KR20040085032A

KR20040085032A - 인라인 스크류식 가소화 사출장치

Info

Publication number: KR20040085032A
Application number: KR1020040020784A
Authority: KR
Inventors: 요코야마카즈히사; 나카시마히데아키; 츠다후미아키; 토치오카타카히로; 카네코미츠하루
Original assignee: 더 재팬 스틸 워크스 엘티디; 마쯔다 가부시키가이샤
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2004-10-07
Also published as: DE102004015303B4; JP4050644B2; KR101056536B1; DE102004015303A1; US20040228946A1; CN100400260C; JP2004291409A; CN1533870A

Abstract

본 발명에 따른 인라인 스크류식 가소화 사출장치에 있어서는 상기 스크류 길이(L)/지름(D)의 비를 18-24로 하고, 상기 스크류의 공급부의 길이(Lf)를 10-14 (D)로 하며, 상기 스크류의 공급부의 홈깊이(hf)를 13mm 이상으로 하고, 스크류의 계량부의 홈깊이(hm)를 8mm 이상으로 하며, 상기 웨어 플레이트와 상기 체크 링으로 형성되는 용융수지통로에서의 이 용융수지의 흐름방향에 대한 수직방향 폭을 스크류지름(D)의 3 - 6 %로 한다.

Description

인라인 스크류식 가소화 사출장치{INLINE SCREW PLASTICIZING INJECTION APPARATUS}

본 발명은 100mm 이상의 스크류를 구비하고, 긴 유리 섬유를 포함한 펠릿의 가소화사출에 적용하는 인라인 스크류식 가소화 사출장치에 관한 것으로서, 특히 자동차부품 등의 대형사출 성형품을 안정화하여 효율성 높게 생산할 수 있는 인라인 스크류식 가소화 사출장치에 관한 것이다.

종래, 긴 유리섬유 강화 수지재료를 통상의 가소화 사출장치로 성형하면 섬유가 파손되고, 재료 본래의 특성을 얻을 수 없기 때문에, 스크류 헤드의 구성을 개량함으로써 긴섬유의 파손을 방지하는 일본 특허공개 평6-246802호 공보에 기재된 역류방지 링 부착형 스크류 헤드를 구비한 가소화 사출장치가 있다.

일본특허공개 평6-246802호 공보에 개시된 가소화 사출장치에서는 도 5 및도 6에 나타낸 바와 같이, 중공의 가열 실린더(12)와, 스크류 헤드(20)의 후방에 설치된 샤프트(24)와, 샤프트(24)의 후방에 설치된 밸브시트로서 기능하는 웨어 플레이트(weir plate)(22)의 사이를 왕복이동 가능한 환상의 체크링(26)으로 구성된 용융수지통로(34)가 형성되어 있다. 이 장치에서는 웨어 플레이트(22)로부터 스크류 헤드(20)에 이르는 용융수지통로(34)는 예각으로 굽혀지지 않고, 용융수지통로(34)의 흐름방향에 대하여 수직방향 폭의 스크류 지름에 대한 비율이 8-20%의 범위인 것과, 웨어 플레이트(22)와 가열 실린더(12)의 간극의 스크류 지름에 대한 비율이 4-10%의 범위인 것과 또한 용융수지통로(34)에 돌출하는 상기 구성부품의 돌출부에는 흐름방향에 따라서 라운드가 형성되고, 이 라운드는 최소한 0.8mm인 것에 특징이 있다.

다음에 이것의 동작에 대하여 설명한다.

도 5에 있어서 공급구(30)로부터 장입된 긴 유리섬유 강화 수지 재료인 장축 펠릿(28)은 스크류(14)의 외주에 설치된 플라이트(32)에 의한 바이트 작용에 의해 스크류헤드(20) 측으로 공급된다. 이 사이의 장축 펠릿(28)은 가열실린더(12)에 의해 가열되어 용융 가소화하고, 가열실린더(12)와, 웨어 플레이트(22)와, 체크링(26)과, 스크류헤드(20)에 의해 획정되는 용융수지통로(34) 및 노치(36)(도 6 참조)를 통하여 실린더 선단의 챔버(15)에 용융상태로 공급된다. 그리고, 일정량의 용융수지의 공급이 완료하면 가압기구(16)가 스크류(14)를 전방으로 가압한다. 이 때의 체크 링(26)은 웨어 플레이트(22)와 가열 실린더(12)와의 사이의 용융수지통로(34)를 막게 되므로 용융가소화 수지는 역방향, 즉 공급구(30) 측으로는 복귀하지 않는다. 공급된 장축 팔레트(28)는 용융 가소화되고, 선단의 노즐(18)로부터 성형용 다이(도시생략)에 사출되어 목표 형상으로 성형된다.

상기 특허공개 평6-246802호의 가소화 장치에서는 클램프힘 1470kN, 스크류 지름 50mm의 사출 성형기를 이용하여 길이 12mm의 유리섬유(GF)를 포함한 폴리프로필렌(PP) 펠릿을 사출성형한 경우의 상기 GF의 중량평균 섬유길이는 통상 가소화장치에서는 2.5mm 인것이 6mm로 길어지고, 또 48mm의 GF를 포함한 PP 펠릿을 클램프힘 7845kN, 스크류 지름 100mm로 사출 성형한 경우에는 4.5mm인 것이 17mm로 각각 개선되고, 긴 유리섬유 보강 수지 재료가 본래 가지고 있는 특성, 예를들면 강도, 강성, 내충격성이 우수한 성형품이 얻어진다.

또, 4.8mm 정도 길이의 GF를 포함한 긴 유리섬유 강화 수지재료의 PP 펠릿은 제조 가능하지만, 실질생산을 고려한 경우, 용적비중이 작아지므로 패킹(packing)이나 운송면에서 불리하게 되고, 또한 공급구로부터 스크류에 재료를 공급할 때에도 호퍼 브릿지(hopper bridge)를 발생시켜 정상적인 가소화, 계량동작이 곤란하기 때문에 통상은 사용되지 않으며, 실질 생산작업의 경우에는 10 - 12mm 정도의 GF길이의 펠릿이 긴 유리섬유 강화수지로서 일반적으로 채용된다.

이상 설명한 것은 주로 역류방지기능을 갖는 스크류 헤드의 구성에 관한 것이지만 긴 유리섬유의 파손을 억제하기 위해서는 재료공급구로부터 재료를 공급하면서 가소화 용융시키는 스크류 자체의 형상도 중요한 요소가 된다.

예를들면, 일본 특허공개 평2-292008호에 기재되어 있는 장치와 같이, 스크류의 홈깊이를 5mm 이상으로 하는 것, 또는 스크류의 길이(L)/지름(D)의 비율을 7- 15로 억제하는 동시에, 스크류의 압축비를 1.8 이하로 억제하는 것이 가능하다. 일본 특허공개 평2-292008호에 나타낸 장치에서는 스크류의 길이(L)/지름(D)이 7 - 15로 작아지므로, 긴 섬유 강화수지를 용융 가소화하기 위해서는 스크류의 계량부의 길이(Lm)는 2D-3D가 필요하고, 압축부의 길이(Lc)는 3D - 5D가 필요하기 때문에 공급부의 길이(Lf)는 2D - 7D로 된다.

여기서, 스크류의 공급부(Lf)는 스크류 루트(호퍼측)의 나사홈이 깊은 부분에 있고, 호퍼로부터 가열실린더 내에 낙하한 성형재료가 스크류의 회전에 대해서 전방으로 이송될 때에 이 재료운송을 할 수 있을 만큼 효율성이 양호하기 때문에 이 부분의 나사홈은 다른 부분 보다도 깊어진다. 압축부(Lc)는 홈깊이가 점차 감소하는 부분에서 성형재료가 이 부분을 통과할 때에 압축되면서 가소화되므로 재료입자 사이의 공기가 압출되고, 또한 필요한 압력이 축적된다. 계량부(Lm)는 스크류 선단부의나사홈 깊이가 일정한 부분에 있고, 이것은 압축부Lc를 통과하여 균일 가소화된 플리스틱 재료를 일정속도로 송출하기 때문에 필요한 부분이다. 또, 공급부Lf에서의 나사홈의 1나사의 공간용적과 계량부(Lm)에서의 비를 압축비라 한다.

이와 같은 스크류를 이용하는 동시에, 스크류 회전수는 20-50rpm, 스크류 배압은 0-5MPa로 억제 하면서 가소화, 계량화한 것을 0.2 - 1.0m/min의 비교적 낮은 속도로 금형 내에 사출 충전시키는 것이 섬유의 파손을 억제한다는 점에서 효과가 있다.

그런데, 근년, 프론트 엔드 모듈용 기재, 도어 패널, 후방부 햇치 백 도어모듈 등의 자동차용 대형부품을 성형하도록 하면, 금형 크기가 크게 되고, 클램프 힘은 9806kN 이상의 대형기가 필요하게 되며, 직경 100mm 이상의 스크류가 채용된다. 또, 스크류 지름이 100mm 이상의 대형기기에서의 성형에 있어서 저유동, 저점도의 폴리프로필렌을 이용한 긴 유리섬유 강화 수지에서는 스크류 지름의 대구경화에 따른 전단응력의 증대가 유리섬유을 크게 파손시키고, 강도, 강성, 내충격성에서 우수한 성형품을 얻기가 곤란해진다.

여기서, 일본특허공개 2002-220538호 공보에 나타낸 장치와 같이 긴 유리섬유 강화 열가소성 수지의 매트릭스 폴리머로서, MFR(Melt Flow Rate) 100 - 300g/10분 이라고 하는 고유동의 폴리 프로필렌 수지를 이용하는 것으로 유리섬유에 걸친 전단응력을 감소시키고, 대형기기에서 유리섬유파손(절단)을 유효하게 억제하며, 물리적 특성이 향상된다.

여기서, MFR은 폴리머의 용융점도의 지표로 되는 것이고, JIS K7210(ASTM D1238)에 준하지 않는 원통 압출류 10분 당 폴리머 토출량의 그램수이다. 원통압출의 조건은 각 폴리머류에 의해 시험온도 및 시험하중이 선정된다. 본 출원에서의 MFR은 시험온도가 230℃, 시험하중이 21.18N의 조건 하에서 계측되는 것이다.

그리고, 이와 같은 점도영역을 갖는 고유동성의 폴리 프로필렌 수지를 적용하기 위해 GF의 파손방지와 성형 안정성을 모두 양립시키는 스크류 또는 역류방지 밸브 부착 스크류 헤드로된 가소화 사출장치가 필요하게 된다.

상기 일본특허공개 평6-246802호 또는 동 평2-292008호의 스크류 또는 스크류 헤드는 스크류 지름100mm 미만의 중형 기기용 스크류에 적용한 경우에는 큰 문제를 발생하지 않고 성형 가능하지만, 스크류 지름 100mm 이상의 대형기기에 적용한 경우, 제품중량이 불안정하고 안정된 생산이 가능하지 않으며, 긴 섬유의 풀어짐 불량에 따른 외관불량이 발생하고, 또 가소화 능력이 저하하기 때문에 성형 싸이클이 길어지고, 실생산에 큰 폐해가 되는 문제가 있다.

구체적으로는 일본특허공개 평6-246802호에 나타낸 용융수지통로로 형성된 가소화 사출장치를 스크류 지름이 100mm 이상의 대구경 스크류를 구비하는 대형기기에 적용하면 웨어 플레이트(22)와 체크 링(26)으로 형성되는 용융수지통로의 흐름방향에 대한 수직방향의 통로폭(B)(즉, 밀봉 스트로크)(도 4 참조)가 스크류 지름의 8% - 20%이기 때문에 예를들면 스크류 지름100mm에서는 8mm - 20mm, 스크류지름 130mm에서는 10.4mm - 26mm, 160mm에서는 12.8mm - 32mm로 된다. 이러한 넓은 통로폭(B)을 채용한 경우, 사출 개시 때의 체크 링(26)과 웨어 플레이트(22)가 폐쇄될 때까지의 챔버(15)로부터 스크류(14) 측으로 역류하는 수지량이 많아지고, 밀봉 타이밍, 용융수지점도 등의 미묘한 영향을 받아서 일정하지 않게 된다. 이 결과 버르(burr)와 쇼트 숏(short shot)이 발생하기 쉬워 안정된 생산을 할 수 없는 문제가 발생하고, 실용화가 큰 장해로 되는 것이 판명되었다.

특히, 대형기기에서, 고유동성을 갖는 폴리 프로필렌 수지를 이용하는 긴 유리섬유 강화 수지재료에서 성형중량의 안정화가 어렵다는 사실은 명백하게 인식되어 왔다. 여기서 고유동성이란 후술하는 매트릭스 폴리머로서 MFR(Melt Flow Rate)이 100 - 300g/10분이 되는 정도를 말한다.

한편, 일본특허공개 평2-292008호의 인라인 스크류식 가소화 사출장치에서는가소화 용융된 재료를 체크 링 내에 계량 축적한 것을 사출하기 때문에 스크류는 소정의 계량 스트로크 만큼 후퇴한다. 후퇴 스트로크(S)를 스크류 지름(D)으로 나눈 값 (S/D)는 통상 2 - 5 범위에 있기 때문에 공급부의 길이 (Lf)가 2D - 7D의 스크류에서는 스크류의 후퇴와 함께 공급부의 유효(Lf)가 작아지므로 재료의 공급능력이 저하하여이하와 같은 문제가 있다.

즉, 스크류의 공급부의 길이(Lf)가 짧아진 경우, 재료의 이송능력이 저하하고, 계량시간이 길어지며, 또한 불안정(이른바 "서지 현상-surging phenomenon")이 되고, 생산성의 저하와 함께 안정 성형이 곤란하게 된다는 문제점이 있다. 또한, 공급부(Lf)가 짧아지면 외부 히터로부터 펠릿 재료에 부가되는 열량이 부족하여 예열이 충분한 상태로 압축 영역에서 높은 전단력을 받기 때문에 긴 유리섬유가 파손하기 쉽고, 용융도 불충분하게 되어 집속된 긴 유리섬유의 해체불량에 따른 외관불량을 발생하며, 극단적인 경우에는 용융되지 않은 수지가 성형품에 혼입하여 물리적 특성의 저하가 발생하는 문제가 있다.

이러한 문제를 해소하기 위해, 스크류 배압을 높이고, 스크류 회전수를 높게하는 것을 고려하였지만, 특개평2-292008호에도 기재되어 있는 바와 같이 긴 유리섬유의 파손이 크기 때문에 L/D가 작은 스크류의 경우, 스크류 배압, 스크류 회전수 등의 성형조건에서의 대응에는 한계가 있다는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위한 것으로서, 대구경의 스크류(특히 100mm 이상의 스크류 지름)의 사양(L/D, 공급부의 길이, 홈깊이 등)을 긴 유리섬유 강화 수지에 최적합한 값으로 함으로써 가소화 성능을 안정시키는 동시에, 체크 링의 형상, 용융수지통로를 적정한 범위로 함으로써 유리장 섬유의 파손을 억제하는 한편 사출공정에서의 체크 링의 밀봉 기능을 개선하고, 긴유리 섬유 강화수지재료로된 자동차부품 등의 대형 사출 성형품을 안정시켜 효율성 높게 생산가능한 인라인 스크류 가소화 사출장치의 제공을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 시판되는 긴 유리 섬유 강화수지재료를 갖는 여러 특성을 효과적으로 발휘하여 성형할 수 있는 것은 물론이고, 자동차의 대형 부품용으로 개발된 매트릭스 폴리머로서 MFR100-300g/100분의 고유동성의 PP수지를 이용한 긴유리섬유 강화수지에서, 보다 물리적 특성이 향상되고, 고도의 안정성형을 얻는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예를 나타내는 인라인 스크류식 가소화 사출장치의 부분단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예를 나타내는 인라인 스크류식 가소화 사출장치의 스크류의 측면도.

도 3은 본 발명의 실시예를 나타내는 인라인 스크류식 가소화 사출장치의 공회식 체크 링을 구비한 스크류 선단부분의 확대도.

도 4는 종래 인라인 스크류식 가속화 사출장치의 비공회식 체크 링을 구비한 스크류 선단부분의 확대도.

도 5는 인라인 스크류식 가소화 사출장치의 개략단면도.

도 6은 도 5의 가소화 사출장치의 요부확대도.

*부호의 설명*

12 : 가열실린더

14 : 스크류

18 : 노즐

20 : 스크류 헤드

22 : 웨어 플레이트

24 : 샤프트

26 : 체크 링

26' : 돌기

28 : 장축 펠릿

34 : 용융수지통로

36 : 노치

상기 목적을 실현하기 위해 본 발명의 제1구성특징에 따른 인라인 스크류식 가소화 사출장치는 펠릿의 길이와 같은 길이를 갖고, 펠릿의 길이방향으로 정렬하는 긴유리섬유를 포함하는 열가소성 수지펠릿을 가소화하여 사출하기 위한 것으로서,

직경 100mm 이상의 스크류와;

이 스크류가 배치된 중공의 가열 실린더와;

샤프트를 통해 상기 스크류에 결합된 스크류헤드와;

상기 샤프트의 후방측에 고정된 웨어 플레이와;

샤프트와 가열 실린더로 형성되는 공간에서 상기 스크류 헤드와 웨어 플레이트 사이에서 왕복이동할 수 있도록 상기 샤프트에 미끄럼가능하게 끼워진 체크링과;

상기 가열실린더, 스크류헤드, 샤프트, 체크 링 및 웨어 플레이트에 의해 형성되는 용융수지통로를; 구비하고,

상기 스크류 길이(L)/지름(D)의 비를 18-24로 하고, 상기 스크류의 공급부의 길이(Lf)를 10-14 D로 하며,

상기 스크류의 공급부의 홈깊이(hf)를 13mm 이상으로 하고,

스크류의 계량부의 홈깊이(hm)을 8mm 이상으로 하며,

상기 웨어 플레이트와 상기 체크 링으로 형성되는 용융수지통로에서의 이 용융수지의 흐름방향에 대한 수직방향 폭을 스크류지름(D)의 3 - 6 %로 한다.

제2구성특징은 상기 제1구성특징에서, 웨어 플레이트 및 체크 링의 단면과 연직축 사이의 각도θ가 70° 내지 90°로 설정된다.

제3구성특징은 제1구성특징에서, 상기 체크 링 전방에 설치된 볼록형 노치를 상기 스크류헤드의 노치에 결합하고, 상기 스크류 회전시에 상기 체크 링을 공동회전시키도록 구성한다.

제4구성특징은 제1 내지 제3 구성특징에서, 체크 링의 폭이 스크류 직경(D)의 0.3 내지 0.4 D로 설정된다.

제5구성특징은 제1구성특징에서, 상기 긴유리섬유 강화 열가소성 수지의 매트릭스 폴리머를 MFR(Melt Flow Rate)이 100 - 300g/10분 이되는 고유동성 폴리 프로필렌 수지로 구성한다.

다음에, 본 발명에 따른 인라인 스크류식 가소화 사출장치의 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예를 나타내는 인라인 스크류식 가소화 사출장치의 부분단면도, 도 2는 인라인 스크류식 가소화 사출장치의 스크류의 측면도, 도 3은 공동회전식 체크 링을 구비한 스크류 선단부분의 확대도이다.

또, 인라인 스크류식 가소화 사출장치의 기본적인 구성에 대해서는 도 5에 나타낸 일본특허공개 평6-246802호공보의 인라인 스크류식 가소화 사출장치와 같은 모양이므로, 같은 구성 및 작용을 갖는 것에 대해서는 동일부호를 병기한다.

도 5에 나타낸 바와같이, 장축 펠릿용 인라인 스크류식 가소화 사출장치는 기본적으로 가열 실린더(12)와, 이 가열 실린더(12)의 내부에서 회전 가능하고 또한 왕복가능한 스크류(14)와, 가열 실린더(12)와 스크류(14) 사이에서 용융가소화된 열가소성 수지를 도시하지 않은 다이에 사출하기 위한 가열 실린더(12)의 노즐(18)과, 전방에 설치된 노즐(18)과 반대측에 설치된 스크류 회전 및 가압기구(16)로 구성된다. 스크류(14)의 헤드부에는 헤드부의 용융수지통로(34)를 구성하는 복수의 노치(36)(도 5에서는 일개소만 나타냄)를 갖는 원추형의 스크류 헤드(20)가 설치된다. 그 후측(노즐(18)과 반대측)에 밸브시트로서 기능하는 웨어 플레이트(22)가 설치되고, 스크류 헤드(20)와 웨어 플레이트(22) 사이를 왕복가능한 환상의 체크링(26)이 유격을 갖고 결합된다. 가열 실린더(12)의 상부에는 긴유리섬유 강화 수지 재료인 장축 펠릿(28)을 충전하기 위한 펠릿 공급구(30)가 설치된다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 스크류 헤드부분의 특징에 대해서 설명한다. 일본특허공개 평6-246802호에서 형성된 용융수지통로(34)에 있어서, 본 발명의 실시예에서는 도 1에 나타낸 바와 같이, 수지통로의 흐름방향에 대한 수직방향의 통로폭(B)의 스크류 지름(D)에 대한 비율을 3 - 6%로 억제하는 동시에, 체크 링(26)과 웨어 플레이트(22)의 단면의 연직축이 이루는 각θ을 70°- 90°로 하는 것으로 후술하는 바와같이 긴섬유수지가 갖는 여러 특성을 실용상 요구되는 레벨로 억제하면서 사출시의 밀봉성능의 향상을 가능하게 한다.

웨어 플레이트(22)와 체크 링(26)의 단면 연직축 사이의 각도 θ을 70°- 90°로 하는 것은 60°이하인 경우 70°- 90°와 비교하여 용융수지가 유동하기 쉽기 때문에 사출개시시의 체크 링(26)이 폐쇄할 때까지의 사이에 챔버(15) 측으로부터 수지유로(34)를 통하여 스크류(14) 측으로 역류하기 쉬워지는 문제가 있으며, 이것을 개선하도록 하면, 통로폭(B)을 3% 이하로 좁힐 필요가 있고, 긴유리섬유의 파손이 커지기 때문이다. 이 때문에 웨어 플레이트(22)와 체크 링(26)의 단면과 연직축과의 각도θ를 70°- 90°로하고, 챔버(15)측으로부터 스크류(14)측으로의 유동저항을 증대함으로써, 체크링(26)이 웨어 플레이트(22)에 접하여 통로폭(B)을 폐쇄하기 까지의 사이에 역류량이 작아지고, 성형안정성을 향상시킬 수 있다.

또, 용융수지통로의 흐름방향에 대한 수직방향의 통로폭(B)을 스크류 지름의 3% - 6%로 한다. 예를들면, 스크류 지름100mm로 3mm - 6mm, 스크류지름130mm로 3.9mm - 7.8mm, 스크류지름160mm로 4.8mm - 9mm로 한다. 사출개시시에 있어서의 밀봉 타이밍의 지체가 발생하는 사출중량의 변동을 방지할 수 있다. 여기서, "밀봉 타이밍"은 가소화계량 중에는 체크 링(26)은 스크류 헤드(20) 측으로 가압되어 수지유로(34)를 통과하고, 용융재료가 전방의 챔버(15)로 공급되어 소정량 만큼 계량된다. 그 후 다음 싸이클로 출사되지만 사출개시로부터 수지통로(B)가 커지는 정도, 수지온도(용융점도)의 미묘한 변화 등에 의해 밀봉 타이밍이 변화하기 때문에 안정성형을 위해서는 적절한 유로폭의 통로(B)(즉, 유로폭은 B)가 필요하다. 예를들면, 일본특허공개 평6-246802호의 긴섬유용 가소화 장치에서는 용융수지통로의 흐름방향에 대한 수직방향의 통로 폭(B)을 스크류 지름의 8% - 20%로 하지만, 직경100mm 이상의 대구경의 스크류에서는 3% - 6%가 적당하게 된다. 즉, 수지통로의 통로폭(B)의 비율이 6%를 초과한 경우는 밀봉 타이밍의 변화가 발생하기 쉽기 때문에 쇼트 숏(short shot)과 버르(burr)가 발생하여 안정된 성형이 곤란해지는 문제가 있다. 한편, 3% 미만의 경우, 통로폭(B)이 좁아질 수 있기 때문에 계량시간이 길어져 생산성이 낮아지는 동시에 유리섬유의 파손도 커지게 되어 소정의 물성이 얻어지지 않게되는 문제가 있기 때문이다.

한편, 체크 링의 방식에서는 크게 나누어 스크류 회전시에 체크 링이 회전하지 않는 타입(비공동회전식)과 스크류 회전시에 스크류와 일체로 회전하는 타입(공동회전식)의 2종류가 있지만, 본 발명에서는 도 3에 나타낸 바와 같이 체크 링(26)의 앞측에, 스크류 헤드(20)의 복수의 노치(36)에 결합한 돌기(26')를 설치하고, 스크류 회전시에 체크 링(26)이 스크류 헤드(20)와 일체로 회전하도록 공동회전하는 구성으로 되어 있다. 이것에 의해 웨어 플레이트(22)와 체크링(26)으로 형성되는 통로폭(B)의 연직방향의 수지통로(34b), 및 체크 링(26)과 스크류 헤드(20)의 샤프트(24)로 형성되는 통로폭(A)의 수평방향의 수지통로(34a)에서의 스크류 회전시의 수지에 이러한 회전방향에서의 전단속도를 영으로 억제하고, 긴유리섬유의 파손을 억제할 수 있다. 전단속도를 영으로 할 수 있는 이유는 체크 링(26)이 일본특허공개 평6-246802호과 같이 도 4에서의 비공동회전식의 경우, 스크류 회전시에 체크 링(26)이 거의 회전하지 않기 때문에 연직방향이 수지통로(34b) 및 수평방향의 수지통로(34a)에서 웨어 플레이트(22) 및 스크류 헤드(20)의 샤프트(24) 사이에 높은 전단속도가 발생한다. 한편, 도 3의 본 발명의 비공동회전식 링에서는 스크류 회전시에 웨어 플레이트(22), 스크류 헤드(20)(샤프트24)와 같은 속도로 체크 링(26)이 회전하기 때문에, 회전방향의 전단속도가 발생하지 않는다.

또, 스크류 헤드(20)의 복수 노치(36)에 결합하는 다수의 돌기(26')는 스크류 헤드에서의 다수의 노치(3 - 4개) 모두에 체크 링(26)의 돌기(26')가 결합되도록 구성된다.

또, 체크링(26')의 돌기(26')를 제거한 체크 링(26)의 폭(W)을 체크 링(26) 외주로부터의 수지누설이 실질생산에 지장을 주지 않는 범위에서의 스크류 지름(D)의 0.3D - 0.4D로 한 것은, 수평방향의 수지유로(34a)에서의 유리섬유의 파손을 억제할 수 있기 때문에 효과적이다. 즉, 0.3D - 0.4D로 하는 것은 0.3D 보다 작은 경우 체크 링(26) 외주와 가열 링(12) 내벽과의 간극으로부터의 역류량이 크게 되고, 충진완료 후의 보압공정(保壓工程) 중의 스크류(14)의 전진량이 크게 되어 스크류(14)가 최전진 위치까지 도달하면 보압을 유지할 수 없게 되어 싱크 마크의불량이 발생하고 치수정밀도가 악화되기 때문이다. 한편, 0.4 보다 큰 경우, 상기와 같은 문제가 발생하지 않지만, 통로폭(A)의 수평방향의 수지통로(34a)가 크기 때문에, 긴유리섬유의 파손이 증가하는 방향이 된다. 이와 같이, 0.3D - 0.4D로 하는 것으로, 체크 링(26) 외주로부터의 수지누설과, 체크 링(26) 내주의 수지유로(34a)에서의 섬유파손방지의 양립을 도모할 수 있다. 상술한 이들 상승효과에 의해 가소화 성능의 향상과 함께 사출시의 밀봉성능이 향상하고, 긴유리섬유의 파손을 저감시킬 수 있도록 한 구성으로 할 수 있다.

다음에, 본 발명의 스크류 형상의 특징에 대해서 설명한다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 스크류의 길이와 지름과의 비 L/D를 18 - 24로 하고, 공급부의 길이(Lf)는 10D - 14D, 압축부의 길이(Lc)는 5D - 6D, 계량부의 길이(Lm)은 3D - 4D로 하였다. 공급부의 길이(Lf)는 스크류 지름(D)이 크게될 수록 공급부의 깊이(hf)가 깊어져 외부 히터로부터의 예열이 전달되기 어려우므로 공급부의 길이(Lf)를 길게하여 예열 영역을 길게 설계하는 것이 효과적이다.

스크류 길이(L)/지름(D)의 비는 18 - 24로 하는 것은 18 보다 작으면 수지의 예열효과가 작아지기 때문에 용융이 불충분하게 되고, 긴섬유의 해체 불량이 발생하여 외관적 불량과 강도불안정이 발생하고, 또 가소화 능력도 저하하여 성형 싸이클이 길어지기 때문이다. 또, 실험에 있어서는 스크류 지름 160φ이고, 스크류 길이(L)/지름(D)의 비가 24이면 충분한 효과를 얻을 수 있으며, 또한, 설계상, 필요 이상으로 L/D가 커지면 스크류 내에서의 과도한 전단작용에 의해 긴유리섬유가 짧아지고, 충격강도의 저하가 예측된다. 또, 쓸모없이 L/D를 크게 하면 성형기기 전체길이가 커지는 폐혜가 있고, 필요한 만큼만의 최소로 억제할 필요가 있기 때문에 24 이하로 하고 있다.

또, 스크류의 공급부의 길이(Lf)를 10D - 14D로 하는 것은 계량 스트로크(Smax)와 스크류 지름(D)의 비 Smax/D는 5 - 6 이지만, 실제의 성형에서는 최대(MAX) 스트로크의 1/2로부터 1/3의 계량 스트로크로 사용되는 경우가 많다. 어느 경우라도 인라인 스크류식 사출기에서는 필요한 사출중량을 확보하기 때문에 스크류(14)가 후퇴하므로 실질적인 공급부의 길이(Lf)는 스크류 후퇴와 동시에 짧아져 재료의 이송능력은 서서히 저하하고, 또 외부 히터로부터의 예열효과도 저하한다. 이와 같은 인라인 스크류방식에서도 (Lf)로서 10D - 14D를 확보하여 두면 예를들면 스크류 지름100mm의 스크류 공급부의 길이(Lf)가 10D의 경우, 통상 성형으로7D - 8D로되어 충분한 공급능력이 확보되는 동시에 최대(MAX) 스트로크에서도 4D 내지 5D가 확보되므로 가소화 능력은 약간(10% - 20%) 저하하는 것, 극단적인 서지 현상을 발생하지 않고 가소화가 가능한 것을 확인하였다. 즉, D 보다 작은 스크류 공급부의 길이(Lf)의 경우, 계량 스트로크의 증대와 동시에 재료의 공급능력이 저하하여 서지 현상을 발생하는 것을 확인하였다. 한편, 스크류 지름D이 커지면 공급부의 홈깊이(hf)가 깊어지고, 공급부에서의 외부히터에 의한 예열효과가 저하하기 때문에 압축부(Lc)에서의 부담이 커지게 되고, 가소화 능력이 저하하면서 서지 현상을 발생하게 되므로 (Lf)를 14D로 길게하는 것으로 개선을 도모하게 된다. 한편, 14D 보다 크지 않은 것은 성형기기 전체길이가 커지게 되는 폐해가 있어 필요한도 내의 최소로 억제하는 것이 중요하기 때문에 (Lf)를 14D 이하로 한 것이다.

이와 같이, 스크류(14)의 길이 및 지름 비 (L/D)를 18 - 24로 크게하여 공급부의 길이(Lf)를 10 - 14로 길게한 것으로 외부히터로부터 충분한 열량을 원료 페이스트에 부여하는 것이 가능하게 되고, 연화용융이 쉬운 상태로 압축부에 이송되기 때문에 전단력이 저하하게 되고, 집속된 유리섬유에 미치는 파손을 매우 작게 억제할 수 있다. 또, 공급부의 길이(Lf)가 10D - 14D로 크기 때문에 실린더 선단의 챔버(15) 내에서 용융재료를 계량하기 위한 계량 스트로크(S)가 2D - 5D분 만큼 스크류(14)가 후퇴하여도 스크류(14)의 공급부의 유효길이(Lf)는 8D - 9D 분량이 확보되므로 저속회전에서도 안정된 계량동작을 행할 수 있다.

스크류(14)의 홈깊이에 대해서는 공급부의 홈깊이(hf)는 펠릿 길이(통상10-12mm 정도) 보다 크게 되어 재료포트로부터 스크류(14)에 치합할 때의 파손을 방지하기 위해 13mm 이상으로 하고, 계량부의 홈깊이(hm)에 대해서는 미용융수지의 혼입방지, 유리섬유의 미해체 방지와 함께, 긴유리섬유의 파손을 최대한 억제하기 위해 8mm 이상으로 하는 것이 효과적이다. 스크류의 홈깊이에 대해서는 공급부(hf)에서 13mm 이상, 계량부(hm)에서 8mm 이상으로 하였다. 스크류 공급부의 홈깊이(hf)를 13mm 이상, 계량부의 홈깊이(hm)를 8mm 이상으로 하는 것은 다음의 이유에 의한다. 긴섬유수지의 펠릿 길이는 6mm - 24mm로 목적에 따라 변경시키는 것은 펠릿 제조시에 조정 가능하지만, 자동차용 대형구조부품의 용도에는 목표로하는 충격강도, 성형성, 펠릿의 취급의 용이성 등으로부터 통상 10mm - 12mm의 펠릿이 채용되었다. 이와 같은 긴유리섬유 강화 수재료인 펠릿이 호퍼로부터 스크류(14)에 들어올 때공급부의 홈깊이(hf)가 펠릿 길이보다 얕으면 경성 펠릿이 스크류(14)에 공급될 때 원활하게 스크류 홈 내에 들어오지 못하고, 이 시점에서 펠릿이 절단되면서 절곡되기 때문에 펠릿 속의 긴 유리섬유가 스크류(14)에 들어온 시점에서의 파손을 방지하도록 홈 길이(hf)를 펠릿길이 보다 깊은 13mm 이상으로 한다. 다음에, 계량부(metering)의 홈깊이(hm)을 8mm 이상으로 하는 것은 8mm 보다 작으면 긴유리섬유의 파손정도가 커지기 때문이다.

본 발명에 의하면, 특히 현상강판으로 제작되는 대형구조부품을 수지화하는 것이 가능하기 때문에 대폭적인 경량화와, 20-25% 정도의 비용절감을 달성할 수 있다. 구체적으로는 자동차부품으로서는 프론트엔드 모듈(front end module)용 기재, 도어패널, 후부 해치백의 도어 모듈 등의 각종 구조부품에 적용할 수 있다. 물론, 자동차부품 이외의 대형구조부품에 적용할 수도 있다.

또, 상술한 실시예에서는 단순히 발명의 예를 나타내며, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 스크류 헤드 또는 스크류의 각 구성요건을 각각 단독으로 또는 임의로 조합시켜 실시하는 것이 가능하다.

(실시예)

표 1 및 표 2는 일본특허공개 평6-246802호 및 일본특허공개 평2-292008호에 기초하여 제작된 긴섬유용 인라인 스크류식 가소화 사출장치를 비교예로 하고, 본발명에 의한 것을 실시예로 하여 스크류 지름100mm, 130mm, 160mm 각각으로 가소화성능, 중량안정성, 제품의 물리적 특성 등, 초기의 유리섬유 길이가 12mm이고, 함유량 40%의 PP수지제품으로부터 절단하여 취한 샘플로 비교한 것이다. 여기서 표 1은 검사한 장치의 사양을 나타내고, 표 2는 검사결과를 나타낸다.

(표 1)

	비교예1	실시예1	비교예2	실시예2	비교예3	실시예3
클램프힘(kN)	9806	9806	17650	17650	25495	25495
스크류지름D(mm)	φ100	φ100	φ130	φ130	φ160	φ160
스크류L/D	13	18	14	21	15	24
공급부길이(Lf)	5D	10D	6D	12D	7D	14D
스크류홈깊이hf/hm(mm)	14/8	14/8	17/10	17/10	20/12	20/12
체크링방식	비공동회전식	공동회전식	비공동회전식	공동회전식	비공동회전식	공동회전식
연직축과의 각도θ	30°	70°	30°	80°	30°	90°
통로폭B 치수(mm)	10	4	15	5	20	8
B/D ×100(%)	10	4	11.2	3.8	12.5	3.8
체크 링 폭W(mm)	70	40	80	50	90	60
W/D 비율	0.7	0.4	0.62	0.38	0.56	0.38

(표 2)

	비교예1	실시예1	비교예2	실시예2	비교예3	실시예3
펠릿길이(mm)	12	12	12	12	12	12
스크류회전수(rpm)	60	60	50	50	40	40
가소화능력(kg/h)	110	160	170	280	220	400
제품중량안정성¹	X	O	X	O	X	O
제품외관(섬유분산)²	△	O	△	O	△	O
퍼지품의 평균섬유길이(mm)	4.0	5.8	4.1	5.8	4.1	6.0
아이소드충격값(KJ/m2)³(유동방향/수직방향)	13.98/23.10	15.14/25.84	14.11/23.50	15.50/26.22	14.40/23.13	19.95/26.15
굴곡강도(MPa)⁴(유동방향/수직방향)	98.34/97.98	105.27/106.03	100.5/100.8	112.3/114.2	110.5/105.3	130.9/122.7
굴곡탄성율(MPa)⁴(유동방향/수직방향)	5.01/4.46	5.00/4.48	5.05/4.59	5.18/4.82	5.08/4.68	5.30/4.92
낙추충격(전체흡수에너지<J)⁸(게이트근방/유동말단)	17.91/12.70	17.78/13.83	17.88/12.50	18.14/14.22	17.12/11.24	21.21/15.38
낙추충격(최대하중까지의 에너지 <J )⁸(게이트근방/유동말단)	6.02/6.45	6.91/6.58	6.11/6.38	7.03/6.84	5.98/6.06	7.56/7.44

주의 1) 표 중 o : 중량 안정성이 양호하고 안정성형가능

X : 쇼트 숏(short shot), 버르(burr)가 혼재하여 실질생산불능

2)표중 o : 코팅(또는 도장)없이도 사용가능, △: 코팅하면 사용가능한 레벨

3)시험방법 ; ASTM D256

4)시험방법 : ASTM D790

5)시험방법 : IS0660-2

본 실시예에서는 스크류 지름(D)이 100mm인 경우에 공급부의 길이(Lf)를 10D, 스크류 지름(D)이 130mm인 경우에 공급부의 길이Lf를 12D, 스크류 지름(D)이 160mm인 경우에 공급부의 길이 (Lf)를 14D로 하였다.

실시예에서는 스크류 지름(D)이 100mm인 경우에 공급부 홈깊이(hf)를 14mm, 계량부 홈깊이(hm)를 8mm로 하고, 스크류 지름(D)이 130mm인 경우에 공급부 홈깊이(hf)를 17mm, 계량부 홈깊이(hm)를 10mm, 스크류 지름(D)이 160mm인 경우에 공급부 홈깊이(hf)를 20mm, 계량부 홈깊이(hm)를 12mm로 하였다.

이것에 의해 본 발명에 의한 것은 스크류 지름이 100mm 이상의 인라인 스크류식 가소화 사출장치로된 대형 사출 성형기기에 있어서, 스크류 길이 및 지름비 (L/D)를 18 - 24로 하는 동시에, 공급부의 길이(Lf)를 10D - 14D로 하는 것으로 계량시간의 안정화와 함께 가소화 능력이 약 1.4로부터 2배로 개선되어 생산성이 대폭적으로 향상될 수 있는 것이 판명되었다.

또, 용융수지통로(34)의 흐름방향에 대한 수직방향의 통로폭(B)을 스크류 지름의 3-6%로 억제하는 동시에, 웨어 플레이트(22)와 체크 링(26)의 단면의 연직축과의 각도θ를 70-90°로 하고, 체크 링(26) 앞쪽에 볼록형 노치(26')를 설치하여 스크류 헤드(20)의 노치에 결합하고, 스크류 회전시에 체크 링(26)을 공동회전시키도록 구성하는 동시에 유리섬유의 파손을 실용상 요구되는 레벨로 억제하면서 밀봉성능이 향상되기 때문에 쇼트 숏(short shot), 버르(burr) 등의 성형불량이 발생하는 것 없이 안정된 성형이 가능한 효과가 있다.

특히, 매트릭스 폴리머로서 MFR(Melt Flow Rate)가 100-300g/10분이 되도록 고유동성의 폴리 프로필렌 수지를 이용한 긴 유리섬유 강화 열가소성 수지의 대형성형품에 있어서, 그 효과가 현저히 인정되고, 쇼트 숏, 버르 등을 발생시키지 않고 안정된 제품을 높은 싸이클로 생산할 수 있는 것이 확인 되었다. 또, 스크류(14)의 길이 및 지름 비 (L/D)를 크게 하는 것으로, 외부히터로부터 충분한 열량이 펠릿재료에 부여되어 용융이 쉬어지게 되고, 집속된 긴 유리 섬유의 해체불량도 발생하지 않게되어 양호한 외관의 제품을 얻을 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 얻는다.

첫째, 스크류 길이(L)/지름(D)의 비를 18 - 24로하고, 스크류의 공급부 길이(Lf)를 10D - 14D로 구성한 것에 의해 외부 히터로부터 충분한 열량을 원료 펠릿에 부여하는 것이 가능하며, 연화용융이 쉬운 상태로 압축부에 이송되기 때문에 전단력이 작아지고, 집속된 긴 유리섬유의 파손이 저감될 수 있다. 또, 공급부의 길이(Lf)가 10D - 14D로 커지므로, 실린더 선단의 챔버 내에 용융재료를 계량하기 위한 계량 스트로크(S)가 2D - 5D 분 만큼 휘퇴하여도 공급부의 유효길이(Lf)는 8D - 9D분이 확보되기 때문에 저속회전에도 언정된 계량동작을 행할 수 있다.

둘째, 스크류의 공급부의 홈깊이(hf)를 13mm 이상, 계량부의 홈깊이(hm)를 8mm 이상으로 함으로써 펠릿 길이 보다 깊은 홈깊이(hf)를 13mm 이상으로 하여, 펠릿이 스크류에 들어온 시점에서의 긴 유리섬유의 파손을 방지하고, 또한 계량부의 홈깊이(hm)를 8mm 이상으로 함으로써 수지의 용융을 효과적으로 행할 수 있고 또한 긴 유리섬유의 파손을 가능한 저감할 수 있다.

셋째, 상기 웨어 플레이트와 체크 링이 형성되는 용융수지통로에서의 이 용융수지의 흐름방향에 대한 수직방향의 폭을 스크류지름 3% - 6%로 설정한 구성에 의해 밀봉 타이밍의 부적절함도 없고, 또한 긴 유리섬유의 파손도 저감할 수 있기 때문에 특히 직경100mm 이상의 대구경 스크류에 효과적이다. 이것에 의해 대형 자동차용 부품을 안정하게 효율적으로 성형할 수 있다.

넷째, 웨어 플레이트와 체크 링의 단면의 연직축의 각도θ를 70°- 90°로 한 구성에 의해, 챔버 측으로부터 스크류 측으로의 유동저항이 증가한 결과, 체크 링이 웨어 플레이트에 당접하여 용융수지통로(B)를 폐쇄한 만큼의 역류량이 작아지게 되어 성형 안정성이 향상된다.

다섯째, 체크 링을 갖는 스크류 헤드를 장착하고, 체크 링 전방에 설치된 볼록형 노치를 스크류 헤드의 노치로 결합하여 스크류 회전시에 체크 링을 공동회전시키도록 구성한 것에 의해 웨어 플레이트와 체크 링으로 성형된 수지통로(통로폭(B)의 수지통로34b), 및 체크 링과 스크류 헤드의 샤프트로 형성되는 수지통로(통로폭(A)의 수지통로(34a))에 있어서의 스크류 회전시의 수지에 가해지는 회전방향에서 전단력을 영으로 억제할 수 있으므로, 긴 유리섬유의 파손을 저감할 수 있다.

여섯째, 체크 링을 갖는 스크류 헤드를 장착하고, 체크 링의 폭이 스크류 지름(D)의 0.3D - 0.4D로 한 구성에 의해 통로폭(A)의 수지통로(34a)에서의 긴 유리 섬유의 파손을 방지할 수 있다.

일곱째, 긴유리섬유 강화 열가소성 수지의 매트릭스 폴리머로서 MFR(Melt Flow Rate)이 100g - 300g/100min의 높은 유동성의 폴리프로필렌 수지로 한 경우에도 쇼트 숏(short shot), 버르(burr) 등을 발생시키지 않고 안정된 제품을 높은 싸이클로 생산할 수 있다.

Claims

펠릿의 길이와 같은 길이를 갖고, 펠릿의 길이방향으로 정렬하는 긴유리섬유를 포함하는 열가소성 수지펠릿을 가소화하여 사출하기 위한 인라인 스크류식 가소화 사출장치에 있어서,

직경 100mm 이상의 스크류와;

이 스크류가 배치된 중공의 가열 실린더와;

샤프트를 통해 상기 스크류에 결합된 스크류헤드와;

상기 샤프트의 후방측에 고정된 웨어 플레이와;

샤프트와 가열 실린더로 형성되는 공간에서 상기 스크류 헤드와 웨어 플레이트 사이에서 왕복이동할 수 있도록 상기 샤프트에 미끄럼가능하게 끼워진 체크링과;

상기 가열실린더, 스크류헤드, 샤프트, 체크 링 및 웨어 플레이트에 의해 형성되는 용융수지통로를; 구비하고,

상기 스크류 길이(L)/지름(D)의 비를 18-24로 하고, 상기 스크류의 공급부의 길이(Lf)를 10-14 D로 하며,

상기 스크류의 공급부의 홈깊이(hf)를 13mm 이상으로 하고,

스크류의 계량부의 홈깊이(hm)을 8mm 이상으로 하며,

상기 웨어 플레이트와 상기 체크 링으로 형성되는 용융수지통로에서의 이 용융수지의 흐름방향에 대한 수직방향 폭을 스크류지름(D)의 3 - 6 %로 한 것을 특징으로 하는 인라인 스크류식 가소화 사출장치.
제1항에 있어서,

웨어 플레이트 및 체크 링의 단면과 연직축 사이의 각도θ가 70° 내지 90°로 설정된 것을 특징으로 하는 인라인 스크류식 가소화 사출장치.
제1항에 있어서,

상기 체크 링 전방에 설치된 볼록형 노치를 상기 스크류헤드의 노치에 결합하고, 상기 스크류 회전시에 상기 체크 링을 공동회전시키도록 구성한 것을 특징으로 하는 인라인 스크류식 가소화 사출장치.
제1항에 있어서,

체크 링의 폭이 스크류 직경(D)의 0.3 내지 0.4 D로 설정되는 것을 특징으로 하는 인라인 스크류식 가소화 사출장치.
제1항에 있어서,

상기 긴유리섬유 강화 열가소성 수지의 매트릭스 폴리머를 MFR(Melt Flow Rate)이 100 - 300g/10분 이되는 고유동성 폴리 프로필렌 수지로 구성한 것을 특징으로 하는 인라인 스크류식 가소화 사출장치.