KR102129197B1 - 가열장치가 삽입된 사출금형 장치 및 이를 이용한 성형방법 - Google Patents

가열장치가 삽입된 사출금형 장치 및 이를 이용한 성형방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 가열장치가 삽입된 사출금형 장치는 상부 금형; 상부 금형과 맞물리며, 내측에 기설정된 형상의 코어 수용부가 형성된 하부 금형; 하부 금형에 하단면이 접촉한 상태로 고정된 하부코어; 외주면의 기울기가 하부 금형에 형성된 코어 수용부의 내측면의 기울기와 대응되는 형상으로 구비되어, 일 영역에 상단면을 국부적으로 가열시키는 평판형 가열장치가 삽입되고 평판형 가열장치를 고정시키는 고정판이 평판형 가열장치 하단에 결속되며, 상부 금형의 움직임에 따라 하부코어와 접촉상태가 변경되는 상부코어; 및 하부코어에 일단이 고정되고 상기 상부코어에 타단이 고정되어, 상부 금형이 상승하는 경우 상부코어를 상승시켜 하부코어와 상부코어를 분리하고, 상부 금형이 하강하는 경우 상부코어를 하강시켜 하부코어와 상부코어를 접촉시키는 코어 조절부;를 포함할 수 있다.

Description

가열장치가 삽입된 사출금형 장치 및 이를 이용한 성형방법{INJECTION MOLDING APPARATUS WITH EMBEDDED HEATING DEVICE AND MOLDING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 가열장치가 삽입된 사출금형 장치 및 이를 이용한 성형방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코어 등의 금형 성형부를 국부적으로 가열하고 가열된 성형부를 급속으로 냉각할 수 있는 가열장치가 삽입된 사출금형 장치 및 이를 이용한 성형방법에 관한 것이다.
사출 성형(Injection molding)은 대표적인 플라스틱 성형공정으로 고분자 소재를 고온으로 분사하여 금형 캐버티 내부를 채워 제품을 성형하는 대량생산 공정이다.
최근 디스플레이 제품의 대형화 및 휴대용 전자기기의 경량화에 따른 박육 사출(Thin-wall injection molding)의 수요가 늘고 있으며, 박육 사출 성형품의 불량을 방지하기 위해 효과적인 금형가열 기법이 연구되고 있다.
그러나, 사출 성형 중 고온의 소재에서 금형면으로 열전달이 발생하면서 소재의 온도가 저하되어 미성형이나 표면불량 등의 문제가 발생하고 있으며, 이러한 성형불량의 해결을 위해 금형 내부에 온수 또는 Oil을 순환시키거나 카트리지 히터를 삽입하여 금형 온도를 조절하는 방법이 적용되고 있으나, 가열시 금형 전체의 온도가 상승하게 되어 냉각시간을 증가시키는 문제점이 있다. 이와 관련된 선행기술(한국공개특허 제10-2013-0124774호)은 성형면에 절연체가 포함되어 발열체로부터 생성된 열의 전도 효율이 낮으며 가열된 성형면을 강제적으로 냉각시키기 위해 냉각수 배관이 구비되어야 하는 문제점이 있다. 또한, 가열 플레이트의 열팽창으로 인해 안내구멍의 위치가 이동하게 되어 가이드핀을 통한 금형의 원활한 이송이 어려워지는 문제점이 있다.
이에 따라, 냉각시간을 크게 저하시키기 않으면서도 성형시 금형 표면 온도를 효과적으로 올려주기 위한 금형의 급속 가열/냉각기술이 개발되고 있으며, 특히 증기가열, 전열가열 금형(E-Mold), 고주파 유도가열 방법 등이 개발되어 일부 생산라인에 적용되고 있으나 장비구축에 소요되는 비용이 과다하여 도입에 한계가 있으며, 보다 효율적인 급속 가열기법이 요구되고 있다.
한국공개특허 제10-2013-0124774호
본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 성형면의 국부적인 가열이 가능하고, 추가적인 냉각장치를 구비하지 않고도 가열된 성형면을 급속도로 냉각시킬 수 있는 가열장치가 삽입된 사출금형 장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 성형과정에서 성형부를 금형과 미세하게 분리하여 금형 전체적인 온도를 상승시키지 않으면서 성형부를 국부적으로 가열할 수 있는 가열장치가 삽입된 사출금형 장치 및 이를 이용한 성형방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 가열장치가 삽입된 사출금형 장치는 상부 금형; 상기 상부 금형과 맞물리며, 내측에 기설정된 형상의 코어 수용부가 형성된 하부 금형; 상기 하부 금형에 하단면이 접촉한 상태로 고정된 하부코어; 외주면의 기울기가 상기 하부 금형에 형성된 코어 수용부의 내측면의 기울기와 대응되는 형상으로 구비되어, 일 영역에 상단면을 국부적으로 가열시키는 평판형 가열장치가 삽입되고 상기 평판형 가열장치를 고정시키는 고정판이 상기 평판형 가열장치 하단에 결속되며, 상기 상부 금형의 움직임에 따라 상기 하부코어와 접촉상태가 변경되는 상부코어; 및 상기 하부코어에 일단이 고정되고 상기 상부코어에 타단이 고정되어, 상기 상부 금형이 상승하는 경우 상기 상부코어를 상승시켜 상기 하부코어와 상부코어를 분리하고, 상기 상부 금형이 하강하는 경우 상기 상부코어를 하강시켜 상기 하부코어와 상부코어를 접촉시키는 코어 조절부;를 포함한다.
또한, 상기 코어 수용부는, 개방된 일단으로부터 폐쇄된 타단으로 점진적으로 협소해지는 홈이 형성되고, 상기 상부코어는, 냉각된 경우 상기 코어 수용부의 내측면과 상기 외주면이 기설정된 간극을 유지하며, 열팽창된 상태에서 상기 코어 수용부로 삽입시 상기 외주면이 상기 코어 수용부의 내측면과 접촉된 상태를 유지하고, 하단에 상기 코어 조절부가 삽입되기 위한 삽입공, 및 상기 상단면의 온도를 측정하는 온도 센서,를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 상부코어는, 상기 내측면과 부분적으로 접촉하여 냉각속도를 감소시키는 요철부가 상기 외주면에 기설정된 패턴으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 코어 조절부는, 상기 상부 금형의 하강시 압축되고, 상기 상부 금형의 상승시 복원되는 탄성체;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예를 따르는 가열장치가 삽입된 사출금형 장치를 이용한 성형방법은 상부코어에 삽입된 평판형 가열장치를 통해 상기 상부코어 상단면의 온도를 국부적으로 상승시키는 가열 단계; 상부 금형의 하강을 통해 상기 상부코어와 하부코어를 접촉시키며, 상기 상부 금형과 하부 금형을 접촉시켜 용융된 고분자 소재가 유입될 성형부 공간을 형성하는 형폐 단계; 가열된 상기 상부코어와 상기 상부 금형 간 이격된 공간에 용융된 소재를 유입시키는 성형 단계; 상기 성형 단계 이후, 가열된 상기 상부코어로부터 상기 하부코어 또는 상기 하부 금형으로 열전달을 통해 상기 상부코어를 냉각시키는 냉각 단계; 및 상기 상부 코어 및 유입된 소재의 냉각이 완료된 후, 상기 상부 금형이 재상승되며 상기 상부코어의 상단면에서 성형된 성형품을 분리시키고, 동시에 상기 상부코어와 상기 하부코어가 분리되어 상기 상부코어의 상단면이 상기 평판형 가열장치를 통해 재가열되는 취출 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 가열장치가 삽입된 사출금형 장치는 코어 조절을 통해 평판형 가열장치가 삽입된 상부코어와 하부코어를 분리하여 상부코어를 독립적으로 가열함으로써 가열시간을 획기적으로 단축시킬 수 있으며, 상부코어의 성형면을 국부적으로 가열하여 소재 유입시 성형부 표면을 고온으로 유지함으로써 성형품의 표면품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 가열장치가 삽입된 사출금형 장치는 상부코어가 하부 금형으로 완전히 삽입시, 하부 금형의 내측면과 상부코어의 외주면이 접촉된 상태를 유지하여 상부코어의 유동이 최소화될 수 있으며, 이를 통해 사출공정이 진행되는 과정에서 상부코어와 하부 금형의 충돌이 감소하여 사출금형 장치의 내구성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 가열장치가 삽입된 사출금형 장치는 성형부에 해당되는 위치를 국부적으로 가열하여 열팽창을 국부적으로 발생시키고 전체 금형의 치수변화에 영향을 미치지 않음으로써, 사출공정이 진행되는 과정에서 가이드핀을 통한 금형의 이송에 문제가 생기는 현상을 방지함으로써 사출금형 장치의 기대수명이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 가열장치가 삽입된 사출금형 장치는 평판형 가열장치를 고정시키기 위한 고정판이 상부코어 하단에 삽입되는 형태로 제공됨으로써 저비용으로 가열장치를 개/보수 하여 운전할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 가열장치가 삽입된 사출금형 장치를 이용한 성형방법은 평판형 가열장치가 삽입된 상태로 공정을 연속적으로 수행할 수 있어, 반복적인 사출성형에 적합하고 전체적인 사출공정 시간을 감소시켜 성형품의 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가열장치가 삽입된 사출금형 장치의 개략도이다.
도 2는 도 1의 가열장치가 삽입된 사출금형 장치 중 하부 금형 및 상/하부코어를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 A 를 확대한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가열장치가 삽입된 사출금형 장치를 이용한 성형방법의 흐름도이다.
도 5a 내지 도 5e는 도 1의 가열장치가 삽입된 사출금형 장치를 이용하여 성형품을 성형하는 방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 6 내지 도 8은 하부 금형과 상부코어의 경사면에 요철이 형성된 예시를 나타낸 도면들이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경 될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 가열장치가 삽입된 사출금형 장치는 코어 조절부를 통해 평판형 가열장치가 삽입된 상부코어와 하부코어를 분리하여 상부코어를 독립적으로 가열함으로써 가열시간을 획기적으로 단축시킬 수 있으며, 상부코어의 성형면을 국부적으로 가열하여 소재로부터 성형면으로 열이 방출되는 것을 방지함으로써 성형품의 표면품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가열장치가 삽입된 사출금형 장치의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가열장치가 삽입된 사출금형 장치(1)는 상부 금형(11), 하부 금형(13), 하부코어(17), 상부코어(15) 및 코어 조절부(19)를 포함한다.
상부 금형(11)은 상승 및 하강운동을 반복하며, 하강시 하부 금형(13) 및 상부코어(15)와 맞닿아 성형부를 형성할 수 있다. 상부 금형(11)은 일 영역에 용융된 소재를 주입하기 위한 주입구가 형성되어 성형부 내측으로 소재가 공급될 수 있다. 또한, 상부 금형(11)에는 상부 금형의 이동을 가이드하는 가이드핀이 관통할 수 있는 가이드홈이 형성될 수 있다.
하부 금형(13)은 상부 금형(11)과 맞물릴 수 있다. 하부 금형(13)은 내측에 기설정된 형상의 코어 수용부가 형성될 수 있다. 하부 금형(13)은 상부 금형(11)과 접촉하여 금형이 폐쇄되는 경우, 상부 금형(11)에 형성된 가이드홈과 연결되는 가이드홈이 형성될 수 있다. 이처럼, 상부 금형(11)과 하부 금형(13)을 연하도록 형성된 가이드 홈은, 상부코어(15)의 가열을 통해 열팽창이 발생하더라도, 그 위치가 변경되지 않아, 가이드핀에 의한 금형의 이동이 용이하게 이루어질 수 있다.
하부코어(17)는 하부 금형(13)의 코어 수용부에 삽입될 수 있다. 하부코어(17)는 하부 금형(13)에 하단면에 접촉한 상태로 고정될 수 있다.
상부코어(15)는 하부 금형(13)의 코어 수용부에 삽입될 수 있다. 상부코어(15)는 외주면의 기울기가 하부 금형(13)에 형성된 코어 수용부의 내측면의 기울기와 대응되는 형상으로 구비될 수 있다. 상부코어(15)는 일 영역에 상단면을 국부적으로 가열시키는 평판형 가열장치가 삽입될 수 있다. 상부코어(15)는 평판형 가열장치를 고정시키는 고정판이 평판형 가열장치 하단에 결속될 수 있다. 상부코어(15)는 상부 금형(11)의 움직임에 따라 하부코어(17)와 접촉상태가 변경될 수 있다. 상부코어(15)는 코어 수용부의 내측면(131)과 부분적으로 접촉하여 냉각속도를 감소시키는 요철부가 외주면(151)에 기설정된 패턴으로 형성될 수 있다.
한편, 상부코어(15)는 냉각된 경우 코어 수용부의 내측면(131)과 외주면(159)이 기설정된 간극을 유지하며, 열팽창된 상태에서 코어 수용부로 완전히 삽입시 외주면(159)이 코어 수용부의 내측면(131)과 접촉된 상태를 유지할 수 있다.
또한, 상부코어(15)는 평판형 가열장치에 의해 가열되는 경우 발생하는 열팽창에 대비하여, 상부코어(15)와 하부 금형(13)의 코어 수용부 간 기설정된 간극을 유지하는 규격으로 제공될 수 있다. 또한, 상부코어(15)의 외주면(159)에는 코어 수용부(131)와 부분적으로 접촉하고 공기층을 형성하여 열에너지의 전도를 감소시키기 위해 기설정된 패턴의 요철부가 형성될 수 있다. 상부코어(15)와 하부 금형(13) 간 형성되는 간극 및 패터닝된 요철부와 관련된 설명은 하기의 도 3 또는 도 6 내지 도 8을 통해 상술하도록 한다.
코어 조절부(19)는 하부코어(17)에 일단이 고정되고 상부코어(15)에 타단이 고정될 수 있다. 코어 조절부(19)는 상부 금형(11)이 상승하는 경우 상부코어(15)를 상승시켜 하부코어(17)와 상부코어(15)를 분리시킬 수 있다. 반면, 코어 조절부(19)는 상부 금형(11)이 하강하는 경우 상부코어(15)를 하강시켜 하부코어(17)와 상부코어(15)를 접촉시킬 수 있다. 또한, 코어 조절부(19)는 탄성체(191)를 더 포함할 수 있다.
이하에서는, 하부 금형(13)에 삽입된 상부코어(15), 하부코어(17) 및 코어 조절부(19)에 대하여 도 2 및 도 3을 통해 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 도 1의 가열장치가 삽입된 사출금형 장치 중 하부 금형 및 상/하부코어를 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 A 를 확대한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 하부 금형(13)의 코어 수용부가 형성될 수 있다. 코어 수용부는 내측면(131)이 기설정된 형태로 제공되어 개방된 일단으로부터 폐쇄된 타단으로 점진적으로 협소해지는 홈이 형성될 수 있다. 상세하게, 도 3과 같이 내측면(131)이 일정한 기울기를 갖도록 형성될 수 있다. 상세하게, 내측면(131)이 코어 수용부의 바닥면과 90 내지 150도의 각도를 이루는 기울기로 형성될 수 있으나 이에 제한되지 않으며, 하부 금형(13)과 상부코어(15)의 크기 및 설계상의 변형에 따라 다양한 각도를 이루는 기울기로 형성될 수 있다.
상부코어(15)의 외주면이 코어 수용부의 내측면(131)과 나란하게 형성되어 상승 또는 하강시 상부코어(15)의 유동이 최소화되고, 코어 조절부(19)로 전달되는 외력이 최소화될 수 있다.
한편, 상부코어(15)는 평판형 가열장치(151), 고정판(153), 삽입공(155), 상단면(157) 및 외주면(159)을 포함하고, 온도 센서(미도시)를 더 포함할 수 있다.
평판형 가열장치(151)는 상부코어(15)의 상단면(157)을 국부적으로 가열하기 위해 상부코어(15)의 임의의 영역에 삽입될 수 있다. 평판형 가열장치(151)는 상부 금형(11)과 상부코어(15) 간 성형부를 집중적으로 가열할 수 있다. 이처럼, 평판형 가열장치(151)는 상단면(157)을 국부적으로 가열함으로써, 성형과정에서 성형품의 품질을 향상시킬 수 있으며, 상부코어(15)의 상단면(157)을 제외한 영역은 열에너지를 방출하여 상부코어(15)와 접촉한 상부 또는 하부 금형(11, 13)의 과도한 손상을 방지할 수 있다.
평판형 가열장치(151)를 통해 가열된 상부코어(15)는 하부코어(17)와 접촉하여 가열된 열에너지를 방출할 수 있다. 또한, 상부코어(15)는 하부코어(17)와 분리됨에 따라 방출되는 열에너지가 감소하여 재가열될 수 있다.
고정판(153)은 평판형 가열장치(151)를 고정시키기 위해 상부코어(15)의 하단에 연결될 수 있다. 고정판(153)은 상부코어(15)와 나사 결합, 슬라이드형 결합, 힌지형 결합 등 다양한 형태로 결합될 수 있으나 이에 제한되지 않고, 평판형 가열장치(151)를 고정시키기 위한 모든 형태로 상부코어(15)에 결합될 수 있다. 또한, 고정판(153)은 열전도율이 낮은 소재로 제작되어, 하부코어(17)와 접촉시 상부코어(15)가 지나치게 빨리 냉각되는 현상을 방지할 수 있다.
삽입공(155)은 하부코어(17)에 고정된 코어 조절부(19)의 타단이 삽입되는 구멍으로, 코어 조절부(19)의 개수보다 많거나 같은 숫자가 형성될 수 있다. 삽입공(155)은 코어 조절부(19)의 직경보다 크게 형성될 수 있다. 또한, 삽입공(155)의 일부 영역은 직경이 확장되어 탄성체(191)가 용이하게 삽입될 수 있다. 삽입공(155)과 탄성체(191)는 물리적으로 연결될 수 있다. 특히, 상부 금형(11)이 하강하여 상부코어(15)에 의해 탄성체(191)가 압축되는 경우, 탄성체(191)는 최대한 압축된 상태로 삽입공(155)에 수용될 수 있다. 이후, 상부 금형(11)이 상승함에 따라, 탄성체(191)가 복원되며, 삽입공(155)과 접촉된 면적을 통해 탄성체(191)의 복원력을 전달함으로써 상부코어(15)가 상승할 수 있다.
상단면(157)은 용액형태의 소재가 성형되는 영역으로, 평판형 가열장치(151)에 의해 지속적으로 가열될 수 있다. 상단면(157)은 상부코어(15) 중 요철이 형성되어 상부 금형(11)과 성형부를 형성하는 공간으로 이해될 수 있다. 일 예로, 상단면(157)은 상부 금형(11)으로 융기된 부분의 표면일 수 있다. 이 경우, 상부 금형(11)은 융기된 상단면(157)과 대응되는 형태의 침강부가 형성될 수 있다. 다른 예로, 상단면은 하부 금형으로 침강된 부분의 표면일 수 있다. 이 경우 상부 금형은 침강된 상단면과 대응되는 형태의 융기부가 형성될 수 있다.
외주면(159)의 기울기는 하부 금형(13)의 내측면(131)의 기울기와 대응되는 형태로 형성될 수 있다. 외주면(159)을 통해 상부코어(15)의 상승 또는 하강 이동이 가이드 될 수 있으며, 내측면(131)과 맞닿은 외주면(159)의 구조를 통해 이동시 상부코어(15)의 유동이 최소화될 수 있다. 또한, 외주면(159)은 일정하게 패터닝된 요철부를 가질 수 있으며, 내측면(131)과 이격된 공간 사이에 공기층을 형성하여 단열효과를 부여함으로써 상부코어(15)로부터 하부 금형(13)으로의 열전달을 감소시킬 수 있다.또한, 외주면(159)은 열팽창에 의한 부피변화가 발생하는 경우에도 하부 금형(13)과 충돌을 예방하기 위해 하부 금형(13)의 내측면(131)과 일정한 간극을 유지하는 규격으로 형성될 수 있다.
마찬가지로, 내측면(131)은 일정하게 패터닝된 요철부를 가질 수 있으며, 외주면(159)과 이격된 공간 사이에 공기층을 형성하여 단열효과를 부여함으로써 상부코어(15)로부터 하부 금형(13)으로의 열전달을 감소시킬 수 있다.한편, 외주면(159) 또는 내측면(131)에 형성된 요철부는 상부코어(15)의 냉각속도를 조절하기 위해 패터닝된 형상 또는 패터닝된 치수가 변경된 형태로 적용될 수 있다. 일 예로, 외주면(159) 또는 내측면(131)에 형성된 요철부 중, 오목한 부분에 의해 생기는 공기층을 확장시키고, 볼록한 부분에 의해 접촉되는 면적을 최소화 하여 열전달율을 감소시켜, 상부코어(15)의 냉각 속도를 감소시킬 수 있다.
다른 예로, 외주면(159) 또는 내측면(131)에 형성된 요철부 중, 오목한 부분의 깊이를 단축시켜 공기층의 두께를 얇게하고, 볼록한 부분에 의해 접촉되는 면적을 확장하여 전술한 예시보다 향상시켜, 상부코어(15)의 냉각 속도를 향상시킬 수 있다.
이처럼, 요철부 중 오목한 부분과 볼록한 부분의 설계상의 변형을 통해 상부코어(15)의 냉각속도를 제어할 수 있으며, 요구되는 냉각조건에 따라 다양한 형태의 패턴을 적용하여 알맞은 냉각 속도를 유지할 수 있다.
한편, 코어 조절부(19)의 기대수명을 향상시키기 위해 외주면(159)의 거칠기를 조절할 수 있으며, 이와 유사하게 상부코어(15)의 높이를 세밀하게 조절하기 위해 설계상의 변형이 이루어질 수 있다
일 예로, 외주면(159)과 내측면(131)에는 상부코어(15)의 단계적 높이변경을 확인하기 위한 게이지가 추가될 수 있다. 다른 예로, 외주면(159)과 내측면(131) 사이에는 고정단이 추가되어, 상부코어(15)의 가동범위를 제한할 수 있으며, 상부코어(15)를 일정 높이에서 고정시킬 수 있다. 이를 통해, 코어 조절부(19) 또는 하부코어(17)를 수용한 하부 금형(13)의 개/보수가 용이하게 이루어질 수 있다.
온도 센서는 상단면(157)의 온도를 지속적으로 감지할 수 있다. 온도 센서를 통해 측정한 온도를 기초로 상부코어(15)의 상승 또는 하강속도를 조절할 수 있다. 상세하게, 고온의 성형조건이 필요한 성형품의 경우 상부코어(15)의 상승 및 하강속도를 감소시켜 상단면(157)의 온도를 최대한 높게 설정하고, 상부코어(15)를 하강시켜 상단면(157)의 온도가 높게 유지된 상태로 소재를 주입할 수 있다. 반면, 저온의 성형조건이 필요한 성형품의 경우 상부코어(15)의 상승 및 하강속도를 향상시켜 상단면(157)의 온도를 적정한 수준으로 설정하고, 상부코어(15)를 하강시킨 뒤 소재를 주입할 수 있다. 이처럼 온도센서는 상부코어(15)의 온도를 측정하고 피드백을 통해 성형환경을 건전하게 유지하고, 성형품의 품질을 향상시키기 위해 구비될 수 있다.
이처럼, 상부코어(15)는 외주면(159)이 코어 수용부의 내측면(131)과 접촉된 상태를 유지할 수 있으며, 상부 금형(11)의 상승과 동시에 코어 조절부(19)로부터 전달되는 복원력에 의해 상승되면서 하부 금형(13)과 간극을 형성할 수 있다. 상부코어(15)는 하단에 코어 조절부(19)가 삽입되기 위한 삽입공(155)이 형성될 수 있으며, 상부코어(15)는 상단면(157)의 온도를 온도 센서를 통해 측정하여, 사용자가 소재의 성형에 알맞은 환경을 용이하게 설정할 수 있다.
하부코어(17)는 상부 금형(11)의 하강으로 인한 압력이 상부코어(15)로 전달되어 상부코어(15)와 접착되는 경우 고정판(153)을 통해 전달되는 열을 흡수하여 외부로 방출시킬 수 있다. 하부코어(17)는 전면을 통해 흡수된 열에너지를 방출할 수 있다. 하부코어(17)는 상부코어(15)와 접촉하는 면의 열전도성이 다른 영역의 열전도성 보다 낮을 수 있다. 이를 통해, 상부코어(15)와 하부코어(17)의 접촉시, 고정판(153)의 열에너지가 전달되어 상부코어(15)가 냉각되는 속도를 조절할 수 있다. 또한, 하부코어(17)는 코어 조절부(19)와 물리적으로 연결될 수 있다. 하부코어(17)는 탄성체(191)와 연결되어 탄성체(191)에서 발생하는 탄성력을 전달받을 수 있으며, 하부코어(17)와 코어 조절부(19)가 연결된 영역은 단열처리되어 코어 조절부(19)의 열변형을 예방할 수 있다.
코어 조절부(19)의 탄성체(191)는 상부 금형(11)의 하강시 압축되고, 상부 금형(11)의 상승시 복원될 수 있다. 탄성체(191)는 상부코어(15) 및 하부코어(17)와 양단이 연결되어 압력을 직접 전달받을 수 있으며, 팽창시 복원력을 상부 및 하부코어(15, 17)에 직접 전달할 수 있다. 코어 조절부(19) 및 탄성체(191)는 단열소재로 제공되어, 상부코어(15) 및 하부코어(17)에서 방출되는 열에너지에 의한 변형이 최소화될 수 있다.
한편, 코어 조절부(19)는 상부코어(15)의 안정적인 이동을 위해 복수개 배치될 수 있으며, 특히 상부코어(15)의 중심점을 기준으로 대칭되는 형태로 배치될 수 있다. 상세하게, 상부코어(15)의 중심점을 기준으로 대칭되는 형태로 배치된 코어 조절부는 동일한 탄성계수를 가질 수 있다. 이를 통해, 상승 또는 하강하는 상부코어(15)는 수평을 유지한 상태로 이동할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 가열장치가 삽입된 사출금형 장치를 이용한 성형방법에 대하여 설명한다. 하기의 설명에서 가열장치가 삽입된 사출금형 장치의 구성 및 특성과 관련되어 중복된 부분은 생략하며, 가열장치가 삽입된 사출금형 장치를 이용한 성형방법에 관련한 서술을 추가적으로 기재하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가열장치가 삽입된 사출금형 장치를 이용한 성형방법의 흐름도이며, 도 5a 내지 도 5e는 도 1의 가열장치가 삽입된 사출금형 장치를 이용하여 성형품을 성형하는 방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5a 내지 도 5e를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가열장치가 삽입된 사출금형 장치를 이용한 성형방법은 가열 단계(S1), 형폐 단계(S3), 성형 단계(S5), 냉각 단계(S7) 및 취출 단계(S9)를 포함한다.
가열 단계(S1)에서는 도 5a와 같이 상부코어(15)에 삽입된 평판형 가열장치(151)를 통해 상부코어(15) 상단면(157)의 온도를 국부적으로 상승시킬 수 있다. 가열 단계(S1)에서는 상부 금형(11)이 상승한 상태로, 상부코어(15)가 탄성체(191)의 반발력에 의해 하부 금형(13) 밖으로 돌출된 상태로 정지될 수 있다. 가열 단계(S1)에서는 상부코어(15)가 하부 금형(13)과 접촉되지 않은 상태에서 빠른 상태로 가열될 수 있다.
이후, 형폐 단계(S3)에서는 상부 금형(11)의 하강을 통해 상부코어(15)와 하부코어(17)를 접촉시킬 수 있다. 형폐 단계(S3)에서는 상부 금형(11)이 하강하여 하부 금형(13)과 접촉하여 금형이 닫히는 단계로, 하부코어(17)와 연결된 코어 조절부(19)의 탄성체(191)가 점진적으로 압축되며, 상부코어(15)가 하부 금형(13) 내부로 삽입될 수 있다.
한편, 형폐 단계(S3)에서는 상부코어(15)와 하부 금형(13)과의 접촉이 발생하며, 도 5b와 같이 상부 금형(11)과 하부 금형(13)을 접촉시켜 용융된 고분자 소재(9)가 유입될 성형부 공간을 형성하고, 하부 금형(13)의 내측면(131)과 상부코어(15)의 외주면(159)의 접촉으로 인하여 상부코어(15)의 일부 영역에서 냉각이 시작될 수 있다. 다만, 상부코어(15)의 상단면(157)은 지속적으로 가열이 되고 있는 상태이며, 이를 통해 소재의 높은 성형성 및 상부코어(15)의 과변형 방지효과를 동시에 기대할 수 있다. 이처럼, 형폐 단계(S3)에서는 상부코어(15)의 부분 냉각시 열전달을 통한 냉각이 이루어지므로 별도의 냉각장치가 요구되지 않는 이점이 있다.
성형 단계(S5)에서는 가열된 상부코어(15)와 상부 금형(11) 간 이격된 공간에 용융된 고분자 소재(9)를 유입시킬 수 있다. 성형 단계(S5)에서는 용융된 상태의 고분자 소재(9)를 상부 금형(11)과 상부코어(15) 간 성형부로 유입시킬 수 있다. 성형 단계(S5)에서는 상부코어(15)에서 지속적인 가열이 이루어지며, 하부코어(17)로의 열전달이 지속되어 전체적인 코어의 온도가 하강할 수 있다. 특히, 성형 단계(S5)에서는 용융된 상태의 액상 고분자 소재(9)가 스푸르-런너-게이트(Spure-Runner-Gate)를 통해 상부 금형(11)과 상부코어(15)간 빈 공간인 성형부에 충전될 수 있다.
한편, 성형 단계(S5)에서는 도 5c와 같이 상부 금형(11)의 상단에 형성된 주입구를 통해 고분자 소재(9)가 상단면(157)을 포함하는 성형부로 점진적으로 주입될 수 있으며, 상부 금형(11)과 상부 코어(15) 간 성형부를 모두 충진하는 경우 고분자 소재(9)의 주입이 정지될 수 있다.
냉각 단계(S7)에서는 상부코어(15)로부터 하부코어(17), 하부 금형(13) 또는 상부 금형(11)으로 열전도가 발생하여 상부코어(15)의 전체적인 온도가 하강할 수 있다. 또한, 성형 단계(S5)에서 고온으로 유입된 고분자 소재(9)는 도 5d와 같이 상부 금형(11)과 하부 금형(13)으로의 열에너지가 방출되어 냉각과정을 통해 성형품(9')으로 고화될 수 있다.취출 단계(S9)에서는 냉각 단계(S7)에서 유입된 소재의 고화가 완료된 후, 도 5e와 같이 상부 금형(11)이 재상승되며 상부코어(15)의 상단면(157)에서 성형된 성형품(9')을 분리시키고, 동시에 상부코어(15)와 하부코어(17)가 분리되어 상부코어(15)의 상단면(157)이 평판형 가열장치(151)를 통해 재가열될 수 있다. 이처럼, 취출 단계(S9)에서는 상부 금형(11)이 다시 열리며, 취출장치에 의해 성형품(9')이 상부코어(15)로부터 분리될 수 있다. 이때, 탄성체(191)의 작용으로 상부코어(15)가 하부코어(17) 및 하부 금형(13)으로부터 분리되어 상승하며, 상부코어(15)는 열방출이 최소화되고 평판형 가열장치(151)에 의해 재가열되어 온도가 재상승할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 가열장치가 삽입된 사출금형 장치는 형폐 단계(S3)에서 상부코어가 지나치게 빠른 속도로 냉각하는 현상을 방지하기 위해 전술한 바와 같이 하부 금형과 상부코어간 접촉면을 감소시키기 위한 요철부가 형성될 수 있다. 이와 관련된 설명은 도 6 내지 도 8을 통해 상술하도록 한다.
도 6 내지 도 8은 하부 금형과 상부코어의 경사면에 요철이 형성된 예시를 나타낸 도면들이다.
상세하게, 도 6은 외주면(159)에 요철이 형성된 상부코어(15)가 하부 금형(13)에 삽입된 형태를 나타내고, 도 7은 분리된 상태의 상부코어(15)를 나타내며, 도 8은 상부 및 하부코어가 분리된 상태의 하부 금형(13)을 나타낸다.
상부코어(15)는 경사지거나 수직하게 형성된 외주면(159)에 기설정된 패턴으로 요철이 형성될 수 있으며, 상부코어(15)는 외주면(159)에 형성된 패턴과 대응되는 패턴의 요철이 내측면(131)에 형성될 수 있다.
일 예로, 외주면(159)에 형성된 볼록한 영역과 내측면(131)에 형성된 오목한 영역이 접촉되고, 외주면(159)에 형성된 오목한 영역과 내측면(131)에 형성된 볼록한 영역은 기설정된 간격으로 이격될 수 있다.
반대로 외주면(159)에 형성된 오목한 영역과 내측면(131)에 형성된 볼록한 영역이 접촉되고, 외주면(159)에 형성된 볼록한 영역과 내측면(131)에 형성된 오목한 영역은 기설정된 간격으로 이격될 수 있다.
또한, 외주면(159)은 패터닝된 요철부가 형성되지 않고 내측면(131)에 패터닝된 요철부가 선택적으로 형성될 수 있으며, 이와 반대로 외주면(159)에 패터닝된 요철부가 형성되고 내측면(131)에 패터닝된 요철부가 형성되지 않은 형태로 제공될 수 있다. 즉, 요철부는 외주면(159) 또는 내측면(131)에 선택적으로 형성될 수 있으며, 적용되는 형태는 상부코어(15)의 냉각조건에 따라 상이하게 적용될 수 있다.이 같은 형상을 통해, 편평한 외주면을 포함하는 상부코어 및 하부 금형이 접촉하는 면적이 감소할 수 있으며, 상부코어(15)와 하부 금형이 접촉하는 형폐 단계(S3)에서 상부코어가 과도하게 빠른 속도로 냉각되는 현상을 예방할 수 있으며, 높은 온도의 성형조건이 요구되는 경우, 상부코어(15)의 상단면(157)이 장시간동안 고온을 유지할 수 있는 장점이 있다.
한편, 전술한 가열장치가 삽입된 사출금형 장치 및 이를 이용한 성형방법은 하부 금형에 가열장치를 삽입한 예시에 제한되지 않고, 상부 금형에 가열장치를 삽입하거나 상부 및 하부 금형에 모두 가열장치를 삽입할 수 있으며, 이러한 예시에서도 전술한 가열장치가 삽입된 사출금형 장치의 구성 및 특성을 통해 동일한 목적 및 효과를 달성할 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 가열장치가 삽입된 사출금형 장치는 상부코어가 하부 금형으로 완전히 삽입시, 하부 금형의 내측면과 상부코어의 외주면이 접촉된 상태를 유지하여 상부코어의 유동이 최소화될 수 있으며, 이를 통해 사출공정이 진행되는 과정에서 상부코어와 하부 금형의 충돌이 감소하여 사출금형 장치의 내구성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 가열장치가 삽입된 사출금형 장치는 성형부에 해당하는 위치를 국부적으로 가열하여 열팽창을 국부적으로 발생시키고 전체 금형의 치수 변화에 영향을 미치지 않음으로써, 사출공정이 진행되는 과정에서 가이드핀을 통한 금형의 이송에 문제가 생기는 현상을 방지함으로써 사출금형 장치의 기대수명이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 가열장치가 삽입된 사출금형 장치는 평판형 가열장치를 고정시키기 위한 고정판이 상부코어 하단에 삽입되는 형태로 제공됨으로써 저비용으로 가열장치를 개/보수 하여 운전할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 가열장치가 삽입된 사출금형 장치를 이용한 성형방법은 평판형 가열장치가 삽입된 상태로 공정을 연속적으로 수행할 수 있어, 반복적인 사출성형에 적합하고 전체적인 사출공정 시간을 감소시켜 성형품의 생산성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
본 발명의 가열장치가 삽입된 사출금형 장치 및 이를 이용한 성형방법은 코어를 급속으로 가열함으로써 성형시 성형성 향상 및 각종 표면불량 방지 등의 효과를 얻으면서도 냉각시간을 크게 지연시키지 않아 제품의 생산성을 저하시키지 않고, 성형품의 품질을 향상시킬 수 있다. 특히, 기존의 증기가열, 고주파 유도가열 등에 비해 적은 설비투자와 운전비용으로 금형을 가열할 수 있다.
또한, 본 발명의 가열장치가 삽입된 사출금형 장치 및 이를 이용한 성형방법은 수직방향으로 금형이 이동하여 개/폐되는 수직형 사출기 이외에도, 수평방향으로 가동측 금형이 이동하여 개/폐되는 수평형 사출기에 적용될 수 있다.
상세하게, 수평형 사출기의 고정측 금형은 본 발명의 상부 금형의 구성 및 특성을 포함할 수 있으며, 수평형 사출기의 가동측 금형은 본 발명의 하부 금형의 구성 및 특성을 포함할 수 있다. 이처럼, 금형의 이동방향이 상이하게 변경되더라도 본 발명의 각 구성요소에 대응되는 특성이 동일하게 적용될 수 있으며, 이를 통해 단일방향으로 개/폐되는 사출기에 제한적으로 적용되지 않고, 다양한 방향으로 개/폐되는 사출기에 적용되어 폭넓은 시장성을 가질 수 있다.
한편, 국내 금형 생산 현황 중 사출성형, 다이캐스팅 등의 복합 금형 장비의 국내 시장규모는 2015년 기준 2조 960억원으로 조사되었으며, 향후 5년간 평균 5.2%의 성장률을 보일 것으로 예상되고 있다.
국내뿐 아니라 일본의 FUJI SEIKO에서는 고온가스(증기)를 금형 내 채널을 통해 분사하여 금형을 가열하는 RHCM(Rapid Heat Cycle Mold)을 개발하였으며, 일부 국내 업체에서 도입하여 사용되고 있다. 또한, 대만의 Chung Yuan Christian University 에서는 고주파 유도가열을 사용하여 사출금형을 급속으로 가열하기 위한 기술을 개발하고, 미세부품 유동성 향상, 웰드라인 제거 등의 효과를 나타내는 등 해당분야에서 다양한 연구개발 및 투자가 이루어지고 있어, 본 발명에 따른 가열장치가 삽입된 사출금형 장치 및 이를 이용한 성형방법에 대한 지속적인 수요가 예상된다.
1: 사출금형 장치
11: 상부 금형
13: 하부 금형
131: 내측면
15: 상부코어
151: 평판형 가열장치
153: 고정판
155: 삽입공
157: 상단면
159: 외주면
17: 하부코어
19: 코어 조절부
191: 탄성체
9: 고분자 소재
9': 성형품

Claims (5)

  1. 상부 금형;
    상기 상부 금형과 맞물리며, 내측에 기설정된 형상의 코어 수용부가 형성된 하부 금형;
    상기 하부 금형에 하단면이 접촉한 상태로 고정된 하부코어;
    외주면의 기울기가 상기 하부 금형에 형성된 코어 수용부의 내측면의 기울기와 대응되는 형상으로 구비되어, 일 영역에 상단면을 국부적으로 가열시키는 평판형 가열장치가 삽입되고 상기 평판형 가열장치를 고정시키는 고정판이 상기 평판형 가열장치 하단에 결속되며, 상기 상부 금형의 움직임에 따라 상기 하부코어와 접촉상태가 변경되는 상부코어; 및
    상기 하부코어에 일단이 고정되고 상기 상부코어에 타단이 고정되어, 상기 상부 금형이 상승하는 경우 상기 상부코어를 상승시켜 상기 하부코어와 상부코어를 분리하고, 상기 상부 금형이 하강하는 경우 상기 상부코어를 하강시켜 상기 하부코어와 상부코어를 접촉시키는 코어 조절부;를 포함하는, 가열장치가 삽입된 사출금형 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어 수용부는,
    개방된 일단으로부터 폐쇄된 타단으로 점진적으로 협소해지는 홈이 형성되고,
    상기 상부코어는,
    냉각된 경우 상기 코어 수용부의 내측면과 상기 외주면이 기설정된 간극을 유지하며, 열팽창된 상태에서 상기 코어 수용부로 삽입시 상기 외주면이 상기 코어 수용부의 내측면과 접촉된 상태를 유지하고, 하단에 상기 코어 조절부가 삽입되기 위한 삽입공 및 상기 상단면의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함하는, 가열장치가 삽입된 사출금형 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부코어는,
    상기 내측면과 부분적으로 접촉하여 냉각속도를 감소시키는 요철부가 상기 외주면에 기설정된 패턴으로 형성된, 가열장치가 삽입된 사출금형 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어 조절부는,
    상기 상부 금형의 하강시 압축되고, 상기 상부 금형의 상승시 복원되는 탄성체;를 더 포함하는, 가열장치가 삽입된 사출금형 장치.
  5. 상부코어에 삽입된 평판형 가열장치를 통해 상기 상부코어 상단면의 온도를 국부적으로 상승시키는 가열 단계;
    상부 금형의 하강을 통해 상기 상부코어와 하부코어를 접촉시키며, 상기 상부 금형과 하부 금형을 접촉시켜 용융된 고분자 소재가 유입될 성형부 공간을 형성하는 형폐 단계;
    가열된 상기 상부코어와 상기 상부 금형 간 이격된 공간에 용융된 소재를 유입시키는 성형 단계;
    상기 성형 단계 이후, 가열된 상기 상부코어로부터 상기 하부코어 또는 상기 하부 금형으로 열전달을 통해 상기 상부코어를 냉각시키는 냉각 단계; 및
    상기 상부 코어 및 유입된 소재의 냉각이 완료된 후, 상기 상부 금형이 재상승되며 상기 상부코어의 상단면에서 성형된 성형품을 분리시키고, 동시에 상기 상부코어와 상기 하부코어가 분리되어 상기 상부코어의 상단면이 상기 평판형 가열장치를 통해 재가열되는 취출 단계;를 포함하는, 가열장치가 삽입된 사출금형 장치를 이용한 성형방법.
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