KR20230070321A - 탄성 툴링을 갖는 증분 시트 성형 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대향된 1차 및 2차 성형 공구 조립체 및 시트 공급 조립체를 이용하여 시트 금속과 같은 시트 재료를 증분적으로 성형하기 위한 양면 증분 시트 성형 장치 및 방법에 관한 것이다. 상기 1차 성형 공구 조립체는 강성 공구를 구비하고, 상기 2차 성형 공구 조립체는 원통형 또는 평탄한 구성을 갖는 압축성 및 탄성 백킹 층을 구비한다. 상기 시트 공급 조립체는 2개의 성형 공구 사이에서 시트 재료를 위치시킨다. 상기 강성 공구는 시트 재료의 일 표면에 힘을 가하는 한편, 탄성 백킹 공구는 워크피스를 지지함에 따라 워크피스의 반대 표면에 카운터 힘을 가한다. 이러한 양면 공정은 시트 재료 상의 힘을 국부화하여, 고가의 다이를 필요로 하지 않고서 정확하게 성형된 비대칭 형상을 생성하도록 응력이 유리하게 제어된다. 선형 독립적인 운동을 갖는 대향하는 탄성 백킹 공구를 갖는 강성 공구의 사용은 또한 결과적인 워크피스의 잠재적인 주름 및 인열을 피할 수 있고, 다수의고도로 탈지된 비대칭 제품의 성형을 가능하게 한다.

Description

탄성 툴링을 갖는 증분 시트 성형 시스템{INCREMENTAL SHEET FORMING SYSTEM WITH RESILIENT TOOLING}

본 발명은 시트 금속과 같은 시트 재료를 증분적으로 성형하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 2019년 5월 7일자로 출원된 가출원 62/844,177호 및 2020년 4월 8일자로 출원된 가출원 63/006,802호에 대한 우선권을 주장하며, 이들 각각은 그 전체가 본원에 참조로서 포함된다.

시트 재료(전형적으로 금속)를 복잡한 형상으로 성형하기 위한 수 많은 방법이 수년 동안 개발되었다. 시트 성형 기술은 광범위한 산업 전반에 걸쳐 존재하며 다양한 금속 및 플라스틱에 적용된다. 시트 금속 부품의 전형적인 다량의 생산은 스탬핑 기술을 이용한다. 스탬핑(stamping)은 높은 레벨의 정확도로 기계 가공되는 2개의 강성 다이의 사용을 필요로 한다. 시트 재료(즉, 워크피스)는 2개의 다이들 사이에서 가압되어 다이에 의해 설정된 바와 같이 원하는 형상으로 재료를 성형한다.

스탬핑에 대한 대안적인 방법은 2개의 다이의 완전한 세트를 필요로 하지 않고 시트 재료를 형상화하는데 사용되어 왔다. 대신에, 단일 강성 다이가 시트 재료의 일 측면 상에 위치된다. 그 후, 백킹 재료 또는 유체 압력을 이용하여 재료의 다른 면에 힘이 가해져서, 단일 다이에 의해 결정된 바와 같이 원하는 구성으로 재료를 성형한다. 시트 금속 성형 기술 중 1개 또는 2개의 다이의 사용은 수년에 걸쳐 진행되지만, 임의의 다이를 엔지니어링, 제조 및 유지하는 비용은 금속 부품의 낮은 소규모 생산을 억제한다. 다이(들)의 제조 비용에 부가하여, 다이(들)를 제조하기 위한 시간은 작은 부피 및 프로토타입 사용을 배제한다.

시트 재료를 성형하기 위한 또 다른 기술은 단지 시트 금속의 작은 부분만이 성형됨에 따라 실질적으로 증분적으로 구성되어 있는 증분 시트 성형(Incremental sheet Forming: ISF)이라 불린다. Emens et al.,"The Technology of Incremental sheet Forming - A brief review of the history", Journal of Materials Processing Technology (2010) 및 Jeswiet et al., Asymmetric Single Point Incremental Forming of Sheet Metal. CIPR Annals - Manufacturing Technology 54(2): 88-1 14 (Dec 2005).

본 발명의 증분 시트 금속 성형 시스템은 긴 소요 시간을 제거하고 고가의 다이를 제조 및 사용하여 복잡한 시트 금속 부품을 성형할 필요가 없고, 또한 시트 재료의 성형 동안 발생하는 응력을 정밀하게 그리고 국부적으로 제어하도록 워크피스 상의 성형력을 추가적으로 국부화하기 때문에 종래 시스템에 비해 유연성을 제공한다.

단일 포인트 증분 성형(Single Point Incremental forming: SPIF), ISF의 변형은 임의의 다이들에 대한 필요 없이 시트 재료(전형적으로 금속)의 단면 성형을 위한 방법이다. SPIF의 종래 예들은 다수의 상이한 구현들을 채용한다. SPIF의 가장 간단한 구현 중 하나는 단일 성형 공구 또는 롤러 펀치가 시트 금속의 일 측면 상에 위치되는 동안 모든 4개의 외부 에지를 따라 시트 금속 워크피스를 구속하기 위한 강성 클램핑 메커니즘을 포함한다. 지정된 궤적을 따라, 공구는 클램핑된 시트 금속을 가압하여 원하는 형상을 성형한다. Emens et al, supra, section 2.2 및 Fig.4, referencing Iseki et al. Flexible and Incremental sheet metal Forming using a Spherical Roller; Proc. 40^th JJCYP (1989 pp. 41-44).

양면 증분 성형(dual sided incremental forming)으로도 알려진 투 포인트 증분 성형(Two Point Incremental Forming: TPIF)은 시트 재료가 일반적으로 그 외부 에지에서 클램핑되고 시트 재료의 각 측면으로부터 힘이 가해지는 ISF의 다른 변형이다. 양면 성형 방법의 일례는 힘 및 카운터 힘을 가하기 위해 워크피스의 양 측면을 따라 이동하는 2개의 대향하는 강성 성형 공구를 사용한다. 미국특허 8,302,442호에서, 시트 고정구 조립체(20)(클램프의 조립체가 워크피스(12)를 지지하면서 성형 공구(32, 32")가 워크피스(12) 상에 양면 힘을 가함). 공구는 서로 직접 대향하거나 서로 오프셋되어 위치될 수 있다. 또한, 각각의 성형 공구는 3-병진방향 및 3-회전축에서의 이동을 허용하는 6-축 플랫폼 상에 장착될 수 있다. (미국특허 8,783,078호; 8,773,143호 및 8,322,176호 참조). SPIF 기술보다 워크피스를 통한 더 나은 제어를 다소 발휘하면서, 성형 속도의 손실과 복잡성 및 정확성의 추가적인 레벨이 제어기(26)에 의해 각각의 대향하는 성형 공구의 경로를 조정하여 원하는 형상으로 워크피스(12)를 성형하도록 요구된다. 그러나, 결과적인 워크피스 구성에서 주름 및 인열과 같은 결함을 야기하는 성형 공정 동안 대향된 공구 포지셔닝을 정밀하게 제어하기 위한 어려움이 남아 있다.

양면 성형의 다른 예에서, 강성 공구는 워크피스의 일 측면에 위치되고, 다른 측면 상의 제2 강성 공구 대신에, 단일 다이가 다른 측면 상에 위치된다. 일본특허 10-314855호 (Ueno et. al)에서 알 수 있는 바와 같이, 다이(3)는 위치에 고정되고 공구(5)는 워크피스(4)를 다이(3) 쪽으로 가압한다. 공구(5)가 이러한 예에서 비교적 범용인 반면, 다이(3)는 각각의 상이한 원하는 구성에 대해 구체적으로 제조되어야 하므로, 제조 소요 시간 및 임의의 다이를 사용하는 비용에 관련된 도전을 유지해야 한다.

양면 성형 방법의 다른 예는 미국특허 7,536,892호에서 알 수 있다. 클램프 고정구(1)는 워크피스(W)의 원주를 클램핑하도록 배치된다. 다이(2) 및 공구(4)는 서로를 향해 순차적으로 전진하여 워크피스(W)를 다이(2)에 대응하는 형상으로 가압한다. 그러나, 다이(2)의 존재는 긴 소요 시간 및 임의의 다이의 사용으로 인한 비용을 불리하게 유지한다.

앙면 성형 방법의 또 다른 예는 미국특허 6,151,938호에서 알 수 있다. 복수의 펀치 요소를 포함하는 프레스(2)는 블랭크 재료(3)의 일 측면 상에 위치되면서 엘라스토머(4)가 다른 측면 상에 위치되어 블랭크 재료(3)와 면접촉한다. 제어 유닛(5)은 단지 하나의 축을 따라 그 의도된 위치를 향해 펀치 요소를 이동시킴으로써 블랭크 재료(3)에 힘을 가한다. 엘라스토머(4)는 블랭크(3)를 지지하는 반발력을 발생시킨다. 길이가 긴 성형 제품의 경우에, 블랭크 재료(3)는 종방향으로 이동될 수 있으며, 이에 의해 성형 공정은 블랭크의 길이를 따라 단계적으로 수행된다. 상기 공정은 또한 블랭크를 성형하는 많은 펀치 요소의 사용에 기인하여 기계적으로 복잡하다. 이러한 펀치 공정은 또한 비교적 간단한 형상을 생성하는 것으로 제한된다.

다른 예에서, 미국특허 3,342,051호는 블랭크(6)의 평면에 수직인 하나의 축 방향으로 가이드 핀(5) 상에서 자유롭게 슬라이딩하는 2개의 클램핑 링(3, 4)들 사이에 블랭크(6)가 완전히 체결되어 있는 회전 양면 ISF 장치 및 방법을 기술하고 있다. 이로써, 가이드 핀(5)은 턴테이블(V)(도시되지 않음)과 함께 회전하는 백킹 플레이트(1)에 부착된다. 변형 공구(7) 또는 회전 볼(8)은 블랭크(6)의 일 측면에 위치되고, 탄성 재료(2)는 반대 측면에 위치되고 백킹 재료(1)에 부착된다. 블랭크(6)가 탄성 재료(2) 및 턴테이블(V)과 함께 회전함에 따라, 변형 공구(7)는 블랭크(6)의 외측 에지로부터 그 중심을 향해 나선형 회전으로 횡단하는 하나의 축을 따라 옆으로 공급된다. 변형 공구(7)는 블랭크(6)의 평면에 수직인 축을 따라 블랭크(6)를 지탱하여 블랭크(6)를 항상 원형 단면을 갖는 원하는 형상으로 변형시킨다. 변형 공구(7) 및 턴테이블(V)이 각각 2개의 선형 축 및 하나의 회전축에서만 이동할 수 있기 때문에, 이러한 성형 방법은 원형 단면 형상만을 포함하는 "회전 도형(figure of revolution)"의 제조에 제한된다. 따라서, '051호의 장치는 3축(즉, X, Y 및 Z 축)에서 독립적인 선형 이동을 할 수 없으며, 본 발명에 의해 달성될 수 있는 바와 같이 비대칭 형상을 성형할 수 없다.

대조적으로, 본 발명은 바람직하게 특별히 구축된 다이를 사용하지 않고서 양면 증분 시트 성형 장치 및 방법에 관한 것이지만, 최소한의 힘으로 다양한 형상을 성형하도록 범용적으로 적용될 수 있는 독특한 툴링 및 이동을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명은 바람직하게 1차 강성 공구와, 압축성 및 탄성 재료층을 갖는 2차 공구를 포함한다. 시트 재료로 이루어진 워크피스는 대향된 공구들 사이에 위치된다. 1차 강성 공구는 시트 재료의 일 표면에 힘을 가하는 한편, 2차 탄성 공구는 시트 재료의 반대 표면에 제어된 카운터 힘을 가한다. 이러한 양면 공정은 (시트 재료의 일 측면 상에만 강성 공구를 사용하면서 넓게 가해진 힘 및 그 결과 전체적인 시트 재료 상에 가해진 전체 응력보다는) 대향된 공구들 사이의 워크피스 상의 접촉 영역에서 시트 재료 상의 힘을 국부화한다. 시트 재료 상의 힘을 접촉 영역으로 국부화함으로써, 응력 및 궁극적으로 성형도 국부화되고, 단일 포인트 증분 시트 성형과 비교할 때 본 발명에 따라 더욱 정확하고 정밀하게 제어된다.

또한, (많은 이전의 양면 기술에서 발견되는 것과 같은 2개의 대향하는 강성 공구를 사용하는 것보다) 대향하는 2차 탄성 공구와 함께 워크피스의 일 측면에 위치된 1차 강성 공구를 이용(양자가 선형의 독립적인 운동을 가짐)함으로써, 본 발명은 결과적인 워크피스의 잠재적인 주름 및 인열을 방지한다. 따라서, 본 발명의 독특한 양면 성형 방법 및 장치는 보다 간단하고 양호한 제어된 공정에 의해 다수의 비대칭 및 보다 정확하게 성형된 제품을 생산하고, 궁극적으로 단일 또는 다른 양면 증분 시트 성형 방법보다 적은 전력을 사용한다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 워크피스를 증분적으로 성형하기 위한 장치가 설명된다(예를 들어, 도 1a-c, 2a-c, 3a-c, 4a-b 및 5 참조). 워크피스는 제1 및 제2 대향되고 평행한 표면, 워크피스를 성형하기 위한 작업 영역을 갖고, 표면에 평행한 기준 평면을 형성한다. 상기 장치는 상기 워크피스의 제1 표면에 인접하게 대향하도록 위치되며, 상기 기준 평면에 수직인 방향으로 그리고 상기 기준 평면에 평행한 모든 방향으로 상기 워크피스와 결합 및 비결합하여 이동할 수 있는 1차 성형 공구 조립체를 구비한다. 상기 1차 성형 공구 조립체는 워크피스를 성형하기 위한 성형 팁을 가질 수 있다. 상기 팁은 워크피스의 제1 표면에 대향하는 탄성 표면부 또는 재료 층을 갖고, 상기 기준 평면에 수직인 방향으로 워크피스와 결합 및 비결합하여 이동할 수 있는 2차 성형 공구 조립체를 구비한다.

상기 워크피스 및 상기 1차 성형 공구 조립체 중 하나 또는 양자는 서로에 대해 이동하며, 상기 작업 영역 내에 상기 1차 성형 공구 조립체를 위치시키도록 이동될 수 있고, 탄성의 2차 성형 공구 조립체가 상기 워크피스의 제2 표면과 결합되는 동안 상기 기준 평면에 수직인 방향으로 상기 워크피스의 제1 표면 상에 힘을 가하고, 성형되는 동안 상기 워크피스 상에 국부적인 힘이 가해지도록 상기 워크피스의 제2 표면을 지지하는 카운터 힘을 가한다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 상기 장치는 또한 시트 공급 조립체(예를 들어, 도 1a-c 참조)를 구비할 수 있다. 상기 시트 공급 조립체는 워크피스의 각각의 제1 표면 및 제2 표면과 접촉하는 적어도 하나의 롤러 세트를 갖는 시트 공급 롤러 조립체를 구비한다. 상기 롤러 세트는 기준 평면에 평행한 방향으로 워크피스를 이동시킬 수 있다.

대안적으로, 상기 시트 공급 조립체는 회전가능한 롤러 세트를 둘러싸고 접촉하는 적어도 하나의 연속 벨트를 갖는 시트 공급 벨트 조립체를 구비한다(예를 들어, 도 2a-c 참조). 상기 벨트는 상기 워크피스의 제1 또는 제2 표면과 접촉 관계로 위치되고, 상기 기준 평면과 평행한 방향으로 상기 워크피스를 이동시킬 수 있다.

대신에, 상기 시트 공급 조립체는 강성 프레임 및 리테이너를 갖는 시트 고정구 조립체를 구비하여 그 사이에 워크피스를 견고하게 보유할 수 있다(예를 들어, 도 3a-c, 4a-c 및 5 참조). 상기 시트 고정구 조립체는 워크피스의 제1 표면 상의 1차 성형 공구 조립체 및 워크피스의 제2 표면 상의 2차 성형 공구 조립체에 의해 워크피스에 접근하기 위한 개구를 형성한다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 시트 재료의 워크피스를 성형하기 위한 장치가 설명된다. 이러한 워크피스는 제1 및 제2 대향되고 평행한 표면을 가지며, 워크피스의 제1 및 제2 표면에 평행한 기준 평면을 형성한다. 상기 장치는 상기 기준 평면과 평행한 방향으로 상기 워크피스를 이동시킬 수 있는 시트 공급 조립체를 구비한다. 상기 장치는 또한 워크피스의 제1 표면에 대향하도록 위치되고, 상기 기준 평면에 수직인 제1 방향으로 그리고 상기 시트 공급 조립체에 의해 워크피스의 이동 방향에 수직인 제2 방향으로 이동할 수 있는 1차 성형 공구 조립체를 구비한다.

상기 장치는 상기 기준 평면에 수직인 방향으로 이동할 수 있고, 상기 1차 성형 공구 조립체의 제2 이동 방향에 평행하게 위치된 그 종축을 중심으로 회전시키기 위한 긴 원통형 구성을 갖는 백킹 롤러 공구 조립체를 더 구비한다. 상기 백킹 롤러 공구는 내부 코어 및 상기 내부 코어에 고정되어 워크피스의 제2 표면에 대향하도록 위치된 외부 탄성 층을 구비한다. 대안적으로, 상기 백킹 롤러 공구 조립체는 외부 표면을 가질 수 있으며, 그 일부는 힘이 가해질 때 압축될 수 있지만, 힘이 제거될 때 비-압축된 구성으로 탄성적으로 복귀할 수 있다(예를 들어, 도 1a-c, 2a-c 및 3a-c 참조).

상기 1차 성형 공구 조립체 및 상기 백킹 롤러 공구 조립체는, 상기 1차 성형 공구 조립체가 상기 워크피스의 제1 표면 상에 힘을 가하는 동안 서로 대향하는 워크피스의 제1 및 제2 대향 표면 각각과 동시에 접촉할 수 있고, 상기 워크피스가 성형되는 동안 상기 백킹 롤러 공구 조립체가 상기 워크피스의 제2 표면 상에 카운터 힘을 가하고, 그에 의해 상기 공정은 워크피스 상에 상기 워크피스 상에 국부적인 힘을 발생시키는 동안에 상기 워크피스의 제2 표면 상에 국부적인 힘을 형성한다.

본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 시트 재료 워크피스를 사전결정된 구성으로 성형하기 위한 장치가 설명된다. 상기 워크피스는 제1 및 제2 대향되고 평행한 표면을 가지며, 워크피스의 표면에 평행한 기준 평면을 형성한다. 상기 장치는 그 종축을 중심으로 회전할 수 있고, 내부 코어 및 상기 내부 코어에 고정된 외부 탄성 층 또는 외부 표면부를 갖는 백킹 롤러 공구 조립체를 구비한다. 그 종축을 따라, 상기 백킹 롤러 조립체는 워크피스의 제2 표면에 대향하고 기준 평면에 평행하다(예를 들어, 도 1a-c, 2a-c 및 3a-c 참조).

상기 장치는 또한 워크피스의 제1 표면에 인접하게 대향하도록 위치된 1차 성형 공구 조립체를 구비한다. 상기 1차 성형 공구 조립체는 워크피스의 제1 표면 상에 힘을 가할 수 있어, 상기 백킹 롤러 조립체의 종축에 평행한 제1 방향으로 이동하면서 워크피스를 국부적으로 형성한다. 상기 장치는 또한 강성 프레임과, 상기 강성 프레임 내에 상기 워크피스를 안전하게 보유할 수 있는 리테이너를 갖는 시트 고정구 조립체를 구비한다. 상기 시트 고정구 조립체는 기준 평면에 평행하게 위치되고, 상기 워크피스의 제1 표면 상의 1차 성형 공구 조립체에 의해 그리고 상기 워크피스의 제2 표면 상의 2차 성형 공구 조립체에 의해 상기 워크피스에 대한 접근을 위한 개구를 형성한다.

상기 1차 성형 공구 조립체 및 상기 백킹 롤러 공구 조립체는 상기 워크피스의 각각의 제1 및 제2 표면과 접촉하도록 기준 평면에 수직인 방향으로 이동할 수 있다. 그 결과, 상기 워크피스의 제1 표면 상의 1차 성형 공구 조립체에 의해 가해진 힘은 상기 백킹 롤러 공구 조립체에 의해 워크피스의 제2 표면 상에 가해진 카운터 힘에 의해 오프셋되어, 상기 워크피스가 성형을 받는 동안 상기 1차 성형 공구에 국부화된 영역에서 상기 워크피스를 지지한다.

본 발명의 추가적인 관점에 따르면, 워크피스를 증분적으로 성형하기 위한 또 다른 장치가 설명된다(예를 들어, 도 1a-c, 2a-c, 3a-c, 4a-b 및 5 참조). 상기 워크피스는 "X", "Y", "Z" 3차원 좌표계의 X-Y 평면 상에 위치된 제1 및 제2 대향 표면을 갖는다. 상기 장치는 상기 워크피스의 제1 표면에 인접하게 대향하도록 위치된 1차 성형 공구 조립체를 구비한다. 상기 장치는 또한 강성 바디와, 그 강성 바디에 고정되어 상기 워크피스의 제2 표면에 인접하게 대향하도록 위치된 압축성 및 탄성 표면 재료층을 갖는 2차 성형 공구 조립체를 구비한다.

상기 워크피스, 상기 1차 성형 공구 조립체 및 상기 2차 성형 공구 조립체는 상기 좌표계의 X, Y 또는 Z 축 중 적어도 하나를 따라 서로에 대해 사전결정된 시퀀스 및 패턴으로 독립적으로 이동할 수 있다. 상기 1차 성형 공구 조립체 및 상기 워크피스는 X, Y 및 Z 축을 따라 서로에 대해 이동할 수 있다. 상기 2차 성형 공구 조립체는 상기 워크피스에 대해 Z-축을 따라 이동할 수 있다. 그 결과, 상기 1차 성형 공구 조립체는 상기 워크피스의 제1 표면 상에 힘을 가할 수 있다. 상기 2차 성형 공구 조립체는 상기 워크피스의 제2 표면에 대해 Z-축을 따라 카운터 힘을 가할 수 있어 상기 워크피스를 국부적으로 지지한다. 성형 공정 동안에, 상기 1차 성형 공구 조립체와 상기 워크피스의 접촉 영역에서 성형력이 실질적으로 국부화된다(예를 들어, 도 10 참조).

본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 상기 장치는 상기 워크피스, 상기 1차 성형 공구 조립체 및 상기 2차 성형 공구 조립체의 각각의 운동을 서로에 대해 동시에 조정할 수 있는 제어 시스템을 구비한다. 이들 구성요소의 조정된 운동은 상기 1차 성형 공구 조립체가 상기 워크피스의 제1 표면을 따라 사전결정된 경로를 따르게 하는 한편, 상기 2차 성형 공구 조립체가 상기 워크피스의 제2 표면을 따라 동일한 경로를 동시에 따르게 한다.

본 발명의 다른 관점에서, 적어도 하나의 작업 영역을 갖고, X", "Y", "Z" 3차원 직교 좌표계의 X-Y 평면 상에 위치된 제1 및 제2 대향되고 평행한 표면을 갖는 워크피스를 증분적으로 성형하기 위한 방법이 설명된다(예를 들어, 도 7 참조). 상기 방법은 상기 워크피스의 제1 표면에 인접하게 대향하도록 위치된 1차 성형 공구 조립체; 및 상기 워크피스의 제2 표면에 인접하게 대향하도록 위치된 압축성 및 탄성 표면부를 갖는 백킹 성형 공구 조립체를 갖는 장치를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 워크피스, 상기 1차 성형 공구 조립체 및 상기 백킹 성형 공구 조립체는 서로에 대해 사전결정된 시퀀스 및 패턴으로 독립적으로 이동할 수 있다.

상기 1차 성형 공구 조립체는 상기 작업 영역 내에서 상기 워크피스의 제1 표면에 인접하기 위해 사전결정된 X, Y, Z 좌표로 동시에 이동하도록 상기 워크피스에 대해 위치된다. 상기 백킹 성형 공구 조립체는 상기 워크피스의 제2 표면과 접촉하고 상기 1차 성형 공구 조립체의 위치에 대향되기 위해 상기 작업 영역 내의 적어도 하나의 사전결정된 Z 좌표로 동시에 이동하도록 상기 워크피스에 대해 위치된다. 상기 1차 성형 공구 조립체는 상기 작업 영역 내의 접촉의 국부화된 영역에서 상기 워크피스의 제1 표면에 접촉하여 힘을 작용하도록 상기 워크피스를 향해 사전결정된 Z 좌표로 전진한다. 그 결과, 상기 워크피스는 사전결정된 구성으로 성형하고, 탄성 백킹 성형 공구 조립체는 성형되는 동안 상기 워크피스의 제2 표면을 지지하기 위해 압축한다.

상기 1차 성형 공구 조립체는 사전결정된 좌표 세트를 따라 X-Y 평면(예를 들어, 도 7 참조) 상의 상기 워크피스에 대해 이동하여, 상기 워크피스가 상기 작업 영역 내에서 Z-방향으로 일관되게 성형되는 사전결정된 경로를 따른다. 상기 1차 성형 공구 조립체는 상기 워크피스로부터 Z-방향으로 멀리 후퇴하고 X-Y 평면 상에서 상기 워크피스의 제1 표면에 인접한 사전결정된 좌표 세트에 재배치한다. 상기 단계들은 상기 워크피스가 상기 작업 영역에 완전히 성형될 때까지 Z 좌표에 대한 증분적으로 진행하는 값을 순차적으로 이용하여 반복될 수 있다.

본 발명의 또 다른 관점에서, 상기 방법의 장치는 제어기 조립체 및 비-접촉 또는 접촉 센서를 갖는 제어 시스템을 더 구비한다. 센서(들)에 의해, 상기 제어기 조립체는 그 성형 경로를 따라 특정 위치에서 워크피스의 성형 양을 동시에 측정한다. 결과적인 측정값은 성형 경로를 따라 동일한 특정 위치에서 상기 워크피스의 사전결정된 성형 양과 비교된다. 결과적인 비교된 측정값은 상기 제어기 조립체에 중계된다. 그 후, 상기 제어기 조립체는 사전결정된 형상으로 워크피스를 성형하기 위해 경로를 따라 사전 프로그램된 양에 대해 1차 성형 공구 조립체 및 백킹 성형 공구 조립체 중 적어도 하나의 위치를 조정한다.

본 발명의 또 다른 관점은, 서로 분리된 적어도 제1 및 제2 작업 영역을 갖고, "X", "Y", "Z" 3차원 직교 좌표계의 X-Y 평면 상에 위치된 제1 및 제2 대향되고 평행한 표면을 갖는 워크피스를 증분적으로 성형하기 위한 방법에 관한 것이다(예를 들어, 도 8a-b 참조). 상기 방법은 상기 워크피스의 제1 표면에 인접하게 대향하도록 위치된 1차 성형 공구 조립체, 및 상기 워크피스의 제2 표면에 인접하게 대향하도록 위치된 압축성 및 탄성 표면부를 갖는 백킹 성형 공구 조립체를 갖는 장치를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 워크피스, 상기 1차 성형 공구 조립체 및 상기 백킹 성형 공구 조립체는 서로에 대해 사전결정된 시퀀스 및 패턴으로 독립적으로 이동할 수 있다.

상기 1차 성형 공구 조립체는 상기 제1 작업 영역 내에서 상기 워크피스의 제1 표면에 인접하기 위해 사전결정된 X, Y, Z 좌표로 동시에 이동하도록 상기 워크피스에 대해 위치된다. 탄성 백킹 성형 공구 조립체는 상기 워크피스의 제2 표면과 접촉하고 상기 1차 성형 공구 조립체의 위치에 대향되기 위해 상기 제1 작업 영역 내의 사전결정된 Z 좌표에서 상기 워크피스에 대해 위치된다. 상기 1차 성형 공구 조립체는 접촉점에서 상기 제1 작업 영역 내의 상기 워크피스의 제1 표면에 접촉하여 힘을 작용하도록 Z-방향으로 워크피스를 향해 사전결정된 Z 좌표로 전진한다.

그 결과, 상기 워크피스는 상기 워크피스를 사전결정된 구성으로 성형하고, 상기 백킹 성형 공구 조립체의 탄성 표면부는 상기 워크피스의 제2 표면을 지지하도록 압축하여 성형되는 동안 상기 워크피스 상에 국부적인 힘을 발생시킨다. 상기 1차 성형 공구 조립체는 실질적으로 동일한 Z 좌표를 갖는 사전결정된 좌표 세트를 따라 X-Y 평면 상의 상기 워크피스에 대해 이동하여, 상기 워크피스가 상기 제1 작업 영역 내에서 Z-방향으로 일관되게 성형되는 사전결정된 경로를 따른다. 상기 1차 성형 공구 조립체는 상기 워크피스로부터 Z-방향으로 멀리 후퇴하고 상기 워크피스의 제1 표면에 인접한 상기 제2 작업 영역 내의 사전결정된 좌표 세트에서 X-Y 평면 상에 재배치한다.

상기 1차 성형 공구 조립체는 상기 제2 작업 영역 내에서 Z-방향으로 상기 워크피스를 향해 상기 제1 작업 영역에 대해 선택되었던 것과 실질적으로 동일한 Z 좌표로 전진하여, 접촉점에서 상기 워크피스의 상기 제1 표면 상에 접촉하여 국부적인 힘을 가한다. 그 결과, 상기 워크피스는 사전결정된 구성으로 성형하고, 상기 2차 성형 공구 조립체의 탄성 표면부는 성형되는 동안 상기 워크피스의 제2 표면을 지지하도록 압축한다. 상기 1차 성형 공구 조립체는 상기 워크피스가 상기 제2 작업 영역에서 Z-방향으로 일관되게 성형되는 사전결정된 경로를 따르도록 상기 Z-방향으로 실질적으로 동일한 사전결정된 좌표 세트를 따라 X-Y 평면 상의 상기 워크피스에 대해 이동한다. 상기 1차 성형 공구 조립체는 Z-방향으로 상기 워크피스로부터 멀리 후퇴한다. 상기 단계들은 상기 워크피스가 각각의 작업 영역에 완전히 성형될 때까지 Z 좌표에 대한 증분적으로 진행하는 값을 순차적으로 이용하여 반복될 수 있다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 대체로 평탄한 구성 및 "X", "Y", "Z" 3차원 직교 좌표계의 X-Y 평면 상에 위치된 제1 및 제2 대향된 표면을 초기에 갖는 워크피스의 적어도 하나의 작업 영역을 증분적으로 성형하기 위한 방법이 설명된다(예를 들어, 도 7 및 8 참조). 상기 방법에 따르면, 상기 1차 성형 공구 조립체는 워크피스의 제1 표면에 인접하게 위치된다. 상기 1차 성형 공구 조립체는 팁과 강제적으로 결합될 때 상기 워크피스를 성형할 수 있는 팁을 가지며, 상기 팁은 워크피스의 경도값보다 큰 경도 값을 갖는다.

백킹 롤러 공구 조립체는 상기 워크피스의 제2 표면에 인접하게 위치된다. 상기 백킹 롤러 공구 조립체는 Z 방향으로 이동될 수 있다. 상기 백킹 롤러 공구 조립체는 압축성 및 탄성 외부 표면부를 더 가지며, 상기 백킹 롤러 공구 조립체 및 상기 탄성 외부 표면부 중 적어도 하나는 상기 백킹 롤러 공구 조립체의 중심을 통해 연장되는 종축을 중심으로 회전가능하다. 상기 백킹 롤러 공구 조립체는 Z-축을 따라 워크피스를 향해 전진하여 상기 워크피스의 제2 표면을 접촉 및 지지한다.

상기 1차 성형 공구 조립체는 상기 워크피스의 제1 표면과 결합하여 상기 워크피스를 성형하기 위해 사전결정된 양의 성형력을 제공하도록 상기 팁을 위해 상기 워크피스에 대한 Z-축을 따라 전진한다. 상기 백킹 롤러 공구 조립체의 위치는 상기 워크피스의 제2 표면 상에 충분한 반응력을 제공하도록 유지된다. 상기 반응력의 충분성은 상기 백킹 롤러 공구 조립체의 외부 표면부의 압축성 및 탄성의 정도에 의해 결정된다.

상기 1차 성형 공구 조립체는 상기 워크피스가 Z-방향으로 일관되게 성형된 사전결정된 경로를 따르도록 실질적으로 동일한 Z 좌표를 갖는 사전결정된 좌표 세트를 따라 상기 X-Y 평면 상의 상기 워크피스에 대해 이동된다. 상기 백킹 롤러 공구 조립체는 상기 1차 성형 공구 조립체의 이동과 연동하여 상기 백킹 롤러 공구 조립체를 연속적으로 이동시킴으로써, 상기 워크피스와 함께 상기 1차 성형 공구 조립체의 상기 팁과 실질적으로 대향하는 상태로 유지되어, 상기 워크피스 상에 국부적인 힘을 유지한다. 상기 단계들은 상기 워크피스가 사전 프로그래밍되고 사전결정된 최종 구성으로 성형될 때까지 상기 워크피스의 하나 이상의 추가적인 작업 영역 내에서 연속적으로 반복될 수 있다.

도 1a-c는 워크피스를 전진시키기 위한 시트 공급 롤러 조립체, 1차 성형 공구 조립체 및 2차 성형 공구 조립체를 갖는 본 ISF 시스템의 제1 실시예(실시예 1)를 도시한다.
특히, 도 1a는 실시예 1의 예시적인 축측 투상도(axonometric view)를 도시하고,
도 1b는 실시예 1의 예시적인 정면 단면도를 도시하고,
도 1c는 실시예 1의 예시적인 측면 단면도를 도시한다.
도 2a-c는 워크피스를 전진시키기 위한 시트 공급 벨트 조립체, 1차 성형 공구 조립체 및 2차 성형 공구 조립체를 갖는 본 ISF 시스템의 제2 실시예(실시예 2)를 도시한다.
특히, 도 2a는 실시예 2의 예시적인 축측 투상도(axonometric view)를 도시하고,
도 2b는 실시예 2의 예시적인 정면 단면도를 도시하고,
도 2c는 실시예 2의 예시적인 측면 단면도를 도시한다.
도 3a-c는 워크피스를 전진시키기 위한 가동형 프레임 조립체, 1차 성형 공구 조립체 및 2차 성형 공구 조립체를 갖는 본 ISF 시스템의 제3 실시예(실시예 3)를 도시한다.
특히, 도 3a는 실시예 3의 예시적인 축측 투상도(axonometric view)를 도시하고,
도 3b는 실시예 3의 예시적인 정면 단면도를 도시하고,
도 3c는 실시예 3의 예시적인 측면 단면도를 도시한다.
도 4a 및 b는 워크피스를 전진시키기 위한 고정형 프레임 조립체, 1차 성형 공구 조립체 및 2차 성형 공구 조립체를 갖는 본 ISF 시스템의 제4 실시예(실시예 4)를 도시한다.
특히, 도 4a는 실시예 4의 예시적인 축측 투상도(axonometric view)를 도시하고,
도 4b는 실시예 4의 예시적인 정면 단면도를 도시한다.
도 5는 기계 중심에 통합된 실시예 4의 또 다른 예시적인 축측 투상도를 도시한다.
도 6a-d는 본 발명의 실시예에 따른 증분 성형 단계의 시퀀스를 받는 워크피스의 예시적인 전방 단면도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 성형되는 워크피스의 예시적인 평면도이다.
도 8a 및 b는 본 발명의 실시예에 따른 증분 성형 단계의 시퀀스를 받는 단일 워크피스 내에 다수의 성형 영역을 성형하기 위한 방법을 도시한다.
특히, 도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 다수의 위치에 성형되는 워크피스의 예시적인 평면도이다.
도 8b는 특히 도 8a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 증분 다중 성형 단계의 시퀀스를 받는 워크피스의 예시적인 전방 단면도를 도시한다.
도 9a-c는 본 발명을 실시하는데 사용하기 위해 고려되는 다양한 1차 성형 공구의 단면도를 도시한다.
특히, 도 9a는 단일 구성요소로 제조된 1차 성형 공구를 도시하고,
도 9b는 별개의 샤프트 및 팁으로 제조된 1차 성형 공구를 도시하고,
도 9c는 별개의 샤프트, 팁 및 베어링으로 제조된 1차 성형 공구를 도시한다.
도 10은 동기화된 제어 시스템의 다이아그램을 갖는 본 발명의 상기한 실시예들의 부분 단면도를 도시한다.

본 발명은 특별히 구축된 다이를 사용하지 않고서 독특한 양면 증분 시트 성형 장치 및 방법에 관한 것으로, 오히려 최소한의 힘으로 다양한 형상을 성형하기 위해 범용적으로 적용될 수 있는 툴링(tooling)이 있다.

단지 예시로서, 본 발명은 자동차, 항공우주, 산업, 건축, 엔지니어링, 건설 및 소비자 제품과 같은 모든 주요 산업에 대한 시트 재료로부터 부품 및 구성요소의 성형에 적용될 수 있다.

도 1a, 1b 및 1c는 본 발명의 증분 시트 성형(ISF) 시스템의 제1 실시예(실시예 1)를 도시한다. 이러한 시스템은 워크피스(80)를 정밀하게 전진시키기 위한 시트 공급 롤러 조립체(40), 1차 성형 공구 조립체(10) 및 2차 성형 공구 조립체(예를 들어, 백킹 롤러 공구 조립체(20))를 포함한다.

도 1a에서, 워크피스(80)는 그 최종 형상(81)으로 성형된 것으로 도시되어 있다. 워크피스(80)는 강철, 알루미늄, 플라스틱 또는 다른 성형성 재료로 제조될 수 있는 시트 재료(예를 들어, 시트 금속)를 포함한다. 이러한 시트 재료는 전형적으로 기준 평면에 평행하게 실시예 1에 도시된 평평한 상태에서 시작한다. 기준 평면은 X-Y 평면(82)으로서 도시되어 있고, 워크피스를 증분적으로 성형하기 전에 워크피스(80)의 초기 구성에 의해 정의된다. 또한, 상기 시트는 본 발명에 따른 추가적인 동작을 수행하기 전에 소정의 예비 특징들로 사전 성형될 수 있다.

시트 공급 롤러 조립체(40)는 워크피스(80)에 접촉하도록 위치된 하나 이상의 세트의 동기화된 롤러(42)(42A-42H)를 포함한다. 동기화된 롤러(42)는 전형적으로 제1 및 제2 에지(또는 주변의 에지 부분)(88 또는 89)를 따라 워크피스(80)의 각각의 대향 표면과 접촉한다. 유동적으로, 다른 결합 표면부가 고려된다.

시트 공급 롤러 조립체(40)는 워크피스(80)를 도 1a의 Y-축으로 도시된 하나의 축을 따라 전후로 전진시킨다. 실시예 1에서, 시트 공급 롤러 조립체(40)는 4개 세트의 동기화된 롤러(4)를 포함한다. 2개의 세트 롤러(42A-42B 및 42C-42D)는 워크피스(80)의 제1 에지(88)를 따라 위치되고, 2개의 세트(42E-42F 및 42G-42H)는 워크피스의 제2 에지(89)를 따라 위치된다. 이들 롤러의 제1 세트는 워크피스(80)의 표면과 접촉하도록 위치되고, 이들 롤러의 제2 세트는 워크피스(80)의 대향 표면과 접촉하도록 위치된다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 대향된 쌍의 롤러(예를 들어, 42A, 42B와 42C, 42D; 43E, 42F와, 42G(도시되지 않음), 42H)는 바람직하게 워크피스(80)의 대향 표면과 접촉하여 서로 직접 대향하여 위치된다. 이들 롤러는 바람직하게 Y-축을 따라 워크피스를 구동하기 위해 에지(88 또는 89)를 따라 워크피스(80)의 대향 표면을 접촉 및 파지한다.

제1 에지(88) 상의 적어도 하나의 롤러(42A-42D) 및 제2 에지(88) 상의 적어도 하나의 롤러(42E-42H)는 모터(들), 제어 시스템 및 소프트웨어(도시되지 않음)와 인터페이스하여 롤러의 회전을 조정하고 동기화한다. 결과적으로, 롤러는 바람직하게 하나의 병진 축(Y-축)을 따라 원하는 위치로 워크피스(80)를 정밀하게 이동시킨다. 또한, 도 1a-c에서 동일한 모터 제어 시스템이 이용될 수 있는 도 6a-d에 대한 모터 작동 설명을 참조한다.

동기화된 롤러(42)는 바람직하게 강, 알루미늄 또는 다른 적합한 재료로 제조된 베이스 코어를 포함하며, 추가적으로 그의 원주에, 워크피스(80)의 포지티브 그립핑을 강화하기 위해 충분히 가요성이고 탄성인 폴리우레탄, 네오프렌, 고무 또는 다른 적합한 재료의 코팅 또는 층을 포함할 수 있다.

도 1a-c에서, 1차 성형 공구 조립체(10)는 워크피스의 제1(즉, 상부) 표면과 결합하고, X-축을 따라 실시예 1에 도시된 바와 같이 워크피스의 이동에 대해 횡방향으로 이동하도록 워크피스(80)의 일 표면에 인접하게 위치된다. 따라서, 1차 성형 공구 조립체(10)의 이러한 운동은 워크피스(80)가 시트 공급 롤러 조립체(40)에 의해 구동되는 바과 같이 (Y-축을 따라) 이동하는 방향에 수직이다. 1차 성형 공구 조립체(10)는 또한 Z-축으로서 실시예 1에 도시된 워크피스(80)의 X-Y 기준 평면(82)에 수직인 방향으로 이동하여, 워크피스의 제1(즉, 상부) 표면과 접촉 및 비접촉하여 이동할 수 있다.

2차 성형 공구 조립체는 바람직하게 중실형 코어(21)를 갖고, 코어(21)의 원주에 고정된 외부 가요성, 압축성 또는 탄성 재료(또는 백킹 롤러 공구의 표면부) 층(22)를 갖는 백킹 롤러 공구 조립체(20)를 포함하여, 1차 성형 공구 조립체(10)가 워크피스의 대향(즉, 제1 또는 상부) 표면과 결합함에 따라 워크피스(80)의 제2 또는 하부 표면 상에 가요성, 압축성, 탄성 및 제어된 카운터 힘을 제공한다.

실시예 1(예를 들어, 도 1a, b 및 c 참조)에서, 백킹 롤러 공구 조립체(20)는 1차 성형 공구 조립체(10)의 반대편에 있는 워크피스(80)의 표면에 인접하게 대향하도록 위치된다. 따라서, 워크피스(80)는 백킹 롤러 공구 조립체(20)를 1차 성형 공구 조립체(10)로부터 분리시킨다. 백킹 롤러 공구 조립체(20)는 긴 원통형이며, 1차 성형 공구 조립체(10)의 이동 방향에 평행한 X-축을 따라 위치되고 워크피스(80)의 대향(즉, 하부) 표면과 접촉하는 길이방향으로 연장되는 종방향 회전축을 갖는다.

1차 성형 공구 조립체(10)의 팁 및 백킹 롤러 공구 조립체(20)의 종축은 바람직하게 X-축을 따라 워크피스(80)의 양측면 상에서 서로를 향하도록 직접 대향하여 위치된다. 바람직하게, 백킹 롤러 공구 조립체(20)의 길이는 1차 성형 조립 공구(10)는 X-축을 따라 이동하도록 허용되는 거리보다 대략 적어도 실질적으로 동일하거나 또는 더 길다. 결과적으로, 백킹 롤러 공구 조립체(20)는 1차 성형 공구 조립체(10)가 워크피스의 제1(즉, 상부) 표면과 결합하여 X-축을 따라 이동함에 따라 워크피스(80)의 제2(즉, 하부) 표면과 성형가능하고 직접적인 접촉을 유지한다.

도 1a, 2a 및 3a에서, 백킹 롤러 공구 조립체(20)는 단지 예시의 목적을 위해서만 워크피스(80)와 직접 접촉하지 않고 떨어져 위치되는 것으로 도시되어 있다. 본 발명의 장치의 작동 동안에, 백킹 롤러 공구 조립체(20)의 탄성 층(22)은 워크피스(80)의 제2(즉, 하부) 표면과 직접 결합하여 대향하도록 위치된다. 1차 성형 공구 조립체(10)가 워크피스(80)의 제1 또는 대향 표면에 결합하여 힘을 가할 때, 그 결과는 1차 성형 공구 조립체(10)가 워크피스(80)와 접촉하는 영역에서 국부적인 힘이 된다.

1차 성형 공구 조립체(10) 및 백킹 롤러 공구 조립체(20)의 탄성 층(22)은 실제로 X-축을 따른 접촉점에서 서로 대향하는 힘을 제공하도록 위치되어, 워크피스(80)가 그 사이에 위치된다. 보다 구체적으로, 1차 성형 공구 조립체(10) 및 탄성 층(22)은 1차 성형 공구 조립체(10)에 의해 워크피스의 제1(즉, 상부) 표면에 가해지는 힘, 및 백킹 툴 롤러 조립체(20)의 가요성 및 탄성 층(22)의 제어된 압축에 의해 워크피스의 대향 또는 제2(즉, 하부) 표면에 가해진 카운터 힘을 이용하여 성형된 워크피스(80)를 통해 간접적으로 접촉한다. 카운터 힘의 양은 백킹 롤러 공구 조립체(20)의 탄성 층(22)(또는 외부 표면부)의 경도, 두께 및 결과적인 압축성 및 탄성의 정도에 의해 제어된다.

그 종축을 따라 회전하는 것에 부가하여, 백킹 롤러 공구 조립체(20)는 또한 실시예 1에 도시된 워크피스(80)의 X-Y 기준 평면(82)에 수직인 방향으로 Z-축으로 이동한다. Z-축을 따른 이동은 1차 성형 공구 조립체(10)가 워크피스 상에서 정밀하게 제어된 대향력을 발휘함에 따라 백킹 롤러 공구 조립체(20)가 워크피스(80)와 접촉 유지하는 것을 허용한다.

보다 구체적으로, 도 1b 및 c에 도시된 바와 같이, 탄성 층(22)을 구비하는 백킹 롤러 공구 조립체(20)는 X-축 상에서 그 종축을 따라 위치되어 워크피스(80)의 하부 표면(즉, 제2 표면)과 접촉하게 되어, X-축을 따라 접촉점의 연속적인 좁은 영역을 생성하게 한다. 보다 구체적으로, 이러한 접촉 구역은 탄성 층(22)의 원주가 워크피스(80)의 하부 표면과 교차하는 경우에 발생한다. 즉, 탄성 층(22)과 워크피스(80)의 하부 표면이 서로 접촉할 때, 좁은 영역 또는 접촉 구역이 그 사이에 생성된다. 이러한 영역은 워크피스의 하부 표면과의 탄성 층(22)의 원주의 접선에서 발생한다. 동시에, 1차 성형 공구 조립체(10)는 X-축을 따라 위치되어, 워크피스의 상부 표면에 대향하고 워크피스(80)의 하부 표면과 탄성 층(22)의 접촉 구역에 대향된다.

1차 성형 공구 조립체(10)가 워크피스(80)의 제1 표면 상으로 누름에 따라, X-축을 따라 주어진 접촉 영역에서 워크피스에 힘을 가한다. 이로써, 워크피스(80)는 X-축을 따른 좁은 접촉 영역을 따라 부과된 영역에서 탄성 층(22)에 힘을 가한다. 그 결과, 탄성 층(22)은 압축되어 X-축 상의 워크피스(80)와의 좁은 접촉 영역을 따른 대향된 국부적인 영역에서의 카운터 힘을 가한다. 1차 성형 공구(10)및 탄성 층(22) 양자가 워크피스(80)의 대향 측면 상에 힘을 가하는 경우, 1차 성형 공구(10)와 워크피스(80) 사이의 접촉 영역에서 힘이 실질적으로 집중된다. 이러한 접촉 영역 또는 "접촉 구역(zone of tangency)"에서, 탄성 층(22) 상의 워크피스(80)에 의해 가해진 힘은 탄성 층(22)의 원통형 형상으로 인해 집중 및 국부화되어, 결과적인 워크피스의 비틀림 및 인열을 피한다. 결과적으로, 실시예 1의 장치는 동작 동안 임의의 주어진 시간에 선택된 제어 시스템에 의해 의도된 바와 같이 워크피스(80) 상에 다수의 치수적으로 복잡하고 비대칭의 구성을 생성할 수 있다(예를 들어, 도 10 참조).

또한, 백킹 롤러 공구 조립체(20)는 그 종축 상에서 회전하는 원통형 형상을 갖는다. 작업(즉, Y-축)의 이동 방향에 대해 수직(즉, X-축)으로 위치될 때, 백킹 롤러 공구 조립체(20)는 유리하게 워크피스(80)의 정확하고 신속한 워치설정을 가능하게 한다. 백킹 롤러 공구 조립체(20)의 원통형 구성은 또한 많은 이전의 ISF 장치에 대해 장치 자체의 보다 간단하고 보다 컴팩트한 설계를 가능하게 한다.

실시예 1에서, 코어(21)는 중실형 로드이다. 백킹 롤러 공구 조립체(20)의 외부 탄성 층(22)은 코어(21)에 고정되어 그 종축을 중심으로 함께 자유롭게 회전한다. 탄성 층(22)은 코어(21)에 견고하게 고정 또는 고정적으로 부착됨으로써 고정될 수 있거나, 또는 대안적으로 코어를 원주방향으로 둘러싸지만 코어에 대해 자유롭게 회전할 수 있음으로써 고정될 수 있다. 예를 들어, 탄성 층(22)은 당업계에 공지된 바와 같이 코어(21) 주위에 위치된 베어링 조립체(예를 들어, 평면 베어링)에 의해 자유롭게 회전할 수 있도록 다중 재료 또는 층으로 제조될 수 있다. 다른 실시예에서, 코어(21)는 베어링 조립체에 대해 탄성 층(22)과 함께 자유롭게 회전하는 중공 튜브 또는 실린더일 수 있다. 다른 대안적인 실시예에서, 코어(21)는 고정(즉, 비-회전가능함)될 수 있는 한편, 탄성 층(22)은 그 주위에서 자유롭게 회전할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 백킹 롤러 공구 조립체(20)의 회전은 당업계에 공지된 기계적 또는 전기기계 수단에 의해 제어될 수 있다. 또 다른 관점에서, 백킹 롤러 공구 조립체(20)는 압축성 및 탄성 층(22)을 구비하고, 백킹 롤러 공구 조립체 및 외부 탄성 표면 부분 중 적어도 하나는 백킹 롤러 공구 조립체의 중심을 통해 연장되는 축을 중심으로 회전가능하다.

바람직하게, 백킹 롤러 공구 조립체(20)의 종축은 탄성 층(22)이 X-축을 따라 워크피스(80)의 표면과 연속적인 접촉을 유지할 수 있도록 이동가능하게 위치된다. 또한, 워크피스(80)와 접촉하는 것은, 워크피스가 시트 공급 롤러 조립체(40)의 작용에 의해 Y-축을 따라 이동함에 따라 워크피스(80)와의 결합에 의해 백킹 롤러 공구 조립체(20)가 회전하게 한다.

강성 코어(21)는 바람직하게 강, 알루미늄 또는 다른 적절한 재료로 구성될 수 있다. 코어(21)는 크기 및 구성에 따라 중실형 또는 중공형일 수 있다.

탄성 층(22)은 바람직하게 1차 성형 공구 조립체(10)에 의해 워크피스(80) 상에 가해진 힘 하에서 재료가 성형될 수 있게 하기 위해 압축 강도를 갖는 탄성 성형가능한 재료로 제조된다. 탄성 층(22)에 대해 선택된 재료는 또한 1차 성형 공구 조립체(10)로부터 워크피스(80)로의 힘이 제거됨에 따라 그 원래의 또는 비-압축된 형상으로 실질적으로 복귀할 수 있다. 예를 들어, 탄성 층(22)은 엘라스토머, 바람직하게 폴리우레탄으로 제조될 수 있다. 대안적으로, 워크피스(80)와 접촉이 이루어질 때, 정밀하고, 예측가능하고, 제어된 변형 및 탄성이 가능한 고무, 네오프렌, 니트릴 또는 다른 적절한 재료로 제조될 수도 있다.

탄성 층(22)은 일반적으로 약 쇼어 80D, 바람직하게 약 30A 내지 약 95A의 범위의 경도 듀로미터를 갖는다. 선택된 재료의 경도에 따라, 탄성 층(22)의 두께는 약 0.01 mm 내지 약 25 mm, 바람직하게 약 1.0 mm 내지 약 5.0 mm에서 변할 수 있다. 탄성 층(22)에 대한 바람직한 듀로미터를 선택함으로써, 1차 성형 공구 조립체(10)가 워크피스의 제1 표면 상에 힘을 가할 때 정밀하고 제어된 카운터 힘이 워크피스(80)의 제2 표면에 가해질 수 있다.

성형 공정 동안, 시트 공급 롤러 조립체(40)는 Y-축을 따라 워크피스(80)를 전후로 원하는 위치로 이동하도록 작동한다. 1차 성형 공구 조립체(10)는 X-축을 따라 원하는 위치로 동시에 이동할 수 있다. 백킹 롤러 공구 조립체(20)는 Z-축을 따라 원하는 위치로 동시에 이동하여 워크피스(80)의 표면과 접촉할 수 있다. 워크피스(80)와 접촉할 때, 백킹 롤러 공구 조립체(20)는 바람직하게 시트 공급 롤러 조립체(40)가 워크피스를 Y-축을 따라 원하는 위치로 이동시킴에 따라 워크피스와의 마찰 결합에 의해 그 종축을 따라 자유롭게 회전한다.

시트 공급 롤러 조립체(40), 1차 성형 공구 조립체(10) 및 백킹 롤러 공구 조립체(20)는 서로 직접 또는 간접적으로 인터페이스할 수 있는 상이한 시스템(예를 들어, 기계식, 유압식)에 의해 제어될 수 있고, 그들의 원하는 위치에서 그 정확한 위치에 관한 정보를 송신 및 수신하도록 엔티티들을 컴퓨팅할 수 있다. 도 6a-d 및 9와 관련한 모터 작동 설명 및 도 10과 관련한 제어 시스템을 참조하며, 유사한 모터, 제어 시스템 및 소프트웨어가 도 1a-c의 구성으로 이용될 수 있다.

워크피스(80), 1차 성형 공구 조립체(10) 및 백킹 롤러 공구 조립체(20)가 그들의 지정된 위치 및 조정된 위치에 독립적으로 이동할 때, 1차 성형 공구 조립체(10)는 워크피스의 원래의 X-Y 기준 평면(82)에 수직인 Z-축을 따른 이동에 의해 워크피스(80)에 대해 지탱될 수 있다. 동시에, 백킹 롤러 공구 조립체(20)는 Z-축을 따라 이동되어 그 종축을 따라(즉, X-축을 따라) 워크피스(80)와 변형 및 탄성 접촉할 수 있다.

워크피스(80)에 힘을 가하는 1차 성형 공구 조립체(10)에 의해, 워크피스는 힘이 가해지는 정확한 접촉 지점에서 원하는 형상으로 국부적으로 성형된다. 보다 구체적으로, 1차 성형 공구 조립체(10)는 워크피스(80)에 대해 그 사전결정된 경로를 따라 횡단할 때 X, Y 및 Z 방향의 접촉 영역에서 국부적인 힘을 생성한다. 1차 성형 공구 조립체(10)가 워크피스(80)에 대해 이동하므로, 워크피스는 X, Y 및 Z 방향으로 사전결정된 크기 및 성분을 갖는 힘 벡터를 따라 연속적으로 성형된다. 이러한 국부적인 힘은 힘이 가해지는 워크피스와 접촉하는 영역에서 원하는 형상으로 워크피스(80)를 소성적으로 및 영구적으로 성형한다.

1차 성형 공구 조립체(10)가 워크피스(80)의 일 표면 상에 힘을 가하는 동안, 백킹 롤러 공구 조립체(20)는 워크피스의 대향 표면과 연속적인 접촉을 유지한다. 워크피스(80) 상의 1차 성형 공구 조립체(10)에 의해 가해지는 힘의 결과로서, 탄성 층(22)은 워크피스가 원하는 형상으로 성형되는 동안 워크피스를 지지할 수 있는 반응성 대향력을 생성하도록 변형된다.

1차 성형 공구 조립체(10)가 Z-축을 따라 전진하고 워크피스(80)를 원하는 형상으로 국부적으로 성형함에 따라, 백킹 롤러 공구 조립체(20)는 전진하는 1차 성형 공구 조립체(10)의 이동을 조정하는데 필요한 정도로 Z-축을 따라 후퇴한다. 바람직하게, 탄성 층(22)은 워크피스(80)와 정밀하게 제어된 접촉으로 이동하면서 변형 유지되어, 백킹 롤러 공구 조립체가 Z-축을 따라 이동되는 동안 워크피스를 지지하는 카운터 힘을 생성한다. 그 탄성 특성으로 인해, 탄성 층(22)은 일단 1차 성형 톨 조립체(10)가 Z-축을 따라 재처리하고 시트 공급 롤러 조립체(40)가 워크피스(80)를 Y-축을 따라 새로운 위치로 이동시키면 그 원래의 구성으로 실질적으로 복귀할 수 있도록 선택된다.

일단 워크피스(80)가 선택된 위치에서 원하는 형상으로 국부적으로 성형되면, 워크피스를 위한 또 다른 위치는 새로운 위치에서 워크피스를 성형하기 위해 선택된다. 그 후, 시트 공급 롤러 조립체(40)는 X 및 Z-축을 따라 1차 성형 공구 조립체(10)의 요구되는 사전결정되고 사전 프로그래밍된 독립적인 이동에 따라 Y-축을 따라 그 선택된 위치로 워크피스(80)를 이동시킨다. 또한, 워크피스(80)의 독립적인 이동은 Z-축을 따라 백킹 롤러 공구 조립체(20)의 특정된 독립적인 이동을 갖는 제어 시스템(도시되지 않음)을 통해 조정된다. 그 결과, 선택된 위치에서 워크피스(80)의 요구되는 성형이 발생한다.

또 다른 좌표가 선택되고, 상기 시퀀스는 워크피스(80)가 원하는 형상으로 완전히 성형될 때까지 계속된다. 또한, 도 6 내지 도 10 및 본 발명의 공정을 수행하는 것에 관한 상세한 설명은 도 6-10을 참조한다.

도 2a-c는 본 발명의 시트 성형 ISF 시스템의 제2 실시예(실시예 2)를 도시한다. 이러한 실시예는 워크피스(80)를 정밀하게 전진시키기 위한 시트 공급 벨트 조립체(43), 1차 성형 공구 조립체(10) 및 2차 성형 공구 조립체(예를 들어, 백킹 롤러 공구 조립체(20))를 포함한다.

실시예 2에서, 실시예 1의 시트 공급 롤러 조립체(40)는 시트 공급 벨트 조립체(43)로 대체되며 시트 공급 롤러 조립체와 유사한 방식으로 기능한다. 이러한 조립체는 풀리(44aA-44H) 세트 및 롤러를 둘러싸는 연속 및 무단 벨트(46)를 포함한다. 롤러 세트는 풀리(44)가 회전함에 따라 사전결정된 속도로 Y-축을 따라 높은 견인 노력을 발생시키기 위해 벨트를 위한 연속 벨트(46)와 접촉하여 회전한다. 결과적으로, 벨트(46)는 일 축(실시예 2에서 Y-축으로 도시됨)을 따라 워크피스(80)를 전방 및 후방으로 정밀하게 파지하여 이동시킨다. 벨트(46)는 실시예 1의 풀리(44A-44H)의 접촉 영역보다 워크피스(80)의 표면과의 접촉 면적을 확장하도록 선택된 재료로 구성, 치수설정 및 제조된다. 실시예 2의 시트 공급 벨트 조립체(43)에 의해 워크피스(80) 상에 접촉되는 추가적인 표면적은 그립을 증가시키고 워크피스의 더욱 정밀한 위치설정을 달성하기 위해 워크피스의 가능한 미끄러짐을 최소화한다.

예를 들어, 복수의 벨트가 적어도 에지(88 또는 89)를 따라 워크피스(80)의 대향 표면과 접촉하도록 배치되는 대안적인 실시예가 고려된다. 추가적으로, 워크피스의 대향 표면 상에 위치된 풀리와 함께 워크피스(80)의 일 표면과 접촉하는 하나의 벨트(46)가 존재할 수 있다는 것이 고려된다.

실시예 2(예를 들어, 도 2a 참조)는 4개 세트의 풀리(44A 및 44B, 44C 및 44D, 44E 및 44F, 44G(도시되지 않음) 및 44H) 및 4개의 벨트(46)를 갖는 것으로 시트 공급 벨트 조립체(43)를 도시한다. 하나의 롤러 세트(44A 및 44B)는 워크피스(80)의 제1 에지(88)를 따라 그리고 워크피스의 제1(즉, 상부) 표면 상에 위치되어 위치설정된다. 제2 롤러 세트(44C 및 44D)는 워크피스(80)의 제1 에지(88)에 위치되어 위치설정되지만 워크피스의 대향(즉, 제2 또는 하부) 표면 상에 위치되어 위치설정된다. 제3 롤러 세트(44E 및 44F)는 워크피스의 제1 에지(88)에 평행한 워크피스(80)의 제2 에지(89)를 따라 위치되어 위치설정된다. 제4 롤러 세트(44G(도시되지 않음) 및 44H)는 또한 워크피스(80)의 제1 에지(88)에 평행하지만 워크피스의 반대 표면 상에 위치되어 위치설정된다.

도시된 바와 같이, 연속 벨트(46)는 그 풀리(44A-44H) 세트를 둘러싸고 에지(88, 89)를 따라 워크피스(80)의 표면과 접촉하여 워크피스(80)를 Y 방향을 따라 원하는 위치로 그립하고 이동시킨다. 벨트(46)는 바람직하게 정확함을 위해 워크피스의 표면 상에 일관된 견인을 제공할 수 있도록 구성 및 치수설정되어, Y-축을 따라 워크피스를 전후로 예측가능하고 조정된 이동을 가능하게 한다.

풀리(44A 또는 44B) 및 풀리(44E 또는 44F) 중 적어도 하나는 바람직하게 동기화된 모터(도시되지 않음) 및 제어 시스템에 의해 작동될 수 있으며, 제어 시스템은 바람직하게 Y-축으로서 실시예 2에 도시된 바와 같이 하나의 병진축을 따라 워크피스(80)를 전후로 이동시키고 위치하도록 다양한 풀리 및 둘러싸는 벨트(46)의 회전을 조정하고 구동한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 풀리(44C 또는 44D)및 풀리(44G 또는 44H) 중 적어도 하나는 또한 바람직하게 Y-축으로서 실시예 2에 도시된 바와 같이, 바람직하게 하나의 병진축을 따라 워크피스(80)를 그립하고 이동시키도록 다양한 풀리 및 둘러싸는 벨트의 회전을 조정 및 구동하도록 동기화된 모터(도시되지 않음)에 의해 작동될 수 있다.

시트 공급 벨트 조립체(43)의 풀리(44)는 강, 알루미늄 또는 당업계에서 알려진 다른 적절한 재료로 제조된 코어를 포함한다. 시트 공급 벨트 조립체(43)의 벨트(46)는 우레탄, 네오프렌 또는 다른 적합한 재료로 구성되고, 바람직하게 유리 섬유, 아라미드, 케블라(KEVLAR) 재료와 같은 폴리아미드 섬유, 탄소, 강 또는 당업계에 공지된 다른 적합한 재료와 같은 스트랜드로 보강된다.

또한, 벨트(46)는 벨트와 워크피스(80) 사이의 마찰 계수를 증가시키기 위해 우레탄, 니트릴, 고무 또는 당업계에 공지된 다른 적절한 재료와 같은 재료 층으로 코팅될 수 있다. 벨트(46)의 폭, 두께 및 듀로미터는 1차 성형 공구 조립체(10) 및 2차 성형 공구 조립체와 함께 워크피스(80)의 조정된 정렬을 위해 워크피스(80)의 표면에 정밀하고 일관된 견인을 적용할 수 있도록 선택된다.

1차 성형 공구 조립체(10) 및 백킹 롤러 공구 조립체(20)를 구비하는 실시예 2의 작동은 실시예 1의 시트 공급 롤러 조립체(40)의 작동이 기술된 바와 같이 시트 공급 벨트 조립체(43)의 작동으로 대체되는 것을 제외하고는 실시예 1과 관련하여 설명된 바와 같다.

시트 공급 벨트 조립체(43), 1차 성형 공구 조립체(10) 및 백킹 롤러 공구 조립체(20)는 서로 직접 또는 간접적으로 인터페이스할 수 있는 상이한 시스템(예를 들어, 기계식, 유압식)에 의해 제어될 수 있고, 그들의 원하는 위치에서 그들의 정확한 위치에 관한 정보를 송신 및 수신하도록 엔티티들을 컴퓨팅할 수 있다. 도 6a-d와 관련한 모터 작동 설명 및 도 10과 관련한 제어 시스템을 참조한다.

도 3a-c는 본 ISF 시스템의 제3 실시예(실시예 3)를 도시한다. 이러한 실시예는 워크피스(80)를 전진시키기 위한 시트 고정구 조립체(50), 1차 성형 공구 조립체(10) 및 백킹 롤러 공구 조립체(20)를 포함한다.

실시예 3에서, 시트 고정구 조립체(50)는 실시예 1 및 2의 시트 공급 롤러 및 시트 공급 벨트 조립체를 대체한다. 시트 고정구 조립체(50)는 강성 프레임(51) 및 리테이너(52)를 포함한다. 워크피스(80)는 강성 프레임(51)과 강성 프레임(51)에 대한 워크피스의 이동을 견고하게 구속할 수 있는 리테이너(52) 사이에 위치되고 고정된다. 시트 고정구 조립체(50)는 강성 프레임(51)과 리테이너(52) 사이에서 워크피스(80)를 수용하지만 워크피스의 주변부의 적어도 일부를 따라 시트 고정구 조립체(50)에 의해 워크피스가 유지될 수 있도록 구성되고 치수설정되는 개구를 형성한다. 환언하면, 시트 고정구 조립체(50) 내의 개구는 1차 성형 공구 조립체(10) 및 백킹 롤러 공구 조립체(20)를 이용하여 성형 공정을 수행하기 위한 워크피스(80)의 표면에 대한 접근을 제공하지만 시트 고정구 조립체 내에 워크피스를 고정하도록 형성된다.

리테이너(52)는 워크피스(80)의 주변부 주위에 위치된 복수의 클램프(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 클램프는 워크피스의 미끄러짐을 방지하고 시트 고정구 조립체(50) 내에 그 고정된 위치를 유지하도록 워크피스(80) 및 강성 프레임(51)에 충분한 힘을 결합 및/또는 발휘한다. 클램프는 다수의 에지를 따라 또는 강성 프레임(51)의 모든 에지 상에 제공되어 개구를 둘러싸고 워크피스(80)를 그 내에 고정식으로 보유한다. 시트 고정구 조립체(50) 내에 워크피스(80)를 견고하게 유지하기 위한 클램프 또는 다른 기구는, 당업계에 따라 수동으로, 유압식으로,전기적 또는 자기적으로 작동함으로써 워크피스(80) 상에 일정하거나, 고정되거나 또는 조정가능한 힘을 가하도록 선택 및 위치설정될 수 있다.

실시예 3에서, 시트 고정구 조립체(50)는 X-Y 평면에서 원하는 위치로 Y-축을 따라 워크피스(80)를 전후로 이동시키는 공지된 수단에 의해 전진될 수 있다. 시트 고정구 조립체(50)는 실시예 1의 시트 공급 롤러 조립체(40)와 유사한 방식으로 작동한다. 1차 성형 공구 조립체(10) 및 백킹 롤러 공구 조립체(20)는 실시예 1 및 2와 관련하여 설명된 바와 같이 작동한다. 예를 들어, 1차 성형 공구 조립체(10)는 워크피스(80)의 일 표면에 인접하게 위치되어, 시트 고정 조립체(50) 내의 원하는 위치에 고정된다. 백킹 롤러 공구 조립체(20)는 대향 표면 상에 위치되어 워크피스(80)와 접촉하여 유지된다.

예로서, 시트 고정구 조립체(50)는 하나 이상의 모터(들)(도시되지 않음)에 의해 이동되어 시트 고정구 조립체 및 고정된 워크피스(80)를 Y-축을 따라 전후로 전진시킬 수 있다. 결과적으로, 시트 고정구 조립체(50)는 바람직하게 하나의 병진축(Y-축)을 따라 워크피스(80)를 원하는 위치로 전후로 정밀하게 이동시킨다.

1차 성형 공구 조립체(10) 및 백킹 롤러 공구 조립체(20)를 구비하는 실시예 3의 작동은 실시예 1의 시트 공급 롤러 조립체(40)의 작동이 기술된 바와 같이 시트 고정구 조립체(50)의 작동으로 대체되는 것을 제외하고는 실시예 1과 관련하여 설명된 바와 같다.

시트 고정구 조립체(50), 1차 성형 공구 조립체(10) 및 백킹 롤러 공구 조립체(20)는 서로에 대해 직접적으로 또는 간접적으로 인터페이스할 수 있는 상이한 시스템(예를 들어, 기계식, 유압식)에 의해 제어될 수 있고, 그들의 원하는 위치에서 그들의 정확한 위치에 관한 정보를 송신 및 수신하도록 엔티티들을 컴퓨팅하여 사전결정된 성형 및 워크피스(80)에 대한 결과적인 원하는 형상을 생성할 수 있다. 도 6a-d 및 도 9에 관련한 모터 작동 설명 및 도 10에 관련한 제어 시스템을 참조한다.

도 4a 및 b는 본 발명의 ISF 시트 성형 기계의 제4 실시예(실시예 4)를 도시한다. 이러한 실시예는 시트 고정구 조립체(60), 복수의 포스트(64)에 의해 연결 및 지지되는 백킹 플랫 공구 조립체(30) 및 하부 플랫폼(63)을 포함하는 3-티어 조립체이다. 실시예 4는 또한 실시예 1, 2 및 3과 관련하여 이전에 기술된 1차 성형 공구 조립체(10) 및 워크피스(80)를 포함한다.

시트 고정구 조립체(60)는 워크피스(80)의 이동을 구속하고 워크피스(80)를 원하는 위치에 고정식으로 보유할 수 있는 강성 프레임(61) 및 리테이너(62)를 포함한다. 시트 고정구 조립체(60) 및 그 구성요소, 강성 프레임(61) 및 리테이너(62)는, 시트 고정구 조립체(50)와는 달리, 시트 고정구 조립체(60)가 직접 작동되지 않는 것을 제외하고는 실시예 3의 시트 고정구 조립체(50)의 재료, 설계 및 구성과 유사하다.

실시예 4의 백킹 플랫 공구 조립체(30)는 평탄한 강성 플레이트(31)와, 워크피스(80)에 인접한 플레이트(31)의 표면에 고정된 가요성 탄성 표면 재료 층(32)의 평탄한 층을 포함한다. 외부 재료 층(32)은 또한 백킹 플랫 공구 조립체(30)의 평탄한 외부 표면부일 수 있다. 플레이트(31)는 강, 알루미늄 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 적절한 강성 재료로 제조될 수 있다.

실시예 1, 2 및 3의 탄성 층(22)과 유사하게, 실시예 4의 탄성 층(32)은, 워크피스가 성형될 때, 1차 성형 공구 조립체(10)에 의해 가해진 워크피스(80) 상에 가해지는 힘 하에서 변형될 수 있도록 선택된 듀로미터를 갖는 탄성, 변형성 및 압축성 재료로 제조된다. 탄성 층(32)에 대해 선택된 재료는 또한 (1차 성형 공구 조립체(10)으로부터 유래하는) 워크피스(80)로부터의 힘이 제거되고 백킹 롤러 조립체가 Z-축을 따라 워크피스의 제2 표면으로부터 멀리 이동하는 한편 워크피스가 새롭게 선택된 위치로 이동함에 따라 그 원래의 구성으로 실질적으로 복귀할 수 있다.

예를 들어, 탄성 층(32)은 실시예 1과 관련하여 기술된 바와 같이 엘라스토머, 바람직하게 폴리우레탄으로 제조될 수 있다. 대안적으로, 탄성 층(32)은 또한 워크피스(80)와 접촉할 때 가요성, 압축성 및 변형성을 가능하게 할 수 있지만 워크피스와 더 이상 접촉하지 않을 때 탄력성 및 탄성인 듀로미터의 고무, 네오프렌 또는 다른 적절한 재료로 제조될 수 있다. 즉, 탄성 층(32)에 대한 듀로미터는 워크피스(80)의 재료 및 최종 원하는 형상에 따라 변할 수 있는 재료의 경도, 압축성 및 탄력성의 값에 의존할 것이다.

실시예 4에서, 탄성 층(32)은 일반적으로 쇼어 10A 내지 약 80D, 바람직하게 약 30A 내지 약 95A 범위의 경도 듀로미터를 갖는다. 선택된 재료의 경도에 따라, 탄성 층(32)의 두께는 약 0.01 mm 내지 약 25 mm, 바람직하게 약 1.0mm 내지 약 50 mm에서 변화한다.

탄성 층(32)은 바람직하게 접착제에 의해 강성 플레이트(31)에 부착되어 고정되는 (전술한 바와 같은) 탄성 재료의 예비성형된 시트, 클램프 또는 당업계에서 알려진 다른 적절한 부착 방법과 같은 리테이너를 포함한다. 대안적으로, 탄성 층(32)은 당업계에 공지된 마찰 수단에 의해 고정될 수 있다.

백킹 플랫 공구 조립체(30)를 구성하기 위한 또 다른 방법은 플레이트(32)의 상부 표면에 전술한 탄성 재료의 접착 액체 버전의 평탄한 층을 적용하고, 플레이트에 고정되도록 재료를 제자리에 고정시킨다. 탄성 재료는 레벨링(leveling), 기계 가공, 그라인딩(grinding) 또는 다른 제조 수단에 의해 적절하게 평탄화될 수 있다.

실시예 4(예를 들어, 도 4a 및 b 참조)에서, 4개의 지지 포스트(64)는 시트 고정구 조립체(60)와 백킹 플랫 공구 조립체(30) 사이에서 연장되고, 백킹 플랫 공구 조립체(30)와 하부 플랫폼(63) 사이에서 계속 연장된다. 지지 포스트(64)는 중실형 또는 중공형 관형 부재들로서 제공될 수 있다. 포스트(64)는 바람직하게 1차 성형 공구 조립체(10)가 워크피스에 힘을 가하면서 성형 공정 동안 워크피스(80)의 표면과 연속적인 접촉을 유지하도록 Z 방향으로 포스트를 따라 자유롭게 미끄러질 수 있도록 구성 및 치수설정된다.

도 4a에서, 지지 포스트(64)는 백킹 플랫 공구 조립체(30)의 형성된 개구 내에 위치되는 것으로 도시되어 있다. 유동적으로, 포스트(64)는 (예를 들어, 레일 시스템을 구비하는) 워크피스(80)에 대한 백킹 플랫 공구 조립체(30)의 수직 이동(즉, Z-축을 따라)을 허용할 수 있는 당업계에 공지된 다른 적절한 수단에 의해 변경되거나 대체될 수 있다. 이러한 슬라이딩 이동은 1차 성형 공구 조립체(10)가 워크피스에 힘을 가하는 동안 백킹 플랫 공구 조립체(30)가 워크피스(80)와 연속적인 접촉을 할 수 있게 허용한다.

실시예 1-3의 백킹 롤러 공구 조립체(20)의 동작과 유사하게, 백킹 플랫 공구 조립체(30)는 워크피스(80)에 의해 형성된 X-Y 평면에 평행한 시트 고정구 조립체(60)에 대해 공칭적으로 편평한 상태로 유지된다.

예로서, 시트 고정구 조립체(60)는 Z-축을 따라 하나 이상의 모터(들)(도시되지 않음)에 의해 이동될 수 있다. 시트 고정구 조립체(60), 1차 성형 공구 조립체(10) 및 백킹 플랫 공구 조립체(30)는 서로에 대해 직접적으로 또는 간접적으로 인터페이스할 수 있는 상이한 시스템(예를 들어, 기계식, 유압식)에 의해 제어되어 그들의 원하는 위치에서 그들의 정밀하고 독립적인 위치설정에 관한 정보를 송신 및 수신하도록 엔티티들을 컴퓨팅할 수 있다. 도 6a-d 및 9와 관련한 모터 작동 설명, 도 9와 관련한 설명 및 도 10과 관련한 제어 시스템을 참조한다.

도 4a 및 b에서, 성형 공구(10)는 도시되지 않은 상이한 시스템(예를 들어, 기계식 또는 유압식)에 의해 시트 고정구 조립체(60) 및 워크피스(80)에 대한 X, Y 및 Z 방향으로 이동할 수 있다. 시트 고정구 조립체(60)의 강성 프레임(61) 및 리테이너(62)는 일련의 지지 포스트(64)를 통해 하부 플랫폼(63)에 고정될 수 있다. 플레이트(31) 및 탄성 층(32)을 포함하는 백킹 플랫 공구 조립체(30)는 시트 고정 조립체(60)와 하부 플랫폼(63) 사이에 위치된다.

도 5는 실시예 4의 작동을 위한 대안적인 방법을 도시한다. 도 5에서, 실시예 4는 수직 머시닝 센터(70)(이하, VMC)로 통합되어 있다. 이러한 예에서, 1차 성형 공구 조립체(10)는 VMC(70)의 스핀들 조립체(72)에 삽입된다. 하부 플랫폼(63)은 VMC(70)의 작업대 조립체(71)에 부착된다.

도 4a 및 b와 관련하여 논의된 바와 같이, 시트 고정구 조립체(60)의 강성 프레임(61) 및 리테이너(62)는 일련의 지지 포스트(62)를 통해 하부 플랫폼(63)에 고정될 수 있다. 강성 플레이트(31) 및 탄성 층(32)을 포함하는 백킹 플랫 공구 조립체(30)는 시트 고정구 조립체(60)와 하부 플랫폼(63) 사이에 위치된다. 결과적인 3-티어 장치는 VMC(70)를 통해 1차 성형 공구 조립체(10)에 대해 3개 방향(X, Y 및 Z-축을 따라)으로 제어가능하게 이동될 수 있다.

스핀들 조립체(72)와 함께 작업대 조립체(71)를 이동시킴으로써, VMC(70)는 1차 성형 공구(10)에 대한 워크피스(80)의 3개 축(X, Y 및 Z-축)을 따라 병진 운동을 제공한다. Z-축을 따라 수직으로의 백킹 플랫 공구 조립체(30)의 이동은, 예를 들어 VMC(70)의 모션 제어기, 2차 제어, 또는 당업계에 공지된 바와 같이 2개의 조합(도시되지 않음)을 통해 동기화될 수 있다. 또한, 백킹 플랫 공구 조립체(30)는 추가적으로 VMC(70)와 연동하여 하나 이상의 모터에 의해 워크피스(80)를 향해 또는 그로부터 멀리 Z-축을 따라 더 이동될 수 있다. 도 6a-d 및 9와 관련한 모터 작동 설명, 도 9와 관련한 설명 및 도 10과 관련한 제어 시스템을 참조한다.

예를 들어 플로리존털 머시닝 센터 및 5개 축 상에서 작동하는 머시닝 센터 등과 같은 당업계에 공지된 다른 유형의 기계 가공 센터가 본원에서 가능하며 고려된다. 추가적인 실시예들은 또한 본 명세서에 개시된 원리들을 벗어나지 않고서, 1차 성형 공구 조립체(10) 및 백킹 플랫 공구 조립체(30)를 당업계에 따라 다른 기존의 기계류로 통합하는 것을 포함할 수 있다.

도 6a-d, 7, 8a 및 b는 각각 본 발명의 실시예들에 따른 예시적인 작업 경로들을 따라 증분적인 성형 단계들의 시퀀스를 받는 워크피스(80)의 예시적인 단면도를 도시한다.

도 6a-d는 본 발명의 실시예들에 따라 평탄한 시트(예를 들어, 도 6a 참조)로서 시작하여 최종 구성(81)(예를 들어, 도 6d 참조)으로 그 성형을 통해 증분 성형 단계들의 시퀀스를 받는 워크피스의 예시적인 전방 단면도를 도시한다.

보다 구체적으로, 도 6a-d는 1차 성형 공구 조립체(10), 워크피스(80) 및 백킹 성형 공구 조립체(90)를 도시한다. 백킹 성형 공구 조립체(90)는 강성 백킹(91)에 고정된 탄성 표면 재료 층(92)(또는 백킹 도구 조립체(90)의 외부 표면부)을 포함한다. 백킹 성형 공구 조립체(90)는 탄성 층(22) 및 코어(21)를 갖는 탄성 백킹 롤러 공구 조립체(20)(예를 들어, 도 1a-c, 2a-c 및 3a-c 참조)를 구비하거나 또는 탄성 층(32) 및 강성 플레이트(31)를 갖는 백킹 플랫 공구 조립체(30)(예를 들어, 도 4a-b 및 5 참조)를 구비하는 이전의 실시예 중 어느 것의 2차 성형 공구 조립체 중 임의의 것을 나타낸다.

성형 공정 동안, 워크피스(80)는 1차 성형 공구 조립체(10)와 백킹 성형 공구 조립체(90) 사이에서 가압된다. 1차 성형 공구 조립체(10)는 워크피스(80)의 일 표면 상에 제어된 힘을 가한다. 결과적으로, 워크피스(80)는 변형되어 탄성 층(92)에 힘을 가한다. 이로써, 탄성 층(92)은 워크피스(80)의 대향 표면으로부터 카운터 힘을 압축하여 배치하여, 국부화된 영역에서 워크피스를 지지하거나 또는 둘러싸는 1차 성형 공구 조립체(10)와 접촉한다. 그 결과, 워크피스(80)는 소성적으로 및 영구적으로 성형된다.

그러나, 탄성 층(92)은 워크피스(80)와 접촉하여 압축된 상태로 유지된다. 그러나, 탄성 층(92)은 일단 백킹 성형 공구 조립체(90)가 워크피스(80)로부터 다른 사전 프로그램되고 사전결정된 위치로 Z-축을 따라 이동하면, 그 사전 압축된 구성으로 복귀한다.

성형 공정 동안, 1차 성형 공구 조립체(10)는 그 경도 및 강성에 기인하여 견고히 유지된다. 그 소성 및 유연성으로 인해, 워크피스(80)는 1차 성형 공구 조립체(10)에 의해 워크피스에 가해지는 힘에 의해 쉽고 영구적으로 성형된다. 이로써, 탄성 층(92)은 또한 워크피스(80)에 의해 워크피스에 가해지는 힘 때문에 일시적으로 변형된다.

작동시, 탄성 층(92)은 워크피스(80)의 선택된 재료, 그 두께 및 치수에 따라, Z-축에 대해 약 0.001 내지 약 0.2 인치 또는 그 이상, 바람직하게 약 0.005 내지 약 0.1 인치의 범위로 압축될 수 있다.

도 6a-d에서, 1차 성형 공구 조립체(10) 및 백킹 성형 공구 조립체(90)는 바람직하게 워크피스(80) 상에 국부화된 제어된 힘을 초래하는 사전결정되거나 또는 프로그램된 모션을 갖는 전기-기계적 포지셔닝 시스템에 의해 제어된다. 즉, 워크피스(80)의 이러한 결과 및 원하는 성형을 성취하기 위해 다양한 공구의 제어된 ㅍ포지셔닝을 확립하는 것에 관한 CNC 프로그래밍 기술이 이용된다. 도 6a-d에 도시된 바와 같이 워크피스(80)의 성형 진행을 제어하기 위한 수단은 도 7, 8a, 8b 및 10과 관련하여 이하에서 더 설명된다.

모든 실시예는 바람직하게 이러한 전기기계적 수단에 의해 작동된다. 서보 모터는 바람직한 전기-기계적 구동 수단이다. 또한, 스탭퍼 모터가 전기-기계적 구동 수단으로서 사용가능하다. 추가적으로, 변형례로서 기계적 시스템의 작동 축 중 하나 이상을 위해 정밀 유압이 이용될 수 있다. 도 10 및 그에 따른 설명을 참조한다.

대안적으로, 1차 성형 공구 조립체(10) 또는 백킹 성형 공구 조립체(90) 또는 양자의 공구는 압력의 함수로서 제어될 수 있다. 이러한 대안적인 방법에서, 1차 성형 공구 조립체(10) 및 백킹 성형 공구 조립체(90) 중 하나 또는 양자는 워크피스(80) 상에 목표된 힘을 가하는 전기-기계적 포지셔닝 시스템에 의해 Z 방향으로 제어된다. 이는 워크피스(80)의 대응하는 표면 상에 사전결정된 압력을 유지하기 위해 압력-제어된 공구(들)가 Z-축 내의서 그들의 위치를 변화시킬 수 있게 한다. 즉, 특정 압력값에 관한 다른 공지된 CNC 프로그래밍 기술이 사용된다. 미국 특허 7,536,892호를 참조하며, 그 전체 내용은 본원에 참고로 인용된다.

도 7에 도시된 바와 같이, 1차 성형 공구 조립체(10)는 예시적으로 원래의 워크피스(80)에 의해 형성된 평면으로부터 오프셋된 평면 상에서 외부 공구 경로(83)를 따라 이동한다. 1차 성형 공구 조립체(10)는 Z-축을 따라 전진하여, 도 6a-d에 도시된 바와 같이 워크피스(80)에 제어된 힘을 가한다. 그 후, 1차 성형 공구 조립체(10)가 외부 공구 경로(83)를 따라 이동함에 따라, 1차 성형 공구는 워크피스(80)에 힘을 계속 가한다. 워크피스(80)가 성형되는 동안, 2차 성형 공구 조립체(예를 들어, 백킹 성형 공구 조립체(90))의 탄성 층(92)은 또한 변형되어 대향 표면으로부터 워크피스 상에 제어된 카운터 힘을 가한다. 그 결과, 워크피스(80)는 공구 조립체(10)를 성형하여 접촉되고 선택된 공구 경로를 따라 소성적으로 성형된 영역에서 국부적인 힘을 수용한다.

또 다른 예로서, 도 7은 워크피스의 성형이 워크피스의 중심을 향해 증가하는 다수의 공구 경로를 갖는 하나의 작업 영역을 갖는 워크피스(80)를 도시한다. 그 결과, 일단 제1 공구 경로(83)가 완료되면, 백킹 성형 공구 조립체(90)는 워크피스(80)의 하부 표면으로부터 (Z-축을 따라) 사전결정된 거리만큼 이동하고, 1차 성형 공구 조립체(10)는 Z-축을 따라 제2 공구 경로(84)를 따라 워크피스(80)를 향해 이동하여, 1차 성형 공구 조립체(10)로부터 워크피스 상의 성형력을 상쇄시키도록 워크피스에 충분한 반응력을 제공한다. 백킹 성형 공구 조립체(90)는 1차 성형 공구 조립체(10)와 동시에 연속적으로 이동하여 그 사이의 워크피스와 1차 성형 공구 조립체의 팁이 실질적으로 대향 유지된다. 그 결과, 국부적인 성형력이 워크피스 상에 유지된다.

1차 성형 공구 조립체(10)는 워크피스를 탄성 층(92)으로 가압함으로써 워크피스(80)의 표면을 성형한다(도 6a 및 7 참조). 마무리되면, 성형 공정은 다음 공구 경로(84) 상에서 다시 시작한다(도 7 참조). 성형 공정이 완료되고 워크피스(80)가 그 최종 구성(81)으로 성형될 때까지 각각의 연속적인 공구 경로에 기초하여 공정이 반복된다(도 6b 및 7 참조).

도 8a 및 b에 도시된 바와 같이, 시트 재료당 하나 이상의 형성된 작업 영역(100)을 갖는 구성을 생성하는데 다른 공구 경로 방법이 사용될 수 있다. 구체적으로, 도 8a 및 b는 서로 분리된 2개의 작업 영역(100)을 갖는 워크피스(80)를 도시한다. 이들 도면은 본 발명의 실시예에 따른 증분 성형 단계의 시퀀스를 받는 워크피스(80) 상의 2개의 분리된 작업 영역 내에 다수의 성형을 형성하는 방법을 도시한다. 상기 방법은 하나 또는 다수의 작업 영역을 갖는 워크피스에 적용가능하다.

도 8a는 공구 경로(101 내지 108)를 도시한다. 공구 경로(101, 103, 105, 107)는 제1 성형된 영역(100)에 적용가능하고, 공구 경로(102, 104, 106, 108)는 제2 성형된 영역(100)에 적용가능하다.

도 8b는 그 새롭게 성형된 최종 구성(81)으로 본 발명의 실시예에 따른 증분 다중 성형 단계들의 시퀀스를 받는 워크피스의 예시적인 최종 전방 단면도를 도시한다. 보다 구체적으로, 도 8b는 1차 성형 공구 조립체(10) 및 2차 성형 공구 조립체(예를 들어, 백킹 성형 공구 조립체(90))를 도시한다. 2차 성형 공구 조립체는 (실시예 1-3의 탄성 층(22) 및 실시예 4의 탄성 층(32)에 필적할만한) 탄성 층(92), 및 (실시예 1-3의 코어(21) 및 실시예 4의 강성 플레이트(31)에 필적할만한) 강성 백킹(91)을 포함한다.

이러한 예에서, 1차 성형 공구 조립체(10)는 수치 시퀀스(즉, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 및 최종적으로 108)의 순서)로 공구 경로(101-108)를 따른다. 이러한 예에서, 공구 경로(101 및 102, 103 및 104, 105 및 106, 107 및 108)은 각각 Z-축 상의 실질적으로 동일한 위치에서 X-Y 평면을 따라 위치된다.

이러한 예시적인 증분적 성형 방법에 따르면, 1차 성형 공구 조립체(10)는 공구 경로(101)의 길이를 따라 어느 위치에서 공구 경로(101)의 선택된 Z-축 위치로 이동한다. 탄성 백킹 성형 공구 조립체(90)는 공구 경로(101)와 실질적으로 동일한 Z-축 방향(또는 Z-축 방향의 양 또는 음의 위치에서 사전 선택된 치수 오프셋)과 실질적으로 동일한 Z-축 위치로 이동한다. 그 후, 1차 성형 공구 조립체(10)는 워크피스(80)가 성형되고 탄성 백킹 성형 공구 조립체(90)가 워크피스를 지지함에 따라 공구 경로(101)를 따라 힘을 가하도록 진행한다. 공구 경로(101)를 따른 이동이 완료되면, 1차 성형 공구 조립체(10)는 워크피스(80)의 원래의 X-Y 기준 평면(82)을 지난 워크피스(80)로부터 X-Y 클리어런스 평면(109)으로 떨어진 Z-축에서 후퇴한다(도 8b 참조)

클리어런스 평면(109)은 기준 평면(82)으로부터 충분한 거리에 위치되어 1차 성형 공구 조립체(10)가 워크피스(80)의 표면과 접촉하지 않게 한다. 그 후, 1차 성형 공구 조립체(10)는 클리어런스 평면(109)을 따라 여전히 위치되는 동안에 공구 경로(102) 위의 새롭게 선택된 X-Y 위치로 진행한다. 그 후, 1차 성형 공구 조립체(10)는 공구 경로(101)를 위해 이전 선택된 바와 같이 공구 경로(102) 상의 실질적으로 동일한 Z-축으로 워크피스(80)를 향해 이동한다.

1차 성형 공구 조립체(10)는 워크피스(80)가 성형되고 탄성 백킹 성형 공구 조립체(90)가 워크피스를 지지함에 따라 공구 경로(102)를 따라 힘을 가하도록 진행한다. 그 결과, 공구 경로(102)를 따른 워크피스(80)의 성형 양은 공구 경로(101)를 따라 실질적으로 동일한 양이다. 공구 경로(101) 및 공구 경로(102)를 따른 1차 공구 조립체(10)의 이동 동안, 이러한 예에서, 백킹 성형 공구 조립체(90)는 Z-축 상의 그 위치를 변경하지 않는다.

1차 성형 공구 조립체(10)는 워크피스(80)로부터 멀리, 원래의 기준 평면(82)을 지나 클리어런스 평면(109)으로 다시 Z-축 방향으로 다시 후퇴한다. 그 후, 1차 성형 공구 조립체(10)는 공구 경로(103) 위의 X-Y 위치로 진행한다. 탄성 백킹 성형 공구 조립체(90)는 또한 워크피스(80)로부터 사전 선택된 Z-축 위치(또는 Z-축 방향의 양 또는 음의 치수에서의 치수 오프셋)로 이동한다. 그 후, 1차 성형 공구 조립체(10)는 공구 경로(103)의 선택된 Z-축 레벨로 이동하고 공구 경로(103)를 따라 진행한다. 공구 경로(103)를 따라 성형이 완료되면, 1차 성형 공구 조립체(10)는 클리어런스 평면(109)를 따라 여전히 위치되는 동안 공구 경로(104) 위의 새롭게 선택된 X-Y 위치로 진행한다. 그 후, 1차 성형 공구 조립체(10)는 공구 경로(101)에 대해 이전에 선택된 바와 같이 공구 경로(104) 상의 실질적으로 동일한 Z-축 위치로 워크피스(80)를 향해 이동한다.

1차 성형 공구 조립체(10)는 워크피스(80)가 성형되고 탄성 백킹 성형 공구 조립체(90)가 워크피스를 지지함에 따라 공구 경로(104)를 따라 힘을 가하도록 진행한다. 결과적으로, 공구 경로(104)를 따른 워크피스(80)의 성형 양은 공구 경로(103)를 따르는 것과 실질적으로 동일한 양이다. 공구 경로(103) 및 공구 경로(104)를 따른 1차 공구 조립체(10)의 이동 동안에, 이러한 예에서, 탄성 백킹 성형 공구 조립체(90)는 Z-축 상에서 그 위치를 실질적으로 변경하지 않는다.

그 후, 이러한 방법은 워크피스(80)가 다수의 성형을 갖는 최종 형상으로 성형될 때까지 공구 경로(105 및 106, 107 및 108)를 반복하여 계속한다. 즉, 실질적으로 동일한 Z-축 레벨로 형성될 이들 공구 경로는 최종 구성의 실질적으로 동일한 Z-축 레벨을 갖는 모든 공구 경로를 형성하도록 순차적으로 모두 처리된다.

본 발명의 방법에 따르면, 단일 시트 상의 다수의 성형은 동일한 최종 형상 또는 동일한 최종 성형 양을 가질 필요가 없다. 다수의 성형의 상이한 구성이 단일 시트 재료 상에서 요구되는 경우, 상기한 증분 공정은 적어도 성형 양이 다수의 성형을 위해 고려되는 공구 경로를 따라 시작할 것이다. 그 다음, 그 공정은 다음의 성형 양이 고려된 공구 경로 상으로 이동하고, 그 후 모든 공구 경로 구성이 완료되고 최종 형태가 달성될 때까지 계속된다.

도 9a-c는 본 발명에 따른 다양한 1차 성형 공구 조립체의 단면도를 도시한다.

도 9a는 임의의 적절한 강성 재료, 통상적으로 경화된 강 또는 엔지니어링된 세라믹으로 제조된 증실형 공구를 포함하는 1차 성형 공구 조립체(10)를 도시한다. 워크피스(80)에 접촉하는 1차 성형 공구 조립체의 팁은 임의의 형상일 수 있다. 적용례에 따라, 팁은 바람직하게 구형으로 형성된다. 1차 성형 공구 조립체(10)는 또한 금속 작업 공구를 위해 당업계에 공지된 바와 같은 또 다른 경화 또는 코팅과 같은 표면 처리를 가질 수 있다.

도 9b는 공구 샤프트(12) 및 부착된 공구 팁(11)을 포함하는 것으로 1차 성형 공구 조립체(10)를 도시한다. 공구 샤프트(12)는 임의의 적절한 재료, 통상적으로 경화된 강으로 제조될 수 있다. 공구 샤프트(12)는 또한 금속 작업 공구의 당업계에 공지된 바와 같은 경화 또는 코팅과 같은 추가적인 표면 처리를 가질 수 있다.

공구 팁(11)은 바람직하게 구형 형상이지만, 다른 형상도 가능하며 고려될 수 있다. 공구 팁(11)은 임의의 적절한 경질 및 강성 재료, 바람직하게 세라믹 또는 강 합금으로 제조될 수 있다. 공구 팁(11)은 기계적으로 또는 접착에 의해 공구 샤프트(12)에 고정적으로 고정될 수 있다. 공구 팁(11)은 대안적으로 후술되는 바와 같이 공구 샤프트(12)에 대해 자유롭게 회전하도록 설계될 수 있다.

도 9c는 공구 샤프트(12), 공구 팁(11), 및 공구 팁(11)과 공구 샤프트(12) 사이에 위치된 평면 베어링(13)을 포함하는 것으로 1차 성형 공구 조립체(10)를 도시한다. 이러한 실시예는 그 롤링 팁을 갖는 볼펜과 유사하게 작용한다.

1차 성형 공구 조립체(10)의 모두 또는 일부(예를 들어, 팁(11))은 가동된 등급의 세라믹 재료를 포함하는 것이 바람직하다. 즉, 도 9a-c의 각각에서 하나 이상의 구성요소(11, 12, 13)는 바람직하게 워크피스(80)의 경도보다 큰 경도를 갖는 엔지니어링된 세라믹으로 제조될 수 있다. 워크피스(80)의 실제 재료에 따라, 산화물 세라믹, 및 이에 한정되지 않지만 실리콘 질화물, 알루미늄 질화물, 지르코늄 산화물, 실리콘 카바이드 및 알루미늄 산화물 등의 비-산화물 세라믹을 포함하는 다수의 기술적 또는 엔지니어링 등급 세라믹이 사용될 수 있다. 실리콘 질화물(Si₃N₄) 세라믹이 종종 바람직하다. 1차 성형 공구 조립체(10) 및 그 공구 팁(11)의 경도는 공작물(80)의 경도보다 크다.

성형되는 워크피스의 크기 및 요구되는 최종 성형에 따라, 공구 팁(11)은 바람직하게 구형인 것이 바람직하고, 그 직경은 바람직하게 보다 큰 워크피스에 대해 약 0.125 인치 내지 약 2.0 인치, 더욱 바람직하게 약 0.50 인치 내지 약 1 인치이고, 바람직하게 보다 작은 워크피스에 대해 약 0.125 인치 내지 약 0.50 인치이다.

또한, 1차 성형 공구 조립체(10)의 일부로서 엔지니어링 등급 세라믹을 포함하는 것은 종래 기술의 장치에 의해 요구되는 바와 같이 워크피스의 일정한 윤활을 필요로 하지 않는다. 유리하게는, 본 발명의 방법에 따라 공구 팁(11)으로서 사용될 때의 엔지니어링된 세라믹(예를 들어, 특히 실리콘 질화물)의 구형 볼(spherical ball)은 워크피스(80) 상에 가해지는 힘 및 결과적인 마찰에도 불구하고 분쇄되지 않는다. 이러한 엔지니어링된 세라믹 팁은 또한 시트 금속과 같은 재료의 성형된 시트에 연마 또는 광택된 마무리를 생성한다.

평면 베어링(13)에 적합한 재료는, 이에 한정되지는 않지만 공지된 베어링 재료에 따라 세라믹, 금속 또는 플라스틱을 포함한다.

도 10은 동기화된 제어 시스템과 조합하여 본 발명의 실시예의 부분 단면도를 도시한다. 도 10은 동기화된 제어기 조립체(85), 비-접촉 측정 센서(86) 및 접촉 측정 센서(87)를 도시한다. 도 10은 또한 1차 성형 공구 조립체(10) 및 2차 성형 공구 조립체(예를 들어, 백킹 성형 공구 조립체(90))를 도시한다. 2차 성형 공구 조립체는 (실시예 1-3의 탄성 층(22) 및 실시예 4의 탄성 층(32)에 필적할만한) 탄성 층(92) 및 (실시예 1-3(예를 들어, 도 1a-b, 2a-b 및 3a-b 참조)의 코어(21)에 필적할만한) 강성 백킹(91) 및 실시예 4의 강성 플레이트(31)(예를 들어, 도 4a-b 및 5 참조)를 포함한다.

도 10에서, 하나 이상의 제어기 또는 제어 모듈은 상기한 실시예에서 설명된 구성요소와 적용가능한 동기화된 제어 동작을 위해 제공될 수 있다. 예로서, 동기화된 제어기 조립체(85)는 이전 실시예(모든 구성요소가 도 10에 도시되지 않음)의 시트 공급 롤러 조립체(40)(예를 들어, 도 1a-c 참조) 또는 시트 공급 벨트 조립체(43)(예를 들어, 도 2a-c 참조) 또는 시트 고정 조립체(50)(예를 들어, 도 3a-c 참조) 또는 작업대 조립체(71)(예를 들어, 도 5 참조), 1차 성형 공구 조립체(10), 및 (백킹 롤러 공구 조립체(20)와 유사한) 2차 성형 공구 조립체(90)(예를 들어, 도 1a-b, 2a-b 및 3a-b 참조) 또는 백킹 플랫 공구 조립체(30)(예를 들어, 도 4a-b 및 5 참조)의 정밀한 위치설정을 모니터링하고 제어한다. 동기화된 제어기 조립체(85)는 다양한 서브시스템들과 직접 상호작용할 수 있다. 대안적으로, 동기화된 제어기 조립체(85)는 조정된 제어를 결정하고 제공하기 위해 각 서브시스템에 대한 위치 정보를 획득함으로써 간접적으로 상호작용할 수 있다.

도 10에서, 동기화된 제어기 조립체(85)는 당업계에 따라 NC (수치 제어) 데이터에 기초하여 동작할 수 있다. 동기화된 제어기 조립체(85)는 워크피스(80)를 설계 사양으로 성형하기 위해 수치 제어 데이터를 유도하기 위한 CAD 데이터를 수신하도록 적응될 수 있다. 제어기 조립체(85)는 워크피스(80)를 물리적으로 접촉하는 접촉 센서(87)를 통해 또는 비-접촉 센서(86)를 통해 물리적 접촉 없이(즉, 레이저 또는 광학 측정 시스템) 워크피스(80)의 위치 및 성형 공정을 모니터링할 수 있다. 동기화된 제어기 조립체(85), 접촉 센서(87), 및 비-접촉 센서(86)를 구비하는 제어 시스템은 본 발명의 성형 공정의 시작에서 워크피스(80)의 위치를 모니터링할 수 있고, 바람직하게 성형 공정 전체에 걸쳐 반복적으로 모니터링할 수 있다.

도 10에 따르면, 비-접촉 센서(86) 또는 접촉 센서(87)는 워크피스의 성형 경로를 따라 특정 위치에서 워크피스(80)의 성형 양을 측정하기 위해 전술한 바와 같이 제공된다. 센서(86 또는 87)로부터의 결과적인 측정은 성형 경로를 따라 동일한 특정 위치에서 사전결정된 성형 양과 비교된다. 결과적인 비교된 측정은 제어기 조립체(85)로 중계된다. 그 후, 제어기 조립체(85)는 사전결정된 형상으로 워크피스를 성형하기 위해 경로를 따라 사전 프로그램된 양에 대해 1차 성형 공구 조립체(10) 및 백킹 성형 공구 조립체(90) 중 적어도 하나의 위치를 조정한다. 또한 미국특허 7,536,892호를 참조한다.

도 10에 도시된 제어 시스템이 바람직한 실시예와 관련하여 도시되어 있지만, 이러한 제어 시스템은 본 명세서에 기술된 본 발명의 실시예들 중 임의의 실시예와 함께 이용될 수 있다.

본 발명의 상세한 실시예가 본 명세서에 개시된다. 또한, 개시된 실시예들은 다양한 및 대안적인 형태로 구현될 수 있는 본 발명의 단지 예시일 뿐이라는 것을 이해해야 한다. 도면들은 반드시 축척될 필요는 없다. 일부 특징들은 특정 구성요소들의 세부사항들을 보여주기 위해 과장되거나 최소화될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 개시된 특정 구조적 및 기능적 세부사항들은 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 단지 청구항들에 대한 대표적인 기초로서 및/또는 본 발명을 다양하게 채용하기 위해 당업자에게 공지된 대표적인 기초로서 해석되어서는 안된다.

또한, 도면들에서, 다양한 구성요소(예를 들어, 시트 공급 롤러 조립체(40) 또는 시트 공급 벨트 조립체(43) 또는 시트 고정 조립체(50) 또는 시트 고정구 조립체(60); 1차 성형 공구 조립체(10); 및 백킹 롤러 공구 조립체(30) 또는 백킹 성형 공구 조립체(90))의 서로에 대한 이동에 대한 3차원 직교 좌표계의 X, Y 및 Z축에 대한 참조가 이루어진다. 다양한 구성요소의 이동은 적용가능한 바와 같이, (증분적인 성형 전의 워크피스의 초기 구성에 의해 정의되는) 다른 구성요소 및 기준 평면 각각의 이동과 관련하여 도시되도록 의도된다는 것을 이해해야 한다.

또한, 제1 또는 제2 표면, 상부 또는 하부, 또는 수직 또는 수평 등인 특정 표면에 대한 참조가 이루어진다. 이러한 방향의 설명은 적용가능한 도면들에 도시된 바와 같이 적절한 X, Y 및 Z축들과 관련하여 고려되도록 의도된다.

또한, 기준 평면은 도 1a, 6a-d 및 8b에서 X-Y 평면(82)으로서 도시된다. 단순화를 위해, 기준 평면은 다른 도면들에 도시되어 있지 않지만, 증분적인 성형 전에 X-Y 평면을 따라 워크피스(80)의 초기의 대체로 평탄한 구성인 것으로 의도된다.

Claims (16)

1. "X", "Y", "Z" 3차원 직교 좌표계의 X-Y 평면 상에 위치된 제1 및 제2 대향 표면을 갖는 금속 또는 플라스틱 시트 재료로 이루어진 워크피스를 증분적으로 성형하기 위한 장치(apparatus for incrementally forming a work piece)에 있어서,
   a. 상기 워크피스의 제1 표면에 인접하게 대향하도록 위치되며, X-Y 평면에 평행하고 Z-축을 따라 상기 워크피스와 결합 및 비결합을 위해 이동하여 상기 워크피스의 주름(wrinkling) 및 인열(tearing) 없이 상기 워크피스의 제1 표면 상에 성형력을 가하도록 배치된 1차 성형 공구 조립체(primary forming tool assembly); 및
   b. 상기 X-Y 평면에 평행하게 위치된 평탄한 표면부를 갖도록 구성 및 배치된 2차 성형 공구 조립체(secondary forming tool assembly)로서, 상기 2차 성형 공구 조립체는 상기 평탄한 표면부에 고정되고, 상기 워크피스의 제2 표면에 대향하도록 위치되고, Z-축을 따라 상기 워크피스의 제2 표면과의 결합 및 비결합을 위해 이동하도록 구성 및 배치된 압축성 및 탄성 외부 표면 재료층을 갖는, 상기 2차 성형 공구 조립체
   를 포함하고,
   상기 1차 성형 공구 조립체 및 상기 2차 성형 공구 조립체는 상기 워크피스의 대향 측면 상에서 서로에 대해 사전결정된 시퀀스 및 패턴으로 독립적으로 이동하도록 구성 및 배치되어, 상기 1차 성형 공구 조립체가 상기 워크피스의 제1 표면 상에 상기 성형력을 가하고, 상기 2차 성형 공구 조립체가 상기 워크피스의 제2 표면에 대해 카운터 힘을 제공하도록 배치됨으로써, 상기 워크피스를 지지하고, 상기 워크피스가 성형되는 동안 상기 워크피스, 상기 1차 성형 공구 조립체 및 상기 2차 성형 공구 조립체 사이의 접촉 지대 내에서 상기 워크피스 상에 국부화된 힘을 발생시키는,
   장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 2차 성형 공구 조립체는 평탄한 강성의 플레이트를 갖는 백킹 플랫 공구 조립체(backing flat tool assembly)이고, 상기 외부 표면 재료층은 상기 평탄한 강성의 플레이트에 고정되며,
   상기 외부 표면 재료층은,
   a. 상기 워크피스가 상기 1차 성형 공구 조립체 및 상기 백킹 플랫 공구 조립체와의 결합에 의해 성형됨에 따라 상기 워크피스에 의해 가해지는 힘에 의해 압축되고,
   b. 상기 백킹 플랫 공구 조립체가 Z-축을 따라 상기 워크피스의 제2 표면으로부터 멀리 이동함에 따라 비-압축된 형상으로 탄성적으로 복귀하도록 구성 및 배치되는,
   장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 워크피스를 견고하게 유지하고,
   상기 워크피스의 제1 표면 상의 상기 1차 성형 공구 조립체 및 상기 워크피스의 제2 표면 상의 상기 백킹 플랫 공구 조립체에 의해 상기 워크피스에 대한 접근을 위한 개구를 형성하도록 구성 및 배치된 시트 고정구 조립체(sheet fixture assembly)를 더 구비하는,
   장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 1차 성형 공구 조립체는, 상기 워크피스의 상기 제1 표면을 향해 대향하도록 배치되고 상기 2차 성형 공구 조립체의 반대편에 위치된 팁을 갖는 공구 샤프트를 포함하고,
   상기 1차 성형 공구 조립체는,
   a. 상기 워크피스의 제1 표면과의 접촉 및 비접촉 관계로 Z-축을 따라 이동하고,
   b. 상기 워크피스의 제1 표면 상에 선택적으로 상기 성형력을 가하여 상기 워크피스의 주름 및 인열 없이 상기 워크피스를 사전결정된 구성으로 성형하도록 배치되는,
   장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 공구 샤프트의 팁은 엔지니어링된 세라믹 재료(engineered ceramic material)를 포함하는,
   장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 1차 성형 공구 조립체 및 상기 2차 성형 공구 조립체의 각각의 운동을 서로에 대해 동시에 조정하도록 배치된 제어 시스템을 더 포함하며,
   조정된 운동은 상기 1차 성형 공구 조립체가 상기 워크피스의 제1 표면을 따라 사전결정된 경로를 따르게 하는 한편, 상기 2차 성형 공구 조립체가 상기 워크피스의 제2 표면에 대한 상기 1차 성형 공구 조립체와의 위치 관계로 동시에 제어되는,
   장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 1차 성형 공구 조립체는,
   i. 상기 워크피스의 상기 제1 표면을 향해 인접하게 대향하여 위치되고,
   ii. X-Y 평면에 평행하고, Z-축을 따라 상기 워크피스의 제1 표면과의 결합 및 비결합을 위해 이동하고,
   iii. 상기 워크피스의 제1 표면 상에 선택적으로 상기 성형력을 가하여 상기 워크피스의 주름 및 인열 없이 상기 워크피스를 사전결정된 구성으로 성형하도록 배치되는 팁을 갖는 공구 샤프트를 구비하고;
   상기 2차 성형 공구 조립체는 압축성 및 탄성의 외부 표면 재료층이 부착된 X-Y 평면에 평행하게 위치된 평탄한 플레이트를 구비하고,
   상기 외부 표면 재료층은,
   i. 상기 워크피스가 상기 1차 성형 공구 조립체 및 상기 2차 성형 공구 조립체와의 결합에 의해 성형됨에 따라 상기 워크피스에 의해 가해지는 힘에 의해 압축되고,
   ii. 상기 2차 성형 공구 조립체가 Z-축을 따라 상기 워크피스의 제2 표면으로부터 멀리 이동함에 따라 비-압축된 형상으로 탄성적으로 복귀하도록 구성 및 배치되고;
   상기 장치는,
   a. 상기 워크피스를 견고하게 유지하고,
   b. 상기 워크피스의 제1 표면 상의 상기 1차 성형 공구 조립체 및 상기 워크피스의 제2 표면 상의 상기 2차 성형 공구 조립체에 의해 상기 워크피스에 대한 접근을 위한 개구를 형성하도록 구성 및 배치된 시트 고정구 조립체(sheet fixture assembly)를 더 포함하고,
   상기 1차 성형 공구 조립체 및 상기 2차 성형 공구 조립체는 상기 워크피스의 대향 측면 상에서 서로에 대해 사전결정된 시퀀스 및 패턴으로 독립적으로 이동하도록 구성 및 배치되어, 상기 1차 성형 공구 조립체가 상기 워크피스의 제1 표면 상에 상기 성형력을 가하고, 상기 2차 성형 공구 조립체가 상기 워크피스의 제2 표면에 대해 카운터 힘을 제공하도록 배치됨으로써, 상기 워크피스를 지지하고, 상기 워크피스가 성형되는 동안 상기 워크피스, 상기 1차 성형 공구 조립체 및 상기 2차 성형 공구 조립체 사이의 접촉 지대 내에서 상기 워크피스 상에 국부화된 힘을 발생시키는,
   장치.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 공구 샤프트의 팁은 엔지니어링된 세라믹 재료를 포함하는,
   장치.
   
9. 제1 및 제2 대향되고 평행한 표면, 작업 영역을 갖고, 양자의 표면에 평행한 기준 평면을 형성하는 금속 또는 플라스틱 시트로 이루어진 워크피스를 증분적으로 성형하기 위한 장치(an apparatus for incrementally forming a work piece)에 있어서,
   a. 상기 워크피스의 제1 표면에 인접하게 대향하여 위치되며, 상기 기준 평면에 수직인 방향으로 상기 워크피스와 결합 및 비결합을 위해 이동하여 상기 워크피스를 천공하지 않고서 상기 워크피스의 제1 표면 상에 성형력을 가하도록 배치된 1차 성형 공구 조립체;
   b. i) 상기 기준 평면에 평행하게 위치된 평탄한 강성 표면과, ii) 상기 워크피스의 제2 표면에 대향하고 상기 평탄한 강성 표면에 고정되는 압축성 및 탄성 외부 표면부를 갖도록 구성 및 배치된 2차 성형 공구 조립체로서, 상기 2차 성형 공구 조립체는 상기 기준 평면에 수직인 방향으로 상기 워크피스와의 결합 및 비결합을 위해 이동하도록 배치되는, 상기 2차 성형 공구 조립체; 및
   c. 상기 기준 평면에 평행한 방향으로 상기 1차 성형 공구 조립체와 상기 2차 성형 공구 조립체 사이에서 상기 워크피스를 견고하게 유지하도록 구성 및 배치된 시트 고정구 조립체
   를 포함하고,
   상기 1차 성형 공구 조립체는 상기 작업 영역 내에 상기 1차 성형 공구 조립체를 위치시키기 위해 상기 기준 평면에 평행한 방향으로 이동하도록 배치되어, 상기 1차 성형 공구 조립체가 상기 워크피스의 제1 표면 상에 결합하여 상기 성형력을 가하는 동안, 상기 2차 성형 공구 조립체의 외부 표면부가 상기 기준 평면에 평행하게 그리고 상기 1차 성형 공구 조립체의 반대편에 위치되고 상기 워크피스의 제2 표면과 접촉 및 결합하도록 배치되어, 상기 2차 성형 공구 조립체의 외부 표면부가 상기 1차 성형 공구 조립체로부터의 상기 성형력에 대한 카운터 힘을 제공함으로써, 상기 워크피스의 제2 표면을 지지하고, 상기 워크피스, 상기 1차 성형 공구 조립체 및 상기 2차 성형 공구 조립체 사이의 접촉 지대에서 상기 워크피스 상의 상기 성형력을 국부화하는,
   장치.
   
10. 적어도 하나의 작업 영역을 갖고, "X", "Y", "Z" 3차원 직교 좌표계의 X-Y 평면 상에 위치된 제1 및 제2 대향되고 실질적으로 평행한 표면을 갖는 워크피스를 증분적으로 성형하기 위한 방법에 있어서,
    a. 장치를 제공하는 단계로서, 상기 장치는
    1. 상기 워크피스의 제1 표면에 인접하게 대향하도록 위치된 1차 성형 공구 조립체; 및
    2. 상기 워크피스의 제2 표면에 인접하게 대향하도록 위치된 압축성 및 탄성 표면부를 갖는 백킹 성형 공구 조립체를 갖고,
    상기 1차 성형 공구 조립체 및 상기 백킹 성형 공구 조립체는 서로에 대해 사전결정된 시퀀스 및 패턴으로 독립적으로 이동하도록 구성 및 배치되는, 상기 장치를 제공하는 단계;
    b. 상기 작업 영역 내에서 상기 워크피스의 제1 표면에 인접하기 위해 사전결정된 X, Y, Z 좌표로 이동하도록 상기 워크피스에 대해 상기 1차 성형 공구 조립체를 위치시키는 단계;
    c. 상기 워크피스의 제2 표면과 접촉하고 상기 1차 성형 공구 조립체의 위치에 대향되기 위해 상기 작업 영역 내의 사전결정된 Z 좌표로 이동하도록 상기 워크피스에 대해 상기 백킹 성형 공구 조립체를 위치시키는 단계;
    d. 상기 작업 영역 내의 접촉 영역에서 상기 워크피스의 제1 표면에 접촉하여 성형력을 가하도록 Z-축을 따라 상기 워크피스를 향해 상기 1차 성형 공구 조립체를 사전결정된 Z 좌표로 전진시키는 단계로서, 상기 전진시키는 단계에 의해
    1. 상기 워크피스를 사전결정된 구성으로 성형하고,
    2. 상기 워크피스의 제2 표면을 지지하기 위해 상기 백킹 성형 공구 조립체를 압축하여, 상기 워크피스가 성형되는 동안 상기 접촉 영역 내에서 국부화된 힘을 발생시키는, 상기 전진시키는 단계; 및
    e. 사전결정된 좌표 세트를 따라 X-Y 평면에 평행한 상기 워크피스에 대해 상기 1차 성형 공구 조립체를 이동시키는 한편, 상기 워크피스가 상기 작업 영역 내에서 Z-방향으로 일관되게 성형됨에 따라 사전결정된 성형 경로를 따르도록 하는 단계
    를 포함하는,
    방법.
    
11. 제10항에 있어서,
    f. 상기 워크피스가 상기 작업 영역에서 완전히 성형될 때까지 Z 좌표에 대한 증분적으로 진행하는 값을 순차적으로 이용하여 단계 "b" 내지 "e"를 반복하는 단계를 포함하는,
    방법.
    
12. 제11항에 있어서,
    g. 상기 1차 성형 공구 조립체 및 상기 백킹 성형 공구 조립체의 각각의 위치를 서로에 대해 동시에 조정할 수 있는 제어기 조립체를 제공하는 단계;
    h. 상기 워크피스의 성형 경로를 따라 특정 위치에서 상기 워크피스의 성형 양을 측정하기 위한 적어도 하나의 센서를 제공하는 단계;
    i. 상기 센서로부터의 측정값을 상기 성형 경로를 따라 동일한 특정 위치에서 사전결정된 성형 양과 비교하는 단계;
    j. 결과적인 비교 측정값을 상기 제어기 조립체에 중계하는 단계; 및
    k. 상기 1차 성형 공구 조립체 및 상기 백킹 성형 공구 조립체 중 적어도 하나의 위치를 상기 경로를 따라 사전 프로그램된 성형 양에 대해 조정하여 상기 워크피스를 사전결정된 구성으로 성형하는 단계
    를 더 포함하는,
    방법.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 센서가 상기 워크피스와 물리적으로 접촉하지 않고서 상기 워크피스의 성형 양을 측정하기 위해 비-접촉 타입(non-contact type)이 되도록 상기 센서를 선택하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
    
14. 제12항에 있어서,
    상기 센서가 상기 워크피스를 물리적으로 접촉하여 상기 워크피스의 성형 양을 측정하기 위해 접촉 타입(contact type)이 되도록 상기 센서를 선택하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
    
15. 제10항에 있어서,
    상기 워크피스는 서로 분리된 적어도 제1 및 제2 작업 영역을 갖고,
    f. 상기 워크피스의 제1 표면에 인접한 제2 또는 후속적인 작업 영역 내의 사전결정된 좌표 세트에서 X-Y 평면 상에 상기 1차 성형 공구 조립체를 재위치시키는 단계;
    g. 상기 제2 또는 후속적인 작업 영역 내에서 Z-방향으로 상기 워크피스를 향해 상기 1차 성형 공구 조립체를 제1 또는 이전 작업 영역에 대해 선택되었던 것과 실질적으로 동일한 Z 좌표로 전진시켜서, 상기 제2 또는 후속적인 작업 영역 내의 접촉 영역에서 상기 워크피스의 제1 표면 상에 접촉하여 성형력을 가하는 단계로서, 상기 성형력을 가하는 단계에 의해
    1. 상기 워크피스를 사전결정된 구성으로 성형하고,
    2. 상기 워크피스의 제2 표면을 지지하기 위해 상기 백킹 성형 공구 조립체의 탄성 표면부를 압축하여, 상기 워크피스가 성형되는 동안 상기 접촉 영역 내에서 국부화된 힘을 발생시키는, 상기 성형력을 가하는 단계;
    h. 사전결정된 좌표 세트를 따라 X-Y 평면에 평행한 상기 워크피스에 대해 상기 1차 성형 공구 조립체를 이동시키는 한편, 상기 워크피스가 상기 제2 또는 후속적인 작업 영역 내에서 Z-방향으로 일관되게 성형됨에 따라 사전결정된 경로를 따르도록 하는 단계; 및
    i. 상기 Z-방향으로 상기 워크피스로부터 멀어지게 상기 1차 성형 공구 조립체를 후퇴시키는 단계
    를 더 포함하는,
    방법.
    
16. 제15항에 있어서,
    j. 상기 워크피스가 각각의 후속적인 작업 영역에서 완전히 성형될 때까지 Z 좌표에 대한 증분적으로 진행하는 값을 순차적으로 이용하여 단계 "f" 내지 "i"를 반복하는 단계를 더 포함하는,
    방법.

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