KR20020061658A - 발포 사출품의 표면 품위 향상을 위한 압력 제어 금형 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발포 물질을 사용하여 발포된 성형품을 만들어내는 발포 사출 성형기의 금형에 관한 것이다. 현재 사용되고 있는 금형은 단지 용융 플라스틱을 응고시켜 원하는 형상을 만들기 위한 것이기 때문에 화학적 발포재나 가스와 같은 발포 물질을 플라스틱과 혼합하여 성형하는 발포 사출 성형 공법에 적용되기에는 부적절한 경우도 있다. 발포 사출된 성형품의 표면과 충격 강도를 높이기 위해서는 새로운 개념의 금형이 필요하다.

따라서 본 발명에서는 가스와 같은 발포 물질을 사용하는 발포 사출에 적용되어 발포된 고품위 표면과 고충격 강도를 얻도록 하여주는 금형을 고안하였다.

Description

발포 사출품의 표면 품위 향상을 위한 압력 제어 금형{A Pressure Controllable Mold for High Quality Surface of Foamed Parts}

본 발명은 가스를 발포 물질로 사용하거나 화학적 발포재를 이용하는 발포 사출 성형과 제품의 최종 형상을 갖고 있는 금형과 관계가 있다. 사출 성형은 플라스틱을 용융시켜 원하는 모양의 제품을 성형하는 기술로서 플라스틱 산업에 가장 널리 사용되는 기술이고 발포 사출 성형은 플라스틱과 발포 물질(가스 또는화학적, 물리적 발포재)을 혼합하여 플라스틱 내부에 기포를 포함하는 제품을 성형하는 공법이다. 금형은 용융된 플라스틱 또는 플라스틱/발포재 용액이 유입되어 일정 모양이 형성되도록 내부에 빈 공간을 갖고 있는 금속들의 결합체이다. 본 발명은 발포 사출 성형시 플라스틱/발포재 용액이 금형 내부로 사출되면서 생성되는 기포의 흐름 자국을 없애줄 수 있는 금형 기술에 관한 것이다. 본 발명과 관계된 분야의 종래 기술로는 다음과 같은 것들이 있다.

초미세 발포 사출 성형

초미세 발포 사출 성형은 용융 플라스틱과 발포 물질인 가스를 사출 성형기의 실린더 내부에서 원활히 혼합시킨 후 금형에 사출하는 공법이다. 본 공법이 다른 발포 성형과 다른 점은 비활성 가스를 발포 물질로 사용한다는 것으로 가스가 환경 친화적이기 때문에 차세대 발포 기술로 각광을 받고 있다. 또한 가스가 금형에서 발포되면서 냉각 시간을 단축시켜 전체적인 사이클 타임을 감소시켜 생산성을 높여주며 발포된 부피만큼 플라스틱 재료를 절약할 수 있다.

Gas Assisted Injection Molding

꺾인 형상을 갖는 플라스틱은 꺾인 부위의 응력 집중 현상을 해소하기 위해서 다른 부위보다 살두께를 두껍게 한다. 그렇지만 살두께가 두꺼워지기 때문에 냉각 시간이 길어지고 수축이 다른 부위보다 많이 일어나기 때문에 제품 설계자나 금형 설계자들이 회피하는 형상이다. 본 공법은 상기한 문제를 해결하기 위한 대안으로 그 부위에 가스 채널을 만들어 성형하여 살두께를 줄이면서 냉각 시간을 단축시키는 기술이다.

hot runner

hot runner는 기존의 사출에 의해서 버려질 수 밖에 없었던 스프루와 러너를 냉각시키지 않고 플라스틱 용액의 온도로 유지시키는 것이기 때문에 명명된 방법이다. 현재 사용하고 있는 방법은 스프루나 러너의 끝부분에 밸브가 장차된 금형에 사출한 다음 이미 설치된 밸브를 닫아 스프루와 러너 부분이 없는 최종 사출품을 얻어내는 것이다. 따라서, 동일 사출품에 비해서 스프루와 러너가 없기 때문에 그만큼의 재료 손실을 막을 수 있어 생산 단가를 줄일 수 있다.

본 발명은 상기한 기술 중 초미세 발포 사출 성형 등과 같은 발포 성형에 사용되는 금형에 새로운 아이디어를 구현시켜 발포로 인해 무게가 감량된 제품일 지라도 고품위 표면과 고충격 강도를 갖는 제품을 얻을 수 있도록 한다.

도 1은 압력 제어 금형의 개략도이다.

도 2는 일반 금형을 사용하여 발포한 경우와 압력 제어 금형을 사용하여 발포한 경우 각각에 대한 플라스틱 용액 내부에 용해될 수 있는 가스 용해량을 보여주는 그림이다.

도 3은 압력 제어 금형을 사용할 경우 발생할 수 있는 발포 배율 감소 현상을 해결하기 위한 방법을 보여주는 그림이다.

도 4는 일반 금형을 이용하여 취득한 제품과 압력 제어 금형을 이용하여 취득한 제품의 충격 강도를 보여주는 그림이다.

본 발명은 기포가 발포된 사출품의 표면이 발포하지 않은 사출품과 같은 좋은 표면을 갖는 사출품을 얻도록 하여주는 금형에 관한 것으로 다음과 같이 구성되어 있다.

도 1은 압력 제어 금형의 개략도이다. 금형의 구성은 가스 공급 장치(도 1에서는 가스 실린더로 표기함)로부터의 가스 공급을 제어할 수 있는 입력 밸브(도 1에서 v/v in)와 금형 내부(cavity)의 압력이 설정한 값 이상일 때 금형 내부의 가스를 배출시키는 안전 밸브(도 1에서 safety v/v), 그리고 금형 내부의 압력을 배출 할 수 있는 배기 밸브(도 1의 v/v out), 마지막으로 금형 내부의 압력을 원하는 값으로 유지시킬 수 있는 압력 제어 유닛(도 1의 PCU : Pressure Control Unit) 등이다. 또한 금형의 밀폐를 위해서 오링(O-ring)을 이용한다.

작동 순서는 다음과 같다. 플라스틱/발포재 용액을 사출하기 직전에 도 1의 PCU가 입력 밸브를 열어 일정 압력으로 금형 내부를 유지시킨 후, 플라스틱/발포재 용액을 사출한다. 혼합 용액의 사출로 인해 금형 내부의 압력이 높아지게 되는데 필요 이상의 압력은 안전과 발포 효율을 위해 safety v/v로 배출되어 금형 내부는 일정값으로 유지될 수 있다. 혼합 용액의 사출 후 일정 시간 뒤에 v/v out을 PCU가 열어주어 금형 내부의 압력을 배출시킨 후 냉각 시간 후에 금형을 열어 제품을 취득한다.

도 2는 일반 금형을 사용하여 발포를 한 경우와 압력 제어 금형을 사용하여 발포를 한 경우 각각에 대한 플라스틱 용액 내부에 용해될 수 있는 가스 용해량을 보여 주는 그림이다. 현재 사용되고 있는 일반 사출 성형 금형을 이용할 경우에는 플라스틱/발포재 용액이 대기압인 금형 내부로 사출되기 때문에 사출과 동시에 발포가 일어나게 되고 그로 인해 금형 내부로 유입될 때에는 가스와 플라스틱이 2상으로 존재하기 때문에 표면에 기포 흐름 자국을 남기게 된다.

압력 제어 금형을 이용하여 사출을 할 경우에는 도 2의 점선이 보여주는 것처럼 사출이 되는 시간 t1 동안 압력이 낮아지기는 하지만 플라스틱/발포재 용액내부에 용해된 가스를 충분히 용해시킬 수 있는 압력까지만 낮아져서 발포가 일어나지 않게 된다. t1과 t2 사이의 시간동안 금형의 압력을 유지한 후 도 1의 v/v out을 열어 압력을 제거할 때 생긴 압력차에 의해 드디어 발포가 일어나는 것이다. 도 2의 임계 용해량은 플라스틱/발포재 용액 내부에 용해된 가스의 양을 지칭하는 것이다.

도 3은 압력 제어 금형을 사용할 경우 발생할 수 있는 발포 배율 감소 현상을 해결하기 위한 방법으로 금형 내부의 압력 조건에 따라 조절될 수 있는 금형의 그림이다. 도 3의 (a)처럼 금형 내부에 압력을 건 후 플라스틱/발포재 용액을 사출한 뒤(빗금친 부분), 일정 시간 후 가스를 배출시킨 다음 ①의 힘을 제거하여 ②가 후진시키면 도 3의 (b)에서 보여주는 것같이 부피가 증가한 사출품(빗금친 부분)을 얻을 수 있다. ①의 힘은 사출기에서 사용하는 유압을 이용할 수도 있고 가스 압을 사용할 수도 있으며 스프링을 이용할 수도 있다.

현재까지 개발된 발포 사출 성형을 일반 금형을 이용하여 실제품에 적용할 때 앞에 기술한 것과 같은 표면 문제와 강도 문제가 야기될 가능성이 있다. 따라서 현재까지 개발된 발포 사출 성형은 외장재로 사용되기에는 어려움을 안고 있기 때문에 내장재에만 적용이 시도되고 있는 실정이다.

본 발명에 의한 금형을 사용할 경우, 앞에 기술한 표면의 흐름 자국 문제와 충격 강도 저하의 문제를 해결할 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 금형을 사용할 경우 모든 발포 사출 성형에 적용될 수 있다.

도 4는 일반 금형을 이용하여 취득한 15% 무게 감량된 초미세 발포 사출 성형 제품(MCP), 압력 제어 금형일 이용하여 취득한 15% 무게 감량된 초미세 발포 사출 성형 제품(PCM), 일반 금형을 이용하여 취득한 일반 사출 성형 제품(standard)의 충격 강도를 보여주는 그림이다. 그림에서 볼 수 있는 것처럼 일반 금형을 이용한 발포 사출 제품은 충격 강도가 일반 사출 성형 제품보다 현저히 낮아지나 압력 제어 금형을 이용하여 취득한 초미세 발포 제품은 충격 강도가 유지되고 있음을 알 수 있다.

Claims (12)

1. 플라스틱 용액에 용해되어 있는 발포 가스가 노즐을 통과하는 순간에 발포되지 않고 일정 시간 후에 발포되도록 하여 사출과 발포를 분리시켜 주는 금형 시스템
2. 청구항 1에 언급한 발포 가스는 화학적 발포 물질에 의한 것이거나 물리적 발포 물질에 의한 것이거나 비활성 가스에 의해 용융 플라스틱 내부에 용해되어 있는 발포에 사용되는 가스를 말한다.
3. 청구항 1에 기술한 노즐을 통과하는 순간에 발포되지 않도록 하는 방법은 금형 내부를 밀폐시키고 정해진 압의 가스로 금형 내부 캐비티를 채우고 있어 플라스틱 내부에 용해된 가스가 용해도 차이에 의해 발포되지 않도록 하는 방법을 말한다.
4. 청구항 3에서 기술한 금형 내부에 잔류시키는 가스는 압축 공기, 이산화탄소, 질소 등 환경에 유해한 가스를 말한다.
5. 청구항 3에서 기술한 정해진 압의 가스를 공급하는 방법은 가스 봄베나 가스를 공급하거나 또는 압축·공급할 수 있는 장치에 레귤레이터를 달아 설정된 압력을 공급하는 방법을 말한다.
6. 청구항 1에 언급한 일정 시간 후라는 것은 플라스틱/발포재 용액이 노즐을 통해 사출되어 금형의 일정 부피를 채우는 시간을 말하는 것으로 사출 압력과 사출 속도 금형 내부의 압력 등에 의해 정해지는 시간값을 말한다.
7. 청구항 3의 정해진 압은 플라스틱 내부에 용해되어 있는 가스를 용해시킬 수 있는 압력 이상의 설정된 값을 말한다.
8. 청구항 1에 기술한 금형은 가스를 공급하여 주는 부분, 일정 시간 후 압력을 배출하는 부분, 사출 성형기의 신호를 받아 가스 공급 밸브를 열어 주고 타이머 또는 스크류 이동 감지 센서의 신호를 받아 가스의 압력을 제거시켜 주는 압력 제어 유닛(Pressure Control Unit)을 포함하는 금형을 말한다.
9. 청구항 1에 기술한 금형은 보다 높은 발포 배율을 얻기 위해 일정 시간 후에 캐비티 공간을 넓혀 줄 수 있는 장치를 포함할 수도 있다.
10. 청구항 9에 언급한 캐비티 공간을 넓혀 주는 기계적인 장치는 스프링, 가스압, 유압에 의해 작동되는 장치를 말한다.
11. 청구항 9에 언급한 일정 시간 후는 플라스틱/발포재 용액이 노즐을 통해 사출되어 금형의 일정 부피를 채우는 시간을 말하는 것으로 사출 압력과 사출 속도 금형 내부의 압력 등에 의해 정해지는 시간값을 말한다.
12. 청구항 1에 언급한 금형은 기포가 발포되는 속도와 크기를 조절하기 위해 일정 시간 후 배출시키는 가스의 배출 속도를 조절할 수 있는 장치를 가지고 있을 수도 있다.