KR101196368B1

KR101196368B1 - 광택 조정

Info

Publication number: KR101196368B1
Application number: KR1020067011773A
Authority: KR
Inventors: 프랑크 뮴메
Original assignee: 오를리콘 트레이딩 아크티엔게젤샤프트, 트뤼프바흐
Priority date: 2003-12-17
Filing date: 2004-10-27
Publication date: 2012-11-01
Also published as: US8512621B2; KR20070003789A; US20050133962A1; JP4834556B2; EP1694484B1; WO2005061196A1; DE10359321A1; JP2007514569A; TW200534991A; ES2403707T3; EP1694484A1

Abstract

재료(1)와 접촉하게 되는 금형표면(4), 그 금형표면(4)에 제공되는 적어도 하나의 코팅(6), 그리고 금형표면(4)의 온도제어수단을 포함하는 금형(3)에서 이루어지는, 용융된 재료, 특히 플라스틱의 사출성형 방법에 있어서, 상기 용융된 재료가 코팅과의 경계면에서 응고되고 사출성형품이 금형으로부터 제거 가능하도록 상기 금형표면(4)은 상기 온도제어수단에 의하여 냉각된다. 이와 같은 공정 중에 용융된 재료는 금형표면(4) 위의 코팅(6)과 접촉하며, 상기 코팅(6)의 두께는, 사출성형품에 대하여 소정의 60°광택등급 및/또는 색좌표값이 얻어지는 코팅재의 열침투계수와 일치되도록 선택된다.

사출성형, 코팅, 광택

Description

광택 조정{GLOSS ADJUSTMENT}

본 발명은 용융된 재료의 사출성형 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 다른 주제는 생산되는 사출성형품의 표면광택의 조정을 가능케 하는 사출성형장치를 위한 코팅구조를 포함한다.

사출성형품의 생산과정 중에, 특히 플라스틱 사출성형품에서, 플라스틱의 표면성질 즉 외관특성과 사출성형품의 기능적 응용에 영향을 주는 다른 성질들 사이에는 그 목표에 있어서 종종 충돌이 있게 된다. 잘 알려진 예는 폴리프로필렌(PP) 플라스틱이다.; 흔히 있는 일이지만, PP로 만들어진 사출성형품의 표면마무리는 무광택, 즉 반사가 없는 표면이 요구되는 경우에 광학적으로 매우 유리하다. 그러나, 폴리프로필렌의 긁힘 저항성(scratch resistance)은 제한적이어서 당연히 그 응용 가능성을 감소시킨다. 더욱이 많은 응용분야에 있어서 긁힘 저항성이 높은 플라스틱을 사용하는 것은 중요하다. 이것의 전형적인 예는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 플라스틱이다. 하지만, 사출성형품의 성형과정을 통해 재현되는 표면 세부사항(surface-detail)의 정확성에 관한 한 그 부품은 좋지않은 표면성질 을 갖고 있다. 만약 ABS 플라스틱을 사용하면서 고광택이 아닌 무광택 느낌의 표면 또는 많은 광택점이 없는 표면을 얻고자 한다면, 입사되는 빛이 거울처럼 반사되지 않고 산란하여 확산되도록 플라스틱 표면의 거칠기를 만들어줄 필요가 있다.

사출성형품의 표면마무리를 결정하는 생산변수는 압력, 사출되는 재료의 온도 및 재료의 표면층이 응고되는데 소요되는 시간이다. 원칙적으로 재료는 용융성질 또는 적어도 가열에 의하여 유동적인 상태로 바뀔 수 있는 성질, 그리고 이어지는 냉각에 의하여, 재료의 파괴 없이, 다시 응고되는 성질을 보유한 재료이면 된다. 많은 재료는 이러한 성질을 갖고 있으며, 여기에는 열가소성 물질, 유리, 탄성중합체 그리고 만약 그것들이, 예를 들어 분자 간 교차결합(cross-linking)에 의하여, 성형과정에서 가열되고 다시 냉각될 때 형성되어 진다면, 어느 정도까지는 열경화성 플라스틱도 포함된다.

사출성형공정은 용융된 재료를 압력하에서 온도가 제어되는 즉 냉각된 성형장비 안으로 주입하는 단계, 사출성형품이 이형 가능할 만큼 그 재료를 충분히 냉각시키는 단계를 포함한다. 따라서 사출성형품의 표면 마무리에 영향을 주는 주요 제어가능 변수는 압력, 금형에 주입되는 용융된 재료의 온도, 그리고 능동냉각 방법에 의하여 제어되는 금형장치의 온도이다. 이 변수들 중에서 압력은 좁은 범위내에서만 제어 가능하다. 왜냐하면, 금형이 완전히 가득 차고 성형공정에 긴 시간이 걸리지 않는 것을 보장하려면 최소한의 압력이 필요하기 때문이다. 최대압력은 금형에 가해질 수 있는 최대 힘에 의하여 제한된다. 용융된 상태에서 재료의 온도는 재료의 성질에 의해 미리 결정된다. 재료들이 혼합된 경우, 충분하게 높지않은 온도는 분리, 부적절한 유동, 과도한 마찰을 일으킬 수 있다. 너무 높은 온도는 재료 자체의 파괴를 일으킬 수 있다.

종래의 기술에 의하면, 예를 들어 앞에서 언급한 바와 같이 빛이 산란하여 확산되기에 충분한 거칠기 정도를 나타내도록 금형의 표면을 가공하는 것이 지금까지 가능하였다. 이러한 효과는 예를 들어 스파크침식(spark-eroded) 또는 광식각(photo-etched)을 통하여 얻을 수 있다. 그러나, 이러한 매우 고운 표면 결을 사출성형품에 옮기는 노력에 있어서, 고운 결이 모든 부분에 균일하게 재현되지 않고 고광택의 점들이 형성되기 때문에, 광택등급의 차이를 가져온다. 이것의 주된 이유는 성형재료가 금형의 미세한 표면 결로 침투되기 전에 생기는 성형재료의 때 이른 냉각이다. 만약 불균일한 냉각이, 어떤 지역에서는 표면 세부사항의 재현이 단지 방해되도록 하거나, 사출성형품이 어떤 부분에서는 보다 더 빨리 줄어들게 되도록 한다면, 광택에서의 이런 차이들은 또한 단지 지엽적인 일이 될 수 있다.

광택, 색상, 명도는 특히 플라스틱으로 만든 작품의 광학적 특성을 결정하는 중요한 요소이다. 광택은 주로 다음과 같은 카테고리로 분류된다; 고광택(high-gloss), 일반광택(glossy), 반광택(semi-gloss)/실키(silky), 반무광택(semi-matte)/새틴무광택(satin-matte), 무광택(matte), 완전무광택(dull matte); 각각의 카테고리는 광택계를 이용하여 다른 측정각도를 선택하여 측정한다. 독일 표준인 디아이엔(DIN) 55945(코팅재료의 용어와 정의)에 따르면, 광택은 코팅 표면에서 반사되는 빛에 의하여 유발되는, 그리고 인간의 눈에 의해 인지되는 감각이다. 매끄럽고 무광택인 표면의 경우, 입사되는 빛은 산란되어 모든 방향으로 균일하게 반사된다. 대조적으로 매끄럽고 고광택인 표면은 어떠한 산란도 없이, 눈에 보이는 빛을 한 방향으로 반사하여, 입사각과 반사각이 항상 같다. 광택측정이 다른 광택등급에서 전달되는 시각적 인상을 잘 비교하도록 하기 위해서는, 광택계를 사용할 때 눈에 보이는 빛의 입사각을 바꿔줄 필요가 있다. 일반광택과 무광택 사이의 전이구역에서는 측정이 60°에서 이루어진다. 그러나, 위에서 설명한 바와 같이, 특별히 사출성형 플라스틱 제품의 경우에, 무광택 표면을 선호하는 많은 응용분야가 있다.

실제로, 색좌표값 L은 일반적으로, 쥬드와 헌터에 의하여 개발되고, 1976년에 표준화된(DIN 6174, CIE LAB 1976) L^*, A^*, a^*, b^* 시스템에 의하여 측정된다. L^* 값은 휘도, 즉 명도(0 내지 100)를 나타내고, 2개의 칼라 채널인 a^* 와 b^*는 초록에서 빨강, 그리고 파랑에서 노랑 사이의 값을 각각 나타낸다.(각각의 경우에 -128 에서 128 까지의 값)

설명한 바와 같이, 표면과 관련된 요소인 광택등급과 색좌표값 L^*은, 특별히 플라스틱으로 만든 제품의 경우에 중요한 것으로, 적절한 장비에 의하여 측정가능하다. 이렇게 얻어진 값은 인간의 눈의 주관적 감각으로부터 자유로우며, 따라서 객관적인 기준에서 서로를 비교할 수 있다.

만약 다른 필요조건들 때문에 플라스틱이 언제나 위에서 서술된 대로 반응하기 쉬움이 틀림없다면, 상대적으로 비싸고 시간이 소요되는 부수적 마무리가 -예를 들어 어떤 플라스틱 제품에 대한 페인트처리- 필연적으로 필요하다. 하지만, 만약에 플라스틱 표면이 금형 표면의 가장 미세한 세부사항을 포함하여 정확하게 재현된다면, 균일한 무광택 표면을 얻을 수 있다.

보다 고온의 금형 온도를 선택하여 금형 표면을 보다 정확하게 재현하는 방법은 보다 긴 냉각시간이 필요하고 따라서 성형주기가 늘어나는 단점이 있다. 게다가, 플라스틱의 풀어지는 능력이 증가되기 때문에 싱크마크(sink-mark) 형성이 더욱 많이 판명된다.

단단한 금속, 특별히 금속질화물 또는 금속탄화물 화합물로 이루어진 얇은 코팅을 갖는 플라스틱용 사출금형의 표면을 제공하는 것도 역시 종래의 기술이다. 그 때문에, 플라스틱의 들러붙는 성질과 그에 따른 이형에 필요한 힘의 양은 감소한다. 기계적 마모에 대한 뛰어난 저항성 때문에, 금형 표면의 마모를 감소시키기 위하여 이러한 코팅들이 제공된다. 하지만, 사출성형의 치수 정확도를 손상시키지 않기 위해서 또는 코팅에 의한 나중의 치수 변화에 대비하여, 사출성형 생산 도중,초기에 공차를 두어야 하는 것을 피하기 위해서, 이러한 코팅이 가능한 얇게 적용되는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명의 목적은 미세한 결을 가진 표면, 특히 소정의 거칠기 정도를 가진 표면을 생산되는 사출성형품에 정확히 전달하고, 때문에 사출성형품의 표면 성질에 영향을 주는 것이 가능하도록 하는 사출성형 방법 및 사출성형 장치를 제공하는 것이다.

이런 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 방법과 청구항 12의 특징을 갖는 장치에 의하여 이루어진다.

놀랍게도, 코팅 재료의 열침투계수(heat penetration coefficient)와 코팅두께를 적절하게 조정하여, 특별히 플라스틱 사출성형 제품의 경우, 원하는 광택등급 및/또는 색좌표값을 얻을 수 있다는 것이 발견되었으며, 그리고 표면 세부사항 재현의 적절한 정밀도를 얻는 것도 가능하다; 본 발명에 따르면, 코팅 재료의 열침투계수와 코팅두께를 조정하여,소정의 60°광택 등급 및/또는 색좌표값 L^* 을 얻을 수 있다.

본 발명은, 고치는 것이 불가능한 것은 아닐지라도, 한편 고치기 어려운 광택차이를 방지하는 것을 가능케 한다. 본 발명의 수단 덕분에, 금형의 표면 세부사항이 플라스틱에 전달되는 정밀도가 최적화된 결과로서, 용융된 플라스틱의 "냉각" 효과가 연기된다. 용융된 플라스틱이 성형장비에 사출될 때, 벽은 그것에 대하여 온도 변화가 거의 없다. 하지만, 용융된 플라스틱의 주변층이 갑작스럽게 그리고 임의로 100 K 보다 많이 냉각되는 것은 일반적이다. 그 결과, 용융된 플라스틱은 금형의 내부 표면에서 갑작스럽게 냉각 즉 응고된다. 따라서, 그런 까닭으로 원칙적으로 유입되는 용융된 플라스틱은 금형 벽에 대해서 또는 구조적인 세부사항에 대해서, 균일하게 성형 될 수는 없다. 본 발명에서 제공되는 수단에 의하여, 우선 접촉온도가 증가하고, 따라서 성형장치에서 플라스틱 주변 층의 냉각이 연기된다. 그 결과, 용융된 플라스틱은 벽에 대하여 정확하게 성형될 수 있고, 최종 제품은 매우 정확하게 재현된다. 따라서 플라스틱 부품 표면은 금형 벽면과 거의 동일한 거칠기 정도 또는 표면 세부사항을 갖는데 이것은 무광효과가 최대화됨을 의미한다. 그것에 따른 결과는 뛰어난 광택등급 특성과 색좌표값 L^* 이다.

본 발명의 매우 놀라운 결과는, 지금까지 사용해온 매우 얇은 코팅 대신에 낮은 열침투계수를 갖는 물질로 이루어진 어느 정도 두꺼운 코팅을 사용하였기 때문에, 금형의 표면 세부사항이 보다 정확하게 재현된다는 것이다. 침투깊이는 열확산길이로서 열침투계수로부터 얻어질 수 있으며, 조정된 온도의 측정과 ,시험시편 표면에 대한 변조된 주파수 f에 의하여 특정 지어지는 열량(=열 파동)의 주기적 전달에 의하여 결정된다. 코팅재료의 단열특성이 좋으면 좋을수록, 재료의 열침투계수는 낮아진다. 하지만, 금형은 새로운 용융된 재료가 주입될 때마다 번갈아서 가열, (냉각시스템에 의하여)냉각되므로, 평균침투깊이에 관한 한 이것이 무엇보다 중요하다. 만약 알려진 응용분야에서 사용된 코팅의 두께보다 두꺼운, 최적화된 코팅 두께가 선택된다면, 표면온도는 증가하여 용융된 재료의 온도에 더욱 근접하게 가까워질 수 있다. 그 결과, 사출성형 되는 순간에 그 압력과 온도가 변하지 않은 성형재료의 최외곽층은 코팅 표면에 닿는 즉시 응고되지 않고, 금형 표면 세부사항에 깊이 침투할 수 있어서, 따라서 거칠기를 더욱 잘 재현하게 된다.

코팅은 티타늄 나이트라이드(TiN), 티타늄 카본 나이트라이드(TiCN), 크롬 나이트라이드(CrN), 텅스텐 카바이드/카본(WC/C), 또는 티타늄 알루미늄 나이트라이드(TiAlN)로 유리하게 이루어지는 것이 가능하다. 코팅은 또한 서로 중첩된 이 재료들 또는 그것들이 조합된 몇 개의 얇고 교차하는 층으로부터 이루어질 수 있으며, 따라서, 가장 위쪽 코팅에 대해 원하는 알맞은 온도를 얻기에 충분할 정도로, 금형재료와 금형냉각수단에 전달되는 전체 열이 조정될 수 있다. 또한, Al₂O₃, (AlCr)₂O₃, 그리고 SiO₂와 같이 우수한 단열성을 제공하는 층을 사용하는 것도, 만약 그것들이 우수한 방출성을 갖는다면, 이론적으로는 가능하다.

예를 들어 강화된 마모저항성과 이형이 용이하게 되는 방출성의 개선과 같은, 위에서 언급한 재료들의 다른 성질들도 또한 유리하게 사용될 수 있다.

예를 들어, 만약 누군가, PP로 만든 사출성형품과 광택등급 및 색좌표값이 동일한, ABS로 만든 사출성형품을 생산하기를 원한다면, PP금형 또는 적어도 표면의 미세구조에서 그것과 동일한 다른 금형에 일정두께의 코팅을, 만약 이 코팅이 금형재료보다 현저하게 낮은 열침투계수를 갖는다면, 입히는 것으로 충분하다.

특별히 티타늄 알루미늄 나이트라이드(TiAlN)가 사용될 때, 7 ㎛ 내지 11 ㎛ 의 코팅두께, 특히 8㎛ +/- 1 ㎛ 가 적당한 것으로 입증된다. 또한 용융된 재료로서 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌을 사용하는 것도 이점이 있다.

금형표면이 적절하게 형성된다면, 특별히 티타늄 알루미늄 나이트라이드 코팅과 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)의 조합은 무광택 표면의 효과를 줄 수 있다. ABS 플라스틱은 일반적으로 광택의 점을 형성하는 경향이 있으며, 따라서 부수적인 도장이 필요하다. 이러한 경향은 부분적으로는 PP에 비하여 낮은 공정온도(T_(ABS) = 180 ~ 260 ℃ , T_(PP)= 200 ~ 270 ℃ )에 기인한 것이고, 그밖에 높은 점도와도 관련이 있다. 도 6에 도시된 그래프에서, 사출성형에 해당하는 값인 10³ 내지 10⁴ 범위의 전단율γ(x-축)에 대한 ABS 와 PP의 점도 η가 표시되어 있다. 이런 시험을 통하여 PP에 대해서는 230 ℃ , ABS에 대해서는 250 ℃의 공정온도(유동성이 좋은)가 사용되었다. 그 결과, 본 발명을 통하여 상당히 많은 2차 마무리 비용이 절약될 수 있다. 동시에 ABS 플라스틱의 다른 유용한 성질로부터 이득을 얻는 것이 가능하다. 원하는 무광택 표면외관을 사출성형품에 전달하여 응고된 플라스틱에 의해 정확히 재현될 때, 이렇게 특별히 거칠기 정도를 나타내므로, 금형 표면에 무늬를 넣는 것은 부가적인 이점이다. 자동차 계기반 덮개, 건축 분야에 또는 매일 사용되는 플라스틱 제품 생산에 사용되는 금형 표면의 대표적인 Ra 값의 범위는 3 내지 11㎛ 이다. 평균적인 표면 거칠기 Ra를 측정하기 위하여, 평균선 위의 "피크들(peaks)"과 평균선 아래의 "밸리들(valleys)"의 평균값이 샘플구간에 걸쳐서 측정된다.

특히 용융된 ABS가 두께 8 ㎛ +/- 1 ㎛인 티타늄 알루미늄 나이트라이드와 공동으로 사용될 때, 사출성형품은 무광택 효과와 폴리프로필렌(PP)의 그것과 주로 비교가능한 표면 마무리를 얻을 수 있다. 접착층이 사출성형 장치의 금형표면과 코팅 사이에 제공되는 것이 가능하다. 예를 들어 이 접착층은 티타늄, 티타늄 알루미늄, 크롬, 또는 티타늄 나이트라이드로 이루어질 수 있다. 특별히 철 표면에 대하여 믿을만한 잡착력이 그것에 의하여 보증된다.

도 1은 용융된 ABS가 금형으로 사출되는 시점의 사출성형장치의 실시예를 도시한 개략도이다.

도 2는 도 1에 도시된 장치의 금형표면의 Ⅱ 부분의 확대도이다.

도 3은 4종류의 코팅재료와 철의 열침투계수를 비교하여 도시한 그래프이다.

도 4는 금형과 플라스틱의 경계에서의 온도변화를 도시한 그래프이다.

도 5는 코팅된 장치를 이용한 ABS 시편과 코팅되지 않은 장치를 이용한 PP 시편, 2개의 비교 시편에 따라서, PP 와 ABS 플라스틱의 표면 특성을 나타내는 변수들을 비교한 그래프이다.

도 6은 사출성형에 해당하는 범위에서 전단율에 대하여 ABS와 PP의 점도가 도시된 그래프이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1: 용융된 ABS 플라스틱 2: 주입구

3: 금형 4: 금형표면

5: 경계층 6: TiAlN 코팅

7: 접촉 표면

이하, 본 발명은 실시예와 도면에 의하여 상세하게 서술된다.

도 1은 ABS 플라스틱(1)의 경우에 있어서, 용융된 재료의 사출성형을 위한 본 발명에 대한 장치의 첫 번째 실시예를 매우 개략적으로 나타내고 있다. 용융된 재료는 주입구(2)를 통하여 금형(3)에 주입된다. 금형(3)은 단단한 재료로 코팅된 금형표면(4)을 갖는다.

도 2는 도 1의 Ⅱ부분의 확대도이다; 이것은 플라스틱(1)에 의하여 금형표면(4)이 처음으로 젖게 되는 부위를 나타낸다. 이것이 일어나면서, 플라스틱(1)의 경계층(5)이 형성되고 즉시 응고된다. 이 경계층에서, 플라스틱의 온도는 용융점 아래로 떨어져서 플라스틱이 고체상태로 변한다. 금형 표면(4)에는 코팅(6)이 제공되는데, 실시예에서는 티타늄 알루미늄 나이트라이드로 이루어졌다. 화살표는 금형을 채우는 플라스틱(1)의 유동방향을 나타낸다. 티타늄 알루미늄 나이트라이드 코팅(6)의 적절한 선택을 통하여, 코팅으로의 낮은 열 침투 때문에, 플라스틱(1)이 냉각되는 동안의 티타늄 알루미늄 나이트라이드 코팅(6)과 금형(3)을 통하여, TiAlN 코팅이 없는 금형표면(4)에서 이루어지는 접촉온도보다 높은 TiAlN 코팅(6)과 플라스틱(1)의 경계층(5)의 접촉표면(7)에서의 접촉온도를 얻게 되는 온도변화를 조정하는 것이 가능하다. 하지만, 이 접촉온도는 플라스틱(1)의 용융온도보다 낮다. 그 결과 TiAlN코팅(6)의 접촉표면(7)의 거칠기까지 응고되어 성형되고, 금형 표면(4)의 거칠기를 재현하는 동안, 플라스틱(1)이 보다 긴 시간을 갖게 된다.

도 3은 4개의 다른 코팅 재료의 열침투계수를 강철과 비교한 것을 보여주는 그래프이다. 실선으로 표시된 중간선은 TiAlN 코팅을 나타낸다. 본 실시예에서는 강철1.2.343인 금형재료와 비교된 열침투계수는 y축으로 표시된다. 히트 펄스 주파수의 역제곱근은 x축으로 표시된다. 점선은 텅스텐 카바이드/카본 코팅을, 실선은 이미 말한 바와 같이, 본 발명의 실시예인 티타늄 알루미늄 나이트라이드 코팅을, 파선은 크롬 나이트라이드 코팅을 나타낸다. 여기서 주파수가 감소함에 따라 x 축 값, 열침투계수가 강철의 것에 접근하는 것, 즉 코팅재료의 열침투계수와 강철의 열침투계수의 비율이 1에 접근함을 보여주고 있다. 하지만, 그 영향기간이 매우 짧다면, 코팅된 표면에 의하여 열손실이 저지되므로, 코팅의 단열효과는 매우 두드러진다. 그 결과, 도1의 경계층이 형성될 때의 초기 짧은 접촉 동안에, 적절하게 조정된 코팅 두께는 티타늄 알루미늄 나이트라이드 층(6)에 의한 두드러진 단열효과에 영향을 준다. 이 단열효과는 플라스틱(1)의 응고를 늦추고, 따라서 금형에 대한 경계층으로 하여금 금형 표면(4)의 거칠기를 재현하는 것이 가능하도록 한다. 예를 들어, 도 3에서 0.002 이나 250 kHz의 x축 값을 위해서, 강철의 기준값 1 과 비교하여 TiAlN은 0.38, WC/C은 0.2, CrN은 0.6의 값이 읽어진다.

TiN/TiCN 0.42 ; 적어도 0.6 보다 작아야 되며, 바람직하게는 0.45보다 작아야함.

도 4는 벽의 온도 θw와 용융된 성형 복합물의 온도 θs사이에서 접촉온도 θk의 온도편차와 결정을 나타내는 기본적인 도표이다. y값은 온도를, x값은 벽에서의, 또는 양의 방향의, 용융된 플라스틱에서의, 측정위치를 나타낸다. 장치 벽의 온도는 용융된 플라스틱이 그것과 접촉할 때, 많은 양의 열이 냉각시스템에 의하여 빼앗기기 때문에 상대적으로 조금 변한다. 가장자리를 향한 온도차이는 대체로 15 K 보다 작다. 하지만, 용융된 플라스틱의 외곽층은 자연적으로 100 K보다 많이 냉각된다. 가장 중요한 변수, 즉 접촉온도 θk는 경계면에서 거칠기가 재현되는 정도를 결정한다. 그것은 열침투계수 e에 의하여 영향을 받는다. 이것은 재료의 열 전도율 ρ, 밀도 λ, 비열용량 c로부터 재료별로 계산될 수 있다. 계산은 다음의 식을 이용하여 이루어진다.

벽과 용융된 플라스틱의 열침투계수와 벽과 용융된 플라스틱의 온도로부터 접촉온도 θk는 다음과 같이 계산될 수 있다.

상기 식에서 e_w는 벽 재료의 열침투 깊이이고, θw는 벽재료의 온도, e_s는 용융된 플라스틱의 열침투 깊이, θs는 용융된 플라스틱의 온도이다. 위에서 언급한 바와 같이, 코팅두께를 통하여 조정될 수 있는, 적절한 접촉온도 θk의 정의를 통하여, 플라스틱 주변층의 응고가 지연될 수 있으며, 그 결과 코팅의 표면 또는 금형 표면이 보다 정확하게 재현될 수 있다. 용융된 플라스틱은 미세한 표면 세부사항까지 성형되는데 많은 시간이 걸린다. 서로에 대하여 약간 다르게만 이루어진 코팅된 금형 표면의 거칠기 Ra와 플라스틱 표면의 거칠기 Ra, 그리고 광택등급과 색좌표값 같은 요구되어지는 특성치들은 플라스틱에 인가 되어진다.

하지만, 코팅은 모두 상대적으로 얇기 때문에, 각각의 개별 성형품을 생산하는데 필요한 시간의 현저한 증가 없이도 개선된 성형 특성들을 얻을 수 있다. 코팅이 얇기 때문에 열 흐름은 모두 단지 대수롭지 않게 방해된다. 오직 처음 순간에만 잠시 지연된다. 따라서 성형품의 전체 응고시간은 코팅이 없는 경우와 같은 차수이다.

도 5는 플라스틱 폴리프로필렌(PP)와 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 플라스틱(ABS)의 다양한 변수를 비교한 것을 보여주는데, 여기서 후자는 본 실시예에 따른 장치를 이용하여 사출성형된 것이다. 폴리프로필렌(PP)의 사출성형 시편(MPL)의 참조값들은 파선으로 연결되어 있으며, ABS의 MPL에 해당하는 값들은 실선으로 되어있다. MPL들에 대해 측정된, 다음의 특성들이 그래프로 표시되어있다: 광택등급(60°각도로 측정),밝고/어두운 비율에 의하여 결정되는 색좌표값, 산술평 균에 의하여 결정되는 거칠기 수 Ra, 그리고 다수의 각각 샘플링 길이의 최고점에서 골까지 높이들의 산술평균 Rz. 금형 E의 거칠기 Ra와 Rz 도 그래프로 표시되어있다. 비교를 위해서 PP는 코팅되지 않은 금형에 주입되고 ABS는 코팅된 금형에 주입되었다. 플라스틱에 무광택 외관을 제공하기 좋은 거칠기 값 Ra는 3 ㎛ 내지 11 ㎛ 이다. 특별히 거칠기 값 Ra 3.3이, 예를 들어 바람직한 종류의 계기반 덮개처럼, 이상적인 무광택 표면을 얻기에 좋은 것으로 입증되었다. 실시예가 보여준 것처럼, 뛰어난 값은 또한 지시되는 범위로서 얻어진다. Ra= 9 ㎛인 예를 보라. 비교값은 ABS 플라스틱 시편과 PP 플라스틱 시편의 광택등급, 색좌표값, 거칠기수 Rz에서 일치하는 것이, 코팅두께가 7 내지 12 ㎛일 때 매우 좋고, TiAlN 코팅두께가 8 ㎛ ± 1 ㎛일 때 최적임을 보여준다. 도 5는 코팅두께가 약 8 ㎛인 경우의 값을 보여준다. 거칠기수 Ra MPL에서 5 %보다 작은 미세한 편차를 제외하고, ABS 시편의 외관과 표면의 광택등급을 결정하는 변수들은 PP시편의 것과 거의 일치한다.

본 발명에서 서술된 실시예에 대한 광범위한 시험이 이루어졌으며, 여기서 ABS 플라스틱이 강철표면을 갖는 금형에 사출성형 되었다. 이들 시험을 위하여, ABS 플라스틱과 PP 플라스틱 양쪽을 위한 시편이 사출성형되어 서로 비교되었다. 다음의 변수들이 측정되었다; 60°광택등급, 색좌표값 L^*, 금형표면 거칠기 Ra E, 시편표면 거칠기 Ra MPL, 금형표면 거칠기 Rz E, 시편표면 거칠기 Rz MPL. 사용된 사출금형은 강철호칭 스티펠 1 비비(Stippel 1 BB)로 만들어진 강철금형이다. 그 결과는 4개의 표에 부록으로 첨부되어있는데,

표 1은 미세한 표면 결을 가진 금형에서 만들어진 ABS 플라스틱의 값을 보여주고,

표 2는 미세한 표면 결을 가진 금형에서 만들어진 PP 플라스틱의 값을 보여주고,

표 3은 거친 표면 결을 가진 금형에서 만들어진 ABS 플라스틱의 값을 보여주고,

표 4는 거친 표면 결을 가진 금형에서 만들어진 PP 플라스틱의 값을 보여준다.

표 1은 미세한 표면 결(금형표면의 거칠기 Ra E= 3.33 ㎛)을 갖춘 금형에서 생산된 ABS 플라스틱에서 얻은 값을 포함한다. 1행에서 3행까지 TiAlN 코팅된 금형을 이용하여 생산한 MPL에서 측정된 값이, 코팅 두께 4 ㎛, 8 ㎛ 그리고 12 ㎛에 대하여 금형 자체의 값을 따라 표시되어 있다. 4열에서 6열은 금형들에서 생산된 MPL의 적절한 기준값, 그리고 금형들이 코팅되기 전의 금형 자체의 기준값을 포함한다. 4열에서 6열에 포함된 값들의 차이는 사용된 3개의 금형에 대한 값의 흩뜨러짐에 기인한다. 대체로, 금형표면의 코팅은 단지 코팅되지 않은 금형에 비하여 거칠기에 있어서 약간의 증가나 감소를 일으킨다. 예를 들어, 코팅 안 된 금형에서의 Ra E 값이 3.33인 것과 비교하여, 8 ㎛ 코팅된 금형의 Ra E 값은 3.45이다.

거칠기 Ra E가 3.45인 8 ㎛ 코팅이 마련된 금형에서 생산된 ABS 시편이 보여준 표면 세부사항의 재현 상태는 매우 좋다; ABS-MPL의 표면은 3.40 ㎛의 거칠기 Ra MPL을 갖는다. 표면 세부사항 재현에서의 오차는 단지 약 1.45 % 이다. ABS-MPL은 2.7의 60°광택등급과 25.43의 색좌표값 L^*을 갖는다.

비교할 목적으로, 표 2는 표면 거칠기 Ra가 3.33 ㎛인 PP 플라스틱의 값들을 포함한다. 5번째 열은 PP-MPL에서 광택등급은 2.5이고, 색좌표값 L^*은 24.64임을 보여준다. 본 발명에 의해 생산된 ABS-MPL과 비교를 위하여 코팅되지 않은 금형에서 생산된 PP-MPL은 광학적 특성을 결정하는 값들에 관하여 거의 일치함을 보여준다. ABS-MPL의 광택등급과 색좌표값의 광학적 특성은, ABS-MPL을 위한 금형의 거칠기, 코팅두께, 코팅재료를 선택함으로써, 코팅하지 않은 금형으로 생산한 PP-MPL의 특성에 맞출 수 있다.

특히 8±1 ㎛의 두께를 갖는 코팅의 경우, 금형표면과 그 금형에 의해 생산된 시편의 표면의 거칠기 차이는 언제나 5 % 이내 범위에 든다. 다른 코팅두께의 경우, 10 % 이내로 차이를 유지하는 것이 통상적으로 가능하다.

표 3은 약 9 ㎛의 거친 표면 거칠기를 갖는 금형에 의해 ABS-MPL이 생산된 경우에 얻어지는 값을 포함한다. 처음 3개의 열은 이미 앞에서 설명한 값들을 코팅두께 4 ㎛, 8 ㎛, 12 ㎛인 TiAlN에 대하여 보여준다. 4열에서 6열은 코팅이 적용되기 전 금형의, 즉, 아직 코팅되지 않은 금형의 적절한 기준값을 포함한다. 예를 들어 표 3에서, 5번째 열의 9 ㎛의 금형 표면 거칠기 Ra E 는 TiAlN 코팅 8 ㎛를 적용함으로써 단지 8.79까지 약간 변경되고, 이 거칠기는 ABS-MPL에 의하여 매우 정확하게(Ra MPL= 8.64 ㎛) 재현됨을 보여준다.

비교를 위하여, 표 4는 다시 거친 금형표면 거칠기 9 ㎛인 경우의 PP 플라스틱에서 똑같이 측정된 변수를 포함한다. 예를 들어, 코팅 두께 8 ㎛에서 광택등급의 비교는 코팅 안 한 금형에서 생산된 PP MPL의 값이 1.6인데 비하여 ABS의 경우 1.7임을 보여준다. 같은 비교 하지만 코팅두께가 12 ㎛인 경우에 있어서, PP의 경우 1.6, ABS는 1.7의 값을 보여준다.

ABS( Cyrolac 6320FB) Ra = 3.3 ㎛
데이터열	1	2	3	4	5	6
코팅	TiAlN	TiAlN	TiAlN	코팅안함	코팅안함	코팅안함
적용된 또는 적용할 코팅두께	4	8	12	4	8	12
60°광택등급	3.50	2.70	3.20	3.90	3.40	4.00
색좌표값 L*	24.88	25.43	25.57	25.35	25.73	26.06

거칠기 sRa E	3.62	3.45	3.60	3.66	3.33	3.45
거칠기 sRa MPL	3.39	3.40	3.48	3.17	3.54	3.29
델타 b(sRa E, MPL)	-6.35%	-1.45%	-3.33%	-13.39%	6.31%	-4.64%

거칠기 sRz E	28.26	26.93	28.64	30.27	30.35	28.41
거칠기 sRz MPL	24.24	25.72	25.63	28.02	28.98	26.19
델타 s(sRz E, MPL)	-14.23%	-4.49%	-10.51%	-7.43%	-4.51%	-7.81%

델타 대 코팅안한 금형에 사출된 PP
60°광택등급	-29.63%	-8.00%	-18.52%
색좌표값 L*	-0.04%	-3.21%	-2.61%

PP( Hostacom P873F) Ra = 3.3 ㎛
데이터열	1	2	3	4	5	6
코팅	TiAlN	TiAlN	TiAlN	코팅안함	코팅안함	코팅안함
적용된 또는 적용할 코팅두께	4	8	12	4	8	12
60°광택등급	2.4	2.3	2.4	2.7	2.5	2.7
색좌표값 L*	24.74	24.86	25.07	24.87	24.64	24.92

거칠기 sRa E	3.62	3.45	3.6	3.66	3.33	3.45
거칠기 sRa MPL	3.37	3.31	3.55	3.18	3.59	3.32
델타 b(sRa E, MPL)	-6.91%	-4.06%	-1.39%	-13.11%	7.81%	-3.77%

거칠기 sRz E	28.26	26.93	28.64	30.27	30.35	28.41
거칠기 sRz MPL	26.34	26.47	27.16	25.44	28.07	28.63
델타 s(sRz E, MPL)	-6.79%	-1.71%	-5.17%	-15.96%	-7.51%	0.77%

ABS( Cyrolac 6320FB) Ra = 9 ㎛
데이터열	1	2	3	4	5	6
코팅	TiAlN	TiAlN	TiAlN	코팅안함	코팅안함	코팅안함
적용된 또는 적용할 코팅두께	4	8	12	4	8	12
60°광택등급	1.7	1.7	1.7	2	2.2	1.9
색좌표값 L*	25.1	24.95	25.02	25.62	25.69	25.67

거칠기 sRa E	10.82	8.79	10.99	9.82	9	10.21
거칠기 sRa MPL	11.92	8.64	10.65	10.54	8.67	11.48
델타 b(sRa E, MPL)	10.17	-1.71%	-3.09%	-7.33%	-3.67%	12.44%

거칠기 sRz E	76.43	66.41	121.24	76.67	75.53	166.03
거칠기 sRz MPL	94.67	68.6	77.57	73.69	71.38	189.05
델타 s(sRz E, MPL)	-14.23%	-4.49%	-10.51%	-3.89%	-5.49%	-13.86%

델타 대 코팅안한 금형에 사출된 PP
60°광택등급	-13.33%	-6.25%	-6.25%
색좌표값 L*	-3.00%	-2.80%	-2.25%
델타 s(sRz E, MPL)	23.86%	3.30%	-36.02%	-3.89%	-5.49%	-13.86%

델타 대 코팅안한 금형에 사출된 PP
60°광택등급	-13.33%	-6.25%	-6.25%
색좌표값 L*	-3.00%	-2.80%	-2.25%

PP( Hostacom P873F) Ra = 9 ㎛
데이터열	1	2	3	4	5	6
코팅	TiAlN	TiAlN	TiAlN	코팅안함	코팅안함	코팅안함
적용된 또는 적용할 코팅두께	4	8	12	4	8	12
60°광택등급	1.4	1.5	1.5	1.5	1.6	1.6
색좌표값 L*	24.35	24.39	24.40	24.37	24.27	24.47

거칠기 sRa E	10.82	8.79	10.99	9.82	9	10.21
거칠기 sRa MPL	17.92	8.74	10.56	10.54	8.79	11.29
델타 b(sRa E, MPL)	-10.17%	-0.57%	-3.91%	7.33%	-2.33%	10.58%

거칠기 sRz E	76.43	66.41	121.24	76.67	75.53	166.03
거칠기 sRz MPL	78	66.34	76.34	76.05	77.93	88.56
델타 s(sRz E, MPL)	2.05%	-0.11%	-37.03%	-0.81%	3.18%	-46.66%

본 발명의 방법은 금형표면의 거칠기와 미세한 표면 세부사항의 보다 정확한 재현을 가능하게 하고, 이리하여 어떤 용융된 성형재료를 생산된 제품의 표면 마무리에 손상 없이 다른 것으로 대체 하는 것을 가능하게 한다. 그 결과, 예를 들어 도장처리와 같은, 표면 결함의 부수적 처리는 불필요하게 되었고, 비용은 절약될 수 있다. 게다가, 예를 들어 촉각에 관한 성질과 같이 특별한 성질 또는 패턴을 갖는 매우 세밀한 결을 가진 표면을 재현하는 것도 대체로 가능하다. 이리하여 본 발명의 방법은, 금형의 표면 세부사항이 쉽게 전달되는, 상대적으로 마모되기 쉬운 PP 플라스틱을 튼튼한 ABS 플라스틱으로 바꾸는 것을 가능하게 한다.(ABS가 더 비싸기는 하다) 그러나, 이미 종래 기술에서 알려진 다른 장점은 코팅이 사출성형장치의 표면을 보호하고, 성형장치의 서비스 수명을 상당히 증대시킨다는 것이다.

Claims

재료(1)와 접촉하고, 적어도 하나의 코팅(6)이 제공되는 금형표면(4)을 포함하며, 금형표면(4)의 온도를 제어하는 수단을 포함하는 금형(3)에서 이루어지는, 용융된 재료의 사출성형 방법에 있어서,

용융된 재료를 금형(3)에 주입하는 단계;

상기 금형 내에서 상기 용융된 재료가 응고되도록 상기 온도조정수단에 의하여 금형표면(4)을 냉각시키는 단계;

사출성형품의 이형단계를 포함하고,

상기 금형표면(4)의 코팅의 두께는, 사출성형품에 대하여 소정의 60°광택등급 및/또는 색좌표값 L^*이 얻어지는 코팅재의 열침투계수와 일치되도록 선택되며,

상기 코팅(6)은 티타늄 나이트라이드(TiN), 티타늄 카본 나이트라이드(TiCN), 크롬 나이트라이드(CrN), 텅스텐 카바이드/카본(WC/C), 티타늄 알루미늄 나이트라이드(TiAlN), Al₂O₃, (AlCr)₂O₃, 또는 SiO₂가 사용된 것을 특징으로 하는 사출성형방법.
삭제
제1항에 있어서,

상기 코팅은 다른 코팅층 위에 적층되어지는 다수의 코팅들로 형성되어지는 것을 특징으로 하는 사출성형방법.
제1항에 있어서,

상기 코팅(6)은 그 두께가 7 ㎛ 내지 11 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 사출성형방법.
제4항에 있어서,

상기 코팅(6)의 두께는 8±1 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 사출성형방법.
제1항에 있어서,

상기 금형표면(4)과 상기 코팅(6) 사이에는 접착층이 있는 것을 특징으로 하는 사출성형방법.
제6항에 있어서,

상기 접착층은 티타늄, 크롬 또는 티타늄 나이트라이드(TiN)로 이루어진 것을 특징으로 하는 사출성형방법.
제1항에 있어서,

상기 용융된 재료(1)로는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 플라스틱(ABS)이 사용되는 것을 특징으로 하는 사출성형방법.
제8항에 있어서,

비코팅 금형에서 얻어지는 폴리프로필렌(PP) 성형과 같은 광택등급 및/또는 색좌표값 L^*이 설정되어지는 것을 특징으로 하는 사출성형방법.
제8항에 있어서,

코팅의 두께와 금형표면의 거칠기는, 응고된 ABS 표면이 2.7의 60°광택등급 및/또는 25의 색좌표값을 갖도록, 조정되는 것을 특징으로 하는 사출성형방법.
제1항에 있어서,

상기 금형표면은, 성형을 통하여 재현될 때 응고된 재료(1)의 표면에 무광택 외관을 제공하는 거칠기의 결을 갖는 것을 특징으로 하는 사출성형방법.
제11항에 있어서,

평균표면거칠기 Ra에 의하여 측정되는 거칠기가 3 ㎛ 내지 11 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 사출성형방법.
제1항에 있어서,

상기 재료는 금형에 주입된 후에 압력을 받는 것을 특징으로 하는 사출성형방법.
제1항에 있어서,

상기 용융된 재료는 플라스틱인 것을 특징으로 하는 사출성형방법.
재료(1)와 접촉하고 적어도 하나의 코팅(6)이 제공되는 금형표면(4)을 포함하며, 금형표면(4)의 온도를 제어하는 수단을 포함하는 금형(3)에서 이루어지는, 용융된 재료(1), 플라스틱의 사출성형 장치에 있어서,

코팅은 제1항, 제3항 내지 제14항 중 어느 한 항의 특징을 단독으로 또는 조합하여 갖는 것을 특징으로 하는 사출성형 장치.