KR910007452B1 - 사출압축성형법 및 사출압축성형장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

사출압축성형법 및 사출압축성형장치

제1도는 본 발명에 의한 사출성형기의 개략측면도.

제2도는 타이 바아(tie bar)의 신장율과 본 발명장치의 타이 바아에 인가된 응력과의 관계를 예시한 그래프.

제3도는 제1도에 도시된 장치에 내장된 4개의 타이 바아중 하나의 단면도.

제4도는 캐비티(cavity)내에 사출된 수지의 2차 압력에 의해 약간 열린 상태를 도시한 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 유압식 실린더 2 : 클램프나사

3 : 가동플래톤 4 : 가동금형

5 : 고정금형 6 : 전방고정플래톤

7 : 캐비티 8 : 타이바아

9 : 사출노즐 10 : 후방고정플래톤

11 : 제2부재 12 : 제1부재

본 발명은 매우 정확하게 플라스틱을 성형하는 방법과 높은 치수정밀도로 플라스틱을 성형하는 사출압축 성형기에 관한 것이다.

최근, 플라스틱의 사출성형에서, 렌즈나 광디스크기판등은 1마이크론 이하 단위의 매우 정밀한 형상으로 만들어지는 것이 요구되어 왔다.

물품을 정확하게 성형하기 위하여, 통상적으로 다음의 공정을 사용하여 왔다. 먼저, 금형을 고압력으로 클램핑하고, 노즐을 통하여 금형의 캐비티로 용융수지를 사출한다. 금형의 캐비티가 용융수지로 채워진 직후, 금형이 열리지 않을 정도로 충분히 큰 보유력을 금형에 부여하여, 될 수 있는한 금형형상에 충실한 성형품을 얻도록 하는 성형법이 일반적이었다. 이 경우, 보유력은 클랭핑력이하로 설정하여 금형이 열리지 않는 조건으로 성형을 행할 필요가 있다.

따라서 이 방법에서는, 온도 및 압력을 조정함으로서 용융상태로 금형내에 존재하는 수지의 비체적을 상온상태의 비체적에 가깝게 하여 냉각시 성형품에 발생하는 싱크마아크(sinkmark) 또는 수축마아크(shrinkmark)를 감소시킨다. 그러나, 실제로 이 조건을 달성하려면, 매우 큰힘을 필요로 한다. 고압하에서, 타이바아가 있는 성형기의 구성 부품과 금형은 타이바아가 변형되지 않는 충분한 강성을 가져야 한다. 이를 위하여, 금형 및 성형기는 큰 부피로 하여야 했다. 이는 결국 거대한 성형시스템이 되는 수가 많았다.

본 발명의 목적은 고정밀도 플라스틱을 성형하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 플라스틱을 빠르고, 확실하고, 안정되고, 정확하게 성형할 수 있으면서도 구조도 간단한 사출압축성형장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 개념은 종래 기술과 매우 달라, 성형장치는 강성이 매우 작은 부분을 지닌다. 구체적으로, 사출성형기의 타이바아는 사출완결 직전에 사출된 플라스틱 재료의 고압에 굴복하여 플라스틱재료의 수축의 체적계수와 캐비티의 체적사이의 관계에 의해 산정된 특정길이로 신장되도록 구성되어 있다. 따라서, 금형은 사출된 재료의 압력에 의해 캐비티가 약간 열어지게 된다. 실제로, 플라스틱 재료는, 성형된 재료를 냉각시킬 때, 탄성변형에 기인하여 신장된 타이바아의 복원력이 타이바아재료의 길이, 두께 및 탄성력을 고려하여 캐비티를 감소시키는 방향으로 작용하도록 성형되며, 사출시 발생한 고압에너지는 타이바아의 신장형태로 저장된다. 즉, 금형의 입구를 완전히 밀봉한 후, 동시에, 성형된 재료를 냉각하면, 성형품의 두께방향으로 늘려진 타이바아는 탄성변형에 기인하여 복원력을 나타낸다. 플라스틱재료의 수축체적계수는, 일반적으로 P-V-T 곡선인, 압력, 온도 및 비체적의 상태방정식으로부터 미리 계산할 수 있다.

본 발명에 의한 방법은 일종의 사출압축성형법으로, 이 방법은 타이바아의 물리적 변형을 압축력의 근원으로써 사용함에 그 특징이 있어, 금형내의 용융수지를 냉각시키면, 타이바아는 수지의 수축에 빠르게 응하여 수축한다. 결국, 금형의 형상을 성형품으로 정확하게 전달시킨다. 사출압축성형기의 구체적인 실시예로서, 각각의 타이바아는 탄성율이 작은 제1부재와, 탄성율이 제1부재보다 큰 제2부재로 구성된다. 이런 이중구조에 있어서, 신장량이 적을 경우는 탄성율이 작은 제1부재만 작용시키고, 신장량이 특정양 △I₁에 달할 경우는, 두 부재를 평행하게 접속시킨다. 즉, 탄성율은 빠르게 증가한다. 사출시, 사출장치에 의해 금형캐비티에 인가된 고압에너지는 각각, 2개의 부재가 평행하게 연결된 상태로 있는 라이바아에 신장율 △L 형태로 저장된다. 금형내의 용융수지를 냉각시켜 굳히면 용융수지는 수축하며, 이때, △L에 의해 늘려진 타이바아는 금형내의 수지에 압축력을 발휘한다.

제1도에, 본 발명을 실시하는 사출압축성형장치를 도시하였다. 이 사출압축성형기는 유압실린더(1)와 클램프나사(2)로 구성된 클램프설비(30), 가동플래톤(3), 전방고정플래톤(6), 후방고정플래톤(10), 사이에 캐비티(7)를 형성한 가동금형(4) 및 고정금형(5), 타이바아(8)(4개의 타이바아가 있다) 및 사출노즐(9)로 이루어져서, 가열에 의해 용융된 플라스틱 수지는 고압하에서 노즐(9)을 통해 캐비티(7)로 사출되어 디스크(7a)를 성형한다.

클램프설비(30)는 각각 타이바아(8)의 일단에 의해 4개의 코너 각각에 지지된 후방고정플래톤(10)에 고정되어 있으며, 전방고정플래톤(6)은 각각의 타이바아(8)의 타단에 의해 4개의 코너 각각에 고정되어 있다. 고정금형(5)은 전방고정플래톤(6)에 고정되어 있고, 가동금형(4)은 가동플래톤(3)의 운동에 의해 움직일 수 있도록 가동플래톤(3)에 고정되어 있다. 한쌍의 금형(4)(5)을 폐쇄하기 위하여, 클램프설비(30)로 전방고정플래톤(6)을 향해 가동플래톤(3)을 밀어내면 타이바아(8)로 안내되는 가동플래톤(3)은 금형(4), (5)의 분리면(16)이 서로 접촉할 때까지 가동금형(4)을 이동시킨다. 이때, 타이바아(8)의 각각은 특정 길이△L₁(전체길이는 L₀)로 늘려져서 금형(4) (5)의 분리면(16)은 서로 정확하게 접촉한다. 일반적으로, 플래톤(3)(6)의 상대적 위치가 정밀하게 조정되었을 때 조차 수십마이크론 단위의 위치 오차가 존재하기 때문에 플래톤(3), (6)은 서로 정확하게 대응하지는 않고, 따라서, 금형(4)(5)의 분리면은 서로 정확하게 대응하지 않는다. 그러므로, 타이바아가 감성이면, 가동금형(4)은, 가동금형(4)의 분리면의 일부가 고정금형(5)의 분리면의 일부에 접촉된 후 고정금형(5)을 향하여 더 이상 움직일 수 없으며, 이것은 금형(4)(5)의 성형표면이 서로 정확하게 대응하지 않는다는 것을 의미한다. 그러나, 본 발명의 타이바아(8)의 각각은 특정길이 △L₁로 신장될 때까지 탄성율이 작기 때문에, 각각의 타이바아는 클램프설비(30)의 힘에 굴복하여 △L₁로 신장된다. 각각의 타이바아의 특정신장길이 △l_１는, 타이바아(8)가 그들 각각의 특정신장길이 △l_１도 신장되는 경우, 금형(4),(5)의 분리면(16)의 전체면이 서로 접촉하도록 선택된다. 따라서, 금형(4),(5)의 성형표면은 서로 정확하게 대응하게 된다.

금형(4)(5)의 분리면이 상기와 같은 방법으로 서로 완전하게 접촉한 후에 노즐(9)에서 고압으로 용융수지를 캐비티(7)로 사출시킨다. 이때, 타이바아(8)는 고압으로 인해 마이크론 단위의 길이 △L로 더욱 늘려지며, 그 결과, 금형절반의 분리면은 제4도에 도시된 바와 같이 △L로 분리된다. 각각의 타이바아(8)는, 그 신장율이 길이 △l_１을 초과하는 경우 그 탄성율이 커다란 값으로 변동하도록 구성되어 있으며, 따라서, △l_１에서부터 △L로 더욱 늘어난 각각의 타이바아는 캐비티(7)내의 수지상에 압축력으로써 나타나는 복원력을 생성한다. 수지를 사출시킨 직후, 고정금형(5)의 게이트 (31)내의 수지를 냉각하여 굳혀서 게이트(31)를 밀봉한다. 게이트밀봉이 완결된 후, 캐비티(7)내의 수지를 냉각하면 타이바아(8)에 의해 발생된 압축력이 인가된다. 그러므로, 최종 성형품은 금형(4)(5)의 성형표면으로 구획된 형상과 정확하게 동일한 형태가 된다.

제2도는 각각의 타이바아의 신장과 그곳에 인가된 응력사이의 관계를 도시한 것이다. 타이바아는 길이 △l_１로 신장될 때까지는 라인 a을 따라 작은 응력으로 늘려지지만, 신장된 길이가 △l_１를 초과한 후는 라인 b로 도시된 바와 같이 커다란 응력으로 주어질 것이 요구된다. 즉, 신장-응력 특성곡선은 신장율이 특정길이 △l_１을 초과한 경우, 갑자기 매우 경사지게 된다. 타이바아는 신장율이 △l_１에 달할때까지 클램프설비의 힘에 의해 라인 a을 따라 신장되고, 가동 및 고정금형의 분리면이 서로 완전하게 접촉하게 되는 경우는(1차 클램핑단계), 신장율이 △L에 달할 때까지 사출된 수지의 고압에 의해 라인 b을 따라 더욱 신장된다. 제2도에 도시된 바와 같은 특성을 지니는 재료를 이용하면 이상적이 될 것이나, 그러한 재료는 존재하지 않으므로, 바람직한 구조로서, 각각의 타이바아는, 예를 들어, 제3도에 도시된 바와 같은 이중구조를 가지도록 형성한다.

제3도를 참조하면, 각각의 타이바아는 탄성율이 작은 제1부재(12)와 탄성율이 큰 제2부재(11)로 이루어진다. 제2부재(11)는 중공원통형상으로, 그 일단은 장착나사(17)에 의해 전방고정플래톤(6)에 고정된다. 제2부재(11)의 타단(13)은 고정되어 있지 않고 자유단과 같이 후방고정플래톤(10)에 느슨하게 끼워져 있다. 중공원통형상의 제2부재(11)의 중공내면에 삽입된 제1부재(12)는 두 개의 부분(12a)(12b)이 함께 결합되어 있으며 이러한 두 부분(12a)(12b)은 서로 다른 두께로 되어 있다. 얇은 부분(12a)의 일단(19)은 나사(21)에 의해 전방고정플래톤(6)에 고정되어 있으며, 두꺼운 부분(12b)의 타단(20)은 나사(22)에 의해 후방고정플래톤(10)에 고정되어 있다. 얇은부분(12a)의 탄성율은 제2부재의 탄성율보다 적다. 바람직하게는, 두꺼운부분 (12b)은 제2부재(11)의 탄성율과 같거나 더 큰 탄성율을 가진다. 제1부재의 신장율이 △l_１에 달한 후, 두 개가 부재(11)(12)는, 부재(11)(12)에 각각 장착된 나사(15) (14)의 접합에 의해 평행하게 접속되어 있으므로, 타이바아의 겉보기 탄성율이 갑자기 증가한다. 값 △l_１은 조절나사(14),(15)사이의 갭 △l_１을 조절함으로서 설정할 수 있다. 나사(14)는 내부의 제1부재(12)의 두꺼운 부분(12b)에 장착되고, 나사(15)는 외부의 제2부재(11)의 내벽에 장착된다.

제4도는 각각의 타이바아(8)가 △l_１의 신장상태에서 △L로 더욱 신장된 경우, 금형(4)(5)의 분리면(16)이 사출노즐(9)이 수지를 캐비티(7)로 사출한 후 △L도 분리되어 있는 상태를 도시한 것이다. 캐이티 내의 수지를 냉각시키면, 각각의 타이바아의 변형(신장)은 감소되어서 △L은 0으로 접근한다. 그 결과, 정확한 사출압축성형이 달라진다.

본 발명의 새로운 성형장치에 있어서, 각각의 타이바아는 탄성율이 서로다른 두 부분으로 이루어진다. 금형을 폐하는 제1차 클램핑 단계동안, 탄성율이 작은 부재는 제2도에 도시된 응력-신장특성라인의 영역 a내로 늘어나 있다. 그러므로, 4개의 타이바아가 금형의 폐쇄동안, 다른양으로 늘어날 때조차, 응력 또는 압축력은 4개의 타이바아 사이에서 크게 다르지 않다. 이러한 이유 때문에, 4개의 바아에 인가된 압력은 대략 같다. 그러므로, 금형이 폐쇄된 경우 대략 동일한 압력이 4모퉁이에서 플래톤에 인가된다.

금형의 캐비키가 수지로 채워진 후, 캐비티 내면의 사출압력에 의해 생성된 개방력은 금형을 개방한다. 이 공정동안, 각각의 타이바아의 응력-신장특성라인은 제2도에 도시된 영역 b로 진행하며, 이때 커다란 양의 응력은 신장율이 작을 때에도 저장될 수 있다. 즉, 커다란 탄성율을 지니는 타이바아 부재에 저장된 신장에너지는 사출완료후 캐비티내의 수지를 압축하는 힘으로서 방출된다. 그래서, 사출이 완료되자마자 금형내면의 수지에 압축력이 작용하기 때문에 이상적인 압축성형이 얻어진다. 엄밀히 말하면, 압축행정이 시작된 경우, 수지에 인가되는 힘은 타이바아의 탄성율에 의존하는 인자에 의해 분할된 압력과 같다.

일반적으로 성형장치에 플래톤은 전술한 바와 같은 고도의 평행성을 나타내는 것은 기대할 수 없다. 통상적으로 조절을 매우 조심스럽게 할 때조차도 평행도에서 수십마이크론의 편차가 발생한다. 그러므로, 사출이 완료된 후 타이바아의 신장에 의해 용융수지가 압착할 때 4개의 타이바아는 같은 길이로 늘어나야 하며, 같은 크기의 압축력이 바아의 4코너에 작용해야만 하며 그렇지 않고는 금형은 평행도를 유지한채 압축될 수 없다.

전술한 관점에서, 본 발명이 이루어졌다. 제1도에 개략적으로 도시된 새로운 성형장치는 각각의 타이바아(8)가 외부의 제2부재(11) 및 내부의 제1부재(12)로 이루어진 이중구조로 있는 것을 특징으로 한다(제3도).

금형폐쇄의 제1차클램핑공정은 사출전에 실행하며, 이를 위해 유압실린더(1)를 작동시켜 각각의 타이바아의 내부의 제1부재(12)를 △1만큼 늘린다. 탄성율이 적은 제1부재(12)의 대향단은 고정플래톤(10)(6)에 죄어져 있으며 그때, 탄성율이 적은 제1부재(12)위의 조절나사(14)는 탄성율이 큰 외부의 제2부재(11)의에 장착된 멈춤나사(15)에 접하게 된다. 사출공정을 시작한 경우, 사출노즐(9)은 캐비티(7)내면에 고압을 생성하며, 이 압력은 탄성율이 다른 두 개의 부재(11)(12)에 의해 수용된다. 그 결과, 겉보기 탄성율이 현저하게 증가한다. 탄성율이 커다란 다른곳으로 절환한 변곡점은 부재(12),(11)위에 각각 장착된 나사(14)(15)로 갭△1₁로 조절함에 의해 마음대로 설정할 수 있다.

직경 130cm, 두께1.2cm의 광디스크 기판을 성형할 경우, 타이바아는 이하의 방법으로 작용한다. 타이바아 각각의 제1부재(12)는 10톤의 합중을 받는 경우 100마이크론정도 늘어나도록 설계되어 있다. 금형페쇄의 제1차 클램핑단계는 3톤의 힘으로 성형되며, 이때, 4개의 타이바아위의 나사(14) 및 멈춤나사(15)는 △L이 0이 될 정도로 설정되어 있다. 그후, 노즐(9)은 320℃ 용융폴리카보네이트 수지를 240kg/㎠의 압력으로 사출하여서 금형(4),(5)의 분리면(16)이 30마이크론정도 서로 떨어진다. 즉, 금형이 열린다. 이때, 사출에너지는 타이바아의 부재(11)(12)의 신장의 형태로 저장된다.

그후, 게이트(31)를 밀봉하고, 캐비티(7)내면에 성형된 디스크(7a)를 냉각시키면, 신장된 타이바아의 부재(11)(12)에 기인한 압출력은 캐비티내에 냉각되어 있는 디스크상에 가해져서 △L을 0이 되게 한다. 성형된 광 디스크(7a)는 깊이가 0.01마이크론, 폭이 0.8마이크론인 나선형의 홈을 지닌다. 광 디스크의 이중굴절율은 정보가 디스크에 기록된 주파수12mm보다 작다. 홈의 깊이는 0.098내지 0.099마이크론으로 디스크기판이 아주 정확하게 성형된다.

상기 설명한 바와 같이, 본 발명의 중요한 특성은, 일정한 신장에 도달한 후 탄성율이 급속하게 증가하는 타이바아의 사용에 있어, 이는 플래톤 및 금형이 다소 낮은 정도의 평행도를 지닐 때 캐비티의 평행도를 유지하는 한편 압축력을 캐비티에 인가하도록하여 1마이크론이하의 허요오차로 제조될 것을 요하는 광디스크 및 렌즈를 만족스럽게 성형할 수 있다. 타이바아의 탄성율과 그 변곡점은 임의대로 설정될 수 있으므로, 다른 두께를 가지거나 상이한 수축량을 필요로하는 부분을 성형할 경우에도 각각의 타이바아의 두 개의 부재(11)(12)의 탄성율 및 두께를 적당히 선택함으로써 금형의 개방량(△L) 및 압축력을 수용할 수 있다. 그러므로, 사출성형장치는 구조가 복잡하고 고가인 유압식 제어회로가 필요없이 구조적으로 아주 간단하다. 결국, 장치는 플라스틱부분을 안정적으로 확실하게 성형할 수 있다.

성형장치의 성분재료는 스틸에만 제한되지는 않아, 예를 들면, 각각의 타이바아의 제1부재(11)는 탄성율이 작고, 탄성한계가 큰 플라스틱으로 만들 수 있다. 또한, 각각의 타이바아의 구조는 중공부재와 그 중공부재에 삽입된 제2부재로 구성되는 것에만 한정되지는 않아, 예를 들면, 타이바아는 두 개의 평행원통 또는 분광부재로 구성할 수 있다.

Claims (7)

1. 사출성형장치를 사용하여, 한쌍의 금형사이의 캐비티 게이트를 통해 고압으로 용용 플라스틱재료를 사출하고; 게이트를 밀봉하고; 사출된 용융플라스틱재료를 냉각시키는 동안 캐비티에 있는 플라스틱재료에 압축력을 부여하는 공정으로 이루어지는 플라스틱 성형방법에 있어서, 사출공정시의 고압에너지는 사출성형장치의 타이바아에 특정 신장량을 넘는 탄성신자형태로 저장되고, 각각의 타이바아는 특정길이로 신장되었을 때 보다 특정길이를 넘어 신장되었을 때 더 큰 탄성율을 지니고 냉각공정시의 압축력은 신장된 타이바아의 복원력으로 발생되는 것을 특징으로 하는 사출압축성형법.
2. 제1항에 있어서, 금형을 클램핑하는 공정으로 이루어지며, 상기 클램핑 공정시 타이바아는 상기 특정길이로 신장되는 것을 특징으로 하는 사출압축성형법.
3. 타이바아(8)에 의해 서로 연결된 한쌍의 고정플래톤(6,10); 타이바아를 따라 움직일 수 있는 가동플래톤(3); 고정플래톤의 하나(6)에 장착되어 있는 고정 금형(5) 및 가동플래톤에 장착되어 있는 가동금형(4)으로, 이들 사이에 성형이 실행되는 캐비티(7)를 형성하는 한쌍의 고정 및 가동금형(5,4); 용융수지를 캐비티에 사출하는 사출노즐(9); 및 가동금형을 클램핑하는 클램핑수단(30)으로 이루어지는 플라스틱성형 용사출성형장치로서 상기 타이바아(8)의 각각은 특정길이로 신장되었을 때 작은 탄성율을 지니고 특정길이를 넘어 신장되었을 때 큰 탄성율을 지니는 것을 특징으로 하는 사출압축성형장치.
4. 제3항에 있어서, 타이바아의 길이, 두께 및 커다란 탄성율은 성형되는 플라스틱재료의 수축의 체적계수와 캐비티의 체적사이의 관계로부터 결정하는 것을 특징으로 하는 사출압축성형장치.
5. 제3항 또는 4항에 있어서, 각각의 타이바아(8)는, 대향단이 각각 한쌍의 고정플래톤에 장착되어 있고, 탄성율이 작은 제1부재(12); 일단이 한쌍의 고정플래톤중 하나에 장착되어 있고, 탄성율이 큰 제2부재(11); 및 제 1부재가 특정길이로 신장되었을 경우 제1부재와 제2부재를 연결시켜 각각의 타이바아의 탄성율을 증가시키는 수단 (15,14)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 사출압축성형장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 제2부재(11)는 공동부재로 이루어지고, 상기 제1부재 (12)는 공동부재의 공동내면에 장착된 것을 특징으로 하는 사출압축성형장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 연결수단(15,14)은 각각 제1 및 제2부재위에 장착되어 제1부재가 특정길이로 신장되었을 때 서로 인접하게 되는 부재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 사출압축성형장치.

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