KR20050036841A - 다층 물품 사출 성형 장치 - Google Patents

Abstract

둘 이상의 양립 가능한 중합성 물질을 사출 성형하는 장치에서, 스크류(26) 상에 둘 이상의 가소화 영역(40, 42)이 별도의 경로를 거쳐 공통 축적 공간(48) 내로 두 물질을 동시에 또는 순차적으로 가소화시키기 위해 사용된다. 그 후, 다층 물질로 구성된 장전물이 그 봉함 배럴(10)에 대해 스크류의 전방 축방향 운동에 의해 밀폐된 주형내로 사출된다. 일단 주형 내로 들어오면, 제1 물질은 다른 물질을 전체적으로 또는 부분적으로 둘러싸는 표피층을 형성한다. 이런 방식으로 복수개의 물질적 특성을 갖는 부품이 단일 작업으로 생성될 수 있다.

Description

다층 물품 사출 성형 장치{APPARATUS FOR INJECTION MOLDING MULTILAYERED ARTICLES}

본 출원은 2001년 10월 18일 출원된 미국 가출원 제60/330,397호의 우선권을 주장한 것이다.

사출 성형기에서 가장 일반적으로 상용화된 형태는 "왕복 스크류"로 알려진 것이다. 이런 유형의 사출기에서 열 가소성 중합체는 용융되어 혼합된 후 가열된 압력 용기 내에서 회전하는 하나 이상의 날개부를 구비한 스크류에 의해 이송된다. 스크류는 또한 용융된 재료가 스크류 단부에서 축적되는 것을 감안해서 축 방향으로 병진 이동하게 된다. 용융물이 충분히 축적되면, 스크류는 정지되어서 전방으로 병진 이동됨으로써 밀폐된 주형 내로 용융된 재료를 사출한다. 통상적으로 비복귀 밸브가 스크류의 하류측 단부에 위치되어 사출 주기 동안 용융물이 다시 스크류의 날개로 후방 유동하는 것을 방지한다.

코인젝션 성형(co-injection molding) 또는 샌드위치 성형(sandwich molding)으로 알려진 이런 과정의 변형예가 수년 동안 상업상 이용되어 왔다. 예컨대, 도1에 도시된 바와 같은 가장 공통적인 실시예에서 코인젝션 사출은 각각의 유닛이 개별 가열 배럴 내에 봉함된 왕복 스크류를 포함하는 둘 이상의 가소화 유닛이 부착된 성형기에 의해 구현된다. 이들 가소화 유닛의 출력은 여러 물질을 주형 내로 사출 지점까지 이송하는 매니폴드 시스템에 의해 함께 이루어진다. 공지된 점성 유동 원리에 따르면, 주형 내로 진입하는 첫번째 물질은 대부분 성형된 부품의 외면 상에 남지만 나중에 사출된 물질은 사실상 부품의 코어(core)에 남는다. 이렇게 형성된 "샌드위치" 구성은 많은 장점을 가지게 되는데 그 중 주요한 장점은 다음과 같다. 즉, (1) 경량, 저압이 되도록 코어가 화학적으로 발포되고 외면에 나타나는 줄무늬 특성을 없앤 평탄한 표면의 발포 부품을 제조할 수 있다. (2) 가시성이 없는 곳에 저렴하게 재활용되는 "비규격(off-spec)" 또는 채색 안된 재료를 사용할 수 있게 된다. (3) 내측과 외측이 다른 속성을 갖는, 예컨대, 강화 섬유 또는 그 밖의 특성 변화 첨가물이 존재하거나 존재하지 않는 경우 등과 같이 내측과 외측 상의 특성이 다른 부품을 제조할 수 있게 된다.

그러나, 이들 장점은 동시 및/또는 순차 사출을 위해 연관 제어를 해야 하며, 둘 이상의 독립된 왕복 스크류를 필요로 하는 기계가 복잡하고 고가라는 점에 의해 상쇄된다. 따라서, 도2에 예시된 바와 같이, 적어도 사출 기능만은 단일 요소에 의해 수행되도록 함으로써 단일한 축적 공간 내에 복수개의 용융된 물질을 포함하는 복합 사출(composite shot)을 확립함으로써 이런 복잡성을 줄이기 위해 다양한 시도가 있었다. 이런 예로서는 커스마커(Kersmakers) 등에게 허여된 미국 특허 제4,978,493호, 야수이케(Yasike) 등에게 허여된 미국 특허 제3,966,372호, 야로첵(Jaroschek) 등에게 허여된 미국 특허 제5,443,387호가 있다. 이런 모든 종래 예에서, 하나 또는 그 이상의 2차 압출 스크류 및 배럴은 여러 개의 용융물 운반 매니폴드 구조에 의해 1차 배럴과 연통되도록 되어 있으며, 사출의 2차분은 이 구조를 거쳐 장전된다. 그러나 이런 유형의 기계는 복수개의 배럴 및 스크류 구동부 때문에 초기 필수 장비의 비용이 높고, 복잡한 관련제어능력이 필요하다는 단점들을 여전히 갖는다.

다중 물질 기계가 갖는 복잡성은 본 발명자가 출원한 발명인 단일 배럴의 공간에서 두 물질을 가소화시키기 위해 두 개의 동축 스크류 요소를 사용하는 미국 특허 출원 제09/850,696호에 의해 더욱 줄어들었다. 그러나, 중앙의 보어가 충분히 큰 스크류를 제조하는데 드는 비용과 복잡성의 문제와 마모 및 강의 강도와 관련된 문제는 이런 공축 구성을 배럴 직경이 큰 기계에만 제한시킬 수 있는 잠재적인 한계이다.

도1은 용융물 스트림이 사출될 때 용융물 스트림을 연결하기 위해 두 개의 사출 배럴과 매니폴드를 갖는 종래 코-인젝션의 가장 공통적인 적용예를 도시한다.

도2는 미국 특허 제5,443,378호에 따르는 단일 축적 공간을 구비한 종래 코인젝션의 일 형태를 도시한다.

도3은 본 발명의 일 실시예의 개략도이다.

도4는 두 개의 날개부 설계에 있어 후방 압력과 스크류 출력 사이의 관계를 도시한 그래프이다.

도5는 조절 가능한 기구적 억제부를 갖는 본 발명의 일 실시예를 도시한다.

도6은 후방 유동 채널을 갖는 본 발명의 일 실시예를 도시한다.

도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 간극을 갖는 스크류의 날개부를 도시한다.

도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 물질을 분리 결합하는 정적인 혼합 요소를 도시한다.

도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 토피도 확산기를 도시한다.

도10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가동 배리어(movable barrier)를 도시한다.

도11은 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 가동 배리어를 도시한다.

도12는 본 발명의 일 실시예에 따른 스크류 선단부의 원주 둘레에 방사상 배열된 산재된 개구를 도시한다.

도13은 본 발명의 일 실시예에 따른 도12의 스크류 선단부의 단면도이다.

본 발명의 목적은 샌드위치 또는 코인젝션 성형 가공이 단일한 가열 배럴의 공간 내에서 수행될 수 있도록 하고, 추가적으로 단일 왕복 스크류를 갖는 기계에 의해 수행될 수 있도록 하는 수단을 제공하는 것이다. 본 수단은 비교적 작고 저렴하게 변화시키면서 코인젝션 가공을 수행하기 위해 종래의 단일 재료 성형기를 개조할 수 있도록 한다.

본 발명의 다른 목적은 상술한 종래 성형기를 작동하는 데 일반적으로 요구되는 높은 기술 수준을 없애기 위해 종래의 기계와 사실상 동일하게 작동하는 코인젝션기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상술한 종래 기계보다 설치 공간을 적게 차지하면서도 적은 에너지로도 작동하는 코인젝션기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 기계가 원래 성능을 잃지 않으면서 종래의 단일 물질 포맷으로부터 코인젝션 포맷으로 그리고 다시 그 역으로 신속하게 전환될 수 있도록 하는 수단을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 원래 기계의 사출 체적, 압력 또는 속도를 줄이지 않으면서 코인젝션 전환을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 소형의 기계에서도 실용적이고 경제적인 코인젝션 기술을 제공하는 것이다.

이들 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예는 적어도 두 개의 날개부(flighted stage) 또는 가소화 영역(plasticized zone)을 갖는 스크류를 봉함하는 (외부에서 가열되는) 사출 유닛 또는 배럴을 제공한다. 스크류는 계량된 양의 용융된 열 가소물(들)을 각각 가소화시켜서 사출하기 위해 회전 방향으로 그리고 축 방향으로 이동 가능하다. 스크류는 스크류의 길이를 따르는 어느 지점으로부터 스크류의 하류측 단부(downstream end)의 개구까지 연장되는 중공의 원통형 보어 또는 도관을 가지며, 상기 스크류는 1차 스크류 날개부 또는 제1 가소화 영역에서 나온 물질을 스크류 전방의 축적 공간9accumulation)으로 압출시키고 제2 가소화 영역을 우회시킨다. 이 개구에는 양호하게는 비복귀 밸브(non-return valve)가 마련되어서 물질이 도관으로 다시 누출되는 것을 방지한다.

또한, 제1 가소화 영역에 대한 1차 공급 유입부 외에도, 2차 공급 유입부가 날개부가 없는 배리어 영역의 하류측에 바로 근접해서 마련됨으로써 과립상 원료를 스크류의 하류부(제2 가소화 영역)의 날개부로 진입시킨다. 제2 가소화 영역에 의해 이렇게 가소화된 물질은 제2 비복귀 밸브를 거쳐 스크류의 회전 동작에 의해 이송되며, 이 때 상기 물질은 개구를 거쳐 스크류 앞의 공통 축적 공간 내로 유입된다.

본 발명의 일 목적은, (1) 상류측 단부 및 하류측 단부를 갖는 배럴과, (2) 제1 물질 공급원과, (3) 제2 물질 공급원과, (4) 스크류의 제1 길이를 따라 연장되고 제1 용융물을 하류측 단부쪽으로 이송하기 위해 제1 물질 공급원으로부터의 물질을 가소화시키기 위한 적어도 하나의 제1 가소화 영역 및 제1 및 제2 길이가 스크류의 겹쳐지지 않은 부분이 되도록 제2 물질 공급원으로부터의 물질을 가소화시키기 위한 스크류의 제2 길이를 따라 연장되고 하류측 단부쪽으로 제2 용융물을 이송하기 위해 적어도 하나의 제2 가소화 영역을 갖는 스크류와, (5) 제2 용융물로부터 제1 용융물을 분리하는 분리 수단(separation mean)을 갖는 중합물 용융 장치를 제공하는 것이다.

본 장치는 또한 (1) 각각의 제1 가소화 영역 및 제2 가소화 영역 내로 제1 물질 및 제2 물질을 각각 독립적으로 도입하기 위한 배럴 내의 적어도 하나의 개구와, (2) 제1 용융물이 제1 가소화 영역으로부터 배럴의 축적 영역으로 흘러서 통과하는 도관과, 그리고/또는 (3) 배럴의 축적 공간 앞의 용융물을 위한 하나 이상의 비복귀 밸브를 가질 수 있다.

본 장치에서는 또한, 제1 및 제2 용융물이 각각 하나 이상 각각의 개구에서 배럴의 축적 공간으로 진입하며, 각각의 이런 개구는 축적 공간에서 위치를 달리하여 형성된다. 또한, 하나 이상의 각각의 개구는 축적 공간의 하류측 단부 가까이에 형성될 수 있으며 다른 하나 이상의 각각의 개구는 축적 공간의 상류측 단부(upstream end) 가까이에 형성될 수 있다. 또한, 제1 용융물 및 제2 용융물 중 어느 하나의 하나 이상의 각각의 개구 사이의 연결부가 마련될 수 있다.

본 장치는 또한, (1) 배럴의 종축을 따라 이동하는 이동 수단(movement mean)이 마련되며, (2) 스크류는 이동 수단이 긴 모양의 선단부(elongated tip)를 배럴의 출구와 근접시킴으로써 긴 모양의 선단부를 거쳐 이송된 물질이 축적 공간 내의 물질을 축적 공간의 상류측 단부쪽으로 이동시키도록 긴 모양의 선단부를 갖는다.

본 장치는 또한 (1) 적어도 하나의 속도 제어 펠릿 공급기(controlled-rate pellet feeder)와, (2) 도관 내의 가변 억제(variable resrtiction)부와, (3) 스크류와 배럴 중 적어도 하나 내에 위치된 후방 유동 채널(backflow channel)과, (4) 적어도 하나의 제1 날개부 및 적어도 하나의 제2 날개부가 다른 영역보다 후방 압력으로 인한 유동 손실 민감도가 크게 구성되도록 적어도 하나의 제1 날개부가 형성되는 제1 영역 및 적어도 하나의 제2 날개부가 형성되는 제2 영역과, 그리고/또는 (5) 제1 온도 및 제2 온도 중 적어도 하나가 다른 온도와 관련해서 변하도록 제1 온도에서 유지되는 제1 영역과 제2 온도에서 유지되는 제2 영역을 가짐으로써, 제1 영역 및 제2 영역 중 어느 하나의 가소화 속도를 다른 영역과 관련하여 제어하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 (1) 제1 물질 공급원과, (2) 제2 물질 공급원과, (3) 스크류의 제1 길이를 따라 연장되고 제1 축적 공간 내로 제1 용융물을 출력하기 위해 제1 물질 공급원으로부터의 물질을 가소화시키기 위한 적어도 하나의 제1 가소화 영역 및 스크류의 제2 길이를 따라 연장되고 제2 축적 공간 내로 제2 용융물을 출력하기 위해 제2 물질 공급원으로부터의 물질을 가소화시키기 위한 적어도 하나의 제2 가소화 영역을 갖는 스크류와, (4) 제1 축적 공간 및 제2 축적 공간을 분리하기 위한 가동 배리어(movable barrier)를 갖는 성형기를 제공하는 것이다. 성형기는 또한 가동 배리어가 각 축적 공간으로부터의 제1 용융물 및 제2 용융물에 힘을 가하도록 종축을 따라 스크류를 이동시키기 위한 이동 수단도 가질 수 있다.

본 발명의 추가적인 목적은 코어층 및 표피층을 포함하는 복합 구조물을 구비하는 성형 대상물 제조 방법으로서, 상기 방법은 (a) 제1 물질 및 제2 물질 중 하나가 축적 공간의 후방 및 외주연쪽으로 사실상 형성됨으로써 스크류에 종축을 따라 후방으로 힘을 가하는 복합 사출물을 형성하도록 (1) 스크류의 제1 길이를 따라 연장되는 제1 가소화 영역의 제1 물질을 용융시키고 용융된 제1 물질을 도관 및 제1 비복귀 밸브를 거쳐 스크류 전방의 축적 공간 내로 유동시키며 (2) 이와 동시에 스크류의 제2 길이를 따라 연장되는 제2 가소화 영역의 제2 물질을 용융시키고 용융된 제2 물질을 제2 비복귀 밸브를 거쳐 스크류 전방의 축적 공간 내로 유동시키기 위해, 종축을 갖는 스크류를 회전시키는 단계와, (b) 주형 내로 복합 사출물을 사출하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 목적은 서로 다른 물질로 구성된 영역을 포함하는 복합 구조를 구비한 성형 대상물을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은, (a) (1) 스크류의 제1 길이를 따라 연장되는 제1 가소화 영역의 제1 물질을 용융시키고 용융된 제1 물질을 도관 및 제1 비복귀 밸브를 거쳐 배리어 전방의 제1 축적 공간 내로 유동시킴으로써 스크류를 종축을 따라 후방 압박하며 (2) 이와 동시에 스크류의 제2 길이를 따라 연장되는 제2 가소화 영역의 제2 물질을 용융시키고 용융된 제2 물질을 제2 비복귀 밸브를 거쳐 배리어 후방의 제2 축적 공간 내로 유동시키기 위해, 종축을 갖는 스크류를 회전시키는 단계와, (b) (1) 제1 축적 공간의 용융된 제1 물질을 제1 채널을 거쳐 사출하고 (2) 제2 축적 공간의 용융된 제2 물질을 복합 사출물로서 제2 채널을 거쳐 주형 내로 사출하도록 스크류를 축방향 이동시키는 단계를 포함한다. 사출을 위해 스크류를 축방향으로 이동시키는 단계는, (1) 용융된 제1 물질 및 용융된 제2 물질을 동시에 사출하거나 (2) 용융된 제1 물질 및 용융된 제2 물질을 순차적으로 사출하는 것을 포함할 수 있다.

본 발명에 대한 설명은 표준 사출 성형기의 통상의 구성 요소로부터 시작하기로 한다. 이들 구성 요소에는 가열되는 원통형 압력 용기인 배럴(10)이 포함되며, 배럴에는 플라스틱 물질이 용융되어 축적되는 원통형 보어(12)가 마련된다. 배럴(10)에는 개구인 공급 유입부(14)가 마련되며, 원료는 공급 유입부를 거쳐 원통형 보어(12) 내로 도입된다. 공급 유입부(14)에 대향되는 곳에 위치한 보어의 단부, 즉 노즐(16)에는 직경이 작은 채널 출구(18)가 마련되며, 채널 출구(18)는 직경이 사실상 원추형으로 감소하며 종료되고 주형과 연통된다.

표준 사출 성형기에는 도입부 상에 장착되고 유압 실린더(22)에 의해 선형 방향으로 이동되는 사출판(20)이 추가로 마련된다. 사출판(20)은 회전 구동부(23)에 대한 장착 지점을 추가로 포함하며, 회전 구동부는 통상적으로 낮은 회전 속도로 높은 토오크를 낼 수 있는 유압 또는 전기 모터이다.

도3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예는 배럴(10)에 제2 공급 유입부(24)가 마련된다는 점에서 표준 사출 성형기 형태와 다르다. 스크류(26)는 두 개의 공급 유입부(14, 24)로부터 배럴(10)의 내측으로 물질을 전방 이송해서 이것을 유체 형태로 전환하기 위해 적어도 두 개의 외부 스레드(thread) 또는 날개부(28, 30)를 갖는다. 용융물을 날개부(28, 30)의 하류측 단부로 배출시켜서 스크류(26)의 전방에 축적시키기 위해, 별개의 수단으로서 보어 또는 도관(32) 및 개구(34)가 마련된다. 역전이 발생하는 것을 방지하고 이렇게 축적된 물질이 스레드부로 재진입하는 것을 방지하기 위해 추가 수단이 마련된다. 이런 기능의 가장 공통적인 실시예는 링 형식 체크 밸브(36) 또는 볼 형식 체크 밸브(38)이다.

보다 상세하게는, 스크류(26)에는 원통형 보어인 도관(32)이 마련되며, 도관(32)은 용융물을 1차 스레드부인 제1 가소화 영역(40)으로부터 2차 스레드부인 제2 가소화 영역(42)을 지나 스크류(26)의 선단부(46)에 있는 개구(44)를 거쳐 공통 축적 공간(48) 내로 이송시킨다. 개구(44)에는 비복귀 밸브인, 예컨대 볼 형식 체크 밸브(38)가 마련된다. 용융물이 이렇게 축적되면, 사출판(20)의 후방 동작으로 인해 공통 축적 공간(48)의 체적이 증가된다.

이와 동시에 또는 순차적으로, 2차 스레드부인 제2 가소화 영역(42)은 용융물을 그 영역의 날개부(들)(30)로부터 스크류(26) 및 배럴(10) 사이의 개구(34)를 거쳐 뒤에 있는 공통 축적 공간(48) 내로 그리고 도관(32)으로부터 유출하는 용융물의 둘레로 이송시킨다. 개구(34)에는 비복귀 밸브인 예컨대 링 형식 체크 밸브(36)가 마련된다.

스크류(26)의 가소화 영역(40, 42) 사이에 있는 배리어(49)는 제2 가소화 영역(42)의 용융물을 혼합시키기 위해 제1 가소화 영역(40)의 용융물이 배럴(10)을 따라 계속 전진하는 것을 방지한다. 대신에, 배리어(49)는 제1 가소화 영역(40)의 용융물을 도관(32) 내로 수로를 이용하여 이송한다.

본 발명의 일 실시예에서, 배리어(49)는 내부의 배럴 직경과 거의 동일한 직경을 가지며 스크류(26)의 날개부가 부착되지 않은 구역이다. 본 실시예에서, 배리어(49)는 도관(32)의 입구 하류(immediately downstream of the inlet to the conduit)에 바로 인접해서 위치된다.

스크류(26)의 후방 축방향 운동은 원통형 도관(26)의 개구(44) 및/또는 제2 가소화 영역 하류에 있는 배럴(10) 및 스크류(26) 사이의 개구(34)로부터 나오는 용융물이 축적됨으로써 일어난다.

본 방식에서 용융된 열 가소성 물질의 층은 축적 공간(48)에 형성된다. 그 후, 이렇게 축적된 용융물은 유압 실린더(22)에 의해 밀폐된 주형 내로 사출된다. 축적 공간(48)의 출구(18)에 가장 근접한 물질이 주형으로 맨 처음으로 진입해서 주형면에 대해 냉각되기 시작한다. 출구(18)로부터 가장 멀리 있는 물질은 나중에 주형으로 진입해서 대상물 또는 부품의 코어가 된다. 이런 방식으로 표면 조성과 조성이 다른 조성의 코어를 포함하는 부품이 성형된다.

또한, 배럴(10)의 외면 상에 있는 통상적으로 전기에 의한 (도시 안된) 가열기 요소는 배럴 온도를 물질을 용융시키는 이상적인 조건으로 상승시킬 수 있다. 일 실시예에서, 각 가소화 영역(40, 42)의 각각의 둘레에서 온도를 달리하여 유지할 수 있으며, 이는 각 용융물의 특성이 서로 다른 경우 특히 유용하다.

실험에 의해 정해진 바에 따르면, 성형 부품의 외면 상에서 미량의 코어 물질에 의한 오염은 스크류(26) 상의 긴 모양의 선단부(46)를 사용해서 제거될 수 있다. 압출 주기를 시작할 때, 스크류(26)가 완전 전방에 있는 경우, 긴 모양의 선단부(46)의 끝부분은 기계 노즐(16)의 후방면(50)과 거의 접촉한다. 결국, 표면 물질9skin material)이 긴 모양의 선단부(46)로부터 압출될 때, 배럴(10) 내에 잔존하는 미량의 코어 물질은 축적 공간(48)의 후방쪽으로 후방 가압된다. 뒤이어 축적 공간(48)의 상류측 단부쪽으로 코어 물질을 압출하면 두 물질 사이의 계면에 바람직한 오목한 형상이 생성된다. 이런 오목한 계면은 물질들이 사출될 때 물질 사이에서 보다 급작스럽고 한정된 전이부(a more abrupt and defined transition)를 생성함으로써, 유리하게는 표면 물질에 대한 코어의 비율을 최대화한다.

본 발명의 실제 응용 시에는 마무리된 부품에서 주로 두 물질의 상대량을 제어하고자 한다. 이러한 제어는 하나 이상의 다음과 같은 기구에 의해 두 물질이 그들 각각의 나사 스크류 영역(40, 42)에서 가소화되는 속도를 제어함으로써 달성된다.

스크류의 용융 속도는 공급 유입부(14, 24) 중 어느 하나 또는 이들 모두 상에 놓인 일반적으로 "스타브-공급기(starve-feeder)" 또는 "펠릿-공급기(pellet-feeder)"로 알려진 속도 제어 공급기(52)를 제공함으로써 저감될 수 있다. 본 장치는 일반적으로 단지 저감된 양의 입상 원료만을 가소화 영역(40, 42)의 스크류 날개부로 진입시키기 위해 속도 가변 모터(56)에 의해 구동되는 오우거(54)를 이용한다. 가소화 영역(40, 42)의 스크류 날개부를 입상 물질로 완전히 채워 넣는 통상적인 방법과 달리, 속도 제어 공급기(52)는 부분적으로 채워진 날개부로 스크류(26)를 작동시키며 가소화 영역(40, 42)의 출력을 저감시킬 수 있다.

예컨대 도5에 도시된 바와 같이, 사용될 수 있는 또 다른 기구는 하나 이상의 가소화 영역(40, 42) 중 도관(32) 출구에 있는 조절 가능한 기구적 억제부(110)(adjustable mechanical restriction)이다. 조절 가능한 기구적 억제부(110)는 도5에 도시된 것과 같이 니들 밸브일 수 있다. 이런 밸브를 위치시키기 위한 하나의 양호한 위치는 원통형 보어 도관(32) 내에 있다.

예컨대 도6에 도시된 바와 같이, 유속을 조절하는 데 사용될 수 있는 또 다른 기구는 가소화 영역(40, 42)의 스크류 날개부 상에서 하류의 지점을 동일한 가소화 영역의 상류의 지점에 연결하는 후방 유동 채널(112)(back-flow channel)이다. 이런 채널(112)은 스크류(26) 자체에 천공될 수 있거나 배럴 벽에 형성될 수 있다. 채널(112)의 단부 사이의 압력차로 인해 물질은 고압의 하류측 단부로부터 후방 누출되어서 상류측 단부의 가소화 영역(40, 42)의 스크류 날개부로 재진입된다. 채널(112)에는 상술한 조절 가능한 억제부가 선택 사항으로서 마련될 수 있다.

유속을 조절하기 위한 또 다른 기구는 날개부를 따르는 압력 구배로 인한 유동을 역전시키기 위해 다른 것보다 민감하도록 가소화 영역(40, 42) 중 어느 하나의 날개부를 설계하는 것이다. 이는 예컨대 도7에 도시된 바와 같이, 연속적인 날개부(들)에 간극 또는 슬롯(120)을 제공함으로써 또는 길이의 전체 또는 일부에 대해 날개부(들) 또는 배럴 벽 사이의 공간을 증가시킴으로써 수행될 수 있다. 이런 상황에서, 도4에 도시된 바와 같이, 이렇게 변형된 가소화 구역 또는 영역의 출력은 스크류 회전(130) 동안 후방 압력이 더 높아지는 조건 하에서 보다 급속하게 감소하게 되며 출력비의 차이는 후방 압력을 변경시킴으로써 달성될 수 있다.

후방 압력 범위에서 보다 안정적인 출력을 보장하는 한 수단은 스크류 생크 방향(screw shank direction)에 평행하게 공급 영역 홈(feed-zone groove)을 제공하는 것이다. 이런 홈은 플라스틱이 스크류(26)에 의해 회전하지 않도록 평행한 방향으로 배럴을 따라 그립부를 제공하기 위해 배럴(10)의 내면 상에 형성될 수 있다. 이런 회전으로 인해 용융물은 불안정적이고 간헐적으로 회전하며 미끄러질 수 있다. 스크류 세그먼트 중 어느 하나 상에 보다 긴 계측 구역(longer metering section)을 제공함으로써 압력 안정성도 개선될 수 있다.

스크류 세그먼트의 상대 출력을 제어하는 추가 수단은 주변 배럴 온도를 제어함으로써 그들 각각의 온도를 조절하는 것이다. 대부분의 물질에서, 배럴의 온도가 변하면 가소화 속도에 영향을 주며, 이는 주로 배럴(10)과 스크류(26)에 대한 용융물의 점성을 변화를 거쳐 발생한다.

특히 개장된 종래 기계(retrefitted conventional machine)의 경우, 바람직하게는 길이/직경 비(L/D)가 통상적으로 20:1인 종래 기계의 초기 스크류와 동일한 배럴 길이에 이중-스테이지 스크류(10)(two-stage screw)를 끼운다. 두 개의 완전 용융 스테이지(가소화 영역)는 단일한 용융 스테이지(single melting stage)가 차지했던 길이 내에 있어야만 하기 때문에, 더 짧은 길이에서 보다 많은 용융이 수행되어야 한다. 그러나, 양 스테이지에서의 동시 용융으로 인해, 어느 스테이지도 사출될 총량을 용융할 필요가 없으며, 각 개별 스테이지 상에서의 회전당 출력(output per revolution)은 회복 시간에 부정적인 영향없이 저감될 수 있다.

길이가 짧은 스크류에서 양호한 용융 품질을 달성하기 위해 많은 기술이 존재한다. 특히, 배출구가 구비된 이중-스테이지 20:1 스크류 상에는 오하이오주 영스타운에 소재하는 스피렉스 코포레이션(Spirex Corporation), 캔사스주 위치타시에 소재하는 웨스트랜드 코포레이션(Westland Corporation) 및 버지니아주 풀라스키시에 소재하는 크살로이 코포레이션(Xaloy Corporation)과 같은 출시제품 사후시장 스크류 회사(aftermarket screw company)에 의해 가공이 수행되었다. 이들 회사에서 사용하는 한 가지 기술은 스크류의 날개부 거리(pitch)를 감소시킴으로써 동일 길이의 스크류에서 총 용융 경로가 더 길어진게 하는 것이다. 두 번째 기술은 날개부 깊이(depth)를 감소시키는 것이다. 이를 앞의 기술과 결합시키면, 용융 채널의 최종 형상은 보다 작아진 총-길이 스크류(smaller full-length screw)의 형상과 유사하다.

보다 짧아진 스크류에서 용융 품질을 개선하기 위해 사용되는 다른 기술은 출력 속도를 희생하고 혼합 요소를 추가하는 것이다. 다양한 혼합 구조가 존재하며, 모두 용융물 스트림을 분리해서 재결합시킴으로써 분산성 혼합(distributive mixing)을 증가시키거나 국부화된 높은 전단 영역(localized high-shear zone)에 의해 분산성 혼합을 증가시키는 것을 목적으로 한다. 상기에서 설명한 바와 같이 높은 후방 유동을 허용하는 스크류 설계는 증가된 전단(increased shear)과 보다 완전한 용융을 촉진할 것이다.

상류측 스테이지의 경우, 축적 공간(48) 내로 진입하는 이런 제1 가소화 영역(40) 및 개구(44) 사이의 보어 또는 도관(32)이 또 다른 용융 조건을 위해 사용될 수 있다. 상세하게는, 이 도관(32)에는 예컨대 도8에 도시된 바와 같이 용융물이 압박될 때 용융 스트림을 분할하고 재결합하는 정적 혼합 요소(140)가 마련될 수 있다. 대안으로서, 이 도관(32) 내에 위치된 "토피도(torpedo)" 확산기(150)는 예컨대 도9에 도시된 바와 같이 국부화된 전단 가열 및 분산성 혼합을 제공한다. 용융을 위한 추가 가열이 균일한 용융물을 더욱 개선하기 위해 스크류 벽을 거쳐 수행될 수도 있다.

본 발명은 주로 사출 성형과 관련해서 설명하였다. 그러나, 왕복 스크류는 예컨대 사출 송풍 성형 및 압출 송풍 성형과 같이 다른 응용에도 적용될 수 있기 때문에 본 발명은 이런 응용에도 적용될 수 있다.

본 발명은 왕복 스크류를 포함하는 실시예와 관련해서 설명하였다. 그러나, 예컨대 압출 프레스에서와 같이 스크류가 축방향으로 고정된 실시예에도 본 발명을 이용할 수도 있다.

또한, 본 발명은 유압기를 포함하는 실시예와 관련해서 설명하였다. 그러나, 유압 실린더(22) 대신 볼 스크류, 선형 모터 또는 그 밖의 비유압 장치에 의해 사출 기능이 수행되는 기계에도 동등하게 적용될 수 있다.

본 발명은 또한 1차 (상류측) 날개 구역, 즉 제1 가소화 영역(40)이 최종 대상물의 표면 물질을 생성하고 하류측 날개 구역, 즉 제2 가소화 영역(42)이 코어 물질을 생성하는 실시예와 관련해서 설명되었다. 그러나, 이런 구성을 반대로 하여, 즉 제2 가소화 영역(42)에서 표면 물질을 생성하도록 각각의 용융 물질 스트림이 축적 공간으로 진입하도록 재배향하는 것도 본 발명의 범위에 속한다.

본 발명의 일 실시예를 두 개의 날개부가 부착된 가소화 영역(40, 42)를 사용하여 설명하였다. 그러나, 둘 이상의 구역 또는 영역을 사용하는 실시예에서도 본 발명을 실시할 수 있다. 이런 실시예에서, 상류측 구역과 축적 공간을 연결하는 도관(들)이 스크류의 중심에 있을 필요는 없다.

본 발명은 단일한 공통 축적 공간(48) 및 단일 노즐(16)을 갖는 실시예와 관련하여서 설명하였다. 그러나, 축적 공간 내의 가동 배리어(160)에 의해 축적 동안에 각각의 물질을 별개로 유지하고 심지어 이들 물질을 별개의 노즐을 거쳐 주형 내로 사출하는 것도 가능하다. 일단 주형 내측에서 유지되면, 용융물 스트림은 주형의 설계에 따라서 운행 시스템 또는 그 자체의 주형 공동 내로 함께 오게 된다.

도10은 본 발명의 일 실시예로서 이런 가동 배리어(160)를 도시한다. 사출 배럴(164)의 노즐 영역(162) 내에 존재하고 중공의 원통형인 가동 배리어(160)로 인해 스크류 선단부(166)를 거쳐 압출된 물질은 전방 공간(168)에 축적된다. 체크 밸브(170)를 거쳐 압출된 또 다른 물질은 이것이 스크류 조립체의 전방 운동을 통해 2차 개구(172)를 거쳐 배치될 때까지 별개의 후방 공간(172)에 축적된다. 사출 이전에 배리어(160)의 위치는 두 개의 각각의 출구, 선단부(166) 및 2차 개구(174)를 거쳐 압출된 물질의 상대량에 의해 결정된다.

도11은 도10에 도시된 실시예의 변경예이다. 본 실시예에서, 2차 개구(174)는 가동 배리어(160)가 사실상 이것의 가장 멀리 있는 전방 도달점에 도착할 때까지 차단된다. 이는 후방 공간(172)의 물질을 추출하기에 앞서 전방 공간(168)에 축적된 사실상 모든 물질이 추출되도록 한다.

도12는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 바람직하게는, 대리석이나 거북 껍질의 모방품과 같이 무작위적으로 잡색으로 뒤섞인 외양을 갖는 부품을 제조하는 것이 가능하다. 둘 이상의 가소화된 영역은, 예컨대 스크류 선단부(186)의 원주 둘레에서 방사상 배열된 많은 산재된 개구(182, 184)로부터 축적 공간 내로 유동하도록 출력된다. 한 세트의 개구(182)는 도관(188)으로부터 분지될 수 있는 반면, 다른 세트의 개구(184)는 스크류 선단부 모서리의 만입부일 수 있다. 스크류가 회전하면, 물질의 유동은 사실상 무작위적인 패턴으로 축적된다.

본 발명은 열 가소성 사출 성형과 관련해서 설명하였다. 그러나, 사출 성형 분말 금속 복합 물질, 틱소트로피(thixotropic) 금속 슬러리 또는 반응성 열 경화성 중합체의 형태로 적용될 수 있다.

예 1

오하이오주 바타비아(Batavia)에 소재하는 페로매틱 밀아크론(Ferromatik Milacron)이 제조하고 배럴 직경이 45 ㎜인 사출 성형기에 본 발명에 따르는 배럴 및 스크류를 설치하였다. 단일한 스타브형 공급기를 하류측 공급 유입부에 장착하였다. 다양한 주형을 사용해서, 중량이 12 g 내지 250 g인 다층 부품을 제조하였다. 이들 부품에서 내부 코어층은 전체 부품 중량의 10 % 내지 70 % 사이에서 변동된다. 사용된 열 가소성 물질에는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 나일론, 산화 폴리페닐렌, 아세탈, 염화 폴리비닐 및 폴리카보네이트를 포함하였다.

예 2

예 1의 기계 상에서 상류측 공급기 유입구에 제2 스타브형 공급기를 장착하였다. 제2 공급기를 사용해서 코어의 백분비가 95 중량%이고 코어 물질이 폴리프로필렌이고 표면 물질이 열가소성 탄성중합체인 부품을 제조하였다.

예 3

예 1의 기계에 도11에 도시된 것과 같은 전방 단부 구성 부품을 설치하였다. 두 개의 독립적인 운행기가 지점을 달리하여 공통의 공동을 제공하는 주형을 사용하여 전체적으로 샌드위치 구조가 아닌 두 개의 서로 다른 물질로 구성된 영역을 갖는 부품을 제조하였다.

비록 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 설명하였지만, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범주와 명세서의 정신에 속하는 것으로서 기술 분야의 당업자가 편의상 가하는 것을 포함하는 모든 변경 및 개조를 포괄한다.

본 발명에 따르면, 샌드위치 또는 코인젝션 성형 가공이 단일한 가열 배럴의 공간 내에서 수행될 수 있고, 비교적 작고 저렴하게 변화시키면서도 코인젝션 가공을 수행할 수 있도록 종래의 단일 재료 성형기를 개조할 수 있다.

또한, 종래 성형기를 작동하는 데 일반적으로 요구되던 높은 기술 수준이 없더라도 종래의 기계와 사실상 동일하게 작동하는 코인젝션기를 제공하는 것이 가능하며, 종래 기계보다 설치 공간을 적게 차지하면서도 적은 에너지로도 작동 가능하다.

또한, 본 발명에 따르면 기계가 원래 성능을 잃지 않으면서 종래의 단일 물질 포맷으로부터 코인젝션 포맷으로 그리고 다시 그 역으로 신속하게 전환될 수 있으며, 원래 기계의 사출 체적, 압력 또는 속도를 줄이지 않으면서 코인젝션 전환이 가능하고, 소형의 기계에서도 실용적이고 경제적인 코인젝션을 가능하게 하는 산업적 이용효과가 있다.

Claims (19)

1. 상류측 단부 및 하류측 단부를 갖는 배럴과,

   제1 물질 공급원과,

   제2 물질 공급원과,

   스크류 외부의 제1 길이를 따라 연장되고 제1 용융물을 하류측 단부쪽으로 이송하기 위해 제1 물질 공급원으로부터의 물질을 가소화시키기 위한 적어도 하나의 제1 가소화 영역 및 스크류 외부의 제2 길이를 따라 연장되고, 제1 및 제2 길이가 스크류의 겹침부가 되지 않도록 하면서, 하류측 단부쪽으로 제2 용융물을 이송하기 위해 제2 물질 공급원으로부터의 물질을 가소화시키기 위한 제2 가소화 영역을 갖는 스크류와,

   제1 길이 및 제2 길이 사이에서 적어도 스크류 외부를 따라 연장되고 제1 용융물과 제2 용융물을 분리하기 위한 분리 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 중합성 물질 용융 장치.
2. 제1항에 있어서, 각각의 제1 가소화 영역 및 제2 가소화 영역 내로 제1 물질 및 제2 물질을 독립적으로 도입하기 위한 배럴 내의 적어도 하나의 개구를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 중합성 물질 용융 장치.
3. 제1항에 있어서, 분리 수단은 제1 용융물이 제1 가소화 영역으로부터 배럴의 축적 공간으로 흐르면서 통과하게 되는 도관을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 중합성 물질 용융 장치.
4. 제1항에 있어서, 제1 용융물 및 제2 용융물은 적어도 하나의 비복귀 밸브를 거쳐 각 배럴의 축적 공간 내로 유동하는 것을 특징으로 하는 중합성 물질 용융 장치.
5. 제1항에 있어서, 제1 용융물 및 제2 용융물은 각각 하나 이상 각각의 개구에서 배럴의 축적 공간으로 진입하며, 각각의 이런 개구는 축적 공간에서 서로 다른 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 중합성 물질 용융 장치.
6. 제5항에 있어서, 하나 이상 각각의 개구는 축적 공간의 하류측 단부에 근접해서 형성되며 다른 하나 이상 각각의 개구는 축적 공간의 상류측 단부에 근접해서 형성되는 것을 특징으로 하는 중합성 물질 용융 장치.
7. 제5항에 있어서, 제1 용융물 및 제2 용융물 중 어느 하나의 하나 이상 각각의 개구 사이에 마련된 연결부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 중합성 물질 용융 장치.
8. 제1항에 있어서, 배럴의 종축을 따라 이동하는 이동 수단을 추가로 포함하며,

   스크류는 이동 수단이 긴 모양의 선단부를 배럴의 출구와 근접시킴으로써 긴 모양의 선단부를 거쳐 이송된 물질이 축적 공간 내의 물질을 축적 공간의 상류측 단부쪽으로 이동시키도록 긴 모양의 단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 중합성 물질 용융 장치.
9. 제1항에 있어서, 제1 영역 및 제2 영역중 어느 한 영역의 가소율을 다른 영역에 대해 제어하기 위해 적어도 하나의 속도 제어 펠릿 공급기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 중합성 물질 용융 장치.
10. 제3항에 있어서, 제1 영역 및 제2 영역 중 어느 한 영역의 가소율을 다른 영역에 대해 제어하기 위해 도관 내에 가변 억제부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 중합성 물질 용융 장치.
11. 제1항에 있어서, 제1 영역 및 제2 영역 중 어느 한 영역의 가소율을 다른 영역에 대해 제어하기 위해 스크류 및 배럴 중 적어도 하나에 위치된 후방 유동 채널을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 중합성 물질 용융 장치.
12. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 제1 날개부 및 적어도 하나의 제2 날개부가 제1 영역 및 제2 영역 중 어느 한 영역의 가소율을 다른 영역에 대해 제어하기 위해 다른 영역보다 후방 압력으로 인한 유동 손실 민감도가 크게 구성되도록,

    제1 영역에 스크류의 외부 상에 적어도 하나의 제1 날개부가 형성되고,

    제2 영역에 스크류의 외부 상에 적어도 하나의 제2 날개부가 형성되는 것을 특징으로 하는 중합성 물질 용융 장치.
13. 제1항에 있어서, 제1 영역 및 제2 영역 중 어느 한 영역의 가소율을 다른 영역에 대해 제어하기 위해 제1 온도 및 제2 온도 중 적어도 하나가 다른 온도에 대해 변하도록,

    제1 영역은 제1 온도에서 유지되며,

    제2 영역은 제2 온도에서 유지되는 것을 특징으로 하는 중합성 물질 용융 장치.
14. 제1 물질 공급원과,

    제2 물질 공급원과,

    스크류 외부의 제1 길이를 따라 연장되고 제1 용융물을 제1 축적 공간 내로 출력하기 위해 제1 물질 공급원으로부터의 물질을 가소화시키기 위한 적어도 하나의 제1 가소화 영역 및 스크류 외부의 제2 길이를 따라 연장되고 제2 용융물을 제2 축적 공간 내로 출력하기 위해 제2 물질 공급원으로부터의 물질을 가소화시키기 위한 제2 가소화 영역을 갖는 스크류와,

    제1 축적 공간 및 제2 축적 공간을 분리하기 위한 가동 배리어를 갖는 것을 특징으로 하는 사출 성형기.
15. 제14항에 있어서, 가동 배리어가 각각의 축적 공간으로부터 제1 용융물 및 제2 용융물에 힘을 가하도록 종축을 따라 스크류를 이동시키기 위한 이동 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 사출 성형기.
16. 코어층 및 표피층을 포함하는 복합 구조를 갖는 성형 대상물 제조 방법에 있어서,

    제1 물질 및 제2 물질 중 하나가 축적 공간의 후방 및 외주연쪽으로 사실상 형성됨으로써 스크류에 종축을 따라 후방으로 힘을 가하는 복합 사출물을 형성하도록 (1) 스크류의 외부의 제1 길이를 따라 연장되는 제1 가소화 영역의 제1 물질을 용융시키고 용융된 제1 물질을 도관 및 제1 비복귀 밸브를 거쳐 스크류 전방의 축적 공간 내로 유동시키며 (2) 이와 동시에 스크류의 외부의 제2 길이를 따라 연장되는 제2 가소화 영역의 제2 물질을 용융시키고 용융된 제2 물질을 제2 비복귀 밸브를 거쳐 스크류 전방의 축적 공간 내로 유동시키기 위해, 종축을 갖는 스크류를 회전시키는 단계와,

    주형 내로 복합 사출물을 사출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 성형 대상물 제조 방법.
17. 서로 다른 물질로 구성된 영역을 포함하는 복합 구조를 갖는 성형 대상물 제조 방법에 있어서,

    (1) 스크류의 외부의 제1 길이를 따라 연장되는 제1 가소화 영역의 제1 물질을 용융시킴으로써 용융된 제1 물질을 배리어 전방의 제1 축적 공간 내로 도관 및 제1 비복귀 밸브를 거쳐 유동시킴으로써 스크류를 종축을 따라 후방 압박하며 (2) 이와 동시에 스크류의 외부의 제2 길이를 따라 연장되는 제2 가소화 영역의 제2 물질을 용융시킴으로써 용융된 제2 물질을 배리어 후방의 제2 축적 공간 내로 제2 비복귀 밸브를 거쳐 유동시키기 위해 종축을 갖는 스크류를 회전시키는 단계와,

    (1) 제1 축적 공간의 용융된 제1 물질을 제1 채널을 거쳐 사출하고 (2) 제2 축적 공간의 용융된 제2 물질을 복합 사출물로서 제2 채널을 거쳐 주형 내로 사출하도록 스크류를 축방향으로 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 성형 대상물 제조 방법
18. 제17항에 있어서, 사출시키기 위해 스크류를 축방향 이동시키는 단계는 용융된 제1 물질 및 용융된 제2 물질을 동시에 사출하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 성형 대상물 제조 방법.
19. 제17항에 있어서, 사출시키기 위해 스크류를 축방향 이동시키는 단계는 용융된 제1 물질 및 용융된 제2 물질을 순차적으로 사출하는 것을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 성형 대상물 제조 방법.