KR100607187B1 - 2단 전기식 사출 유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2단 전기식 사출 유닛(14)에 관한 것이다. 특히, 공급스크루(30)는 단지 가소화만을 위하여 바람직하게 사용되고, 가소화된 재료의 사출은 전기적으로 구동되는 선형 액추에이터, 즉 볼 스크루 메커니즘(62)을 갖는 별도의 축적기(20)에 의해서 이루어지는 사출 유닛(14)이 제공된다. 상기 축적기(20)의 플런저(34)는 나선형 단차(36)가 형성되어 있고, 상기 플런저(34)와 볼 스크루사이에 배치된 일방향 클러치(86)에 의해서 회전가능한 것이다.

Description

2단 전기식 사출 유닛{TWO-STAGE ELECTRIC INJECTION UNIT}

본 발명은 성형 장치(molding machine)에 관한 것으로, 보다 상세히는 사출성형장치용 2단 전기식 사출 유닛에 관한 것이다.

사출성형장치의 사출 유닛은 그 통상적인 작동 사이클 과정에서 필수적으로 2가지 기능 즉 사출(injection)과 압출(extruder)기능을 제공하게 된다. 표준 왕복형 스크루식 사출성형장치에서, 압출기능은 상기 스크루가 회전하는 경우에 이루어지며, 용융물이 축적하면, 이는 플라스틱 용융물을 상기 스크루의 전방단부측으로 점차 이동시키고, 그에 따라서 상기 스크루를 예비사출 위치(pre-injection position)의 후방측으로 이동시키려는 압력 혹은 작용력을 생성시키게 된다. 충분한 양의 재료가 축적되면(사출량, a shot), 상기 스크루는 빠르게 전방으로 이동되어(회전 없음) 상기 용융물을 몰드 내로 곧바로 사출시키고, 사출기능을 수행한다.

성형장치에서 사출 유닛은 "2단" 시스템으로 설계될 수 있으며, 여기서 상기 압출기능과 사출기능들은 별도의 장치요소들에 의해서 실현된다. 2단 사출시스템에서, 상기 압출 혹은 가소화(plasticizing)기능은 가열된 배럴(barrel)내의 공급 스크루에 의해서 실행되는 것이지만, 상기 플라스틱 용해물은 상기 배럴로부터 직접 성형공간으로 이송되기 보다는 축적기(통상적으로 가소화 배럴에 인접하여 위치)내로 이송되는 것이다. 상기 축적기는 후속적으로 작동되어 몰드내로 플라스틱 용융물의 사출을 이루는 것이다. 2단 사출 유닛의 잇점은 재료의 보다 균일한 가소화(plastication), 스크루와 배럴상의 마모감소, 및 보다 높은 사출압력의 가능성을 갖는 것이다. 주된 불이익은 비싼 유닛 비용과 부분적인 품질 영향을 줄 수 있는 사출과 사출 사이(from shot-to-shot)의 재료의 이월(carryover)이다. 특히, 열가소성 재료들이 일정주기 이상으로 유체상태(용융온도이상)로 유지되는 경우, 그 특성들은 재료의 타입, 용융물의 온도와 이와 같이 상승된 온도로 유지되는 시간에 따라서 다양한 범위로 열화될 것이다. 상기 축적기와 내측 피스톤의 구조는 사출물이 몰드내로 사출된 후 얼마나 많은 재료들이 상기 축적기내에 잔류하는지를 통상적으로 결정한다.

이런 각각의 시스템에서, 사출 및 압출 기능들은 각각 사출 유닛 내의 관련된 구동장치를 필요로 한다. 유압장치에서, 사출기능에 사용되는 스크루의 작동은 전형적으로 하나 혹은 그 이상의 유압실린더에 의해서 실행되지만, 압출기 작동에 사용되는 공급 스크루의 회전은 유압모터에 의해서 통상적으로 이루어진다. 최근에는, 기계적인 시스템에 결합된 전기모터들이 왕복형 스크루식 사출 유닛들에 대한 직접적인 동력원으로서 사용되어 왔다. 특별히, 이러한 종래의 전기시스템들은 각각의 기능을 위한 별도의 모터들; 즉, 공급 스크루를 회전시키기 위한 하나의 모터와, 볼스크루와 같은 메커니즘에 조합된 제2 모터들을 사용하여 사출을 위한 전방측으로의 스크루 이동에 필요한 선형작동으로 회전운동을 변환해 온 것이었다.

따라서, 이와 같은 종래의 제품에 새로운 기술이 적용되는 경우에 전형적인 바와 같이, 위험을 감소시키고, 제품의 특징(identity)을 그대로 유지하기 위하여 종전의 사출시스템 기술의 실행을 최대화하려는 노력을 기울여 왔다. 이는 유압작동제어가 전동식 작동제어로 대체되는 모든 전기식 사출성형장치의 설계에서 해당되는 것이다. 이와 같은 제한된 설계 접근방식의 결과, 전기식 가변속도형 모터구동기구의 많은 중요한 잇점들이 사출성형분야에 적용되지 못하였다.

예를 들면, 유압으로 구동되는 왕복형 스크루식 사출 유닛 설계는 대략 +/- 0.2%의 사출크기(a shot size)의 일관성과 반복성의 성능을 갖는 것으로 일반적으로 알려져 있으며, 그 이유는 상기 설명된 유압시스템의 변동(fluctuation)과 상기 스크루의 단부에 위치된 복귀억제 밸브(non-return valve)의 불연속성(inconsistency)에 기인하기 때문이다(상기 복귀억제 밸브는 왕복형 스크루식 설계의 적절한 기능에 필요함 부품임). 현재 유통되고 있는 모든 전기식 장치의 모두가 왕복형 스크루를 갖고 있으므로, 사출물의 크기 편차를 감소시키기 위한 잠재성이 스크루 전방축만의 위치조정 반복성에 대한 개량만으로 한정되어 왔다.

단순히 유압구동열들을 전동식 구동열(drive trains)들로 교체시키는 것으로 피동장치의 반복성, 안정성및 정확성 측면에서 현저히 중요한 개량을 이룬다는 것이 잘 알려져 있다. 이는 구동열내의 부품 수를 줄이고, 온도의 함수인 유압 유체내의 고유의 변화요인과, 유압오일 그 자체의 궁극적인 화학적 열화(breakdown)에 기인한 점도변화를 제거시키고, 궁극적으로 오염물의 증가등의 원인을 감소시킨 결과이다. 그러나, 단순히 상기 유압 구동열 부품들을 서보 전기식/기계식 부품들 로 대체시키는 것만으로도 바람직한 성능개선에 기여하고는 있지만, 완전한 잠재적인 개선은 아직 이루어져야만 하는 것이다.

개선 잠재성은 특별히 상대적으로 큰 사출용량을 가진 왕복형 스크루식 사출 유닛에서 명백한 것이다. 증대된 사출 용량은 왕복형 스크루식 유압장치에서는 상대적으로 간단하지만, 유압실린더에 대한 전동식 모터와 볼 스크루들의 대체는 필요한 큰 볼스크루(사출용 스크루를 왕복시키기 위함)들의 과도한 비용에 기인하여 실용적이지 못한 것이다. 비록, 상기 볼스크루들의 크기가 탠덤(tandem) 또는 직렬형의 2개의 스크루를 사용하여 축소될 수 있지만, 상기 스크루들과 이에 관련된 부품들의 비용은 아직 과도하게 높은 것이다. 그리고, 유압 유닛의 작동범위를 유용하게 매치시키기 위한 능력들을 가진 전기식 왕복형 스크루식 사출 유닛들의 구성은 시험되지 않은 크기의 볼 스크루, 실제로는 현재의 제조능력을 초과하는 볼 스크루들을 필요로 할 것이다.

그리고, 상업적으로 중요한 플라스틱 재료들의 사출성형을 위한 공정요구조건들은 적어도 15,000psi의, 종종 30,000psi까지의 사출 압력을 포함하는 것이다. 상기 볼스크루들의 유용성과 비용은 그 길이보다는 직경에 의해서 더 크게 영향을 받음으로서, 6인치의 직경을 초과하는 볼 스크루들은 상업적인 양(quantities) 측면에서는 무용한 것이고, 이는 대략 32 온스(약 907 그램)의 사출용량을 초과하는 모든 전기식 설계의 진행을 심각하게 제한하여 왔다. 예를 들면, 전형적인 100온스 사출용량의 유압사출 유닛은 20,000psi를 생성하기 위하여 대략 4인치 직경의 왕복형 스크루를 갖는다. 모든 전기적 균등품(왕복형 스크루)은 그 부하를 처리하기 위하여 6인치의 직경을 훨씬 초과하는 볼 스크루를 필요로 한다. 사실상, 현재 전세계적으로 가장 크고 상업적으로 제작되는 전기식 사출 유닛은 6.5인치 직경의 2개의 볼스크루를 사용하여 22,000psi의 최대 사출압력에서 77온스까지의 용융물의 사출을 위하여 작동하는 3.5인치 직경의 왕복형 스크루의 부하 요구들을 지탱하는 것이다.

볼 스크루의 성능과 내구성은 왕복형 스크루식 사출적용분야에서 악화된다. 볼 스크루로부터 최적의 내구수명을 얻기 위해서는, 볼회전및 윤활회전에 대한 최소한의 수준이 이루어져야 한다. 그러나, 상기 왕복형 스크루 설계는 상대적으로 짧은 사출행정으로 제한되는 것이고, 그 이유는 보다 긴 행정은 스크루가 사출하기 위한 사출물 체적을 형성하면서 스크루가 후퇴하는 경우, 직경에 대한 스크루의 유효길이비(L/D)를 감소시키는 데에서 발생하는 허용할 수 없는 플라스틱 공정편차를 초래한다. 현재의 표준 규격에 의하면, 사출 행정은 왕복형 스크루설계에서 스크루 직경의 5배를 거의 초과하지 않는다. 그리고, 종래의(유압) 2단 사출 유닛은 축적기 피스톤의 행정과 직경에 대하여 거의 동일한 비율을 고수하여 왔다.

전형적으로, 대부분의 왕복형 스크루식 사출 유닛에서 처리되는 "사출물(shot)"의 크기는 최대값의 대략 25%일 것이다.(이는 상기 스크루가 사출물 능력보다는 가소화 요구조건에 의해서 그 크기가 정해진 결과임). 일례로 상기 25%의 한계를 사용하면, 왕복형 스크루식 전동 사출 유닛에서는, 최대 볼 스크루 왕복운동이 상기 장치의 대부분의 내구수명동안 하나의 스크루 직경 혹은 그 이하로 제한되는 것이다. 볼 스크루 나사는 전형적으로 볼스크루 직경의 1/4 내지 1/2이고, 부하받을 경우 적어도 3회의 완전한 나사회전을 갖도록 통상적으로 설계되어 있다. 예를 들면, 만일 사출 유닛이 사출을 위하여 하나의 스크루 직경을 가로지르는 경우, 그리고 사출 축의 볼스크루가 상기 사출 스크루 직경의 2배인 경우, 상기 메커니즘의 부하를 받은 볼들은 부하 받지 않는 위치로 완전하게 회전하지 않을 것이고, 부하 받지 않는 볼들의 일부는 부하 위치로 이동하지 않는 것이다. 이는 상기 부품들의 불균일한 마모를 초래하며, 상기 볼들의 완전한 선회에 의해서 얻어지는 자연적인 윤활은 빈번한 외부 윤활로 대체되어야만 하는 것이다. 따라서, 왕복형 스크루 사출 유닛에서의 볼 스크루 수명은 볼들의 완전 선회가 이루어지는 적용예에서 얻어지는 것보다 낮은 것이다.

왕복형 스크루식 사출 유닛의 상대적으로 큰 직경과 짧은 행정은 고속사출을 용이하게 하지만; 그러나, 원하는 사출 압력을 얻기 위하여 높은 토크의 모터가 필요하다는 것을 알아야 한다. 마력(horsepower)이 모터제품의 토크와 RPM의 함수이기 때문에, 높은 토크 요구조건은 높은 마력의 모터들이 사출 메커니즘을 구동하도록 요구된다는 것을 의미한다.

다른 고려사항은 사출성형장치에 의해서 점유되는 바닥 공간이 점차적으로 증대되는 중요 기준이 되어 왔다는 것이다. 설비를 위하여 유용한 자원이 생산성을 증가시키기 위하여 다른 자산항목으로 바뀌는 경우, 장치의 길이, 폭 및 높이들은 경쟁적인 장치 설계분야에서 중요 고려사항으로 점차 증대되어 왔다. 모든 전기식 장치에서, 사출 볼 스크루는 사출 피스톤 후방에서 대부분 열을 지어(in line) 배치되어 있다. 왕복형 스크루의 경우, 가소화 스크루는 사출 피스톤이고, 가소화 요구 때문에 그 직경의 15 내지 30 배의 길이를 이미 갖고 있다. 가능한 한 사출 행정을 길게 하는 것이 통상적으로 바람직하기 때문에, 사출 행정용 가소화 스크루에 열을 지어 볼 스크루를 배치하는 것은 장치의 전체 길이를 증가시켜 바람직하지 않은 것이다.

전기식 사출 유닛에서 증대된 용량의 필요성 이외에도, 만일 왕복형 스크루식 사출 유닛에 대한 전동기계식 기술의 적용을 제한시킴에 의해서 제기되는 장애들을 극복하기 위하여 어느 방법이 발견될 수 있다면, 피동장치의 내구성, 반복성, 안정성및 정확성과 장치의 전체길이의 감소등에 개선의 잠재성이 있는 것이다. 그리고, 필요한 개선의 완전한 장점을 취하기 위하여, 전기식 사출 유닛의 새로운 구성은 종래 기술의 2단 사출 유닛에서 전형적으로 관련된 재료 이월(carryover)의 문제점들을 가져서는 안된다.

따라서, 본 발명의 목적은 그 구조가 간단하고, 보다 내구성이 높으며, 사출 정확도를 높이고, 증대된 사출용량을 효과적으로 가능하게 하는 전기식 사출 유닛용 구동장치를 제공하는 것이다. 그리고, 본 발명의 다른 목적은 종래의 시스템에 관련하여 작동효율을 개선하고, 재료 이월을 감소시키는 방식으로 2단 사출 유닛에 대하여 가변속도형 전기구동식 기술을 적용함에 있는 것이다.

이러한 목적들에 따라서, 본 발명은 공급 스크루가 가소화(plastication)에 주로 사용되고, 용융물 축적기가 사출에 사용되는 2단 전기식 사출 유닛에 관련된 것이다. 바람직하게는, 상기 공급 스크루가 단지 회전만 가능하고, 왕복작동하지 않음으로써 장치의 전체 길이를 감소시키게 되는 것이다. 상기 가소화 재료의 사출은 볼 스크루 메커니즘과 같은 전기식 피동 선형 액추에이터에 의해서 왕복작동되는 나선형 단차(helical flight)를 갖는 플런저를 구비한 별도의 용융물 축적기에 의해서 이루어진다. 바람직하게는, 상기 공급 스크루의 회전과 축적기의 작동을 위한 별도의 모터들이 있으며, 상기 플런저용 구동 시스템으로 하여금 상기 볼스크루와 플런저사이에 배치된 일방향 클러치와 같은 수단에 의해서 상기 플런저의 회전을 제공하도록 허용한다. 상기 개시된 2단 구조는 대용량의 사출 유닛(80온스 이상)에 특히 적합하고, 여기서는 종래 기술의 공급 스크루들을 왕복시키기 위하여 필요하였던 큰 볼 스크루들이 과도한 비용을 초래하는 것이다.

비록, 2단 사출 유닛들이 유압작동식 사출 성형장치에 수년간 사용되어 왔지만, 전기식 장치에서는 사용된 바 없으며, 그 이유는 유압장치상의 2단 유닛에 의해서 제공되는 잇점들이 왕복형 스크루식 유닛에 대한 전기식 구동기술의 적용에 의해서 대부분 달성되어 왔기 때문이다. 2단 전기식 사출 유닛의 발명은 종래의 기술에서 제기되었던 표준 사출 유닛 부품들의 명백한 잇점과 경제적인 사용을 넘어서는 것이다. 개시된 실시예에서, 상기 발명은 기존의 유압 혹은 전동식 사출 유닛 기술에서 현재 얻을 수 없는 성능을 가능하게 한다.

상기 축적기 피스톤의 행정길이와 직경을 최적화함으로써, 본 발명은 종전에 구현하지 못하였던 전기식 장치 설계의 중요한 잇점들을 달성한다. 상기 피스톤 직경은 모터의 선형운동을 피스톤의 직선운동으로 변환시키는 메커니즘에 대한 부하 수용 요구사항들을 나타내기 때문에, 상대적으로 작은 피스톤 직경에서 증가된 행정길이를 제공함으로써 보다 큰 사출용량이 2단 설계에서 달성될 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따른 2단 전기식 사출 유닛은 150온스(ounces)의 사출(축적기)용량을 가질 수 있고, 5.5인치 직경의 볼 스크루(상업적으로 구입가능)로서 20,000psi로 작동가능하다. 종래기술의 전기식 사출성형장치에서 볼 스크루의 이러한 직경은 전형적으로 대략 30 온스(2.75 인치직경의 스크루, 9인치 행정)만의 사출 용량을 갖는 것이다. 따라서, 본 발명은 왕복형 스크루식 설계에서 필요로 하는 보다 큰 볼 스크루들에 대하여 그 위험, 비용 및 공간 요구조건들을 부가시킴 없이 대략 5배의 사출 용량으로 확장하는 것이다.

필요한 사출 용량에 대한 사출 행정을 길게 하는 또 다른 잇점은 볼 스크루 성능과 내구성을 증대시키는 것이다. 특히, 2단 설계에서 축적기의 사용은 가소화 스크루의 직경과는 무관하게 (축적기의) 사출 실린더 직경을 최적화하는 능력을 제공한다. 따라서, 상기 시스템은 볼들의 부하와 회전을 개선하기 위하여 볼 스크루 메커니즘의 충분한 관통(traverse)을 이루고, 윤활성을 개선하며, 그 내구수명을 증가시키도록 설계될 수 있다. 직경이 보다 작아진다고 하는 것은 임의의 사출용량에 대하여 보다 적은 마력이 요구된 다는 것을 의미한다. 비록 피스톤 직경에 대한 행정의 비율이 고속 사출에 대하여 대략 10으로 감소될 수 있지만, 보다 작은 직경은 보다 낮은 마력의 모터를 가지고, 필요한 압력레벨에서 사출을 용이하게 한다.

축적기와 플런저에 대한 상기의 구조로써, 재료 이월은 필수적으로 단지 1사이클로 제한된다. 열 가소성 용융물이 압출기에 의해서 축적기의 내부로 공급되면, 플런저 구동 메커니즘에서의 볼 스크루는 회전되어 플런저의 후방이동을 제어하고, 그에 따라서 용융물상의 배압(back pressure)을 제어한다. 상기 볼 스크루 회전은 일방향 클러치(one-way clutch)에 의해서 플런저에 부여된다. 특히, 열가소성 용융물은 바로 전의 사출물로부터 플런저의 이동과정에서 남아 있는 용융물을 "세척제거(wipes)" 시키는 지점에서 축적기로 유입한다. 새로운 용융물의 이러한 흐름은 플런저의 전방측에서 그리고 후속 사출물의 "첫번 배출(first out)"이 되는 축적기의 끝단에서 상기 이월된 재료를 이동시킨다. 이는 재료의 이월을 해소하여 재료의 열화(degradation)를 최소화하고, 어느 한 색상의 재료를 밀어내고, 다른 새로운 색상의 재료로 변경하는데 필요한 시간을 현저하게 감소시킨다.

본 발명에 따른 상기 전기식 2단 사출 유닛 설계는 또한 과도한 장치길이의 문제점을 해소한다. 특히, 가소화 스크루의 길이는 사출 행정과 그리고 이에 일치하는 볼 스크루 길이와 무관하게 된다. 이는 다른 중심선상의 2개의 요소들(가소화 스크루및 볼 스크루)의 독립적인 지지에 의해서 이루어지며, 그에 따라서 부가적인 폭과 높이를 부가함이 없이 그 길이가 소형인 장치를 제공하게 된다.

이와 같은 본 발명의 2단 사출 유닛의 구조에서 또 다른 잇점은 압출기 스크루가 벨트 구동 대신에 기어 구동될 수 있다는 점이다. 상기 벨트와 풀리 시스템들은 그들이 중심을 벗어나(off-center) 구동되는 경우, 보다 큰 가소화 스크루들에 토크를 전달하기 위해 요구되는 벨트의 강도 또는 벨트 수로 인하여 다소 제한적이다. 가소화 스크루 축으로부터 벗어나도록 사출 기능을 이동시킨다는 것은 상기 스크루에 기계적인 감속기어 박스를 견고히 결합(hard-couple)시키도록 근접을 허용한다는 것이다. 이는 사출 볼 스크루가 가소화 스크루에 정렬된 모든 전기식 왕복형 스크루식 사출 유닛에서는 불가능한 일이다.

본 발명의 2단 전기식 설계에서는 모든 전기식 사출 유닛이 종래의 전기식 왕복형 스크루 유닛의 성능들을 크게 초과하는 사출 용량을 구비하도록 할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 전기식 2단 사출 유닛들은 개선된 반복성, 재료 안정성및 사출 크기 정확성에 관련된 유익함과 성능의 이득(gains)을 제공함으로써 보다 큰 장치의 잠재적인 적용성을 갖는 것이다. 특히, 2단 사출 유닛은 스크루의 단부에서 복귀억제 밸브(non-return valve)에 대한 필요성을 제거하고, 가소화 요구사항과 사출 크기를 별개로 하며, 사출 크기의 보다 정밀한 제어를 위하여 보다 작은 직경의 사출 피스톤(스크루 직경에 비하여)의 사용을 허용함으로서 종래의 기술보다 현저히 향상된 잇점을 제공한다.

전체적으로, 본 발명은 종래 기술의 전기적 피동식 사출 시스템에 비하여 향상된 능력을 갖고, 증가된 사출 용량을 가지며, 개선된 사출제어와, 최소한의 이월및 보다 빠른 색상 변경능력을 갖는 전기식 사출 유닛을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 2단 전기식 사출 유닛을 갖는 사출성형장치의 부분 측단면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 성형장치의 2단 전기식 사출 유닛을 부분 단면으로 도시한 확대도이다.

도 3은 용융물 축적기와 기계적 구동요소들을 상세히 도시한 것으로, 도 2에 도시된 사출 유닛의 상세 확대 단면도이다.

본 발명은 사출성형장치용 2단 전기식 사출 유닛 14에 관한 것이며; 이는 "전형적(typical)"인 장치를 기초(context)로 하여 이하에서 설명될 것이다. 사출 성형장치의 일반적인 구조와 작용효과는 공지되어 있기 때문에, 2단 전기식 사출에 관련하여 달라진 부분이나 새로운 용도에 관련된 장치의 이러한 부분들이 주로 강조될 것이다.

본 발명의 장치는 도 1 및 2에 도시된 바와 같은 사출 성형장치 10에 관련하여 사용된다. 상기 성형장치 10의 일반적인 구성은 종래의 클램프 유닛 12, 및 2단 전기식 사출 유닛 14를 포함하며, 이들 모두는 긴 지지대 혹은 베이스 16상에 장착되어 있다. 상기 사출 유닛 14의 부품들은 2단 사출 유닛 내에서 전기모터 구동기술을 구현하기 위하여 특별히 설계된다. 바람직하게는, 그 중요 요소들은 전기적으로 피동되는 압출기 18과 용융물 축적기 20들이다. 상기 압출기 18은 연속적인 가소화를 위한 것이며, 그에 따라서, 비-왕복형(non-reciprocating) 공급 스크루 30(도 2 참조)을 갖는다. 그러나, 만일 필요하다면 본 발명의 개념은 왕복형 공급 스크루를 갖는 2단 사출 시스템에도 적용가능한 것이다.

당업계에서 일반적으로 알려진 바와 같이, 재료들은 호퍼 24와 같은 종래의 방식으로 압출기내에 공급된다. 상기 스크루 30에 대한 회전력도 종래와 같은 방식으로, 즉 배럴 38 내에서 스크루 30을 구동시키는 감속기어박스 28에 연결되는 전기 모터 26과 같이 제공된다. 상기 스크루 30의 동작은 회전력만이며, 상기 구동시스템은 왕복형의 스크루를 가져야만 하는 사출 유닛에 비하여 현저하게 간략해진다.

상기 축적기 20는 가변 체적의 용기로 이루어지고, 이는 배럴 32내에서 회전및 직선작동 모두를 할 수 있는 플런저 34를 갖는 실린더형 배럴 32에 의해서 실질적으로 이루어진다. 상기 플런저 34의 단부는 나선형 단차(helical flight) 36을 가지고 있다. 상기 배럴 32와 플런저 34의 상대적인 크기와, 플런저 34의 행정들은 몰드(mold)를 충전하는 데 필요한 용융물의 양에 따라서 변화할 것이다. 용융물 축적기 20의 수축작동(constriction)에서, 플런저 34가 완전히 확장되었을 때, 배럴 32내에 잔류하는 수지량을 최소화하는 방식으로 상기 배럴 32와 플런저 34의 단부-형상을 구성하는 것이 바람직하며, 이는 아래에서 더욱 상세히 설명될 것이다.

상기 플런저 34의 행정길이와 직경을 최적화함으로써, 전기식 장치 설계의 중요한 잇점들이 구현될 수 있다. 상기 플런저 34의 직경은 모터의 회전운동을 플런저 34의 직선운동으로 변환시키는 상기 볼 스크루에 대한 부하수용 요구사항을 나타낸다. 그러나, 보다 큰 사출용량은 상대적으로 작은 직경에서 증대된 행정길이를 제공함으로써 2단의 설계로 쉽게 달성될 수 있다. 예를 들면, 상기 개시된 2단의 설계는 5.5인치 직경의 볼 스크루로써 20,000psi에서 작동할 수 있는 2.75인치 직경의 플런저 34에서 적어도 150 온스(oz)의 사출능력을 발휘하지만; 이와는 대조적으로, 이러한 설계기준을 갖는 종래의 전기식 사출성형장치는 단지 대략 30온스의 사출능력만을 전형적으로 갖는 것이다.

용융물 축적기 20의 부품들을 크기화함에 있어서, 본 발명의 잇점들은 플런저 34의 직경에 대한 플런저 34의 완전 행정의 비율(이러한 기준은 왕복형 스크루의 L/D에 유사함)이 5 혹은 그 이상인 경우에서 보다 완전하게 구현되어지며; 이러한 비율에 대한 10 내지 15의 범위는 특별히 유익한 것으로 여겨진다. 상기 축적기 20의 이러한 구성은 상업적으로 유용한 볼 스크루의 사용을 가능하게 하는 것이고, 보다 높은 사출압력에서 보다 긴 행정(사출물 크기의 정확도와 반복성을 개선)을 제공하는 것이다.

상기 압출기 18의 배출구는 적절한 도관 42을 통해 축적기 20에 연결된다. 압출기 18과 축적기 20으로 향한 유입구 40 사이의 편리한 어느 한 점에서, 볼 체크밸브 46 또는 다른 적절한 복귀 억제 장치가 제공되어 도관 42를 통한 흐름의 방향을 제어한다. 상기 축적기 20이 작동되어 플라스틱을 몰드공간으로 사출하고, 압축 및 유지(pack and hold) 도중에 압력을 유지시키도록 작동되는 경우, 상기 체크 밸브 46는 압력차이로 인하여 압출기 18로 향한 용융물의 역방향 흐름(back-flow)을 방지한다. 상기 축적기 20의 배출구는 적절한 노즐 56을 통해 사출 몰드(미도시)에 연결된다.

축적기 20의 플런저 34는 전동식 구동조립체 60에 의해서 바람직하게 작동된다(도 2 및 3 참조). 상기 구동 조립체 60은 볼 스크루 62, 지지 하우징 66을 갖는 볼 너트 64, 가변속도 전기모터 68, 및 모터 68의 선형동작을 허용하는 모터 지지대 70들을 바람직하게 포함한다. 특히, 상기 볼 너트 64는 지지 하우징 66내에서 바람직하게 이동되며, 적절한 수단, 즉 로드 셀 76 등을 통해 하우징 66에 고정됨으로써 그 회전이 구속되는 것이다. 상기 볼 스크루 62의 피동 단부는 모터 축 78에 연결되고; 상기 스크루 62의 반대측 단부는 커플링 72을 통해 상기 축적기 20의 플런저 34에 연결된다. 바람직하게는, 상기 커플링 72은 사출과정에서 플런저 34에 대하여 볼 스크루 62가 자유롭게 회전(스크루 62의 시계방향 회전)하도록 하는 일방향 클러치 86을 포함하여 효과적인 직선(수평)력을 상기 볼 스크루 62으로부터 플런저 34에 상기 축적기 20내에 함유된 용융물에 악영향을 주지 않으면서 전달한다. 그러나, 상기 볼 스크루 62의 역회전(반시계방향 회전)은 상기 플런저 34가 상기 실린더 32내에서 회전하도록 하는 일방향 클러치 86에 맞물린다.

상기 모터 68의 축 78이 볼 스크루 62에 직접 연결되기 때문에, 상기 모터 68는 상기 볼 스크루 62가 플런저 34를 이동시키도록 사용되는 경우, 전후로 왕복이동할 수 있어야 한다. 따라서, 상기 모터 68용 지지대 70는 모터 68에 대한 안정성을 제공하도록 구성되어야 하고, 동시에 화살표 A로 도시된 바와 같이, 플런저 34의 이동에 대하여 평행한 방향으로 직선적으로 이동할 수 있어야 하는 것이다. 물론, 볼 스크루 62에 대한 모터 축 78의 연결은 신장된 스플라인(elongated spline) 커플링을 통해 이루어질 수 있음으로서 상기에서 도시된 곳보다는 후방측의 위치에서 모터 68의 고정적인 장착을 허용하도록 할 수 있음을 알수 있을 것이다.

본 발명의 2단 사출 유닛 14를 수용하는 사출성형장치 10의 작동 사이클을 이하에서 설명하기로 한다. 공급 스크루 30는 배럴 38내에서 압출기 모터 26에 의해서 회전되어 재료의 가소화를 개시하고, 이는 축적기 20에 플라스틱 용융물로서 공급될 것이다. 상기 스크루 30의 회전은 스크루 30의 단부에서 압력을 상승시키며, 이는 볼 체크 밸브 46를 이동(개방)시켜, 재료들이 도관 42을 통해 그리고 축적기 20로 흐르도록 하는 것이다.

상기 축적기 20의 유입구 40는 배럴 32로 유입한 용융물이 플런저 34의 단부에서 단차(flight) 36을 지나가도록 위치된다. 상기 유입하는 용융물은 단차 36을 따라서 흐를 것이고, 바로 전의 사출물로부터 이월되어 남은 용융물을 소제하여 이것을 배럴 32의 배출구 단부측으로 이동시키고, 축적기 20내의 압력이 생성되도록 한다. 상기 플라스틱 용융물의 압력이 일정레벨에 도달하면, 이는 플런저 34를 후방으로 밀리도록 할 것이며, 그에 따라서, 상기 볼 스크루 62와 모터 68를 사출 유닛 14의 후방으로 향하도록( 지지대 하우징 66은 고정식으로 유지) 할 것이다(도 3 참조). 상기 플런저 34의 후방이동은 커플링 72를 통해 볼 스크루 62에 작용력을 가하고, 볼 스크루 62가 상기 후방측으로 이동하도록 하며; 상기 볼 스크루 62가 볼 너트 64를 통해 이동하는 경우, 이는 반대 방향(반시계방향)으로 회전한다. 이러한 볼 스크루 62의 역방향 회전은 일방향 클러치 86와의 결합을 통해 플런저 34에 부여된다. 그리고, 상기 플런저 34의 회전은 새로운 용융물의 유입흐름의 씻음작동(wiping action)을 향상시킴으로서 단차 36으로부터 이월된 재료들의 세척에 추가적인 도움을 주는 것이다.

만일 필요하다면, 상기 플런저 34(및 볼 스크루 62)의 후방이동 비율은 모터 68에 의해서 제어될 수 있다. 특히, 상기 모터 68는 볼 스크루 62의 회전을 방해하는 브레이크(brake)로서 작용할 수 있으며, 이는 플런저 34의 후방이동을 서서히 이루어지도록 하여 플라스틱 용융물의 배압을 증가시킨다. 다르게는, 상기 모터 68가 상기 볼 스크루 62의 회전과 후방이동을 가속시키도록 사용될 수 있으며, 이는 플런저 34가 후방으로 이동하는 속도를 증가시키고, 그에 따라서 용융물의 배압을 감소시키게 된다. 각각의 경우에서, 상기 볼 스크루 62의 회전속도는 클러치 86에 의해 상기 플런저 34에 부여된다.

상기 압출 기능은 완료되고, 공급 스크루 30의 회전은 충분한 플라스틱 용융물 장입량이 몰드의 공간을 충전하기에 필요로 하는 만큼, 축적기 20내의 플런저 34 전방에 축적되는 경우에는 중단된다. 상기 압출기능에 동반하여, 상기 클램프 유닛 12는 작동되어 플라스틱 용융물을 받을 몰드를 닫고 압력을 생성시킨다.

사출기능을 개시하기 위하여, 모터 68은 시계방향으로 회전되어 볼 스크루 62가 지지 하우징 66에 의해서 구속되어 있는 볼 너트 64를 통해 진행하도록 한다. 스크루 62의 병진(translational)(선형)작동이 축적기 20내에 위치된 플런저 34로 부여된다. 그러나, 상기 스크루 62의 회전은 플런저 34에 부여되지 않으며, 상기 스크루 62가 시계방향으로 회전하는 경우에 상기 일방향 클러치 86는 분리되기 때문이다. 상기 설명한 바와 같이, 고정적인 모터 장착구조를 갖는 조립체를 제외하고는, 상기 모터 68는 플런저 34가 축적기 20의 실린더 32내에서 선형적으로 이동되는 경우, 상기 볼 스크루 62를 따르는 병진작동을 하게 될 것이다(이는 동일 조립체의 일부이기 때문임).

상기 플런저 34의 전방이동은 축적된 플라스틱 용융물이 노즐 56을 통해 몰드 공간으로 압입되도록 한다. 상기 플런저 34의 동작에 의해서 생성된 사출 압력은 상기 볼 체크밸브 46를 이동시켜 상기 압출기 18내로 상기 용융된 수지의 이동이 방지되는 위치로 오게 한다. 상기 재료덩어리들이 몰드 공간으로 이동된 후, 상기 사출 축적기 20은 압축(pack)을 개시하고, 이는 성형부품이 적절하게 형성되기 까지 상기 재료상에 적절한 압력이 유지되도록 고정유지(hold) 하게 된다.

상기 사출 축적기 20가 사이클의 "고정유지"부분에 도달하는 경우, 이는 그 자체가 재료를 비운 상태이다. 다시 설명하면, 플라스틱 용융물의 사출은 충분한 힘을 가하여 플런저 34를 실린더 32내에서 전방으로 신속하게 이동시키고, 상기 용융물이 사출 축적기 20의 배출구를 통해, 그리고 노즐 56을 통해 몰드로 흐르도록 함으로써 달성되는 것이다. 상기 사이클에서 이러한 대략적인 점(point)은 도 2에 도시된 바와 같은 구성에 의해서 식별될 수 있고; 상기 축적기 20내에서의 플런저 34는 사출기능을 완료한 배럴 32내에서 완전하게 전방으로 향하게 된다.

사출 공정의 일부분으로서, 플라스틱 용융물이 반복되는 사이클동안 고정적으로 유지되어 재료들을 열화시키고, 후에 양호한 재료들에 섞이며, 열악한 품질의 일부분을 형성하도록 사출되는 재료 흐름 통로내에서 "데드(dead)" 위치(spots)를 회피하는 것이 매우 바람직하다. 따라서, 플런저 34의 단부와 배럴 32의 배출구사이의 일치하는 구조는 사출이 완료된 후, 축적기 20에 잔류하는 재료의 양을 최소화할 것이다. 후속 사출물이 축적되는 경우( 그리고, 다음 작동 사이클 도중에 몰드내로 사출되어짐), 단지 중요한 이월 재료만이 새로운 용융물의 유입과 플런저 34의 회전에 의해서 "세척"된 깨끗한 단차 36내에 남아 있는 것이다.

충분한 고정 유지/냉각(hold/cool) 시간 후, 상기 사출 축적기 20에 의해서 고정유지되는 압력은 몰드 가압해제(decompress) 도중에 해제되고, 이는 플런저 34의 다소의 후퇴(retraction)을 포함할 수도 있다. 상기 클램프 12는 몰드를 개방하도록 작동되고, 부품을 배출시키며, 후속 사이클을 개시하기 위하여 재차 닫친다. 플런저 34에 의한 압력이 해방되자마자, 상기 사출 유닛 14는 공급 스크루 30의 회전을 개시하여 이미 설명한 바와 같이 사출기능을 개시하며, 다른 사이클의 작동을 개시한다.

본 발명은 고용량의 사출을 필요로 하는 전기장치의 적용예에 특별하게 적합하고, 경제적이며 신뢰성 있는 전기식 작동용 2단 사출 시스템을 제공하는 것이다. 주된 특징은 상대적으로 작은 직경의 플런저의 사용이며, 이는 긴 행정을 통해 이동하여 사출축 행정/직경(비율) 현저하게 증가시키고, 작동성능을 유지시키는 설계에서 원하는 사출 용량을 얻게 된다. 그리고, 이러한 새로운 구조는 관련된 볼 스크루 메커니즘의 충분한 이동거리를 제공함으로써 볼들의 부하와 회전을 최적화하여 부품의 신뢰도를 향상시키고, 그에 따라서 윤활기능을 향상시키고 내구 수명을 증가시킨다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 바람직한 실시예에 따라서 상세히 설명되었고, 상기 바람직한 실시예가 상세하게 설명되었지만, 본 발명을 이와 같은 상세내용에 한정하고자 하는 의도는 아니다. 이와는 대조적으로, 이는 첨부된 클레임의 범위내에 포함되는 모든 개선구조, 변경구조및 균등구조들을 포함하고자 한 의도이다. 예를 들면, 비록, 상기 구동 커플링들이 벨트와 풀리에 관련하여 설명되었지만, 적절한 기어장치들과 같은 다른 기계적인 커플링들이 사용되어 동일한 기능을 수행할 수 있는 것이다. 그리고, 다른 시스템 혹은 메커니즘들이 사용되어 축적기 플런저 34에 선형운동을 부여하도록 사용될 수 있고; 상기 설명한 볼 스크루와 볼 너트대신에 롤러 스크루와 너트가 사용가능하다.

Claims (12)

1. 900 그램을 초과하는 사출 용량을 갖는 사출성형장치에 있어서,

   유입구와 배출구를 갖는 배럴(38) 내에서 회전운동을 할 수 있는 공급 스크루(30);

   상기 배럴(38) 내에서 공급 스크루(30)를 회전시켜 재료를 상기 배럴 유입구로부터 배럴 배출구로 가소화하면서 이송시키도록 구성된 가변속도 전기모터(26)를 포함하는 회전구동수단;

   가소화된 재료를 상기 배럴 배출구로부터 받도록 연결된 실린더형 챔버(32) 및 상기 챔버(32) 내에 수용되어 미리 정해진 행정길이로 이동 가능하게 구성된 실린더 형상의 플런저(34)를 갖는 용융물 축적기(20); 및

   상기 축적기(20)의 플런저(34)에 병진운동을 부여하여 가소화된 재료를 성형공간으로 사출하는 플런저 구동수단(60);

   을 포함하며,

   상기 플런저(34)는 그 직경에 대한 상기 행정길이의 비율이 5 이상이고,

   가소화된 재료는 플런저(34) 전면의 뒤쪽에서 상기 용융물 축적기(20) 안으로 유입되고,

   상기 플런저 구동수단(60)은 전기모터(68)에 의해서 구동되는 메커니즘(62)을 포함하는 것을 특징으로 하는 사출성형장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 플런저 구동수단(60)의 메커니즘은 축적기(20)의 플런저(34)에 결합된 스크루 메커니즘(62)인 것을 특징으로 하는 사출성형장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 플런저 구동수단(60)의 스크루 메커니즘(62)은 축적기(20)의 플런저(34)에 결합된 볼 스크루 메커니즘인 것을 특징으로 하는 사출성형장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 플런저 구동수단(60)의 스크루 메커니즘(62)은 상기 스크루 메커니즘(62)의 회전을 플런저(34)에 전달하지 않도록 상기 스크루 메커니즘(62)과 상기 축적기(20)의 플런저(34) 사이에 배치된 커플링(72)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사출성형장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 플런저 구동수단(60)의 메커니즘(62)은 상기 축적기(20)의 플런저(34)에 회전작동도 역시 부여할 수 있는 것을 특징으로 하는 사출성형장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 플런저 구동수단(60)의 메커니즘은 클러치 메커니즘(86)을 통해 상기 축적기(20)의 플런저(34)에 결합되는 스크루 메커니즘(62)인 것을 특징으로 하는 사출성형장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 용융물 축적기(20)의 플런저(34)의 적어도 일부에는 나선형 단차(helical flight, 36)가 있는 것을 특징으로 하는 사출성형장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 플런저 구동수단(60)의 메커니즘은 클러치 메커니즘에 의해 상기 축적기(20)의 플런저(34)에 결합되는 스크루 메커니즘(62)인 것을 특징으로 하는 사출성형장치.
9. 삭제
10. 삭제
11. 압출기(18)와 용융물 축적기(20)를 포함하는 2단 사출 유닛(14)에 의해 플라스틱 용융물을 사출성형공간에 공급하는 방법에 있어서, 상기 공급 방법은,

    (a) 압출기(18)를 작동시켜 플라스틱 용융물의 흐름을 생성하는 단계,

    (b) 용융물을 상기 압출기(18)로부터 축적기(20)로 이송하는 단계,

    (c) 용융물이 상기 축적기(20)의 실린더형 챔버(32) 내부에 수용된 플런저(34) 표면의 나선형 단차(helical flight)(36) 안으로 먼저 흐르도록, 용융물을 상기 축적기(20) 안으로 유입시키는 단계,

    (d) 축적기(20) 내의 실린더형 챔버(32)가 용융물을 사전에 결정된 양만큼 받을 때까지, 용융물의 축적기(20)로의 공급에 따라 상기 플런저(34)를 동시에 후퇴시키고 회전시키는 단계, 및

    (e) 상기 축적기(20) 내에서 플런저(34)를 전진시켜 용융물을 상기 챔버(32)로부터 이동시켜 몰드 공간으로 사출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 축적기(20) 내에서 플런저(34)를 전진시키는 단계(e)는 용융물의 몰드 공간으로의 사출에 따라 플런저(34)의 회전 없이 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.

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