KR102154297B1 - 필름인서트 사출성형방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 필름인서트 사출성형방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 컴퓨터프로그램을 이용하여 제품 표면적에 대해 중심 보로노이 다이어그램(CVD, Centroidal Voronoi Diagram)을 그려 일정 넓이를 가지는 복수의 다각형 영역으로 구분하고, 구분된 복수의 다각형 영역의 중심점 위치를 추출하여 가스핀 위치를 설정하는 단계(S1); 상기 컴퓨터프로그램을 이용하여 구해진 복수의 다각형 중심점의 가스핀 설치 위치에 금형의 배면에서 캐비티 내부와 통하는 관통홀을 천공하는 관통홀 천공단계(S2); 상기 천공된 관통홀에 가스공급장치와 연결된 가스핀을 설치하는 단계(S3); 가스핀이 설치된 금형의 캐비티 내부로 필름을 위치시키는 필름 인서트단계(S4); 필름이 인서트된 금형 내부에 사출을 통해 용융수지를 주입하는 용융수지 주입단계(S5); 용융수지 주입 후 가스공급장치를 통해 금형의 배면에 설치된 가스핀으로 가스를 공급하여 충진시키는 가스 충진단계(S6); 가스충진 후 일정시간 냉각시켜 사출품을 성형시키는 냉각단계(S7);를 포함하여 이루어진다.

Description

필름인서트 사출성형방법{Method of the film insert injection molding}

본 발명은 필름인서트 사출성형방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 필름인서트 사출성형시 사출 후 가스충진을 통해 종래의 보압공정에서 필름의 프라이머층 및 인쇄층이 쓸려나가는 것을 방지하도록 하여 고품질의 제품을 생산할 수 있도록 하는 필름인서트 사출성형방법에 관한 것이다.

필름인서트 사출성형은 금형 내에 인쇄된 금속재질의 박판 필름을 미리 삽입하여 플라스틱 수지의 주입과 동시에 최종 제품을 성형하는 기술이다.

종래의 제품 표면에 내구성 향상이나 외관미를 향상시키기 위해 도금이나 도장을 하였으나, 많은 공정수행과 후처리공정의 수행, 환경오염분제 발생 등 여러가지 문제점이 발생되고, 제품 표면의 외관미 향상에 대한 한계 등에 부딪혀 새로운 제조공법의 개발이 필요하였다.

이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 방법의 하나로 금형 내에 용융수지의 주입전 광택이나 무늬가 인쇄된 필름을 삽입하여 수지를 사출하는 필름인서트 사출성형기술이 개발되었다.

필름인서트 사출성형기술을 통해 제품의 내구성 향상과 외관미를 높일 수 있을 뿐만 아니라 종래의 도금이나 도장 공정에서 발생되었던 문제점들을 해결할 수 있어서 자동차의 내외장 뿐만 아니라 휴대폰이나 각종 전자제품 등에 폭넓게 이용되고 있다.

그러나, 필름인서트 사출성형공정을 수행하는데 이용되는 필름에는 다양한 색상이나 패턴 구현을 위해 주로 인쇄를 통해 인쇄층을 만들고 다시 그 위에는 소재와 접착되는 프라이머 처리를 진행하게 된다.

그러나, 이렇게 처리된 필름은 사출 중 발생하는 높은 사출압력에 의해 프라이머와 인쇄층이 쓸려나가는 워시아웃(wash out) 현상이 빈번하게 발생하고 있으며, 이러한 현상은 특히 보압공정을 수행할 때 발생되는 높은 사출압력에 의해 그 문제점이 두드러지게 나타난다.

최근에는 필름 표면에 단순 인쇄층만을 사용하는 것이 아니라 인쇄면에 각종 회로들을 인쇄하여 별도의 회로없이 필름 단일제품에 전원을 공급한 후 터치만으로 동작되는 필름들이 등장하면서 회로들이 파소된는 문제가 빈번하게 발생되고 있는 실정이다.

물론, 사출성형공정에서 보압공정을 생략하면 인쇄층의 파손이나 쓸려나가는 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있지만, 보압공정을 생략할 경우 캐비티 내의 압력불균일에 의한 제품표면의 수축이나 변형을 해결하기 어려운 문제점이 있었다.

- 대한민국 특허공개 제10-2010-11281호(공개일: 2010.02.03, 발명의 명칭: 필름의 인서트 사출 성형방법) - 대한민국 특허등록 제10-1454159호(등록일: 2014.10.17, 발명의 명칭: 필름인서트 사출성형장치 및 그 방법) - 대한민국 특허공개 제10-2009-97037호(공개일: 2009.09.15, 발명의 명칭: 필름인서트 사출물 및 사출방법)

본 발명은 종래의 필름인서트 사출성형방법에서 발생되었던 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 사출성형 공정 중 보압공정에서 인서트된 필름이 훼손되는 것을 방지하여 제품 생산성을 향상시킬 수 있도록 함은 물론 고품질의 제품을 생산할 수 있도록 하는 필름인서트 사출성형방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 필름인서트 사출성형방법은 컴퓨터프로그램을 이용하여 제품 표면적에 대해 중심 보로노이 다이어그램(CVD, Centroidal Voronoi Diagram)을 그려 복수의 다각형 영역의 중심점 위치를 추출하여 그 위치에 가스핀을 설치하는 단계; 가스핀이 설치된 금형의 캐비티 내부로 필름 인서트 후 용융수지를 주입하고, 설치된 복수의 압력센서를 통해 캐비티 내부의 압력을 파악하는 단계; 및 파악된 캐비티 내부의 압력 중 상대적으로 낮은 압력을 유지하는 게이트 근처의 가스핀에 가스를 공급하여 캐비티 내부에 충진된 가스압력이 그 상위압력과 동등수준이 유지되도록 하는 가스 충진단계;를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 가스충진단계에서 충진되는 가스압력은 100~200bar, 충진시간은 5~10초로 이루어지고, 가스충진단계에 이용되는 충진가스는 공기 또는 질소가스로 구성되는 특징으로 이루어진다.

상술한 본 발명에 따른 필름인서트 사출성형방법으로 사출성형을 하게 되면 종래의 보압공정을 수행함에 따라 발생되었던 필름의 프리이머층과 인쇄층이 쓸려나가는 현상을 방지하여 필름인서트 제품의 품질을 향상시킬 수 있도록 함은 물론 불량제품의 발생으로 인한 재료의 손실을 방지할 수 있도록 한다.

특히, 필름에 회로 등이 인쇄된 경우 필름에 인쇄된 회로의 손상을 방지하여 고품질의 필름인서트 제품 사출이 가능하도록 하여 다양한 기능성 제품으로 적용범위를 넓혀 수익성을 한층 배가시킬 수 있도록 한다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 적용된 CVD를 이용하여 제품표면에 대해 다수개의 다각형 영역으로 분할하는 개념도 및 이를 통해 얻어지는 보로노이 다각형의 예시도,
도 3은 CVD를 이용하여 다수개로 분할된 다각형 영역의 중심부에 가스핀을 설치하기 위한 중심점이 표시된 상태도,
도 4는 본 발명에 따른 사출성형방법에서 금형에 가스핀이 설치된 개략도,
도 5는 본 발명에 따른 필름인서트 사출성형방법의 개략적인 플로우차트,
도 6은 본 발명에 따른 필름인서트 사출성형방법으로 성형된 필름인서트 사출물의 단면도이다.

본 발명에 따른 필름인서트 사출성형방법은 종래의 일반적인 필름인서트 사출성형방법과 일부 공정은 동일 또는 유사하게 수행되지만, 사출성형품의 품질을 좌우하는 보압공정을 생략하고 종래의 보압공정 대신하여 가스충진 공정을 통해 사출성형품의 품질을 향상시킬 수 이는 사출성형방법을 제공한다.

특히, 본 발명은 가스사출을 위해 금형에 설치되는 가스핀의 설치 위치를 CVD(Centroidal Voronoi Diagram)를 이용하여 복수의 다각형 영역을 구하고, 그 다각형 영역의 중심점을 찾아 가스핀의 설치 위치로 설정하여 가스충진공정을 통해 사출성형이 완료되도록 구성된다.

따라서, 본 발명에 따른 필름인서트 사출성형방법은 컴퓨터프로그램을 이용하여 제품 표면적에 대해 중심 보로노이 다이어그램(CVD, Centroidal Voronoi Diagram)을 이용하여 일정 넓이를 가지는 복수의 다각형 영역으로 분할하고, 분할된 복수의 다각형 영역의 중심부 위치를 구하여 가스핀이 설치위치로 설정하는 단계와, 컴퓨터프로그램을 통해 구하여진 복수의 다각형 중심점의 가스핀 설치 위치에 해당되는 금형의 배면에 캐비티 내부와 통하는 관통홀을 천공하는 관통홀 천공단계와, 상기 천공된 관통홀에 가스공급장치와 연결된 가스핀을 설치하는 단계와, 가스핀이 설치된 금형의 캐비티 내부로 필름을 위치시키는 필름 인서트단계와, 필름이 인서트된 금형 내부에 사출을 통해 용융수지를 주입하는 용융수지 주입단계와, 용융수지 주입 후 캐비티 내부 압력을 센싱하는 복수의 압력센서를 통해 캐비티 내부의 압력을 파악하여 상대적으로 낮은 압력을 유지하는 게이트 근처의 가스핀에 가스를 공급, 캐비티 내부로 가스가 충진되도록 하여 그 상위압력과 동등 수준이 유지되로록 하는 가스 충진단계 및 가스충진 후 일정시간 냉각시켜 사출품을 성형시키는 냉각단계;를 포함하는 구성으로 이루어진다.

이와 더불어, 상기 가스충진단계에서 이용되는 충진가스는 공기 또는 질소가스로 구성되는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참고하면서 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 CVD(Centroidal Voronoi Diagram)를 이용해서 금형(제품) 표면적을 다수의 다각형으로 분할하여 그 중심점을 찾은 후에 그 중심점에 가스핀을 설치하여 용융수지 주입 후 가스핀을 통한 가스충전을 통해 종래의 보압공정을 대체하도록 함으로써 고품질의 필름인서트 사출제품을 얻을 수 있는 방법을 제공한다.

먼저, 도 1 및 도 2를 참고하면서 본 발명에서 이용하고 있는 CVD(Centroidal Voronoi Diagram)에 대해서 간단하게 설명한다.

도 1은 본 발명에서 CVD를 이용하기 위해 제품표면에 대해 다수개의 다각형 영역을 분할하는 개념을 (a), (b), (c) 순서대로 도시하고 있고, 도 2는 도 1의 과정을 거쳐 다수개의 다각형 영역으로 분할된 보로노이 다각형을 도시한 것이다.

CVD(Centroidal Voronoi Diagram)는 보로노이 다이어그램(Voronoi Diagram)을 이용하여 그 중심점을 찾는 것이다.

즉, 보로노이 다이아그램(Voronoi Diagram)은 도 1의 (a)에 도시된 것처럼 평면위에 여러개의 점(생성점)을 찍어 가장 인접한 두 개의 점을 선택해 두개의 점을 연결하는 선에 수직인 수직이등분선을 그린다(b).

이러한 방법으로 인접하는 선을 연결하고 연결된 선분의 수직이등분선을 계속해서 그려나가면 수직이등분선을 변으로 하는 다각형이 만들어지는 면이 다각형들로 분할된다(c).

이와 같은 방법을 계속해 나가면 도 2에 도시된 바와 같이 다수개로 분할된 다각형을 보로노이 다각형(Voronoi Diagram)이 만들어지게 된다.

한편, 컴퓨터프로그램을 통해 상술한 보로노이 다각형으로 분할된 다수개의 다각형 중심부에 중심점을 표시한 CVD(Centroidal Voronoi Diagram)가 도 3에 도시되어 있다.

본 발명에서는 CVD를 이용하여 찾은 다각형의 중심점을 후술하는 가스핀의 설치 위치로 정한다.

다수개의 보로노이 다각형에서 그 중심점을 찾는 것은 금형의 기본적인 정보가 입력된 컴퓨터를 이용하게 되며, 그 중심점을 찾는데는 아래 [식 1] 및 [식 2]를 이용하게 된다.

상술한 [식 1] 및 [식 2]를 이용하여 각각의 다각형 중심점을 찾은 후에 그 중심점에 해당되는 위치의 금형 배면에 가스핀을 설치할 위치를 표시한 후에 관통공을 형성한다.

상기 가스핀을 설치할 관통공은 금형의 배면에서 캐비티 내부로 관통되게 형성하고, 형성된 관통공에 가스핀을 설치하는 것으로, 도 4에는 상형(10)과 하형(20)으로 이루어진 금형 내부에 가스핀(30)이 설치된 상태가 간략하게 도시되어 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 가스핀(30)은 가스를 용융수지가 충진된 캐비티(C) 내부로 분사하는 분사노즐(32)과, 금형의 내부로 관통된 관통공을 통해 상기 분사노즐로 가스를 공급하도록 관통공 내부에 설치되는 가스관(34)이 설치된 구성으로 이루어진다.

물론, 금형에 가공된 관통공에 별도의 가스관을 삽입하지 않고 분사노늘만 설치할 수도 있지만, 가스의 누출방지를 위해 가스관을 별도로 삽입 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 금형의 배면으로 노출되는 가스관(34)의 말단부에는 가스공급장치(40)에서 가스를 공급받아 공급하는 가스공급호스(36)가 연결되며, 상기 가스공급장치(40)의 동작 및 가스공급시간은 자동제어프로그램이 설치된 컴퓨터의 메인컨트롤부에 의해 자동 제어되도록 구성되며, 이러한 사출성형공정에서의 자동제어공정은 통상적으로 수행되는 것이어서 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이와 같이 금형의 배면에 관통된 다수개의 가스핀(30)에 가스공급장치(40)가 연결된 상태에서 아래의 공정에 의해 용융수지의 사출 및 제품 성형이 이루어지게 되며, 용융수지 사출 후 상기 가스공급장치에서 가스핀으로 공기나 질소가스를 이용한 가스 충진이 이루어지면서 캐비티 내부의 불균일한 압력을 균일하게 유지시켜 품질이 향상된 제품을 생산될 수 있도록 한다.

즉, 도 5에는 본 발명의 실시예에 따른 필름인서트 사출성형방법의 플로우차트가 도시되어 있으며, 이를 참고하면서 본 발명에 따른 사출성형공정을 설명한다.

본 발명에 따른 CVD를 이용한 사출성형을 수행하기 위해서는 기본적으로 금형에 관련된 정보가 컴퓨터에 입력된 상태에서 금형의 표면적에 대해 임의의 점(생성점)을 찍은 후 상술한 보로노이 다각형을 그리고, 보로노이 다각형 각각의 중심점을 찾는다(S1).

물론, 각각의 보로노이 다각형에 대한 중심점을 구하는 과정은 상술한 [식1], [식 2]를 이용한 컴퓨터 프로그램을 통해 각 다각형에 대한 중심점을 찾은 후에 그 중심점을 금형의 배면에 표시한다.

보로노이 다각형의 크기나 갯수 등은 제품을 성형하는 수지의 종류나 제품의 크기 등에 따라 컴퓨터 프로그램상에서 작업자가 임의로 설정할 수 있다.

상술한 보로노이 다각형은 2차원 평면 또는 3차원 형상으로 표시하거나 구할 수 있으며, 그 다각형의 중심점 또한 2차원 및 3차원좌표로 구할 수 있게 된다.

따라서, 컴퓨터 프로그램을 이용하여 각 보로노이 다각형의 중심점을 찾은 후에 실제 금형의 배면에 그 중심점을 표시한 후에 금형 내부의 캐비티와 관통되도록 관통공을 천공한다(S2).

다수개의 관통공을 천공시킨 후에 준비된 가스핀을 각각의 관통공에 삽입 설치한다(S3).

상기 가스핀에는 가스관과 가스공급호스가 연결되고, 가스공급호스는 가스공급장치와 연결되어 가스공급장치에서 공급되는 가스가 가스핀을 통해 금형의 캐비티 내부로 충진될 수 있도록 구성된다.

이와 같이 사출금형을 준비한 후에 가스핀이 설치된 금형의 캐비티 내부로 필름을 위치시키는 필름 인서트단계를 수행한다(S4).

인서트되는 필름은 각 제품의 특징에 따라 다양한 그림이나 패턴, 전기회로 등이 인쇄된 상태이며, 용융수지와 접촉되는 이면에는 프라이머층이 형성된 상태가 된다.

이와 같이 제품의 소재 표면에 구성될 필름을 금형의 캐비티 내부에 인서트시킨 후에 사출장치를 동작시켜 캐비티 내부로 용융수지를 주입하는 용융수지 주입단계가 수행된다(S5).

용융수지를 캐비티에 주입함에 따라 그 내부 압력이 상승하게 되고, 캐비티 내부에 채워지는 용융수지는 캐비티 체적의 85~95%정도까지 충진이 이루어지면서 그 내부에 미리 설치된 필름의 프라이머층과 접촉되면서 필름이 사출품의 표면에 융착된다.

이와 같이, 용융수지를 충진시킨 후에 종래는 별도의 보압공정을 수행하는 불편이 있었으나, 본 발명은 가스핀을 통해 용융수지가 충진된 캐비티 내부로 100~200bar 정도의 압력으로 5초~10초간 공기 또는 질소가스를 충진시킨다(S6).

충진되는 가스압력이 100bar 이하일 경우에는 캐비티의 내부에 채워진 용융수지에 유동성을 가하는 것이 어렵고, 200bar 이상이면 과도한 압력으로 필름의 인쇄층이 훼손될 수 있는 위험성이 있어서 통상 용융수지 주입 후 캐비티 내부에서 형성되는 압력보다 다소 높은 압력으로 가스를 충진하는 것이 바람직하다.

또한, 가스 충진시간은 5~10초 이내로 설정하여 비교적 짧은 시간에 용융수지의 유동성이 낮아지기 전에 신속하게 충진하는 것이 바람직하고, 상기 시간 이내에서 수회 분할하여 가스충진을 제어할 수도 있다.

가스충전이 이루어짐으로써 압력이 낮게 유지된 캐비티 내부로 용융수지가 이동되면서 캐비티 내부 전체가 균일한 압력분포상태를 유지하게 되고, 이로 인해 사출품의 표면과 접촉되는 필름의 프라이머층과 인쇄층이 손상되지 않고 최초 인쇄된 상태로 유지되면서 일정시간 냉각(S7)을 시키면 인서트된 필름은 인쇄층이 그대로 유지되면서 사출품과 견고한 융착이 이루어지게 된다.

가스충진은 컴퓨터프로그램에 설정된 시간과 압력제어에 따라 자동으로 이루어지게 되며, 이와 같은 가스충진단계는 필요에 따라 수회 반복되면서 가스 충진이 이루어질 수 있도록 구성될 수 있다.

이와 같은 공정을 통해 필름인서트 사출성형을 하게 되면, 도 7의 단면도에 도시된 바와 같이 필름의 프라이머층과 인쇄층이 어느 한쪽으로 쏠리지 않고 전체적으로 균일한 상태가 유지되어 성형제품에서 하자가 발생되는 것을 줄여 제품의 생산성 향상은 물론 고품질의 제품을 생산할 수 있도록 한다.

10 : 상형 15 : 게이트
20 : 하형
30 : 가스핀 32 : 분사노즐
34 : 가스관 36 : 가스공급호스
40 : 가스공급장치
C : 캐비티

Claims (2)

1. 컴퓨터프로그램을 이용하여 제품 표면적에 대해 중심 보로노이 다이어그램(CVD, Centroidal Voronoi Diagram)을 그려 복수의 다각형 영역의 중심점 위치를 추출하여 그 위치에 가스핀을 설치하는 단계;
   가스핀이 설치된 금형의 캐비티 내부로 필름 인서트 후 용융수지를 주입하고, 설치된 복수의 압력센서를 통해 캐비티 내부의 압력을 파악하는 단계; 및
   파악된 캐비티 내부의 압력 중 상대적으로 낮은 압력을 유지하는 게이트 근처의 가스핀에 가스를 공급하여 캐비티 내부에 충진된 가스압력이 그 상위압력과 동등수준이 유지되도록 하는 가스 충진단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 필름인서트 사출 성형방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가스충진단계에서 충진되는 가스압력은 100~200bar, 충진시간은 5~10초 로 이루어지고,
   상기 가스충진단계에서 이용되는 충진가스는 공기 또는 질소가스로 구성되는 것을 특징으로 하는 필름인서트 사출성형방법.

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