KR19980702365A - 압축성형 패널의 유동 주름 제거방법 - Google Patents

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존 엠 피셔
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메코나헤이 미리암 디
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Abstract

전단틈(34)을 제공하도록 이격된 주변 표면을 갖는 주형(12 및 14)에 가열된 주형 공급물(26)을 넣음으로써 열가소성 재료를 함유하는 보강된 성형 재료의 공급물(26)을 압축성형시켜 평활면을 갖는 넓은 표면의 성형된 구조물을 제조한다. 전단틈(34)의 폭은, 구조물이 응고되는 동안 유동 머리로부터 공급물이 되튀는 것을 방지하기 위해서 공급물의 유동 머리의 잔여 에너지를 소산시키기에 충분한 양의 성형 재료를 수용하도록 조절한다.

Description

압축성형 패널의 유동 주름 제거 방법
플라스틱은 구조 재료로서의 금속을 계속 대체하고 있다. 플라스틱은 금속보다 값이 싸고 제조가 쉽고 가볍다는 점에서 금속 분야를 침범하고 있다.
플라스틱은 광범위한 강도를 갖는 다양한 기하학적인 디자인으로 가공할 수 있다. 실제로, 플라스틱은 현재 자동차 후드, 갑판 뚜껑, 지붕 및 방호용 부품과 같은 외부 반구조적 금속 부재의 대체물로서 가공될 수 있다. 보강된 열가소성 성형 화합물은 근래 수년동안에 더 가볍고, 도장 동안에 기체가 발생되지 않고, 재활용이 쉽다는 이유 때문에 그 효용성이 증가하고 있다. 이는 전술된 특성을 갖지 않는 열경화성 화합물과는 대조적이다.
반구조적 플라스틱 부품을 포함한 플라스틱 부품을 제조하는 통상적인 방법중에서, 자동 및 반자동 성형 기법이 빠른 생산속도, 낮은 인력 비용 및 개선된 제품 균일성으로 인해 가장 인기가 있는 것으로 판명되었다. 보다 인기가 있는 반자동 성형 공정중 하나는 압축성형으로서 공지된 방법이다. 주형 부재를 폐쇄시키는 순간 재료가 개방된 공동안으로 흘러들어가면서 주형 공급물(charge)이 성형된다. 암수 주형 부재의 주변부 주위에 전단 가장자리(shear edge)라고 불리는 정렬된 평활면이 서로 미끌어져 주형 주변부 주위에서 압박(pinch-off)하여 주형 공동으로부터의 성형 화합물의 주요 유동을 중단시킨다. 주형의 주변 가장자리에 위치된 가장자리 개구 또는 전단 가장자리 틈(gap)은 전형적으로 폭이 0.0508 내지 0.127mm(0.002 내지 0.005인치)이다. 틈은 의도적으로 매우 작도록 유지되며, 예를 들면 접합시키지 않고도 주형을 폐쇄시킬 정도로만 크고 주형 공동으로부터 주형 공급물이 실질적으로 빠져나가지 못하도록 할 정도로 작다. 유감스럽게도, 이러한 작은 전단 가장자리 틈을 사용하는 경우에, 성형된 부품의 표면은 용납할 수 없을 정도의 외관을 갖기 때문에 이를 손으로 마무리해 주어야 한다. 이러한 부품의 경우, 표면의 주름이 확연하다.
주형 충진 단계에서는, 압력을 가해 성형 화합물을 강제로 유동시켜 주형의 공동에 충진시킨다. 성형 화합물이 전단 가장자리에 도달하는 시점은 수지가 동결 또는 응고하는 시점과 매우 근접하다. 유동이 전단 가장자리 벽에 부딪치면, 유동과 연관된 잔여 에너지로 인해 성형 화합물이 되튀어올라 다가오는 유동 머리(flow front)로 역류하여 성형 화합물중 보강재가 휘어진다. 휘어진 보강재는 응고되는 매트릭스 수지내에서 동결된다. 조성물이 계속 응고됨에 따라, 휘어진 보강재는 성형된 부품의 표면을 통해 비쳐 보이기 시작한다. 이 유동 파문(flow ripping)은 전형적으로는 25 마이크론 정도로 큰 진폭 및 1500 내지 3000 마이크론의 진동수를 갖는 일련의 파(wave)로서 명시된다. 이는 일반적으로 압축성형된 부품의 전단 가장자리 부근에서 일어나며 도장 전후에 육안으로 볼 수 있다. 결과적으로 이러한 표면 변형을 갖는 제품은 도장 전에 손으로 마무리되어야 하고 이러한 작업은 비용이 많이 들고 시간이 많이 소비되는 일이다. 손으로 마무리할 경우에서도, 이러한 성형된 부품의 폐기율이 50% 정도로 높을 수 있다.
유동 파문은 수개의 상이한 주형 형상, 예를 들면 원형, 정사각형 및 굴곡진 부품에 존재하는 것으로 보고되어 왔다. 사용된 수지 뿐만 아니라 보강재를 변화시킴으로써 상기 문제점을 해결하려 하였다. 주요 가공 값을 통계학적으로 시험해보았더니 최종 성형된 부품에서 유동 파문의 존재 또는 그 정도에는 현저한 영향이 없다는 것을 알 수 있었다.
발명의 개요
본 발명에 따라, 보강된 열가소성 부품이 유동 파문 패턴이 없도록 압축성형된다. 상당한 후처리 단계가 없어지기 때문에 이에 상응하게 최종 제품의 전도성이 증가하고 비용이 감소한다.
본 발명을 수행하는데 있어서, 응고된 열가소성 수지 매트릭스에 의해 함께 결합된 다층의 무작위적으로 분산된 고 모듈러스 보강 섬유로 이루어진 주형 공급물은 수지의 융점보다 높은 온도에서 가열되고 주형 공동을 형성하는 한 세트의 동시-작동(cooperating) 다이에 놓인다. 표면의 주변 가장자리는 서로 이격되어 있어 주형의 주변부 주위에 실질적인 전단 틈을 제공한다. 이들을 성형 공정 동안에 서로 결합시키면, 성형 다이에서 생성된 압력으로 인해 주형 공급물이 강제로 유동하여 주형의 공동을 채운다. 유동 머리가 형성되고 소정의 주형 공급물이 다이의 주변부에 있는 전단 가장자리로 밀어넣어진다. 전단 가장자리는, 성형 재료가 응고됨에 따라 잔여 에너지를 유동 머리에서부터 소산시킬 수 있는 양의 주형 공급물을 수용할 만큼 크다. 전단 가장자리가 너무 작을 경우에는, 성형 재료가 전단 가장자리에서부터 재료의 다가오는 유동 머리로 되튀어오른다. 이 되튀어오르는 운동으로 인해서 보강 성분이 유동 재료내에서 휘어진다. 휘어진 보강재가 마무리된 성형된 부품에서 유동 파문으로서 나타난다.
유동 파문이 관찰되는 경우, 전단 가장자리는 동시-작동하는 다이 가장자리 사이에 틈을 증가시키도록 조절된다. 전단 가장자리 틈을, 수지 재료가 응고됨에 따라 주형의 공동으로부터 전단 틈으로의 성형 재료의 유동이 덜 방해받도록 하는 정도로 증가시킨다. 필요한 틈의 크기는 주형 공급물의 성분의 특성, 주형 온도, 주형 폐쇄 속도 및 필요한 성형 조성물 압력에 따라 다르다.
본 발명은 보강된 열가소성 재료로부터 제품의 제조방법, 더욱 특히는 넓은 표면적을 갖는 성형 보강된 열가소성 부품의 유동 파문을 제거하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 하부 다이의 성형면에 놓인 주형 공급물을 보여주는, 주형의 상부 및 하부 다이를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 부분적으로 폐쇄된 도 1의 주형을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 주형의 가장자리에서 전단틈안으로 유동하는 성형 재료를 보여주는, 폐쇄된 도 1의 주형을 도식적으로 나타낸 것이다.
도면을 보면, 도 1은 주형의 공동(16)을 한정하도록 동시-작동하는 서로 마주보는 성형면(22 및 24)를 갖는 상부 다이(12) 및 하부 다이(14)를 갖는 주형(10)을 보여준다. 성형면(22 및 24)은 성형 공동(16)을 한정하고 가공될 부품의 형태를 결정한다.
상부 다이(12)는 전형적으로, 램(ram) 등의 장치의 작용에 의해 작동하여 상부 다이(12)와 하부 다이(14) 사이의 상대적인 운동을 조절하는 이동성 플래튼(mobile platen)(도시되지 않음)에 접속되어 있다. 다이 운동의 조절 방식은 보통 기술자의 재량이다.
개방된 위치에서, 다이(12 및 14)는 서로 이격되므로 주형 공급물(26)이 하부 다이(14)의 성형면(24)에 위치될 수 있다. 공급물이란 보강재; 충진제, 산화방지제 및 안료와 같은 기타 보조제; 및 응고되어 경질 고형 제품을 제공하는 하나이상의 열가소성 수지를 함유하는 재료를 말한다. 사용가능한 수지는 열가소성 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 코폴리에스테르, 폴리아미드, 예를 들면 나일론 6, 나일론 6/6, 나일론 11, 나일론 12, J12, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK), 폴리메틸페닐렌, 폴리아릴레이트 및 폴리비닐리덴 플루오라이드와 같은, 성형된 제품에 필요한 결합 및 강도를 제공하는 임의의 물질일 수 있다. 이러한 수지를 다양한 방법에 의해서 약 5중량% 내지 50중량%의 농도로 보강 섬유 또는 충진제와 배합하여 유연한 고 모듈러스 성형 패널을 제조할 수 있다. 바람직한 수지 재료는 열가소성 폴리에스테르 수지이다.
보강재는 폴리아미드, 유리, 탄소, 폴리에스테르 및 고온 나일론과 같은 임의의 고 모듈러스 섬유일 수 있다. 100,000 M Pascal 이상의 모듈러스를 갖는 섬유가 바람직하다.
본 발명은 본원에서 참고로 인용된 게리(Geary) 및 윅스(Weeks)의 미국 특허 제 5,134,016 호 및 1994년 2월 16일자로 허여된 유럽 특허 제 0 341 977 호에 기술된 유형의 시이트 성형 화합물 재료의 하나이상의 시이트 형태로서 압축 주형 공급물로서 특별한 유용성을 갖는다. 이러한 재료에는 원하는 형태로 재단될 수 있고 주형에 놓여지는 다공성 반고체 시이트 또는 겹을 형성하는 보강 섬유 및 다양한 공급물과 혼합된 열가소성 수지가 포함된다. 전형적인 보강 섬유는 폴리이미드 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리아미드 섬유, 천연섬유 및 금속 섬유가 포함된다. 바람직하게는, 섬유는 유리 섬유 스트랜드이다.
도 2에서, 주형 공급물(26)은 섬유 보강된 열가소성 재료의 시이트로부터 성형된다. 성형면에서 공급물의 두께, 중량 및 위치는 최종 부품의 원하는 형상에 따라 달라질 것이다. 일반적으로, 공급물을 중앙에 위치시키며 다수의 시이트가 사용되는 경우 개개의 시이트 사이에 공간이 거의 없거나 없게 한다. 강제 고온 공기 대류 오븐 또는 임의의 적합한 예열 기법을 사용하여 주형 공급물(26)을 매트릭스 수지의 융점보다 높은 온도로 가열시킨다. 가열된 주형 공급물(26)을 주형(16)의 성형면(24)위에 놓는다.
도 2에서 나타난 바와 같이, 다이(14 및 16)는 각각 서로를 향해 움직여 완전히 폐쇄된 상태로 된다. 주형이 폐쇄되는 동안에, 상부 다이(12)는 주형 공급물(26)과 접촉함으로써 주형 공급물이 퍼지고 주형 공동(16)을 채우게 된다. 주형 공급물(26)은 공동(16)을 채우고 도 3에 나타낸 것과 같은 전단틈(34)내로 유동한다. 주형 공급물(26)이 전단틈(34)의 가장자리에 도달하는 시점은 주형 공급물(26)의 매트릭스 수지가 동결 또는 응고하는 시점과 매우 근접하다. 전단틈(34)의 폭을 조절함으로써 유동하는 수지와 연관된 잔여 에너지를 전단틈(34)에서 소산시켜 유동하는 수지가 주형 공급물의 유동 머리안으로 되튀지 않게 한다. 전단틈(34)의 폭은 열가소성 수지를 포함하는 사용된 주형 공급물의 조성 및 보강 섬유와 충진제의 농도에 따라 다르다. 전단틈의 크기가 너무 작으면 성형 재료가 공동을 통해 유동하고 전단틈에 도달하는 동안 잔여 에너지를 소산시킬 수 없기 때문에 전단틈의 크기는 너무 작아서는 안된다. 이와 마찬가지로, 전단틈의 크기가 너무 크면 부품을 응고시키는데 필요한 압력이 주형안에서 축적되지 않기 때문에 과량의 공급물(26)이 주형 공동(16)의 밖으로 빠져나온다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 함유하는 성형 조성물을 위한 전단틈의 폭은 일반적으로 0.381 내지 0.762mm(0.015 내지 0.030인치)이다.
수지가 취급가능할 정도로 충분히 응고된 후, 주형(14 및 16)을 분리시켜 성형된 부품을 사출 또는 제거시킨다. 전형적으로 두께가 0.254mm(0.100인치)인 성형 부품의 경우 주형 체류 시간은 20초 내지 60초이다.
본 발명은 또한 하기와 같이 추가로 예시된다. 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 단위(SI)는 잉글리쉬(English) 시스템에서 SI 시스템으로 환산된 것이다.
자체-지지되는 다공성 배트(batt)를 1.5의 스펀 데니어(spun denier)를 갖는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 섬유로부터 제조하였다. 섬유를 0.635cm의 스테이플 길이로 절단시키고 약 0.013mm의 직경을 갖는 길이 1.27mm(0.5인치)의 유리 섬유와 긴밀하게 혼합하였다. 상기 성분들을 수중에서 슬러리화시키고 제지기 헤드박스로부터 이동 벨트상에서 매트(mat)로서 수거한 후 건조기로 보냈다. 매트는 25%(공칭)의 유리 섬유(오웬스 코닝 파이버글래스(Owens Corning Fiberglass) K), 74.75%의 PET 섬유 및 0.25%의 이가녹스(Irganox) 330(시바 가이기(Ciba Geigy) 산화방지제)로 이루어졌다. PET 섬유를 예비 용융시켜 소적이 되게 하여 유리 섬유상에 분배시키는데 사용된 벨트의 속도는 7.62m/m였고 건조기 온도는 280℃였다. 0.444㎏/sqcm의 기본 중량을 갖는 시이트가 수득되었다.
절단 다이를 사용하여 시이트 재료를 직경이 17.78㎝(7.0인치)인 원형 단편으로 만들어 압축주형의 전체 표면적의 약 48%를 덮게 하였다. 많은 단편들을 쌓아올려 235g(공칭)의 중량을 갖도록 예비성형시켰다.
예비성형물을 대류 오븐에 단일 스택으로서 놓았다. 320℃로 가열된 공기를 스택을 통해 106.68m/분의 속도로 60초동안 강제로 통과시켜 PET 수지를 용융시켰다. 이어서 예비성형물을 직경이 25.4cm(10인치)인 압축 주형으로 옮겨 1분동안 170℃의 공칭 주형 온도에 두었다. 주형 압력을 13.7891MPa(2000psi)에서 조절하였다. 최종 주형 폐쇄 속도는 2.032m/분(80인치/분)이었다. 이어서 주형을 개방시키고 부품을 제거하고 냉각시켰다.
압축 주형의 전체 표면적의 약 48%를 덮는 15.24㎝×15.24㎝(6인치×6인치)의 정사각형 예비성형물로서 시이트 재료를 재단한다는 것만 제외하고는 전술된 절차를 반복하였다.
철필(stylus)형 프로필로메터(profilometer)(철필 헤드 및 직경 0.1016mm(0.004인치)의 탐침을 갖는 수트로닉 3번 모델(Sutronic Model No.3))를 사용하여 성형된 부품에서 형성된 임의의 파문의 진폭과 진동수를 결정하였다.
측정된 값을 하기 표 1에 나타내었다.
충진재의 형태 전단 가장자리환 직경(cm(인치)) 틈의 간격(mm(인치)) 평균 진동수(mm(인치)) 평균 진폭(mm(인치))
원형 25.4 10.0 0.000 3.327 10.131 0.0114 0.00045
정사각형 25.4 10.0 0.000 3.150 0.124 0.0086 0.00034
원형 25.43 10.010 0.127 0.005 2.794 0.110 0.0083 0.00033
정사각형 25.43 10.010 0.127 0.005 3.124 0.123 0.0081 0.00032
원형 25.45 10.020 0.254 0.010 3.505 0.138 0.0053 0.00021
정사각형 25.45 10.020 0.254 0.010 2.515 0.099 0.0081 0.00032
원형 25.48 10.030 0.381 0.015 1.321 0.052 0.0036 0.0014
정사각형 25.48 10.030 0.508 0.015 3.378 0.133 0.0056 0.00022
원형 25.5 10.040 0.508 0.020 0 평평함
정사각형 25.5 10.040 0.508 0.020 0 평평함
원형 25.53 10.050 0.635 0.025 0 평평함
정사각형 25.53 10.050 0.635 0.025 0 평평함
원형 25.55 10.060 0.762 0.030 0 평평함
정사각형 25.55 10.060 0.762 0.030 0 평평함
본 발명에 따라 제조된 부품은 주름을 나타내지 않고 평활면을 갖는다.

Claims (9)

  1. (a) 부품의 원하는 형태에 상응하는 형태를 갖는 주형 공동을 한정하도록 함께 작동되는 서로 마주 보는 성형면을 갖는 제 1 다이와 제 2 다이를 갖는 주형을 개방시키고;
    (b) 상기 다이중 하나의 성형면상에 가열된 성형 재료 공급물(charge)을 놓고;
    (c) 상기 주형을 폐쇄시켜 상기 공급물을 압축시키고 주형 공동을 충진시켜 상기 공급물의 유동 머리(flow front)를 형성시키고(여기서, 상기 제 1 다이와 제 2 다이는 가장자리 경계를 갖고, 상기 가장자리 경계에서는 상기 제 1 다이의 한 가장자리가 제 2 다이의 상응하는 가장자리로부터 틈(gap)에 의해서 분리되어 있고, 상기 틈은 성형 재료가 상기 가장자리 경계를 점령하는 동안에 되튀는 것을 방지하기 위해서 유동 머리의 잔여 에너지를 소산시키기에 충분할 정도의 양의 성형 재료를 상기 유동 머리로부터 수용한다);
    (d) 상기 공급물을 응고시키고;
    (e) 상기 제 1 다이 및 제 2 다이를 분리시키고 평활면을 갖는 부품을 제거함을 포함하는,
    열가소성 수지를 함유하는 보강된 성형 재료 공급물을 압축성형시킴으로써 평활면을 갖는 부품을 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공급물이 섬유 보강된 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 섬유 보강재가 유리 섬유인 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열가소성 수지가 폴리에틸렌 테레프탈레이트인 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 다이 및 제 2 다이의 가장자리가 0.381 내지 0.762mm(0.015 내지 0.030인치)로 이격된 방법.
  6. (a) 성형가능한 열가소성 수지 및 보강 섬유로 이루어진 가열된 주형 공급물을, 주형의 주변부를 따라 전단틈을 제공할 정도로 이격된 주변 가장자리를 갖는 주형 공동을 형성하는 서로 마주보는 성형면을 갖는 주형에 넣는 단계;
    (b) 상기 주형 공급물을 상기 주형 공동에 압축 충진시키고, 상기 주형 공급물의 유동 머리를 형성시키고, 상기 공급물이 전단틈으로 밀어넣어지는 동안 상기 유동 머리로부터의 잔여 에너지를 소산시키기에 충분한 양의 공급물을 전단틈내로 밀어넣는 단계;
    (c) 상기 주형으로부터 평활면을 갖는 성형된 구조물을 제거하는 단계를 포함하는
    압축성형에 의해 넓은 표면을 갖는 성형된 구조물을 제조하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 섬유 보강재가 유리 섬유인 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 열가소성 수지가 폴리에틸렌 테레프탈레이트인 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 다이 및 제 2 다이의 가장자리가 0.381 내지 0.762mm(0.015 내지 0.030인치)로 이격된 방법.
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