조사 소스 아래에서 캔을 이동하는 것을 용이하게 하고 체류기간(dwell)을 제공하고, 상기 체류기간동안 조사 소스가 켜질 수 있고 협대역 조사 소스 아래에서 캔을 인덱싱하고 새 캔을 조사할 수 있는 위치에 놓기 전에 결국에는 꺼질 수 있다. 이 반복적인 인덱싱 주기는 적용에 필요한 일정 길이의 체류 지속기간을 제공하는 이점이 있다. 이는 적절한 경화에 필요한 에너지 줄 수를 제공해야 하지만 속도와 처리량은 시스템의 전체 생산 요구를 충족시키기 위해 특정 복사 전력이 인덱서의 바른 속도와 정합해야 한다는 것을 요구할 것이다.
인덱싱 장치는 단일 캔을 협대역 조사 소스 내로 및 협대역 조사 소스로부터 멀리 이동시키는 것을 제공할 수 있다. 대안적으로, 각 인덱스를 사용하여 다중 조사 소스 아래의 위치로 여러 캔을 이동할 수 있다. 따라서 인덱싱 턴테이블이 기구에 대한 높은 신뢰성 범위 내에 있는 속도로 운영될 수 있는 동안 경화 업무를 처리할 수 있는 완벽한 수의 조사 소스를 보유하여 최적화되도록 시스템을 설계할 수 있다. .
인덱싱 시간에 대한 인덱싱 시간 대 인덱싱 원호 길이에 대한 인덱싱 체류의 정확한 비율을 갖도록 서보 구동 인덱싱 시스템을 설계하는 것이 중요하다. 이는 실제 인덱싱 시간을 최소화하면서 최대 복사 시간을 최대한 활용할 수 있도록 협대역 조사 소스를 구성하는 것이 용이하다. 모든 조사가 단일 스테이션에서 발생할 필요가 없도록 조사를 위해 여러 스테이션을 갖는 것도 가능하다. 이 기술은 캔의 코팅이 일련의 조사 정지를 통해 가열될 수 있도록 점진적인 조사를 용이하게 한다. 알루미늄 캔은 매우 빠르게 냉각되기 때문에, 상당한 양의 열이 낭비될 수 있으며 이는 후속 스테이션에서 더 많은 열을 주입해야 한다. 그러나 특정 종류의 코팅에 적합하도록 코팅을 더 오랜 기간 동안 고온에서 코팅을 유지해야 하는 경우 실행 가능한 구성이 될 수 있다. 또한 그렇지 않은 경우 기구에 의해 촉진될 수 있는 것보다 더 긴 기간의 조사가 필요한 경우, 다중 반복 조사를 촉진할 것이다. 이는 또한 신중하게 구성하면 처리 속도를 높일 수 있다. 어떤 경우에는 물을 없애기 위해 또는 다른 경화 이유로 더 긴 유효 지속 시간이 필요할 수 있다.
본 기술된 실시예의 회전 운동 구성 중 임의의 것의 구현은 다양한 각각의 트랙 작업을 통해 캔의 이동을 보조하기 위해 중력을 이용할 수 있다. 캔은 협대역 고속 복사 경화 스테이션을 오가는 경로에서 트랙 작업을 통해 이동할 때 기본적으로 서로 접촉할 수 있다. 다음 캔을 각각의 턴테이블 운반 네스트 안으로 밀어넣는 부드러운 압력을 제공하려면, 캔으로 가득 찬 가파른 경사 또는 수직 트랙 작업이 매우 유용하다. 예컨대, 도 5에서 트랙작업(81)의 경우, 진공 컨베이어(80)의 지지 여부에 상관없이 캔(82)이 서로를 밀어낼 수 있도록 수직 각도 또는 급한 경사를 이루도록 구성할 수 있다. 필오프(peel-off) 가이드(87)의 도움으로 운반 네스트(86) 앞의 수직 또는 스택 길이를 증가시켜 힘을 증가 또는 감소시킬 수 있는 중력의 완만한 가압은 다음 캔을 운반 네스트(86)로 완만하게 안내한다.
본 기술된 실시예를 구현하는 다른 방법은 예컨대 도 4에 도시된 바와 같은 선형 이스케이프먼트 구성(linear escapement configuration)에 의한 것이다. 이는 2개의 병렬 컨베이어, 입력 컨베이어 및 출력 컨베이어를 갖는 것을 포함한다. 그것들은 서로 평행하고 나란히 위치하지만 그것들 사이에는 이스케이프먼트 트랙과 스테이션을 위한 공간이 있다. 프로그램가능한 이스케이프먼트 푸셔는 입력 컨베이어를 따라 배열되며 두 컨베이어들 사이의 이스케이프먼트 트랙으로 적절한 시간에 밀어내기를 제공하도록 구성된다. 협대역 조사 시스템은 이스케이프먼트 작업 스테이션의 각 이스케이프먼트 트랙의 작업 스테이션 위에 제공되어 캔이 밀려 나와 작업 스테이션에 머물게 될 때, 적절한 경화를 위해 필요한 만큼 길게 조사가 진행될 수 있다. 경화 지속 시간이 완료되면, 캔은 고속 출구 컨베이어에서 이미 처리 중인 다른 캔들 사이의 갭에 맞도록 적절한 타이밍에 작업 스테이션에서 출구 컨베이어로 밀려난다. 이러한 유형의 장치는 긴 체류 시간 동안 많은 병렬 처리를 허용하지만 높은 프로그래밍 가능성을 제공한다. 일반적으로 더 낮은 비용으로 구현될 수 있으며 대부분의 다른 구성보다 더 높은 가요성과 더 많은 모듈성을 제공할 수 있다. 그러나 더 많은 감지, 더 많은 프로그래밍 및 캔의 더 많은 관절식연결이 필요하다. 여기서 도 4의 선형 이스케이프먼트 구성에 대해 더 자세히 설명한다.
선형 이스케이프먼트 구성은 다음과 같이 작동한다. 도 4를 참조하면, 유입 컨베이어(111)는 단일 파일 직립 캔의 열(row)을 가져온다. 개방 상단은 운반되는 진공 컨베이어에서 멀리 향하고 있다. 컨베이어(111)의 입력 속도는 시스템의 전체 균형의 처리 속도와 취급 속도에 따라 달라진다. 실제 속도와 벨트 위치는 컨베이어(118) 및 (119)의 구동부에 직접 연동된 인코더(109)에 의해 지속적으로 모니터링된다. 인코더는 벨트의 위치를 지속적으로 기록하는 컴퓨터, 제어 시스템 또는 프로그램가능한 제어기에 연결되며 광전지(100)의 입력을 통해 재료 취급 시스템에 들어가는 모든 캔의 위치를 모니터링한다. 미경화 캔(112)이 입력 벨트에 들어갈 때, 제어 시스템은 캔이 들어갈 수 있는 조사 스테이션을 결정한다. 7개의 완전히 독립적인 조사 경화 스테이션(106)이 도 4에 도시되어 있다. 프로그램가능한 제어기가 캔을 스테이션 3으로 보낼 것이라고 결정하면, 스테이션 3의 전환기(114)에 매우 정확한 타이밍으로 핑거를 연장하도록 경고하여 캔을 3번 조사 스테이션으로 각도를 맞추는 데 필요한 벡터 힘을 제공한다. 스테이션 3에 접근할 때 캔이 전환기(114)의 핑거에 닿을 때 이동 벨트에 의해 제공되는 운동 작용의 조합에 의해 생성된 가압 활주 동작이 있을 것이다. 캔이 스테이션 3의 측면트랙 컨베이어로 밀려나면서 스테이션 전환기 컨베이어(105)에 의해 픽업되기 전에 먼저 데드 플레이트(113) 위로 활주된다. 전환기 컨베이어는 중심점(110)이 경화 스테이션(106) 아래의 미경화 캔의 중심점 위에 있을 때까지 미경화 캔을 각각의 경화 스테이션(106)으로 계속 운반할 것이다. 전환기(105)는 광전지(120)가 도착을 확인할 때까지 캔을 경화 스테이션(106)으로 계속 운반할 것이다. 그 순간, 전환기 컨베이어(105)는 컨베이어의 이동을 멈추고 조사 스테이션(106)이 작동되어 캔 내부를 조사한다. 전기 광학 시스템은 도 2에 도시된 것과 매우 유사할 수 있다. 켜짐 시간이 정확한 수의 에너지의 줄이 캔 내부에 전달되었음을 나타내면, 협대역 경화 시스템(106)이 꺼지고 제어 시스템은 이제 경화된 캔이 나갈 준비가 되었음을 알게 된다. 시스템에 있는 모든 캔의 위치를 추적하게 될 제어 시스템은 전환 컨베이어가 캔을 출구 컨베이어(108)로 운반하는 데 걸리는 시간을 알 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 타이밍이 적절하고 캔들(107) 사이의 갭이 있을 때, 출구 컨베이어(107) 아래로 이동하는 캔들 사이의 적절한 갭으로 경화된 캔을 운반하기 위해 전환기 컨베이어를 다시 작동할 준비를 한다. 이는 전환기 컨베이어(105)의 속도를 알고 있으며 출구 컨베이어(108)에서 합리적으로 균일한 간격으로 캔을 위치시키는 것을 용이하게 하기 위해 장착된 경우 속도를 조절할 수 있다. 전환기 컨베이어(105)에는 진공이 당겨지는 구멍이 천공 벨트가 장착되어 캔이 단단히 부착되어 빠르게 가속될 수 있다. 출구 컨베이어(108)에는 진공 구멍(104)이 장착될 수 있으며, 이를 통해 진공을 당겨서 양호한 가속 및 제어를 위해 벨트에 단단히 캔을 고정할 수 있다. 입구 컨베이어(111)는 모터(119) 및 기어 구동부(118)에 의해 구동되고 출구 컨베이어(108)는 모터(101) 및 기어 구동부(102)에 의해 유사하게 구동될 것이고 이들 둘 모두는 지원되는 생산 속도에 따라 가장 매끄러운 캔 메쉬를 위해 제어 시스템에 의해 조정될 수 있는 가변 속도 모터가 될 수 있다. 전환기(114)는 핑거가 캔을 우회할 수 있을 만큼 충분히 빠르도록 설계해야 하지만 캔이 넘어지거나 변형되지 않도록 매끄럽게 해야 한다. 그러나 핑거는 다가오는 다음 캔이 따라오기 전에 방해가 되지 않도록 충분히 빨리 후퇴해야 한다. 제어 시스템은 핑거를 펴고 핑거를 후퇴시키는 반응 시간을 알아야 하고 모든 캔 운반, 방향 전환 및 컨베이어(108)에서 시스템을 나가는 타이밍을 조정할 수 있어야 한다.
협대역 적외선 에너지(또는 광대역 에너지)를 생산하는 기능, 캔을 생산하는 기능, 캔/코팅을 검사하는 기능 및/또는 피드백 정보 및 캔 취급을 수행하는 기능과 같은 본 기술된 실시예의 많은 기능은 - 적어도 일부 형태에서는 - 적절한 제어기 또는 제어 시스템에 의해 제어된다는 것을 이해해야 한다. 이러한 제어기 또는 제어 시스템은 특정 구현에 따라 다양한 형태를 취할 수 있지만, 적어도 하나의 형태에서는 본 기술된 실시예의 형태 및 기능을 실현하기 위해 적절한 하드웨어 구성 및/또는 소프트웨어 루틴으로 구현될 것이다. 또한, 이러한 제어기 또는 제어 시스템은 예컨대 독립형 시스템, 분산 시스템이거나 다른 또는 보다 포괄적인 시스템에 통합될 수 있다.
위에서 상세히 설명된 본 기술된 실시예가 실행될 수 있는 상이한 형태 인자는 주로 경화의 직접적인 협대역 조사 부분을 용이하게 하기 위한 것이다. 다양한 인자에 따라, 완전한 경화를 위해 위의 구성을 보강해야 할 수도 있다. 보강의 한 형태는 캔이 협대역 조사 섹션 직전에 통과하는 예열 섹션을 갖는 것을 포함할 수 있다. 이는 협대역 조사 섹션에서 더 적은 줄의 에너지가 필요하도록 캔을 예열하는 것을 용이하게 할 수 있다.
보강의 또 다른 형태는 협대역 조사 후의 후 블로잉 섹션을 포함할 수 있다. 습식 코팅의 상당 부분이 액체이기 때문에, 경화 공정의 어느 시점에서 수분을 제거하는 것이 필요하다. 경화 및 가교 온도에 도달하기 직전에 발생했어야 하는 물이 기화되면, 해당 증기를 캔에서 제거해야 한다. 따뜻한 공기가 필요할 수도 있고 캔에서 증기를 제거하기 위해 캔 위로 공기를 불어야 할 수도 있다. 이는 각 섹션을 통해 캔을 안내하는 트랙 작업과 함께 원형 또는 선형 장치로 후 가온 섹션(post-warming section)으로 구성될 수 있다.
선 가온 섹션은 따뜻한 공기일 수 있거나 복사될 수 있으며, 예컨대 부드러운 복사 예열을 제공하기 위해 석영 램프 뱅크가 장착될 수 있다. 보강 섹션은 매우 다양할 수 있으며 시스템이 설치될 정확한 상황, 플랜트 구성 및 지리적 기후에 따라 달라진다. 당업자는 협대역 경화 시스템이 여기에서 교시되는 특정 예를 넘어 많은 다른 방식으로 구성될 수 있을 뿐만 아니라 그 전후 모두에 있어서도 많은 형태를 취할 수 있음을 이해할 것이다.
본 기술된 실시예와 음료 캔의 내부를 경화시키는 기존의 방법 사이의 하나의 중요한 차이점은 본 기술된 실시예가 직접 복사 에너지에 의해 경화된다는 것이다. 기존의 IBO 경화 오븐은 고온 공기 대류를 통해 캔 내부를 가열한다. IBO는 어떤 형태로든 천연 가스를 연소하거나 저항성 전기 가열을 통해 공기를 가열한다. 이 둘 모두는 공기를 가열하고 고온 공기는 캔을 가열한다. 캔이 놓이는 벨트가 뜨거우므로, 컨베이어 벨트에서 금속 캔의 베이스까지 전도를 통해 소량의 가열이 발생한다. 이는 또한 벨트가 오븐을 반복적으로 통과할 때 벨트를 지속적으로 가열하는 방식으로 오븐에서 열이 빠져나가는 IBO의 결함이자 비효율이다. 확실히, 현재 빈티지(vintage) IBO의 의도는 가장 큰 비중을 차지하는 캔 가열이 직접적인 고온 대류 공기를 통해 이루어진다는 것이다.
대류 가열은 일반적으로 비효율적인 열 전달 공정이다. 이는 다단계 공정이며 본질적으로 각 단계 사이에 손실이 있다. 공기는 처음에 가열되어야 하고 그 다음 공기가 캔과 접촉하여 열을 캔과 코팅으로 전달해야 한다. 유사한 양의 고온 공기가 캔 내부를 닿는 것과 유사한 양의 고온 공기가 캔 외부를 닿는다. 물론, 캔 내부에 닿는 고온 공기는 금속을 가열하기 위해 전도성으로 스며들기 전에 먼저 코팅에 닿는다. 그러나 캔 외부에 닿는 고온 공기는 금속을 가열해야 하고 금속은 코팅을 가열해야 한다. 완벽한 세계에서는, 코팅을 가교, 경화 온도로 가열하는 것이 훨씬 더 바람직하다. 그러나 이는 코팅이 캔 본체를 구성하는 알루미늄 기판과 밀접하게 접촉하고 있고 매우 얇기 때문에 금속 기판에 직접 열을 전달하기 때문에 사실상 불가능하다. 이 가열 방식으로 인해, 금속 기판이 코팅만큼 가열된다. 또한 오븐의 고온 공기는 완전히 균일하지 않다. 핫스팟은 본질적으로 오븐에 존재하며 공기의 움직임은 장소에 따라 다르기 때문에, 일부 캔은 과열되고 다른 캔은 과열되는 경향이 있다. 이러한 경향에 대한 경화는 미경화 캔을 방지하기 위해 진정으로 최적인 것보다 더 많은 오븐 열을 사용하는 것이다.
특히 알루미늄 캔의 경우, 이러한 온도에서 상당한 시간 동안 알루미늄을 유지하면 알루미늄이 약해지는 결과가 발생한다. IBO의 상승 온도에서 2 내지 3분을 보낸 후 발생하는 약화 효과를 견딜 수 있도록 캔이 최종 사양보다 더 무겁고 강하게 제조되어야 한다는 것은 업계에서 잘 알려져 있다.
이러한 약화 효과가 디템퍼링 효과인지 어닐링 효과인지는 완전히 명확하지 않다. 야금학자들은 효과의 이름을 무엇으로 지정해야 하는지에 대해 의견이 다르다. 매우 명확하고 잘 알려진 사실은 알루미늄이 IBO를 통과하는 과정에서 확실히 약화된다는 것이다. 일반적으로 오븐을 통과한 직접적인 결과로 바닥 반전 강도의 8 내지 10%를 잃는 것으로 생각된다.
고전적 어닐링은 일반적으로 캔이 IBO 오븐에서 보내는 시간보다 상승 온도에서 더 높은 온도와 더 긴 지속 시간을 필요로 한다. 문헌 검색은 3004 합금 및 기타 유사한 합금 제품군에 대해 이를 입증한다. 문헌에 대한 심층 분석과 적어도 하나의 연구에 따르면, 알루미늄이 매우 얇기 때문에 이러한 어닐링 및 디템퍼링 공정이 캔에서 매우 빠르게 발생할 수 있다는 것을 나타낸다. 알루미늄은 우수한 열 전도체이며 벽 두께의 일반적인 3,000 또는 4,000분의 1인치에서 열 흡수는 거의 즉각적이다. 이는 어닐링 대상이 될 대부분의 항목의 경우와 같이 분 또는 시간이 아닌 초 단위로 측정된다.
UNS A93004로도 알려진 3004 합금 알루미늄은 기본 알루미늄 외에 다음과 같은 화학 조성을 가지고 있다. 이는 최대 0.3%의 실리콘, 최대 0.7%의 철, 최대 0.25%의 구리, 1%와 1.5% 사이의 망간, 0.8%와 1.3% 사이의 마그네슘, 최대 0.25%의 아연 및 0.05% 이하이고 최대 총 0.15%인 기타 원소를 포함한다. 이 합금에는 몇 가지 템퍼 변형을 사용할 수 있다. 사용 가능한 표준 템퍼에는 0(어닐링), H32, H34, H36 및 H38이 포함된다. H는 변형 경화(strain harden)를 나타내며 변형 경화 및 안정화된 H3X가 있다. 알루미늄 음료 캔에 일반적으로 사용되는 특정 템퍼는 H32보다 덜 변형 경화되지만 어닐링된 상태보다 더 단단한 H19 번호이다. H19 템퍼는 D&l(Drawn & Ironed) 공정 중에 발생하는 상당한 냉간 가공을 처리하는 데 이상적인 것으로 보인다. 인장 강도에 대한 사양은 26KPSI로부터 41KPSI까지 다양하다. 항복 강도는 0 템퍼 또는 어닐링된 제품의 10 KPSI로부터 H38 템퍼에 대한 최대 36 KPSI까지 다양하다.
캔 강도의 8 내지 10% 감소는 압력 하에서 캔이 견딜 수 있는 버클 강도(buckle strength) 또는 바닥 반전 강도의 진정한 감소이다. 정확한 기하학적 형태와 캔 형상의 두께가 캔 강도의 중요한 요소이기 때문에 버클 강도는 항복 강도 또는 인장 강도와 직접적인 상관 관계가 없다는 점에 유의해야 한다. 그러나 경화 전과 후 모두 측정할 수 있을 정도로 동일하기 때문에, 버클 또는 바닥 반전 강도의 손실에 책임이 있는 것은 인장 강도와 항복 강도의 변화임이 분명하다. 이 어닐링/디템퍼링 효과는 분명히 캔 제조 산업에서 그에 따라 처리되어야 하는 인자이다.
본 기술된 실시예는 IBO에서 발생하는 이러한 어닐링/디템퍼링 효과를 사실상 제거할 수 있다. 본 기술된 실시예는 IBO를 제거하고 그 대신에 고속의 협대역 적외선 복사 경화 기술을 대체한다. 캔은 단일 파일이며 조사는 각 캔 안으로 개별적으로 전달된다. 그들은 그룹으로 대량 경화되는 대신 한 번에 하나씩 순차적으로 경화된다. 협대역 복사 가열의 제어 가능성과 상대적 효율성으로 인해, 코팅은 단 몇 초 만에 전체 경화 및 가교 온도까지 올라갈 수 있다. 캔은 상승 온도에서 시간을 거의 소비하지 않기 때문에 약화 효과가 발생할 시간이 없다. 이 고속의 복사 경화 기술을 구현하기 위한 세부 사항과 기술은 이 문서 전체에 걸쳐 더 자세히 설명되어 있다.
흡수 스펙트럼 분석의 결과에 기초하여, 분무 코팅 샘플에 대한 침투 깊이를 계산할 수 있다. 이 응용에서 낮은 침투는 IR 복사선의 더 빠른 흡수에 해당하므로 실제로 유리하다.
침투 깊이(95% 흡수)에 대한 식은 다음과 같다. β = (3*I)/A이고, 여기서 β는 밀리미터 단위의 깊이이고, I는 실험 샘플의 경로 길이이고, A는 주어진 파장에서의 흡광도이다. 예컨대, 흡광도가 1.526인 1930nm의 파장은 β=3.93mm의 침투 깊이를 초래한다. 이는 적외선이 입사 에너지의 95%가 흡수되기 전에 3.93mm의 코팅을 통과해야 함을 의미한다. 이는 캔의 측벽에 0.00254mm만큼 낮은 코팅 두께를 고려할 때 분명히 불가능하다. 다행스럽게도 알루미늄은 IR 복사선의 매우 좋은 반사체이다. 적외선은 분무 코팅을 처음 통과할 때 약간 흡수되지만 코팅 아래의 알루미늄 기판에서 반사된 다음 캔 내부 주위에서 반사 공정을 시작할 때 코팅을 다시 통과한다. 이는 각 반사 통과로 분무 코팅 및 알루미늄 벽에 접촉한다. 약간 불완전한 반사 동안 알루미늄에 의해 흡수된 소량의 에너지라도 분무 화합물을 유지하는 알루미늄 표면에 열 에너지를 발생시켜 화합물을 더 가열하기 때문에 경화 공정에 도움이 된다. 또한 알루미늄이 충분히 가열되면, 캔의 외부 장식도 경화될 수 있음을 이해해야 한다. 이는 일부 구현에서 바람직할 수 있으므로 시스템이 이러한 가열 및 경화 목표를 수용하도록 설계, 구성 또는 조정될 수 있다.
가장 얇은 표준 코팅 두께의 경우, 캔 내부의 각 반사는 각각의 반사와 함께 이중 코팅 통과로 인해 분무 코팅을 통한 0.00508 mm의 이동을 초래할 것이다. 위에서 결정한 95% 흡수율에 도달하기 위해서, 3.93mm의 분무 코팅이 상호 작용하기 전에 캔 본체를 774회 통과해야 한다. 65mm 폭의 캔에서(완벽한 직교 벽 대 벽 반사를 가정하면 현실이 아님), 이는 빛이 완전히 흡수되기 전에 약 50m를 이동해야 함을 의미한다. 이는 긴 공정처럼 보일 수 있지만, 빛의 속도(c=3x108 m/s)는 너무 빨라서 실제로는 매우 빠르다. 가장 얇은 코팅 두께와 가장 두꺼운 코팅 두께 모두에 대한 타이밍 계산 결과는 0.1mil 두께의 경우 0.17나노초, 0.5mil 두께의 경우 0.03나노초이다. 결과에서 알 수 있듯이, 실제로 레이저 다이오드에서 에너지를 방출하는 데는 코팅에 의해 흡수되는 시간보다 훨씬 더 많은 시간이 필요하다.
논의된 바와 같이, 캔 코팅 경화를 위한 현재의 기존의 방법은 대량 컨베이어를 갖는 대형 오븐을 사용한다. 세 개의 연속 섹션이 캔을 가열한다. 오븐은 최종 섹션의 온도가 375 내지 450 ℉에서 유지되는 천연 가스에 의해 공급된다. 캔은 대량 컨베이어 벨트의 사용을 통해 1분 정도의 경화 시간 동안 오븐의 가장 고온 섹션을 통과한다. 초기 오븐 가열 절차와 관련된 높은 비용 때문에, 이러한 오븐은 가능한 한 많이 켜져 있으며, 이는 라인 정지 시간 동안이나 오븐 이전 또는 오븐에서 백업될 수 있는 잼(jam) 동안 모두 낭비이다.
표 1은 합리적인 가정과 미국의 현재 천연 가스 비용에 기초한 비용 증가를 보여준다. 표 1에서 알 수 있듯이, 오븐 내부를 지속적으로 높은 온도로 유지하기 위해서는 상당한 양의 열을 지속적으로 공급해야 한다. 천연 가스 비용은 또한 연간 총 운영 비용의 핵심 요소이다.
| 부분 비율 | 2,400 cpm |
| 시간당 BTU | 3,000,000 |
| BTU/MCF 천연 가스 | 1,026,000 |
| 변환 효율 | 90% |
| 소모량 | 시간당3.25 MCF |
| 비용 | $11.00/MCF |
| 시간당 비용 | $35.74 |
| 24시간당 비용 | $857.70 |
| 오븐 가동시간(% of 24 / 7) | 95% |
| 년간 비용 | $297,407 |
상기로부터의 높은 코팅 두께 결과는 최악의 시나리오를 나타내기 위해 사용되었다. 이 분석과 기존 변수 사이의 추가 차이점에는 천연 가스를 열로 변환하는 효율과 전기를 복사열로 변환하는 효율의 차이, 천연 가스의 경우 $/MCF와 전기의 경우 $/kWh 사이의 차이, 오븐 가동 시간과 다이오드 어레이 가동 시간 사이의 차이가 포함된다.
직접 비교할 수는 없지만, 그 차이는 협대역 복사 전기 가열에 유리하게 작용한다. 일반적인 라인 가동 시간(실제로 캔을 생산하는 데 사용되는 시간)이 1년에 사용 가능한 모든 시간의 89%라고 가정할 때, 오븐은 냉간 시동과 관련된 비용과 시간으로 인해 실제로 더 긴 시간 동안 활성 상태로 유지된다고 가정했다. 따라서 라인은 시간의 89%만 캔을 생산할 수 있지만, 오븐은 실제로 연중 사용 가능한 시간의 95% 온도를 유지한다. 반면에 협대역 복사 가열 요소는 펄스형으로 설계되었으므로 캔이 있고 실제로 경화될 때만 전력을 사용한다. 이렇게 하면 작동 중 효율성이 향상될 뿐만 아니라, 유지관리 또는 라인 잼을 위해 라인이 가동중지될 때 다이오드가 작동하지 않는다. 그 결과 실제 라인 가동 시간과 동등한 다이오드 어레이 가동 시간이 나타난다.
순전히 환경적 관점에서, 예비 예에서, 캔을 경화시키고 오븐을 정확한 온도 범위로 유지하는 데 필요한 3,000,000BTU/hr는 3,000,000BTU = 3,165,167,700줄이 되도록 줄로 변환될 수 있다. 이를 복사 가열 시스템의 시간당 플러그 전력과 비교하면, 표 2는 열이 적절하게 "목표"로 설정될 때 사용할 수 있는 극적인 절감 효과를 보여준다. 기존 오븐을 가열하는 데 필요한 에너지의 양은 코팅을 경화하기 위해 협대역 복사 가열 시스템에 대한 이론적인 에너지 요구량에 대해 12배를 초과한다. 다시 말해, 현재의 IBO 기술에서는 소비되는 에너지의 약 92%가 실제로 낭비되는 것이다.
| 부분 비율 | 2,400 cpm |
| 경화에 사용된 캔당 줄 | 700 |
| 변환 효율 | 40% |
| 캔당 줄, 벽 플러그 | 1786 |
| 분당 줄, 벽 플러그 | 4,285,714 |
| 시간당 줄, 벽 플러그 | 257,142,857 |
| kW | 71.4 |
| KWh당 비용 | $0.107 |
| 시간당 비용 | $7.64 |
| 24시간당 비용 | $183.43 |
| 다이오드 가동시간(% of 24/7) | 89% |
| 년간 비용 | $59,587 |
기존의 현재 표준 경화 방법의 결과를 본 기술된 실시예와 비교하면, 현재 비용 추정에 기초하여 연간 대략 $240,000의 상당한 절감액이 나타난다.
캔 제조자에 대한 이 기술의 이점은 많다. 예비 예에서 위에서 논의한 것처럼 극적인 에너지 절약이 있을 뿐만 아니라 대기 오염도 상당히 적다. 일반적으로 95HP의 전기 모터를 제거하고 대량 컨베이어 스타일 오븐의 높은 유지관리 측면에서 에너지 절약을 계산하지 않기 때문에, 에너지 및 비용 절감은 실제로 위의 예보다 더 크다. 아마도 캔 제조사에 대한 가장 극적인 이점은 본 기술된 실시예가 올바르게 구현된다면, 어닐링/디템퍼링 효과가 완전히 또는 거의 완전히 제거된다는 사실일 것이다. 결과적으로, 캔 제조자는 더 적은 양의 알루미늄으로 캔을 만들 수 있다. 일부 생산 캔의 중량은 약 0.34 내지 0.39온스이지만, 캔의 중량/질량은 예컨대 정확한 기하학적 형태 및 재료 두께의 함수로 변할 수 있음을 이해해야 한다. 또한 제조자는 캔, 캔 도구 및 제조 공정을 주기적으로 재설계하여 중량/질량을 다양화할 수 있다(예: 캔의 중량을 줄임). 또한, 일부 캔, 예컨대 특수 캔은 중량/질량을 증가시키도록 설계될 수도 있다. 능숙하게 구현하면 사용되는 알루미늄을 최대 9 내지 14% 절약할 수 있다. 그러나 알루미늄의 중량을 3%, 5%, 8% 또는 그 이상 줄이는 것과 같이 알루미늄의 양을 줄이는 것이 유리할 것이다. 음료 캔 비용의 약 70%가 알루미늄 재료 비용이기 때문에, 캔 제조자나 캔 사용자에게 엄청난 절감 효과를 나타낸다. 또한 더 적은 알루미늄을 채굴, 정제, 제조 및 운반해야 하므로 다른 면에서 환경적 이득이 된다.
오븐을 통한 약화 효과의 제거는 세 방법들 중 하나 또는 방법들의 조합으로 유익할 것이다. 캔은 현재의 알루미늄과 도구로 만들 수 있지만 알루미늄의 약화를 제거하기 때문에 현재보다 훨씬 더 강할 것이다. 대안으로, 캔을 제조하는 데 더 적은 알루미늄이 필요하다. 제 3 가능성은 현재의 더 높은 가격의 알루미늄 제품 대신에 더 저렴하고 더 낮은 합금 또는 더 낮은 템퍼링 알루미늄이 사용될 수 있다는 것이다. 이는 제조자가 이 기술의 본 기술된 실시예를 구현하기 위해 선택하는 방법에 따라 이들의 조합이 될 수 있다.
본 기술된 실시예를 사용할 때 캔을 제조하는 데 사용되는 알루미늄의 양을 줄이는 다수의 신규한 방법이 있다. 알루미늄 코일 스톡의 제조자 및 공급자는 정기적으로 알루미늄을 특정 정밀도와 두께로 압연하는 데 프리미엄을 부과한다. 알루미늄은 파운드 단위로 가격이 책정되고 판매되지만, 두께로의 압연 및 마감 공정에도 상당한 공정 비용이 발생한다. 더 적은 중량의 알루미늄이 필요하지만, 알루미늄 코일 스톡 제조자는 더 얇지만 여전히 정밀한 사양으로 압연해야 할 수 있다. 이익 위치를 유지하기 위해, 더 큰 두께의 알루미늄 중량보다 더 많은 압연 프리미엄을 청구할 수 있다. 압연이 이 비즈니스 접근 방식을 취하는 경우에는 비용 절감 효과가 나타나지 않을 수 있다. 본 기술된 실시예를 구현하는 보다 새로운 방법은 블랭크의 절단 에지 직경을 감소시켜 결과적인 컵의 직경을 줄이는 것이다. 일반적인 12온스 두 피스 캔의 시작 컵은 직경이 5.100인치이다. 이 기술은 컵 크기를 비례적으로 줄임으로써 중량을 줄이지만 동일한 코일 시트 두께를 유지하므로 동일한 압연 프리미엄을 유지한다. D&l 공정의 제 1 단계는 "시작 컵"을 딥 드로잉하는 것이다. 다시, 이는 알루미늄 코일이 현재와 같이 폭은 작지만 두께는 같으므로, 업계 표준 가격에 해당하고 단순히 더 좁은 폭로 절단되어야 한다. 더 작은 직경의 컵으로 시작하여, 캔 본체 최종 제품은 완성된 캔에서 원하는 더 얇은 사양으로 끝나지만, 알루미늄을 더 얇은 게이지 사양으로 압연하는 데 드는 프리미엄은 없다. 툴링의 수정 또는 재구성은 숙련된 도구 제조자에 의해 이해될 것이다. D&l 공정의 제 1 단계인 딥 드로잉 컵인 비례적으로 더 작은 직경의 컵을 만들기 위해서는, 툴링의 모든 부분이 새 직경에 맞게 의도되고 올바르게 지정되도록 제작되거나 수정되어야 한다. 컵은 더블 액션 컵핑 프레스(double action cupping press)로 만들어지며, 컵핑 프레스 설정의 디자인과 빈티지에 따라 툴링은 컵 폭이 크다. 블랭크의 직경은 더욱 작게 만들어져야 하므로 소위 "절단 에지(cut edge)"를 감소시킨다. 이러한 블랭크는 코일 에지에 대해 60° 각도로 코일 폭을 가로질러 단단히 중첩되어 블랭크들 사이의 스크랩 양을 최소화하고 블랭크의 접선 에지들 사이에 최소 알루미늄 웹이 남겨진다. 이를 구현하려면, 코일 스톡의 전체 폭을 줄이고 더 큰 직경의 기존 크기의 블랭크와 동일한 수의 컵 블랭크를 폭에 걸쳐 만든다. 대안은 더 넓은 코일 폭이 유지되지만 폭에 걸쳐 더 많은 컵 블랭크와 컵이 만들어지는 방식으로 재가공하는 것이다. 어떤 경우에도, 압인 다이의 각 툴링 스테이션에서 복합 딥 드로우 툴링은 정확한 새 직경, 틈새 및 깊이로 다시 제작해야 한다. 새 펀치, 드로우 링(draw ring), 홀드다운 및 모든 관련 툴링 구성요소는 새 직경과 정합해야 한다. 각 툴링 스테이션의 기하학적 관계는 밀접하게 중첩된 구성과 각 블랭크들 사이의 최소 스크랩 관계를 유지하도록 조정될 필요가 있다. 툴링 구성요소는 직경이 더 작아서 더 적은 공구강과 더 적은 기계가공이 필요하므로, 현재의 더 큰 버전보다 비교적 저렴해야 한다. 더 작은 직경의 컵을 만들기 위해 쿠퍼 프레스 툴링에 대한 수정이 필요하지만, 이러한 변경에 대한 투자 회수는 상당히 클 수 있다. 쿠퍼 프레스, 공급 장비 및 전체 시스템의 균형은 새로운 툴링 또는 툴링 수정을 사용하도록 재구성되어야 한다.
이 기술을 올바르게 구현하기 위해, 본 기술된 실시예가 어떻게 작동하는지에 대한 더 많은 세부사항을 이해하는 것이 중요하다. 실시하기 위한 바람직한 감소에 대한 본 기술된 실시예는 강한 적외선 협대역 에너지를 캔 내부 및 코팅 자체에 가능한 한 직접 주입하는 것을 교시한다. 이는 적외선 에너지를 개별 캔 내부에 직접 조준하고 투사하며 공장 주변을 튀거나 캔 그룹 또는 대량 캔들을 가열하려고 시도하여 에너지를 낭비하지 않는다는 것을 의미한다. 캔의 외부를 조사하거나 또는 캔의 외부와 캔의 내부를 모두 조사하여 본 기술된 실시예를 구현하는 것이 가능하지만, 보다 효율적인 구현은 에너지를 캔 내부로 직접 조준하는 것이다. 이는 협대역 에너지의 광자가 실제로 사전 경화된 형태의 액체로 코팅에 침투하여 부분적으로 흡수되기 때문에 훨씬 더 효율적이다. 일부 에너지는 직접 흡수되는 동안 실제로 코팅을 완전히 통과한 다음 제 2 통과 및 해당 추가 흡수를 위해 알루미늄 기판으로부터 코팅을 통해 다시 반사된다. 광자가 복귀 여행에서 코팅을 통과할 때 추가 에너지가 흡수되고 이후의 모든 반사에서 코팅을 두 번 통과한다. 코팅이 너무 얇아서 모든 광자 에너지를 빠르게 흡수하지 못하고 광자는 다음 코팅된 표면에 충돌할 때까지 반사 경로를 계속 진행한다. 당구공이 각각의 튕김으로 추가 반사 전에 코팅을 통과하는 인바운드 및 아웃바운드 통과로 캔의 내부 표면에서 튕겨 나가는 것을 상상하시오. 당구공 비유를 계속하면, 당구공이 결국 속도가 느려지고 멈추는 이유는 범퍼에 모든 에너지가 손실되고 압연 마찰에 더 적은 양이 손실되기 때문이다. 유사하게, 광자는 두 가지 원칙적으로 에너지를 손실한다. 각 통과에서 코팅을 통과할 때 에너지가 흡수되고 불완전한 반사 충격에서 약간의 에너지가 알루미늄으로 손실된다. 어떤 파장의 협대역 적외선 복사 에너지가 활용되는지에 따라, 광자의 전체 에너지 양이 코팅과 알루미늄 가열에 의해 흡수되기 전에 수백에서 약 1,500번 정도 반사가 있을 것이다. 물론 코팅이 두꺼울수록 코팅을 통과할 때마다 코팅에 더 많은 에너지가 흡수된다. 코팅을 통과하는 경로가 길수록 광자가 코팅을 통과하는 동안 발생한 광자 충격에서 더 많은 흡수가 발생한다. 예컨대, 코팅을 통한 진입 및 통과의 가파른 각도는 더 많은 경로 길이를 제공하여 더 많은 흡수를 제공한다.
강력한 협대역 조사 에너지를 생성하고 이를 캔 내부로 효과적으로 보내는 방법에는 다수 방법들이 있다. 광대역 복사 에너지를 사용하는 것이 가능하지만, 효과적이고 효율적으로 구현하는 것이 훨씬 더 복잡하다. 예컨대, 석영 램프에서 생성된 광대역 에너지는 정말 깨끗한 구현에 필요한 종류의 속도로 켜고 끌 수 없다. 석영 램프의 켜짐 회전 속도와 전체 가온 시간은 초 단위로 측정되며 전체 최적 켜짐 시간은 많은 구성에서 1초 또는 2초 또는 몇 분의 1초에 불과할 수 있다. 또한 고유한 형상과 필라멘트 구성으로 인해 필요한 곳에 정확히 에너지를 집속시키는 것이 훨씬 더 어렵다. 그것들은 정확한 줄 수의 정확한 전달을 쉽게 용이하게 하지 않지만, 에너지 줄은 더 큰 특정 영역으로 전달되지만 제어하기 어려운 플러드 장치(flood arrangement)에서 더 잘 작동하는 경향이 있다. 광대역 소스는 고유한 특성으로 인해 초고속 경화를 촉진하지 않을 수 있으므로 캔을 빠르게 과열시켜 어닐링 효과의 일부 또는 전체를 계속 유도할 수 있다. 협대역 조사와 협대역 에너지의 반도체 기반 생산 모두에 많은 이점이 있다. 첫째, 그것들은 마이크로초 속도로 켜고 끌 수 있다. 그것들은 실제로 DC 전압 입력(일반적으로 1.2 내지 3.3V)을 수신할 때만 광자 에너지를 생성하고 석영 또는 가스 방전 램프처럼 전기 입력 전류가 흐르는 것을 멈춘 후 상당한 출력을 유발하는 히스테리시스 또는 높은 흑체(black body) 등가물을 갖지 않는다. 광대역 소스는 일반적으로 매우 높은 온도에서 작동하므로 일련의 구현 문제가 발생한다. 이들의 존재로 인해 전체 경화 환경이 상당히 뜨거워지기 때문에, 구성요소의 신뢰성이 떨어지고 훨씬 더 높은 온도를 견딜 수 있는 광학계가 필요하다. 그것들은 본질적으로 수명이 훨씬 짧고 자주 교체해야 하므로 유지관리 및 가동 중지 시간이 추가된다. 또한, 협대역 설정은 우수한 항반사 코팅 구현에 적합하다. 이는 코팅이 사용되는 정확한 협대역 파장에 맞게 설계되고 최적화될 수 있기 때문이다. 이는 덜 최적의 광대역 항반사 코팅일 필요는 없다. 유사하게, 콜드 거울 코팅과 같은 광학계 및 광학 코팅은 좁은 특정 파장 범위에 대해 보다 쉽게 설계될 수 있다. 렌즈는 서로 다른 파장에 대해 서로 다른 거리에 집속되므로, 협대역 시스템용 광학 트레인을 설계할 때 더 정밀한 것이 유리할 수 있다. 협대역은 다르게 해석될 수 있지만 우리는 전체 폭, 절반의 최대 대역폭이 일반적으로 100나노미터 미만인 광학 또는 광자 에너지의 생산을 언급하고 있음을 이해해야 한다. 협대역 에너지의 소스가 고체 또는 반도체 소스인 경우, 광대역 형광(broadband fluorescence)이 디바이스 구성에 추가되지 않는 한 일반적으로 그렇다. LED의 원시 출력은 일반적으로 본질적으로 그 범위 내에서 협대역이지만, 레이저 다이오드는 예컨대 20나노미터(nm) 미만, 일반적으로 ±10나노미터(전체 폭/최대 절반) 미만 또는 특정 유형에 대해서 심지어 ±1 nm(전체 폭/최대 절반)와 같이 더 좁다. 예컨대 VCELS 및 SE-DFB 디바이스는 일반적으로 대역폭이 ±2nm(전체 폭/최대 절반) 미만이다. 정확한 대역폭은 출력의 중심 파장만큼 중요하지 않다. 파장은 코팅 자체가 에너지를 얼마나 빨리 흡수하는지 결정할 수 있다. 코팅의 투과율은 다양한 파장에서 측정할 수 있으며 최상의 흡수 결과를 얻는 파장을 선택할 수 있다. 예컨대, 적어도 일부 실시예에서, 경화에 사용되는 협대역 적외선 에너지[이는 위에서 상세히 설명된 바와 같이 구현에 따라 ±1 nm(전체 폭/최대 절반)만큼 좁을 수 있음]는 코팅의 흡수 특성과 정합할 것이다. 따라서, 캔 내부 표면에 일반적으로 적용되는 수성 에폭시 코팅의 경우 협대역 파장이 800 내지 1200 nm 범위, 예컨대 약 972 nm에 속할 수 있다. 972 nm는 여기에 논의된 바와 같이 수성 에폭시 코팅에 대한 깊은 침투 파장을 나타낸다. 코팅에 의한 실질적으로 더 빠른 흡수는 1400 nm 내지 1600 nm 범위, 예컨대 약 1,454 nm 또는 1456 nm에서 가능하지만, 벽 플러그 효율은 그다지 높지 않으므로 트레이드오프는 시스템이 설계자가 만들어야 한다. 유사한 벽 플러그 효율 문제가 1850nm 내지 2000nm 범위(예: 1935nm에서)에 존재한다.
많은 고출력 산업 공정과 마찬가지로, 이 공정은 시스템 설계자의 마음에서 가장 먼저 안전을 염두에 두고 구현되어야 한다. 본 기술된 실시예가 최종 설계에서 실행으로 축소되는 방법에 관계없이, 기술의 위험한 측면에 대한 물리적 또는 광학적 노출을 방지하기 위해 적절한 안전 가드가 있어야 한다. 강력한 적외선 에너지는 눈을 손상시키거나 실명시킬 수 있으므로, 안전한 설계를 통해 예방해야 한다. 시스템의 실제 재료 취급 부분에는 움직일 때 또는 기능을 수행하기 위해 갑자기 작동될 때 위험할 수 있는 많은 움직이는 부분들을 가진다. 사람이 있을 때 안전하게 동작을 멈추게 하는 물리적 가드 또는 전자 감지 기능을 구현해야 한다. OSHA, CSA 또는 CE 안전 표준은 시스템이 설계될 때 시스템 안전의 모든 측면에 대해 준수되어야 한다.
시스템의 협대역 조사 측면은 시스템의 안전 측면에 대해 매우 엄격한 주의를 기울여야 한다. 코팅을 빠르게 경화시키는 데 매우 효과적인 강력한 적외선 에너지는 육안에는 매우 위험하다. 그것은 눈에 보이지 않으며 사람이나 동물이 눈을 깜박이기도 전에 빠르게 눈을 멀게 할 만큼 강력하다. 선글라스나 용접 안경도 필터가 약하고 잘못된 파장을 필터링할 수 있기 때문에 강력한 광자 에너지가 눈을 손상시키는 것을 막는 데 충분하지 않다. 감소 실행에 사용할 수 있는 더 긴 적외선 파장 중 일부는 눈의 망막에 침투할 수 없지만, 눈의 각막, 공막, 홍채 및/또는 수정체를 손상시킬 수 있다. 종종 이러한 파장은 "눈에 안전한" 것으로 잘못 언급되지만 이는 눈의 망막에 대한 잠재적 손상에 대해서만 해당된다. 시스템은 레이저 다이오드 또는 어레이가 생성하는 협대역 광자 에너지에 대한 최소한의 안전 임계값을 넘어 누구나 눈에 노출될 가능성을 제거하도록 설계되어야 한다. 예컨대, 이중 백업 인터록 시스템(double backed-up interlock system)과 같은 페일세이프(failsafe)는 제어 패널이나 안전 가드로 설계될 수 있다. 그것들은 협대역 디바이스에 전원이 공급되는 동안 가드를 제거할 수 없도록 설계해야 하며, 또한 안전 가드를 제거하는 동안 디바이스에 전원을 공급하기 위해 전원이 점퍼(jumper) 또는 제리-리깅(jerry-rig)되도록 설계해야 한다. 또한 모든 인클로저와 가드는 협대역 디바이스에 전원이 공급될 때 빛이 새지 않도록 설계되어야 한다. 또한 어레이가 시스템 내부에 있지 않을 때 전원 공급부에 우연히 연결되지 않도록 어레이를 설계하여 서비스 직원이나 호기심을 찾는 사람들이 디바이스의 전원을 켜서 다치지 않도록 하는 것을 강력하게 권고한다. 강력한 협대역 적외선 에너지는 사람의 눈에는 완전히 보이지 않기 때문에 눈은 손상될 때까지 깜박임 반사작용을 하지 않을 수 있다. 신체의 다른 부분에 노출되면 불쾌하거나 심한 화상을 입을 수 있지만, 이 에너지에 눈이 순간적으로 노출되는 것만큼 심각하지는 않다. 따라서 협대역 고속 경화 시스템이 안전한지 확인하기 위해서는 해당 기관의 모든 안전 기준을 준수하고 견고한 설계 상식을 발휘해야 한다. 이는 우수한 유용성을 제공할 것이지만 안전은 본 기술된 실시예에 따라 구축된 시스템을 사용하는 모든 측면의 필수적인 부분이어야 한다.
또한, 본 기술된 실시예의 성능을 추가로 개선하는 강력한 방법은 특수 첨가제를 코팅에 넣는 것을 포함한다. 이는 주어진 파장에서 흡수를 극적으로 증가시킬 것이다. 신중하게 선택하고 경화에 사용되는 파장과 정합시키면, 이는 코팅에 더 많은 열을 가하고 알루미늄이나 강철 캔 스톡에는 더 적게 열을 가하는 데 도움이 될 수 있다. 다시 말해서, 첨가제 또는 이슬점은 사용되는 파장에서 코팅이 훨씬 더 많이 흡수하게 하여 더 많은 가열이 금속에서 전도되기 보다는 코팅 안으로 자체로 직접적으로 이루어진다. 요구되는 경화 또는 가교 온도를 달성하기 위해 더 적은 산란을 가짐으로써 시스템의 효율성을 개선할 수 있으며 따라서 비경화 기능에서 낭비되는 에너지를 줄일 수 있다.
사용되는 코팅을 추가로 최적화하기 위해 이 경화 시스템의 협대역 적외선 에너지를 사용하여 통합하는 것도 가능하다. 코팅 제조자는 내부 캔 코팅 목적에 적합한 IR 작동 화학 반응 작동기 또는 촉진제를 사용할 수 있다. 또한, 특정 협대역 적외선 파장을 흡수할 수 있는 기능성 염료를 사용할 수 있다. 이러한 염료는 예컨대 야마다 케미컬 코포레이션(Yamada Chemical Co.)에서 제조한다. 협대역 IR 조사는 화학 코팅 제조자에서 독창적인 방법으로 코팅을 개선하거나 BPA 기반 코팅을 줄이거나 제거하거나 다양한 방식으로 성능을 개선하는 데 사용될 수 있다. 캔 내부의 일부 반사는 본질적으로 캔의 개방 상단을 통해 에너지를 방출한다. 적절하게 설계된 시스템은 반사 표면을 적절하게 배치하여 에너지가 소모될 때까지 추가 경화를 수행하기 위해 적어도 부분적으로는 방출 에너지를 캔으로 되돌려 보낸다. 그러나 최대 반사성 표면들 조차도 반사 물질에 충격 에너지의 몇 퍼센트를 포기한다. 그들은 종종 프레넬 반사(Fresnel reflection)라고 한다. 또한 일부 에너지는 흩어지거나 잘못 반사되어 캔으로 다시 들어가지 않을 수 있다. 적절하게 설계된 반사 형상 또는 원추(64)는 반환된 에너지의 더 나은 배치를 제공할 수 있으므로 더 많은 부분이 코팅을 통한 추가 통과 및 기본 재료의 반사에 흡수된다.
협대역 적외선 복사 경화의 본 기술된 실시예를 구현하는 방법에 관해 여기서 교시된 개념은 자신의 특정 적용 및 생산 요구에 대해 본 기술된 실시예를 구성하고자 하는 사람을 돕기 위한 것이다. 예는 주어진 특정 예를 훨씬 넘어서서 본 기술된 실시예를 구현하는 많은 다른 방법이 있음을 보여줄 것이다. 해당 기술에 숙련된 개인 또는 팀은 그에 따라 고유한 응용 프로그램 요구 사항을 충족하도록 새로운 개념을 연장할 수 있다.
Claims (38)
- 캔 제조 내부 코팅 및 경화 공정에 사용하기 위한 방법으로서, 코팅이 캔의 내부 표면 상에 분무되는, 상기 방법은:
적어도 하나의 경화 스테이션을 향해 상기 캔들을 연속적으로 운반하는 단계; 및
협대역 반도체 생산 복사 적외선 에너지 및 상기 적어도 하나의 경화 스테이션에 있는 상기 캔들 외부에 위치한 광학 요소들을 사용하여 상기 캔들을 개별적으로 전기적으로 가열하여 일련의 단일 파일 생산 캔들에서 각 연속 캔의 내부 표면 상의 상기 코팅이 상기 캔에서 디템퍼링(de-tempering) 또는 어닐링(annealing)이 발생하는 것을 방지하기 위해 20초 이내로 상기 코팅에서 링크 경화 공정(linking curing process)을 달성하기 위해 임계 온도에 도달하도록 하는 단계를 포함하는 방법. - 제1항에 있어서,
각각의 캔은 상기 캔을 위한 시작 컵이 드로잉되는 블랭크의 절단 에지의 직경을 감소시키도록 재구성된 제조 툴링(manufacturing tooling)으로 형성되고, 그에 의해 코일 스톡 알루미늄의 두께가 실질적으로 툴링 재구성 전과 동일하지만 상기 코일 스톡이 더 좁아져서 각 캔을 제조하는 데 필요한 알루미늄 중량을 3% 초과 만큼 감소시키는 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
각각의 캔은 상기 캔이 제조되는 알루미늄의 중량을 감소시키기 위해 더 얇은 코일 스톡 재료로 상기 캔을 제조하도록 변조된 캔 설계 및 툴링을 사용하여 형성되고, 그에 의해 상기 링크 경화 공정을 20초 이내로 완료하기 위한 가열은 더 긴 시간 동안 경화된 두꺼운 캔들과 비교하여 상기 캔이 유사한 측벽 축 방향 강도, 바닥 반전 강도 및 전체 강도를 갖도록 상기 캔의 강도 감소를 제거하고, 더 긴 시간 동안 금속을 약화시키는 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 협대역 복사 에너지를 생성하는 반도체 기반 시스템이 마이크로초 내에 켜지거나 또는 꺼질 수 있고 상기 코팅 및/또는 상기 캔을 10초 이내에 상기 임계 온도로 가열할 수 있는 방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
컨베이어가 상기 경화 공정 동안 상기 캔들을 운반하고 연속 회전 운동을 이용하여 적어도 하나의 조사 경화 스테이션(irradiation curing station)이 이에 의해 경화되는 상기 캔들과 동기식으로 연속 회전 운동을 하고 전력, 냉각액 및 제어 신호들 중 적어도 하나는 회전식 유니온을 통해 상기 적어도 하나의 경화 스테이션에 연결되는 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
DC 전원 공급부, 냉각 열 교환기, 냉각 칠러(cooling chiller), 냉각 재순환 펌프, 및 상기 적어도 하나의 경화 스테이션을 지원하는 제어 시스템 중 적어도 하나가 회전 운동으로 및 상기 캔들과 동기식으로 이동하여, 연속 회전 운동 경화 시스템을 제공하고, 상기 시스템의 연속 운동이 냉각 기능을 보조하는 방법. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
컨베이어가 상기 경화 공정 동안 상기 캔들을 운반하고 인덱싱 회전 운동을 이용하여 다중 조사 경화 스테이션들이 터릿(turret)의 주변에 위치하지만 터릿 상에는 위치하지 않아서, 상기 캔들이 각각의 협대역 경화 스테이션들 아래에 있도록 상기 터릿이 회전 인덱싱되는 동안, 캔들의 그룹이 상기 터릿 주위의 선택된 수의 빈 스테이션들 내로 연속적으로 적재(load)되고, 상기 경화 스테이션들이 작동되어 상기 캔들을 경화한 다음 상기 터릿이 다시 회전 인덱싱되고, 이는 새로운 캔들의 세트가 경화를 위해 상기 경화 스테이션들 아래의 그들의 위치들로 인덱싱되고 공정이 계속 반복되는 동안 상기 경화된 캔들을 꺼내는 방법. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 캔이 5초 이내에 개별적으로 경화되는 방법. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
협대역 반도체 디바이스들은 각각의 연속 캔의 내부 표면 상의 코팅의 흡수 특성과 정합하는 파장에서 상기 협대역 복사 적외선 에너지를 방출하는 방법. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
가열에 사용되는 상기 협대역 복사 적외선 에너지의 파장은 800 nm 내지 1200 nm, 1400 nm 내지 1600 nm, 및 1850 nm 내지 2000 nm 중 하나의 파장 범위에 있는 방법. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
가열에 사용되는 상기 협대역 적외선 복사 에너지는 반도체 기반 조사 디바이스들, 발광 다이오드(LED)들 및 레이저 다이오드들 중 적어도 하나를 사용하여 생성되는 방법. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조사를 생성하는 상기 반도체 디바이스들은 100 와트 초과의 총 광 출력 전력을 생성하기 위해 10개 초과의 개별 반도체 디바이스들의 광 출력 전력을 결합하는 멀티-디바이스 어레이들로 구성되는 방법. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 디바이스들은 레이저 다이오드들이고 전체 폭/절반의 최대 출력 대역폭이 20 나노미터보다 좁도록 되어 있는 방법. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 디바이스들은 전체 폭/절반의 최대 출력 대역폭이 2 나노미터보다 좁은 표면 발광 레이저 다이오드들인 방법. - 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너지 소스들은 825 내지 1075 나노미터 사이의 광자 에너지 출력을 생성하는 표면 발광 레이저 다이오드들의 어레이들로 이루어지는 방법. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
캔 취급은 분당 300캔을 초과하는 생산 속도로 캔들의 한 레인(lane)의 개별 경화를 용이하게 하는 방법. - 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
다중 병렬 경화 스테이션들이 하나를 제외한 모든 레인들을 운영하는 동안 분당 1,800캔을 초과하는 총 처리 속도로 개별적으로 경화하도록 배열되며, 상기 레인은 더 높은 수준의 전체 가동 시간(up-time)을 달성할 수 있도록 필요한 경우 추가 생산을 제공하거나 또는 추가 생산을 제공하도록 요구될 수 있는 임의의 유지관리를 위해 사용 가능한 방법. - 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 탄화수소계 연료 사용을 제거하고 캔 본체의 알루미늄의 어닐링 및 약화(weakening)를 제거하는 20초 이내 경화의 더 빠른 속도의 결과로서 캔 제조 공정에서 3% 초과의 알루미늄이 절약되는 방법. - 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
특정 첨가제들이 상기 코팅에 첨가되어 특히 상기 경화된 코팅으로부터의 성능을 개선하거나 새로운 기능을 용이하게 하는 데 사용되는 협대역 적외선의 파장과 상호작용하는 방법. - 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 코팅 제형(coating formulation)에서 BPA 또는 다른 바람직하지 않은 성분들을 제거하기 위해 상기 코팅의 재제형을 용이하게 하는 방법. - 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법의 장비 구성은 상기 캔들 또는 생산 공정의 하류 부분들에 대한 해로운 영향 없이 쉽게 시작 및 중지될 수 있는 방법. - 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
구현(implementation)은 검사 시스템으로부터 얻은 감지 정보의 결과로서 동작 중에 그리고 순간적으로 상기 방법의 변조에 응답하는 능력을 제공하는 방법. - 캔 제조 내부 코팅 및 경화 공정에 사용하기 위한 시스템으로서, 코팅이 캔의 내부 표면 상에 분무되는, 상기 시스템은:
생산 캔들을 적어도 하나의 경화 구역으로 연속적으로 이동시키도록 구성된 캔 취급 시스템;
일련의 생산 캔들에서 각각의 연속 캔의 내부 표면 상의 코팅이 상기 캔에서 디템퍼링 또는 어닐링이 발생하는 것을 방지하기 위해 20초 이내에서 상기 코팅에서 링크 경화 공정을 생성하기 위해 임계 온도에 도달하도록, 상기 캔의 개방 단부 외부에 위치된 광학 요소들을 사용하여 경화 구역으로 이동한 각 캔의 내부 표면들을 개별적으로 전기적으로 가열하도록 위치된 반도체 기반 협대역 조사 디바이스들의 어레이들을 포함하는 시스템. - 제23항에 있어서,
상기 반도체 기반 협대역 조사 디바이스들의 어레이들 및 상기 광학 요소들은 상기 캔들의 절단 에지의 상단 평면 바로 외부에 위치되고 경화되는 캔의 내부 안으로 상기 반도체 기반 협대역 조사 디바이스들의 어레이들에 의해 생성된 협대역 적외선 광자 에너지의 90% 초과를 조준하고 대부분의 에너지는 내부 반사들이 상기 캔의 하부 부분들을 노출하도록 측벽의 상부 절반에 집속되는 시스템. - 제23항 또는 제24항에 있어서,
상기 광학 요소들은 원주형 에너지(columnated energy)를 형성하기 위해 상기 반도체 기반 협대역 조사 디바이스들의 어레이들의 각각의 디바이스와 정렬된 적어도 하나의 마이크로 렌즈 어레이, 핀홀 또는 구멍 요소를 향해 그리고 핀홀 또는 구멍 요소를 통해 그리고 경화되는 캔의 내부로 상기 원주형 에너지를 집속시키도록 구성된 콘덴서 렌즈, 및 다르게는 상기 캔으로부터 탈출하고, 다시 상기 캔 내로 들어가는 상기 협대역 에너지를 재지향시키도록 작용하는 반사 가공 성형 표면의 정점을 통해 개구를 제공하는 상기 핀홀 또는 구멍을 포함하는 시스템. - 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반사 가공 표면에는 경화 캔으로부터 증기 제거를 용이하게 하기 위해 배기 슬롯들 또는 개구들이 구비되는 시스템. - 제23항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반사 가공 표면은 대략 원추형이고 구리, 알루미늄, 금 도금 금속, 은 도금 재료 및 고반사성 나노 구조 중 하나로 만들어지는 시스템. - 제23항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 기반 협대역 조사 디바이스들의 어레이들 및 상기 광학 요소들은 상기 핀홀 또는 구멍 요소를 제외하고, 벗어난(stray) 적외선 에너지가 하우징으로부터 탈출하는 것을 방지하도록 구성된 상기 하우징에 장착되고 상기 어레이들과 상기 광학 요소들을 생산 경화 환경에서 허용 가능한 작동 온도로 유지하기 위해 재순환 수냉식 장치로 구성되는 시스템. - 제23항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 기반 협대역 조사 디바이스들의 어레이들은 상기 캔 외부에 위치된 레이저 다이오드들의 적어도 하나의 어레이를 포함하고 상기 대응하는 광학 요소들은 경화 작업의 적어도 일부 동안 각각의 캔의 내부로 관절식 연결(articulate)되는 시스템. - 제23항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 요소들은 광학계 및 거울 조립체를 통해 상기 반도체 기반 협대역 조사 디바이스들의 어레이들로부터 에너지를 수용하도록 구성된 대물 렌즈를 포함하고 상기 시스템은 삽입 기구가 상기 캔 내부에 광학 조립체의 일부를 위치시킬 때 에너지의 광학적 전달이 정렬되고 따라서 광학 트레인(optical train)이 경화를 수행하기 위해 컨테이너 내부에 적절하게 위치할 때 상기 조사가 작동하도록 각 캔 위에 위치하도록 구성된 반사 억제 플레이트들을 통해 상기 광학 요소들을 상기 캔들 안으로 병진이동시키는 상기 삽입 및 후퇴 기구를 추가로 포함하는 시스템. - 컨테이너들의 내벽들 상에 분무된 코팅을 경화시키기 위한 캔 또는 컨테이너 제조에 사용하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은:
단일 파일 순서로 제2 컨베이어를 향하는 개별 컨테이너들의 이동을 용이하게 하거나 또는 조직화하도록 구성된 유입 트랙워크(ingoing trackwork) 또는 컨베이어;
상기 개별 컨테이너들을 적어도 하나의 경화 스테이션 안으로 및 적어도 하나의 경화 스테이션으로부터 멀리 이동시키도록 회전 터릿으로 구성되는 제2 컨베이어;
광학 구성을 포함하는 적어도 하나의 경화 스테이션으로서, 표면 발광 레이저 다이오드들의 적어도 하나의 어레이로부터의 광자 에너지가 원주형 광학계를 통과한 다음, 적어도 하나의 콘덴서 렌즈 요소에 의해 핀홀 또는 구멍을 통해 집속되고 상기 핀홀 또는 구멍에서 상기 광자 에너지를 넘어서 발산하여 코팅된 컨테이너의 내부 측벽들을 조사하고, 이러한 핀홀 또는 구멍은 반사 원추의 정점에 위치하며, 이러한 반사 원추는 광자 에너지를 다시 상기 컨테이너 내로 반사시켜 추가 경화 작업을 수행하도록 작용하는, 상기 적어도 하나의 경화 스테이션을 포함하고,
여기서 상기 코팅은 20초 이내에 경화되어 상기 컨테이너를 포함하는 알루미늄에서 약화 또는 어닐링이 일어나는 것을 방지하기에 충분히 빠르며;
상기 제 2 컨베이어는 상기 컨테이너들을 전달하고 상기 제 2 컨베이어로부터 밖으로 및 상기 제 2 컨베이어로부터 멀리 상기 컨테이너를 이동시키도록 구성된 제 3 컨베이어로 안내되고 따라서 상기 경화된 컨테이너들이 후속 컨테이너 제조 동작들을 향해 상기 제 3 컨베이어로 운반되는 동안, 빈 포켓들이 대기 중인 미경화 캔들을 적재하여 연속 경화를 계속하기 위해 사용 가능한 시스템. - 제23항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 후속 제조 동작들은 상기 제3 컨베이어에 위치된 검사 스테이션을 포함하고, 이 검사 스테이션의 기능은 각 컨테이너 내부를 이미징하고 베어 메탈 영역(bare metal area)들을 검색하고, 상기 경화된 코팅의 이미지 품질 수준이 충분하지 않은 정도까지, 상기 검사 스테이션 이후 제 3 컨베이어 내로 구성된 불합격 스테이션에서 코팅 불량이 있는 상기 컨테이너를 불합격하고, 그 다음 각각의 공정을 교정하기 위해 코팅 시스템, 제어 시스템 및 경화 제어 시스템 중 적어도 하나에 신호들을 전송하여 적어도 상기 코팅 및 경화의 정확성(veracity)을 검증하는 시스템. - 컨테이너의 내부 표면 상에 분무된 코팅을 경화하기 위한 캔 또는 개방 상단 컨테이너 제조에 사용하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은:
단일 파일된 개별 컨테이너들을 제2 컨베이어를 향해 이동시키도록 구성된 유입 트랙워크 또는 컨베이어;
상기 컨테이너들을 적어도 하나의 경화 스테이션으로 또는 적어도 하나의 경화 스테이션으로부터 멀리 이동시키기 위해 회전 운동 테이블을 사용하도록 구성된 상기 제2 컨베이어;
경화 공정을 수행하기 위해 상기 어레이들로부터의 광자 에너지를 상기 컨테이너의 개방 상단을 통해 그리고 상기 컨테이너의 내부 표면들 상에 분무된 코팅으로 직접 재지향시키는 역할을 하는 가공된 반사기 중 하나를 통합하는 상기 적어도 하나의 경화 스테이션을 포함하고;
상기 코팅은 20초 이내에 경화되어 상기 컨테이너를 포함하는 알루미늄에서 약화 또는 어닐링이 일어나는 것을 방지하기에 충분히 빠르며;
상기 제2 컨베이어는 새로운 미경화 캔들이 빈 위치들에 연속적으로 적재되는 동안 이미 경화된 컨테이너들에 대한 출구를 제3 컨베이어에 제공하기 위해 회전하도록 구성되고;
상기 제3 컨베이어는 출구에서 상기 이미 경화된 컨테이너들을 수용하고 다음 컨테이너 제조 동작들을 향해 상기 이미 경화된 컨테이너들을 운반하도록 구성된 시스템. - 제23항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 컨베이어는 주변부 주위에 위치된 다중 경화 스테이션들을 갖는 회전 구성이고, 상기 다중 경화 스테이션들 각각은 적어도 하나의 레이저 다이오드 어레이에 의해 생성된 적외선 에너지로 컨테이너 내부를 경화하도록 동시에 작용할 수 있는 시스템. - 제23항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다중 경화 스테이션들은 8개보다 많은 경화 스테이션들을 포함하는 시스템. - 제23항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 컨베이어는 테이블의 회전을 시작하거나 중지하지 않고 경화가 계속될 수 있도록 상기 컨테이너들과 동기식으로 회전되는 다중 경화 스테이션들을 갖는 회전 구성이고, 전력, 냉각 및 제어 신호들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 회전 유니온을 통해 상기 경화 스테이션들에 연결되는 시스템. - 제23항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유입 트랙워크 또는 컨베이어는 중력을 사용하여 단일 파일된 상기 컨테이너들을 전진시키고 중력 압력을 적용하여 각 개별 캔을 상기 제2 컨베이어로 공급하도록 구성되는 시스템. - 캔 제조 내부 코팅 및 경화 공정에 사용하기 위한 시스템으로서, 코팅이 캔의 내부 표면 상에 분무되는, 상기 시스템은:
생산 캔들을 적어도 하나의 경화 구역으로 연속적으로 이동시키도록 구성된 캔 취급 시스템;
일련의 생산 캔들에서 각각의 연속 캔의 내부 표면 상의 코팅이 상기 캔 본체에서 디템퍼링 또는 어닐링이 발생하는 것을 방지하기 위해 20초 이내에서 상기 코팅에서 링크 경화 공정을 생성하기 위해 임계 온도에 도달하도록, 상기 캔의 내부 표면의 상부 측벽들을 향해 조사를 지향시키도록 위치된 광학 요소들을 사용하여 경화 구역으로 이동한 각 캔의 내부 표면들을 개별적으로 전기적으로 가열하도록 위치된 광대역 적외선 소스들; 및
일관된 경화 온도 및 결과들을 유지하기 위해 상기 광대역 적외선 소스들의 출력을 변조하기 위해 센서 정보를 사용하도록 구성된 제어 시스템을 포함하는 시스템.
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