KR20090127301A - 금속 사출 성형을 위한 스크류 디자인 및 방법 - Google Patents

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Abstract

플라스틱 사출 성형기(24)에서 금속, 금속 합금, 및 금속 매트릭스 복합 재료를 처리하는 스크류(10) 및 방법이 개시된다. 스크류(10)는 스크류 샤프트(14)가 연장된 섕크(12)를 포함한다. 스크류 샤프트(14)는 섕크(12)에 인접한 배면부(20), 배면부(20)에 인접한 중앙부(18), 및 중앙부(18)에 인접한 정면부(16)를 포함한다. 플라잇(22)은 스크류 샤프트(14)의 배면부(20)로부터 연장되어 플라스틱 사출 성형기(24)를 통해 재료(K)를 스크류 샤프트(14)의 중앙부(18)로 전진시킨다. 플라잇(22)은 스크류(10)의 정면부(16)에 선택적으로 포함될 수 있다.
Figure P1020097020271
플라스틱 사출 성형기, 섕크, 스크류 샤프트, 플라잇,

Description

금속 사출 성형을 위한 스크류 디자인 및 방법{SCREW DESIGN AND METHOD FOR METAL INJECTION MOLDING}
본 발명은 일반적으로 사출 성형에 관한 것으로, 특히 금속 처리에 사용되도록 구성된 사출 성형기를 위한 스크류 디자인 및 금속 처리에 사용되는 사출 성형기를 구성하는 방법에 관한 것이다.
플라스틱에 사용되는 종래의 왕복 스크류 사출 성형기를 통하여 금속을 3차원 네트 형상으로 처리하는 것은 다수의 연구 노력의 오랜 목표로 되어 있다. 사출 성형은 복잡한 부품을 생산하는 저비용 처리 기술이지만 다양한 이유로 플라스틱의 성형에 제한되고 있다.
사출 성형기는 전세계에 매우 많이 설치되어 있다. 현재 정확한 수를 규정하는 것은 어렵지만 백만대 이상의 사출 성형기가 상업용으로 존재하는 것 같다. 일예로서, 차이나에서의 사출 성형기의 단독 출하는 지난 수년간 평균 약 50,000유닛/년이었다. 사출 성형기는 유한 수명을 갖지만 최소 10년이고 다수의 기계는 특히 적절히 유지되며 및/또는 업그레이드된다면(예컨대, 일렉트로닉스) 20년 이상 동작한다.
금속은 플라스틱 처리를 위해 의도된 종래의 사출 성형기에서 처리가능하지 않으므로 통상 받아들여진다. 2개의 주요 이유가 존재한다. 첫째, 상업적으로 관심있는 금속 및 그 합금(예외있음)은 통상 대다수 사출 성형기의 최대 온도 성능(전형적으로 400℃/~8OO°F)보다 상당히 높은 용융 온도를 갖는다. 이 온도는 400℃(~8OO°F)보다 높은 온도에서 모두 악화(예컨대, 산화, 탄소화, 분해)되기 시작하는 경향이 있으므로 모든 또는 거의 모든 유기 폴리머에 충분하다.
두번째 이슈는 압력이다. 액상 온도보다 높은 용융 금속이 매우 낮은 점도를 가질 지라도 매우 신속하게 결정화되어 사출 성형기에서 결정 형성의 강도를 극복하는 것은 어렵다. 한편, 폴리머(보다 적은 정도의 비정질 폴리머 및 반결정성 폴리머)는 넓은 점도 대 온도 관계를 갖는 점성 재료이다. 그러므로, 플로우는 온도와 압력의 조합에 의해 제어될 수 있다. 대부분의 금속과 달리, 폴리머의 점도는 극히 낮은 값(예컨대, 물과 같이)으로 드롭되지 않아서 제어하는 것이 어렵다.
이동하지 않는 유한 힘을 갖는 재료의 필요조건은 종래의 사출 성형기에서 유틸리티를 처리하는 중요한 특징이다. 폴리머는 통상 이들 표준을 만족시킨다. 금속은 통상 용융점에서 훨씬 샤프한 트랜지션을 갖는다. 결정 형성을 방해하거나 지연시키는 합성물을 갖는 비정질 금속 합금 및 반고체 금속(액상 및 고상 온도에 중간인 온도에서의 반용융 금속)을 포함할 시의 예외가 존재한다.
그 결과, 3차원 네트 형상 부품을 금속으로부터 제조하는 통상적인 예외 방법은 다이 캐스팅이다. 다이 캐스팅에서, 처리 온도는 액상 온도를 충분히 상회하고 용융 금속은 캐비티를 채우기 위해 어시스트되는 중력 또는 압력에 의해 주입된다. 다이 캐스팅 및 압력 어시스트 다이 캐스팅은 인정된 처리 방법이고 전세계에 다수의 다이 캐스팅 시설 및 설비가 있다. 캐비티를 충전하면서 제어되지 않은 재료의 플로우에 주로 의거된 다이 캐스팅에 몇몇 단점이 있다. 플로우(물과 같은 점도)에 관한 레오로지 제어의 결핍은 일치되지 않은 몰드 필링(mold filling)을 야기하며, 종종 보이드 또는 결점을 야기하고, 바람직하지 않은 표면 마무리 효과, 및 바람직한 치수 제어 미만(수축)을 생성한다. 다른 접근법은 반고체 상태(액상 온도와 고상 온도 사이)에서 금속으로 작업해서 처리 온도를 효과적으로 낮추는 것이다. 또한, 반고체의 냉각은 "용융"의 일부가 이미 응고되었기 때문에 낮은 수축을 생성한다. 이 접근법은 틱소몰딩(thixomolding)으로 언급되는 변형된 사출 성형 처리를 사용하여 어떤 마그네슘 합금의 몰딩에 사용된다. 이들 처리의 단점 중 하나는 상업적 설비의 이용가능성이다. 다이 캐스팅은 통상 필요한 처리 온도에 도달하는 주조 환경을 수반한다. 틱소몰딩은 다소 낮은 온도를 필요로 하지만 힘 및 매우 강하고 스페셜한 설비를 사용해서 신속한 응고 또는 결정 성장을 극복한다. 또한, 틱소몰딩된 부품은 통상 중요한 2차 필요조건, 표면 마무리 복구, 플래시 제거를 갖는다. 또한, 스크랩, 러너 등을 핸들링하고 재처리하는 중요한 필요조건이 존재한다.
네트 형상 금속 부품에 근접한 제 3 루트는 금속 사출 성형(MIM) 또는 분말 사출 성형(PIM)으로 종종 언급된다. 이 경우에, 퍼폼 또는 그린 파트는 분말 금속 및 유기 또는 폴리머 결합제를 사용하여 종래의 온도에서 사출 성형된다. 결합제가 제거되고 파트가 감소하는 환경에서 고온에 소결되어 파트를 생성한다. 대량의 감소(수축)는 소결 스텝과 관련된다. 제 4 루트는 큰 형상 또는 잉곳으로부터 파트를 머시닝해서 소망하는 치수를 생성한다. 추가적인 방법(예컨대, 단조)은 몇몇 3차원 형상을 생성하지만 복잡한 구조에 적합하지 않을 수 있다.
소망하는 4개의 처리는 상업적으로 그리고 성공적으로 모두 사용된다. 이 처리는 넓은 용도 및 상업적 중요성을 제한하는 상당한 비용 및 다른 단점을 모두 갖는다. 그것은 금속 합금이 종래의 사출 성형기를 사용하여 3차원 네트 형상 부품으로 처리가능하다면 확실히 바람직하다.
그러므로, 금속을 사출 성형기에서 처리하는 방법이 산업에 필요하다.
사출 성형기의 변형 스크류는 금속을 사출 성형기에서 처리하는데 사용될 수 있는 스크류 샤프트를 제공함으로써 종래 기술의 문제점을 해결한다. 스크류는 스크류 샤프트가 연장된 섕크(shank)를 갖는다. 스크류 샤프트는 정면부, 중앙부, 및 배면부를 포함한다. 또한, 스크류 샤프트는 사출 성형기를 통해 금속을 전진시키는데 사용되는 플라잇(flight)을 포함한다. 바람직한 실시형태에 있어서, 스크류 샤프트 상의 플라잇은 스크류 샤프트의 배면부를 통해서만 연장된다. 또한, 다른 실시형태에 있어서, 플라잇은 스크류 샤프트의 정면부 상에 포함될 수 있다.
새로운 스크류를 제조하는 대신에, 본 발명의 변형 스크류는 스크류 샤프트의 중앙부 및/또는 정면부에서 플라잇을 선택적으로 제거함으로써 종래의 플라스틱 사출 성형 스크류로 제조될 수 있다.
스크류는 금속을 처리하기 위해 플라스틱을 처리하는데 전통적으로 사용되는 종래의 사출 성형기에 사용될 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 양상, 및 장점은 이하의 설명, 첨부 청구범위, 및 첨부 도면을 참조하면 더 양호하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 스크류 디자인의 바람직한 실시형태의 평면도이며;
도 2는 본 발명의 스크류 디자인의 바람직한 실시형태를 포함하는 종래의 플라스틱 사출 성형기의 부분 단면도이고;
도 3은 본 발명의 스크류 디자인의 다른 실시형태의 평면도이다.
이제 도 1을 참조하면, 본 발명의 사출 성형기의 스크류는 10으로 전체적으로 도시되어 있다. 스크류는 스크류 샤프트(14)가 연장된 섕크(12)를 갖는다. 스크류 샤프트(14)는 정면부(16), 중앙부(18), 및 배면부(20)를 포함한다. 또한, 스크류 샤프트(14)는 사출 성형기를 통해 금속을 전진시키는데 사용되는 다수의 플라잇(22)을 포함한다. 바람직한 실시형태에 있어서, 스크류 샤프트(14) 상의 플라잇(22)은 스크류 샤프트(14)의 배면부(20)를 통해서만 연장된다. 또한, 도 3에 가장 양호하게 도시된 다른 실시형태(100)에 있어서, 플라잇(22)은 스크류 샤프트(14)의 정면부(16)에 포함될 수 있다. 그러나, 플라잇(22)이 스크류 샤프트(14)의 중앙부(18)에서 제거되는(또는 포함되지 않음) 것은 필수적이다.
이제 도 2를 참조하면, 본 발명의 스크류(10)가 구성된 플라스틱 사출 성형기는 24로 전체적으로 도시되어 있다. 사출 성형기(24)는 이하에 더 설명되는 피드, 트랜지션, 및 미터링의 3개의 존으로 개략적으로 분할되는 배럴부(26)를 포함 한다. 스크류(10)는 모터(28)에 의해 배럴에서 회전 및 플런징된다. 재료(K)는 호퍼(30) 및 피드 스로트(32)를 통해 배럴(26)의 피드 존으로 공급된다. 배럴(26)의 미터링 존에는 몰드 캐비티(40)와 스프루(42)를 갖는 몰드(38)를 구비한 몰드 프레스(36)에 연결되는 노즐(34)이 있다. 스프루(sprue)(42) 및 몰드 캐비티(40)는 노즐(34)과 유체 연결되어 있다. 배럴(26)에서의 온도는 히터(44)에 의해 부분적으로 제어된다.
본 발명의 스크류(10)는 광범위한 금속 및 그 합금 및 복합 재료가 플라스틱 처리를 위해 의도된 종래의 사출 성형기를 사용하여 3차원 네트 형상 부품으로 처리되게 할 수 있다. 종래의 사출 성형기가 온도 제한(예컨대, 고온 스틸 등)에 의거하여 모든 금속 및 그 합금을 처리할 수 있는 것으로 기대되지 않을 지라도, 전세계에 설치된 사출 성형기의 베이스를 사용하여 처리된다면 훨씬 더 넓은 용도를 발견하는 것으로 기대되는 상업적으로 관심있는 합금 및 그 복합 재료의 범위가 있다.
3개의 주요 이슈(즉, 온도 성질, 기계적 성질, 점도 특성)는 종래의 성형기에서 금속, 금속 합금, 및 그 복합 재료를 처리하기 위해 상당한 제한이 있었다. 그것은 1) 점도 제어, 2) 기계 온도, 및 3) 기계 구조이다.
점도 고려는 상기 특성에 의거되고 대부분의 금속 및 합금은 고상 온도보다 높고 특히 액상 온도보다 높은 매우 낮은 점도를 갖는다. 사출 처리를 통한 사출 성형 처리시에 그리고 몰드 캐비티의 충전시에 매우 낮은 점도 유체의 플로우를 제어하는 것은 어렵다. 플라스틱으로 용융된 높은 점도의 생성은 이전 개시에서 검토 된 온도의 함수로서 플로우된다.
제 2 이슈는 다수의 유용한 금속 및 그 합금이 종래의 사출 성형기의 표준 범위보다 높은 온도에 용융되기 때문에 온도이다. 전형적인 범위는 100~400℃ (~200~800°F)이며 그 이유는 상기 범위가 거의 모든 유기 폴리머를 수용하고 통상 400℃(~800°F)보다 높은 온도가 폴리머를 포함하는 어떤 유기 화합물을 저하시키는 경향이 있기 때문이다. 상업용 사출 성형기에 이용가능한 전형적인 범위는 높아지게 하는데 필요한 추가적인 비용과 수요의 부족을 간단히 나타내는 값보다 높지 않다. 그럼에도 불구하고, 실질적으로 높은 온도(예컨대, 675℃/~1250°F)에서 동작하도록 대부분의 표준 사출 성형기를 허용하는 합리적으로 간단한 수정이 존재한다. 인풋 히트(input heat)는 증가되어야 하고 이는 고온 및 고율의 파워 출력을 갖는 히터 밴드를 사용함으로써 간단히 달성된다. 기계 구성은 통상 극고온 특성(이 개시에 관심있는 범위를 통상 좋게 초과하는 것, 즉 675℃/~1250°F까지 또는 대략 순알루미늄의 용융점)을 갖는 특수강 등급이다. 또한, 다른 기계 고려, 예컨대 높은 용융 처리 온도로 인해 정상인 고온에 노출되는 실(seal) 또는 보조 구성요소는 고온 구성 재료로 고려되거나, 더 빈번히 교체되거나, 또는 대용되어야 한다. 그럼에도 불구하고, 실질적으로 고온에서 종래의 사출 성형기를 운전하는 장애물은 거의 없다.
제 3 및 가장 중요한 고려는 종래의 사출 성형기의 기계적 성질이다. 종래의 사출 성형기에서 금속, 그 합금, 및 그 복합 재료를 처리하는 역사적 시도는 성공되지 않았다. 그것은 크래킹된 배럴, 벤트 스크류, 모터 손상, 및/또는 열용융 금 속의 누출/스프레이를 포함하는 중요하게 받아들이기 어려운 이벤트로 되었다. 이들 이벤트는 대부분 고체 금속(또는 응고 금속, 즉 결정 형성)의 강도를 극복하는 기계의 불능으로 인한 것이다. 기계 모터 및/또는 구성 재료는 통상 금속 강도, 강성 및 경도 성질을 극복하는 충분한 용량을 갖지 않으므로 먼저 고장난다(예컨대, 크래킹된 배럴).
이들 현상을 극복하기 위해 시도되는 좋은 예는 마그네슘 합금을 위한 틱소몰딩 처리라 불려지는 것에서 발생하는 것이다. 이 특수한 기기에서, 기계는 유사한 톤수(즉, 체결력)의 종래의 사출 성형기에 비해 매우 오버사이즈되어 있다. 틱소몰딩 기계는 마그네슘 합금을 처리하는데 필요한 기계 설계의 추가 토크 및 강도로 인해 부분적으로 유사한 체결력을 갖는 종래의 사출 성형기의 사이즈보다 50% 더 크게 나타날 수 있다. 틱소몰딩 기계는 냉각되거나 액상 온도와 고상 온도 사이의 온도에서 유지되는 바와 같이 마그네슘 합금(및 대부분의 금속)으로 형성되는 정자(晶子)/결정(dendritic)을 기계적으로 브레이크 업/브레이크 다운시키도록 디자인되어 있다. 반고체 매체에서 플로잉될 수 있도록 상기 결정을 기계적으로 브레이크 업/다운시키는 것은 틱소몰딩 처리 또는 머시너리의 디자인 목적이다. 이러한 이유 및 다른 이유(예컨대, 핫 마그네슘의 가연성)로 특수하고 더 비싼 기기가 필요해진다. 또한, 틱소몰딩 처리는 신속한 사출[재료가 프리즈 오프(freeze off)되기 전에]을 시도하고 종종 툴 캐비티에서 인트랩된 에어의 효과(즉, 벤트 에어에 필요한 시간과 냉각 효과)를 감소시키는 진공 보조공구를 사용한다.
상이한 접근법 및 본 발명의 접근법은 부분적으로 응고되거나, 부분적으로 고체화되거나 또는 결정화 재료(K)에 큰 힘(즉, 고압)을 가하는 사출 성형기(24)를 회피하는 것이다.
상기 문제점(기계 및/또는 그 구성요소의 강도 제한을 극복하는 강하고 비압가능한 금속에 대한 높은 기계 부하)은 종래의 표준 사출 성형기(24)의 왕복 성질에 의한 발생된다. 플라스틱을 처리하기 위해 현재 제조된 거의 모든 사출 성형기(24)는 왕복 스크류 디자인이다. 사출 성형기(24)는 플런저 디자인이며, 여기서 재료는 플런저에 앞서 존으로 스크류에 의해 공급된다. 왕복 스크류 디자인은 온도에서 용융되고 매우 긴 체재 시간에 온도의 불균일성을 포함하는 플런저 디자인의 다수의 단점을 극복했다. 이들 특성은 특히 불균일한 온도가 플로우에서 생성되고 상승된 온도에서의 긴 주기가 폴리머/플라스틱의 저하에 기여하므로 플라스틱에 부정적이다.
왕복 스크류 사출 성형기(24)에는 스크류[배럴(26)]를 지나는 온도 프로파일이 있다. 스크류/배럴(26)의 길이는 통상 그 기능에 의거된 3개의 부분으로 분리될 수 있다. 이것은 피드부, 트랜지션부, 및 미터링부이다.
피드부(전형적으로 대략 길이의 50%)는 고체 펠릿 재료(K)를 트랜지션부로 트랜스포트하고, 용융/융해보다 낮은 온도로 가열하고, 더 밀하게 패킹된 구조(즉, 펠릿 사이의 공간 및 에러를 배제함)로 압축하는 것으로 의미된다. 트랜지션 존은 배럴(26)로부터 기계적 전단 및 도전 가열을 통해 펠릿/재료(K)을 용융시킬 뿐만아니라 에어를 더 배제하고 용융을 그 이론값으로 압축하는 것으로 의도된다. 미터링부는 일정한 온도를 용융에 제공하고 몰드 캐비티로의 사출을 위해 스크류 팁의 앞 에 재료의 정확한 양을 배달하려고 시도한다.
전형적으로 스크류 디자인은 각 부의 기능의 달성을 조력하기 위해 각 부에서 다소 상이하다.
본 발명의 스크류(10)는 종래의 왕복 스크류 사출 성형기에 대하여 금속, 금속 합금, 및 금속 매트릭스 복합 재료를 처리하는데 유리한 사출 성형 스크류 디자인을 설명한다.
바람직하게는, 스크류(10)의 플라잇(22)은 1:1 압축비 또는 1:1 미만의 압축비를 갖는다. 대부분의 폴리머 및 강화된 폴리머/플라스틱에 대해 전형적으로 추천된 압축비 압축비(피드 플라잇 깊이/미터링 플라잇 깊이)는 2:1~3:1이다. 압축비는 통상 선형 깊이의 비이지만 더 정확한 의미에 있어서 체적비(미터링부와 피드부에서의 플라잇 사이의 효과적인 체적비)로서 나타내어질 수도 있다. 스크류(10)를 지나는 압축의 주요 목적은 폴리머 펠릿을 용융하고 블렌드하고 혼합하는 것을 조력하는 기계적 힘(전단)을 발생시키는 것이다. 플라스틱 사출 성형에서, 전단 에너지는 폴리머에 대해 히트 인풋의 대략 반을 차지한다(나머지 반은 가열된 배럴로부터의 전도를 통한 것임). 폴리머는 통상 열에너지(예컨대, 대략 0.2W/mK의 열도전율)의 빈약한 도체이기 때문에 배럴로부터의 도전 가열은 상당히 비효율적이다. 스크류(10)는 새로운 재료(K)를 배럴(26)의 벽으로 일정하게 가져와서 가열한 다음 와이프(wipe)해서 냉각제 재료(K)와 조합하지만 고유의 저열 도전율은 배럴(26)의 가열 효율을 여전히 제한한다. 역으로, 금속, 금속 합금, 및 금속 매트릭스 복합 재료에 있어서, 고체의 열도전율과 용융의 열도전율이 중요하다. 전형적인 금속 합금 의 열도전율은 전형적인 폴리머의 열도전율에 대해 250배 이상이다. 그러므로, 배럴(26)로부터의 도전 가열 효율은 스크류(10)를 지나는 재료(K)의 과도 성질(제한된 체재 시간)이 주어지면 훨씬 더 효율적이다. 개선된 도전 가열 효율은 균질하고 일정한 온도 용융[펠릿(K)의 불완전한 용융없고 불균일한 점도 또는 플로우 특성없는 용융]을 생성하기 위해 필요한 전단 가열을 극적으로 감소시킨다. 그러므로, 기계적 액션 및 결과적인 전단 가열을 발생시키는 압축의 요구가 필요하지 않다. 이 필요조건없이, 1:1 압축비 또는 잠재적으로 1미만의 압축비를 갖는 스크류(10)는 만족스럽고 바람직하고 필요하다.
표준 스크류 압축비(2:1~3:1)는 종래의 사출 성형기로 금속, 합금 또는 그 복합 재료를 처리하는 것을 시도할 때 부정적인 충격을 갖는다. 고체 및 용융 형태의 금속은 고도로 압축가능하지 않고, 강하고, 딱딱하며, 단단하다. 또한, 응고되거나 또는 부분적으로 응고된 금속의 강도는 매우 높다. 그러므로, 기계(24)는 높은 강도, 강성, 경도를 갖거나 또는 고도로 압축가능하지 않은 재료를 압축 또는 이동시키는[스크류(10) 터닝 액션에 의해] 시도가 기계(24) 또는 그 구성요소[예컨대, 모터(28), 배럴(26) 등]를 고장낼 수 있게 한다.
폴리머에 스크류 압축을 사용하는 추가적인 이유는 부분적으로 용융되거나 용융된 펠릿을 함께 섞어서 균질하고 일정한 재료를 생성하기 때문이다. 용융시에도 대부분의 플라스틱의 점도는 상당하고 충분히 높아서 추가적인 기계적 액션없이 균질화를 어렵게 한다. 이 점도는 사출 성형에서 매우 유용하다. 그것은 압력 또는 힘을 온도의 함수로서 의존해서 트랜스포트시킨다. 또한, 용융 온도에서 또는 이 온도보다 높은 상당한 점도는 용융 폴리머가 일부 유한 압력보다 높은 활성력없이 플로우에 레지스트되게 한다(예컨대, 그것은 압력이 인가되지 않고 노즐(34)로부터 추출되지 않음). 용융된 폴리머의 유한 점도는 몰드 캐비티(40)의 적절한 충전에 유리하다. 제어된 플로우(예컨대, 분수류, 층류)는 몰딩된 부분에 최적의 기계적 및 물리적 성질을 달성한다. 층류로부터 난류로의 트랜지션은 유체 점도의 함수이다. 동시에, 상당한 점도는 일부 부정적 요인을 생성시킬 수 있다. 예컨대, 용접 라인을 갖는 부분에서, 용접 라인의 강도는 종종 추가적인 기계적 액션(예컨대, 전단)의 도움없이 용접 라인에서 균질하게 혼합하기 위해 폴리머의 능력을 결정하는 용융된 플로우 정면의 점도에 의해 충격을 받는다. 비정질 폴리머의 멜딩(melding) 및 균질화는 종종 그 점도가 큰 온도 범위를 넘는 온도의 함수이고 고온에서도 용융된 점도가 반결정 폴리머의 점도보다 통상 훨씬 더 높기 때문에 가장 난해하다. 반결정 폴리머의 멜딩 및 균질화는 결정 용융 온도보다 높고 그 온도보다 낮은 비선형 점도 트랜지션에 의해 촉진된다, 그러나, 결정 용융 온도보다 낮은 신속한 응고 및 점도 증가는 용접 라인 강도 문제 및 몰드 충전 이슈를 훨씬 더 어렵게 한다. 이들 경우에, 재료는 균질화(용접 라인) 또는 몰드 캐비티(40) 충전 전에 프리즈 오프(응고)하는 것을 원할 수 있다.
용융된 또는 부분적으로 용융된 금속, 금속 합금 또는 금속 매트릭스 복합 재료는 통상 용융된 비정질 또는 반결정 열가소성 폴리머보다 상당히 더 낮은 점도를 갖는 재료를 함유한다. 반고체 금속 또는 점성 금속에서의 용융된 금속의 저점도 또는 저점도 페이즈는 그 자체 및 금속 표면에 높은 친화력을 갖는 경향이 있 다. 저점도 및 높은 친화력은 에어를 제거하고 용융된 폴리머에 공통인 더 균질한 재료를 생성하는 경향이 있다. 이들 특성은 압축 기반 전단 가열 및 혼합을 위한 요구를 더 감소시킨다.
종래의 사출 성형기(24)로 금속을 처리할 시에 스크류 기반 압축에 상당한 단점이 존재하고 폴리머의 스크류 기반 압축의 필요조건은 금속, 금속 합금, 또는 그 복합 재료에 의해 요구되지 않는다. 그러므로, 본 발명의 일 목적은 낮은 또는 1:1 또는 포텐셜<1:1 압축비 스크류의 필요조건이다.
종래의 사출 성형기(24)로 금속, 금속 합금, 및 그 복합 재료를 처리할 시에 다른 중요한 컴플리케이션은 대부분의 열가소성 폴리머(비정질 및 반결정)에서 보여지는 것 이외에 고체 트랜지션에 대해 통상적으로 더 샤프한 트랜지션 또는 용융이다. 더 샤프한 고체/용융 트랜지션에 더하여, 폴리머에 비해 상당히 증가된 열도전율은 열전달 구동력에 대한 노출에 따라 점도 또는 응고의 훨씬 더 신속한 변화(외부 온도의 변화)를 발생시킨다. 또한, 금속의 열용량은 통상 폴리머보다 더 낮아서 히트 인풋의 변화가 용융 온도에 큰 충격을 준다. 그러므로, 더 높은 도전율(통상 250X 이상) 및 저열 용량(통상 2-4X)으로 인해 차동 온도의 효과(열 전달에 대한 구동력)는 폴리머보다 금속에서 훨씬 더 현저한 효과를 갖는다.
금속의 점도 변화(응고)에 관한 차동 온도의 충격의 개념은 종래의 사출 성형기(24)로 금속, 금속 합금, 및 그 복합 재료를 처리할 시에 중대하다. 플라스틱과 금속 사이의 밀도차를 무시하면 결합된 열도전율과 열용량의 차이는 온도의 변화(예컨대, 배럴 표면에서)가 금속 대 폴리머에서 온도 변화 또는 응고에 대하여 100OX 크거나 또는 신속한 충격을 가질 수 있다는 것을 암시한다. 종래의 사출 성형기(24)에 대한 암시는 왕복 스크류가 용융 또는 용융/고체(펠릿) 혼합물을 상당히 다른 외부(배럴) 온도를 갖는 영역 사이에서 주행하게 하므로 중요하다. 숏 사이즈(shot size)가 크면 클수록 온도 변화가 재료의 어떤 슬라이스에 대한 것이 되고 그 사이에서 이동하는 스크류가 완전한 전방 및 완전한 수축 위치가 되어 더 중요하다.
종래의 사출 성형기(24)에서의 배럴(26) 온도 제어는 통상 3개의 존: 미터링, 트랜지션, 및 피드(또는 각각 전방, 중앙, 및 배면)로 분할된다. 또한, 노즐(34) 온도 제어 및 피드 스로트(32) 온도 제어가 통상 존재하지만 이들은 본 발명에서 관심사는 아니다.
온도는 각 존(그레디언드가 존재함)에 걸쳐 일정하지 않고 설명의 목적을 위해 그리고 제어 관점으로부터 스크류(10)를 따라 일정한 온도 그레디언트를 생성하는 것은 어렵다. 일정한 온도 그레디언트에 있어서 조차도 본 발명의 솔루션이 여전히 필요하다. 설명의 목적을 위해 각 존에 있어서 합리적으로 일정한 배럴(26) 온도를 가정하는 것이 유용하다.
각 존에서의 전형적인 온도 차이는 중요하다. 정면에서의 온도는 충분히 커셔 점도에서 용융시의 재료를 상당히 낮게 유지하여 프리징 오프없이 몰드 캐비티(40)를 완전히 충전한다. 피드 존에서의 온도는 통상 충분히 낮아서 펠릿을 고체로 유지한다. 트랜지션 존에서의 온도는 미터링 및 피드 존에 중간이고 그 재료를 용융 및 응고하기 시작한다. 전형적인 폴리머 처리를 위해 존 온도에서의 상당한 차이가 존재한다. 그 차이는 용융 온도가 상당히 높기 때문에 고온 폴리머보다 주로 더 크다. 존 사이의 20~30℃(~70~90°F)의 온도 차이는 드물지 않다. 폴리머의 유동성은 금속의 유동성에 영향을 받는 것보다 이 차이에 의해 덜 받는다. 때때로 노즐(34) 온도는 미터링 존 온도보다 약간 더 낮아서 용융이 노즐(34)로부터 새어나오지 못하게 한다.
금속, 금속 합금, 및 그 복합 재료를 처리할 시에 스크류(10)가 회전되고 스크류 샤프트(14) 길이를 따라 재료(K)가 전방으로 이동되도록 시도될 때 곤란함이 발생한다. 그 곤란함은 재료(K)가 부분적으로 용융되고 부분적으로 고체인 트랜지션 영역에서 통상 발생한다. 재료가 용융되는 미터링부에서 스크류(10)의 회전은 문제를 발생시키지 않는다. 펠릿이 고체로 유지되는 피드 존에서도 문제가 없다(서로 배제되는 펠릿의 충분한 프리 볼륨이 존재함). 그러나, 트랜지션 존에서 스크류(10)는 용융 및 고체 펠릿의 조합에 작용한다. 고체 금속 펠릿이 강하고 단단하므로 배럴(26)로 밀어넣어지고 순간적으로 용융되지 않으면 결합되게 하거나, 또는 큰 힘이 이동되거나 브레이크업되는 것이 필요하다. 또한, 이 영역에서 용융 금속은 대개 신속한 결정 형성(금속의 트랜지션 온도 근방)을 겪고 매우 강하고 이동하기 어려운 재료를 생성하는 것 같다. 이것이 발생할 때 그 기계(24)는 재료(K)를 전진시킬 시에 고전한다(노이즈, 바인딩, 큰 토크).
이 영역에서 스크류 플라잇(22)의 제거 또는 감소는 사출 성형기(24)에서 금속의 성공적인 처리에 중요하다. 이 영역에서의 스크류 플라잇(22)은 스크류 샤프트(14)/배럴(26) 길이를 따라 재료(K)의 전진에 중요하지 않다. 이 영역에서 상기 플라잇(22)의 제거는 배럴(26) 벽 근방의 응고된 또는 응고되는 재료의 전단을 시도함으로써 재료의 강도를 극복하기 위해 고전하는 기계(24)를 제거한다. 재료는 피드 또는 배면부에서 플라잇(22)에 의해 전진된다. 또한, 스크류(10)의 수축은 재료(K)가 신속히 결정화되거나 응고되기 시작할 수 있는 배럴(26)의 콜드부로 일부 재료(K)를 리턴시킨다. 이 영역에서 스크류(10)의 플라잇(22)의 제거 또는 배제는 배럴(26) 또는 다른 구성요소의 고장을 일으킬 수 있는 극히 큰 국부 힘 또는 압력을 발생시킬 수 있는 재료(K)를 응고하거나 또는 결정화할 시에 거의 모든 기계의 힘을 제거한다.
중앙(또는 트랜지션) 존(18)을 스크류 플라잇(22)으로부터 제거하는 중요성은 종래의 사출 성형기(24)로 금속, 금속 합금, 및 그 복합 재료를 처리할 때 낮은 토크 및 노이즈의 제거에 의해 증명된다. 기기(24)의 디자인 제한내에서 힘 및 압력에서의 양호한 사출 성형기(24)의 정상 상태 동작은 종래의 사출 성형기(24)로 금속을 처리할 시에 루틴하고, 연속적이고 받아들일 수 있는 동작에 중요하다.
이제 도 1을 다시 참조하면, 바람직한 실시형태에서, 정면(또는 미터링) 및 중앙(또는 트랜지션) 플라잇(22)뿐만 아니라 배면(또는 피드) 모두가 제거된다.
도 3은 작업도 동일하게 처리하는 폴리머에서 온도 제어 및 숏 사이즈를 유지하는데 통상 유용한 정면(또는 미터링) 플라잇(22)을 포함하는 대체 실시형태(100)를 도시한다. 정확한 영역에서 플라잇(22)의 제거없이 종래의 왕복 스크류 사출 성형기(24)에 의해 금속의 루틴하고 안정된 처리는 제조 관점으로부터 받아들여질 수 없다.
따라서, 종래의 플라스틱 사출 성형기(24)를 개조해서 금속을 처리하는 것은 종래의 사출 성형 스크류를 본 발명의 스크류(10)로 대체함으로써 달성된다. 또한, 배럴(26)의 온도 및 스크류(10)의 회전과 플런저 속도를 제어함으로써 금속 처리는 받아들여질 수 있는 제조 속도로 달성될 수 있다.
그러므로, 본 발명은 스크류 샤프트의 중앙부에 플라잇을 결핍시키는 변형 스크류를 제공함으로써 종래의 사출 성형기에서 금속을 처리하는 문제에 유일한 솔루션을 제공한다. 또한, 플라잇은 스크류의 정면으로부터도 제거될 수 있다.
당업자는 각종 변화 및 수정이 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 예시된 실시형태에 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 모든 그러한 수정 및 변화는 첨부된 청구범위에 의해 제한되는 것 이외에 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (23)

  1. 플라스틱 사출 성형기에서 금속, 금속 합금, 및 금속 매트릭스 복합 재료를 처리하는 스크류로서:
    섕크;
    상기 섕크로부터 연장되는 스크류 샤프트로서, 상기 섕크에 인접한 배면부, 상기 배면부에 인접한 중앙부, 및 상기 중앙부에 인접한 정면부를 갖는 스크류 샤프트; 및
    상기 스크류 샤프트의 배면부로부터 연장되어 상기 플라스틱 사출 성형기를 통해 재료를 상기 스크류 샤프트의 중앙부로 전진시키는 플라잇을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속, 금속 합금, 및 금속 매트릭스 복합 재료를 처리하는 스크류.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스크류 샤프트의 정면부로부터 연장되어 상기 사출 성형기를 통해 재료를 전진시키는 플라잇을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스크류.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라잇은 1:1 압축비를 갖는 것을 특징으로 하는 스크류.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 플라잇은 1:1 압축비를 갖는 것을 특징으로 하는 스크류.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라잇은 1:1 미만의 압축비를 갖는 것을 특징으로 하는 스크류.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 플라잇은 1:1 미만의 압축비를 갖는 것을 특징으로 하는 스크류.
  7. 플라스틱 사출 성형기에서 금속, 금속 합금, 및 금속 매트릭스 복합 재료를 처리하도록 구성된 플라스틱 사출 성형기로서:
    미터링 존, 트랜지션 존, 및 피드 존을 갖는 온도 조절 배럴;
    상기 배럴의 피드 존으로 성형하기 위한 재료를 분배하도록 구성된 피드 스로트;
    상기 배럴의 미터링 존으로부터 연장되는 노즐;
    섕크와,
    상기 섕크로부터 연장되는 스크류 샤프트로서, 상기 섕크에 인접한 배면부, 상기 배면부에 인접한 중앙부, 및 상기 중앙부에 인접한 정면부를 갖는 스크류 샤프트와,
    상기 스크류 샤프트의 배면부로부터 연장되어 상기 플라스틱 사출 성형기의 배럴을 통해 재료를 상기 스크류 샤프트의 중앙부와 상기 배럴의 트랜지션 존으로 전진시키는 플라잇을 포함하는 스크류; 및
    상기 스크류의 섕크를 구동시키는 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 사출 성형기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 스크류 샤프트의 정면부로부터 연장되어 상기 사출 성형기를 통해 재료를 전진시키는 플라잇을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 사출 성형기.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 플라잇은 1:1 압축비를 갖는 것을 특징으로 하는 플라스틱 사출 성형기.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 플라잇은 1:1 압축비를 갖는 것을 특징으로 하는 플라스틱 사출 성형기.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 플라잇은 1:1 미만의 압축비를 갖는 것을 특징으로 하는 플라스틱 사출 성형기.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 플라잇은 1:1 미만의 압축비를 갖는 것을 특징으로 하는 플라스틱 사출 성형기.
  13. 플라스틱 사출 성형기에서 금속, 금속 합금, 및 금속 매트릭스 복합 재료를 처리하는 방법으로서:
    스크류를 갖는 플라스틱 사출 성형기를 제공하는 스텝;
    상기 스크류를 제거하는 스텝; 및
    상기 스크류를 금속을 처리하도록 구성되어 배치된 변형 스크류로 교체하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속, 금속 합금, 및 금속 매트릭스 복합 재료를 처리하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 변형 스크류는,
    섕크;
    상기 섕크로부터 연장되는 스크류 샤프트로서, 상기 섕크에 인접한 배면부, 상기 배면부에 인접한 중앙부, 및 상기 중앙부에 인접한 정면부를 갖는 스크류 샤프트; 및
    상기 스크류 샤프트의 배면부로부터 연장되어 상기 플라스틱 사출 성형기를 통해 재료를 상기 스크류 샤프트의 중앙부로 전진시키는 플라잇을 더 포함하는 것 을 특징으로 하는 금속, 금속 합금, 및 금속 매트릭스 복합 재료를 처리하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 변형 스크류는 상기 스크류 샤프트의 정면부로부터 연장되어 상기 사출 성형기를 통해 재료를 전진시키는 플라잇을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속, 금속 합금, 및 금속 매트릭스 복합 재료를 처리하는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 플라잇은 1:1 압축비를 갖는 것을 특징으로 하는 금속, 금속 합금, 및 금속 매트릭스 복합 재료를 처리하는 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 플라잇은 1:1 압축비를 갖는 것을 특징으로 하는 금속, 금속 합금, 및 금속 매트릭스 복합 재료를 처리하는 방법.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 플라잇은 1:1 미만의 압축비를 갖는 것을 특징으로 하는 금속, 금속 합금, 및 금속 매트릭스 복합 재료를 처리하는 방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 플라잇은 1:1 미만의 압축비를 갖는 것을 특징으로 하는 금속, 금속 합금, 및 금속 매트릭스 복합 재료를 처리하는 방법.
  20. 사출 성형기용 스크류로서, 스크류 샤프트가 연장된 섕크; 상기 섕크에 인접한 배면부, 상기 배면부에 인접한 중앙부, 및 상기 중앙부에 인접한 정면부를 갖는 스크류 샤프트; 및 상기 스크류 샤프트로부터 연장되어 상기 플라스틱 사출 성형기를 통해 재료를 전진시키는 플라잇을 갖는 스크류를 변형시키는 방법으로서:
    상기 플라잇을 상기 스크류 샤프트의 중앙부로부터 제거하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 스크류를 변형시키는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 플라잇을 상기 스크류 샤프트의 정면부로부터 제거하는 스텝을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스크류를 변형시키는 방법.
  22. 제 20 항에 있어서,
    1:1 압축비의 플라잇을 갖는 스크류를 선택하는 스텝을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스크류를 변형시키는 방법.
  23. 제 20 항에 있어서,
    1:1 미만의 압축비의 플라잇을 갖는 스크류를 선택하는 스텝을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스크류를 변형시키는 방법.
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