KR101195999B1 - 웰드레스 방식의 사출금형 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 웰드레스 방식의 사출금형장치는 상부금형과, 상부 금형과 결합되어 제품의 사출성형을 위한 캐비티를 형성하는 하부금형을 구비하며, 상기 상, 하부 금형의 적어도 일측의 캐비티와 인접된 측에 형성되어 캐비티로 주입되는 수지를 가열하기 위한 가열부와, 상기 상, 하부금형의 적어도 일측에 설치되어 사출금형이 과열되는 것을 방지하기 위한 제 1냉각부와, 상기 가열부와 제 1냉각부의 사이에 설치되어 상기 캐비티에 의해 성형되는 수지 캐비티 주위를 냉각하기 위한 제 2냉각부를 구비한다.

Description

웰드레스 방식의 사출금형 장치{injection mold apparatus}
본 발명은 사출금형에 관한 것으로, 더 상세하게는 사출금형의 가열 및 냉각시 열차단부를 형성하여 사출금형의 냉각 및 가열시간을 단축할 수 있는 웰드레스 방식의 사출금형에 관한 것이다.
사출성형(injection molding)이란 고분자수지(polymer resin)에 열을 가하여 가소화 시킨 후 용융된 고분자수지를 유압을 이용하여 사출금형(mold)에 주입하여 성형하는 것으로, 크기가 다양한 규격제품을 대량생산 할 수 있다는 이점이 있다.
일반적인 고분자수지의 성형은 용융된 수지가 사출금형내부에서 만나면서 생기는 웰드라인(weld line) 때문에 외관이 아름답지 못하고, 그 표면의 광택성 또한 뛰어나지 못하다는 문제점이 있다.
이러한 점을 개선하기 위하여 사출금형 온도를 성형되는 고분자 수지의 용융온도 보다 높게 설정해주는 가열성형방법이 널리 사용되는데, 그 예로는 일본공개특허 소45-22020호(열풍에 의한 가열방법), 특허 공개 소51-22759호(전기히터에 의한 가열 방법과 수냉각법), 특허 공개 소 55-109639호(고주파유도가열방법), 특허 공개 소57-165229호(캐비티 내에 증기를 불어서 가열하는 방법), 특허공개 소 61-79614호(캐비티와 코어 사이에 열판을 끼우는 방법), 특허 공개 평4-265720호(전기전도층에 의한 금형 표면 가열 방법)등이 있다.
그러나, 이와 같이 금형을 고분자 수지의 용융 온도보다 높게 설정하여 고분자 수지를 성형 할 경우 웰드라인이 생기지 않고 광택성과 같이 외관품질 측면에서는 개선이 되지만 높은 금형온도로 인해 냉각 시간이 길어지게 되며 전체적인 성형 사이클이 길어지게 되어 생산효율이 떨어지게 된다. 특히 고분자 수지를 그 용융온도 이하로 냉각시켜 금형에서 분리하는 것이 아니기 때문에 수축에 의한 변형이 일반사출에 비해서 커지게 된다는 문제가 있다.
상기와 같이 초기에 사용되었던 금형 가열 방식들은 금형표면을 가열하는 가열속도(heating rate)가 낮아서 금형을 가열하는 데에 시간이 오래 걸린다. 따라서 전체적인 제품성형시간(cycle time)이 길어지면서 생산성이 떨어지고, 금형의 온도를 상당히 높은 온도로 할 경우에는 냉각 시간이 길어지는 문제가 있다.
이러한 점을 고려한 사출금형의 온도 자동컨트롤 시스템이 대한민국 등록특허 제 00811909호에는 사출금형 온도 자동 컨트롤 시스템이 개시되어 있으며, 등록특허 제 0167711호에는 금형 냉각시스템이 개시되어 있으며, 등록특허 제 0470835호에는 금형온도 제어시스템이 개시되어 있다. 그리고 등록특허 제 0701229호에 금형의 급속 가열 및 냉각이 100도시 내지 200도시/분의 범위 내에서 이루어지는 구조를 가진다.
그러나 이러한 구조는 사출금형의 냉각과 가열이 짧은시간 내에 이루어지지 않게 되어 상술한 바와 같은 문제점을 근본적으로 해결할 수 없으며, 특히 이러한 사출구조는 냉각과 가열을 위하여 많은 냉각라인과 열수공급라인이 형성되므로 금형의 구조가 상대적으로 약하여 반복되는 성형 작업 시 금형이 변형되는 문제점이 있다. 특히 종래의 사출금형은 가열 및 냉각을 위한 열용량을 줄이기 위하여 캐비티와 대응되는 사출금형의 하부에 인입부를 형성하여 열용량을 줄이고 있다. 그러나 이와 같이 금형의 하부에 인입부를 형성하는 경우 금형이 상대적으로 약하여져 외부의 충격 또는 반복되는 사출성형으로 크랙이 발생되는 문제점이 있다.
한편, 종래의 웰드레스 방식의 사출금형은 가열원에 의한 가열 시 열이 캐비티와 대응되는 영역 이외의 영역(캐비티와 반대되는 측)으로 확산되어 금형의 전체가 가열되게 되고, 제품의 사출시간이 길어짐에 따라 사출을 위한 금형에 열이 축적되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 감안하여 본 발명인은 웰드레스 금형을 개발하여 특허출원 제 2007-045726호로 출원하고, 제 2009-0104541호로 출원한 바 있으며, 이를 지속적으로 개발하여 후속 출원하기에 이르렀다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 사출금형의 냉각 및 가열에 따른 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 사출금형으로부터 열 또는 냉기가 금형 베이스 또는 고정 플레이트로 전달되는 것을 방지할 수 있는 사출금형과 이를 이용한 웰드레스 방식 사출금형 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 사출금형에 의해 제품의 성형 시 열이 축적되는 것을 방지할 수 있으며, 나아가서는 제품성형에 따른 사이클 타임을 줄일 수 있는 사출금형과 웰드레스 방식의 사출금형 장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 웰드레스 방식의 사출금형은 상부금형과, 상부 금형과 결합되어 제품의 사출성형을 위한 캐비티를 형성하는 하부금형을 구비하며,
상기 상, 하부 금형의 적어도 일측의 캐비티와 인접된 측에 형성되어 캐비티로 주입되는 수지를 가열하기 위한 가열부와,
상기 상, 하부금형의 적어도 일측에 설치되어 사출금형이 과열되는 것을 방지하기 위한 제 1냉각부와,
상기 가열부와 제 1냉각부의 사이에 설치되어 상기 캐비티에 의해 성형되는 수지 및 캐비티 주위를 냉각하기 위한 제 2냉각부를 구비하여 된 것을 그 특징으로 한다.
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이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 웨드레스 방식의 사출금형과 이를 이용한 사출 금형장치는 사출성형 시 사출금형의 캐비티 가장자리를 지속적으로 냉각시킬 수 있으므로 사출금형에 열이 축적되는 것을 방지할 수 있으며, 나아가서는 금형을 짧은 시간 내에 냉각 및 가열 할 수 있어, 제품의 성형에 따른 사이클 타임을 줄일 수 있다. 그리고 사출금형의 열용량을 줄이기 위하여 종래와 같이 금형의 하부로부터 캐비티 측으로 인입되는 공동부를 형성함으로써 사출금형의 강도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 웰드레스 방식 사출금형 장치를 도시한 도면,
도 2는 도 1에 도시된 사출금형장치의 일부절제 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 제 1냉각부를 나타내 보인 사출금형장치의 일부절제 사시도.
도 4a 내지 도 4d 및 도 5a 내지 도 5e는 사출성형 시 가열상태를 촬영한 사진.
본 발명에 따른 웰드레스 방식의 사출금형과 이를 이용한 장치를 도 1 및 도 2에 나타내 보였다.
도면을 참조하면, 웰드레스 방식의 사출금형 장치(10)는 하부고정판(31)에 지지되는 하부금형(30)과, 상기 하부금형(30)과 형합되어 사출을 위한 캐비티(12)를 형성하며 상부고정판(21)에 설치되는 상부금형(20)을 구비한다.
상기 하부금형(30)에는 도 2에 도시된 바와 같이 캐비티(12)와 인접되는 측에 설치되어 캐비티(12)의 주위와 캐비티로 주입되는 수지를 가열하기 위한 가열부(40)와, 반복되는 사출로 하부금형에 설치되어 하부금형이 과열되는 것을 방지하며, 하부금형 외부로의 열이 전달되는 것을 방지하기 위해 열차단부를 형성하는 제 1냉각부(50)와, 상기 가열부(40)와 제 1냉각부(50)의 사이에 설치되어 캐비티(12)의 주위와 사출이 완료된 성형품을 냉각시키기 위한 제 2냉각부(60)를 구비한다. 상기 가열부(40)와 제 1,2냉각부(50)(60)는 하부금형에 형성된 것으로 한정되었으나 이에 한정되지 않고, 상부금형(20)에도 동일하게 형성될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 웰드레스 방식의 사출금형과 이를 이용한 사출금형장치를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
상기 웰드레스 방식 사출금형의 하부금형(30)에 형성된 가열부(40)는 케비티(12)의 궤적을 따라 제 1유체통로(41)가 형성되고, 이 제 1유체통로(41)에는 스팀 또는 온수를 공급하기 위한 보일러(42)와 제1순환관(43)에 의해 연결된다. 그리고 제 1유체통로(41)의 출구는 보일러(42)와 제 2순환관(44)에 의해 연결되고, 상기 제2순환관(44)은 응축된 물을 저장하기 위한 응축수 탱크(45)가 설치될 수 있다.
그리고 상기 제 1순환관에는 제1유체통로(41)로의 스팀공급을 단속하기 위한 제 1컨트롤 밸브(46)가 설치된다.
상기 가열부(40)는 상술한 실시예에 의해 한정되지 않고, 캐비티(12)와 인접된 측에 설치되는 히터로 이루어질 수 있다. 이 경우 상기 히터의 주위에 별도의 제 1유체통로(41)가 형성될 수 있다.
그리고 캐비티의 형상이 상대적으로 복잡하여 가열부가 히터로 이루어진 경우, 상기 캐비티(12)와 인접되는 형상과 동일한 형상으로 저면(캐비티와 대응되는 면)을 가지는 코어홈이 형성되고, 이 코어홈에는 상기 저면의 형상과 동일한 상면을 가지는 코어 플레이트가 설치된다. 그리고 상기 코어 플레이트의 상면에는 상기 캐비티의 주위 및 사출 성형되는 수지를 가열하기 위한 가열히터가 설치되는데, 이 가열히터는 밴드히터를 사용함이 바람직하다. 상기 코어 플레이트의 상면 및 코어플레이트의 상면과 대응되는 코어홈의 저면은 대응되는 캐비티(12)의 형상을 따라 동일하게 형성하여 열전달효율을 향상시킴이 바람직하다. 상기 코어플레이트에는 후술하는 제 1냉각부(50)의 제 2유체통로가 형성된다.
상기 제 1냉각부(50)는 반복되는 사출성형으로 인하여 사출금형의 전체가 가열되는 것을 방지하고, 가열된 사출금형의 열이 이를 지지하는 고정플레이트 및 주변장비로 전달되어 열용량이 증가되는 것을 방지하기 위한 것을, 상하부 금형에 설치될 수 있다.
도 1 내지 도 3에는 제 1냉각부(50)가 하부금형에 형성된 실시예들을 나타내 보였다.
도면을 참조하면 하부금형(30)의 하면으로부터 캐비티(12) 측으로 소정간격 이격되는 제 2유체통로(51)들이 수직으로 형성되고, 이 제2유체통로(51)들은 연통공(52)들에 의해 상호 연결된다. 그리고 상기 제 2유체통로(51)는 하부금형(30)과 결합되는 차단플레이트(53)에 의해 밀폐되는데, 상기 차단플레이트(53)에는 수직으로 형성된 상기 제 2유체통로(51)에 삽입되는 구획판(54)들이 설치되어 상기 제 2유체통로(51)의 유체흐름 궤적을 길게함이 바람직하다. 여기에서 상기 구획판(54)의 길이는 상기 제 2유체통로(51)의 형성깊이 보다 짧게 형성된다.
한편, 상기 제 1냉각부(50)는 상기 제 2유체통로(51)에 냉각수를 지속적으로 공급하기 위한 냉각수 공급유닛(55)을 구비한다. 상기 냉각수 공급유닛(55)은 냉각수 또는 냉각오일로 이루어진 냉각매체(56)가 저장되는 냉각매체탱크(57)와, 상기 냉각매체탱크(57)와 제2유체통로(51)를 연결하며 제 1펌프(58)가 냉각매체 제 3순환관(59)을 구비한다. 상기 냉각매채탱크(57)는 손실된 냉각매체(56)를 보충하기 위한 보충수탱크(57a)와 연결된다. 그리고 상기 냉각매체탱크(57)에는 상기 냉각매체를 냉각시키기 위한 냉각 매체 냉각 시스템이 설치될 수 있다. 이 냉각매체를 냉각시키기 위한 시스템은 증발기와 응축기 및 압축기를 가지는 통상적인 냉동 사이클에 의해 구동되는 시스템으로 이루어질 수 있다.
상기 제 1냉각부의 제 1냉각수 공급유닛은 상술한 실시예에 의해 한정되지 않고 금형을 짧은 시간 내에 냉각시킬 수 있는 구조이면 어느 것이나 가능하다. 예컨대, 상기 제2유체통로에 질소를 공급하여 냉각시킬 수 있는데, 이를 위하여 질소탱크와, 질소를 단속하기 위한 밸브수단이 구비될 수 있다.
상기 제 2냉각부(60)는 가열부(40)와 제 1냉각부(50)의 사이에 설치되어 캐비티의 주위와 캐비티(12)에 주입되는 수지를 냉각시키기 위한 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 제 1유체통로(41)와 제 2유체통로(51)의 사이에 제 3유체통로(61)가 형성된다. 상기 제 3유체통로(61)는 제 1유체통로(41)들의 사이에 위치된다. 그리고 상기 제 3유체통로(61)에는 냉각 매체를 공급하는 제 2냉각매체 공급유닛(65)이 설치된다. 상기 제 2냉각매체 공급유닛(65)은 상기 제 1 냉각매체 공급유닛과 실질적으로 동일한 구조를 가진다. 즉, 상기 제 2냉각매체 공급유닛(65)은 냉각수 또는 냉각오일로 이루어진 냉각매체(66)가 저장되는 제 2냉각매체탱크(67)와, 상기 제 2냉각매체탱크(67)와 제3유체통로(61)를 연결하며 제 2펌프(68)가 냉각매체 순환관(69)을 구비한다. 상기 냉각매체탱크(67)에는 상기 냉각매체를 냉각시키기 위한 냉각 매체 냉각 시스템이 설치될 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이 제 2냉각유체 공급유닛은 제 1냉각유체 공급유닛(55)의 제 3순환관(59)으로부터 분리된 분기관(71)을 상기 제 3유체통로(61)에 연결하여 냉각시킬 수 있다. 이 경우 상기 분기관(71)에는 제 3유체통로(61)로의 냉매 공급을 단속하는 제 2컨트롤 밸브(72)를 더 구비한다. 상기 제 3유체 통로(61)와 분기관(71)은 스팀보일러의 제 1순환관과 퍼지관(73)에 의해 연결되어 가열부(40)에 의한 가열 시 제 3유체통로(61)의 냉각매체를 배출시킬 수 있다. 상기 제 2컨트롤 밸브는 상기 퍼지관(73)과 분기관(71)의 연결부위에 설치되는 쓰리웨이 밸브로 이루어져 스팀과 냉각수를 공급할 수 있도록 함이 바람직하다. 상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 웰드레스 사출금형장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.
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먼저, 상하부 금형(20)(30)의 온도를 상승시키려면 가열부(40)의 보일러(42)로부터 제 1순환관(43)을 통하여 제 1유체통로(41)에 스팀을 공급하거나 밴드히터(미도시)에 전원을 공급하여 밴드히터를 발열시킨다. 이때에 상기 밴드히터는 캐비티(12)의 형상을 따라 형성된 코어 플레이트의 상면에 형성되어 있으므로 사출금형의 캐비티(12)를 짧은 시간내에 가열할 수 있다.
이 상태에서 상기 상하부금형(20)(30)이 형합된 상태로 캐비티(12)에는 수지가 주입되어 제품을 성형하게 된다. 이 과정에서 상기 제 1냉각부(50)의 제 2유체통로(51)에는 지속적으로 냉각유체가 공급되어 하부금형(30) 또는 상부금형의 하부를 냉각시킨다. 이와같은 냉각은 사출 시 상부금형(20)과 하부금형(30)에 열이 축적되는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같이 성형이 완료되면, 상기 제 1유체통로(41)에 스팀의 공급 차단 또는 밴드히터에 전원공급되는 것이 차단되고, 제 3유체통로(61)에 냉각수가 공급되어 캐비티(12)의 주위와 성형된 수지를 냉각시킨다.
그리고 금형이 형분리되어 제품의 취출된 후, 후속사출을 위하여 형합된 후 사출금형, 즉 상부금형과 하부금형에 형성된 제 1유체통로에 스팀이 공급되어 금형을 가열하게된다. 이 과정에서 상기 제 2유체통로(51)에는 스팀 또는 별도의 공압수단에 의해 공기가 공급되어 제 2유체통로(51)에 채워진 냉각 매체를 배출하게 된다. 가열부에 의해 가열되는 과정에서 상기 제 2유체통로(51)에는 별도의 스팀이 공급될 수도 있다.
상기와 같이 성형이 이루어지는 과정에서 상부금형(20) 또는 하부금형(30)에는 열이 축적되는 것을 방지하기 위하여 제 1냉각부가 형성되어 있으므로 반복되는 사출로 금형에 열이 축적되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명인은 상부금형과 하부금형을 이용하여 사출성형 시 적외선 촬영장치를 이용하여 도 4a 내지 4d 및 도 5a 내지 도 5e에 도시된 바와 같이 가열상태를 촬영하였다. 사진에서 알 수 있는 바와 같이 캐비티의 주위에 열이 축척되고 상, 하부금형의 하부에 열이 축척되지 않는다는 것을 알 수 있었다. 즉, 캐비티 영역 하부로는 열이 전달되지 않아 전체적인 성형을 위한 열용량이 크지 않다는 것을 알 수 있었다.
이러한 열의 축적 방지는 사출 성형시 가열 및 냉각시간 특히 냉각시간을 단축시킬 수 있으므로 제품의 사출성형 시간(제품생산 사이클)이 짧아지게 되며, 생산성의 향상을 도모할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
본 발명의 사출금형장치는 상기한 바에 의하면 본 발명에 의한 급속열처리에 의한 고분자수지 제조방법, 고분자수지 금형온도 제어 장치를 성형에 한정하여 이를 설명하였으나, 본 발명에 의한 급속열처리 방법 및 금형온도 제어 장치는 성형법 외에도 트랜스퍼성형법, 압축성형법, 반응성형법, 블로(blow)성형법, 열성형법 등에도 사용가능하다. 또한, 성형법으로서는, 통상의 성형법이외에, 사출압축법, 국부가열-가압법, 가스프레스법, 가스어시스트법, 중공성형법, 샌드위치성형법, 2색성형법, 인몰드성형법, 푸쉬풀(push-pull)성형법, 고속성형법 등에 적용가능하다.

Claims (4)

  1. 상부금형(20)과, 상부 금형(20)과 결합되어 제품의 사출성형을 위한 캐비티(12)를 형성하는 하부금형(30)을 구비하며, 상기 상, 하부 금형(20)(30)의 적어도 일측의 캐비티(12)와 인접된 측에 형성되어 캐비티(12)로 주입되는 수지를 가열하기 위한 가열부(40)와,
    상기 상, 하부금형(20)(30)의 적어도 일측에 설치되어 사출금형이 과열되는 것을 방지하기 위한 제 1냉각부(50)와,
    상기 가열부(40)와 제 1냉각부(50)의 사이에 설치되어 상기 캐비티(12)에 의해 성형되는 수지 및 캐비티 주위를 냉각하기 위한 제 2냉각부(60)를 구비하며,
    상기 제 1냉각부(50)는 상기 하부금형(30)의 하면으로부터 캐비티 측으로 다수개의 제 2유체통로가 형성되며, 상기 제 2유체통로들은 연결통로(52)에 의해 상호 연결되고, 상기 하부금형(30)에는 제 2유체통로에 냉각수를 공급 및 배출하기 위한 유입구와 유출구가 형성된 것을 특징으로 하는 웰드레스 방식의 사출금형장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 가열부(40)는 하부금형(30)에 상기 캐비티(12)와 동일한 형상으로 저면을 가지는 코어홈이 형성되고, 이 코어홈에 상기 저면의 형상과 동일한 상면을 가지는 코어 플레이트가 삽입되며, 상기 코어 플레이트의 상면에는 상기 캐비티의 주위 및 사출 성형되는 수지를 가열하기 위한 가열히터가 설치된 것을 특징으로 하는 웰드레스 방식의 사출금형장치.
  4. 삭제
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