KR100509410B1 - 금형 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR100509410B1
KR100509410B1 KR10-2003-0035174A KR20030035174A KR100509410B1 KR 100509410 B1 KR100509410 B1 KR 100509410B1 KR 20030035174 A KR20030035174 A KR 20030035174A KR 100509410 B1 KR100509410 B1 KR 100509410B1
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스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
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Abstract

금형이 최소한 두 종류의 재질로 만들어진 입자(入子)를 가진다. 이 재료들은 열전도율이 다르다. 상기 입자는 상지 재료들의 소결에 의하여 형성되는 결합부를 가지며, 상기 결합부는 금형의 일부를 형성하는 캐비티 내를 흐르는 성형재료의 냉각성향에 상응하도록 형상을 가진다.

Description

금형 및 그 제조방법{A mold and a method for manufacturing the same}
본 발명은, 금형 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래에, 사출성형기에 있어서는, 가열실린더 내에서 가열되고 용융된 수지를, 고압으로 사출하여 금형장치의 캐비티공간에 충전하여, 이 캐비티공간 내에서 냉각하여 고화시킨 후, 성형품을 얻도록 되어 있다.
상기 사출성형기는 금형장치, 형체장치 및 사출장치로 이루어지며, 상기 금형장치는, 고정금형 및 가동금형을 구비하고, 상기 형체장치는, 고정플래튼, 가동플래튼, 형체용모터 등을 구비하며, 이 형체용모터를 구동하여, 고정플래튼에 대하여 가동플래튼을 진퇴시킴으로써 상기 금형장치의 형폐, 형체 및 형개가 행해진다.
한편, 상기 사출장치는, 호퍼로부터 공급된 수지를 가열하여 용융시키는 가열실린더, 용융된 수지를 사출하는 사출노즐 등을 구비하고, 상기 가열실린더 내에 스크루가 진퇴자유롭게, 또한, 회전자유롭게 설치된다. 그리고, 이 스크루를, 사출용모터를 구동시킴에 의하여 전진시킴으로써 사출노즐로부터 수지가 사출되고, 계량용모터를 구동시킴으로써 회전시켜서, 이에 따라 후퇴됨으로써 수지의 계량이 행해진다.
그런데, 성형품으로서, 디스크기판(基板; disk shaped substrate), 플라스틱제 렌즈 등의 정밀부품을 성형하는 경우, 상기 금형장치의 캐비티공간에 의하여 성형품의 품질이 지배되므로, 금형장치의 각종 치수에 높은 정밀도가 요구된다. 따라서, 다음과 같은 방법으로 금형을 제조하도록 하고 있다.
그리고, 금형장치를 형성하는 금형(고정금형 및 가동금형)은 캐비티, 코어(core) 등의 금형본체를 구비할 뿐만 아니라, 필요에 따라서 금형본체에 장착되는, 중자(中子; mold core body), 입자(入子; mold insert body) 등도 구비한다는 것이 알려져 있으므로, 본 명세서에서는, 금형본체, 중자, 입자 등을 금형이라고 총칭한다. 그리고, 디스크기판을 형성하는 경우, 스탬퍼(stemper)는 입자로서 사용된다.
도 1은 종래의 금형의 단면도이다.
도 1에 있어서, 금형의 일부를 형성하는 입자(11)는 금형원형(12; 原型; prototype) 및 니켈-인 도금층(13)을 포함한다. 금형원형(12)은 입자(11)의 원형이다.
입자(11)는 다음 순서로 제조된다. 제1공정으로, 2~5[%]의 크롬을 함유하는 SKD 61 등의 강재로 이루어지는 모재 블랭크를 작성한다. 제2공정으로, 20~200[㎛]의 오차범위로 모재 블랭크에 대하여 조(粗)가공을 행하여, 금형원형(12)을 형성한다. 다음으로, 제3공정으로 상기 금형원형(12)에 대하여 하드닝(hardening) 및 템퍼링(tempering)을 행한다.
그리고, 제4공정으로, 금형원형(12)의 적어도 캐비티공간을 형성하는 금형 표면(S2)에 무전해 니켈-인 도금을 행한다. 그 결과, 적어도 100~200[㎛]의 두께를 가지는 도금층, 즉 니켈-인 도금층(13)이 형성된다.
제5공정으로, 300~400[℃]의 온도에서 열처리가 행해져서, 그 결과 니켈-인 도금층(13)의 응력이 제거되고 50~54의 경도(HRC)가 설정된다.
다음으로, 제6공정에서, 연석을 사용하여 금형원형(12) 전체에 대하여 외경가공을 행하여, 기준면을 형성한다. 그 후에, 제7공정으로, 다이어몬드 바이트 절삭에 의하여 니켈-인 도금층(13)에 대하여 조(粗)형상가공이 행하여져서, 캐비티 형성면이 형성된다. 그 후, 제8공정에서, 다이어몬드 바이트 절삭에 의하여 캐비티 형성면의 니켈-인 도금층(13)에 마무리가공이 실행되어, 금형이 마무리된다.
이 경우에, 니켈-인 도금층(13)의 표층은 비결정(아몰포스)이다. 그래서, 다이어몬드 바이트 절삭에 의하여 결정상태로 되어 있는 부분에 대하여 마무리공정이 행해지는 경우와 비교하여, 상기 공정들에는 결정입계(粒界)로 인한 단차가 형성되지 않는다. 따라서, 높은 정밀도로 금형을 제조할 수 있다.
하지만, 상기 종래 기술의 입자(11)를 사용하여 성형품으로서 예컨대 디스크기판이 성형되는 경우, 입자(11)는, 그 금형 표면(S2)에 초미세 요철이 형성되어 있는 입자(스탬퍼)로서 금형장치에 설정된다. 금형장치의 캐비티공간에 수지가 충전되어, 금형표면(S2)에 형성된 패턴이 수지에 전사된다. 이 수지는 그후 냉각되어, 원형(原型)기판이 형성된다. 이때 상기 패턴이 원형 기판에 전사된다.
그 후, 충전시의 캐비티 공간에 충전된 수지의 열은, 상기 니켈-인 도금층(13)을 통하여 금형원형(12)으로 전달된다. 이 경우, 니켈-인 도금층(13)은 일반적으로 100~200[㎛]의 작은 두께를 가진다. 따라서, 수지의 열은 금형 원형(12)에 즉시 전달되어, 캐비티 공간 내에 있는 수지의 온도는 금격하게 감소된다. 따라서, 패턴은 수지에 정확하게 전달될 수 없다. 이 결과, 높은 정밀도로 디스크 기판을 형성하는 것은 불가능하고, 성형품의 품질은 따라서 저하된다.
게다가, 입자(11)의 제조방법에 있어서는, 제4공정에서, 금형원형(12)의 적어도 캐비티를 형성하는 표면 상에 무전해 니켈-인 도금이 행해진다. 하지만, 무전해 니켈-인 도금 작업은 극히 번거로울 뿐만 아니라 제조 시간이 오래 걸린다. 따라서, 이 무전해 니켈-인 도금은 금형 제조비용의 증가를 초래한다.
즉, 무전해 니켈-인 도금이 행해지는 경우에, 초음파세정, 마스킹, 스트라이킹 처리 등이 행해진 후에, 도금조 내에서 금형원형(12) 상에 먼저 도금공정이 행해진다. 그 후, 금형원형(12)이 세정된다. 따라서, 무전해 니켈-인 도금을 위해서는 많은 공정이 필요하다.
뿐만 아니라, 상기 도금처리에 있어서, 단위시간당 금형원형(12)에 부착되는 니켈-인의 양이 극히 적을 뿐만 아니라, 제7 및 제8공정에서는 다이어몬드 바이트 절삭에 의한 처리도 필요하다. 이 때문에, 니켈-인 도금층(13)은 적어도 100~200[㎛]의 막두께를 가져야 하기 때문에, 니켈-인 도금층(13)을 형성하기에는 극히 장시간이 걸린다.
또한, 니켈-인 도금층(13)을 형성할 때에 니켈-인 도금층(13)에 기포가 들어가기 쉬울 뿐만 아니라, 제5공정에서 니켈-인 도금층(13)의 열처리시에 니켈-인 도금층(13)이 벗겨져서 스트레인(strain)을 가지게 되기 쉽다. 상기 경우에, 높은 정밀도로 금형을 제조할 수 없어서, 수율이 낮아진다.
게다가, 도금처리에 있어서, 도금조를 채우는 도금액의 조성에 제약이 있다. 이에 더하여, 모재 블랭크로서 약 13[%]의 크롬을 함유하는 강재가 사용되는 경우에는, 모재 블랭크에 대한 무전해 도금을 행할 수 없어서 모재의 재질에 대한 제약이 있다. 따라서, 금형의 제조 조건을 관리하기 어렵다.
따라서, 상기 설명된 문제점들 중 하나 이상을 제거한 신규하고 유용한 금형 및 그 제조방법을 제공하는 것이 본 발명의 일반적인 목적이다.
본 발명의 다른 보다 구체적인 목적은 성형품의 품질이 향상될 수 있고, 금형 제조비용이 저감될 수 있으며, 금형이 높은 정밀도로 제조될 수 있고, 수율이 향상될 수 있으며, 금형의 제조조건이 쉽게 관리될 수 있는 금형 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
이를 위하여, 서로 다른 열전도율을 가지는 적어도 두 가지 종류의 재질로 만들어지는 입자(入子)를 가지는 금형을 제공하는 것이 또한 본 발명의 목적이다. 상기 입자는 각 재질을 소결함으로써 형성되는 결합부를 포함한다. 상기 결합부는 금형의 캐비티 형성부 내에 들어가는 성형재료의 냉각성향에 대응되도록 형상을 설정한다.
제1재료로 만들어지는 기층과; 기층의 제1재료와 다른 제2재료로 만들어지는 최외층을 포함하는 입자를 가지는 금형을 제공하는 것이 또한 본 발명의 목적이다. 기층과 최외층을 소결함으로써 결합부가 형성된다. 상기 결합부는 금형의 캐비티 형성부 내에 들어가는 성형재료의 냉각성향에 대응되도록 형상을 설정한다.
또한,
a) 제1재료의 분말을 충전하고;
b) 제1재료의 분말과 다른 제2재료의 분말을 금형의 캐비티 형성부에 들어가는 성형재료의 냉각성향에 대응시킨 형상이 되도록 충전하고; 또한
c) 각 재료의 분말을 제1전극 및 제2전극 사이에 두고, 소정 압력으로 가압하고, 각 재료의 분말에 소정 전류를 흐르게 함으로써 각 분말을 소결하는;
공정을 포함하는 금형 제조방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명의 다른 목적, 형태, 및 장점은 첨부도면을 참조하면서 다음의 상세한 설명에 의하여 명확해질 것이다.
이하, 본 발명의 실시예의 도면인 도 2 내지 도 13을 참조하면서, 보다 상세히 설명한다. 앞으로의 예에서는, 성형품으로서 디스크기판, 플라스틱제 렌즈, 등 정밀부품이 성형되는 금형 및 그 제조방법이 설명된다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태의 금형의 제조장치를 나타내는 개념도이다. 도 3은 본 발명의 제1 실시형태의 금형의 제조방법을 나타내는 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시형태의 금형을 제조하는데 사용되는 방전 플라즈마 소결장치(21)는 원통형상을 가지고 밀봉된 하우징(22)을 가진다. 하우징(22) 내의 챔버가 분위기 제어부(16)에 설치되는 진공발생원으로서의 진공펌프(미도시)에 연결된다. 이 진공펌프를 구동함으로써 챔버는 진공이 된다. 하우징(22) 내부를 진공으로 유지하는 대신에, 하우징(22) 내부에 아르곤 가스 등의 불활성 가스를 채워도 좋다. 더욱이, 냉각관(미도시)이 하우징(22)의 벽의 내부에 설치된다. 냉매(미도시)로서의 냉각수가 냉각관 내부를 순환하여 챔버가 냉각된다. 이로써, 냉각관이 냉각 시스템(41)을 통하여 냉각장치(17)에 연결된다. 냉각수는 냉각관을 통하여 냉각 시스템(41)으로부터 공급된다.
하우징(22) 내부에는 다이(die)(31)가 설치된다. 이 다이(31)는 원통형상을 가지며, 그라파이트 같은 도전성 재질로 만들어진다. 봉 형상을 가지고 그라파이트 같은 도전성 재질로 만들어지는 상부 펀치(32)가 제1펀치로서 다이(31) 상부에 설치된다. 또한 봉 형상을 가지고 그라파이트 같은 도전성 재질로 만들어지는 하부 펀치(33)가 제2펀치로서 다이(31) 밑에 설치된다. 상기 상부 펀치(32) 및 하부 펀치(33)는 서로 대향하도록 설치된다. 소결금형(25)은 다이(31), 상부펀치(32) 및 하부펀치(33)로 구성된다.
펀치 본체부(23)는 다이(31) 내부로 돌출되도록 형성된다. 플랜지 형상을 가지는 가압부(24)는 상부펀치(32)의 상단과 하부펀치(33)의 하단에 가압부(23)와 일체로 형성된다.
본 실시형태에 있어서, 다이(31), 상부펀치(32), 및 하부펀치(33)는 그라파이트로 만들어져 있다. 하지만, 그라파이트 대신에, 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 또는 탄소(C)처럼, 융점이 1,100℃ 이상인 다른 도전성 재질이 다이(31), 상부펀치(32), 및 하부펀치(33)에 사용되어도 좋다.
제1전극으로서 상부전극(34)이 수직방향으로 뻗도록 상부펀치(32)의 상방에 설치된다. 제2전극으로서 하부전극(35)이 수직방향으로 뻗도록 하부펀치(33)의 하방에 설치된다.
상부전극(34)은 전극단자(43), 전극단자(44) 및 바디부(45)를 가진다. 전극단자(43)는 상부전극(34)의 하단에 설치되어 상부펀치(32)와 접속된다. 전극단자(44)는 상부전극(34)의 상단에 설치되어 직류전류원(37)에 접속된다. 전극 단자(43 및 44)는 바디부(45)에 의하여 연결된다. 바디부(45)는 하우징(22) 내로 관통하도록 형성된다.
하부 전극(35)은 전극단자(46), 전극단자(47) 및 바디부(48)를 가진다. 전극단자(46)는 하부전극(35)의 상단에 설치되어 하부펀치(33)와 접속된다. 전극단자(47)는 하부전극(35)의 하단에 설치되어 직류전류원(37)에 접속된다. 전극단자(46 및 47)는 바디부(48)에 접속된다. 상기 바디부(48)는 하우징(22) 내로 관통하도록 형성된다.
냉각관(53)은 상부전극(34) 내에 설치되고, 냉각관(54)은 하부 전극(35) 내에 설치된다.
냉각수가 냉각관(53 및 54) 내에서 순환하여 상부전극(34) 및 하부전극(35)을 냉각하고 상부펀치(32) 및 하부펀치(33)를 경유하여 간접적으로 다이(31)를 냉각하도록 된다. 온도검출부로서의 온도센서(미도시)가 다이(31)의 소정 위치에 설치된다. 온도센서의 출력은 온도검출장치(55)에 전송된다. 따라서, 상기 온도검출장치(55)에 의하여 다이(31), 상부전극(34) 및 하부전극(35)의 온도를 검출할 수 있다.
상부전극(34) 및 하부전극(35)은 상하방향으로 운동할 수 있도록 설치된다. 가압기구(36)가 상부전극(34)의 상단부 및 하부전극(35)의 하단부에 연결된다. 가압기구(36)에서 발생된 압력(P)은 상부전극(34) 및 하부전극(35)에 전달된다. 이 압력(P)에 의하여 상부전극(34)은 하향 운동하고 하부전극(35)은 상향 운동한다.
다이(31) 내에는 소결용 분말(30)이 충전된다. 가압기구(36)를 구동하여 상부전극(34) 및 하부전극(35)을 이동시킴으로써, 소결용 분말(30)이 압력(P)으로 가압된다. 서보모터, 감속기어, 유압실린더, 공압실린더 등이 가압기구(36)의 구동부(미도시)로서 사용되어도 좋다.
상부전극(34) 및 하부전극(35)의 위치를 검출하기 위하여, 위치검출부로서의 위치센서(미도시)가 상부전극(34) 및 하부전극(35)에 인접하여 설치된다. 위치센서의 센서출력은 위치검출장치(56)에 전송된다. 따라서, 위치검출장치(56)에 의하여 상부전극(34) 및 하부전극(35)의 위치를 검출할 수 있다.
본 실시형태에서는, 상부전극(34) 및 하부전극(35)이 운동할 수 있도록 설치되고, 소결용 분말(30)이 움직이는 상부전극(34) 및 하부전극(35)에 의하여 가압되도록 되어 있다. 하지만, 소결용 분말(30)은, 상부전극(34) 및 하부전극(35) 중의 하나를 고정하고, 상부전극(34) 및 하부전극(35) 중의 다른 하나를 이동함으로써 가압되어도 좋다.
소정 압력(P)이 가압기구(36)에 의해 발생된다. 제어부(38)는 이 압력을 상부전극(34) 및 하부전극(35)에 전달하고 전원(37)에 의하여 소정 펄스로 소정 전압을 발생하기 위하여 설치된다. 제어부(38)는 또한 분위기제어부(16), 냉각장치(17), 온도검출장치(55), 및 위치검출장치(56)에 접속된다.
온도검출장치(55)에 의해 검출된 온도와 위치검출장치(56)에 의해 검출된 위치에 기초하여, 가압기구(36)에 기초하여 압력(P)이 피드백 제어되고, 전원(37)에 기초하여 펄스폭, 전압 등이 피드백 제어된다. 더욱이, 냉각장치(17)는 온도에 기초하여 구동되고, 상부전극(34) 및 하부전극(35)의 온도는 피드백 제어된다.
상기 구조를 가지는 방전 플라즈마 소결장치(30)에 의하여 방전 플라즈마 소결이 행해지는 경우에는, 먼저, 상부전극(34)이 상방으로 이동된다. 이 결과, 상부펀치(32)가 하방으로 이동되어 다이(31) 상단을 개방한다. 이로써, 다이(31)에 의해 형성되는 바닥 있는 충전실과 하부펀치(33)에 소정 재질로 만들어진 소결용 분말(30)이 충전된다.
다음으로, 상부펀치(32) 및 상부전극(34)이 하방 이동하여 충전실이 밀봉된다. 그 후, 제어부(38)의 가압처리수단이 가압처리를 행한다. 즉, 가압기구(36)가 작동되어 상부전극 및 하부전극이 이동되어, 소결용 분말(30)이 소정 압력(P)으로 가압된다.
제어부(38)의 전압인가 처리수단이 전압인가 처리를 수행한다. 즉, 전원(37)이 동작하여 약 10분간 상부전극(34)과 하부전극(35)간에 통전 펄스가 공급된다. 즉, 예컨대, 0.1~5[V]의 전압이 인가되어 상부전극(34)과 하부전극(35)간에 약 1,000~8,000[A]의 직류펄스형 전류가 흐른다. 따라서, 이 실시형태에서, 펄스형 직류전류가 흐른다. 하지만, 구형파 전류, 삼각파 전류, 대(臺)형파 전류 등이 흘러도 좋고, 교류 전류가 흘러도 좋다. 게다가, 같은 값을 가지는 전류가 소정 시간동안 흘러도 좋다.
이에 따라, 소결용 분말(30)은 약 500~3,000[℃]의 온도를 가지도록 가열된다. 이로 인하여, 소결용 분말(30)은 방전 플라즈마 소결에 의하여 소결되어 소결용 분말(30)이 소결체가 된다. 이 경우, 소결용 분말(30)을 형성하는 각 분말이 서로 접촉하는 점에 있어서 열이 발생되며, 이에 의하여 각 분말은 접촉된다. 비록 소결용 분말(30)의 취급성을 양호하게 하기 위하여 소결용 분말(30)에 소정의 바인더가 첨가되었지만, 이 바인더는 펄스 전류가 흐르면 날아가버린다.
이 경우, 제1통전경로, 제2통전경로, 및 제3통전경로가 형성된다. 제1통전경로는 상부전극(34) - 상부펀치(32) - 소결용 분말(30) - 하부펀치(33) - 하부전극(35)으로 구성된다. 제2통전경로는 상부전극(34) - 상부펀치(32) - 다이(31) - 하부펀치(33) - 하부전극(35)으로 구성된다. 제3통전경로는 상부전극(34) - 상부펀치(23) - 소결용 분말과 다이의 경계면(소결용 분말(30)과 다이(31)의 경계면) - 하부펀치(33) - 하부전극(35)으로 구성된다. 소결용 분말(30)은 제1통전경로, 제2통전경로, 및 제3통전경로에 흐르는 전류를 적절히 제어함으로써 적절하게 소결할 수 있다.
다음으로, 이 바로 직후, 다이(31), 상부펀치(32), 및 하부펀치(33)가 쥬울열에 의하여 가열되어, 소결체의 온도가 유지된다. 그 후, 이 소결체는 냉각 시스템(41)에서 공급되는 냉각수에 의하여 냉각되어, 금형이 완성된다. 이때, 소결체의 온도를 유지하는 시간은 약 10~30[분]으로 설정되어 있고, 소결체의 냉각시간은 약 30[분]으로 설정되어 있다.
그 후, 상부펀치(32) 및 상부전극(34)이 상승되어, 금형이 충전실에서 꺼내진다.
다음으로, 상기 방전 플라즈마 소결장치(21)에 의해 제조되는 금형에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 제1실시형태의 금형의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 입자(61)는 상이한 열전도율을 가지는 최소한 2층(이 실시예에서는, 상이한 열전도율을 가지는 5층)으로 형성된다. 이 입자(61)는 금형의 일부를 형성한다. 입자(61)는 기층(62), 최외층(63), 단열층(64), 제1경사층(65), 제2경사층(66)으로 이루어진다.
기층(62)은 스테인레스계의 강재로 만들어진다. 기층(62)은 평탄한 결합면(S11)을 가지는 제1층의 역할을 한다. 최외층(63)은 입자(61)의 최외부에 위치된다. 최외층(63)은 평탄한 금형면(S13)을 형성하는 제2층으로서의 역할과 캐비티 형성부로서의 역할을 한다. 단열층(64)은 기층(62)과 최외층(63) 사이에 형성된다. 이 단열층(64)은 세라믹 같이 열전도율이 낮은 재료로 만들어진다. 단열층은 평탄한 결합면(S12)을 가지는 제3층으로서의 역할과 중간층으로서의 역할을 한다. 제1경사층(65)은 기층(62)과 단열층(64) 사이에 형성된다. 제2경사층(66)은 최외층(63)과 단열층(64) 사이에 형성된다.
본 실시예에 있어서, 기층(62), 최외층(63), 단열층(64), 제1경사층(65), 및 제2경사층(66)처럼 이웃하는 층들은 소결에 의하여 결합된다. 단열층(64)은 직경방향 및 축방향으로 일정한 두께를 가지도록 형성된다. 여기서, 결합면(S11)은 기층(62)과 단열층(64) 사이의 결합부를 형성한다. 결합면(S12)은 단열층(64)과 최외층(63) 사이의 결합부를 형성한다.
이 실시형태에서, 기층(62)은 제1재료로서 SUS 304로 만들어진다. 최외층(63)은 제2재료로서 순수 니켈로 만들어진다. 단열층(64)은 제3재료로서 지르코니아(산화 지르코늄: ZrO2)로 만들어진다.
기층(62)은 SUS 304 대신에 구리(Cu), 티타늄(Ti) 등으로 만들어도 좋다. 최외층(63)은 순수 니켈 대신에 알루미늄(Al), 구리(Cu), 등으로 만들어도 좋다. 단열층(64)은 지르코니아 대신에 알루미나(산화 알루미늄: Al2O3)로 만들어도 좋다.
최외층(63)을 형성하는 재료는 400[℃] 이상의 융점, 깊은 절삭 탭(tab), 좋은 경면성 및 금형 이탈성과, 핀홀 형성에 대한 저항성을 가지고 있는 것이 바람직하다.
본 실시형태에 있어서는, 단열층(64)이 최외층(63)과 기층(62) 사이에 설치된다. 따라서, 캐비티 공간(C)을 채우는 수지의 열은 점차 최외층(63), 제2경사층(66), 단열층(64), 제1경사층(65), 및 기층(62)을 경유하여 금형장치(71)의 수판(受板)(75(도 6 참조))에 전달된다.
도 5는 본 발명의 제1실시형태의 금형의 특성을 나타내는 그래프이다. 도 5에서, 수평축은 시간을 나타내고, 수직축은 온도를 나타낸다. 이 경우, 구리는 높은 열전도율을 가지기 때문에, 구리를 기층(62)으로 사용함으로써 냉각효과를 향상시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, L1은 본 발명의 금형의 일부를 형성하는 입자(61)(도 4 참조)를 이용하여 캐비티 공간(C)에 수지를 충전하는 경우에, 금형표면(S13)의 온도변화를 나타낸다. L2는 종래 기술의 금형의 일부를 형성하는 입자(11)(도 1 참조)를 이용하여 캐비티 공간(C)에 수지를 충전하는 경우에, 금형표면(S2)의 온도변화를 나타낸다. Tm은 금형원형(12) 및 기층(62)의 온도를 나타낸다.
도 1에 나타낸 종래 기술의 입자(11)에서는, t1의 타이밍에 캐비티 공간(C)(도 6 참조)에 수지가 충전되면, 캐비티 공간(C)을 충전하고 있는 수지의 열이 금형원형(12)에 전달된다. 금형표면(S2)의 온도는 급격히 감소된다. 성형품은 타이밍 t2에 꺼내진다. 타이밍 t2는 캐비티 공간(C) 내의 수지 온도의 충분한 상승 없이 냉각공정이 종료된 때의 타이밍이다. 그 후, 금형표면(S2)의 온도가 타이밍 t3에서 금형원형(12)의 온도(Tm)와 일치하면, 다음 단계, 즉 충전공정이 개시된다.
도 4에 나타낸 본 발명의 금형을 형성하는 입자(61)에서는, 단열층(64)이 형성되었으므로, 타이밍 t1에서 캐비티 공간(C)에 수지가 충전될 때, 캐비티 공간(C)을 채우는 수지의 열이 기층(62)에 신속히 전달되지 않고, 금형표면(S13)의 온도가 수지 열에 의하여 상승한다. 그리고, 도 6에 나타낸 금형장치(71)가 냉각된다. 기층(62)은 구리로 만들어지므로, 금형표면(S13)은 빨리 식어서 성형품은 타이밍 t2에 꺼내진다. 그 후, 금형표면(S13)의 온도가 타이밍 t3에서 기층(62)의 온도(Tm)와 일치되면, 다음 공정, 즉 충전공정이 개시된다.
따라서, 도 4에 나타낸 본 발명의 금형을 형성하는 입자(61)가 사용되는 경우에는 금형표면(S13)의 온도는 수지 충전 직후에 상승될 수 있다. 따라서, 패턴은 금형표면(S13)에 높은 정밀도로 전사될 수 있고, 디스크기판의 품질이 향상될 수 있다.
게다가, 기층(62)의 기본 재료로서 구리를 사용함으로써, 수지 충전 직후에 수지에 의해 상승된 금형표면(S13)의 온도를 신속히 감소시킬 수 있다. 따라서, 금형 사이클을 길게 하지 않아도 금형표면(S13)의 온도를 증가시켜서 디스크기판의 품질을 향상시킬 수 있다.
그런데, 기층(62) 및 최외층(63)은 금속으로 만들어지지만, 단열층(64)은 세라믹 재료로 만들어진다. 따라서, 만일 기층(62) 및 최외층(63) 및 단열층(64)이 직접 연결되면, 온도변화에 의해 결합부에서 발생되는 바람직하지 못한 스트레스가 있어서, 연결성이 나빠진다. 따라서, 기층(62) 및 단열층(64) 사이에 형성된 제1경사층(65)은 기층(62) 및 단열층(64)를 형성하는 재질로 만들어진다. 게다가, 최외층(63) 및 단열층(64) 사이에 형성되는 제2경사층(66)은 최외층(63) 및 단열층(64)을 형성하는 재질로 만들어진다.
본 실시형태에서는, 제1경사층(65)은 SUS 304 50[중량%] 및 지르코니아 50[중량%] 포함한다.
제2경사층(66)은 순수 니켈 50[중량%] 및 지르코니아 50[중량%] 포함한다.
따라서, 기층(62), 최외층(63), 및 단열층(64)의 연결성을 향상시킬 수 있다. 더욱이, 기층(62) 및 최외층(63)에서 단열층(64)이 벗겨지는 것도 방지된다.
다음으로, 입자(61)가 상기 구조를 가지는 디스크기판 성형용 금형장치에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 제1실시형태의 금형장치 및 사출장치의 주요부를 나타내는 단면도이다.
도 6을 참조하면, 금형장치(71)는 고정금형(72) 및 가동금형(73)을 포함한다. 가동금형(73)은 미도시된 형체장치에 의하여 고정금형(72)에 접촉되고 분리될 수 있다. 가동금형(73)의 착탈에 의해, 형폐, 형체 및 형개가 실행된다. 형폐 및 형체시에, 캐비티(C)가 고정금형(72) 및 가동금형(73) 사이에 형성된다.
고정금형(72)은 금형판(74) 및 수판(75)을 가진다. 입자(61)는 금형판(74)에 설정된다. 가동금형(73)은 금형판(76) 및 수판(77)을 가진다. 입자(78)는 금형판(76)에 설정된다. 따라서, 입자(78)는 입자(61)와 마찬가지의 구조를 가진다.
고정금형(72)에 있어서, 스프푸(81)가 수판(75) 및 금형판(74)을 관통하여 형성된다. 사출장치의 사출노즐(83)이 고정금형(72)과 접촉하게 된다. 사출노즐(83)로부터 수지가 사출되면, 수지는 금형판에 형성된 게이트(82)를 경유하고, 스프루(81)를 경유하여 캐비티(C)에 충전된다. 그 후 캐비티(C) 내의 수지는 냉각되어 원형(原型)기판이 된다. 그 후, 미도시된 절삭 펀치에 의하여 구멍뚫기 가공이 원형기판에 대하여 행해져서 디스크기판이 얻어진다.
다음으로, 도 3을 참조하여, 도 2에 나타낸 방전 플라즈마 소결장치(21)를 사용하여 입자(61 및 78)를 제조하는 방법에 대하여 설명한다. 입자(78)는 입자(61)와 동일한 구조이므로, 입자(78)에 대한 설명은 생략되며, 오직 입자(61)만 설명된다.
본 실시예에서, 도 4에서 설명된 바와 같이, 입자(61)는 기층(62), 제1경사층(65), 단열층(64), 제2경사층(66) 및 최외층(63)이 쌓인 적층체 구조를 가지고 있다.
소결용 분말(P)(도 2 참조)이 도 2의 방전 플라즈마 소결장치(21)의 충전실에 공급된다. 소결용 분말(P)(도 2 참조)은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 기층(62), 제1경사층(65), 단열층(64), 제2경사층(66) 및 최외층(63) 각각에 대응되는 다층 분말로 형성된다. 본 실시예에서, 기층(62), 제1경사층(65), 단열층(64), 제2경사층(66) 및 최외층(63)은 분말 소결에 의해 형성된다. 하지만, 소정 층을 판재, 블럭 등 고형물로 형성해도 좋다.
먼저, 상부펀치(32) 및 하부전극(34)이 상승되어 제1분말로서 SUS 304 분말이 충전실에 공급되어 소정 두께를 가지도록 된다. 다음으로, 제2분말이 제1분말 위에 공급된다. 이 제2분말은 SUS 304 50[중량%] 및 지르코니아 50[중량%]를 혼합하여 만들어진 혼합 분말이며, 소정 두께를 가지도록 된다.
그 후, 제3분말로서의 지르코니아 분말이 제2분말 위에 공급되어 소정 두께를 가지게 된다. 그 후, 순수 니켈 분말 50[중량%] 및 지르코니아 분말 50[중량%]가 혼합된 혼합 분말이 제4분말로서 제3분말 위에 공급되어 소정 두께를 가지게 된다.
그런 다음, 마지막으로, 제5분말로서 순수 니켈 분말이 제4분말 위에 공급되어 소정 두께를 가지게 된다.
따라서, 제1 내지 제5분말층이 제1 내지 제5 분말에 의하여 형성되어, 제1 내지 제5 분말층의 다층 분말에 의해 형성되는 소결용 분말(30)이 형성된다.
다음으로, 상부펀치(32) 및 상부전극(34)이 하강되고, 방전 플라즈마 소결이 소결용 분말(30)에 실행되어, 입자가 일체로 형성된다. 다음으로, 상부펀치(32) 및 상부전극(34)이 상승되어 입자(61)가 꺼내진다. 최외면(63)의 성형면에 대한 마무리가공이 다이어몬드 바이트 절삭에 의하여 수행되어, 초미세 요철 패턴이 성형면(S13)에 형성된다. 따라서, 입자(61)가 완성된다.
상기와 같이, 본 발명에서, 도금처리는 입자(61)의 성형면(S11)에 수행되지 않는다. 최외층(63)은 방전 플라즈마 소결로 형성된다. 따라서, 입자(61)를 쉽고 빠르게 제조할 수 있다. 따라서, 입자(61) 비용을 저감할 수 있다.
게다가, 다음 표 1에 나타낸 바와 같이, 기층(62)에 사용된 SUS 304의 열팽창계수는 17.3 X 10-6[1/K]이다. 최외층(63)에 사용된 순수 니켈의 열팽창계수는 16.3 X 10-6 [1/K]이다. 단열층(64)에 사용된 지르코니아의 열팽창계수는 9.4 X 10-6 [1/k]이다. 온도가 변하면, SUS 304, 순수 니켈, 및 지르코니아 사이의 열팽창계수의 차이는 작다. 여기서, 표 1은 열팽창계수만이 아니라 열전도율 및 비열을 보여준다.
따라서, 기층(62) 및 최외층(63) 및 단열층(64)의 계면에서 온도변화에 의해 바람직하지 못한 스트레스가 발생되지 않으므로, 좋은 연결성이 얻어진다.
열팽창계수[1/K] 열전도율[W/m·K] 소결온도[℃] 비열[J·kg·K]
SUS 304 17.3 X 10-6 16.4 1,000 504
지르코니아 9.4 X 10-6 2 1,000~1,200 0.452
알루미나 7.6 X 10-6 30.3 1,000~1,200 0.774
순수 니켈 16.3 X 10-6 62.2 900~1,000 594
마찬가지로, 알루미나의 열팽창율은 7.6 X 10-6 [1/K]이다. 알루미나 온도가 올라가는 경우에, SUS 304, 순수 니켈, 및 지르코니아 사이의 열팽창계수의 차이는 작다. 따라서, 제2재료로서 알루미나가 사용되어도, 온도변화에 의해 기층(62) 및 최외층(63) 및 단열층(64) 계면에서 바람직하지 못한 스트레스가 발생되지 않으므로, 좋은 연결성을 얻을 수 있다.
게다가, SUS 304의 소결온도는 약 1,000[℃], 순수 니켈의 소결온도는 약 900~1,000[℃], 또 지르코니아의 소결온도는 약 1,000~1,200[℃]이다. SUS 304, 순수 니켈, 및 지르코니아의 소결조건은 동일하다. 따라서, 소결조건을 좋게 하여 좋은 연결성을 얻을 수 있다.
최외층(63)이 형성될 때 도금처리가 수행되지 않으므로, 기포가 최외층(63)에 들어가지 않고, 최외층(63)에 스트레인이 발생되지 않는다. 따라서, 높은 정밀도로 입자(61)를 제조하고, 높은 수율을 얻을 수 있다. 게다가, 기층(62)의 재질에 대한 제한이 없기 때문에, 입자(61)의 제조조건 관리가 쉽게 된다.
더욱이, 제1경사층(65)이 기층(62) 및 단열층(64) 사이에 형성된다. 제2경사층(66)이 최외층(63) 및 단열층(64) 사이에 형성된다. 따라서, 기층(62), 최외층(63) 및 단열층(64)의 접합성을 향상시킬 수 있다.
본 실시예에서, 방전 플라즈마 소결이 수행된 후, 최외면(63)의 성형면(S13)에 대한 마무리처리가 다이어몬드 바이트 절삭에 의해 수행되어, 초미세 요철 패턴이 금형표면(S13)에 형성된다. 따라서, 입자(61)가 완성된다. 하지만, 디스크기판의 형상, 즉 요철에 대응되는 성형패턴이 상부펀치(32)의 하단에 소결용 분말(30)에 대면하는 표면에 형성되어도 좋다. 이로 인하여, 다이어몬드 바이트 절삭에 기초하는 마무리 처리를 피할 수 있다.
본 실시예에 있어서는, 첫째, 제1 내지 제5분말층이 형성되고, 소결용 분말(30)이 제1 내지 제5분말층에 의해 형성된다. 그 후, 방전 플라즈마 소결이 소결용 분말(30)에 수행된다. 하지만, 제1 내지 제5분말이 공급되어 차례로 소결하고, 제1 내지 제5분말 중 소정 분말층을 충전하는 것에 소정의 분말층으로 되는 소결용 분말을 형성하고, 이 소결용 분말에 대하여 방전 플라즈마 소결을 단계적으로 행하는 것도 가능하다.
더욱이, 본 실시예에서, SUS 304 50[중량%] 및 지르코니아 50[중량%]가 제1경사층(65)에 포함된다. 순수 니켈 50[중량%] 및 지르코니아 50[중량%]가 제2경사층(66)에 포함된다. 하지만, 제1경사층(65) 및 제2경사층(66)은 다층 구조를 더욱 가질 수 있고, 제1경사층(65)의 SUS 304 및 지르코니아의 함량 및 제2경사층(66)의 순수 니켈 및 지르코니아의 함량은 단계적으로 또한 연속적으로 변화시켜도 좋다.
이 경우, 예컨대, 제1경사층(65)은 SUS 304 90[중량%] 및 지르코니아 10[중량%] 포함된 층, SUS 304 80[중량%] 및 지르코니아 20[중량%] 포함된 층, SUS 304 70[중량%] 및 지르코니아 30[중량%] 포함된 층, SUS 304 60[중량%] 및 지르코니아 40[중량%] 포함된 층, SUS 304 50[중량%] 및 지르코니아 50[중량%] 포함된 층, SUS 304 40[중량%] 및 지르코니아 60[중량%] 포함된 층, SUS 304 30[중량%] 및 지르코니아 70[중량%] 포함된 층, SUS 304 20[중량%] 및 지르코니아 80[중량%] 포함된 층, SUS 304 10[중량%] 및 지르코니아 90[중량%] 포함된 층에 의하여 형성된다.
게다가, 제2경사층(66)은 지르코니아 90[중량%] 및 순수 니켈 10[중량%] 포함된 층, 지르코니아 80[중량%] 및 순수 니켈 20[중량%] 포함된 층, 지르코니아 70[중량%] 및 순수 니켈 30[중량%] 포함된 층, 지르코니아 60[중량%] 및 순수 니켈 40[중량%] 포함된 층, 지르코니아 50[중량%] 및 순수 니켈 50[중량%] 포함된 층, 지르코니아 40[중량%] 및 순수 니켈 60[중량%] 포함된 층, 지르코니아 30[중량%] 및 순수 니켈 70[중량%] 포함된 층, 지르코니아 20[중량%] 및 순수 니켈 80[중량%] 포함된 층, 지르코니아 10[중량%] 및 순수 니켈 90[중량%] 포함된 층에 의하여 형성된다.
따라서, 제1경사층(65) 및 제2경사층(66)이 다층 구조를 가지도록 함으로써, 기층(62), 최외층(63) 및 단열층(64)의 접합성을 더욱 향상시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제2실시형태에 대하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 제2실시형태의 금형 및 성형품부의 설명도이다.
본 발명의 제2실시형태에서, 기층(162) 및 단열층(164)의 결합부의 형상은 금형의 캐비티 내의 수지의 냉각성향, 즉 수지의 냉각성향에 대응되어, 캐비티(C)에서 성형품이 꺼내질 때 성형품의 각 부분의 온도가 실질적으로 동일하게 한다.
도 7을 참조하면, 금형 일부를 이루는 입자(161)는 기층(162), 최외층(163), 및 단열층(164)을 가진다. 기층(162)은 제1재료로 형성된다. 최외층(163)은 제2재료로 형성된다. 단열층(164)은 열전도율이 낮은 제3재료로 형성되어, 중간층 역할을 한다. 여기서, 설명의 편의를 위하여, 도 7에는 제1경사층(65) 및 제2경사층(66)이 생략되었다.
원형(原型)기판(171)이 도 6에 도시된 바와 같이 캐비티(C)의 내에 공급된다. 스프루부(172)가 도 6에 나타낸 스프루(81)의 내부에 설치된다. 원형기판(171) 및 스프루부(172)는 성형품부를 형성한다.
디스크기판이 성형품으로서 성형되는 경우에, 입자(161)는 초미세 요철에 의해 형성되는 패턴이 금형표면에 형성됨으로써 형성되는 스탬퍼로서 사용된다. 입자(161)는 도 6에 도시된 바와 같이 금형장치(71)에 설정되고, 성형재료로서의 수지는 금형장치(71)의 캐비티(C) 내에 충전된다. 수지가 냉각될 때, 원형기판(171)이 형성된다. 이때, 패턴이 원형기판(171)에 전사된다.
도 6을 참조하면, 사출노즐(83)에서 사출되는 수지는 스프루(81)를 경유하고 게이트(82)를 경유하여 캐비티(C)에 충전된다. 캐비티(C) 내에서, 수지는 스프루(81) 및 게이트(82)에 가까운 부분에서 먼 부분으로 향해(본 실시예에서는 캐비티 공간(C)의 중앙부에서 주변부로 향해) 흐른다. 따라서, 금형판(74 및 76)에 의한 냉각을 위하여 수지가 캐비티(C) 내를 흐를 때, 중앙부에 가까울수록, 수지 온도는 높고, 주변부에 가까울수록, 수지 온도는 낮다.
본 실시예에서는, 도 7에 나타낸 단열층(164) 두께가 부분적으로 다르다. 즉, 기층(162) 및 단열층(164)의 결합부의 형상은 금형 캐비티 내의 수지의 냉각성향, 즉 수지의 냉각성향에 대응하여, 캐비티 공간(C)에서 성형품이 꺼내질 때 성형품의 각 부분의 온도가 실질적으로 동일해지게 된다. 보다 상세히는, 단열층(164)의 두께는 중앙부에서 주변부로 갈수록 점차 증가한다.
따라서, 중앙부로 갈수록 냉각속도가 높게 설정된다. 주변부로 갈수록 냉각속도는 낮게 설정된다. 따라서, 수지의 온도분포는 직경방향(중앙부에서 주변부로)으로 동일하게 되고, 이로 인해 캐비티(C)에서 성형품이 꺼내진 후에 온도차에 의해 성형품에 뒤틀림이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 높은 정밀도로 패턴을 전사하여 디스크기판의 품질을 향상시킬 수 있다. 게다가, 디스크기판의 성능을 표시하는 복굴절율의 분포를 지름방향으로 일정하게 할 수 있으므로, 디스크기판의 품질을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 실시예에서는, 금형 캐비티 내의 수지의 냉각성향, 수지의 냉각성향에 대응시켜서 캐비티에서 성형품이 꺼내질 때 성형품의 각 부분의 온도가 실질적으로 동일하게 하기 위하여, 단열층(164)의 두께가 중앙부에서 주변부로 증가되었다.
하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 기층(162) 및 단열층(164)의 결합부의 형상은 다음 두 가지 조건에 기초하여 설정될 수 있다.
제1조건으로서, 캐비티(C)의 두께가 고려되어야 한다.
도 8은 본 발명의 제2실시형태의 금형의 제1변형예의 설명도이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 제2실시형태의 금형의 제1변형예의 입자(161-1)는 기층(162-1), 최외층(163-1) 및 단열층(164-1)을 가진다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 수지가 게이트(82)에서 흘러, 캐비티(C) 내로 들어올 때, 만일 이동방향과 수직인 방향에서의 캐비티의 두께가 같지 않으면, 단열층(164-1) 두께를 변경할 필요가 있다. 캐비티(C)의 두께가 증가함에 따라, 수지의 냉각속도는 느려지고, 따라서, 단열층(164-1)의 두께를 얇게 할 필요가 있다.
하지만, 캐비티(C) 두께가 일정해도, 수지의 캐비티(C)의 내의 각 부분에 대한 냉각속도는 성형품의 두께에 따라 다르다.
도 9는 본 발명의 제2실시형태의 금형의 제2변형예의 설명도이다. 도 9를 참조하면, 본 발명의 제2실시형태의 금형의 제2변형예의 입자(161-2)는 기층(162-2), 최외층(163-2) 및 단열층(164-2)을 가지며, 디지털 비디오 디스크(DVD)나 컴팩트 디스크(CD) 같은 얇은 벽을 가진 제품 제조에 사용된다. 도 10은 본 발명의 제2실시형태의 금형의 제3변형예의 설명도이다. 도 10을 참조하면, 본 발명의 제2실시형태의 금형의 제3변형예의 입자(161-3)는 기층(162-3), 최외층(163-3), 및 단열층(164-3)을 가지며, 디지털 비디오 디스크(DVD)나 컴팩트 디스크(CD)보다 두꺼운 얇은 벽을 가진 제품 제조에 사용된다.
그런데, 게이트(82)에서 캐비티(C)로 수지가 충전될 때, 스킨층이라고 불리우는 박막이 게이트(82) 근처에서부터 캐비티(C)의 내벽 상에 형성되어, 이 스킨층이 신속히 냉각되어 고화된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 수지는 스킨층 내부로 흐르기 때문에, 캐비티(C)가 얇을수록, 수지는 냉각된다. 따라서, 캐비티(C) 내의 각 부분에 대한 수지의 냉각속도의 차이는 커진다. 게이트(82)에서 멀어질수록, 단열층(164-2)의 두께를 크게 할 필요가 있다.
한편, 도 10에 도시된 바와 같이, 캐비티(C)의 두께가 커질수록, 캐비티(C)의 각 부분에 대한 수지의 냉각속도의 차이가 작아진다. 즉, 게이트(82)에서 가까운 곳과 게이트(82)에서 먼 곳의 냉각속도에는 차이가 거의 없다. 따라서, 도 2에 나타낸 단열층(164-2)과 비교하여, 단열층(164-3)의 두께는 변화시킬 필요가 없다.
제2조건으로서, 캐비티(C)에 수지가 들어갈 때, 캐비티의 각 부분에 대한 수지온도의 차이를 고려할 필요가 있다.
도 11은 본 발명의 제2실시형태의 금형의 제4변형예의 설명도이다. 도 11을 참조하면, 본 발명의 제2실시형태의 금형의 제4변형예의 입자(161-4)는 기층(162-4), 최외층(163-4), 및 단열층(164-4)을 가진다. 캐비티(C)에 수지가 흘러 들어갈 때, 수지는 게이트(82)를 통과한다. 따라서, 캐비티(C) 내에 수지가 충전될 때 캐비티(C) 내의 게이트(82) 근처에 가장 나중에 흘러 들어가기 때문에, 게이트(82) 근처의 수지온도가 높다. 게이트(82)에서 멀어질수록, 수지 온도는 낮아진다. 따라서, 게이트에서 멀수록, 단열층(164-4) 두께를 크게 할 필요가 있다.
다음으로, 본 발명의 제3실시형태에 대하여 설명하는데, 이는 성형품으로서 플라스틱제 렌즈의 성형용 금형에 적용된다.
도 12는 본 발명의 제3실시형태의 금형의 제1변형예의 설명도이다.도 12를 참조하면, 금형의 일부를 형성하는 입자(261)는 기층(262), 최외층(263), 및 단열층(264)을 가진다. 기층(262)은 제1재료로 만들어진다. 최외층(263)은 제2재료로 만들어진다. 단열층(264)은 열전도율이 낮은 제3재질로 만들어지며, 중간층 역할을 한다.성형품으로서의 렌즈(271)는 상기 구조를 가지는 금형에 의하여 제조된다. 여기서, 렌즈(271)는 볼록렌즈이다. 즉, 렌즈(271)는 중앙부에 가까울수록, 두께가 커지고, 주변부에 가까울수록, 두께가 작아지는 구조를 가진다.도 1에 나타낸 종래 기술의 입자(11)에 의하면, 성형재료로서의 수지의 두께가 큰 중앙부에 가까울수록, 수지의 냉각속도는 낮다. 성형재료로서의 수지의 두께가 얇은 주변부에 가까울수록, 수지의 냉각속도는 높다. 따라서, 렌즈(271)의 중앙부에 가까울수록, 수지 온도는 높고, 렌즈(271)의 주변부에 가까울수록, 수지 온도는 낮으며, 따라서 수지의 온도분포와 수축률이 불균일하다.본 실시예에 있어서, 단열층(264) 두께는 금형의 캐비티(C) 내의 수지의 냉각성향, 즉 수지의 냉각성향에 대응하므로, 도 6의 캐비티(C)에서 성형품이 꺼내질 때 성형품의 각 부분의 온도가 실질적으로 동일하게 된다. 단열층(264)의 두께는 중앙부에서 주변부로 점차 증가한다.
따라서, 중앙부에 가까울수록 냉각속도가 높다. 주변부에 가까울수록 냉각속도가 낮다. 따라서, 직경방향(중앙부에서 주변부로)에서의 수지의 온도분포는 일정하고, 수축률도 또한 직경방향으로 일정하다.
이 결과, 렌즈(271) 표면의 형상(예컨대, 구면과 같은 곡면, 및 비(非)구면, 및 평면, 등)의 정밀도가 향상될 수 있어서, 렌즈(271)의 품질이 향상될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제4실시형태에 대하여 설명하는데, 이는 성형품으로서의 플라스틱제 렌즈의 성형용 금형에 적용된다.
도 13은 본 발명의 제4실시형태의 금형의 제1변형예의 설명도이다.도 13을 참조하면, 금형의 일부를 형성하는 입자(361)는 기층(362), 최외층(363), 단열층(364)을 가진다. 기층(362)은 제1재료로 만들어진다. 최외층(363)은 제2재료로 만들어진다. 단열층(364)은 열전도율이 낮은 제3재료로 만들어지고, 중간층 역할을 한다. 게이트부(372)가 도 6에 나타낸 게이트(82) 내에 형성되어 있다.성형품으로서의 렌즈(371)는 상기 구조를 가지는 금형에 의하여 제조된다. 여기서, 렌즈(371)는 오목렌즈이다. 즉, 렌즈(371)는 중앙부에 가까울수록, 두께가 작고, 주변부에 가까울수록, 두께가 커지는 구조를 가진다.도 1에 나타낸 종래 기술의 입자(11)에 의하면, 열전도율이 일정하기 때문에, 성형재료로서의 수지의 두께가 작은 중앙부에 가까울수록, 수지의 냉각속도는 높아진다. 성형재료로서의 수지의 두께가 큰 주변부에 가까울수록, 수지의 냉각속도는 낮아진다. 이 결과, 렌즈(371)의 중앙부에 가까울수록, 수지 온도는 낮아진다. 따라서, 만일 게이트가 캐비티(C)의 주변부에 형성되면, 중앙부에 가까울수록 수지가 흐르기 어렵고, 주변부에 가까울수록 수지가 흐르기 쉬우며, 따라서 게이트 반대측의 수지의 흐름의 끝 부분에 웰드 라인(weld line)이 형성된다.본 실시형태에 있어서, 단열층(364)은 중앙부에서 주변부로 갈수록 두께가 점차 작아지는 형상을 가져서, 캐비티(C) 내의 수지의 온도분포에 대응하게 된다.중앙부에 가까울수록, 수지의 냉각속도는 낮아지고 온도는 높아진다. 주변부에 가까울수록, 수지의 냉각속도는 높아지고 온도는 낮아진다. 따라서, 수지의 온도 분포는 직경방향(중앙부에서 주변부로)에서 일정하게 된다. 이 결과, 웰드 라인이 형성되는 것을 방지하여, 렌즈(371)의 품질이 향상될 수 있다.따라서, 본 발명의 금형은 열전도율이 다른 두 종류의 재료로 만들어진 입자를 가진다.결합부는 각 재료를 소결함으로써 형성된다. 따라서, 금형 제조에 걸리는 시간을 감소시킬 수 있어서, 금형 비용의 절감이 이루어질 수 있다.게다가, 결합부의 형상은 금형의 캐비티 공간 내의 수지의 냉각성향, 즉 수지의 냉각성향에 대응하므로, 캐비티에서 성형품이 꺼내질 때 성형품의 각 부분의 오도가 실질적으로 동일하게 된다. 따라서, 성형품이 성형될 때, 성형 재료의 온도분포가 일정하다. 이 결과, 성형품을 안정적으로 높은 정밀도로 제조할 수 있어서, 성형품의 품질을 향상시키게 된다.게다가, 본 발명에서는 도금처리가 수행되지 않으므로, 높은 정밀도로 금형을 제조할 수가 있어서, 높은 수율이 달성될 수 있다. 따라서, 두 가지 다른 재료의 연결성이 향상될 수 있다. 또한, 각 층의 재질은 제한이 없기 때문에, 금형의 제조조건이 쉽게 관리될 수 있다.본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고도 여러가지 변경과 변형이 가능하다.예컨대, 상기 각 실시예에 있어서, 열전도율이 낮은 재료가 중간층으로 사용되었다. 하지만, 열전도율이 높은 재료가 사용될 수도 있고, 결합부의 형상은 금형의 캐비티(C) 내의 수지의 냉각성향, 즉 수지의 냉각성향에 대응될 수 있어서, 캐비티(C)에서 성형품이 꺼내질 때 성형품 각 부분의 온도가 실질적으로 동일해지게 된다.더욱이, 기층과 최외층이 형성되는 2층 구조를 가지는 금형에 있어서, 열전도율이 다른 재료들이 각 층에 사용될 수 있고, 결합부의 형상은 금형의 캐비티 내의 수지의 냉각성향, 즉 수지의 냉각성향에 대응될 수 있어서, 캐비티 공간(C)에서 성형품이 꺼내질 때 성형품의 각 부분의 온도가 실질적으로 같아질 수 있다.
더욱이, 상기 실시예에서는, 디스크나 렌즈처럼 비교적 단순한 단면형상을 가지는 성형품이 설명되었다. 하지만, 본 발명은 성형시에 비교적 긴 냉각시간이 소요되는 비대칭 형상 타입의 성형품, 바닥이 깊은 용기, 및 벽이 두꺼운 성형품의 제조에도 적용될 수 있다. 즉, 상기 성형품은 열전도율이 다른 최소한 두 종류의 재료를 사용함으로써, 또한 캐비티 공간(C)에서 성형품이 꺼내질 때 성형품의 각 부분의 온도가 실질적으로 같아지도록 금형의 캐비티 내의 수지의 냉각성향, 즉 수지의 냉각성향에 결합부의 형상이 대응되도록 함으로써 성형될 수 있다.
본 특허출원은 2002년 5월 31일 출원된 일본국 우선권특허출원 제2002-160544에 기초한 것이며, 그 모든 내용은 여기서 참조로서 결합되어 있다.
본 발명에 의하면, 금형 제조에 걸리는 시간을 감소시킬 수 있어서, 금형 비용의 절감이 이루어질 수 있다.또한, 성형품이 성형될 때, 성형 재료의 온도분포가 일정하다. 이 결과, 성형품을 안정적으로 높은 정밀도로 제조할 수 있어서, 성형품의 품질을 향상시키게 된다.게다가, 본 발명에서는 도금처리가 수행되지 않으므로, 높은 정밀도로 금형을 제조할 수가 있어서, 높은 수율이 달성될 수 있다. 따라서, 두가지 다른 재료의 연결성이 향상될 수 있다. 또한, 각 층의 재질은 제한이 없기 때문에, 금형의 제조조건이 쉽게 관리될 수 있다.
도 1은 종래 기술의 금형의 단면도,
도 2는 본 발명의 제1 실시형태의 금형의 제조장치를 나타내는 개념도,
도 3은 본 발명의 제1 실시형태의 금형의 제조방법을 나타내는 개념도,
도 4는 본 발명의 제1 실시형태의 금형의 단면도,
도 5는 본 발명의 제1 실시형태의 금형의 특성을 나타내는 그래프,
도 6은 본 발명의 제1 실시형태의 금형장치와 사출장치의 요부를 나타내는 단면도,
도 7은 본 발명의 제2 실시형태의 금형 및 성형품부의 설명도,
도 8은 본 발명의 제2 실시형태의 금형의 제1 변형예의 설명도,
도 9는 본 발명의 제2 실시형태의 금형의 제2 변형예의 설명도,
도 10은 본 발명의 제2 실시형태의 금형의 제3 변형예의 설명도,
도 11은 본 발명의 제2 실시형태의 금형의 제4 변형예의 설명도,
도 12는 본 발명의 제3 실시형태의 금형과 성형품부의 설명도,
도 13은 본 발명의 제4 실시형태의 금형과 성형품부의 설명도이다.

Claims (18)

  1. 열전도율이 다른 적어도 두 가지의 재질로 만들어지고,
    재료들을 소결함으로써 형성되는 결합부를 가지며, 또한
    상기 결합부는 금형의 부분을 형성하는 캐비티 내에 들어가는 성형재료의 냉각성향에 대응하는 형상을 가지는 입자(入子)로 구성되는 것을 특징으로 하는 금형.
  2. 제1항에 있어서, 결합부의 형상은 캐비티 형성부의 금형재료의 온도분포에 대응하도록 형성됨을 특징으로 하는 금형.
  3. 제1항에 있어서, 결합부의 형상은 성형재료의 냉각률에 기초하여 형성됨을 특징으로 하는 금형.
  4. 제1항에 있어서, 결합부는 각 재질의 함유율이 다른 여러 층을 가지고, 또한
    온도제어는 재질의 열전도에 기초하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금형.
  5. 제1재료로 만들어지는 기층; 및
    기층의 제1재질과 다른 제2재질로 만들어지며 캐비티 형성부를 형성하는 최외층을 포함하는 입자로 구성되는 금형으로서,
    결합부는 기층과 최외층을 소결함으로써 형성되고, 또한
    상기 결합부는 금형의 부분을 형성하는 캐비티 내에 들어가는 성형재료의 냉각성향에 대응하는 형상을 가지도록 구성됨을 특징으로 하는 금형.
  6. 제5항에 있어서, 결합부의 형상은 캐비티 형성부내의 성형재료의 온도분포에 대응하도록 형성됨을 특정으로 하는 금형.
  7. 제5항에 있어서, 결합부의 형상은 성형재료의 냉각률에 기초하여 형성됨을 특징으로 하는 금형.
  8. 제5항에 있어서, 입자는 중간층을 더욱 포함하고,
    중간층은 기층과 최외층 사이에 형성되며, 기층의 제1재료 및 최외층의 제2재료와는 다른 열전도율을 가지는 제3재질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 금형.
  9. 제5항에 있어서, 중간층은 여러 층으로 형성됨을 특징으로 하는 금형.
  10. 제5항에 있어서, 결합부는 각 재료의 다른 함량을 가지는 여러 층을 포함함을 특징으로 하는 금형.
  11. 금형 제조방법에 있어서,
    a) 제1재료의 분말을 공급하고;
    b) 제1재료의 분말과 다른 제2재료의 분말을 공급하여 금형의 부분을 형성하는 캐비티 내에 들어가는 성형재료의 냉각성향에 대응하는 형상을 형성하며;
    c) 제1전극과 제2전극간에 각 재료의 분말을 넣고, 소정 압력으로 가압하며, 각 재료의 분말에 소정 전류를 흘림으로써 각 분말을 소결하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금형 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    d) 제1재료 및 제2재료와 다른 열전도율을 가지는 제3재료 분말을 공급하는 단계를 더욱 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 금형 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    각 재료의 분말은 일체로 소결됨을 특징으로 하는 금형 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    각 재료의 분말은 방전 플라즈마에 의하여 소결됨을 특징으로 하는 금형 제조방법.
  15. 제11항에 있어서,
    제1전극과 제2전극에 성형패턴이 형성되고, 또한
    성형패턴은 금형에 의해 제조되는 성형품의 형상과 대응되도록 더욱 구성됨을 특징으로 하는 금형 제조방법.
  16. 제11항에 있어서,
    e) 각 재료의 분말로 만들어지는 혼합분말을 충전함으로써 각 층 사이에 경사층을 형성하는 단계를 더욱 구비하여 구성됨을 특징으로 하는 금형 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    제2재료에 대한 제1재료의 비율이 입자의 단면을 따라 달라짐을 특징으로 하는 금형 제조방법.
  18. 제11항에 있어서,
    성형재료의 성형재료의 냉각률 또는 캐비티 형성부의 각 부분에서의 성형재료의 온도차이에 의하여 냉각성향이 결정됨을 특징으로 하는 금형 제조방법.
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