KR102053459B1 - 성형품 및 초미세 발포용 성형 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실린더의 내부에 회전 가능하게 배열된 스크류; 상기 실린더의 상단에 장착되는 호퍼; 상기 실린더의 외주부에 설치되는 히터; 상기 실린더에 초임계 유체를 공급하는 초임계 유체 공급 장치; 및 상기 실린더의 끝단 노즐부에 연결 배치되는 사출금형을 포함하고, 상기 사출금형은, 상기 실린더의 끝단 노즐부에 연결되는 고정금형; 상기 고정금형에 가동이 가능하도록 설치되는 가동금형; 상기 고정금형 측에 위치하는 냉각판; 및 상기 가동금형의 내부에 설치되는 히터를 포함하는 초미세 발포용 성형 장치에 관한 것으로, 셀 사이즈의 균일 및 제품 물성의 균일함을 달성하고, 또한, 제품의 표면에 형성되는 가스자국을 억제함으로써, 사출 제품의 외관 품질을 향상시킬 수 있다.

Description

성형품 및 초미세 발포용 성형 장치{A Molded Product and Forming Apparatus for Micro Cellular forming process}

본 발명은 성형품 및 초미세 발포용 성형 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 사출 제품의 외관 품질을 향상시킬 수 있는 성형품 및 초미세 발포용 성형 장치에 관한 것이다.

일반적인 플라스틱 성형기술은 대부분 화학공장에서 만들어진 플라스틱 알갱이, 즉 펠릿(pellet)들을 전기열과 기계적 마찰을 이용하여 녹인 후 힘을 가하여 원하는 형상으로 만들어진 금형 내로 밀어냄으로써 여러 가지 플라스틱 제품을 제조하는 것으로서, 제품 제조 비용 중에서 재료가 차지하는 비율이 매우 높기 때문에 재료비의 절감과 더불어 플라스틱 제품의 무게를 더욱 줄일 수 있도록 하는 노력에 의해 초미세 발포기술이 개발되고 있다.

상기한 초미세 발포기술이란 플라스틱 제품 안에 미세한 크기를 갖는 많은 기포들이 생기도록 하는 기술로서, 화학적 또는 물리적 발포제을 펠릿과 함께 잘 섞은 후 외부에서 열을 가하여 발포 물질들이 기화되도록 함으로써 제품 내부에 기포가 형성되도록 한다.

기포가 형성되면 제품의 많은 부분들을 기포가 차지하므로 재료비를 대폭 절감할 수 있고 제품의 무게를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 기포로 인한 단열성능을 얻을 수 있는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 구조의 초미세 발포용 성형 장치를 도시하는 개략적인 도면이다.

도 1을 참조하면, 일반적인 구조의 초미세 발포용 성형 장치(1)는, 실린더(10)의 내부에 회전 가능하게 배열된 스크류(12)와, 실린더 내부에 플라스틱 재료를 공급하기 위하여 실린더(10)의 상단에 장착되는 호퍼(14)와, 실린더(10)의 외주부에 설치되어 실린더(10) 내에 공급된 플라스틱 재료를 용융시키는 히터(16)와, 실린더(10) 내에 초임계 유체를(CO₂ 또는 N₂)를 공급하는 초임계 유체 공급/제어 장치(32)와, 실린더(10)의 끝단 노즐부에 연결배치되어 가스가 포함된 용융 플라스틱이 채워지는 캐비티(18)가 형성된 사출금형(20) 등을 포함하여 구성된다.

따라서, 호퍼(14)를 통하여 플라스틱 재료를 투입하면 스크류(12)에 의하여 플라스틱 재료가 이송되면서 히터(16)의 가열과 스크류에 의한 마찰열에 의하여 플라스틱 재료가 용융되고, 외부의 초임계 유체 발생기에 의해 공급된 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)가 초임계 공급/제어 장치(32)에 의해 상기 실린더 내로 투입되어 이미 용융된 플라스틱 재료와 혼련 되어진다.

즉, 실린더 내에서 용융된 플라스틱 재료는 외부에서 투입된 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)가 혼련된 상태로 존재하게 된다.

계속해서, 스크류(12)의 회전에 의하여 상기 혼련된 용융 플라스틱 재료는 사출금형(20)의 캐비티(18)내로 충진되어 제품형상을 갖게 된다.

이때 실린더 내에서 플라스틱 재료와 혼련된 상태로 존재하던 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)는 사출기 노즐 끝단을 통과하여 금형 캐비티(18)내로 충진이 시작되는 게이트 끝단을 통과할 때 고압에서(N₂의 경우 36bar 이상) 대기압으로 급격한 압력저하의 변화를 격게 된다.

이때 발생하는 압력차에 의해, 용융된 플라스틱 수지 내에 존재하던 초임계 유체는 발포가 시작되는 발포핵 생성을 시작하며, 점차적으로 발포핵이 성장하면서(발포기공이 커지면서) 제품 전체에서 발포가 진행된다.

이는 초임계 상태로 존재하던 CO₂ 또는 N₂가 대기압에 노출되면서 기체로 상변화를 발생하면서 발포되는 현상으로 초임계 유체를 이용한 초미세 발포(Micro Cellular forming process, 일반적으로, "뮤셀(Mucell)"이라 함.)의 기본 원리이다.

하지만. 상기 기술된 초미세 발포는, 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)가 혼련된 용융 플라스틱이 사출금형의 캐비티로 충진될 때, 실린더의 끝단에 형성된 사출 노즐에서부터 발포가 시작되므로, 사출금형의 캐비티 입구인 게이트 주위와 발포된 제품의 끝단부에서 발포 셀의 크기가 상이하게 나타나, 셀 사이즈의 불균일 및 제품 물성의 불균일함이 발생되는 문제점이 있다.

특히, 수지흐름과 금형온도 설정이 최적화되지 못하는 등의 이유로 제품 내부의 기포가 제품 표면까지 빠져나와, 제품의 표면에 가스 자국 등이 생성되어, 외관 저하의 문제가 있다.

한국공개특허 10-2004-0072165

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 셀 사이즈의 불균일 및 제품 물성의 불균일함을 해결하고, 사출 성형품 표면의 가스 자국에 의한 외관불량을 개선하기 위한 초미세 발포용 성형 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 지적된 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 실린더의 내부에 회전 가능하게 배열된 스크류; 상기 실린더의 상단에 장착되는 호퍼; 상기 실린더의 외주부에 설치되는 히터; 상기 실린더에 초임계 유체를 공급하는 초임계 유체 공급 장치; 및 상기 실린더의 끝단 노즐부에 연결 배치되는 사출금형을 포함하고, 상기 사출금형은, 상기 실린더의 끝단 노즐부에 연결되는 고정금형; 상기 고정금형에 가동이 가능하도록 설치되는 가동금형; 상기 고정금형 측에 위치하는 냉각판; 및 상기 가동금형의 내부에 설치되는 히터를 포함하는 초미세 발포용 성형 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 냉각판은, 상기 냉각판의 내부에 위치하는 복수개의 냉각유로를 포함하는 초미세 발포용 성형 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 고정금형은, 상기 초임계 유체와 용융된 수지가 혼련된 상태의 용융 수지조성물이 주입되는 캐비티면을 포함하고, 상기 가동금형은, 상기 캐비티면을 향하는 면에 형성된 코아면을 포함하며, 상기 코아면은 상기 캐비티면과 함께 상기 용융 수지조성물이 주입되는 캐비티를 형성하는 초미세 발포용 성형 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 가동금형을 고정금형 측으로 이동하여, 상기 고정금형의 캐비티면과 상기 가동금형의 코아면에 의해 캐비티(C)를 형성하는 단계; 상기 고정금형의 온도를 제1온도로 유지한 채, 상기 가동금형의 온도를 제2온도로 가열하는 단계; 초임계 유체와 용융된 수지가 혼련된 상태의 용융 수지조성물을 상기 캐비티(C) 내에 충진하는 단계; 및 상기 용융 수지조성물이 상기 캐비티(C) 내에 만충되면, 상기 가동금형을 가열하는 것을 중단하고, 상기 고정금형을 제3온도로 냉각하는 단계를 포함하는 사출성형품의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 제1온도는 40 내지 70℃이고, 상기 제2온도는 180 내지 250℃이며, 상기 제3온도는 15 내지 30℃인 것을 특징으로 하는 사출성형품의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 내부면 및 외부면을 포함하고, 상기 내부면은 가스 자국 또는 수지흐름 자국을 포함하고, 상기 외부면은 가스 자국 또는 수지흐름 자국을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 성형품을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 외부면은 가동금형의 코아면과 대응하는 면이며, 상기 내부면은 이동금형의 캐비티면과 대응하는 면인 것을 특징으로 하는 성형품을 제공한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 셀 사이즈의 균일 및 제품 물성의 균일함을 달성하고, 또한, 제품의 표면에 형성되는 가스자국을 억제함으로써, 사출 제품의 외관 품질을 향상시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 구조의 초미세 발포용 성형 장치를 도시하는 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 초미세 발포용 성형 장치를 도시하는 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 사출금형의 개방된 상태를 도시하는 개략적인 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 사출금형의 폐쇄된 상태를 도시하는 개략적인 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 초미세 발포용 성형 장치를 통해 사출제품을 제조하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.
도 6a는 본 발명에 따른 고정금형 측을 도시하는 실사진이고, 도 6b는 본 발명에 따른 가공금형 측을 도시하는 실사진이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명에 따른 초미세 발포용 성형 장치를 통해 제조된 성형품을 도시하는 실사진이다.
도 8a 내지 도 8c는 일반적인 초미세 발포용 성형 장치를 통해 제조된 성형품을 도시하는 실사진이다.
도 9a 내지 도 9c는 초고온 금형가열기술을 통해 제조된 성형품을 도시하는 실사진이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소와 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 초미세 발포용 성형 장치를 도시하는 개략적인 도면이다.

먼저, 본 발명은 초미세발포 공법 중 사출기 실린더 내에 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)와 용융된 수지가 혼련된 상태에서 사출기 실린더의 노즐 끝단을 통해 금형으로 수지가 충진될 때 압력변화에 의해 발포가 되는 원리를 역이용한 점에 주안점이 있다.

즉, 본 발명은 사출금형내 압력을 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)가 발포되지 않는 상태를 그대로 유지할 수 있는 일정 압력 이상의 분위기를 조성하여, 상기 초임계 유체가 혼련된 용융 플라스틱 수지가 사출금형의 캐비티 내에 충진되더라도 발포가 일어나지 않게 하고, 연이어 사출금형의 캐비티 내에 플라스틱 수지의 충진이 완료될 때, 일제히 사출금형의 캐비티내 압력을 낮추어 플라스틱 수지가 만충진된 상태에서 발포가 진행되도록 한 역배압공법(Counter pressure) 공법을 적용한 점에 특징이 있다.

보다 구체적으로, 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 초미세 발포용 성형 장치(200)는, 실린더(10)의 내부에 회전 가능하게 배열된 스크류(12)와, 실린더 내부에 플라스틱 재료를 공급하기 위하여 실린더(10)의 상단에 장착되는 호퍼(14)와, 실린더(10)의 외주부에 설치되어 실린더(10) 내에 공급된 플라스틱 재료를 용융시키는 히터(16)와, 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)를 공급하는 초임계 유체 공급/제어 장치(32)와, 실린더(10)의 끝단 노즐부에 연결 배치되어 가스가 포함된 용융 플라스틱이 채워지는 캐비티(18)가 형성된 사출금형(100)을 포함한다.

이하에서는, 본 발명에 따른 사출금형을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 사출금형의 개방된 상태를 도시하는 개략적인 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 사출금형의 폐쇄된 상태를 도시하는 개략적인 도면이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 사출금형(100)은, 상기 실린더(도 2의 도면부호 10)의 끝단 노즐부에 연결되는 고정금형(120); 상기 고정금형(120)에 가동이 가능하도록 설치되는 가동금형(140); 및 상기 고정금형(120) 측에 위치하는 냉각판(130)을 포함한다.

이때, 도면에서는 상기 냉각판(130)이 상기 고정금형(120)의 내부에 삽입되어 있는 것으로 도시하고 있으나, 이와는 달리, 상기 냉각판(130)은 상기 고정금형(120)에 부착되어 위치할 수 있는 것으로, 본 발명에서 상기 냉각판(130)의 위치방법을 제한하는 것은 아니다.

상기 고정금형(120)과 상기 가동금형(140)은 일반적인 사출금형에 해당하며, 이때, 상기 냉각판(130)은 상기 고정금형(120) 측에 위치하여, 상기 고정금형(120)을 냉각하기 위한 것으로, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 판형상으로 이루어질 수 있으며, 다만 본 발명에서 상기 냉각판(130)의 형태를 제한하는 것은 아니다.

이때, 본 발명에 따른 사출금형(100)은, 상기 가동금형(140)에 고정되는 가이드핀(141)을 포함하며, 상기 가이드핀(141)의 이동에 따라, 상기 가동금형(140)이 이동하여, 상기 사출금형이 폐쇄(또는 형폐) 또는 개방(또는 형개)될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 사출금형(100)은, 상기 고정금형(120)을 지지하기 위한 고정금형지지판(110) 및 상기 가동금형(140)을 지지하기 위한 가동금형지지판(150)을 더 포함할 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 고정금형지지판(110) 및 가동금형지지판(150)의 유무를 제한하는 것은 아니다.

이때, 상술한 바와 같이, 상기 냉각판(130)은 상기 고정금형(120)에 부착되어 위치할 수 있는 것으로, 이 경우, 상기 냉각판(130)은 상기 고정금형지지판(110)과 상기 고정금형(120)의 사이에 위치할 수 있다.

계속해서, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 고정금형(120)은 상기 초임계 유체가 혼련된 용융 플라스틱 수지(이하에서는 "용융 수지조성물"이라 함.)가 주입되는 캐비티면(121)을 포함하고, 상기 캐비티면(121)의 일정 영역에는 상기 용융 수지조성물이 주입되는 주입통로(123)가 연결되어 있다.

한편, 상기 고정금형(120)은 상기 가이드핀(141)이 삽입되기 위한 안내구멍(122)을 포함하며, 즉, 상기 가이드핀(141)은 상기 안내구멍(122)으로 삽입되어, 상기 가이드핀(141)의 이동에 따라, 상기 가동금형(140)이 이동하여, 상기 사출금형이 폐쇄(또는 형폐)될 수 있다.

또한, 상기 가동금형(140)은 상기 캐비티면(121)을 향하는 면에 코아면(131)이 형성되어 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 가동금형(140)이 이동하여, 상기 사출금형이 폐쇄된 경우, 상기 코아면(131)은 상기 캐비티면(121)과 함께 용융된 수지조성물이 주입되는 캐비티(C)를 형성한다.

일반적으로, 사출금형에서는 상기 고정금형에 캐비티면이 형성되고, 상기 가동금형에 코아면이 형성되어, 상기 고정금형의 캐비티면과 상기 가동금형의 코아면에 의해 캐비티가 형성되며, 이는 당업계에서 자명한 사항이므로, 이하 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

계속해서, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 냉각판(130)은 상기 냉각판(130)의 내부에 위치하는 복수개의 냉각유로(133)를 포함하며, 상기 냉각유로(133)에 냉각수 등의 냉각매체를 공급함으로써, 상기 냉각판(130)은 상기 고정금형(120)의 온도를 제어할 수 있다.

또한, 상기 냉각판(130)은 두랄루민(Duralumin)과 같은 알루미늄 재질로 형성될 수 있으며, 따라서, 상기 냉각판(130)은 히트싱크로의 역할을 하여, 상기 냉각판(130)은 상기 냉각유로(133)를 포함하지 않더라도, 상시적으로 상기 고정금형(120)의 온도를 낮출 수 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.

또한, 상기 가동금형(140)은 상기 가동금형(140)의 내부에 설치되는 복수개의 전열히터(143)를 포함한다.

상기 전열히터(143)는 전원의 공급에 의해 발열하는 것으로, 상기 전열히터(143)의 발열에 의하여, 상기 가동금형(140)의 온도를 제어할 수 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.

이하에서는, 본 발명에 따른 초미세 발포용 성형 장치의 작동에 대해 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명에 따른 초미세 발포용 성형 장치를 통해 사출제품을 제조하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 먼저, 본 발명에 따른 사출제품을 제조하는 방법은, 가동금형을 고정금형 측으로 이동하여, 상기 고정금형의 캐비티면(121)과 상기 가동금형의 코아면(131)에 의해 캐비티(C)를 형성하는 단계를 포함한다(S110).

즉, 상술한 바와 같이, 상기 고정금형(120)은 상기 가이드핀(141)이 삽입되기 위한 안내구멍(122)을 포함하며, 상기 가이드핀(141)은 상기 안내구멍(122)으로 삽입되어, 상기 가이드핀(141)의 이동에 따라, 상기 가동금형(140)이 이동하여, 상기 사출금형이 폐쇄(또는 형폐)될 수 있다.

이때, 상기 가동금형(140)이 상기 고정금형(120) 측으로 이동함에 의하여, 상기 고정금형의 캐비티면(121)과 상기 가동금형의 코아면(131)에 의해 캐비티(C)를 형성하게 된다.

다음으로, 본 발명에 따른 사출제품을 제조하는 방법은, 상기 고정금형의 온도를 제1온도로 유지한 채, 상기 가동금형의 온도를 제2온도로 가열하는 단계를 포함한다(S120).

이때, 상기 제1온도는 40 내지 70℃일 수 있고, 상기 제2온도는 180 내지 250℃일 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 제1온도 및 상기 제2온도는 후술하는 용융 수지 조성물의 온도에 따라 달라질 수 있는 것으로, 본 발명에서 상기 제1온도 및 상기 제2온도의 범위를 제한하는 것은 아니다.

한편, 상술한 바와 같이, 상기 냉각판(130)은 알루미늄 재질로 형성될 수 있으며, 따라서, 상기 냉각판(130)은 히트싱크로의 역할을 하여, 상기 냉각판(130)은 상시적으로 상기 고정금형(120)의 온도를 낮출 수 있으며, 이를 통해, 상기 고정금형의 온도를 제1온도로 유지할 수 있다.

또한, 상기 냉각판(130)은 상기 냉각판(130)의 내부에 위치하는 복수개의 냉각유로(133)를 포함하며, 상기 냉각유로(133)에 냉각수 등의 냉각매체를 공급함으로써, 상기 냉각판(130)은 상기 고정금형(120)의 온도를 제어할 수 있으며, 이를 통하여, 상기 고정금형의 온도를 제1온도로 유지할 수 있다.

또한, 상기 가동금형(140)은 상기 가동금형(140)의 내부에 설치되는 복수개의 전열히터(143)를 포함하며, 상기 전열히터(143)는 전원의 공급에 의해 발열하는 것으로, 상기 전열히터(143)의 발열에 의하여, 상기 가동금형(140)의 온도를 제2온도로 가열할 수 있다.

상기 고정금형의 온도를 제1온도로 유지하는 것을 설명하면 다음과 같다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 초미세발포 공법 중 사출기 실린더 내에 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)와 용융된 수지가 혼련된 상태에서 사출기 실린더의 노즐 끝단을 통해 금형으로 수지가 충진될 때 압력변화에 의해 발포가 되는 원리를 역이용한 점에 주안점이 있다.

즉, 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)와 용융된 수지가 혼련된 상태의 용융 수지조성물은, 사출기 실린더의 노즐 끝단을 통해 금형으로 수지가 충진될 때, 고압에서 저압으로 압력이 낮아짐에 의해, 상기 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)가 발포되어 사출제품의 내부에 기포가 생성되게 된다.

하지만, 상기 초미세 발포는, 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)와 용융된 수지가 혼련된 상태의 용융 수지조성물이 상기 사출금형의 캐비티로 충진될 때, 실린더의 끝단에 형성된 사출 노즐에서부터 발포가 시작되므로, 사출금형의 캐비티 입구인 게이트 주위와 발포된 제품의 끝단부에서 발포 셀의 크기가 상이하게 나타나, 셀 사이즈의 불균일 및 제품 물성의 불균일함이 발생되는 문제점이 있으며, 특히, 수지흐름과 금형온도 설정이 최적화되지 못하는 등의 이유로 제품 내부의 기포가 제품 표면까지 빠져나와, 제품의 표면에 가스 자국 등이 생성되어, 외관 저하의 문제가 있다.

이에 따라, 본 발명에서는, 사출금형 내, 구체적으로 캐비티(C) 내의 압력을 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)가 발포되지 않는 상태를 그대로 유지할 수 있는 일정 압력 이상의 분위기를 조성하여, 상기 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)와 용융된 수지가 혼련된 상태의 용융 수지조성물이 상기 사출금형의 캐비티(C) 내에 충진되더라도 발포가 일어나지 않게 하고, 이후, 사출금형의 캐비티 내에 용융 수지 조성물의 충진이 완료될 때, 일제히 사출금형의 캐비티 내 압력을 낮추어 플라스틱 수지가 만충진된 상태에서 발포가 진행되도록 함으로써, 셀 사이즈의 균일 및 제품 물성의 균일함을 달성하고, 또한, 제품의 표면에 형성되는 가스자국을 억제함으로써, 사출 제품의 외관 품질을 향상시킬 수 있다.

즉, 본 발명의 S120 단계에서, 상기 고정금형의 온도를 제1온도로 유지하는 것은, 상기 캐비티(C) 내의 온도를 낮춤에 의하여 상기 캐비티 내의 압력을 높이기 위함이다.

일반적인 보일의 법칙에 의하여, 기체의 부피와 압력의 곱은 일정하므로, 기체의 압력은 기체의 부피에 반비례하게 된다.

또한, 일반적인 샤를의 법칙에 의하여, 기체의 온도가 증가하면 기체의 부피는 증가하며, 반대로, 기체의 온도가 낮아지면, 기체의 부피도 감소한다.

따라서, 기체의 온도를 낮추면 기체의 부피감소에 따라 기체의 압력은 증가하게 된다.

결국, 상기 고정금형의 온도를 낮춤에 의하여, 상기 캐비티 내의 압력은 증가하게 된다.

이러한 상황, 즉, 상기 캐비티 내의 압력이 증가된 상황에서, 후술하는 단계인, 상기 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)와 용융된 수지가 혼련된 상태의 용융 수지조성물을 상기 사출금형의 캐비티(C) 내에 충진하면, 상기 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)는 발포가 지연되게 된다.

즉, 상기 용융 수지조성물을 상기 캐비티(C) 내에 충진하는 단계를 시작함과 동시에, 상기 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)의 일부의 발포가 이루어지기는 할 것이나, 본 발명에서는, 상기 고정금형의 온도를 낮춤에 의하여, 상기 용융 수지조성물을 상기 사출금형의 캐비티(C) 내에 충진하는 과정에서, 상기 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)의 발포를 최대한 지연시킬 수 있음에 그 의미가 있다.

따라서, 본 발명에서, 상기 고정금형의 온도를 낮추는 것은, 상기 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)가 발포되지 않을 정도의 압력까지 온도를 낮추며, 이는 초임계 유체의 종류, 캐비티의 압력 상태에 따라 적절히 온도를 낮출 수 있으며, 따라서, 본 발명에서 상기 고정금형의 제1온도의 범위를 제한하는 것은 아니다.

상기 가동금형의 온도를 제2온도로 가열하는 것을 설명하면 다음과 같다.

후술하는 단계의 의하여, 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)와 용융된 수지가 혼련된 상태의 용융 수지조성물이 상기 캐비티(C) 내에 충진됨에 있어서, 상기 용융 수지 조성물의 온도는 200 내지 250℃에 해당할 수 있다.

이러한 온도의 상기 용융 수지 조성물은 유동성이 좋은 상태이나, 상기 용융 수지 조성물이 상기 캐비티(C) 내로 충진되는 경우, 상기 고정금형의 낮은 온도에 의하여 그 유동성이 저하되게 된다.

이에 따라, 상기 유동성이 저하된 상기 용융 수지 조성물은, 상기 가동금형(140)의 코어면(131)에 도달하기 전에 고체화가 이루어지게 되면, 이는 결국, 수지 조성물의 유동성 저하에 따른, 성형품 자체의 미성형 문제가 발생하고, 또한, 성형품의 사이즈의 불균일 및 성형품의 물성의 불균일성을 초래하게 된다.

따라서, 본 발명에서는, 상기 가동금형의 온도를 제2온도로 가열함에 의하여, 상기 유동성이 저하된 상기 용융 수지 조성물이, 상기 가동금형(140)의 코어면(131)에 도달하기 전에 고체화되는 것을 방지할 수 있으며, 이를 통해, 성형품 자체의 미성형 문제, 성형품의 사이즈의 불균일 및 성형품의 물성의 불균일성을 해소할 수 있다.

이때, 본 발명에서, 상기 가동금형의 온도를 높이는 것은, 상기 용융 수지 조성물의 유동성을 향상시키기 위한 온도로써, 상기 수지 조성물의 용융 온도에 따라 적절히 온도를 높일 수 있으며, 따라서, 본 발명에서 상기 가동금형의 제2온도의 범위를 제한하는 것은 아니다.

다음으로, 본 발명에 따른 사출제품을 제조하는 방법은, 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)와 용융된 수지가 혼련된 상태의 용융 수지조성물을 상기 캐비티(C) 내에 충진하는 단계를 포함한다(S130).

즉, 상술한 바와 같이, 상기 캐비티 내의 압력이 증가된 상황에서, 상기 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)와 용융된 수지가 혼련된 상태의 용융 수지조성물을 상기 사출금형의 캐비티(C) 내에 충진하기 때문에, 상기 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)는 발포가 지연되게 된다.

또한, 본 발명에서는, 상기 가동금형의 온도를 제2온도로 가열함에 의하여, 상기 유동성이 저하된 상기 용융 수지 조성물이, 상기 가동금형(140)의 코어면(131)에 도달하기 전에 고체화되는 것을 방지할 수 있으며, 이를 통해, 성형품 자체의 미성형 문제, 성형품의 사이즈의 불균일 및 성형품의 물성의 불균일성을 해소할 수 있다.

한편, 상기 가동금형(140)의 코어면(131)에 도달된 상기 용융 수지 조성물은, 상기 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)는 발포가 이루어지게 된다.

즉, 상술한 바와 같은 상기 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)의 발포를 지연시키기 위해, 고정금형의 온도를 낮춘 것과는 반대의 작용으로, 상기 가동금형 측에는 온도가 높아진 상태이므로, 상기 가동금형(140)의 코어면(131)에 도달된 상기 용융 수지 조성물은, 상기 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)는 발포가 이루어지게 된다.

따라서, 본 발명에서 상기 캐비티(C)의 압력분포는, 상기 고정금형(120)과 인접하여 위치하는 캐비티(C) 영역의 압력이 상기 가동금형(140)과 인접하여 위치하는 캐비티(C) 영역의 압력보다 높은 상태에 해당한다.

즉, 상기 고정금형의 온도를 낮춤에 의하여, 상기 고정금형(120)과 인접하여 위치하는 캐비티 영역의 압력은 증가하게 되며, 이를 통하여, 상기 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)는 발포가 지연되게 되며, 이와는 반대로, 상기 가동금형의 온도는 높은 상태이므로, 상기 가동금형(140)과 인접하여 위치하는 캐비티 영역의 압력은 감소하게 되며, 이를 통하여, 상기 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)는 발포가 이루어지게 된다.

다음으로, 본 발명에 따른 사출제품을 제조하는 방법은, 상기 용융 수지조성물이 상기 캐비티(C) 내에 만충되면, 상기 가동금형을 가열하는 것을 중단하고, 상기 고정금형을 제3온도로 냉각하는 단계를 포함한다(S140).

즉, 상기 캐비티(C) 내에 상기 용융 수지조성물이 만충되었으므로, 상기 가동금형을 가열하는 것을 중단하며, 또한, 본 발명에서는, 상기 만충된 용융 수지 조성물의 상기 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)의 발포가 완료된 이후에, 상기 고정금형을 제3온도로 냉각하게 된다.

한편, 상기 고정금형을 제3온도로 냉각하는 것은, 상기 냉각판(130)의 냉각유로(133)에 냉각매체를 공급하여, 상기 고정금형을 제3온도로 냉각할 수 있다.

이때, 상기 제3온도는 15 내지 30℃일 수 있으며, 다만 본 발명에서 상기 제3온도는 상기 수지 조성물의 종류에 따라 달라질 수 있는 것으로, 본 발명에서 상기 제3온도의 범위를 제한하는 것은 아니다.

본 발명에서 상기 고정금형을 제3온도로 냉각하는 것은 다음과 같다.

상술한 바와 같이, 상기 캐비티(C) 내에 상기 용융 수지조성물이 만충되어, 상기 만충된 용융 수지 조성물의 상기 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)의 발포가 완료된 상태이다.

이러한 상태에서 본 발명에서는 상기 용융 수지조성물의 보다 빠른 냉각을 위하여, 상기 고정금형을 제3온도로 냉각함에 의하여, 상기 캐비티(C) 내의 온도를 낮출 수 있다.

즉, 상기 캐비티(C) 내의 온도를 낮춤에 의하여, 상기 용융 수지조성물을 보다 빨리 냉각함으로써, 본 발명에 따른 성형품을 제조할 수 있다.

이후, 상기 가동금형(140)을 상기 고정금형(120)의 반대 측으로 이동하여 금형을 형개하여 제품을 취출함으로써, 본 발명에 따른 사출품을 제조할 수 있다.

도 6a는 본 발명에 따른 고정금형 측을 도시하는 실사진이고, 도 6b는 본 발명에 따른 가공금형 측을 도시하는 실사진이다.

먼저, 도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 고정금형 측은, 상기 실린더(도 2의 도면부호 10)의 끝단 노즐부에 연결되는 고정금형(120); 및 상기 고정금형(120)을 지지하기 위한 고정금형지지판(110)을 포함한다.

이때, 상기 고정금형 측은, 상기 고정금형(120)의 내부에 냉각판(미도시)이 삽입되어 위치할 수 있다.

또한, 상기 고정금형(120)은 상기 초임계 유체가 혼련된 용융 플라스틱 수지(이하에서는 "용융 수지조성물"이라 함.)가 주입되는 캐비티면(121)을 포함한다.

다음으로, 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 가동금형 측은, 상기 고정금형(120)에 가동이 가능하도록 설치되는 가동금형(140); 및 상기 가동금형(140)을 지지하기 위한 가동금형지지판(150)을 포함한다.

이때, 상기 가동금형(140)은 상기 가동금형(140)의 내부에 설치되는 복수개의 전열히터(143)를 포함한다.

또한, 상기 가동금형(140)은 상기 캐비티면(121)을 향하는 면에 코아면(131)이 형성되어 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 가동금형(140)이 이동하여, 상기 사출금형이 폐쇄된 경우, 상기 코아면(131)은 상기 캐비티면(121)과 함께 용융된 수지조성물이 주입되는 캐비티(C)를 형성한다.

도 7a 내지 도 7d는 본 발명에 따른 초미세 발포용 성형 장치를 통해 제조된 성형품을 도시하는 실사진이다.

이때, 도 7a는 본 발명에 따른 성형품의 내부면을 도시하는 도면이고, 도 7b는 본 발명에 따른 성형품의 내부면의 일부 확대도이며, 도 7c는 본 발명에 따른 성형품의 외부면을 도시하는 도면이고, 도 7d는 본 발명에 따른 성형품의 외부면의 일부 확대도이다.

한편, 본 발명에서 상기 성형품의 외부면은, 상술한 가동금형(140)의 코아면(131)과 대응하는 면이며, 상기 성형품의 내부면은 상술한 이동금형(120)의 캐비티면(121)과 대응하는 면으로 정의할 수 있다.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 발명에 따른 성형품의 내부면은, 가스 자국 또는 수지흐름 자국이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있으며, 도 7c 및 도 7d를 참조하면, 본 발명에 따른 성형품의 내부면은, 가스 자국 또는 수지흐름 자국이 형성되어 있지 않은 매끄러운 면에 해당함을 알 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 성형품은 내부면 및 외부면을 포함하고, 상기 내부면은 가스 자국 또는 수지흐름 자국을 포함하고, 상기 외부면은 가스 자국 또는 수지흐름 자국을 포함하지 않는 것을 특징으로 한다.

이때, 상술한 바와 같이, 상기 외부면은, 상기 가동금형(140)의 코아면(131)과 대응하는 면이며, 상기 내부면은 상기 이동금형(120)의 캐비티면(121)과 대응하는 면에 해당하며, 이러한 이유로, 본 발명에서는, 상술한 바와 같은 특징을 갖는 성형품을 제조할 수 있다.

즉, 상기 내부면은 상기 이동금형(120)의 캐비티면(121)과 대응하는 면으로, 상기 캐비티면(121)을 시점으로 하여, 상기 초임계 유체(CO₂ 또는 N₂)는 발포가 이루어지기 때문에, 가스 자국을 포함하게 되며, 또한, 상술한 바와 같이, 상기 이동금형의 경우 온도가 낮기 때문에, 수지흐름 자국이 포함된다.

하지만, 상기 외부면은 상기 가동금형(140)의 코아면(131)과 대응하는 면으로, 상기 가동금형의 경우, 온도가 높기 때문에, 가스 자국 또는 수지흐름 자국을 포함하지 않는다.

도 8a 내지 도 8c는 도 1과 같은 일반적인 초미세 발포용 성형 장치를 통해 제조된 성형품을 도시하는 실사진이다.

이때, 도 8a는 일반적인 초미세 발포용 성형 장치에 따른 성형품의 내부면을 일부를 확대한 확대도이고, 도 7b는 일반적인 초미세 발포용 성형 장치에 따른 성형품의 외부면을 도시하는 도면이며, 도 7c는 일반적인 초미세 발포용 성형 장치에 따른 성형품의 외부면의 일부 확대도이다.

즉, 도 8a 내지 도 8c는 본 발명과 같은 사출금형을 사용하지 않고, 일반적인 사출금형을 사용한 경우로써, 도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 일반적인 초미세 발포용 성형 장치에 따른 성형품의 내부면 및 외부면은, 모두 가스 자국이 형성되어 있어, 본 발명에 따른 성형품과 차이가 있음을 확인할 수 있다.

도 9a 내지 도 9c는 초고온 금형가열기술을 통해 제조된 성형품을 도시하는 실사진이다. 다만, 초고온 금형가열기술이란, E-MOLD 금형을 적용한 사출 성형법을 의미하는 것으로, 예를 들면, 한국공개특허 10-2012-0104917을 참조할 수 있다.

이때, 도 9a는 초고온 금형가열기술에 따른 성형품의 내부면을 일부를 확대한 확대도이고, 도 7b는 초고온 금형가열기술에 따른 성형품의 외부면을 도시하는 도면이며, 도 7c는 초고온 금형가열기술에 따른 성형품의 외부면의 일부 확대도이다.

즉, 도 9a 내지 도 9c는 본 발명과 같은 초임계 발포 기법을 사용하지 않은 사출 성형법에 관한 경우로, 도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 초고온 금형가열기술에 따른 성형품의 내부면 및 외부면은, 모두 수지흐름 자국을 포함하지 않는 매끄러운 면으로 형성되어 있어, 본 발명에 따른 성형품과 차이가 있음을 확인할 수 있다.

하지만, 도 9a 내지 도 9c의 성형품의 경우, 초임계 발포 기법을 사용하지 않았기 때문에, 본 발명에 따른 성형품과 비교하여, 그 무게가 현저하게 증가하게 된다.

다만, 본 발명에서는, 상술한 바와 같이, 초임게 발포 기법을 사용함에 따른 어쩔 수 없는 결과로써, 상기 성형품의 내부면에 가스 자국 또는 수지흐름 자국을 포함하게 되나, 상기 성형품의 내부면은, 실제 제품의 표면이 되는 면이 아닌, 내부에 위치하여 보이지 않는 면에 해당하므로, 이러한 가스 자국 또는 수지흐름 자국은 문제시 되지 않는다.

결국, 본 발명에서는 초임계 발포 기법을 사용하여, 성형품의 무게를 감소시키면서도, 실제 제품의 표면이 되는, 상기 성형품의 외부면을 가스 자국 또는 수지흐름 자국을 포함하지 않는 매끄러운 면으로 형성할 수 있다.

이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 가동금형을 고정금형 측으로 이동하여, 상기 고정금형의 캐비티면과 상기 가동금형의 코아면에 의해 캐비티(C)를 형성하는 단계;
   상기 고정금형의 온도를 제1온도로 유지한 채, 상기 가동금형의 온도를 제2온도로 가열하는 단계;
   초임계 유체와 용융된 수지가 혼련된 상태의 용융 수지조성물을 상기 캐비티(C) 내에 충진하는 단계; 및
   상기 용융 수지조성물이 상기 캐비티(C) 내에 만충되면, 상기 가동금형을 가열하는 것을 중단하고, 상기 고정금형을 제3온도로 냉각하는 단계를 포함하는 사출성형품의 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제1온도는 40 내지 70℃이고, 상기 제2온도는 180 내지 250℃이며, 상기 제3온도는 15 내지 30℃인 것을 특징으로 하는 사출성형품의 제조방법.
6. 내부면 및 외부면을 포함하고,
   상기 내부면은 가스 자국 또는 수지흐름 자국을 포함하고, 상기 외부면은 가스 자국 또는 수지흐름 자국을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 성형품.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 외부면은 가동금형의 코아면과 대응하는 면이며, 상기 내부면은 이동금형의 캐비티면과 대응하는 면인 것을 특징으로 하는 성형품.
   

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