KR20190031118A

KR20190031118A - 발포 성형장치 및 이에 의한 발포 성형방법

Info

Publication number: KR20190031118A
Application number: KR1020180055669A
Authority: KR
Inventors: 강명호
Original assignee: 강명호
Priority date: 2017-09-15
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2019-03-25
Also published as: KR102069098B1

Abstract

본 발명은 발포 성형장치(1,101) 및 이에 의한 발포 성형방법에 관한 것으로, 이 발포 성형장치(1,101)는 발포제를 투입하는 발포제 공급부(3); 용융수지를 투입하는 용융수지 공급부(5); 상기 발포제 공급부(3)로부터 투입된 발포제와 상기 용융수지 공급부(5)로부터 투입된 용융수지를 함께 다공성 유로로 통과시켜 혼합함으로써 발포수지 임계용액을 만드는 고정형 혼합부(7); 및 상기 고정형 혼합부(7)로부터 투입되는 상기 발포수지 임계용액에 의해 발포성형품을 성형하는 성형부(8,9);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하며, 따라서 다공성 유로관에 의해 고점도 겔상의 용융수지와, 고압 압축된 저점도 발포제를 다량으로 균일하게 혼합하여 발포수지 임계용액을 만들 수 있으므로, 발포수지 임계용액 투입 또는 사출 시 성형부 또는 사출금형 내에서 발생되는 발포 기공의 수를 가능한 다량으로 늘릴 수 있고, 따라서 발포성형품의 비중을 크게 감소시킬 수 있게 되어, 발포성형품의 경량화를 도모할 수 있게 된다.

Description

발포 성형장치 및 이에 의한 발포 성형방법{Foam Molding Machine And Foam Molding Method Thereby}

본 발명은 발포 성형장치 및 이에 의한 발포 성형방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초저비중의 발포성형품을 성형에 의해 제조하되, 이 초저비중의 발포성형품의 표면은 발포가 발생하지 않을 수 있도록 하여 초경량이면서도 고강도인 발포성형품을 제조하는 발포 성형장치 및 이에 의한 발포 성형방법에 관한 것이다.

합성수지나 금속의 성형은 주로 캐비티가 형성된 고정금형(캐비티금형)과 코어가 형성된 가동금형(코어금형) 사이에 용융상태의 합성수지나 금속을 주입하고 냉각시켜서 캐비티 형상의 성형품을 얻는 것을 말한다. 이러한 성형은 주로 용융상태의 수지를 일정한 형태의 금형에 투입하고 고온, 고압으로 압축하여 제품을 생산하는 공정으로 대부분의 경우 열가소성 수지의 성형에 사용된다.

이와 달리, 고정금형이 가동금형에 의해 폐쇄되지 않는 형태의 성형 즉, 프로파일 성형은 3D 프린팅과 같이 용융수지 등을 주입하는 노즐이 고정 금형에 대해 이동하거나 반대로, 고정된 노즐에 대해 금형이 이동하면서 금형 내에 용융수지 등을 투입하여 성형품을 얻게 되는 바, 금형비를 크게 낮출 수 있고, 초대형의 물품도 성형에 의해 제작할 수 있도록 한다.

한편, 최근에는 성형물의 무게를 줄이면서 같은 형상의 제품을 제조하기 위해서, 화학발포제나 이산화탄소와 질소 등을 이용한 발포 성형물을 제조하는 방법이 시도되고 있다. 그러나, 이때의 발포 배율은 예컨대, 공개특허 제10-2012-0029599호에 개시된 사출 금형장치 및 발포 수지 제품 제조방법에 개시된 바와 같이, 수지와 발포제의 혼합이 회전날개에 의한 교반에 의해 이루어지기 때문에, 발포제 주입구의 위치나 개수에 한계가 있는 등 용융수지에 대한 발포제의 주입과 관련하여 발생하는 제약으로 인해 최고 1.5배 정도 수준에 그치며 성형물의 비중도 최저 0.7 이상이 되어 원하는 저비중의 발포성형품을 제조하는 것은 현재 기술로는 불가능하였다. 또한 이 발포성형품의 표피가 도 1에 도시된 바와 같이 거칠어서 강도와 외관이 저하되고 실제 사용을 위해서는 페인팅 등의 표면처리를 하여야만 사용할 수 있는 문제점이 있었다.

다시 말해, 발포성형품을 제조함에 있어, 발포 배율을 높이기 위해서는 고압으로 압축된 액상 발포제를 용융수지에 균일하게 그리고 발포제를 함량을 많게 혼합하여야 한다. 그러나, 약 200℃ 이상 고온으로 가열된 케이스 내부에서 고압으로 가압된 상태에서 고점도의 점탄성 용융수지와, 기체와 유사한 매우 낮은 점도를 갖는 고압으로 액화된 발포제를 혼합하는 것은 매우 어려운 난제이다. 종래에는 사출장치 케이스에 용융수지를 혼련하기 위해 나선형 스크류를 사용하는데, 이 스크류 내부에 압축된 액상 발포제를 투입할 수 있는 유로를 만들어 투입하고 이 스크류의 회전을 이용하여 두 물질을 혼합하고 또 다시 이 스크류를 유압이나 전동으로 고압으로 전진시켜 스크류 선단부에 유입된 발포수지 혼합체를 사출금형의 캐비티에 충전하는 방식을 사용한다. 이에 가압된 분위기에서 스크류 회전으로 점도차이가 매우 큰 서로 다른 두 상의 용융수지와 발포제를 혼합하는 것은 완전히 균일한 혼합물을 생성하기 어려울 뿐 아니라, 용융수지를 생성시키기 위해서는 외부로 용융수지가 누출되지 않도록 밀폐된 고압의 분위기를 유지하여야 하기 때문에, 짧은 유동거리 구간에서 충분한 양의 액상 발포제를 투입하는 것은 불가능하며, 따라서 최종 발포성형품의 발포 배율이 매우 낮은 수준에 그치고 있을 뿐 아니라, 발포성형품은 발포기공이 대부분 표면으로 나오고 중앙부에는 발포기공이 희박한 상태로 형성되므로 발표수지 임계용액 응고 시 표피의 수축이 심하게 발생하며, 표면의 후가공이 어려워지고, 외관이 흉해져 외관제품으로 사용하는 것이 불가능하게 되는 문제점이 있었다.

공개특허 제10-2012-0029599호

본 발명은 위와 같은 종래의 발포 성형장치가 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 금형과 같은 성형부에 투입하기 전에 용융수지와, 액화이산화탄소나 액화질소 그리고 물이나 스팀 등의 고압으로 압축된 상태의 발포제를 최대한 많은 양으로 혼합시키도록 하는 조작에 의해 발포성형품에 최대한 많은 양의 발포제가 혼합되도록 함으로써 이 발포제가 금형과 같은 성형부 내에서 팽창함에 있어 발포 기공의 함량을 증가시켜 발포성형품의 비중을 예컨대, 0.8 g/cm2 이하로 감소시키고자 하는 데 그 목적이 있다.

또한, 성형품의 표면에는 발포현상을 줄이거나 완전히 제거하여 고강도의 매끈한 표면을 형성함으로써, 발포로 인해 약해진 강도를 최대한 향상시켜 고강도이면서 저비중인 발포성형품을 제조하고자 하는 데 또 다른 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 발포제를 투입하는 발포제 공급부; 용융수지를 투입하는 용융수지 공급부; 상기 발포제 공급부로부터 투입된 발포제와 상기 용융수지 공급부로부터 투입된 용융수지를 함께 다공성 유로로 통과시켜 혼합함으로써 발포수지 임계용액을 만드는 고정형 혼합부; 및 상기 고정형 혼합부로부터 투입되는 상기 발포수지 임계용액에 의해 발포성형품을 성형하는 성형부;를 포함하여 이루어지는 발포 성형장치를 제공한다.

또한, 상기 발포제 공급부는 상기 고정형 혼합부에의 상기 발포제 투입지점을 하나 이상 복수로 구비하도록 되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 발포제 공급부는 상기 고정형 혼합부로의 상기 발포제 투입량을 상기 발포제 투입지점에 따라 변화시킬 수 있도록 되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 발포제 공급부는 상기 고정형 혼합부로의 상기 발포제 투입량을 각각의 상기 발포제 투입지점에서 시간 경과에 따라 변화시킬 수 있도록 되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고정형 혼합부는 다공질 소재로 이루어진 다공성 유로관을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고정형 혼합부로부터 공급된 상기 발포수지 임계용액을 상기 성형부로 투입하기 위해 일시 저장하는 발포수지 저장부;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고정형 혼합부로부터 공급된 상기 발포수지 임계용액을 상기 성형부로 사출을 위해 일시 저장하는 발포수지 사출부;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 발포수지 사출부는 상기 발포수지 임계용액을 용융상태로 보관하도록 가열하는 가열부를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고정형 혼합부로부터 공급된 상기 발포수지 임계용액을 상기 성형부로 압출을 위해 일시 저장하는 발포수지 압출부;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 용융수지 공급부의 용융수지를 고정형 혼합부로 투입하는 용융수지 공급단계; 발포제 공급부의 발포제를 상기 고정형 혼합부로 투입하는 발포제 공급단계; 상기 용융수지 공급단계와 상기 발포제 공급단계에서 상기 고정형 혼합부에 각각 투입된 상기 용융수지와 상기 발포제를 상기 고정형 혼합부의 다공성 유로관으로 함께 통과시켜, 상기 용융수지와 상기 발포제가 유동하는 동안 거치는 유로를 분산, 확장함으로써 발포수지 임계용액으로 혼합되도록 하는 고정 혼합단계; 및 상기 고정 혼합단계에서 혼합되어 주입된 상기 발포수지 임계용액을 발포수지 저장부에 모아 성형부로 투입하여 발포성형품을 성형하는 발포수지 성형단계;를 포함하여 이루어지는 발포 성형방법을 제공한다.

또한, 상기 발포제 공급단계는 상기 발포제가 상기 고정형 혼합부로 투입되는 발포제 투입지점이 복수일 때, 상기 투입지점의 위치가 상기 고정형 혼합부의 주입구와 멀수록 발포제 투입량을 줄이거나 없애고, 상기 발포수지 성형단계는 상기 발포제 함량이 상기 발포수지 저장부의 출구와 거리가 멀수록 적거나 없고, 가까울수록 많은 상기 발포수지 임계용액이 상기 발포수지 저장부 내에 충진되도록 함으로써, 상기 발포수지 저장부로부터 상기 성형부로 투입되는 상기 발포수지 임계용액이 투입시간의 경과에 따라 발포제 함량이 점차 줄어들도록 따라서, 발포 배율이 점차 낮아지도록 하는 동시에, 상기 성형부에의 충진위치가 상기 발포성형품의 내부에서 표피로 옮겨지도록 한 것이 바람직하다.

또한, 상기 발포제 공급단계는 상기 발포제가 상기 고정형 혼합부로 투입되는 발포제 투입지점이 단수일 때, 상기 발포제 투입지점에서 상기 고정형 혼합부로 투입되는 발포제 투입량을 시간 경과에 따라 점차 줄이고, 상기 발포수지 성형단계는 상기 발포제 함량이 상기 발포수지 저장부의 출구와 거리가 멀수록 적거나 없고, 가까울수록 많은 상기 발포수지 임계용액이 상기 발포수지 저장부 내에 충진되도록 함으로써, 상기 발포수지 저장부로부터 상기 성형부로 투입되는 상기 발포수지 임계용액이 사출시간의 경과에 따라 발포제 함량이 점차 줄어들도록 따라서, 발포 배율이 점차 낮아지도록 하는 동시에, 상기 성형부에의 충진위치가 상기 발포성형품의 내부에서 표피로 옮겨지도록 한 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 용융수지 공급부의 용융수지를 고정형 혼합부로 투입하는 용융수지 공급단계; 발포제 공급부의 발포제를 상기 고정형 혼합부로 투입하는 발포제 공급단계; 상기 용융수지 공급단계와 상기 발포제 공급단계에서 상기 고정형 혼합부에 각각 투입된 상기 용융수지와 상기 발포제를 상기 고정형 혼합부의 다공성 유로관으로 함께 통과시켜, 상기 용융수지와 상기 발포제가 유동하는 동안 거치는 유로를 분산, 확장함으로써 발포수지 임계용액으로 혼합되도록 하는 고정 혼합단계; 및 상기 고정 혼합단계에서 혼합되어 주입된 상기 발포수지 임계용액을 발포수지 사출부에 모아 성형부로 사출하여 발포성형품을 성형하는 발포수지 성형단계;를 포함하여 이루어지는 발포 성형방법을 제공한다.

또한, 상기 발포제 공급단계는 상기 발포제가 상기 고정형 혼합부로 투입되는 발포제 투입지점이 복수일 때, 상기 투입지점의 위치가 상기 고정형 혼합부의 주입구와 가까울수록 발포제 투입량을 줄이거나 없애고, 상기 발포수지 성형단계는 상기 발포제 함량이 상기 발포수지 사출부의 사출구와 거리가 가까울수록 적거나 없고, 멀수록 많은 상기 발포수지 임계용액이 상기 발포수지 사출부 내에 충진되도록 함으로써, 상기 발포수지 사출부로부터 상기 성형부로 사출되는 상기 발포수지 임계용액이 사출시간의 경과에 따라 발포제 함량이 점차 늘어나도록 따라서, 발포 배율이 점차 높아지도록 하는 동시에, 상기 성형부에의 충진위치가 상기 발포성형품의 표피에서 중심으로 옮겨지도록 한 것이 바람직하다.

또한, 상기 발포제 공급단계는 상기 발포제가 상기 고정형 혼합부로 투입되는 발포제 투입지점이 단수일 때, 상기 발포제 투입지점에서 상기 고정형 혼합부로 투입되는 발포제 투입량을 시간 경과에 따라 점차 늘리고, 상기 발포수지 성형단계는 상기 발포제 함량이 상기 발포수지 사출부의 사출구와 거리가 가까울수록 적거나 없고, 멀수록 많은 상기 발포수지 임계용액이 상기 발포수지 사출부 내에 충진되도록 함으로써, 상기 발포수지 사출부로부터 상기 성형부로 사출되는 상기 발포수지 임계용액이 사출시간의 경과에 따라 발포제 함량이 점차 늘어나도록 따라서, 발포 배율이 점차 높아지도록 하는 동시에, 상기 성형부에의 충진위치가 상기 발포성형품의 표피에서 중심으로 옮겨지도록 한 것이 바람직하다.

본 발명의 발포 성형장치 및 이에 의한 발포 성형방법에 따르면, 다공성 유로관을 갖는 고정형 혼합부에 의해 고점도의 겔상의 용융수지와, 저점도의 고압 압축된 발포제를 다량으로 균일하게 혼합하여 발포수지 임계용액을 만들 수 있으므로, 발포수지 임계용액을 성형부 또는 사출금형에 투입 또는 사출할 때 성형부 또는 사출금형 내에서 발생되는 발포 기공의 수를 가능한 다량으로 늘릴 수 있고, 따라서 발포성형품의 비중을 크게 감소시킬 수 있게 되어, 발포성형품의 경량화를 도모할 수 있게 된다.

또한, 고정형 혼합부로 공급된 용융수지가 고정형 혼합부 어느 위치에서나 완전 용융된 상태를 유지할 수 있으므로, 발포제 투입지점을 고정형 혼합부 임의의 위치에 설정할 수 있게 된다.

따라서, 발포제 투입지점을 복수로 설정할 수 있고 복수의 투입지점마다 개폐밸브를 통해 발포제 투입량을 조정할 수 있으므로, 고정형 혼합부 내에서의 발포제와 용융수지 혼합비를 투입지점의 위치에 따라 달리 할 수 있게 된다.

뿐만 아니라, 발포제 투입지점을 단수로 설정한 경우에도, 고정형 혼합부로 투입되는 발포제의 양을 개폐밸브의 조정을 통해 시간 경과에 따라 변화시킬 수 있게 된다.

그러므로, 고정형 혼합부에서 발포수지 사출부로 주입되는 발포수지 임계용액의 발포제 함량을 발포수지 저장부 또는 사출부 케이스 내 충진위치에 따라 다르게 할 수 있으므로, 성형부 또는 사출금형으로 투입 또는 사출되어 발포 성형되는 발포성형품의 외관품질을 원하는 데로 향상시킬 수 있으며, 발포로 약해진 발포성형품의 강도를 보완할 수 있게 된다.

즉, 예컨대 발포수지 저장부의 노즐에 가까울수록 발포제 함량을 늘리고, 노즐에서 멀어질수록 발포제 함량을 줄이거나 가장 먼 위치에서는 0으로 할 수 있게 되므로, 발포제 함량이 없거나 적은 발포수지 임계용액이 발포수지 저장부의 최후단에 위치하도록 하고, 아래로 갈수록 발포제 함량이 많아지도록 할 수 있고, 이에 따라 투입 초기에 투입되는 발포제 함량이 많은 발포수지 임계용액이 성형부에서 성형품의 내부를 이루도록 충진되고, 점차 발포제 함량이 적거나 없는 발포수지 임계용액이 성형품의 표피를 이루도록 충진되므로, 발포성형품의 표피는 미발포의 수지층을 이루고, 중심으로 갈수록 발포 배율이 높은 발포층이 형성되도록 할 수 있게 된다.

또한, 예컨대 발포수지 사출부의 사출구에 가까울수록 발포제 함량을 줄이거나 가장 가까운 위치에서는 0으로 하고, 사출구에서 멀어질수록 늘릴 수 있게 되므로, 발포제 함량이 없거나 적은 발포수지 임계용액이 발포수지 사출부의 최선단에 위치하도록 하고, 뒤로 갈수록 발포제 함량이 많아지도록 할 수 있고, 이에 따라 사출 시 초기에 사출되는 발포제 함량이 없거나 적은 발포수지 임계용액이 캐비티 내주면을 따라 발포성형품의 표피로서 발라지듯이 충진되고, 점차 발포제 함량이 많은 발포수지 임계용액이 표피 안쪽으로 충진되어 중심 부위를 마지막에 채우게 되므로, 발포성형품의 표피는 미발포의 수지층을 이루고, 중심으로 갈수록 발포 배율이 높은 발포층이 형성되도록 할 수 있게 된다.

따라서, 중심부위가 고배율의 발포층으로 되어 경량화가 가능하고, 표피부위가 미발포 수지층을 이루어 강도가 높아지므로, 전체적으로 허니컴(honey comb) 구조를 갖는 고강도이면서 경량인 구조용 발포성형품을 획득할 수 있게 된다.

또한, 발포성형품의 표피가 미발포 수지층으로 이루어지므로, 발포성형품의 외관을 일층 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 사출 성형의 경우 캐비티 내주면과 접촉하는 발포성형품 표피가 미발포 수지층으로 이루어져 발포성형품 전체에서 밀도가 가장 높기 때문에, 발포수지 임계용액이 응고될 때 발생하는 수축율을 크게 줄일 수 있게 된다.

도 1은 종래의 교반식 혼합방법에 의해 용융수지에 발포제를 혼합하여 발포 성형한 발포성형품의 예시 사진.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발포 성형장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 도 2에 도시된 다공성 유로관을 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발포 성형장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 발포 성형장치에 의해 용융수지와 발포제를 혼합하여 발포 성형한 발포성형품의 예시 사진.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 발포 성형장치를 첨부 도면을 참조로 상세히 설명한다.

본 발명의 발포 성형장치는 도 2에 도면부호 1로 개략 도시된 바와 같이, 크게 발포제 공급부(3), 용융수지 공급부(5), 고정형 혼합부(7), 및 성형부(8)를 포함하여 이루어진다.

여기에서, 상기 발포제 공급부(3)는 발포수지 임계용액을 혼합하는 데 사용되는 발포제를 고정형 혼합부(7)로 투입, 공급하는 수단으로서, 예컨대 도 2에 도시된 것처럼, 제1 내지 제3 관로(15,16,17)와 같은 적어도 하나 이상의 관로를 통해 고정형 혼합부(7)와 연결되는 바, 고정형 혼합부(7)에의 발포제 투입지점을 하나 이상 복수로 구비하게 된다. 따라서, 발포제 공급부(3)는 예컨대, 액화이산화탄소, 액화질소, 고압수소, 스팀, 알코올 및 유기고분자 가스, 헬륨 등과 같은 발포제를 고정형 혼합부(7)로 공급한다. 특히, 발포제는 액화이산화탄소나 액화질소와 같이 고압으로 압축되어 액화된 발포제인 것이 바람직하며, 그 속성 상 상대적으로 낮은 점도를 갖는다.

상기 용융수지 공급부(5)는 위 발포제와 함께 발포수지 임계용액을 혼합하는 데 사용되는 용융수지를 고정형 혼합부(7)로 투입, 공급하는 수단으로서, 도 2에 도시된 것처럼, 고정형 혼합부(7)의 일단에 연결된다, 이때, 용융수지 공급부(5)도 도 2에는 하나만 도시되어 있지만, 필요에 따라 복수로 구비할 수 있다.

한편, 용융수지 공급부(5)는 외부에서 수지를 용융시켜 공급 받는 용기의 형태로 제작될 수 있을 뿐 아니라, 도 2에 도시된 것처럼 외부에서 투입된 수지를 직접 용융시키는 용융장치의 형태로 제작될 수도 있다. 따라서, 도 2에 도시된 용융수지 공급부(5)는 투입된 수지를 용융시키는 원통형의 케이스(51)와 이송스크류(53) 그리고 스크류 구동모터(55)로 구성되는 바, 외부에서 케이스(51) 내부로 투입된 수지를 가열수단(미도시)에 의해 가열하여 용융시키면서, 구동모터(55)를 작동시켜 이송스크류(53)에 의해 배출구(52)로 이송시키게 된다. 이에 따라 용융수지 공급부(5)에서 용융된 용융수지는 상대적으로 높은 점도를 갖는 겔(gel) 상으로(실제로는 점탄성질 상태로) 이송되어 고정형 혼합부(7)로 투입된다. 다만, 이송스크류(53)는 유압식으로 동작시킬 수 있다.

상기 고정형 혼합부(7)는 위 발포제 공급부(3)로부터 투입된 발포제와 용융수지 공급부(5)로부터 투입된 용융수지를 혼합하는 수단으로서, 도 2 및 도 3에 도시된 것처럼, 다공질 소재로 이루어진 다공성 유로관(71)을 포함하여 구성된다. 이때, 고정형 혼합부(7)는 도 2 상에 다공성 유로관(71) 만으로 도시되어 있으나, 당연히 다공성 유로관(71)을 둘러싸는 외부케이스나 제1 내지 제3 관로(15,16,17) 또는 용융수지 공급부(5)의 배출구와 연결되는 연결관을 구비하며, 이들은 다만 편의 상 도면에서 생략되어 있다.

이와 같이, 고정형 혼합부(7)는 용융수지 공급부(5)에서 공급되는 고점도 겔상의 용융수지와 발포제 공급부(3)에서 공급되는 저점도의 고압으로 압축된 액상의 발포제를 균일하게 혼합하는 바, 교반장치 등을 회전시켜 혼합 대상물을 섞는(agitating) 기존의 회전형 교반방식이 아니라, 혼합대상의 유체들이 함께 유동하는 동안에 거치는 유로를 분산, 확장함으로써 혼합되도록 하는 고정형 교반방식에 의해 발포제와 용융수지를 혼합한다. 이를 위해, 고정형 혼합부(7)는 다공성 유로관(71)과 같은 다공질 소재를 반드시 필요로 하며, 다공질 소재로는 발포 알루미늄과 같은 발포 금속을 채용하는 것이 바람직하며, 발포 세라믹이나 유기고분자를 비롯하여 철망 등 다공질 평판금속을 복수개를 겹쳐서 사용할 수도 있으며, 다공질의 기공의 크기는 0.01 내지 10mm의 직경을 가지며 용도에 따라 복수의 기공을 갖는 다공질 물질을 혼합 배열하여 사용할 수도 있다.

따라서, 다공성 유로관(71)은 고온, 고압의 분위기에서 발포제와 용융수지를 함께 다공성 유로로 통과시켜 혼합함으로써 발포수지 임계용액을 만드는 바, 이는 발포제와 용융수지 두 유체가 다공성 유로관(71)의 다공질 물질을 흐르게 되면 분산되고 유로가 확장되게 되어 균일한 혼합을 할 수 있게 되기 때문이다. 이때, 다공질 소재는 비중이 작아진 정도의 제곱으로 물질 자체보다 강도가 떨어지게 된다. 그래서 필요한 강도의 다공질 소재를 만들기 위해서는 다공질 물질의 원료의 선택이 매우 중요하고, 다공질 소재의 원 소재와 비교해 줄어든 비중이 크면, 강도가 그 제곱으로 약해지며 다공질 물질에 형성된 기공의 크기가 크면 강도가 더 약해지게 된다. 특히, 고점도의 유체를 통과시키기 위해서 다공질 소재의 강도는 매우 중요하고 또한 기공의 크기가 크면 유동이 잘 되겠지만 혼련상태는 불량하게 되어 요구되는 혼합 균일도를 달성하기 위해서는 다공질 소재의 유로를 길게 확장해야 되기 때문에 그 최적값을 찾는 것이 매우 중요하다.

한편, 위와 같이 고온, 고압 분위기에서 발포제와 용융수지를 균일하게 혼합한 용액의 상태를 발포수지 임계용액이라고 정의하며, 이는 발포용융수지 임계용액이라고 달리 칭할 수 있는데, 이는 가용액(pseudosolution) 또는 임계용액(critical solution) 상태를 형성함에 따른 것이다.

따라서, 발포 성형장치(1)는 고정형 혼합부(7)는 도시되어 있지 않지만, 혼합된 발포수지 임계용액을 발포수지 저장부(11)를 통하지 않고 직접 성형부(8)에 투입할 수 있다.

그러나, 바람직하게는 도 2에 도시된 바와 같이, 발포수지 저장부(11)를 구비하는 바, 이 발포수지 저장부(11)는 발포수지 임계용액을 성형을 위해 저장하는 수단으로서, 고정형 혼합부(7)의 주입구(89) 측에 연결되는 바, 위와 같이 고정형 혼합부(7)에서 혼합되어 압력에 의해서 주입구(89)를 통해 밀려나온 발포수지 임계용액을 일시 저장한다. 이를 위해 발포수지 저장부(11)는 몸체를 이루는 케이스(81), 주입구(89) 반대쪽에서 케이스(81)에 노즐(83), 그리고 노즐(83)을 개폐하는 밸브(85)를 포함하여 이루어지며, 케이스(81) 내에 투입된 발포수지 임계용액을 용융상태로 보관하도록 가열하는 가열부(87)를 더 포함할 수 있다.

따라서, 발포수지 저장부(11)는 고정형 혼합부(7)로부터 케이스(81) 내부로 투입된 발포수지 임계용액을 필요에 따라 가열부(87)에 의해 용융상태로 유지하면서, 케이스(81) 내에서 일정량으로 계량된 때, 밸브(85)를 개방하여 노즐(83)을 통해 성형부(8)로 투입한다.

상기 성형부(8)는 도 2에 도시된 것처럼, 발포수지 저장부(11)로부터 투입된 발포수지 임계용액에 의해 소정의 발포성형품으로 성형하는 부분으로, 성형의 방법에 따라 다양한 형태로 제공될 수 있는 바, 도 4에 따라 후술하는 바와 같이 발포수지 임계용액을 사출 성형할 때는 사출금형(9)을 사용하게 되고, 압출 또는 이형압출할 때는 압출금형을 사용하면 된다. 또한, 도 2에 도시된 것처럼, 프로파일 성형(profile forming)을 할 때, 성형부(8)는 전후좌우상하로 움직일 수 있는 성형판으로 이루진다. 다만, 성형부(8)를 고정하는 경우, 노즐(83)과 케이스(81) 사이를 가요성 관 등으로 연결하여 노즐(83)을 성형부(8)의 전후좌우상하로 움직이게 할 수도 있다. 이와 같이, 프로파일 성형을 하는 경우 금형비를 크게 줄일 수 있고, 초대형의 물품을 성형할 수 있게 된다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 발포 성형장치가 도 4에 도면부호 101로 개략 도시되어 있다. 이 발포 성형장치(101)는 도시된 것처럼, 발포 성형장치(1)와 마찬가지로 크게 발포제 공급부(3), 용융수지 공급부(5), 고정형 혼합부(7), 및 성형부(9)를 포함하여 이루어지는 바, 발포 성형장치(1)의 발포수지 저장부(11) 대신에 발포수지 사출부(13)를 구비하고, 성형부(9)로는 사출금형이 사용되는 점을 제외하면, 발포 성형장치(1)와 동일하다.

따라서, 발포제 공급부(3), 용융수지 공급부(5), 고정형 혼합부(7)에 대한 설명은 발포 성형장치(1)에 따른 위 설명으로 대신하고, 여기서는 생략한다.

다만, 상기 발포수지 사출부(13)는 위와 같이 고정형 혼합부(7)에서 혼합되어 주입되는 발포수지 임계용액을 사출을 위해 일시 저장하는 바, 도 4에 도시된 바와 같이, 고정형 혼합부(7)의 주입구(99) 측에 연결되며, 몸체를 이루는 케이스(91), 이 케이스(91) 내에 장착되는 플런저 또는 스크류(93), 그리고 푸시로드(94)를 통해 플런저(93)를 가동시키는 구동모터(95)를 포함하여 이루어지고, 케이스(91) 내에 투입된 발포수지 임계용액을 용융상태로 보관하도록 가열하는 가열부(97)를 포함한다.

따라서, 발포수지 사출부(13)는 고정형 혼합부(7)로부터 케이스(91) 내부로 투입된 발포수지 임계용액을 가열부(97)에 의해 용융상태로 유지하면서, 케이스(91) 내에서 일정량으로 계량된 때, 구동모터(95)에 의해 또는 유압식으로 플런저또는 스크류(93)를 전후진시켜 출구 측에 연결된 사출금형 형태의 성형부(9)로 사출한다.

상기 성형부(9)는 도 4에 도시된 것처럼, 발포수지 사출부(13)로부터 사출된 발포수지 임계용액을 공동에 충진하여 소정의 발포성형품으로 성형한다.

이제, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발포 성형장치(1,101)에 의한 발포 성형방법을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 발포 성형방법은 크게 용융수지 공급단계(S10), 발포제 공급단계(S20), 고정 혼합단계(S30), 및 발포수지 성형단계(S40)를 포함하여 이루어진다.

여기에서, 상기 용융수지 공급단계(S10)는 용융수지 공급부(5)의 용융수지를 고정형 혼합부(7)로 투입하는 단계로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 최초, 용융 상태로 용융수지 공급부(5)로 투입된 용융수지 또는 용융 전 상태로 투입되어 용융수지 공급부(5)에서 용융된 고점도의 용융수지를 모터(55)에 의해 또는 유압식으로 동작하는 이송스크류(53)의 회전에 의해 선단의 배출구를 통해 고정형 혼합부(7)로 투입한다.

상기 발포제 공급단계(S20)는 발포제 공급부(3)의 발포제를 상기 고정형 혼합부(7)로 투입하는 단계로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 발포제 공급부(3)에서 고압으로 압축된 발포제를 하나 이상의 관로(15,16,17)를 통해 고정형 혼합부(7)로 투입한다.

상기 고정 혼합단계(S30)는 용융수지 공급단계(S10)와 발포제 공급단계(S20)에서 위와 같이 고정형 혼합부(7)에 각각 투입된 용융수지와 발포제를 혼합하는 단계로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 용융수지와 발포제를 다공성 유로관(71)으로 함께 통과시킴으로써, 용융수지와 발포제가 다공성 유로관(71)의 공극에 의해 분산, 확장된 유로를 거치면서 발포수지 임계용액으로 균일하게 혼합되도록 한다.

상기 발포수지 성형단계(S40)는 위 고정 혼합단계(S30)에서 고정형 혼합부(7)에 의해 혼합되어 주입된 발포수지 임계용액을 성형부(8)로 투입하여 발포성형품을 성형하는 단계로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 발포수지 저장부(11)로 주입된 발포수지 임계용액을 발포수지 저장부(11)에 모아 두었다가 밸브(85)를 개방한 때 성형부(8)로 투입된다.

이때, 고정형 혼합부(7)에서 발포수지 저장부(11)로 주입되는 발포수지 임계용액은 고정형 혼합부(7)가 연결된 주입구(89)와 먼 부분에서부터 점차 가까워지는 방향으로 원통형의 케이스(81) 내부에 충진된다. 즉, 도 2와 같이 주입구(89)가 케이스(81) 전방단에 배치될 경우, 고정형 혼합부(7)에서 발포수지 저장부(11)로 주입되는 발포수지 임계용액은 주입구(89)와 먼 케이스(81) 바닥에서부터 천장으로 점차 가까워지면서 충진된다.

이후, 케이스(91) 내에 충진된 발포수지 임계용액은 밸브(85)가 개방된 때 노즐(83)을 통해 성형부(8)로 투입되어 발포성형품으로 성형된다. 이때, 예컨대 프로파일 성형의 경우에는 성형부(8)가 이동하는 가운데 발포수지 임계용액이 투입되어 성형부(8)를 채우게 되는 바, 성형부(8)의 움직임은 컴퓨터 등에 의해 제어됨으로써 마치 3D 프린터와 같이 성형을 하게 된다.

한편, 본 발명은 발포제와 용융수지를 혼합하는 수단으로 위와 같은 고정형 혼합부(7)를 채용하는 바, 다공성 유로관(71)의 표면 중 어느 부분에서도 동일한 조건으로 발포제를 투입할 수 있으므로, 즉, 다공성 유로관(71)으로 투입된 용융수지는 다공성 유로관(71)의 어느 지점에서도 완전 용융된 상태이어서, 다공성 유로관(71)에 투입될 때 발포제에 미치는 용융수지의 영향이 일정하므로, 도 2에 도시된 것처럼, 고정형 혼합부(7)에 발포제를 투입하는 투입지점을 임의의 위치에 설정할 수 있게 될 뿐 아니라, 하나 이상 복수로 구비할 수 있게 된다.

한편, 이와 같이 발포제를 투입하는 복수의 관로 즉, 제1 내지 제3 관로(15,16,17)가 공히 개폐밸브(21)를 통해 개폐동작의 제어가 가능한 바, 발포제 공급부(3)는 개폐밸브(21)의 선택적 개도 조정에 따라 고정형 혼합부(7)로의 발포제 투입량을 발포제 투입지점에 따라 변화시킬 수 있게 된다. 또한, 발포제 공급부(3)는 개폐밸브(21)의 개폐 시간 조정을 통해 각각의 발포제 투입지점에 투입되는 발포제의 양을 시간 경과에 따라 제어할 수 있게 된다.

따라서, 발포제가 고정형 혼합부(7)로 투입되는 발포제 투입지점이 복수일 때, 위 발포제 공급단계(S20)에서 제1 내지 제3 관로(15,16,17)의 밸브(21) 개도를 조정하여, 투입지점의 위치가 고정형 혼합부(7)의 주입구(89)와 가까울수록 즉, 예컨대 도 2에서 제2 및 제3 관로(16,17)보다는 제1 관로(15)의 투입지점에서, 발포제 투입량을 줄이거나 발포제 투입을 멈출 수 있다. 또한, 발포제 투입지점이 단수일 때에도, 위 발포제 공급단계(S20)에서 밸브(21)의 개도를 시간 경과에 따라 점차 줄임으로써, 고정형 혼합부(7)로 투입되는 발포제 투입량을 시간 경과에 따라 0으로 점차 감소시킬 수 있게 된다. 이에 따라, 발포수지 성형단계(S40)에서 케이스(81)의 주입구(89) 인접 위치에 주입되는 즉, 케이스(81) 내부로 나중에 주입, 충전되는 발포수지 임계용액은 발포제 함량이 없거나 적게 되고, 주입구(89)에서 멀어질수록 발포제 함량이 점차 늘어나게 된다.

결과적으로, 발포수지 저장부(11)로부터 성형부(8)로 투입되는 발포수지 임계용액은 투입시간의 경과에 따라 발포제 함량이 점차 줄어 발포 배율이 점차 낮아지기 때문에, 발포수지 임계용액은 투입 초기에 발포제 함량이 예컨대, 최대인 상태로 성형부(8)에 충진되어 발포성형품의 내부를 이루게 되며, 시간 경과에 따라 발포제 함량이 감소하면서 점차 발포성형품의 표피로 충진위치를 옮기게 된다. 다시 말해, 발포수지 저장부(11)에서 성형부(8)로 투입되는 발포수지 임계용액은 발포제의 함량이 최초 예컨대 최대에서 시간 경과에 따라 점차 감소되므로, 발포성형품의 내부에는 발포제 함량이 많은 발포수지 임계용액이 위치하여 고배율의 발포가 일어나고, 반대로 발포성형품의 표피에는 발포제가 없거나 적은 수지층이 발생하여 내부에 위치한 고배율 발포 부위를 둘러싸게 된다.

한편, 본 발명에 따른 다른 실시예에 따른 발포 성형방법도 크게 용융수지 공급단계(S10), 발포제 공급단계(S20), 고정 혼합단계(S30), 및 발포수지 성형단계(S40)를 포함하여 이루어지는 바, 상기 용융수지 공급단계(S10)와 상기 발포제 공급단계(S20) 그리고 고정 혼합단계(S30)는 위에서 설명한 바 있으므로, 더 이상의 설명은 생략한다.

다만, 상기 발포수지 성형단계(S40)는 위 고정 혼합단계(S30)에서 고정형 혼합부(7)에 의해 혼합되어 주입된 발포수지 임계용액을 성형부(9)로 사출하여 발포성형품을 성형하는 바, 도 4에 도시된 바와 같이, 발포수지 사출부(13)로 주입된 발포수지 임계용액을 발포수지 사출부(13)에 모아, 모터(95)에 의해 또는 유압식으로 가동되는 플런저(93)의 전후 운동에 따라 성형부(9)로 사출한다. 이때, 고정형 혼합부(7)에서 발포수지 사출부(13)로 주입되는 발포수지 임계용액은 고정형 혼합부(7)가 연결된 주입구(89)와 가까운 부분에서부터 점차 멀어지는 방향으로 원통형의 케이스(91) 내부에 충진된다. 즉, 도 4와 같이 주입구(89)가 케이스(91) 전방단에 배치될 경우, 고정형 혼합부(7)에서 발포수지 사출부(13)로 주입되는 발포수지 임계용액은 주입구(89)와 가까운 케이스(91) 전단에서부터 후단으로 점차 멀어지면서 충진된다.

이후, 모터(95)나 유압장치가 동작하여 플런저(93)가 전진하면, 케이스(91) 내에 충진된 발포수지 임계용액은 사출구(92)를 통해 성형부(9)로 사출되어 발포성형품으로 성형된다.

한편, 발포제를 투입하는 복수의 관로 즉, 제1 내지 제3 관로(15,16,17)가 마찬가지로 공히 개폐밸브(21)를 통해 개폐동작의 제어가 가능한 바, 발포제가 고정형 혼합부(7)로 투입되는 발포제 투입지점이 복수일 때, 위 발포제 공급단계(S20)에서 제1 내지 제3 관로(15,16,17)의 밸브(21) 개도를 조정하여, 투입지점의 위치가 고정형 혼합부(7)의 주입구(89)와 가까울수록 즉, 예컨대 도 2에서 제1 및 제2 관로(15,16)보다는 제3 관로(17)의 투입지점에서, 발포제 투입량을 줄이거나 발포제 투입을 멈출 수 있다. 또한, 발포제 투입지점이 단수일 때에도, 위 발포제 공급단계(S20)에서 밸브(21)의 개도를 시간 경과에 따라 점차 늘림으로써, 고정형 혼합부(7)로 투입되는 발포제 투입량을 시간 경과에 따라 0에서 점차 증대시킬 수 있게 된다. 이에 따라, 발포수지 성형단계(S40)에서 케이스(91)의 주입구(89) 인접 위치에 주입되는 즉, 케이스(91) 내부로 먼저 주입, 충전되는 발포수지 임계용액은 발포제 함량이 없거나 적게 되고, 주입구(89)에서 멀어질수록 발포제 함량이 점차 늘어나게 된다.

결과적으로, 발포수지 사출부(13)로부터 성형부(9)로 사출되는 발포수지 임계용액은 사출시간의 경과에 따라 발포제 함량이 점차 늘어나 발포 배율이 점차 높아지기 때문에, 발포수지 임계용액은 사출 초기에 발포제 함량이 예컨대, 0인 상태로 성형부(9) 캐비티(C)에 충진되어 발포성형품의 표피를 이루게 되며, 시간 경과에 따라 발포제 함량이 증대되면서 점차 발포성형품의 중심으로 충진위치를 옮기게 된다. 다시 말해, 발포수지 사출부(13)에서 성형부(9)로 사출되는 발포수지 임계용액은 발포제의 함량이 최초 예컨대 0에서 시간 경과에 따라 점차 증대되므로, 발포성형품의 중심에는 발포제 함량이 많은 발포수지 임계용액이 위치하여 고배율의 발포가 일어나고, 반대로 발포성형품의 표피에는 발포제가 없거나 적은 수지층이 발생하여 중심 부분에 위치한 고배율 발포 부위를 둘러싸게 된다. 이에 따라, 발포성형품은 도 5에 도시된 것처럼, 표피가 미발포 수지층으로 되고, 중심이 고배율로 발포된 수지층을 이루게 되며, 전체적으로 허니컴 구조를 갖게 되므로, 고강도의 구조용 발포성형품으로 된다.

1, 101 : 발포 성형장치 3 : 발포제 공급부
5 : 용융수지 공급부 7 : 고정형 혼합부
8, 9 : 성형부 11 : 발포수지 저장부
13 : 발포수지 사출부 15, 16,17 : 제1 내지 제3 관로
21 : 개폐밸브 51, 81 : 케이스
52 : 배출구 71 : 다공성 유로관
83 : 노즐 85 : 밸브
87, 97 : 가열부 89 : 주입구
92 : 사출구 C : 캐비티

Claims

발포제를 투입하는 발포제 공급부(3);
용융수지를 투입하는 용융수지 공급부(5);
상기 발포제 공급부(3)로부터 투입된 발포제와 상기 용융수지 공급부(5)로부터 투입된 용융수지를 함께 다공성 유로로 통과시켜 혼합함으로써 발포수지 임계용액을 만드는 고정형 혼합부(7); 및
상기 고정형 혼합부(7)로부터 투입되는 상기 발포수지 임계용액에 의해 발포성형품을 성형하는 성형부(8,9);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발포 성형장치.
청구항 1에 있어서,
상기 발포제 공급부(3)는 상기 고정형 혼합부(7)에의 상기 발포제 투입지점을 하나 이상 복수로 구비하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 발포 성형장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 고정형 혼합부(7)로부터 공급된 상기 발포수지 임계용액을 상기 성형부(8)로 투입하기 위해 일시 저장하는 발포수지 저장부(11);를 포함하는 것을 특징으로 하는 발포 성형장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 고정형 혼합부(7)로부터 공급된 상기 발포수지 임계용액을 상기 성형부(9)로 사출을 위해 일시 저장하는 발포수지 사출부(13);를 포함하는 것을 특징으로 하는 발포 성형장치.
청구항 4에 있어서,
상기 발포수지 사출부(13)는 상기 발포수지 임계용액을 용융상태로 보관하도록 가열하는 가열부(97)를 포함하는 것을 특징으로 하는 발포 성형장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 고정형 혼합부(7)로부터 공급된 상기 발포수지 임계용액을 상기 성형부로 압출을 위해 일시 저장하는 발포수지 압출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발포 성형장치.
용융수지 공급부(5)의 용융수지를 고정형 혼합부(7)로 투입하는 용융수지 공급단계(S10);
발포제 공급부(3)의 발포제를 상기 고정형 혼합부(7)로 투입하는 발포제 공급단계(S20);
상기 용융수지 공급단계(S10)와 상기 발포제 공급단계(S20)에서 상기 고정형 혼합부(7)에 각각 투입된 상기 용융수지와 상기 발포제를 상기 고정형 혼합부(7)의 다공성 유로관(71)으로 함께 통과시켜, 상기 용융수지와 상기 발포제가 유동하는 동안 거치는 유로를 분산, 확장함으로써 발포수지 임계용액으로 혼합되도록 하는 고정 혼합단계(S30); 및
상기 고정 혼합단계(S30)에서 혼합되어 주입된 상기 발포수지 임계용액을 발포수지 사출부(13)에 모아 성형부(9)로 사출하여 발포성형품을 성형하는 발포수지 성형단계(S40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발포 성형방법.
청구항 7에 있어서,
상기 발포제 공급단계(S20)는 상기 발포제가 상기 고정형 혼합부(7)로 투입되는 발포제 투입지점이 단수일 때, 상기 발포제 투입지점에서 상기 고정형 혼합부(7)로 투입되는 발포제 투입량을 시간 경과에 따라 점차 늘리고,
상기 발포수지 성형단계(S40)는 상기 발포제 함량이 상기 발포수지 사출부(13)의 사출구(92)와 거리가 가까울수록 적거나 없고, 멀수록 많은 상기 발포수지 임계용액이 상기 발포수지 사출부(13) 내에 충진되도록 함으로써, 상기 발포수지 사출부(13)로부터 상기 성형부(9)로 사출되는 상기 발포수지 임계용액이 사출시간의 경과에 따라 발포제 함량이 점차 늘어나도록 따라서, 발포 배율이 점차 높아지도록 하는 동시에, 상기 성형부(9)에의 충진위치가 상기 발포성형품의 표피에서 중심으로 옮겨지도록 한 것을 특징으로 하는 발포 성형방법.