KR20060079800A - 플라스틱 스킨 형성 방법 - Google Patents

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KR20060079800A
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infrared
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로버트 에이. 그리머
데이브 사이퍼스
데니스 무어
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콜린스 앤 아이크만 오토모티브 컴파니 인크.
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Abstract

본 발명은, 주조 온도에 도달하기 위해 몰드 외관에 맞추어 형성된 적외선 에너지 가열 요소들로부터의 적외선 에너지를 이용하여 몰드 외관을 가지는 금속 몰드를 예열하는 단계, 상기 예열된 금속 몰드에 플라스틱 재료를 주조하는 단계, 적외선 에너지를 이용하여 상기 플라스틱을 용융시키는 단계, 상 또는 상태를 변화시킬 수 있는 재료와 상기 금속 몰드를 접촉시켜 금속 몰드를 냉각시키는 단계, 및 상기 금속 몰드로부터 주조된 플라스틱 제품을 제거하는 단계를 포함하는 플라스틱 제품의 제조방법 및 장치를 제공한다.
예열, 금속 몰드, 몰드 외관, 적외선 에너지, 주조, 용융, 냉각, 증발, 승화, 가열부, 주조부, 냉각부

Description

플라스틱 스킨 형성 방법{PLASTIC SKIN FORMING PROCESS}
본 발명은 적외선 가열 및 증발에 의한 냉각을 이용하는 몰드 표면으로부터의 상대적으로 얇은 플라스틱 스킨(skin) 또는 쉘(shell)을 형성하는 개선된 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 기구 패널, 도어 패널, 헤드레스트(headrest), 콘솔 커버, 에어백 도어, 글로브 박스 도어(glove box door)와 같은 자동차 내부의 트림 제품에 외부 표면으로써 사용되는, 얇은 열가소성 쉘이나 스킨의 효과적인 제조와 관련된다.
수십 년 동안, 몰드 표면에 열가소성의 얇은 스킨을 형성하는 방법이 개발되어 왔다.
초기에는, 전기주조된 니켈 및 니켈/구리 몰드는 소정 분량의 액체 플라스티졸(plastisol)로 채워져, 가스-히터 오븐을 거쳐 물 스프레이 섹션으로 회전되어, 우레탄 폼으로 채워지고 자동차 암레스트(arm rest) 등으로 사용되는 쉘을 생산하였다. 통상적으로, 이러한 쉘을 제조하기 위해 사용된 장치는 채우기, 가열, 냉각 및 제거(stripping) 부(station)로 인덱싱한 일련의 멀티-암 스핀들(multi-arm spindle)이었다. 이러한 유형의 장치는 본 발명의 양수인에게 양도되었으며 여기에서 참조하고 있는 호톤의 미국 특허 제4,898,697호에 기재되어 있다.
1950년대와 1960년대에 증가한 자동차 인테리어용 부드러운 촉감의 인테리어 트림(interior trim) 제품에 대한 요구로서, 기구 패널과 같은 커다란 부품들이 개발되었다. 이는 액체 플라스티졸(plastisol)이 몰드 표면을 코팅하기 위해 예열된 전기주조된 몰드로 주입된, 회전 몰딩에 반대되는 "슬러시 몰딩(slush molding)" 방법이다. 과잉의 플라스티졸은 몰드가 용융(fuse)과 냉각부로 인덱싱하기 전에 버려진다. 이러한 커다란 전기주조된 니켈 툴(tool)은 제품이 길어지고 비교적 편평해지기 때문에 그것의 크기로 인하여 다양한 축으로 쉽게 회전될 수 없었으며 또한 그럴 필요도 없었다. 이는 연속적인 이동 제품 라인을 충족시키기 위하여 사용되는 다수의 전기주조된 몰드(10 내지 30개)를 필요로 하는, 오버-앤드-언더 컨베이어 방법(over-and-under conveyorized process)을 가져왔다. 여기서, 몰드나 완성품의 외관을 닮은 가스-히터 버너 또는 유도 가열 코일은 플라스틱을 교질화(gelling) 및 용융 부(station)에서 열을 제공하기 위해 사용되었다. 이러한 컨베이어 방법은 또한, 가열 장치가 형태-특이적(shape-specific)이기 때문에 설비의 변경없이 처리될 수 있는 몰드 형태의 수는 기본적으로 하나로 제한되었다. 이러한 형태의 장치는 본 발명의 양수인에게 양도되었으며 여기에서 참조하는 미국 특허 제3,728,429호에 기재되어 있다.
컨베이어 라인의 공간의 필요성과 다수의 전기주조된 몰드 사용에 대한 비용 때문에, 모듈방식 슬러시 방법(modular slush process)이 개발되었다. 여기서, 단일의 전기주조된 몰드는 단일 부(single station)에서 장축을 중심으로 회전되었으며 열과 냉각이 몰드에 공급되었다. 스테인레스 강 튜브는 전기주조된 몰드의 후면 에 용접되었고 뜨겁거나 차가운 열 전달 유동액(fluid)이 몰드와 몰드에 포함된 액체 플라스티졸을 가열하고 냉각하기 위해 튜브를 통해 순환되었다. 특히 버려지는 과잉의 액체 플라스티졸로부터 떨어져 흐르는 플라스틱 스킨의 보다 두꺼운 섹션이 용융되지 않은 상태로 남아 부 작동기(station operator)와 인접한 쉘로 이동하기 때문에, 이 방법에서는 청결함이 유지되기 어렵다. 이러한 형태의 장치는 본 발명의 양수인에게 양도되고 여기에서 참조하는 프레스톤의 미국 특허 제5,106,285호, 콜비의 제 4,389,177호 및 제4,217,325호에 기재되어 있다.
다른 열가소성 물질들(TPU, TPE, TPO, ASA, 등)뿐만 아니라 PVC용 분말 슬러시 형성이 슬러시 방법에서의 낭비를 최소화하고 보다 균일한 두께의 스킨을 제조하도록 발전하게 되었다. 여기서, 단지 가열한 몰드 표면에 인접한 일정 두께의 분말만이 용융되었고 용융되지 않은 분말은 다음 사용을 위해 분말 박스에 반환되었다. 이러한 모듈방식의 공정은 더 적은 수의 몰드를 필요로 하며 빠른 몰드 변형을 허용했다.
전기주조된 몰드에 용접된 스테인레스 강 튜브의 또 다른 어려움은 몰드 수명의 단축이다. 튜브가 몰드에 용접되는 동안에 니켈 몰드가 노출된 열 압력은 몰드 크래킹(mold cracking)을 초래했다. 이를 해결하기 위해, 몰드를 가열하는 대체 수단이 연구되었다. 전기주조물을 유동상(fluidized bed)(다카마츠의 미국 특허 제4,946,663호)이나 열 전달 매질에 담그는 것이 사용되었다. 유도 가열 (양도되어 여기에서 참조하는 Wersosky 등의 미국 특허 제3,315,016호) 및 마이크로파 가열 방법이 있다. 로보트과 다수의 부을 이용하는 하이브리드 방법은 그래이의 미국 특 허 제4,755,333호(양도되어 여기에서 참조됨)에 공지되어 있다.
가장 많이 사용하는 방법은, 몰드 박스를 사용하여 니켈 전기주조 몰드의 후면을 싸서 빠른 가열(또는 외면의 주위 공기 냉각) 주기를 제공하기 위해 가스-히터-가열된 공기가 고속으로 튜브를 통해 전기주조 몰드의 후면에 가해지는, 모듈방식의 처리 장치였다. 이러한 유형의 장치를 설명하는 아네스틱 등의 미국 특허 제4,623,503호는 본 발명의 양수인에게 양도되어 여기에서 참조한다. 맥낼리의 미국 특허 제6,019,390호와 제6,082,989호 및 가드너의 미국 특허 제6,013,210호는 이러한 방법의 변형을 기술하고 있다. 비교적 차가운 날에, 4분의 주기가 얻어질 수 있었다. 그러나, 주기 개선의 다음 단계로 이동하기 위해서는, 이러한 장치의 몇 가지 단점을 극복하는 것이 필요했다. 전기주조된 몰드의 뒤에 가해지는 더운 공기는 니켈 몰드가 굽어져 결국에는 피로로 인하여 크랙을 일으킬 정도로 압력을 가하였다. 모듈방식의 처리 장치는 가스-히터 버너 오버헤드와 덥고 차가운 공기를 공급하는 수 피트의 배관(duct work)을 가진 큰 몰드 스탠드로 발전하였다. 이러한 장치는 절연되어야 했고 가열과 냉각에 있어서 효과적이지 않았다. 또한, 주위의 소음과 열 오염이 부 작동기에 발생하였다.
빠른 주기 시간을 제공하고, 저비용의 에너지를 사용하며 상대적으로 저렴한 설비를 필요로 하는 방법이 요구된다. 추가로, 이러한 방법은 몰드와 몰드에 함유된 플라스틱 스킨 재료만을 가열하고 냉각해야 하며, 얇은 경량의 몰드 사용을 허용해야 한다. 또한 추가로, 이러한 방법은 처리의 정지시간을 줄이기 위해 하나의 몰드/제품 형태에서 다른 형태로 빠르게 전환될 수 있는 처리 장치를 사용하여, 소 음과 열의 낭비를 적게 하는 친환경적인 방식이어야 한다.
발명의 요약
본 발명은 적외선(IR) 에너지를 통해 가열되고 바람직하게는 물/공기 안개 스프레이에 의한 증발을 통해 냉각된 경량의 금속 몰드를 이용하는 효과적인 스킨-포밍(skin-forming) 방법을 제공함으로써 선행 기술의 결점을 다루고 있다. 적외선 에너지는 바람직하게는 몰드의 형태에 맞추어진 외관을 갖는(contoured) 히터 요소들을 이용하는 몰드의 후면에 가해지기 때문에, 열의 낭비가 거의 없고, 도관과 다른 주변 장비뿐만 아니라 둘러싼 주변 영역의 가열을 피할 수 있다. 몰드는 그 자신의 무게보다 다른 압력들(기압 등)에 영향을 받지 않기 때문에, 주기 시간 및 압력 크랙으로 인한 어떠한 성향도 감소시키는, 더 얇고, 따라서 더 균일한 전기주조된 몰드가 사용될 수 있다. 다른 방법으로, 플라스틱 쉘 재료를 포함하는 몰드의 도톨도톨한(grained) 표면이 또한 가열될 수 있다. 물(또는 다른 유동액)의 증발작용의 잠열(latent heat)을 이용하는, 증발에 의한 냉각은, 더 얇으며 더 균일한 전기주조와, 냉각에 요구되는 배관의 제거 및 물 스프레이의 자동화에 의해 한층 개선된, 냉각 시간의 현저한 감소를 제공한다. 또 다른 방법으로, 여기에서 설명된 방법의 온도 범위 내의 상 또는 상태를 변화시키는 재료는 몰드를 냉각시키는데 사용될 수 있다.
추가의 실시예는 전기주조된 몰드의 여러 영역으로의 열 투입을 조정하거나 균형을 맞추기 위한 방법으로서 열 흡수/방사의 사용을 포함한다. 적외선 히터와 마주하는 몰드의 후면에 검은 페인트를 사용하는 것은 더 두꺼운 몰드 섹션을 더 빠르게 가열하도록 도울 수 있고, 또는 반대로 더 밝은 음영의 페인트(회색)의 사용은 얇은 몰드 섹션의 가열을 천천히 하거나 그 영역에서 형성된 플라스틱 스킨의 두께를 0(nil)으로 감소시킬 수 있어, 재료를 절약하고 초과 낭비를 줄이려는 필요성을 감소시킨다.
포스트-페인트(post-paint)에 대한 필요를 감소시키는, 개선된 열 균형(balance)은, 몰드의 후면에 다양한 회색의 음영을 페인팅하는 이러한 방법을 통해 가능하며, 더 균일한 쉘 광택을 가져올 수 있다. TPU, TPE 및 TPO와 같이 다수의 보다 새로운 분말 형태의 열가소성 물질이 매우 뚜렷한 용융점(melt point)을 가지기 때문에, 또한 개선된 열 분포(distribution)는 균일한 두께의 스킨의 주조(casting)를 확실히 하는데 중요하다.
적외선 가열을 이용하는 또 다른 실시예에서, 열가소성 재료들의 열 흡수성을 개선하는 첨가제의 사용을 통해 열가소성 재료들을 적외선 에너지에 의한 가열에 더욱 민감하거나 도움이 되게 하며, 추가로 주기 시간을 줄이는 기술이 현재 존재하고 있다. 이러한 특징은, 몰드에서 응고하면서, 적외선 가열이 플라스틱 쪽에 있는 쉘의 개방 측에 가해질 때 사용된다. 카본 블랙(carbon black)과 같은 재료가 열 흡수성을 증가시키기 위해 열가소성 재료에 추가될 수 있다.
주조(casting) 방법은 다수의 몰드를 보유하는 오버-앤드-언더 컨베이어(over-and-under conveyer)이용에 따른 여러 가지의 방법으로, 또는 모듈 방식으로, 바람직하게는 3 내지 4개의 부(station)와 첨부된 도면에서처럼, 몰드를 예열(A)에서 주조(B)로 처리하고, 다시 (A)를 용융하기 위해 가열한 다음, 냉각(C)하여 제거하는 로보트를 이용하여 구성될 수 있다.
따라서, 본 발명은 주조 온도에 도달하기 위해 몰드 외관(mold contour)에 맞추어 형성된 적외선 에너지 가열 요소로부터의 적외선 에너지를 이용하는 몰드 외관을 가지는 금속 몰드를 예열하고, 플라스틱 재료를 상기 예열된 금속 몰드로 주조하여, 적외선 에너지를 이용하여 상기 플라스틱을 용융하고, 상이나 상태를 변화시킬 수 있는 재료와 상기 금속 몰드를 접촉시킴으로써 상기 금속 몰드를 냉각시켜, 상기 금속 몰드로부터 주조 플라스틱 제품을 제거하는 것을 포함하는, 플라스틱 제품을 제조하는 방법을 나타낸다.
또한, 본 발명은, 금속 몰드를 제 1 가열 부(station)에 위치시키고(여기서, 몰드 외관을 가지는 금속 몰드는 주조 온도에 도달하기 위해 몰드 외관에 맞추어 형성된 적외선 에너지 가열 요소로부터의 적외선 에너지를 이용하여 예열된다), 상기 몰드를 제 2 부에 위치시켜, 플라스틱 재료를 상기 예열된 금속 몰드에 주조하고, 상기 몰드를 제 3 부에 위치시켜, 적외선을 이용하여 상기 플라스틱을 용융하고, 상이나 상태를 변화시킬 수 있는 재료와 상기 금속 몰드를 접촉시켜 상기 금속 몰드를 냉각하여, 상기 몰드를 제 4 부에 위치시키고, 주조 플라스틱 제품을 상기 금속 몰드로부터 제거하는 것을 포함하는, 플라스틱 제품을 제조하는 방법을 나타낸다.
장치 형태에 있어서, 본 발명은 (i)몰드 외관을 가지는, 주조 플라스틱 재료를 수용하는 금속 몰드, (ii)상기 몰드의 외관에 맞추어 형성된 적외선 가열 요소들을 포함하고 원하는 주조 온도로 상기 몰드를 가열기 위한 적외선 히터, 및 (iii)상이나 상태를 변화시킬 수 있는 재료를 전달하는 냉각 장치를 포함하는 플라스틱 제품으로서 주조된 물품용 장치를 나타낸다.
발명의 이러한 목적 및 다른 목적과 특징 및 이점들은 발명의 설명과 다음의 첨부된 도면을 고려함으로써 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 처리 단계를 설명하는 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 처리 순서의 예시적인 개략도이다.
도 3은 본 발명의 외관을 가진(contoured) 가열 장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 외관을 가진(contoured) 냉각 장치의 단면도이다.
바람직한 실시예의 설명
상기 언급한 바와 같이, 도 1은 자동화 트림 응용을 위한 플라스틱 스킨을 제조하는 본 발명에서 사용된 처리 단계들을 묘사하는 순서도이다. 얇은 전기주조된 니켈 몰드는 전기 적외선 히터를 이용하여 예열되고, 몰드가 특정 플라스틱 분말이 처리되는 바람직한 분말 주조 온도에 도달할 때, 몰드 면에 클램핑하고(clamp) 뒤바뀔(invert) 때 분말로 몰드 공동(cavity)을 채우는 분말 박스를 이용함으로써, 몰드는 분말로 채워진다. 그 후 몰드는 분말이 전기주조된 몰드의 노출된 내부 표면에 접촉하여 가열된 표면에서 용융하도록 일반적으로 몰드의 주축을 중심으로 회전한다. 다음, 몰드/분말 박스 조합은 뒤바뀌고 용융되지 않은 분말은 클램핑되지 않아(unclamped) 들어간(retracted) 분말 박스로 떨어지게 된다. 몰드 표면상에 플라스틱 층을 용융시키도록 추가적인 적외선 열이 몰드에 가해질 수 있다. 몰드는 원하는 제거(stripping) 온도로 몰드 표면을 냉각시키기 위해 물과 공기의 미세 안개(fine mist)로 분사된다. 일단 제거 온도가 되면, 냉각된 단단한 스킨이 제거되어 다음 주기가 시작된다. 플라스티졸이나 오르가니졸(organisol)과 같은 액체 열가소성 물질 포물레이션(formulation)은 비슷한 방식으로 처리될 수 있다. 더욱이, 복합 플라스틱 재료는 [특히 리그라인드(regrind)가 사용될 수 있는 층을 지지하기 위한] 독특한 특성을 제공하거나 비용을 감소시키기 위해 레이어드(layered) 또는 비-레이어드(non-layered)(즉, 인접한) 배치 형태로 주조될 수 있다.
도 2는 이러한 방법을 더 상세하게 나타낸다. 기본적인 장치 부(station)로 표현하였지만, 장치는 실제로는 움직이는(moving) 또는 인덱싱(indexing) 라인, 로보트 조종자 및 다층(multiple) 부(stations)(그래이에 허여되고 여기에서 참조로 하는 미국 특허 제4,759,333호에 기재된 바와 같이), 또는 도 1 및 도 2와 일치하는 임의의 다른 순서의 형태를 가질 수 있다. 이들은 스킨 또는 쉘을 형성하기 위하여 플라스틱 다중(multiple) 층(layer), 플라스틱 다중 타입 및 열가소성 층(layer)을 주조하는 것을 포함한다.
더욱 특히, 바람직하게는 니켈, 가장 바람직하게는 전기주조(electroformed) 니켈로 만들어진 금속 몰드는 최종 자동차 스킨 또는 쉘에 요구되는 표면 패턴[입자(grain), 텍스처(texture), 장식(decoration)] 및 외관(contour)을 가지게 형성 한다. 이러한 전기주조 몰드는 가열되고 냉각될 니켈의 중량을 최소화하고 몰드의 내부 압력를 최소화하기 위하여 바람직하게는 0.050 인치에서 0.400인치의 균일한 두께를 가지며, 더욱 바람직하게는 0.100인치에서 0.150인치 사이의 두께를 가진다. 몰드 자체의 중량 및, 완전하고 균일한 스킨을 만들기 위해 몰드의 표면을 적당하게 코팅하기 위하여 몰드를 채워야만 하는 분말의 중량을 지지하는 몰드의 모양과 역량에 따라 더 얇은 몰드가 가능하다. 이에 더하여, 니켈-구리, 베릴륨(beryllium)-구리, 스테인레스 강 등(이들에 한정되지 않음)을 포함하는 다른 조성의 금속 몰드를 사용할 수 있다. 주조(casting) 단계에서 에너지 원로는 매사추세츠주 하버힐의 컨벡트로닉스(Convectronics)사에서 구할 수 있는 전기 적외선 히터가 바람직하다. 왜냐하면, 그러한 히터는 시끄럽지 않고, 가스 공해를 발생하지 않으며, 모양을 형성하기 용이하고, 가열 요소들을 각각 구체적인 몰드 외관에 밀접하게 맞추기 위하여 외형 만들기를 허용하기 때문이다. 몰드와 몰드의 표면을 덮는 분말의 결합을 주조 온도까지 1분에 가열하기 위해서는 약 47 watts/in2 의 에너지가 필요하다. 0.7에서 1000 마이크론의 파장(전자기 스펙트럼의 적외선 영역)이 사용될 수 있지만, 합리적인 히터 요소의 수명을 제공하고 있을 수 있는 안전 위험요소를 최소화할 수 있는 충분한 출력 온도(화씨 1,275에서 2,000도)를 발생하기 위하여 가장 바람직한 적외선 파장은 2.1 내지 3.0 마이크론이다. 예를 들어 277 volt/3상 전력(3 phase power), 47 watts/in2 출력 발생 가능한 히터를 사용하면, 화씨 1,450도의 지속적인 동작 출력 온도를 안출한다. 그러나, 본 발명에서는 바람 직하게는 적어도 20 watts/in2 , 더욱 바람직하게는 적어도 30 watts/in2, 더욱 더 바람직하게는 적어도 40 watts/in2 , 가장 바람직하게는 45 내지 55 watts/in2 를 발생할 수 있는 적외선 가열 요소를 사용한다. 인코넬로 만들어진 외부(outer) 슬리브(sleeve), 인코넬 슬리브 안쪽에 마그네슘 산화물로 채워진 인코넬 와이어 부품으로 구성된 지름 약 3/8 인치인 관상(tubular) 히터는 요구되는 에너지를 공급할 수 있다. 관상 히터는 마운팅을 단순하게 하는 냉각 단부(ends)를 가진다. 습기가 빠져 나갈 수 있도록 슬리브의 각 단부를 봉합하는 데 파이버(fiber) 워셔(washer)를 사용한다. 관상 히터는 전기주조 몰드의 후면과 매우 같은 모양의 패턴으로 구부려지고, 몰드의 후면으로부터 0.01에서 5 인치 떨어지며, 바람직하게는 몰드 표면으로부터 1 내지 3인치 떨어진다. 관상 히터는 가열될 몰드의 표면을 균일하게 덮기 위하여 몰드를 따라 약 1 내지 3인치 정도 더 떨어지게 한다. 튜브 간격은 몰드의 후면에 균일한 커버리지(coverage)를 제공하는 수평(lateral), 수직(longitudinal), 다이어고널(diagonal) 또는 어떤 다른 형태를 가질 수 있다. 짧은 요소들은 가열시 열 팽창으로 인한 문제를 적게 일으킨다. 관상 히터 부품의 온도를 측정하고 제어하기 위하여 몰드의 평균 두께 위치에 몰드의 전면 표면에 열전쌍(thermocouple)을 설치할 수 있다. 열전쌍은 바람직하게는 구멍을 내어 은 땜납을 사용하여 와이어의 끝을 포팅하여 몰드에 설치한다. "크로스 파이어(cross-fire)"[다른 히터와 마주 보고, 반대편 히터를 설치점(setpoint)보다 위로 보내는 히터 요소의 문제]와 연관된 문제를 해결하기 위하여, 각각의 히터 요소는 열전쌍을 장착 하고 전압 조절기에 연결된 고상(solid state) 릴레이를 사용하여 독립적으로 제어한다. 대안으로는, 인접하는 히터 요소들은 일련으로(in series) 연결될 수 있으며, 하나의 열전쌍으로 측정할 수 있다. 각각의 히터 요소에 열전쌍을 연결함으로써 하나의 히터가 인접한 히터 요소를 오버라이드(override) 시작하면 열전쌍은 그 히터의 전압을 감소하게 프로그램되어 있는 고상 제어기에게 경고하여 번아웃(burnout)을 방지하게 한다. 따라서 히터 배열은 균일하고 일관된 온도를 안출하도록 제공되며, 각각의 몰드 형상에 특유하며(specific) 휴대 가능하여 새로운 몰드 형상이 사용되는 경우에 쉽게 변경할 수 있다. 결과적으로, 가정 바람직한 가열 원은 움직이는 부분이 없고, 소음, 열, 퓸(fume)과 같은 잠재적인 공해 문제없이 제공되는 것이다.
더욱 균일한 스킨 또는 쉘 두께를, 특히 복잡하고 언더컷(undercut) 형상에서, 제공하기 위해 바람직하게는 전기주조된 몰드에 의해 흡수된 열을 더욱 균형잡기 위하여 흑체(black body) 흡수(absorption)/방사(emissivity) 이용을 적용한다. 처리 중에 일어나는 온도를 견딜 수 있는 검은 페인트를 열전달 시 도움을 주기 위해 몰드 후면에 적용한다. 니켈은 0.11의 방사율을 가지는 반면에 광택나는 검은 페인트 표면은 훨씬 큰 적외선 열 흡수를 제공하는 약 0.86 정도의 방사율을 가진다. 형성되는 플라스틱 스킨 또는 쉘은 대략 0.025 내지 0.040 인치 두께로 가능한 한 균일하여야 하고, 각각의 쉘을 주조하는 데 가능한 한 작은 분말을 사용하기 위하여 몰드의 열 균형이 필요하다. 이것은 히터 요소의 형상과 몰드 후면으로부터의 거리 및 각각의 히터 요소에 대한 적용 전력 레벨을 조정함으로써 균일한 몰드 온 도를 제공하기 위하여 대개 먼저 서모그라피(thermography) 기술을 사용하여 수행한다. 다음에는 쉘을 주조하고 섹션으로 나누고 x 및 y 면으로 두께를 인치로 측정하며, 바람직하게는 두께 0.025 내지 0.040인치의 두께를 가지는 쉘을 만든다. 부가하여 열 균형, 따라서 쉘 두께의 미세한 조정은 몰드 표면의 뒷쪽에 다른 음영(shade)을 가지는 그레이스케일(grayscale) 페인트를 적용함으로써 얻을 수 있다. 특히, 얇은 몰드 영역(전기주조된 형상의 복잡한 외면 형태 때문에) 및 최종 제품 또는 주변 가장자리를 따라 구멍(opening)으로부터 정리되는(trimmed) 스킨 이나 쉘이 거의 또는 완전히 필요하지 않은 "웨이스트(waste)" 영역에는 흡수되는 열(따라서 더 적은 분말이 녹음으로 인해 형성된 쉘의 두께)을 감소시키기 위하여 그레이 페인트(gray paint)의 연한 색 음영(light colored shades)을 적용할 수 있다. 더욱이, 더 균일한 몰드 온도는 형성된 부품의 후(post)-페인트의 필요를 제거하거나 감소시켜 최종 스킨 또는 쉘의 표면에 더 균일한 광택과 색을 만든다.
도 3은 본 발명의 가열 장치의 단면도를 나타내는 도면이다. 전기주조된 니켈 몰드(10)는 적외선 가열장치(20)의 아래에 위치한다. 적외선 가열 부품(14)은 바람직하게는 몰드의 길이(대안적으로는 폭)를 따라 평행 배열(array)로 이어지고 균일한 열을 제공하기 위하여 몇 인치 떨어져서 몰드의 표면을 따라가는 외관을 가진다. 바람직한 가열 장치는 지지를 위한 외부 프래임(12), 에너지를 담고 에너지를 몰드 표면 방향으로 방향지우는 반사 쉴드(reflection shield)(16) 및 K-울(wool) 절연 층(insulation layer)(18)을 더 포함한다. 이것은 다른 몰드 형태가 요구되고 상응하는 다른 형태의 히터 배열이 필요한 경우 변화가 용이한 경량 (lightweight) 가열 장치를 제공한다. 급속 냉각 주기를 제공하기 위하여 바람직하게는 증발 냉각과 같이 상 변화 또는 냉각 상태 변화를 적용한다. 왜냐하면, 냉각 매체의 상 변화에 의해 흡수되는 잠열을 사용할 수 있기 때문이다. 이것은 냉각에 주위 공기(대기; ambient air), 특히 계절적 극한[여름 열(heat)] 동안 사용할 때 생기는 문제를 감소시킨다. 몰드가 물로 넘쳐나는 어질러짐을 최소화하기 위하여 주조 쉘을 포함하고 있는 뜨거운 전기주조된 몰드는 스프레이 노즐(Binks 또는 DeVilbis와 같은)을 통하여 차가워진 물을 분무하기(atomize) 위하여 약 100psi의 공기를 사용하여 스프레이된다. 도 4에 나타난 바와 같이 스프레이 노즐은 냉각 균일성을 유지하기 위하여 몰드 외관을 조정가능한 패턴으로 배열한다. 이러한 노즐은 스킨을 몰드로부터 떼어내기 전에 스킨의 균일한 냉각을 보증하기 위하여 서모그라픽(thermographic) 기술을 사용하여 조정할 수 있다. 일정한 고 부피(high volume) 고 압력(high pressure) 공급을 유지하기 위하여 공기 서지(surge) 탱크를 사용하는 물 위의 공기(air-over-water) 냉각 시스템을 제공한다. 도 4는 증발 냉각 장치의 단면도이다. 노즐들(24)의 횡렬(rows)이 프래임(22)의 길이와 폭을 따라서 설치되도록 허용하는 몰드의 형상을 따라 설치된다. 노즐(24)은 바람직하게는 균일하고 급속한 냉각을 제공하기 위하여 몰드(10)(몰드의 끝을 포함하여)로부터 균일하게(evenly) 이격되고 일정한 거리를 가지게 설치된다. 대안으로, 노즐은 주기 시간을 최적화하기 위하여 추가 냉각이 요구될 수 있는 더 큰 열 형성(build-up) 영역에 집중될 수 있다. 미세하게 분무된(micro-atomized) 공기와 물의 미세 안개(mist)를 스프레이함으로써 물 표면이 노출되어 증발을 증진하고, 뒤범벅 현상 은 거의 생기지 않는다. 로보트는 예열(도 2 참조) 후 가열부(A)로부터 몰드를 주조부(B)로 조종하고, 용융(fusing)을 위해 다시 가열부(A)로 되돌리며, 마지막으로 냉각부(C)로 보낸다. 가열부(A)와는 별도의 냉각부(C)에 냉각을 위한 스프레이 노즐을 설치함으로써 막힘(clogging) 없이 더 긴 노즐 수명을 가능하게 한다. 이것은 더욱이 조류(algae), 박테리아, 스케일(scale) 처리 용으로 냉각수를 사용하여 스프레이 노즐의 상태를 유지하고 몰드 표면을 깨끗하게 두게 한다. 요구되지는 않지만, 몰드를 냉각하기 위하여 찬 물을 제공하고 계절에 관계없이 지속적인 주기 시간을 제공하는 것이 바람직하다.
도 2를 참조하여 방법의 순서를 설명한다. 전기주조된 니켈 몰드를 부 A, 도 2에서 1 표시부분에 있는, 적외선 가열 부품 아래에 역 방식(inverted fashion)으로 두어 몰드의 후면(backside)을 흡수율을 최적화하기 위하여 검은 페인트를 칠한다. 전기주조된 몰드의 후면에 유사한 외관을 갖는 적외선 히터 요소가 바람직하게는 적외선 에너지를 몰드의 후면에 지향하게 한다(도 3 참조). 열전쌍은 몰드 공동(cavity) 표면에 부착된다. 몰드가 주조되는 구체적인 열가소성 물질(열가소성 우레탄, 폴리비닐 클로라이드, 열가소성 탄성 중합체, 열가소성 올레핀, 아크릴로니트릴-스티렌-아크릴 및 이들의 혼합물 또는 합금 등)에 대한 적정 주조 온도에 도달할 때, 몰드는 주조부(B)(도 2의 2위치)로 이동하고 열가소성 분말을 포함하는 분말 박스에 클램핑된다. 분말 박스와 몰드의 조합이 주 축 주위로 회전함에 따라 분말은 뜨거운 몰드 표면에 닿게되고 녹아 균일한 플라스틱 층을 형성한다. 20초 정도 회전한 후에 몰드를 역으로 하여(inverted) 여분의 분말은 분말 박스로 떨어 지게 하고, 분말 박스를 몰드로부터 분리하여 뒤로 물린다(retracted). 다음에는 전기주조 몰드를 적외선 가열부(A)(도 2의 3부분)로 다시 보내어 용융 처리(주조되는 구체적인 분말과 액체 플라스틱에 따라 일반적으로 화씨 400도의 몰드 온도)를 마감한다. 몰드는 다음에는 냉각부(C)(도 2의 4부분)로 이동하고, 여기서 물과 공기 미스트(mist)를 몰드를 제거(strip) 온도인 화씨 약 140 내지 150도로 냉각시키기 위하여 전면과 후면의 하나 또는 둘 다에 스프레이 한다. 제거 온도에 도달하면, 플라스틱 쉘은 부 D(도 2의 5부분)에서 몰드로부터 제거되고, 새로운 주기가 시작된다. 플라스틱[리그라인드(regrind), 폼(foamed), 물질의 다른 색깔, 성질 또는 조성의]의 다중 층이 레이어드(층으로) 또는 인접 배치 형태로 주조되는 경우에, 몰드는 예열 후에 일련으로 다중 분말 박스에 연결되고, 다중 가열 주기로 연속 층의 또는 층이 없는 플라스틱 재료를 몰드 표면에 용융시킨다. 대안으로, 제4 몰드부(제2 주조부)가 레이아웃(layout)에 추가될 수 있다.
따라서 본 발명의 내용에서 다수의 플라스틱 재료가 신속한 처리 환경에서 주조될 수 있다는 것이 확립되었다. 예를 들어, 제1 플라스틱 재료와 제2 플라스틱 재료를 주조하는 시간은 3분보다 작으며, 이는 몰드 온도를 급속하게 변경할 수 있는 능력을 가지는 적외선 가열(heating) 요소(elements)를 사용한 결과이다. 구체적으로는, 약 80초(더 일반적으로는 1 내지 2분 이내) 내에서 몰드를 예열할 수 있고, 약 20초(더 일반적으로는 10 내지 40초) 내에 제1 재료를 주조하고, 약 15초(더 일반적으로는 10 내지 45초) 내에 몰드를 제2 플라스틱 물질에 대한 제2 온도로 가열하기 위하여 예열부로 다시 보내고, 약 20초(더 일반적으로는 10 내지 45초) 내에 다시 제2 플라스틱 재료를 주조한다.
여기에서 증발 냉각이 바람직하지만, 잠열(latent heat;상 또는 상태를 변화시키는데 요구됨)을 사용하는 어떠한 방법도 수용가능하며, 물에 더하여 액체 질소, 드라이 아이스(CO2) 등 및 이들의 조합들이 사용될 수 있다. 스프레이 노즐 패턴은 노를 레이아웃을 몰드 외관에 유사하게 함으로써 최적화할 수 있고, 몰드 두께는 어떠한 변경도 수용할 수 있다.
따라서, 본 발명은 액체 또는 분말 주조 방법으로부터 얇은 플라스틱 스킨 또는 쉘을 제조하는 새롭고 개선된 방법을 제공한다. 전기 적외선 가열을 사용하여, 요구되는 몰드가 적고, 훨씬 작은 관(ducting) 및 이동 장치를 가지고, 외부환경에 상당히 적은 소음 및 폐기물을 배출하는 단순한 방법이 제공된다. 부가하여, 흑체(black body) 흡수성(absorptivity)을 사용하여 균일한 몰드 온도, 더 균일한 쉘 두께 및 광택 균일성을 제공하는 열 균형 방법이 개시된다. 이러한 방법은 처리 가열 원으로 전기가 프로판 또는 오일보다 더 싼 국가에서 특정한 용도를 찾을 수 있다. 또한, 증발 또는 승화의 잠열을 사용하여 상당히 더 빠른 몰드 냉각 주기를 제공하여 전체 주기 시간을 더 빠르게 하고, 많은 양의 쉘을 생산하는 데 요구되는 몰드와 몰드 부(mold stations)의 수를 줄이는 방법을 개시한다.
여기서 기술한 방법은 승용차에 적용하는 용도의 얇은 플라스틱 부품의 생산에만 한정되지 않으며, 장난감, 신발, 의료 제품을 포함하는 얇은 플라스틱 층을 몰드 표면에 고상화하는 어떠한 산업 분야에도 사용 가능하다. 여기에 나타난 설명 및 도면은 바람직한 본 발명에 관한 것이다. 설명 및 도면은 이러한 실시 예를 기술하기 위한 것이고 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다. 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 위의 설명을 보고 이하의 특허청구범위에 기재 범위 내에서 다양한 변경 또는 수정이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위 내에서 여기서 구체적으로 나타낸 설명 및 도면과 다르게 본 발명을 실시할 수 있을 것이다.

Claims (30)

  1. 주조 온도에 도달하기 위해 몰드 외관에 맞추어 형성된 적외선 에너지 가열 요소들로부터의 적외선 에너지를 이용하여 몰드 외관을 가지는 금속 몰드를 예열하고;
    상기 예열된 금속 몰드에 플라스틱 재료를 주조하여;
    적외선 에너지를 이용하여 상기 플라스틱을 용융시키고;
    상 또는 상태를 변화시킬 수 있는 재료와 상기 금속 몰드를 접촉시켜 금속 몰드를 냉각시켜; 및
    상기 금속 몰드로부터 주조된 플라스틱 제품을 제거하는 것을 포함함을 특징으로 하는, 플라스틱 제품의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 몰드 외관에 맞추어 형성된 상기 적외선 에너지 가열 요소들이 상기 몰드로부터 0.01 내지 5.0 인치 떨어져 있는, 플라스틱 제품의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 몰드는 약 0.050 내지 0.400 인치 사이의 두께를 갖는, 플라스틱 제품의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적외선 에너지는 전기 적외선 히터로부터 공급되는, 플라스틱 제품의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 적외선 가열 요소들로부터의 적외선 에너지는 상기 금속 몰드에 균일한 온도를 제공하는, 플라스틱 제품의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 몰드로부터 제거된 플라스틱 제품은 0.025 내지 0.040 인치의 두께를 가지는, 플라스틱 제품의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 적외선 가열 요소들은 적어도 약 20 와트/평방인치를 제공하는, 플라스틱 제품의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 히터들은 화씨 400 내지 2000도의 온도 범위에서 작동하는, 플라스틱 제품의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 히터들은 화씨 1275 내지 1750도의 온도 범위에서 작동하는, 플라스틱 제품의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 금속 몰드는 적외선 에너지의 흡수에 영향을 주도록 페인트로 코팅되는, 플라스틱 제품의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 페인트는 몰드에 선택적으로 적용되어 적외선 에너지의 흡수 위치를 선택적으로 정하는, 플라스틱 제품의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 상태 또는 상의 변화는 잠열을 이용하는, 플라스틱 제품의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 상태 또는 상의 변화는 증발인, 플라스틱 제품의 제조방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 상태 또는 상의 변화는 승화인, 플라스틱 제품의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 상 또는 상태를 변화시킬 수 있는 재료와 금속 몰드를 접촉시킴으로써 금속 몰드를 냉각시키는 단계는 공기와 물의 안개를 상기 몰드에 스프레이함으로써 냉각시키는 것을 포함하는, 플라스틱 제품의 제조방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 상 또는 상태를 변화시킬 수 있는 재료와 금속 몰드를 접촉시킴으로써 금속 몰드를 냉각시키는 단계는 증발 및 승화의 조합을 포함하는, 플라스틱 제품의 제조방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 플라스틱 재료는 열가소성 또는 열경화성 물질인, 플라스틱 제품의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 플라스틱은 우레탄, 비닐, 올레핀, 아크릴, 아크릴로니트릴, 부타디엔, 스티렌, 열가소성 탄성체, 폴리술폰, 폴리이미드, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리아미드, 에폭시, 및 이의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 플라스틱 제품의 제조방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 예열된 금속 몰드 표면에 플라스틱 재료를 주조하는 단계는 다수의 플라스틱 재료를 주조하는 것을 포함하는, 플라스틱 제품의 제조방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 다수의 플라스틱 재료는 다른 중합체 조성물, 다른 특성을 갖는 플라스틱 재료, 다른 색깔을 갖는 플라스틱 재료, 폼(foamed) 플라스틱 재료, 및 플라스틱 리그라인드(regrind)를 포함하는, 플라스틱 제품의 제조방법.
  21. 주조 온도에 도달하기 위해 몰드 외관에 맞추어 형성된 적외선 에너지 가열 요소들로부터의 적외선 에너지를 이용하여 몰드 외관을 가지는 금속 몰드가 예열되는, 제1 가열부에 금속 몰드를 위치시키고;
    상기 몰드를 제2 부에 위치시켜 상기 예열된 금속 몰드에 플라스틱 재료를 주조하고;
    상기 몰드를 상기 제1 부에 위치시켜 상기 플라스틱을 적외선 에너지를 이용하여 용융시키고;
    상기 몰드를 제3 부에 위치시켜 상 또는 상태를 변화시킬 수 있는 재료와 상기 금속 몰드를 접촉시켜 금속 몰드를 냉각시키고; 및
    상기 몰드를 제4 부에 위치시켜 상기 금속 몰드로부터 주조된 플라스틱 제품을 제거하는 것을 포함함을 특징으로 하는, 플라스틱 제품의 제조방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 몰드를 로보트를 사용하여 제1, 제2, 제3 및 제4 부에 위치시키는. 플라스틱 제품의 제조방법.
  23. 제21항에 있어서, 상기 예열된 몰드 표면에 플라스틱 재료를 주조하는 단계는 다수의 플라스틱 재료를 주조하는 것을 포함하는, 플라스틱 제품의 제조방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 다수의 플라스틱 재료를 주조하는 단계는 제1 플라스틱 재료를 주조한 다음 상기 몰드를 예열하기 위해 몰드를 제1 가열부에 위치시켜 제2 플라스틱 재료를 주조하는 것을 포함하는, 플라스틱 제품의 제조방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 제1 플라스틱 재료와 제2 플라스틱 재료를 주조하는 시간은 3분 미만인, 플라스틱 제품의 제조방법.
  26. 몰드 외관을 가지는, 주조된 플라스틱 재료를 수용하는 금속 몰드;
    상기 몰드 외관에 맞추어 형성된 적외선 가열 요소들을 포함하는, 원하는 주조 온도로 상기 몰드를 가열하는 적외선 히터들; 및
    상 또는 상태를 변화시킬 수 있는 재료를 전달하는 냉각 장치를 포함함을 특징으로 하는, 플라스틱 제품으로 주조된 물품용 장치.
  27. 제26항에 있어서, 상기 적외선 히터들은 전기 적외선 히터들을 포함하는 장치.
  28. 제26항에 있어서, 상기 몰드는 니켈 전기주조물을 포함하는 장치.
  29. 제26항에 있어서, 상기 냉각 장치는 스프레이 노즐을 포함하는 장치.
  30. 제26항에 있어서, 상기 장치는 로보트 장치를 포함하고, 또한 원하는 주조 온도로 가열하기 위한 부, 상기 플라스틱 재료를 주조하기 위한 부, 및 냉각을 위한 부를 포함하며, 상기 몰드는 상기 가열, 주조 및 냉각 부에 선택적으로 위치되는 장치.
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