KR101896013B1 - 입체 성형물 제조 장치 및 이를 이용한 입체 성형물 제조 방법 - Google Patents

입체 성형물 제조 장치 및 이를 이용한 입체 성형물 제조 방법 Download PDF

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Abstract

입체 성형물 제조 장치는 상부 금형 및 하부 금형을 포함한다. 상기 상부 금형은 금속으로 형성되고 내부에 히팅 통로 및 냉각 통로가 형성된 상코어, 상기 상코어의 제1 측면 상에 결합되고, 상기 히팅 통로 및 상기 냉각 통로와 각각 연결되는 히팅관 연결부 및 냉각관 연결부가 형성된 제1 고정 블록부, 및 상기 상코어의 제1 상기 제1 측면과 대향하는 제2 측면 상에 결합되고, 상기 히팅 통로 및 상기 냉각 통로와 각각 연결되는 히팅관 연결부 및 냉각관 연결부가 형성된 제2 고정 블록부를 포함한다.

Description

입체 성형물 제조 장치 및 이를 이용한 입체 성형물 제조 방법{Manufacturing device for forming object and method of manufacturing the object using the same}
본 발명은 입체 성형물 제조 장치 및 상기 입체 성형물 제조 장치를 이용한 입체 성형물 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 섬유강화플라스틱 원단을 이용한 입체 성형물 제조 장치 및 상기 입체 성형물 제조 장치를 이용하여 상기 섬유강화플라스틱 원단으로부터 입체 성형물을 제조하는 제조 방법에 관한 것이다.
섬유강화 플라스틱 (Fiber Reinforced Plastic: FRP)은 예컨대 탄소 섬유, 유리섬유, 아라미드(Aramid) 등과 같은 섬유(fiber)와 수지(열가소성, 또는 열경화성)를 결합하여 만들어진 복합 소재의 한 가지이다. 이 FRP는 금속에 비해 가볍지만 기계적 강도가 매우 우수하여, 기계적 강도가 낮은 합성수지의 결점을 보완하는 대체 수단의 한 가지로서 큰 관심을 받아 왔다. FRP의 종류로는 유리섬유 강화 플라스틱(Glass Fiber Reinforced Plastics: GFRP), 탄소섬유강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics: CFRP), 아라미드섬유 강화 플라스틱 등이 있다. FRP 제조에는 일반적으로 유리섬유의 사용이 주류를 이루고 있으나, 최근에는 탄소섬유 또는 아라미드섬유 등 고성능 섬유를 이용한 소재의 개발과 용도 전개가 크게 증가하고 있기도 하다. 또한, FRP 제조에 있어서 열경화성 수지가 주로 사용되어 왔지만, 최근에는 열가소성 수지를 사용하는 경우가 생겨나고 있다.
최근에는 FRP 원단을 이용하여 핸드폰 케이스 등의 입체 성형물을 제조하는 방법 및 장치가 개발되고 있다. 그러나 종래의 입체 성형물 제조 장치는 금형의 냉각 및 히팅을 위한 구조물의 유지 보수 과정에서 금형 자체가 손상되어, 금형의 유지 및 보수 비용이 과다하게 발생하는 문제가 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0141875호
이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로, 본 발명의 목적은 유지 보수가 용이하고, 성형물의 품질이 향상된 입체 성형물 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 입체 성형물 제조 장치를 이용한 입체 성형물 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 입체 성형물 제조 장치는 상부 금형 및 하부 금형을 포함한다. 상기 상부 금형은 금속으로 형성되고 내부에 히팅 통로 및 냉각 통로가 형성된 상코어, 상기 상코어의 제1 측면 상에 결합되고, 상기 히팅 통로 및 상기 냉각 통로와 각각 연결되는 히팅관 연결부 및 냉각관 연결부가 형성된 제1 고정 블록부, 및 상기 상코어의 제1 상기 제1 측면과 대향하는 제2 측면 상에 결합되고, 상기 히팅 통로 및 상기 냉각 통로와 각각 연결되는 히팅관 연결부 및 냉각관 연결부가 형성된 제2 고정 블록부를 포함한다. 상기 하부 금형은 금속으로 형성되고 내부에 히팅 통로 및 냉각 통로가 형성된 하코어, 상기 하코어의 제1 측면 상에 결합되고, 상기 히팅 통로 및 상기 냉각 통로와 각각 연결되는 히팅관 연결부 및 냉각관 연결부가 형성된 제3 고정 블록부, 및 상기 하코어의 제1 상기 제1 측면과 대향하는 제2 측면 상에 결합되고 상기 히팅 통로 및 상기 냉각 통로와 각각 연결되는 히팅관 연결부 및 냉각관 연결부가 형성된 제4 고정 블록부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 고정 블록부는 복수의 고정 블록들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 고정 블록에는 외부의 냉각관 및 히팅관이 결합되기 위한 관 고정용 탭이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 FRP 원판을 예열하기 위한 예열부를 더 포함하고, 상기 예열부는 커버, 상기 커버 상에 일정 간격으로 배열된 복수의 할로겐 히터를 포함하는 열원 및 상기 FRP 원판을 붙잡아 고정하기 위한 홀더를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 예열부의 상기 열원에 의해 가열되는 히팅 영역은 상기 FRP 원판이 포밍되는 영역인 포밍 영역 보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상부 금형은 프레스 장치와 연결되는 상고정판, 상기 상고정판 및 상기 상코어 사이에 배치되는 상부 단열판, 및 상기 단열판과 상기 상고정판 사이에 배치되는 스페이서를 더 포함할 수 있다. 상기 하부 금형은 상기 프레스 장치와 연결되는 하고정판, 상기 하코어와 상기 하고정판 사이에 배치되는 하부 단열판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하부 금형의 상기 하코어의 상면에 하코어면 및 고정핀이 형성될 수 있다. 상기 상부 금형의 상기 상코어의 하면에 상코어면 및 상기 고정핀이 수용될 수 있는 홈이 형성될 수 있다. 상기 고정핀의 상단의 높이는 상기 하코어면 보다 높을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 FRP 원판으로부터 입체 성형물이 형성되는 영역은 포밍 영역으로 정의되고, 상기 포밍 영역에 인접하는 주변은 주변 영역으로 정의될 수 있다. 상기 상부 금형과 상기 하부 금형의 형폐 시, 상기 상코어면과 상기 하코어면 사이의 간격은 상기 포밍 영역에서의 간격이 상기 주변 영역에서의 간격 보다 클 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 입체 성형물 제조 방법은 FRP 원판을 예열하는 단계, 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형을 가열하는 단계, 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형을 가압하여 상기 FRP 원판을 변형시키는 포밍 단계, 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형을 냉각하는 단계, 및 변형된 상기 FRP 원판을 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형으로부터 분리하는 단계를 포함한다.
상기 입체 성형물의 제조 방법은 상부 금형 및 하부 금형을 포함하는 입체 성형물 제조 장치를 이용하여 수행된다. 상기 상부 금형은 상코어, 및 상기 상코어의 측면 상에 결합 및 분리 가능하게 고정되고 외부의 히팅관 및 냉각관을 연결할 수 있는 상부 고정 블록부를 포함한다. 상기 하부 금형은 하코어, 및 상기 하코어의 측면 상에 결합 및 분리 가능하게 고정되고 외부의 히팅관 및 냉각관을 연결할 수 있는 하부 고정 블록부를 포함한다. 상기 히팅관 및 상기 냉각관으로부터 상기 상부 및 하부 고정 블록부를 통해 흘러 들어오는 히팅 매체 및 냉각 매체를 이용하여 상기 가열하는 단계 및 상기 냉각하는 단계가 진행된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 예열하는 단계에서, 상기 FRP 원판을 열가소성 수지의 융점에 근접한 온도로 가열할 수 있다. 상기 가열하는 단계에서, 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형의 표면온도가 80~110℃의 온도 범위 내로 유지되도록 가열할 수 있다. 상기 포밍 단계에서, 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형을 서로 접근시켜 30~80kgf/㎠의 압력 범위 내의 압력으로 형폐할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 입체 성형물 제조 장치는 상기 하부 금형의 상기 하코어의 상면에 하코어면 및 고정핀이 형성되고, 상기 상부 금형의 상기 상코어의 하면에 상코어면 및 상기 고정핀이 수용될 수 있는 홈이 형성되고, 상기 고정핀의 상단의 높이는 상기 하코어면 보다 높을 수 있다. 상기 입체 성형물 제조 방법은 상기 포밍 단계 전에, 상기 FRP 원판을 하부 금형의 상기 하코어의 상기 고정핀 상에 안착시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 FRP 원판으로부터 입체 성형물이 형성되는 영역은 포밍 영역으로 정의되고, 상기 포밍 영역에 인접하는 주변은 주변 영역으로 정의될 수 있다. 상기 상부 금형과 상기 하부 금형의 형폐 시, 상기 상코어면과 상기 하코어면 사이의 간격은 상기 포밍 영역에서의 간격이 상기 주변 영역에서의 간격 보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 포밍 단계에서 상기 FRP 원판은 상기 주변 영역에서 제1 두께를 갖고, 상기 포밍 영역에서 제2 두께를 갖도록 성형되며, 상기 제1 두께는 상기 제2 두께보다 두꺼울 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 입체 성형물 제조 방법은 상기 포밍 단계 전에, 상기 FRP 원판을 상기 고정핀 상에 안착 시킨 후, 상기 상부 금형과 상기 하부 금형을 제1 속도로 서로 가까워 지는 방향으로 이동시키고, 이후 상기 상부 금형과 상기 하부 금형을 제2 속도로 이동시켜 상기 포밍 단계를 준비하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 속도는 상기 제2 속도 보다 빠를 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 입체 성형물 제조 장치는 상코어, 상기 상코어의 측면 상에 배치되는 제1 고정 블록부 및 제2 고정 블록부를 포함하는 상부 금형 및 하부 금형을 포함한다. 냉각관 및 히팅관의 분리, 설치, 재설치 작업 등의 과정에서 상기 제1 고정 블록부 또는 상기 제2 고정 블록부에 손상이 발생되더라도 해당 부분의 고정 블록 만을 교체하여 유지 보수가 용이한 장점이 있다. 이에 따라 상기 상코어 부분에 손상이 최소화 되므로, 상기 입체 성형물 제조 장치의 전체적인 유지 보수 비용이 절감될 수 있다.
또한, 상기 입체 성형물 제조 장치는 고정핀이 형성된 하코어를 포함할 수 있다. 상기 고정핀의 높이가 상기 하코어의 하코어면 보다 높으므로, FRP 원판이 포밍 단계 직전까지 상기 하코어면과 접촉하지 않으므로, 열 손실이 최소화 될 수 있다. 또한, 이에 따라 상기 FRP 원판의 열 손실에 따른 포밍 공정 시의 불량이 줄어들 수 있다.
또한, 상기 입체 성형물 제조 장치는 입체 성형물이 형성되는 포밍 영역의 주변 영역에 충분한 공간이 형성되어 있으므로, 포밍 시의 부하가 줄어들 수 있다. 이에 따라 품질이 우수한 입체 성형물을 제공할 수 있다.
또한, 상기 입체 성형물 제조 장치를 이용한 입체 성형물 제조 방법은 전체적으로 제조 시간이 단축되고, 품질이 우수한 입체 성형물을 제공할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입체 성형물 제조 장치를 나타낸 단면도이다.
도 2a 및 2b는 도 1의 입체 성형물 제조 장치의 예열부를 나타낸 평면도 및 저면도이다.
도 3은 도 1의 입체 성형물 제조 장치의 상부 금형 및 하부 금형의 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 상부 금형의 제1 고정 블록 부분을 자세히 나타낸 확대도이다.
도 5는 도 1의 입체 성형물 제조 장치의 하코어의 단면을 자세히 나타낸 부분 확대도이다.
도 6는 도 1의 입체 성형물 제조 장치의 상코어의 단면을 자세히 나타낸 부분 확대도이다.
도 7은 도 1의 입체 성형물 제조 장치의 상코어 및 하코어의 형폐 시의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 입체 성형물 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 9는 도 8의 안착시키는 단계를 자세히 나타낸 순서도이다.
도 10a 내지 10g는 도 8의 입체 성형물 제조 방법을 설명하기 위한 입체 성형물 제조 장치 및 입체 성형물의 단면도들이다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입체 성형물 제조 장치를 나타낸 단면도이다. 도 2a 및 2b는 도 1의 입체 성형물 제조 장치의 예열부를 나타낸 평면도 및 저면도이다. 도 3은 도 1의 입체 성형물 제조 장치의 상부 금형 및 하부 금형의 분해 사시도이다.
상기 입체 성형물 제조 장치는 상부 금형(UC), 하부 금형(LC) 및 예열부 (HT)를 포함한다.
상기 상부 금형(UC)은 상코어(210), 제1 고정 블록부(220), 제2 고정 블록부(230), 단열판(240), 스페이서(250) 및 상고정판(260)을 포함한다.
상기 상코어(210)의 하면에는 입체 성형물 성형을 위해 원하는 형상으로 가공된 코어가 마련되어 있다. 상기 상코어(210)는 금속으로 형성될 수 있으며, 내부에 냉각 통로 및 히팅 통로가 형성될 수 있다. 상기 상코어(210)는 금속으로 형성될 수 있으며, 예를 들면 알루미늄으로 형성될 수 있다(도 4 참조).
상기 제1 고정 블록부(220)는 상기 상코어(210)의 일측면 상에 배치되어, 필요에 따라 상기 상코어(210)와 결합 및 분리될 수 있다. 상기 제1 고정 블록부(220)는 복수의 제1 고정 블록들(220a, 220b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 고정 블록들(220a, 220b)은 금속으로 형성될 수 있으며, 예를 들면 탄소강, 스테인리스강, 또는 알루미늄 합금으로 형성될 수 있다. 상기 제1 고정 블록부(220)는 냉각관 및 히팅관과 연결되는 부분이며, 상기 상코어(210)로부터 결합 및 분리 가능하므로, 상기 냉각관 및 히팅관의 분리, 설치, 재설치 작업 등의 과정에서 상기 제1 고정 블록부(220)의 상기 제1 고정 블록에 손상이 발생되더라도 해당 부분의 제1 고정 블록 만을 교체하여 유지 보수가 용이한 장점이 있다. 이에 따라 상기 상코어(210) 부분에 손상이 최소화되므로, 상기 입체 성형물 제조 장치의 전체적인 유지 보수 비용이 절감될 수 있다.
상기 제2 고정 블록부(230)는 상기 상코어(210)의 상기 제1 고정 블록부(220)가 배치된 반대면 상에 배치되어, 필요에 따라 상기 상코어(210)와 결합 및 분리될 수 있다. 상기 제2 고정 블록부(230)의 구성은 상기 제1 고정 블록부(220)의 구성과 실질적으로 동일할 수 있다.
상기 단열판(240)은 상기 상코어(210)와 상기 스페이서(250) 사이에 배치될 수 있다. 상기 단열판(240)은 입체 성형물 제조 과정에서 발생하는 상기 상코어(210)로 부터의 열(또는 냉기)이 상기 상고정판(260)으로 전달되는 것을 차단할 수 있다. 상기 입체 성형물 제조 과정에서 상기 상코어(210)는 가열 또는 냉각되는데, 상기 단열판(240)에 의해 상기 스페이서(250) 및 상기 상고정판(260)이 단열되므로, 상기 상고정판(260)에 연결되는 프레스 장치로의 열전달이 차단될 수 있다. 이에 따라, 상기 상코어(210)의 열 손실이 최소화 될 수 있다.
상기 스페이서(250)는 상기 단열판(240)과 상기 상고정판(260) 사이에 배치될 수 있다. 상기 스페이서(250)에 의해 상기 상코어(210)의 위치를 조절할 수 있으며, 이에 따라 프레스 장치에 상기 입체 성형물 제조 장치가 설치된 경우에, 상기 상코어(210)와 하코어(110) 사이가 좁아지며, 프레스 공정을 위한 상부 및 하부 금형의 이동거리가 단축될 수 있다.
상기 상고정판(260)은 상기 스페이서(250) 상에 배치되고, 프레스 장치에 연결될 수 있다.
상기 하부 금형(LC)은 하코어(110), 제3 고정 블록부(120), 제4 고정 블록부(130), 단열판(140) 및 하고정판(150)을 포함한다.
상기 하코어(110)의 상면에는 입체 성형물 성형을 위해 원하는 형상으로 가공된 코어가 마련되어 있다. 상기 하코어(110)는 금속으로 형성될 수 있으며, 내부에 냉각 통로 및 히팅 통로가 형성될 수 있다. 상기 하코어(110)는 금속으로 형성될 수 있으며, 예를 들면 알루미늄으로 형성될 수 있다.
상기 제3 고정 블록부(120)는 상기 하코어(110)의 일측면 상에 배치되어, 필요에 따라 상기 하코어(110)와 결합 및 분리될 수 있다. 상기 제3 고정 블록부(120)는 복수의 제3 고정 블록들을 포함할 수 있다. 상기 제4 고정 블록부(130)는 상기 하코어(110)의 상기 제3 고정 블록부(120)가 배치된 반대면 상에 배치되어, 필요에 따라 상기 하코어(110)와 결합 및 분리될 수 있다.
상기 제3 고정 블록부(120) 및 상기 제4 고정 블록부(130)는 상기 상부 금형(UC)의 상기 제1 고정 블록부(220)과 실질적으로 동일할 수 있다.
상기 단열판(140)은 상기 하코어(110)와 상기 하고정판(160) 사이에 배치될 수 있다. 상기 단열판(140)은 입체 성형물 제조 과정에서 발생하는 상기 하코어(110)로 부터의 열(또는 냉기)이 상기 하고정판(160)으로 전달되는 것을 차단할 수 있다.
상기 예열부(HT)는 커버(310), 열원(320) 및 홀더(330)를 포함할 수 있다. 상기 예열부(HT)는 섬유강화 플라스틱(이하 FRP) 원판(10)을 원하는 입체 성형물로 성형하기 전에 상기 FRP 원판(10)을 예열할 수 있다.
상기 홀더(330)는 상기 FRP 원판(10)을 양쪽에서 붙잡아 고정할 수 있다.
상기 열원(320)은 복수의 열원들이 상기 커버(310) 아래 균일하게 배열된 구조를 가질 수 있으며, 예를 들면, 상기 열원(320)은 복수의 할로겐 히터가 일정한 간격(d)으로 배열된 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 간격(d)는 220V, 1kW 용량의 할로겐 히터를 사용하는 경우, 약 60mm 내지 80mm(밀리미터)인 것이 바람직하다.
상기 FRP 원판(10)이 가열되는 영역인 히팅 영역(HA)은 최종 입체 성형물이 형성되는 부분(MA)보다 크게 형성될 수 있다. 상기 히팅 영역(HA)은 상기 부분(MA)의 가장자리로부터 외측으로 약 20 내지 30mm(밀리미터) 이상 크게 형성되어야, 상기 FRP 원판(10)이 균일하게 가열될 수 있다. 따라서, 상기 할로겐 히터들은 상기 히팅 영역(HA)을 모두 가열할 수 있도록 배치될 수 있다.
도 1에는 상기 예열부(HT)가 상기 상부 금형(UC) 및 상기 하부 금형(LC) 사이에 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 상기 예열부(HT)는 필요에 따라, 상기 FRP원판을 상기 하부 금형(LC) 상에 위치시킨 후, 외부로 이동된다.
도 4는 도 3의 상부 금형의 제1 고정 블록 부분을 자세히 나타낸 확대도이다.
상기 상코어(210)에는 제1 고정 블록 안착부(213), 냉각 통로(214), 히팅 통로(216) 및 블록 고정용 탭(218)이 형성될 수 있다. 상기 제1 고정 블록(220a)에는 냉각관 연결부(224), 히팅관 연결부(226), 결합홀(228) 및 관 고정용 탭(229)이 형성될 수 있다.
상기 제1 고정 블록 안착부(213)는 상기 상코어(210) 측면 상에 형성될 수 있다. 상기 제1 고정 블록(220a)는 상기 제1 고정 블록 안착부(213) 내에 위치하고, 고정용 볼트(미도시)가 상기 제1 고정 블록(220a)의 상기 결합홀(228)을 통해 상기 상코어(210)의 상기 고정용 탭(218)에 결합되어, 상기 제1 고정 블록(220a)이 상기 상코어(210)에 결합될 수 있다.
상기 냉각 통로(214)는 상기 상코어(210)의 측면을 관통하여, 상기 제1 고정 블록(220a)의 상기 냉각관 연결부(224) 및 제2 고정 블록의 냉각관 연결부와 연결될 수 있다. 외부의 냉각관(미도시)이 상기 냉각관 연결부(224)에 연결되어, 냉각매체가 상기 냉각 통로(214)를 통해 흘러 상기 상코어(210)를 냉각시킬 수 있다 (도 4의 선 a 참조).
상기 히팅 통로(216)는 상기 상코어(210)의 측면을 관통하여, 상기 제1 고정 블록(220a)의 상기 히팅관 연결부(226) 및 제2 고정 블록의 히팅관 연결부와 연결될 수 있다. 외부의 히팅관(미도시)이 상기 히팅관 연결부(226)에 연결되어, 히팅매체가 상기 히팅 통로(216)를 통해 흘러 상기 상코어(210)를 가열시킬 수 있다 (도 4의 선 b 참조).
외부의 히팅관 및 냉각관은 상기 제1 고정 블록(220a)에 고정될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 고정 블록(220a) 상에 형성된 상기 관 고정용 탭(229)를 이용하여 볼트 체결될 수 있다. 또는 상기 히팅관 연결부(226) 및 상기 냉각관 연결부(224)에 상기 히팅관 및 냉각관이 직접 연결될 수 있다.
상기 입체 성형물 제조 장치는 외부의 히팅관 및 냉각관이 상기 제1 고정 블록(220a)에 연결되고, 상기 히팅관 및 냉각관이 결합된 상기 제1 고정 블록(220a)이 상기 상코어(210)에 결합되는 구조를 가지므로, 냉각관 및 히팅관의 결합 분리과정에서 상기 상코어(210)의 손상이 최소화 될 수 있다. 이에 따라, 상기 입체 성형물 제조 장치의 유지 보수 비용이 절감될 수 있다.
도 5는 도 1의 입체 성형물 제조 장치의 하코어의 단면을 자세히 나타낸 부분 확대도이다. 도 6는 도 1의 입체 성형물 제조 장치의 상코어의 단면을 자세히 나타낸 부분 확대도이다. 도 7은 도 1의 입체 성형물 제조 장치의 상코어 및 하코어의 형폐 시의 단면도이다.
도 5 내지 7을 참조하면, 하코어(110)의 상면 상에는 하코어면(111), 몸체(112a) 및 돌기(112b)를 포함하는 고정핀(112)이 형성된다.
상기 하코어면(111)은 기준면(110a)으로부터 제1 높이(h1)만큼 돌출되어 형성될 수 있다. 상기 고정핀(112)은 상기 기준면(110a)으로부터 제2 높이(h2)만큼 돌출되어 형성될 수 있다. 상기 고정핀(112)은 복수개가 형성될 수 있다. 상기 제2 높이(h2)는 상기 제1 높이(h1)보다 크다. 따라서, 상기 고정핀(112)은 상기 하코어면(111)보다 높게 형성될 수 있다.
상코어(210)의 하면 상에는 상코어면(211) 및 홈(212)이 형성된다.
상기 상코어면(211)은 기준면(210a)으로부터 제1 높이(h3)만큼 함몰되어 형성될 수 있다. 상기 홈(212)은 상부 금형 및 하부 금형의 형폐 시, 상기 고정핀(112)이 수용될 수 있다. 상기 상코어면(211)의 주변부는 상기 기준면(210a)로부터 제4 높이(h4)로 함몰될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 입체 성형물 제조 방법을 나타낸 순서도이다. 도 9는 도 8의 안착시키는 단계를 자세히 나타낸 순서도이다. 도 10a 내지 10g는 도 8의 입체 성형물 제조 방법을 설명하기 위한 입체 성형물 제조 장치 및 입체 성형물의 단면도들이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 입체 성형물 제조 방법은 FRP 원판을 예열하는 단계(S100), 상부 금형 및 하부 금형을 가열하는 단계(S200), 상부 금형 및 하부 금형을 이동시켜, 상기 FRP 원판을 하부 금형 상에 안착시키는 단계(S300), 상부 금형 및 하부 금형을 가압하여 상기 FRP 원판을 변형시키는 포밍 단계(S400), 상부 금형 및 하부 금형을 냉각하는 단계(S500), 변형된 상기 FRP 원판을 상부 금형 및 하부 금형으로부터 분리하는 단계(S600) 및 후처리 단계(S700)를 포함한다.
도 10a를 참조하면, 상기 예열하는 단계(S100)에서는, FRP 원판(10)을 준비한다. 상기 FRP 원판(10)은 FRP 원단을 필요한 사이즈만큼씩 절단하여 준비할 수 있다. 상기 FRP 원판(10)을 포밍 하기에 앞서 예열할 수 있다. 상기 FRP 원판(10)이 충분한 온도까지 올라가지 않은 상태로 무리하게 포밍 공정을 수행하면 불량률이 높아질 수 있다. 상기 FRP 원판(10)을 금형에 투입한 후부터 가열을 시작하면 목표 온도까지 상승시키는 데 시간이 너무 많이 걸리고 전체 공정의 속도를 떨어뜨린다. 그러므로 포밍을 수행하기 전에 상기 FRP 원판(10)을 미리 가열하면, 공정 시간의 단축과 불량률 저하를 도모할 수 있다.
예열을 위해, 상기 FRP 원판의 양쪽 끝을 홀더(330)로 붙잡아 고정한 상태에서, 예열부(HT)의 열원을 구동한다. 상기 예열부(HT)에 의해 가열된 FRP 원판은 후속하는 포밍 공정에서 낮은 포밍 압력 및 짧은 포밍 시간으로 형상 구현이 가능하다. 상기 예열하는 단계(S100)에서의 가열 온도는 상기 FRP 원판(10)의 열가소성 수지의 융점에 근접한 온도로 가열하는 것이 바람직하다. 융점에 가까운 온도로 가열된 상기 FRP 원판(10)을 곧바로 포밍 가공에 투입하면, 포밍 시의 금형 표면온도를 아주 높게 하지 않아도 되는 장점이 있다. 예를 들면, 약 100 내지 200℃에서 약 10 내지 35초 간 예열할 수 있다.
도 10b를 참조하면, 상기 가열하는 단계(S200)에서는, 상부 금형(UC) 및 하부 금형(LC)을 가열한다. 원활한 포밍을 위해, 상기 상부 금형(UC)과 상기 하부 금형(LC)의 표면온도가 80~110℃의 온도 범위 내로 유지되도록 가열하는 것이 바람직하다. 상기 FRP 원판(10)이 내포하는 섬유 원단의 겹수가 많을수록 금형의 표면온도를 더 높게 하는 것이 바람직하다. 상기 예열하는 단계(S100)에서 이 온도보다 더 높게 상기 FRP 원판(10)이 가열되므로, 포밍에는 전혀 문제가 없는 온도이다.
상기 FRP 원판(10)을 하부 금형(LC) 상에 안착시키는 단계(S300)에서는 상기 FRP 원판(10)을 상기 하부 금형(LC)의 하코어의 고정핀(도 5의 112 참조) 상에 안착 시킬 수 있다.
도 10c를 참조하면, 상기 안착시키는 단계(S300)는 상부 금형 및 하부 금형을 제1 속도로 이동시키는 단계(S310) 및 상부 금형 및 하부 금형을 제2 속도로 이동시키는 단계(S320)를 포함할 수 있다. 상기 FRP 원판(10)을 상기 하부 금형(LC)의 하코어의 고정핀 상에 안착시킨 후, 상기 상부 금형(UC) 및/또는 상기 하부 금형(LC)을 비교적 고속인 제1 속도로 서로 가까워지는 방향으로 이동시키고, 이후 상기 상부 금형(UC) 및/또는 상기 하부 금형(LC)을 비교적 저속인 제2 속도로 이동시켜 포밍 단계를 준비할 수 있다. 상기 제1 속도는 약 90 내지 120 mm/sec 일 수 있고, 상기 제2 속도는 약 10 내지 20 mm/sec 일 수 있다. 이에 따라 빠른 시간 내에 포밍 단계를 준비할 수 있다.
상기 FRP 원판(10)은 상기 고정핀(112) 상에 안착될 수 있다. 상기 고정핀(112)의 높이가 상기 하부 금형의 하코어면 보다 높으므로, 상기 FRP 원판(10)이 포밍 단계 직전까지 상기 하코어면과 접촉하지 않으므로, 열 손실이 최소화 될 수 있다. 또한, 이에 따라 상기 FRP 원판(10)의 열 손실에 따른 포밍 공정 시의 불량이 줄어들 수 있다.
도 10d를 참조하면, 상기 FRP 원판(10)을 변형시키는 포밍 단계(S400)에서는 미리 가열된 상기 상부 금형(UC) 및 상기 하부 금형(LC)을 서로 접근시켜 30~80kgf/㎠의 압력 범위 내의 압력으로 형폐할 수 있다. 그렇게 형폐하여 가압하는 시간은 대략 1~5초로 매우 짧게 하여도 좋다. 가압하는 시간이 짧을수록 열 손실이 적으며, 가압 시간이 긴 경우, 예열의 효과가 줄어들고, 포밍시 상기 FRP 원판(10)이 손상될 가능성이 높다. 특히 포밍 압력을 크게 줄일 수 있어서, 그에 따라 가압 설비를 소형화할 수 있어 설비 투자비를 줄일 수 있다. 또한, 금형의 가열 온도와 가압 시간도 크게 낮출 수 있어서, 생산성을 높일 수 있다.
상기 냉각하는 단계(S500)에서는, 가열된 금형(UC, LC)을 이용하여 예정한 포밍 시간 동안 가압하고 나서, 냉각 라인(도 4의 214 참조)에 냉각 매체를 투입, 순환시켜 상기 금형(UC, LC)을 냉각할 수 있다. 예를 들면, 상기 금형을 약 50 내지 65℃의 온도로 냉각할 수 있다.
도 10e를 참조하면, 상기 FRP 원판(10)은 포밍 전 제1 두께(t1)를 가질 수 있다. 상기 FRP 원판(10)은 포밍에 의해 상기 제1 두께(t1)보다 작은 제2 두께(t2)를 가질 수 있다. 즉, 상기 FRP 원판(10)은 상코어면(211) 및 하코어면(111) 사이에서 가압되는 포밍 영역(FA)에서는 제2 두께(t2)를 갖고, 상기 포밍 영역(FA)의 주변 영역(PA)에서 제1 두께(t1) 및 제3 두께(t3)를 가질 수 있다. 상기 제3 두게(t3)는 상기 제1 두께(t1) 및 상기 제2 두께(t2) 보다 클 수 있다. 도 7을 함께 참조하면, 금형 형폐 시의 간격은 상기 포밍 영역(FA)에서 제3 높이(h3)와 제1 높이(h1)의 차(h3-h1)이고, 상기 주변 영역(PA)에서 제4 높이(h4)이다. 상기 제3 높이(h3)와 제1 높이(h1)의 차(h3-h1)는 상기 제2 두께(t2)와 동일할 수 있다. 상기 제4 높이(h4)는 상기 제3 높이(h3)와 제1 높이(h1)의 차(h3-h1) 보다 클 수 있으며, 이에 따라 상기 FRP 원판(10)이 상기 포밍 영역(FA)에서 상기 주변 영역(PA)으로 밀리더라도, 상기 주변 영역(PA)에 상기 제4 높이(h4)를 갖는 충분한 공간이 형성되어 있으므로, 포밍 시의 부하가 줄어들 수 있다. 이에 따라 품질이 우수한 입체 성형물을 수득할 수 있다.
도 10f를 참조하면, 상기 분리하는 단계(S600)에서는, 상기 상부 금형(UC)을 상기 하부 금형(LC)으로부터 후퇴시키고 FRP 성형물(1Oa)을 상기 하부 금형(LC)으로부터 취출할 수 있다.
도 10g를 참조하면, 상기 후처리 단계(S700)에서는, 상기 FRP 성형물(10a)의 불필요한 부분을 절단하고 (10b), 가공 또는 연마하고(10c), 상기 가공된 성형물(10c) 상에 추가적인 필름(12)을 형성할 수 있다. 이에 따라 최종적으로 입체 성형물을 제조할 수 있다. 도면에서는 휴대폰 케이스를 형성하는 경우에 대해 예시하고 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 입체 성형물 제조 장치는 상코어, 상기 상코어의 측면 상에 배치되는 제1 고정 블록부 및 제2 고정 블록부를 포함하는 상부 금형 및 하부 금형을 포함한다. 냉각관 및 히팅관의 분리, 설치, 재설치 작업 등의 과정에서 상기 제1 고정 블록부 또는 상기 제2 고정 블록부에 손상이 발생되더라도 해당 부분의 고정 블록 만을 교체하여 유지 보수가 용이한 장점이 있다. 이에 따라 상기 상코어 부분에 손상이 최소화 되므로, 상기 입체 성형물 제조 장치의 전체적인 유지 보수 비용이 절감될 수 있다.
또한, 상기 입체 성형물 제조 장치는 고정핀이 형성된 하코어를 포함할 수 있다. 상기 고정핀의 높이가 상기 하코어의 하코어면 보다 높으므로, FRP 원판이 포밍 단계 직전까지 상기 하코어면과 접촉하지 않으므로, 열 손실이 최소화 될 수 있다. 또한, 이에 따라 상기 FRP 원판의 열 손실에 따른 포밍 공정 시의 불량이 줄어들 수 있다.
또한, 상기 입체 성형물 제조 장치는 입체 성형물이 형성되는 포밍 영역의 주변 영역에 충분한 공간이 형성되어 있으므로, 포밍 시의 부하가 줄어들 수 있다. 이에 따라 품질이 우수한 입체 성형물을 제공할 수 있다.
또한, 상기 입체 성형물 제조 장치를 이용한 입체 성형물 제조 방법은 전체적으로 제조 시간이 단축되고, 품질이 우수한 입체 성형물을 제공할 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: FPR 원판 110: 하코어
120: 제3 고정 블록부 130: 제4 고정 블록부
140, 240: 단열판 150: 하고정판
210: 상코어 220: 제1 고정 블록부
230: 제2 고정 블록부 250: 스페이서
260: 상고정판 HT: 예열부
UC: 상부 금형 LC: 하부 금형

Claims (14)

  1. 섬유강화 플라스틱(FRP) 원판으로부터 입체 성형물을 형성하기 위한 상부 금형 및 하부 금형을 포함하는 입체 성형물 제조 장치에 있어서,
    상기 상부 금형은, 금속으로 형성되고 내부에 히팅 통로 및 냉각 통로가 형성된 상코어; 상기 상코어의 제1 측면 상에 결합되고, 상기 히팅 통로 및 상기 냉각 통로와 각각 연결되는 히팅관 연결부 및 냉각관 연결부가 형성된 제1 고정 블록부; 상기 상코어의 제1 상기 제1 측면과 대향하는 제2 측면 상에 결합되고, 상기 히팅 통로 및 상기 냉각 통로와 각각 연결되는 히팅관 연결부 및 냉각관 연결부가 형성된 제2 고정 블록부; 프레스 장치와 연결되는 상고정판; 상기 상고정판 및 상기 상코어 사이에 배치되는 상부 단열판; 및 상기 상부 단열판과 상기 상고정판 사이에 배치되는 스페이서를 포함하며:
    상기 하부 금형은, 금속으로 형성되고 내부에 히팅 통로 및 냉각 통로가 형성된 하코어; 상기 하코어의 제1 측면 상에 결합되고, 상기 히팅 통로 및 상기 냉각 통로와 각각 연결되는 히팅관 연결부 및 냉각관 연결부가 형성된 제3 고정 블록부; 상기 하코어의 제1 상기 제1 측면과 대향하는 제2 측면 상에 결합되고 상기 히팅 통로 및 상기 냉각 통로와 각각 연결되는 히팅관 연결부 및 냉각관 연결부가 형성된 제4 고정 블록부; 상기 프레스 장치와 연결되는 하고정판; 및 상기 하코어와 상기 하고정판 사이에 배치되는 하부 단열판을 포함하고:
    여기서, 상기 하부 금형의 하코어의 상면에 하코어면 및 고정핀이 형성되고, 상기 상부 금형의 상코어의 하면에 상코어면 및 상기 고정핀이 수용될 수 있는 홈이 형성되되, 상기 고정핀의 상단의 높이는 상기 하코어면 보다 높게 형성되며; 상기 상부 금형과 상기 하부 금형의 형폐 시, 상기 상코어면과 상기 하코어면 사이의 간격은 FRP 원판으로부터 입체 성형물이 형성되는 포밍 영역에서의 간격이 상기 포밍 영역에 인접한 주변 영역에서의 간격보다 작게 형성되어 있는
    입체 성형물 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 내지 제4 고정 블록부는 각각 복수의 고정 블록들을 포함하는 것을 특징으로 하는 입체 성형물 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 내지 제4 고정 블록부에는 각각 외부의 냉각관 및 히팅관이 결합되기 위한 관 고정용 탭이 형성된 것을 특징으로 하는 입체 성형물 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 FRP 원판을 예열하기 위한 예열부를 더 포함하고, 상기 예열부는 커버, 상기 커버 상에 일정 간격으로 배열된 복수의 할로겐 히터를 포함하는 열원 및 상기 FRP 원판을 붙잡아 고정하기 위한 홀더를 포함하는 것을 특징으로 하는 입체 성형물 제조 장치.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 예열부의 상기 열원에 의해 가열되는 히팅 영역은 상기 FRP 원판이 포밍 되는 영역인 포밍 영역 보다 큰 것을 특징으로 하는 입체 성형물 제조 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 상부 금형 및 하부 금형을 포함하는 입체 성형물 제조 장치를 이용하여,
    FRP 원판을 예열하는 단계;
    상기 상부 금형 및 상기 하부 금형을 가열하는 단계;
    상기 상부 금형 및 상기 하부 금형을 가압하여 상기 FRP 원판을 변형시키는 포밍 단계;
    상기 상부 금형 및 상기 하부 금형을 냉각하는 단계; 및
    변형된 상기 FRP 원판을 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형으로부터 분리하는 단계를 포함하고,
    상기 상부 금형은 상코어, 및 상기 상코어의 측면 상에 결합 및 분리 가능하게 고정되고 외부의 히팅관 및 냉각관을 연결할 수 있는 상부 고정 블록부를 포함하고,
    상기 하부 금형은 하코어, 및 상기 하코어의 측면 상에 결합 및 분리 가능하게 고정되고 외부의 히팅관 및 냉각관을 연결할 수 있는 하부 고정 블록부를 포함하고,
    상기 히팅관 및 상기 냉각관으로부터 상기 상부 및 하부 고정 블록부를 통해 흘러 들어오는 히팅 매체 및 냉각 매체를 이용하여 상기 가열하는 단계 및 상기 냉각하는 단계가 진행되는 것을 특징으로 하는 입체 성형물 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 예열하는 단계에서, 상기 FRP 원판을 열가소성 수지의 융점에 근접한 온도로 가열하고, 상기 가열하는 단계에서, 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형의 표면온도가 80~110℃의 온도 범위 내로 유지되도록 가열하고, 상기 포밍 단계에서, 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형을 서로 접근시켜 30~80kgf/㎠의 압력 범위 내의 압력으로 형폐하는 것을 특징으로 하는 입체 성형물 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 입체 성형물 제조 장치는 상기 하부 금형의 상기 하코어의 상면에 하코어면 및 고정핀이 형성되고, 상기 상부 금형의 상기 상코어의 하면에 상코어면 및 상기 고정핀이 수용될 수 있는 홈이 형성되고, 상기 고정핀의 상단의 높이는 상기 하코어면 보다 높고, 상기 포밍 단계 전에, 상기 FRP 원판을 하부 금형의 상기 하코어의 상기 고정핀 상에 안착시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입체 성형물 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 FRP 원판으로부터 입체 성형물이 형성되는 영역은 포밍 영역으로 정의되고, 상기 포밍 영역에 인접하는 주변은 주변 영역으로 정의되고, 상기 상부 금형과 상기 하부 금형의 형폐 시, 상기 상코어면과 상기 하코어면 사이의 간격은 상기 포밍 영역에서의 간격이 상기 주변 영역에서의 간격보다 큰 것을 특징으로 하는 입체 성형물 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 포밍 단계에서 상기 FRP 원판은 상기 주변 영역에서 제1 두께를 갖고, 상기 포밍 영역에서 제2 두께를 갖도록 성형되며, 상기 제1 두께는 상기 제2 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 입체 성형물 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 포밍 단계 전에, 상기 FRP 원판을 상기 고정핀 상에 안착 시킨 후, 상기 상부 금형과 상기 하부 금형을 제1 속도로 서로 가까워 지는 방향으로 이동시키고, 이후 상기 상부 금형과 상기 하부 금형을 제2 속도로 이동시켜 상기 포밍 단계를 준비하는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 속도는 상기 제2 속도 보다 빠른 것을 특징으로 하는 입체 성형물 제조 방법.
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