KR102246701B1 - 가스의 용액 상태를 결정하는 방법 - Google Patents

가스의 용액 상태를 결정하는 방법 Download PDF

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Abstract

(i) 상기 플라스틱 용융물(2)을 가스와 함께 챔버 (4)에 제공하는 단계,
(ii) 상기 챔버(4)의 체적을 변경, 특히 감소시킴으로써, 상기 가스와 함께 상기 플라스틱 용융물의 압력을 제 1 압력 값으로부터 제 2 압력 값으로 변경, 특히 증가시키는 단계,
(iii) 상기 플라스틱 용융물(2)을 성형 공동(5) 내로 도입하는 단계, 및
(iv) 상기 플라스틱 용융물(2)의 압축 거동의 적어도 하나의 압축 파라미터 특성치, 특히 압축 모듈러스(K)를 제 1 압력 값 및 제 2 압력 값으로부터 계산하는 단계
를 수행하는, 플라스틱 성형 방법에 사용되는 플라스틱 용융물(2)에서 가스의 용액 상태를 결정하는 방법으로서, 추가적으로,
(v) 상기 적어도 하나의 압축 파라미터로부터 상기 가스가 상기 플라스틱 용융물(2)에 실질적으로 완전히 용해되는지를 결정하고 및/또는 상기 적어도 하나의 압축 파라미터로부터 상기 플라스틱 용융물(2) 내의 가스의 용해 한계를 결정하는 단계를 특징으로 하는 방법을 제공한다.

Description

가스의 용액 상태를 결정하는 방법{METHOD OF DETERMINING A SOLUTION STATE OF A GAS}
본 발명은, 플라스틱 성형 방법에 사용되는 플라스틱 용융물 내의 가스의 용액 상태를 결정하는 방법 및 플라스틱 성형 방법에서 플라스틱 용융물 내의 가스의 용액 상태를 결정하기 위한 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다.
사용된 플라스틱 용융물에 대한 압축 시험을 수행하는 것은 사출 성형 기계의 사출 유닛에 의해 공지되어 있다. AT 517 128 A1은 이에 관한 것이다.
또한, DE 10 2007 030 637 A1은 압축 모듈러스를 확인함으로써 사출 성형 가능한 물질의 분말 성분 및 결합제 성분으로부터 정량적 비율을 추론하는 특수한 적용례를 개시하고 있다.
사용되는 플라스틱 용융물에 가스가 첨가되는 사출 성형 방법이 또한 공지되어 있다. 이는 예를 들어 가스 주입기에 의한 가소화 실린더 내의 플라스틱의 가소화 중에 수행될 수 있다.
이와 관련하여, 플라스틱 용융물에 첨가되는 가스는 실질적으로 완전히 용해되는 것이 중요하다. 그렇지 않으면 플라스틱 용융물 내의 작은 가스 기포가 플라스틱 성형 방법으로 생성된(경화된) 부품에 기포 결함, 가스 쿠션 또는 줄무늬를 발생시킬 수 있다. 또 하나의 결과는 심각한 왜곡, 즉 가스 쿠션의 폭발적인 파열이 일어나게 되면 목적한 구성요소의 기하구조로부터 심각한 편차가 발생할 수 있다. 이러한 부정적인 결과는 해당 구성요소를 사용할 수 없게 하여 거부해 버리는 결과로 이어질 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 불용 가스로 인해 폐기물이 감소되거나 또는 부정적인 성분 특성이 적은 가스-로딩된 플라스틱 용융물의 사출 성형을 위한 방법 및 컴퓨터 프로그램 제품을 제공하는 것이다.
상기 방법과 관련하여, 상기 목적은 다음 방법의 특징에 의해 달성된다:
(i) 플라스틱 용융물을 가스와 함께 챔버에 제공하는 단계,
(ii) 상기 챔버의 체적을 변경, 특히 감소시킴으로써, 상기 가스와 함께 상기 플라스틱 용융물의 압력을 제 1 압력 값으로부터 제 2 압력 값으로 변경, 특히 증가시키는 단계,
(iii) 상기 플라스틱 용융물을 성형 공동(shaping cavity) 내로 도입하는 단계, 및
(iv) 상기 플라스틱 용융물의 압축 거동의 적어도 하나의 압축 파라미터 특성치(compression parameter characteristic), 특히 압축 모듈러스(K)를 상기 제 1 압력 값 및 상기 제 2 압력 값으로부터 계산하는 단계
를 수행하는, 플라스틱 성형 방법에 사용되는 플라스틱 용융물에서 가스의 용액 상태를 결정하는 방법으로서, 추가적으로
(v) 상기 적어도 하나의 압축 파라미터로부터 상기 가스가 상기 플라스틱 용융물에 실질적으로 완전히 용해되는지를 결정하고 및/또는 상기 적어도 하나의 압축 파라미터로부터 상기 플라스틱 용융물 내의 가스의 용해 한계(solubility limit)를 결정하는 단계를 특징으로 하는 방법.
플라스틱 성형 방법과 관련하여, 단계 (v)의 과정에서, 가스가 플라스틱 용융물에 실질적으로 완전히 용해되는지가 적어도 하나의 압축 파라미터로부터 결정되고 및/또는 적어도 하나의 압축 파라미터로부터 플라스틱 용융물 내의 가스의 용해 한계(solubility limit)가 결정된다는 점이다.
컴퓨터 프로그램 제품, 즉 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독할 수 있는 매체와 관련하여, 상기 목적은 보다 구체적으로는 프로그램을 실행할 때 컴퓨터가 하기 단계들을 수행하도록 하는 명령이 제공되는 한, 본 발명의 특징에 의해 달성된다:
- 챔버에 가스와 함께 플라스틱 용융물을 제공하기 위해 성형 기계에 적어도 하나의 제 1 작동 신호를 출력하는 단계,
- 상기 챔버의 체적을 변경, 특히 감소시키기 위해 성형 기계에 적어도 하나의 제 2 작동 신호를 출력하여, 가스와 함께 플라스틱 용융물의 압력을 제 1 압력 값으로부터 제 2 압력 값으로 변경, 특히 증가시키는 단계,
- 성형 공동에 플라스틱 용융물을 도입하기 위해 적어도 하나의 제 3 작동 신호를 성형 기계에 출력하는 단계,
- 제 1 압력 값 및 제 2 압력 값으로부터 플라스틱 용융물의 압축 거동의 적어도 하나의 압축 파라미터 특성치, 특히 압축 모듈러스(modulus of compression)를 계산하는 단계, 및
- 상기 가스가 상기 플라스틱 용융물에 실질적으로 완전히 용해되는지 여부를 적어도 하나의 압축 파라미터로부터 결정하고 및/또는 상기 적어도 하나의 압축 파라미터로부터 상기 플라스틱 용융물 내의 가스의 용해 한계를 결정하는 단계.
특히 본 발명과 관련하여 유리한 점은 가스가 플라스틱 용융물에 실질적으로 완전히 용해되는지 여부를 결정하고 및/또는 용해 한계를 결정하는 작업이 플라스틱 성형 공정을 크게 방해하지 않으면서 성형 기계에서 직접(따라서 상대적으로 신속하게) 수행될 수 있다는 점이다. 이는 다른 테스트로부터의 측정 결과를 성형 기계로 전송함으로써 발생할 수 있는 문제들을 제거한다.
챔버 또는 플라스틱 용융물 내로의 가스의 도입은 가소화 작업 중에 일어날 수 있음에 주목해야 한다. 플라스틱 용융물 내로 가스를 도입하는 것은 주입에 의해, 특히 가스 주입기에 의해 수행될 수 있다.
단계 (ii)와 관련하여, 챔버의 부피는 감소되거나 증가될 수 있다. 바람직한 전자의 경우, 가스와 함께 플라스틱 용융물 내의 압력은 제 1 압력 값으로부터 제 2 압력 값으로 증가하거나, 그렇지 않으면 감소된다.
단계 (iv)의 과정에서 압축 모듈러스가 계산될 수 있다. 대안적인 압축 파라미터, 즉 플라스틱 용융물의 압축 거동을 설명하는 파라미터는 예를 들면 압축률 또는 (압력-의존성) 고유 밀도(specific density)일 수 있다.
단계 (iv) 및 (v)는 플라스틱 성형 공정 중에 또는 후에 수행될 수 있다.
단계 (ⅰ) 내지 (ⅳ)은 압축 시험으로서 함께 나타낼 수 있다.
용액 상태, 즉 가스가 플라스틱 용융물에 완전히 용해되었는지 여부 또는 그 정도에 대한 의문과 함께 적어도 하나의 압축 파라미터와 용액 상태 사이의 공지된 관계는 적어도 하나의 압축 파라미터로부터 결정될 수 있다. 본 발명에 따르면, 용액 상태를 결정하는 작업은 가스가 플라스틱 용융물에 실질적으로 완전히 용해되는지를 결정하는 작업으로 간주된다.
용해 한계는 값으로서 또는 하한 또는 상한의 형태로, 즉 고려되는 공정 파라미터에 대한 용해 한계는 특정 값 초과이거나 미만의 기술 형태로 결정될 수 있다.
용해 한계 표시는 가스량을 나타내기 위해 사용되며, 이 값을 초과하면 플라스틱 용융물 내의 가스의 완전한 용해가 더 이상 적용되지 않는다. 용해 한계는 사용된 물질 및 온도와 같은 추가적인 파라미터에 의존할 수 있다. 이는 내포량(intensive quantity) 또는 외연량(extensive quantity)으로서 공식화될 수 있다.
압축 파라미터, 특히 압축 모듈러스를 계산하기 위해, 제 1 압력 값 및 제 2 압력 값 이외에, 초기 체적 및 체적의 변화에 관한 데이터가 또한 일반적으로 사용되며, 이는 상이한 방식으로 일어날 수 있다.
또한 본 발명에 따른 방법에 성형 기계를 사용하는 용도가 청구된다. 이와 관련하여 성형 기계라는 용어는 사출 성형 기계, 사출 프레스, 프레스 등을 지칭하기 위해 사용될 수 있다.
플라스틱 용융물을 가스와 함께 제공하는 것은 바람직하게는 사출 유닛을 사용하여 플라스틱 용융물을 생성하고 그 다음 가스를 도입함으로써 수행될 수 있다. 사출 유닛을 사용하는 대신에, 중간 저장 수단(이하 "샷 포트(shot pot)"라고 함)에 저장된 플라스틱 용융물을 사용하는 것이 또한 가능하다.
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가소화 실린더에 배치된 가소화 스크류를 갖는, 사출 유닛이 사용되는 것이 제공될 수 있는데, 여기서 가소화 스크류는 가소화 작업을 위해 회전 가능하게 이동되고 사출 작업을 위해 축 방향으로 이동된다. 가소화 스크류의 축 방향 이동은 또한 스크류 예비-챔버에서 플라스틱 용융물의 축적에 의해 가소화 작업에서 발생할 수 있음을 이해할 것이다. 사출 중에 회전 운동이 또한 가능하다. 대부분의 경우, 사출 성형 기계는 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위해 상기 유리한 실시예에서 주요한 구조적 변화가 이루어지지 않도록 가소화 실린더 및 가소화 스크류를 갖는 사출 유닛을 갖는다.
본 발명에 따른 방법의 간단한 구현에 관한 유사한 장점은 또한 가소화 실린더에 스크류 예비-챔버를 챔버로서 사용함으로써 달성될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 차단 장치에 의해 바람직하게는 니들 폐쇄 노즐의 형태로 챔버가 성형 공동 측에서 경계를 한정하는(delimited) 경우 및/또는 성형 공동으로부터 멀리 떨어진 측에 있는 챔버가 가소화 스크류 또는 사출 피스톤에 의해 경계를 한정하는 것이 또한 간단한 방법 구현에 도움이 될 수 있다.
대안적으로, 예를 들어 하나 이상의 차단 장치에 의해 경계가 한정된 별도의 챔버를 사용할 수 있다.
단계 (ii)에 따른 챔버의 체적 감소는 단계 (iii)에 따른 도입 작업의 일부로서 수행될 수 있도록 제공될 수 있다. 예를 들어, 사출 성형 공정에서의 사출을 위한 가소화 스크류의 전진 운동은 단계 (ii)에 따라 챔버의 체적을 감소시키는 데 사용될 수 있다. 이는 단계 (ii)를 별도로 수행할 필요가 없으므로 시간이 절약된다.
특히 바람직하게는 가스와 함께 플라스틱 용융물의 체적은 단계 (ii)에 따라 크게 감소되어 제 2 압력 값이 사출 공정 동안 가스와 함께 플라스틱 용융물에서 발생하는 압력을 초과하도록 제공될 수 있다. 이러한 방식으로 전체 플라스틱 성형 공정 동안(가장 큰 압력은 일반적으로 사출 단계에서 발생함), 가스는 실질적으로 완전히 용해되거나 또는 본 발명에 따라 결정된 용해 한계가 전체 플라스틱 성형 공정에 걸쳐 적용되도록 할 수 있다.
단계 (ii)의 과정에서 챔버의 체적이 증가하는 경우, 대안적으로, 제 1 압력 값은 상기 효과를 달성하기 위해 사출 공정 동안 기체와 함께 플라스틱 용융물에 발생하는 압력을 초과할 수 있다.
제 1 압력 값 및 제 2 압력 값을 결정하는 작업은 유리하게는 챔버의 압력 센서에 의해 수행될 수 있으며, 이것은 높은 수준의 측정 정확도를 갖는 실시예를 나타낸다. 그러나, 제 1 압력 값 및 제 2 압력 값이 간접적으로 예를 들어 플라스틱 용융물을 도입하기 위해 사용되는 유압 실린더 내의 유압 또는 플라스틱 용융물을 도입하기 위해 사용되는 전기 구동 장치의 토크에 의해 간접적으로 검출될 수도 있다. 플라스틱 용융물의 사출 중에 이러한 식으로 검출된 힘 또는 이러한 식으로 검출된 압력을 각각 사출 힘 또는 사출 압력이라 한다.
특히 간단한 구성에서, 챔버의 체적 변화를 결정하는 단계는 가소화 스크류의 이동(plasticising screw travel)을 결정하는 단계에 의해 수행될 수 있다.
또한, 단계 (ii)에 따른 챔버의 체적 감소는 압력-조절 모드에서 수행되도록 제공될 수 있고, 여기서는 특히 가소화 스크류 및/또는 사출 피스톤의 압력-조절된 축 방향 이동이 사용된다. 챔버의 체적의 압력-조절된 감소는 충분히 높은 압력이 플라스틱 용융물 내의 가스의 실질적으로 완전한 용해 또는 특히 플라스틱 성형 공정 전체에 걸쳐 신뢰성 있는 방식으로 용해 한계를 결정하기 위해 포함되도록 제공될 수 있다. 동시에 제공된 최대 압력(예를 들어, 니들 폐쇄 노즐)은 압력 조절로 쉽게 유지될 수 있다.
그러나, 예를 들어, 위치 또는 개방 루프 제어에 따른 폐쇄 루프 제어가 또한 단계 (ii)를 수행하기 위해 제공될 수 있다.
플라스틱 용융물의 온도가 개방 루프 또는 폐쇄 루프 제어되는 경우, 용융물 내의 가스의 결정적이고 실질적으로 완전한 용액의 유익한 값 또는 용해 한계가 또한 도움이 될 수 있으며, 여기서 개방 루프 또는 폐쇄 루프 제어에 필요한 온도는 용해 한계가 온도 의존성을 수반할 수 있기 때문에 단계 (ii)의 실행 중에 실질적으로 일정하게 유지된다.
단계 (ii)의 과정에서, 실질적으로 평형 상태가 발생할 때까지 플라스틱 용융물이 제 2 압력 값으로 유지되도록 제공될 수 있다. 이는 또한 플라스틱 용융물 내의 가스의 확인된, 실질적으로 완전한 용해를 위해 또는 용해 한계의 신뢰성을 위해 도움이 될 수 있다.
사용되는 가스는 불활성 가스일 수 있으며, 여기서 바람직하게는 분자 질소 또는 이산화탄소가 사용될 수 있다.
압축 파라미터, 특히 압축 모듈러스를 결정하는 작업은 자동화된 절차로 수행될 수 있다. 특히, 예를 들어 압축 모듈러스를 검출하기 위한 프로그램의 개시 후에, 폐쇄 노즐의 개방 지연이 활성화될 수 있다. 그 다음, 예를 들어 용적 ΔV의 변화 및 압력 Δp의 변화는 기계-내부 공정 데이터 수집 시스템을 통해 성형 기계에 의해 자동으로 확인될 수 있다. 이후 예를 들어 압축 모듈러스 K는 방정식 K = V0 Δp/ΔV(여기서, V0는 압축 전의 체적)에 의해 각각의 샷 이후에 자동으로 결정되어 저장되고 출력될 수 있다.
또한, 단계 (ⅰ) 내지 (ⅴ)가 복수 회 수행되도록 제공될 수 있고, 여기서 바람직하게는 상이한 양의 가스가 플라스틱 용융물 내로 도입되고 압축 파라미터가 상이한 양의 주입된 가스에 대해 계산된다. 이러한 방식으로, 특별히 관여된 플라스틱 용융물의 용해 정도를 검출하는 것이 가능할 뿐만 아니라 상이한 양의 주입된 가스에 따라 가스 용액의 정도가 어떻게 반응하는지에 대한 일반적인 관계가 있을 수 있다. 플라스틱 성형 공정의 공정 파라미터에서 고의 또는 의도하지 않은 변화가 발생하거나 계획될 경우 이는 분명히 이점을 제공할 수 있다. 특히, 이러한 방식으로, 도입된 가스량을 용해 한계로 가져갈 수 있으며, 즉 이를 최대화할 수 있다.
용해 한계를 결정하기 위한 가능한 절차는 바람직하게는 상이한 양의 주입된 가스에 대해 결정된 압축 파라미터가 주입된 가스량과 압축 파라미터 사이의 관계를 일반적으로 설명하는 파라미터화된 곡선에 곡선 핏(curve fit)하는 과정에서 적합하게 제공할 수 있으며 그 용해 한계는 상기 곡선 핏에서 생성된 적어도 하나의 핏 파라미터로서 또는 그로부터 결정된다.
특히 파라미터화된 곡선은 하기 방정식으로 나타낼 수 있다:
Figure 112019042316202-pat00001
상기 식에서,
Figure 112019042316202-pat00002
는 가스 로딩(gas loading)이 없는 플라스틱 용융물의 압축 모듈러스를 나타내고,
Figure 112019042316202-pat00003
는 용해 한계 미만의 초기 증가를 나타내고,
Figure 112019042316202-pat00004
는 가스 농도를 나타내고,
Figure 112019042316202-pat00005
는 단위 압력을 나타내고,
Figure 112019042316202-pat00006
및
Figure 112019042316202-pat00007
는 스케일링 계수를 나타내고,
Figure 112019042316202-pat00008
는 역 용해 한계(inverse solubility limit)를 나타낸다. 가스 농도
Figure 112019042316202-pat00009
는 공지된 양의 플라스틱 용융물과 도입된 가스의 양에 의해 결정될 수 있다.
공급되는 가스의 최대량은 이어서 다음과 같이 결정될 수 있다:
Figure 112019042316202-pat00010
주입된 가스의 가장 적은 양에 상응하는 압축 파라미터로부터 시작하여 용해 한계를 결정하기 위한 대안과 관련하여, 결정되는 압축 파라미터의 부분적인 양 사이에서 선형 관계가 결정될 수 있고, 용해 한계는 주입된 가스의 양 중 가장 적은 양으로서 결정될 수 있으며, 이와 관련하여 이전에 설정된 한계 값을 초과하는 선형 관계로부터의 편차가 발생한다.
용해 한계를 결정할 수 있는 두 가지 방법은 첫째로 재현 가능하게, 즉 인간 관찰자와는 독립적으로 용해 한계 값을 설정하는 가능한 방법을 제공한다. 둘째로, 적어도 하나의 압축 파라미터와 용해도 사이의 이전에 공지된 관계는 필요 없다.
제 1 절차에 의해 플라스틱 용융물 내로 도입된 상이한 양의 가스에 의해 압축 파라미터를 복수 회 결정함으로써, 플라스틱 용융물 내로 가스를 도입하는 추가의 절차를 제 1 절차와 (그리고 서로) 비교할 수 있다. 실제로, 상이한 절차를 사용할 때 플라스틱 용융물 내로 도입되는 가스의 절대량은 종종 (시스템 편차에 의해) 비교될 수 없다. 이러한 목적을 위해, 가스를 플라스틱 용융물 내로 도입하기 위한 제 2 절차에 의해 압축 파라미터를 결정하기 위한 단계 (i) 내지 (ⅳ)을 사용할 수 있으며, 제 1 절차 및 제 2 절차에 의해 플라스틱 용융물 내로 도입된 가스량은 상기 결정된 압축 파라미터에 기초하여 비교될 수 있다. 압축 파라미터 또는 용해 한계는 또한 복수의 도입된 가스량에 대한 제 1 및 제 2 절차 모두에 의해 결정될 수 있고 도입된 가스량을 스케일링하는 데 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
용해 한계를 결정하는 작업이 곡선 핏(curve fit), 특히 K-방정식을 사용하여 수행되는 경우에 특히 구현이 간단할 수 있는데, 그 이유는 용해 한계가 파라미터 값으로서 비교적 용이하게 이용할 수 있기 때문이다.
특히 물리적 발포 방법을 비교할 수 있다. 화학적 발포 기술에 대한 적용가능성 또한 제공된 것으로 생각된다.
물리적 기술의 일부 예(괄호 안에는 상용 브랜드 명칭): 직접 가스화 공정(뮤셀(MuCell)), 별도의 오토클레이브에서 가스화되는 고체(프로텍(Protec)), 호퍼를 통해 압력 챔버 잠금 장치에서 가스화되는 고체(프로포움(Profoam)).
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 가스의 용해 한계를 결정하는 작업, 바람직하게는 이로부터 가스의 플라스틱 용융물 내로의 주입을 위한 목표량을 결정하는 작업은 성형 기계의 기계 제어부에 의해 자동적으로 수행될 수 있다. 이와 관련하여, 특히 용해 한계를 재현가능하게 결정하는 상술한 방법을 사용해야 한다. 기계 제어부는 성형 기계의 중앙에 배치되거나 성형 기계로부터 멀리 떨어져 배치될 수 있으며 원격 데이터 전송 연결(예를 들어, 클라우드 서버)과 연결될 수 있다. 성형 기계 자체 및 이로부터 원격 배치된 소정의 다른 구성요소 및 기능부에서의 특정 구성요소 및 기능을 갖는 기계 제어부를 분산 구현하는 것이 또한 가능하다.
용해 한계는 공정 파라미터, 특히 플라스틱 용융물의 온도 또는 압력에 따라 결정될 수 있다. 바람직하게는 이는 용해 한계를 이용하여 공정 파라미터를 최적화하는 식으로 제공될 수 있다. 이러한 최적화는 바람직하게는 자동화된 절차, 특히 완전히 자동화된 또는 부분적으로 자동화된 방식으로, 예를 들어 작업자에 대한 프롬프트의 형태로 수행될 수 있다.
이는 예를 들어 용해 한계의 특히 자동화된 감지가 계량 단계 동안 실린더의 압력(가스 주입기의 환경에서 플라스틱 용융물의 동적 압력 또는 압력)을 최소화하는 옵션을 제공함을 의미한다. 이러한 목적을 위해 첫째로 상이한 압력에서의 용해 한계가 결정된다. 이어서, 이들 한계가 압력에 대해 표시될 수 있다. 주어진 가스량에 대한 추가적인 결과로서의 곡선을 기초로 하여 필요한 최저 압력(따라서 최고 에너지-절감 압력)을 설정할 수 있다.
플라스틱 용융물의 온도에 대해서도 또한 유사한 방식으로 진행할 수 있다. 예를 들어 질소의 용해 한계는 또한 고온에서 상승하는 것으로 알려져 있다. 이는 소정의 요구되는 가스 함량에서 온도가 감소될 수 있음을 의미한다. 온도를 감소시킬 수 있는 값을 결정하는 것은 예를 들어 용해 한계를 자동으로 확인하기 위한 완전 자동 방식으로 수행될 수 있다. 이어서, 온도의 실제적인 적응은 기계 제어부에 의해 완전히 자동으로 구현될 수 있다.
처음으로 용해 한계의 검출을 자동화하면, 주어진 압력에서 플라스틱 용융물에 최대로 용해될 수 있는 가스량이 완전히 자동화된 방식으로 확인될 수 있는 옵션을 제공한다. 또한, 가스의 용해도와 관련하여 물질을 특성화하기 위해 상이한 압력과 온도에서 작업을 결정할 수 있다. 확인된 최대값부터 시작하여, 그 후 예를 들어 특정 비율의 구성요소를 자동으로 설정할 수 있다.
본원에 기술된 요점을 구현함으로써 작업자가 많은 결정을 내리는 것을 제거할 수 있고 생산을 현저하게 단순화시킬 수 있으며 경제적이도록 할 수 있다. 또한 자동화 실행 측면에서 수동적 실행을 작업자로부터 제거할 수 있다.
가스 주입 및 가스 도입이라는 용어는 동일한 것을 의미하는데, 즉 이 용어들은 상호 교환적으로 사용된다.
본 발명의 추가적인 장점 및 세부사항은 도면 및 관련 특정 기술로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 사출 성형 기계의 일 실시예를 도시한다.
도 2은 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 사출 성형 기계의 또 하나의 실시예를 도시한다.
도 3은 압축 모듈러스(modulus of compression)와 플라스틱 용융물의 가스 로딩(gas loading) 사이의 관계를 예시하는 다이어그램을 도시한다.
도 4는 용해 한계를 결정하기 위한 곡선 핏을 예시하는 다이어그램을 도시한다.
도 1은 성형 기계(1), 이 경우에는 사출 성형 기계를 도시한다. 이는 플라스틱의 가소화에 의해 플라스틱 용융물(2)을 (일반적으로 입상 물질의 형태로) 제조하기 위한 사출 유닛(3)을 갖는다.
상기 가소화 작업을 위해 가소화 스크류(7)가 가소화 실린더(6) 내에 배열된다. 플라스틱은 가소화 스크류(7)의 회전(전단 열) 및 가소화 실린더(6)의 가열에 의해 융해되고, 그 다음 가소화 실린더(6) 내의 스크류 예비-챔버에서 플라스틱 용융물(2)의 형태로 존재한다. 플라스틱 용융물을 생산하는 작업을 "계량(metering)"이라고도 한다.
가소화 스크류(7)는 또한 축 방향으로 이동될 수 있다. 특히, 플라스틱 용융물(2)은 가소화 스크류(7)의 전진 운동에 의해 순수하게 개략적으로 도시된 성형 공동(5) 내로 주입될 수 있다.
가소화 스크류(7)의 회전 및 축 방향 운동을 위한 드라이브(10) 및 기계 제어부(11)가 또한 개략적으로 도시된다.
가스 주입기(12)가 가스를 플라스틱 용융물 내로 도입하기 위해 제공된다.
이 실시예에서, 가스 주입기(12)는 가소화 스크류(7)의 혼합 부분과 오버랩핑(overlapping) 관계로 배치된다.
가소화 실린더(6)와 성형 공동(5) 사이에는 측정 플랜지(13) 및 예를 들어 니들 폐쇄 노즐의 형태일 수 있는 차단 장치(8)가 배열된다.
측정 플랜지(13)는 플라스틱 용융물(2) 내의 압력을 검출하기 위한 압력 센서(9)를 연결하는 역할을 한다. 그러나 압력 센서(9)는 다른 곳에, 예를 들어 가소화 실린더(6)에 직접 배치될 수도 있다. 최종적으로, 플라스틱 용융물(2)의 압력은 예를 들어 스크류 전진 운동을 구동하는 유압 실린더 내의 유압(드라이브(10)의 일부로서) 또는 스크류 전진 운동을 구동하는 전기 기계의 토크(드라이브(10)의 일부임)로서 간접적으로 측정될 수 있다. 따라서 측정 플랜지(13)는 도 1에 도시된 구조에 대해 임의적인 것으로 간주되어야 한다.
차단 장치(8)는 플라스틱 용융물(2)의 성형 공동(5) 내로의 흐름을 차단하는 역할을 한다. 이러한 방식으로, 스크류 예비-챔버는 플라스틱 용융물(2)이 폐쇄될 수 있는 챔버(4)를 형성할 수 있다. 이러한 방식으로 형성된 챔버(4)의 체적은 가소화 스크류(6)의 축 방향 이동에 의해 변경될 수 있다.
초음파 센서(14)는 또한 순전히 임의적이며, 플라스틱 용융물(2) 내의 임의의 기포 형성의 검출에 의해 플라스틱 용융물(2) 내의 가스의 용액 상태에 대해 본 발명에 따라 얻어진 정보를 검증하는 역할을 할 수 있다.
도 1에 도시된 사출 성형 기계를 사용하는 본 발명에 따른 방법의 실행이 이제 기술될 것이다.
계량 작업 후, 가스-로딩된 플라스틱 용융물은 챔버(4) 내의 동적 압력(제 1 압력 값) 하에 있게 된다. 그 후, 사출 작업은 가소화 스크류(7)의 전진 운동에 의해 개시되고, 여기서 차단 장치(8)는 먼저 여전히 폐쇄된 상태로 유지된다. 사전 결정된 증가된 동적 압력(제 2 압력 값)에 도달할 때까지 스크류 전진 운동이 압력-조절 방식으로 계속된다. 단계 (ii)의 과정에서 체적 변화는 이의 감소 이전에 챔버(4)의 체적에 대응하는 값으로부터 감소 후의 챔버(4)의 체적에 대응하는 또 하나의 값으로 가소화 스크류(7)에 의해 커버되는 이동을 검출함으로써 검출될 수 있다. 이 경우 사전 결정된 동적 압력(제 2 압력 값)은 평형 상태의 발생을 보장하기 위해 일정 기간 동안 유지될 수 있다.
그 다음, 차단 장치(8)가 개방될 수 있고 플라스틱 용융물을 성형 공동(5) 내로 주입하는 공정이 계속될 수 있다. 당연히 차단 장치(8)를 개방하기 전에 가소화 스크류(7)를 다시 이동시킴으로써 동적 압력을 감소시킬 수 있다(그러나 의무적인 것은 아니다).
추가적인 플라스틱 성형 공정과 독립적으로, 가소화 실린더(6)의 공지된 직경에 대해 검출된 스크류의 이동으로부터 챔버(4)의 체적 ΔV의 변화를 계산할 수 있고, 검출된 제 1 압력 값 및 제 2 압력 값으로부터 압력 Δp의 변화를 계산할 수 있다. 유사한 방식으로, 챔버(4)의 시작 부피(V0)는 챔버(4)의 체적 감소를 시작하기 전에 결정될 수 있다. 이러한 데이터로부터 다음과 같이 정의된 압축 계수(K)를 계산할 수 있다:
Figure 112019042316202-pat00011
.
압축 계수(K)와 플라스틱 용융물(2)에 사용된 가스의 용액 상태 사이의 공지된 관계를 사용하여, 계산된 압축 계수(K)에 의해 가스가 플라스틱 용융물에 실질적으로 완전히 용해되는지 또는 - 다른 용어로 표현하면 - 용해 한계의 상한 또는 하한이 있는지를 추론할 수 있다. 이런 식으로 플라스틱 용융물(2) 내의 가스 용액과 관련하여 플라스틱 성형 방법의 자동 모니터링을 수행할 수도 있다.
이러한 관계가 없다면, 전술한 방법은 상이한 양의 가스를 플라스틱 용융물에 주입하여 복수 회 수행될 수 있다. 이러한 목적을 위해 도 3 및 이와 관련된 특정 기술을 참조한다.
도 2는 챔버(4)에 대한 대안적인 실시예를 도시한다. 이 경우, 별도의 구성요소(바람직하게는 혼합 장치의 형태일 수 있음)가 있다. 정적 혼합 요소가 별도의 구성요소에 추가로 제공된다.
이 실시예에서, 가스 주입기(12)는 별도의 구성요소의 챔버(4) 내로 가스를 직접 주입한다.
본 발명에 따른 방법을 수행하기 위해, 성형 공동 근처의 차단 장치(8)가 폐쇄될 수 있다. 플라스틱 용융물(2)의 압축 동안, 즉 챔버(4)의 체적이 감소하는 동안, 별도의 구성요소와 가소화 실린더(6) 사이에 배치된 차단 장치(8)는 개방된 채로 유지된다. 그 후, 가소화 스크류(7)는 전술한 방식으로 플라스틱 용융물(2)을 압축한다. 따라서, 스크류 예비-챔버는 또한 챔버(4)의 일부이다.
압력 센서(9)는 도 2에 도시된 구조에 도시되지 않았지만, 설명된 형태 또는 별도의 구성요소에 자연적으로 제공되거나, 또는 플라스틱 용융물(2) 내의 압력이 간접적으로 측정될 수 있다.
도 3은 플라스틱 용융물(2) 내로 도입된 가스량(가스 로딩 또는 가스 함량)과 압축 계수(K) 사이의 실제로 측정된 관계를 도시하며, 여기서 압축 계수의 값은 본 발명에 따른 방법을 수행함으로써 확인된다. 이 경우, 가스 로딩 0에서의 압축 계수(K)는 1로 표준화된다. 가스 로딩은 플라스틱 용융물의 양에 대해 규정된다.
가스 로딩에 대한 압축 계수(K)와 관련하여 알 수 있는 의존성은 다른 공정 파라미터(온도, 동적 압력 등)가 일정하게 유지되는 경우에 발생하는 것과 같은 특징적인 구성을 나타낸다.
용해 한계는 명확하게 수직선으로 표시되어 있다. 낮은 수준의 가스 로딩에서는 가스 로딩과 압축 계수(K) 사이에 선형 관계가 존재한다. 용해 한계를 초과하면 플라스틱 용융물(2) 내의 가스의 불완전한 용액으로 인해 형성되는 작은 기포들의 더 높은 압축성에 의해 실제로 야기되는 압축 계수(K)가 비교적 급격히 떨어진다.
도 3에 도시된 관계가 공지된 경우, 압축 계수(K)를 검토함으로써 플라스틱 성형 방법을 가스 용액에 대해 모니터링할 수 있다.
이러한 관계가 공지되지 않은 경우, 이는 본 발명에 따른 방법을 복수 회 수행함으로써 제공될 수 있다. 이는 가스량에 대한 플라스틱 성형 방법의 최적화 (실제) 가능성을 제공한다.
또한 용해 한계는 예를 들어 낮은 가스 로딩 값에 대한 선형 관계를 결정(핏팅)하고 편차가 이전에 설정된 특정 한계 값을 초과하는 곳을 확인함으로써 자동으로 결정될 수 있다.
이 기준은 또한 용해 한계를 결정하기 위한 측정 시리즈를 자동화된 방식으로 중단시키기 위해 사용될 수 있다.
최종적으로, 용해 한계에서 또는 그 근처에서 - 바람직하게는 사전 결정된 값에 의해 그 아래에서 - 자동적으로 가스 로딩의 양에 대한 목표 값을 설정하는 예를 들어 기계 제어부(11)에 의해 플라스틱 성형 방법의 자동 조정(특히 최적화)을 가능하게 한다.
이러한 목적을 위해 그리고 일반적으로 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위해, 별도로 사용되는 한, 기계 제어부(11)는 별도로 사용되는 한에 있어서 압력 센서(9)로부터 신호를 공급받을 수 있다.
도 4는 상이한 가스 로딩(도입된 가스량)에 대한 3 개의 상이한 제 1 압력(80 바, 140 바 및 200 바)에 대해 각각의 압축 계수가 결정된 도 3과 유사한 차트를 도시한다.
도시된 데이터 포인트는 또한 동일한 조건(동일한 설정) 하에서 수행된 복수의 압축 시험의 경우에 압축 파라미터에 대해 결정된 값들의 평균값의 형태일 수 있다.
도면은 또한 3 개의 측정 시리즈에 대한 각각의 곡선 핏을 도시하고 있으며, 그 과정에서 다음과 같은 방정식의 파라미터가 확인된다(K-방정식):
Figure 112019042316202-pat00012
이와 관련하여 다음의 파라미터들이 사용된다:
Figure 112019042316202-pat00013
가스 로딩이 없는 상태에서의 플라스틱 용융물의 압축 모듈러스[bar]
Figure 112019042316202-pat00014
용해 한계 미만에서의 초기 증가[bar/%]
Figure 112019042316202-pat00015
가스 농도[%]
Figure 112019042316202-pat00016
단위 압력[1 bar]
Figure 112019042316202-pat00017
무차원 스케일링 계수[-]
Figure 112019042316202-pat00018
스케일링 계수[%]
Figure 112019042316202-pat00019
역 용해 한계[1/%]
하기 표는 곡선 핏의 단위와 함께 곡선 핏의 과정에서 확인된 핏 파라미터의 값을 나열한다:
파라미터 단위 확인된 값을 핏팅함으로써
K 0 bar 6786.77
k bar/% 0.21
d - 0.0161
n - 0.00
a - 9.11
λ 80 1/% 1.18
f % 0.0325
K 0 bar 6757.06
k bar/% 300.29
d - 1.8666
n - 0.40
a - 152.63
λ 140 1/% 0.69
f % 0.1894
K 0 bar 6820.27
k bar/% 337.04
d - 1.1462
n - 0.39
a - 350.00
λ 200 1/% 0.43
f % 0.0588
이미 언급한 바와 같이, 도입된 가스량에 대한 검출 값들은 종종 가스를 도입하기 위한 상이한 절차들 간에는 비교될 수 없다. 본 발명은 비교를 위해 요구되는 추가적인 가스 로딩 공정에서 특징적인 압축 파라미터, 특히 압축 모듈러스를 결정함으로써 이들 가스량을 비교하는 것을 가능하게 한다.
참조 기호 목록
1 성형 기계
2 플라스틱 용융물
3 사출 유닛
4 챔버
5 성형 공동
6 가소화 실린더
7 가소화 스크류
8 차단 장치
9 압력 센서
10 드라이브
11 기계 제어부
12 가스 주입기
13 측정 플랜지
14 초음파 센서

Claims (22)

  1. (i) 플라스틱 용융물(2)을 가스와 함께 챔버(4)에 제공하는 단계,
    (ii) 상기 챔버(4)의 체적을 변경시키거나 또는 감소시킴으로써, 상기 가스와 함께 상기 플라스틱 용융물의 압력을 제 1 압력 값으로부터 제 2 압력 값으로 변경시키거나 또는 증가시키는 단계,
    (iii) 상기 플라스틱 용융물(2)을 성형 공동(shaping cavity)(5) 내로 도입하는 단계, 및
    (iv) 상기 플라스틱 용융물(2)의 압축 거동의 적어도 하나의 압축 파라미터 특성치(compression parameter characteristic) 또는 압축 모듈러스(K)를 상기 제 1 압력 값 및 상기 제 2 압력 값으로부터 계산하는 단계
    를 수행하는, 플라스틱 성형 방법에 사용되는 플라스틱 용융물(2)에서 가스의 용액 상태를 결정하는 방법으로서, 추가적으로
    (v) 상기 적어도 하나의 압축 파라미터로부터 상기 가스가 상기 플라스틱 용융물(2)에 용해되는지를 결정하고 및/또는 상기 적어도 하나의 압축 파라미터로부터 상기 플라스틱 용융물(2) 내의 가스의 용해 한계(solubility limit)를 결정하는 단계를 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가스와 함께 상기 플라스틱 용융물을 제공하는 단계가 사출 유닛을 사용하여 상기 플라스틱 용융물(2)을 생성하고 그 다음 상기 가스를 도입함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 가소화 실린더(6) 내에 배치된 가소화 스크류(7)를 갖는 사출 유닛(3)이 사용되며, 여기서 상기 가소화 스크류(7)는 가소화 작업을 위해 회전 가능하게 이동되고 사출 작업을 위해 축 방향으로 이동되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (ii)에 따른 상기 챔버(4)의 체적 감소는 단계 (iii)에 따른 도입 작업의 일부로서 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 압력 값이 상기 가스와 함께 상기 플라스틱 용융물(2)의 사출 작업 중에 발생하는 압력을 초과하거나, 또는 상기 가스와 함께 상기 플라스틱 용융물(2)의 체적이 단계 (ii)에 따라 감소됨으로써 상기 제 2 압력 값이 상기 가스와 함께 상기 플라스틱 용융물(2)에서 사출 작업 중에 발생하는 압력을 초과하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 챔버(4)는 니들 폐쇄 노즐(needle closure nozzle)의 형태인 차단 장치(8)에 의해 상기 성형 공동(cavity) 측에서 획정되고(delimited) 및/또는 챔버(4)는 상기 성형 공동(5)으로부터 먼 측에서 가소화 스크류(7) 또는 사출 피스톤에 의해 획정되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 가소화 실린더(6) 내의 스크류 예비-챔버(screw pre-chamber)가 상기 챔버(4)로서 사용되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 압력 값 및 제 2 압력 값을 결정하는 단계가 상기 챔버(4)에서의 압력 센서(9)에 의해 수행되고 및/또는 제 1 압력 값 및 제 2 압력 값을 결정하는 단계가 간접적으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 챔버(4)의 체적의 변화(ΔV)를 결정하는 단계는 가소화 스크류의 이동(plasticising screw travel)을 결정하는 단계에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (ii)에 따른 상기 챔버(4)의 체적 감소는 압력-조절 모드에서 수행되고, 여기서 가소화 스크류(7) 및/또는 사출 피스톤의 압력-조절된 축 방향 이동이 사용되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라스틱 용융물(2)의 온도는 개방 루프 또는 폐쇄 루프 제어되며, 여기서 개방 루프 또는 폐쇄 루프 제어에 대한 목표 온도는 단계 (ii)의 실행 중에 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (ii)의 과정에서, 상기 플라스틱 용융물(2)은 평형 상태(equilibrium state)가 발생할 때까지 제 2 압력 값으로 유지되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 사용된 가스는 불활성 가스이고, 여기서 분자 질소 또는 이산화탄소가 사용되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (i) 내지 (v)는 복수 회 수행되고, 여기서 상이한 양의 가스가 상기 플라스틱 용융물(2) 내로 도입되고, 압축 파라미터가 상이한 양의 주입된 가스에 대해 계산되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상이한 양의 상기 주입된 가스에 대해 결정된 상기 압축 파라미터가 일반적으로 상기 주입된 가스량과 상기 압축 파라미터 사이의 관계를 기술하는 곡선 핏(curve fit) 중에 파라미터화된 곡선에 핏팅되고(fitted), 상기 용해 한계는 상기 곡선 핏에서 생성된 적어도 하나의 핏 파라미터로서 또는 핏 파라미터로부터 결정되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 파라미터화된 곡선은 하기 방정식에 의해 주어지는 것을 특징으로 하는, 방법:
    Figure 112019042316202-pat00020

    상기 식에서,
    Figure 112019042316202-pat00021
    는 가스 로딩(gas loading)이 없는 플라스틱 용융물의 압축 모듈러스를 나타내고,
    Figure 112019042316202-pat00022
    는 용해 한계 미만의 초기 증가를 나타내고,
    Figure 112019042316202-pat00023
    는 가스 농도를 나타내고,
    Figure 112019042316202-pat00024
    는 단위 압력(unit pressure)을 나타내고,
    Figure 112019042316202-pat00025
    및
    Figure 112019042316202-pat00026
    는 스케일링 계수를 나타내고,
    Figure 112019042316202-pat00027
    는 역 용해 한계(inverse solubility limit)를 나타낸다.
  17. 제 14 항에 있어서, 최소량의 주입된 가스에 대응하는 압축 파라미터로부터 시작하여, 결정되는 압축 파라미터의 부분적인 양 사이에서 선형 관계가 결정되고, 상기 용해 한계는 주입된 가스량 중 최소량으로서 결정되며, 이와 관련하여 이전에 설정된 한계 값보다 큰 선형 관계로부터의 편차가 발생하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  18. 제 14 항에 있어서, 제 14 항에 따른 방법은 상기 가스를 상기 플라스틱 용융물(2) 내로 도입하기 위한 제 1 절차에 의해 수행되고, 압축 파라미터를 결정하기 위한 단계 (i) 내지 (iv)는 상기 가스를 상기 플라스틱 용융물(2) 내로 도입하기 위한 제 2 절차에 의해 수행되며, 상기 플라스틱 용융물(2) 내로 도입된 가스량은 상기 결정된 압축 파라미터에 기초하여 제 1 절차 및 제 2 절차에 의해 비교되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  19. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스의 용해 한계 및 이로부터 상기 플라스틱 용융물(2) 내로 상기 가스를 주입하기 위한 목표량을 결정하는 작업은 성형 기계(1)의 기계 제어부(11)에 의해 자동으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  20. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용해 한계는 공정 파라미터(process parameter)에 따라 결정되거나 또는 상기 플라스틱 용융물(2)의 온도 및/또는 압력에 따라 결정되고, 상기 공정 파라미터는 상기 용해 한계를 사용하여 최적화되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  21. 프로그램을 실행할 때 컴퓨터가 하기 단계들을 수행하도록 하는 명령들을 포함하는 플라스틱 성형 방법에 사용되는 플라스틱 용융물(2) 내의 가스의 용액 상태(solution state)를 결정하기 위한 컴퓨터 프로그램으로서,
    - 챔버(4)에 상기 가스와 함께 상기 플라스틱 용융물(2)을 제공하기 위해 적어도 하나의 제 1 작동 신호를 성형 기계에 출력하는 단계,
    - 상기 챔버(4)의 체적을 변경, 또는 감소시키기 위해 상기 성형 기계에 적어도 하나의 제 2 작동 신호를 출력하여, 상기 가스와 함께 상기 플라스틱 용융물의 압력을 제 1 압력 값으로부터 제 2 압력 값으로 변경, 또는 증가시키는 단계,
    - 상기 플라스틱 용융물(2)을 성형 공동(5)에 도입하기 위해 적어도 하나의 제 3 작동 신호를 상기 성형 기계에 출력하는 단계,
    - 제 1 압력 값 및 제 2 압력 값으로부터 상기 플라스틱 용융물(2)의 압축 거동의 적어도 하나의 압축 파라미터 특성치, 또는 압축 모듈러스(K)를 계산하는 단계, 및
    - 상기 적어도 하나의 압축 파라미터로부터 상기 가스가 상기 플라스틱 용융물(2)에 용해되는지를 결정하고 및/또는 상기 적어도 하나의 압축 파라미터로부터 상기 플라스틱 용융물(2) 내의 상기 가스의 용해 한계를 결정하는 단계
    를 수행하는 컴퓨터 프로그램을, 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체.
  22. 삭제
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