KR20210077994A - 효율적인 플라스틱 사출 금형 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사형 주조 기술과 용사 코팅 기술을 함께 적용한 플라스틱 사출 금형 제조 방법에 관한 것으로서, 아연계 소재를 원료로 사용하여 가금형을 제조하는 공정과, 아크 용사법으로 상기 가금형에 금속소재를 코팅하는 공정 및 상기 코팅된 가금형을 정밀가공하여 설계된 실금형을 제조하는 공정을 포함한다.
본 발명에 의하여 종래의 아연계 주조 금형이 가지는 표면 결함 및 내구성 문제를 경제적으로 용이하게 해결하는 효과가 있다.

Description

효율적인 플라스틱 사출 금형 제조방법{Efficient Plastic Injection Mold Manufacturing Method}

본 발명은 플라스틱 사출 금형 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사형 주조 기술과 용사 코팅 기술을 함께 적용하여 금형 제조기간 및 비용을 감소시키면서 동시에 금형의 요구 성능을 확보할 수 있는 플라스틱 사출금형 제조방법에 관한 것이다.

플라스틱 사출 금형은 통상 단조 합금강을 사용하여 기계 가공 및 방전 가공의 방법으로 형상을 구현하고 부품조립 및 정밀 사상 등의 공정을 거쳐 제조된다.

최근 들어 다품종 소량생산 체제로 산업 구조가 변화하면서 수천 개 정도의 사출품 만을 생산하기 위한 플라스틱 사출금형 수요가 급증하고 있으며, 이 경우에는 고가의 단조 합금강을 사용하기 보다는 가공이 용이하고, 사형 주조 방법을 통해 유사 형상(Near-Net Shape) 제조를 할 수 있는 아연계 합금(ZAS) 소재를 사용하여 금형을 제조하고 있다.

그러나 아연계 합금 소재를 사용하는 경우, 고온의 사출 수지가 금형내로 가압 주입되고 냉각되는 과정이 반복되는 플라스틱 사출 금형에 있어서는 금형 수명 및 내구성에 문제가 있다.

또한, 도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, 아연계 소재를 사용한 종래의 플라스틱 사출 금형 제조방법은 우선 스티로폼 등 가공이 용이한 소재를 사용하여 금형 완성품(20)과 유사 금형 형상으로 제조한 후 주물사를 이용한 사형 주조 방식으로 아연계 용탕을 부어 유사금형(10)을 만든 후 기계 가공 및 방전 가공의 방법으로 금형 완성품(20)으로 제조하게 되는데, 이때 기공과 같은 주조 결함들이 최종 형상 가공 단계에서 표면에 들어나게 되어 핀홀(pin hole)과 같은 금형 품질 결함을 발생시킨다.

상기한 금형 품질 결함은 프레스 금형이나 플라스틱 사출 금형 중에서도 시작품 제조를 위한 금형인 경우에는 문제가 되지 않으나, 전술한 바와 같이 다품종 소량생산을 위해 양산품을 생산할 목적으로 제조된 금형의 경우에는 매우 중요한 품질 결함으로 간주되며, 이를 제거하기 위해 많은 노력과 시간이 소모되고 제작 단가가 상승되는 문제가 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 아연계 소재 주조 방식으로 제작된 유사금형 형상에 아크 용사 코팅법을 적용함으로써 향상된 품질의 플라스틱 사출금형 제조방법을 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 플라스틱 사출금형 제조방법은 아연계 소재를 원료로 사용하여 가금형을 제조하는 공정과, 아크 용사법으로 상기 가금형에 금속소재를 코팅하는 공정 및 상기 코팅된 가금형을 정밀가공하여 설계된 실금형을 제조하는 공정을 포함한다.

상기 가금형 제조공정은 설계된 실금형 두께치수보다 5 ~ 30 mm 작게 제조하는 것을 특징으로 한다.

상기 금속소재 코팅공정 전에 상기 가금형 표면을 열처리하는 공정을 포함하며, 상기 금속소재는 탄소강, 합금강 또는 니켈계 합금인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 코팅되는 금속소재 두께가 10 ~ 50 mm인 것이 특징이다.

상기 정밀가공 공정은 기계가공 및 방전가공으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방법에 의하면, 플라스틱 사출 금형 제조에 있어 고품위의 금속계 코팅층을 단기간에 두껍게 코팅할 수 있는 아크 용사 코팅법을 적용함으로써, 종래의 아연계 주조 금형이 가지는 표면 결함 및 내구성 문제를 경제적으로 용이하게 해결하는 효과가 있다.

도 1a 및 1b는 종래의 플라스틱 사출금형 제조방법을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라스틱 사출금형 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 3a 내지 3c는 본 발명의 실시예에 따른 플라스틱 사출금형 제조방법을 설명하기위한 도면들이다.

이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 게시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 기술적 사항이 충분히 전달될 수 있도록 제공되는 것이다.

본 발명의 실시예에서 제 1, 제 2 등의 용어가 사용되었지만, 각각의 구성요소는 이 같은 용어들에 의하여 한정되어서는 안된다. 이러한 용어들은 단지 소정의 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다.

도면들에 있어서, 각각의 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되게 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라스틱 사출금형 제조방법을 나타내는 순서도이며, 도 3a 내지 3c는 본 발명의 실시예에 따른 플라스틱 사출금형 제조방법을 설명하기 위한 것이다.

본 발명인 플라스틱 사출금형 제조방법은 아연계 소재를 사용하여 가금형을 제조하는 공정(이하 '제 1 공정'이라 한다)과, 아크 용사법으로 상기 가금형에 금속소재를 코팅하는 공정(이하 '제 2 공정'이라 한다) 및 상기 코팅된 가금형을 정밀가공하여 설계된 실금형을 제조하는 공정(이하 '제 3 공정이라 한다")을 포함한다.

상기 제 1 공정(S1)은, 도 3a에 도시된 바와 같이, 아연계 소재를 사용하여 사형 주조 방식으로 가금형(30)을 제조하는 종래의 제조 방법을 따른다. 즉, 금형 설계를 기준으로 가공이 용이한 스티로폼 등의 소재를 사용하여 유사 금형 형상을 만들고, 주물사를 사용하여 반대 형상의 주물틀을 만든 다음, 스티로폼 등으로 만든 유사 금형 형상을 제거하고 그 공간에 아연계 용탕을 주입하여 가금형(30)을 제조하는 공정을 포함한다.

이때, 종래의 기술에서는 스티로폼 등의 소재로 유사 금형 형상을 제조하는 경우 이후 정밀 형상 가공을 위해 유사 금형 형상의 치수를 가공량을 고려하여 금형 설계 치수보다 크게 만든다.

그러나, 본 발명에서는 상기 제 3 공정의 형상 정밀 가공 전에 상기 제 3 공정의 아크 용사 코팅법을 이용한 소재 육성 공정이 진행되며, 상기 제 3 공정 형상 정밀 가공부가 모두 상기 제 2 공정에서 적층된 아크 용사 코팅층내로 한정되기 때문에, 이후 제 3 공정에서 형상 정밀 가공을 실시할 부분에 대해서는 아연계 가금형(30) 형상의 치수를 금형 설계 치수보다 작게 만들어야 한다.

이때, 아연계 가금형(30) 형상의 치수를 금형 설계 치수보다 너무 작게 만들면 이후 상기 제 2 공정에서 아크 용사법으로 적층하여야 하는 소재 육성층의 두께가 많아져, 제조 비용 및 기간이 증가되는 문제가 발생한다.

또한, 아연계 가금형(30) 형상의 치수를 금형 설계 치수에 가깝게 제조하면 상기 제 2 공정에서 제조된 아크 용사법에 의한 소재 육성층이 상기 제 3 공정 형상 정밀 가공 중 부분적으로 없어지거나, 박리될 수 있다.

따라서, 현재의 기계 가공 및 방전 가공 기술을 고려할 때, 본 발명에서 아연계 가금형(30) 형상과 설계된 실금형(50)간의 치수 차이는 5~30 mm 범위이다. 즉, 상기 제 1 공정에서 스티로폼 등의 소재로 유사 금형 형상을 제조할 때 이후 상기 제 3 공정에서 형상 정밀 가공을 실시할 부분에 대해서는 유사 금형 형상의 치수를 금형 설계 치수보다 5~30 mm 축소하여 제조하는 것이 바람직하다.

본 발명의 상기 제 2 공정(S2)은, 도 3b에 도시된 바와 같이, 이후 상기 제 3 공정에서 형상 정밀 가공을 실시할 부분에 대하여, 상기 제 2 공정을 통해 제조된 아연계 금형 유사 형상 표면을 전처리하는 공정과, 아크 용사법을 사용하여 상기 표면 처리된 부분에 금속계 소재를 두껍게 코팅하는 공정을 포함한다.

또한 상기 제 2 공정에는 상기 아크 용사 코팅된 소재 육성층의 특성을 향상시키고, 소재 육성층과 아연계 금형 유사 형상 간의 접착 강도를 향상시키기 위한 목적으로 다양한 국부 및 전체 열처리를 실시하는 공정을 포함할 수 있다.

상기 제 2 공정의 아크 용사법을 사용하여 상기 표면 처리된 부분에 금속계 소재를 두껍게 코팅하는 공정을 이하에서 상세히 설명한다.

본 공정에서는 아크 용사법을 사용하여 금속계 소재를 두껍게 코팅한다. 아크 용사법은 금속계 선재를 소재로 사용하는 용사 코팅법이다. 일반적으로 (+) 및 (-) 전류가 흐르는 두 가닥의 금속 선재를 접촉시켜 아크를 발생시키고, 이를 통해 용융된 금속을 가스를 이용하여 분사함으로써 모재 표면에 용사 코팅층을 적층시키는 코팅 방법이다.

아크 용사법의 장점은 기존의 용사 코팅법 중 코팅 제조 단가가 가장 저렴하며 생산성이 매우 높다는 것이다.

또한 다양한 종류의 금속계 선재를 사용하여 코팅을 실시할 수 있으며, 제조된 코팅층의 물성이 모재의 물성에 영향을 받지 않고, 모재의 형상이 복잡한 경우에도 일정한 두께로 코팅 적층이 가능하다.

상기한 이유로 본 발명에서 아연계 금형 유사 형상 표면에 금속계 코팅층을 두껍게 코팅하는 방법으로는 아크 용사법을 사용한다. 즉, 아크 용사법의 공정 단가가 저렴하여 금속계 코팅층을 두껍게 제조하여도 금형 제조 공정 전체 단가가 크게 상승되지 않으며, 생산성이 높아 코팅층 제조 기간이 수 시간에 불과하므로 실용화 가능성이 높다.

또한 모재 표면 특성에 영향을 받지도, 모재에 열적인 영향을 주지도 않으므로, 종래의 아연계 주물 소재 사용시 발생하는 표면 결함 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.

이와 더불어, 본 발명의 방법에서는 아연계 소재에 국한되지 않고 다양한 소재를 사용하여 두까운 코팅층을 제조할 수 있으므로, 기존 아연계 소재 금형이 가지는 내구성 문제 또한 해결할 수 있다.

상기 제 2 공정인 아크 용사법을 사용하여 금속계 소재를 두껍게 코팅하는 공정에 있어서, 사용 소재에는 특별한 제약을 두지 않는다.

다만, 아연계 소재를 사용하면 금형 모재와 코팅층간의 정합성이 향상되고, 사출 금형 사용 중 가열/냉각 반복시 발생할 수 있는 모재와 금속 코팅층간의 열팽창 계수 차이에 의한 열응력 발생을 최소화 할 수 있는 장점을 가진다.

그러나 아연계 선재를 아크 용사 코팅층으로 사용하는 경우, 본 발명의 한 가지 장점인 사출 금형의 내구 수명 향상 효과를 기대하기 어렵다. 한편, 아크 용사 코팅층 제조를 위한 사용 소재로 탄소강, 합금강 및 니켈계 합금 선재를 사용할 수 있으며, 이 경우 종래의 기술이 가지는 아연계 주조 금형의 품질 결함 문제와 낮은 내구수명 문제를 동시에 해결할 수 있다.

그러나 통상 고합금강 소재는 소재 단가가 높아지며 상대적으로 가공이 어려운 단점을 가진다. 따라서 본 발명에서 아크 용사 코팅용 소재를 선정하는 데에는 금형의 수명 및 제조 단가 등 금형 사용자 요구 조건을 종합적으로 판단하는 것이 바람직하다.

또한 아크 용사법을 사용한 코팅 공정에 있어 아크 전압, 전류량, 선재 및 가스 공급량 등 공정 조건은 사용하는 선재에 따라 정해진 기존의 최적 조건을 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 제 2 공정인 아크 용사법을 사용하여 금속계 소재를 코팅하는 공정에서 코팅층의 두께는 10 mm 이상 50 mm 이하로 선정하는 것이 바람직하다. 코팅층의 두께가 너무 얇으면 이후 상기 제 3 공정 형상 정밀 가공 중 부분적으로 없어지거나, 박리될 수 있다. 또한, 아크 용사법 코팅층의 두께가 필요 이상 많으면 제조 비용 및 기간이 증가되는 문제가 발생한다.

본 발명의 상기 제 3 공정(S3)은, 도 3c에 도시된 바와 같이, 아크 용사 코팅된 유사 금형 형상을 금형 설계에 맞게 정밀 가공하는 공정이다.

본 공정은 기계 가공 및 방전 가공의 방법으로 아크 용사 코팅된 유사 금형 형상을 금형 설계에 맞게 정밀 가공하는 공정을 포함한다. 아크 용사 코팅된 소재 육성층은 종래의 주물재와 동등한 수준의 기계 가공성을 가지고 있으므로, 본 제 3 공저의 주요 공정들은 종래의 기술을 적용하여 실시할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명의 실시예에서는 상기 제 2 공정인 아크 용사 코팅 공정을 위한 소재로 탄소강을 사용하였으며, 적층된 코팅재의 두께는 이후 소재 가공면 부위에 대해서 13~15 mm 범위로 적층되도록 하였다.

아크 용사 코팅 공정시 적용한 공정 조건은 본 탄소강 선재의 아크 용사 공정 시 통상 사용하는 30V, 200A를 사용하였다. 또한 본 실시예에서 200 x 150 mm 정도 크기의 사출 금형 상 하판을 모두 13~15mm 두께로 아크 용사 코팅하는 데에 소요된 동정 시간은 한 시간 이내였다.

또한, 본 실시예에서는 상기 제 3 공정의 아크 용사 코팅층에 대한 금형 형상 정밀 가공을 위해 금형 설계를 기준으로 종래의 기술을 적용하여 정밀 기계 가공을 실시하였다.

본 발명을 사용하여 금형을 제조함으로서, 종래의 기술로 제조된 아연계 주조 금형의 표면 결함 문제를 매우 용이하게 해결할 수 있었다. 또한, 본 발명에 의해 제조된 금형의 사용시 지속적으로 열적, 기계적 충격을 받는 금형 표면부를 기존의 아연계 소재보다 경도와 고온 강도 등 열기계적 특성이 우수한 탄소강 소재를 사용함으로서 제조된 금형의 내구 수명 향상도 기대된다.

본 발명에 의해 제도된 플라스틱 사출금형을 사용하여 10회 이상 시험 사출 시험을 실시하였으며, 그 결과로부터 본 발명의 방법으로 제조된 금형은 사출성 및 정합성, 기계 가공성 등의 금형 적용 가능성에 있어 종래의 방법으로 제조된 금형제와 동등한 수준을 가짐을 확인하였다.

상기한 실시예로부터 본 발명의 기술적 사상 및 효과가 현실적으로 구현 가능함을 입증하였다.

1 : 주조결함 2 : 금형표면결함
10 : 아연계 소재로 제조된 유사금형 20 : 금형 완성품
30 : 가금형
40 : 코팅된 가금형 41 : 금속소재 코팅층
50 : 실금형 51 : 가공된 금속소재 코팅층
S1 : 가금형 제조공정 S2 : 금속소재 코팅공정
S3 : 정밀가공 공정

Claims (5)

1. 아연계 소재를 원료로 사용하여 주조를 통해 사출품과 대응되는 형상의 사출공간을 가지는 가금형을 제조하는 공정;
   아크 용사법을 이용하여 가공시 상기 사출품과 접하는 상기 가금형의 표면에 기설정된 두께의 금속계 코팅층을 형성하는 공정; 및
   상기 금속계 코팅층을 정밀가공하여 실금형을 제조하는 공정을 포함하며,
   상기 사출공간은 상기 사출품보다 큰 것을 특징으로 하는 플라스틱 사출금형 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가금형 제조공정은 설계된 실금형 두께치수보다 5 ~ 30 mm 작게 제조하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 사출금형 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 방법은 상기 금속계 코팅층 형성공정 이전에 상기 가금형 표면을 열처리하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 사출금형 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속계 코팅층은 탄소강, 합금강, 니켈계 합금을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 플라스틱 사출금형 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 정밀가공 공정은 기계가공 및 방전가공으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라스틱 사출금형 제조방법.

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