KR20100048392A - 사출성형 장치 및 방법 - Google Patents

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차백순
이상용
박형필
이승욱
구인모
백남운
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한국생산기술연구원
구인모
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Abstract

본 발명은 복수의 캐비티가 구비된 사출성형 장치 및 방법에 관한 것으로, 복수의 캐비티가 형성되고, 각각 상기 복수의 캐비티의 체적을 변화시키도록 작동되는 복수의 가압부를 포함하는 사출금형과, 각각 상기 복수의 캐비티 내부의 상태를 측정하도록 상기 사출금형에 설치된 복수의 센서와, 상기 복수의 센서가 측정한 상기 각 캐비티 내부의 상태에 따라 상기 복수의 가압부를 각각 작동시키는 제어부를 포함하여 이루어지며, 각 캐비티 내부의 상태를 미리 측정하여 충전 불균형 현상을 미연에 방지할 수 있으므로 사출금형에 대한 추가적인 수정 과정이 필요없고 이에 따른 시간 및 비용의 소모를 최소화할 수 있다.
사출, 압축, 캐비티, 게이트, 가압, 센서.

Description

사출성형 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR INJECTION MOLDING}
본 발명은 사출성형에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수의 캐비티가 구비된 사출성형 장치 및 방법에 관한 것이다.
사출성형은 수지를 용융시켜 스프루(sprue), 러너(runner) 및 게이트(gate)를 따라 사출금형 내에 형성된 캐비티(cavity) 내로 주입시키고, 이를 고화시킴으로써 원하는 형태의 성형품을 만드는 제조기술이다. 사출성형에 사용되는 사출금형은 제품 배치 및 방식에 따라 싱글 캐비티(Single Cavity) 방식, 멀티 캐비티(Multi Cavity) 방식, 패밀리(family) 방식 등으로 나뉘는데, 이들 방식 중 멀티 캐비티 방식이나 패밀리 방식은 하나의 금형에 복수의 캐비티가 형성되어 있어 대량생산에 적합하므로 널리 사용되고 있다.
한편 복수의 캐비티가 형성된 금형을 이용하여 제품을 사출성형하는 경우 각 캐비티 내에서 용융수지의 거동이 완전히 동일하기는 어렵다. 수지의 온도, 유동도 또는 압력, 금형의 온도나 캐비티의 형상 등 여러가지 요인이 수지의 거동에 영 향을 주기 때문이다. 예컨대 캐비티들이 연직방향으로 나뉘어 배치된 경우 동일한 공급원에서 사출된 용융수지일지라도 중력의 영향을 받아 윗쪽의 캐비티와 아랫쪽의 캐비티에 각각 진입하는 수지의 양이나 압력이 달라질 수 있다. 이와 같이 복수의 캐비티에 대한 용융수지 거동의 차이는 사출성형 제품의 치수 또는 중량변화, 잔류응력에 의한 변형, 플래쉬(flash), 금형 수명 단축, 제품의 미충전 등의 불량을 초래하게 된다. 이와 같은 문제는 사출성형의 일종인 사출-압축 성형에서도 마찬가지이다. 사출-압축 성형 공정에는 각 캐비티를 압축하는 과정이 포함되는데, 각 캐비티를 압축하는 시점이 모두 동일한 바, 용융수지의 거동이 캐비티마다 상이한 상태에서 각 캐비티를 모두 압축하게 되면 역시 제품 불량을 초래하게 된다.
지금까지 산업현장에서는 CAE(Computer Aided Engineering)를 이용하여 균일 충전을 위한 러너 및 게이트의 길이 또는 직경 등을 계산하고, 이 데이터를 금형 설계 및 제작에 반영한 다음, 충전 불균형으로 인한 불량이 발생하는 경우 트라이얼 앤드 에러(Trial and Error) 방식으로 금형의 러너와 게이트를 추가적으로 수정하여 왔다. 그러나 이와 같은 사후 수정 방식은 많은 시간과 비용이 소모된다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 대한민국 공개특허 특2003-0006321호는 러너와 게이트의 추가 수정 과정을 제거하기 위하여 러너의 유로 단면적을 조절하는 공급 밸런스 조절정치를 구비하고 있다. 그러나 이와 같은 장치 역시 트라이얼 앤드 에러 방식을 통해 공급 밸런스를 조절하는 것에 불과하며, 금형을 분해하여 러너의 유로 단면적으로 조절하여야 하므로 앞서와 같은 문제점을 근본적으로 해결하기에는 여전히 부족하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 하나의 사출금형에 형성된 복수의 캐비티로 제품을 성형하는 경우 제품 불량을 최소화할 수 있는 사출성형 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 사출금형에 대한 추가적인 수정 과정 없이 충전 불균형을 미연에 방지함으로써 시간과 비용의 소모를 최소화한 사출성형 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 특히 사출-압축 성형 공정에서 각 캐비티에 대한 압축 시점을 최적화할 수 있는 사출성형 장치 및 방법을 제공하는데에 있다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 사출성형 장치는, 복수의 캐비티가 형성되고, 각각 상기 복수의 캐비티의 체적을 변화시키도록 작동되는 복수의 가압부를 포함하는 사출금형과, 각각 상기 복수의 캐비티 내부의 상태를 측정하도록 상기 사출금형에 설치된 복수의 센서와, 상기 복수의 센서가 측정한 상기 각 캐비티 내부의 상태에 따라 상기 복수의 가압부를 각각 작동시키는 제어부를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 사출성형 장치에 있어서, 상기 복수의 센서는, 각각 온도센서로서 상기 복수의 캐비티 내부의 온도를 측정하는 것이 바람직하다. 또한 상기 복수의 센서는, 상기 복수의 캐비티의 각 충전말단부에 배치된 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 사출성형 장치에 있어서, 상기 복수의 가압부가, 각각 상기 복수의 캐비티 측으로 진퇴 작동되는 복수의 캐비티 코어를 포함할 때에는, 상기 복수의 센서가 각각 상기 복수의 캐비티 코어에 설치될 수 있다.
한편 본 발명에 따른 사출성형 장치에 있어서, 상기 제어부는, 상기 복수의 센서가 측정한 상기 복수의 캐비티 내부의 상태가 미리 설정된 상태에 도달할 때 상기 복수의 가압부 중 적어도 일부를 상기 복수의 캐비티 각각의 체적이 줄어들도록 작동시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 사출성형 방법은, 복수의 캐비티가 형성된 사출금형에 용융된 수지를 주입하는 주입단계와, 상기 복수의 캐비티 각각에 대해 내부의 상태를 측정하는 측정단계와, 상기 측정단계에서 측정된 캐비티 내부의 상태가 미리 설정된 상태에 도달하였는지 판단하는 판단단계와, 상기 판단단계에서 상기 측정된 캐비티 내부의 상태가 미리 설정된 상태에 도달하였다고 판단된 경우 상기 복수의 캐비티 중 적어도 일부의 체적이 줄어들도록 압박하는 가압단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 사출성형 방법에 있어서, 상기 측정단계에서 측정되는 캐비티 내부의 상태는 온도인 것이 바람직하다. 또한 상기 가압단계는 상기 사출금형에 설치된 복수의 캐비티 코어를 상기 복수의 캐비티 측으로 각각 가동시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 사출성형 장치 및 방법은 복수의 캐비티에 대해 각각 대응하는 가압부가 구비되어 있고 이들 가압부는 각 캐비티에 대한 용융수지의 충전 상태에 따라 캐비티의 체적을 변화시킬 수 있으므로 복수의 캐비티에 대해 충전 불균형 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 사출성형 장치 및 방법은 각 캐비티 내부의 상태를 미리 측정하여 충전 불균형 현상을 미연에 방지할 수 있으므로 사출금형에 대한 추가적인 수정 과정이 필요없고 이에 따른 시간 및 비용의 소모를 최소화할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 사출성형 및 방법은 센서에 의해 획득된 각 캐비티의 상태에 따라 제어부가 자동적으로 판단하여 각 가압부를 작동시킴으로써 충전 불균형 현상을 스스로 방지할 수 있으며, 작업자가 직접 관리하거나 감시해야할 필요가 없다.
이하에서는 첨부의 도면을 참조로 본 발명에 따른 사출성형 장치 및 방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 사출성형 장치의 일실시예의 단면도이다.
고정측 금형(110)은 가동측 금형(120)과 함께 하나의 사출금형을 형성한다. 고정측 금형(110)은 상대적으로 고정되어 있으며, 도 1에서는 도면방향을 기준으로 상측에 배치되어 있다. 가동측 금형(120)은 고정측 금형(110)에 대해 접근 이탈되도록 가동되며, 도면방향을 기준으로 고정측 금형(110)의 하방에 배치되어 있다.
가동측 금형(120)과 고정측 금형(110) 사이에는 복수의 캐비티(111,112)가 형성된다. 각 캐비티(111,112)들은 하나의 제품을 성형하기 위한 것으로, 제조하고자 하는 제품에 따라 모두 동일한 형상을 가질 수도 있지만, 서로 다른 형상을 가질 수도 있다. 전자와 같은 경우, 이 사출금형은 멀티 캐비티 방식의 사출금형이 되며, 후자의 경우에는 패밀리 방식의 사출금형이 된다. 각 캐비티(111,112)에 용융된 수지를 공급할 수 있도록 사출금형에는 각각 게이트(121,122)와 스프루(130)가 마련된다. 한편 도 1에서는 두 개의 캐비티(111,112) 만을 예시하고 있으나 그 이상의 캐비티가 하나의 사출금형에 형성될 수도 있으며, 각각의 형태가 다를 수도 있다.
사출금형에는 복수의 가압부(121,122)가 더 구비되는데, 가압부(121,122)는 각 캐비티(111,112)의 체적을 변화시킬 수 있도록 캐비티(111,112)를 향하여 진퇴 가능하게 작동되는 부분을 가리킨다. 도 1에서는 가동측 금형(120)의 일부분이 각 캐비티(111,112)를 향해 승강할 수 있도록 별도의 부재로 된 것으로 도시되어 있는데, 이와 같이 승강할 수 있도록 된 부분이 곧 가압부(121,122)이다. 가압부(121,122)를 작동시키기 위해서는 구동수단(301,302)이 필요한데, 사출성형 공정에서 구동수단으로서 흔히 사용되는 유압실린더로 가압부(121,122)를 작동시킬 수도 있으며, 모터를 구동원으로 하는 랙 앤 피니언과 같은 다른 방식의 직선구동수 단이 사용될 수도 있다. 특히 가압부(121,122)가 각 캐비티(111,112)의 체적을 줄이는 방향으로 작동되는 경우에는, 각 캐비티(111,112) 내부로 진입한 용융 수지를 압박하게 되며, 이 경우 본 발명에 따른 사출성형 장치는 사출 압축 성형(Injection Compression Molding) 방식에 의해 제품을 성형할 수 있다.
한편, 복잡한 형태의 제품을 사출성형하기 위해서는 캐비티 코어(Cavity Core)가 사용되는 예가 있는데, 경우에 따라서는 이 캐비티 코어를 가압부(121,122)로 전용할 수도 있다. 즉, 캐비티 코어에 구동수단(301,302)을 부가하여 일정 이상의 힘으로 각 캐비티(111,112)의 체적을 변화시킬 수 있도록 하면, 이 캐비티 코어는 곧 가압부(121,122)로서 기능하게 된다.
사출금형에 형성된 복수의 캐비티(111,112)에는 복수의 센서(201,202)가 각각 설치된다. 이들 복수의 센서(201,202)는 각 캐비티(111,112)의 내부의 상태를 측정하기 위한 것이다. 여기서 각 캐비티(111,112)의 내부의 상태란 온도, 압력 등의 물리적 상태를 의미한다. 예컨대 복수의 센서(201,202)는 각 캐비티(111,112) 내부의 온도를 측정하는 온도 센서일 수 있으며, 압력을 측정하는 압력 센서일 수도 있고, 이들을 복합적으로 사용할 수도 있다. 일반적으로 온도센서가 압력센서에 비해 응답속도가 빠르므로 활용성이 높다. 한편 복수의 센서(201,202)는 각 캐비티(111,112)의 충전말단부에 설치되는 것이 바람직하다. 여기서 충전말단부란, 당해 캐비티 내에서 용융 수지가 가장 늦게 도달하는 부분을 가리킨다. 일반적으로 각 캐비티(111,112)에 용융수지를 공급하는 각 게이트(121,122)로부터 가장 먼 부분이 충전말단부가 된다.
예를 들어 각 캐비티(111,112)에 설치된 센서(201,202)가 온도센서이고, 이 온도센서가 각 캐비티의 충전말단부에 설치되어 있는 경우, 각 온도센서는 각 캐비티(111,112)가 해당 게이트(121,122)를 통해 공급된 용융 수지에 의해 완전히 충전되는 시점에서 용융 수지의 온도에 상당하는 온도를 측정하게 된다. 따라서 각 센서(201,202)가 각 캐비티(111,112)의 충전말단부에 설치되어 있을 경우, 이들 센서(201,202)는 당해 캐비티(111,112)가 만충되었는지를 보다 정확히 판단할 수 있는 정보를 제공할 수 있다.
또한 이들 복수의 센서(201,202)는 각 캐비티(111,112) 내측으로 그 일부가 노출되도록 사출금형에 설치되어 있는데, 가동측 금형(120)이나 고정측 금형(110) 어느 측에도 설치하는 것이 가능하다. 그러나 가동측 금형(120)이나 고정측 금형(110)에 직접 센서(201,202)를 설치하려면 금형에 구멍을 형성해야 하므로, 캐비티(111,112)의 정밀도를 저하시킬 수 있다. 따라서 복수의 센서(201,202)는 각 가압부(121,122)에 설치하는 것이 바람직하다. 특히 캐비티 코어가 가압부(121,122)로 기능하고 있는 경우에는 캐비티 코어에 복수의 센서(201,202)를 설치한다. 한편 복수의 센서(201,202)는 그 일부가 반드시 캐비티(111,112) 내측으로 노출되어야만 하는 것은 아니며, 일정한 두께의 보호막을 두고 캐비티 측을 향하도록 설치되어 있거나, 또는 금형 내측으로 매립되어 있더라도 캐비티(111,112) 측의 온도를 측정할 수 있으면 족하다. 캐비티(111,112) 내부 자체의 온도가 아닐 지라도, 금형으로 전달된 온도를 측정할 수 있다면 이로부터 캐비티 내부의 온도를 환산할 수도 있기 때문이다.
제어부(400)는 마이크로 프로세서를 포함하고 있으며 복수의 센서(201,202)로부터 각 캐비티(111,112)의 내부 상태에 대한 측정값을 입력받는다. 한편 제어부(400)는 메모리를 포함하고 있으며 이 메모리에는 미리 설정된 값이 기억되어 있다. 예컨대 복수의 센서(201,202)가 각각 온도센서이고, 따라서 각 캐비티(111,112)의 내부 온도를 측정한다면, 제어부(400)의 메모리에는 미리 설정된 온도값이 기억되어 있는 상태에서 각 센서(201,202)로부터 측정된 온도값을 입력받고, 양 온도값을 비교하여 센서(201,202)로부터 입력받은 온도값이 미리 설정되어 있는 온도값 이상이 되면 가압부(121,122)를 작동시켜 각 캐비티(111,112)의 체적이 줄어들도록 압박한다. 보다 구체적인 제어 조건은 경험칙에 따라 변경될 수 있다. 예컨대, 제어부(400)는 각 센서(201,202)로부터의 입력값을 모니터링하다가 그 값이 변화되는 시점에서 각 가압부(121,122)를 작동시킬 수도 있다. 이 경우 제어부(400)에 미리 온도값을 설정해둘 필요가 없어진다. 이와 같이 제어부(400)는 각 캐비티(111,112) 내부의 상태가 미리 설정된 상태에 도달하였는지만 판단할 수 있으면 족하며, 반드시 수치적으로 어떤 값을 입력받고 또한 미리 설정된 기준값과 비교하여야만 하는 것은 아니다. 한편 제어부(400)는 복수의 캐비티(111,112)의 각 온도가 모두 미리 설정된 온도값 이상인 경우 모든 가압부(121,122)를 동시에 작동시킬 수도 있으나, 경우에 따라서는 일정 수 이상의 캐비티(111,112)의 각 온도가 미리 설정된 온도값 이상인 경우에도 가압부(121,122)를 작동시키게 할 수 있다. 필요하다면 복수의 캐비티(111,112) 중 일정 온도에 도달한 캐비티(111,112)에 대응하는 일부의 가압부(121,122)만을 개별적으로 작동시 키도록 제어하는 것도 가능하다. 나아가서 제어부(400)는 가압부(121,122)의 가동거리 또는 작동압력과 같은 값을 조절할 수도 있다.
이상과 같은 제어부(400)의 작동은 일반적으로 전기적 신호의 전달에 의해 구현될 수 있으며, 도 1에 표시된 점선은 이와 같은 전기적 신호의 전달 경로를 의미한다. 가압부(121,122)를 작동시키기 위한 구동수단(301,302)이 유압실린더인 경우, 제어부(400)로부터 각 구동수단(301,302)으로 연결된 점선은 유압실린더의 작동을 제어하는 솔레노이드 밸브로 전달되는 전기적 신호의 전달 경로로 볼 수 있으며, 구동수단(301,302)이 전기모터인 경우에는 전기모터에 공급되는 전력을 제어하는 회로에 대한 신호 전달 경로라고 볼 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 사출성형 방법의 일실시예의 순서도이다.
먼저 복수의 캐비티가 형성되어 있는 사출금형에 용융된 수지를 주입한다(주입단계, S110). 그러면 각 캐비티에 용융 수지가 충전되기 시작하는데, 고저차나, 형상차이 또는 가공상 불가피한 오차 등에 의해 모든 캐비티가 균일하게 충전되지는 않는 현상이 나타난다.
이때 각 캐비티에 대해 그 내부의 상태, 예컨대 온도나 압력과 같은 물리적인 환경을 측정한다(측정단계, S120). 일반적으로 온도센서가 압력센서에 비해서는 응답성이 빠르고 사용편의성도 높으므로 이 때 측정되는 캐비티 내부의 상태는 온도인 것이 바람직하다.
각 캐비티의 내부 상태에 대한 측정이 이루어지면, 그 측정값을 미리 설정되 어 있는 값과 비교한다(판단단계, S130). 앞선 측정단계(S120)에서 측정한 캐비티 내부의 상태가 온도였다면, 본 판단단계(S130)에서 미리 설정되어 있어야 하는 값은 당연히 온도값이어야 한다. 측정된 온도값이 미리 설정되어 있는 온도값에 도달하지 못하였다면, 이는 곧 해당 캐비티에 용융 수지가 만충되지 않은 것으로 볼 수 있으므로, 앞선 주입단계(S110)로 돌아가 사출금형에 대한 용융수지의 주입을 계속하게 한다. 반대로 측정된 캐비티의 온도값이 미리 설정되어 있는 온도값에 도달하는 경우에는 해당 캐비티가 용융 수지로 가득 찬 것이라 판단할 수 있으며, 이 경우에는 해당 캐비티를 압박하여 체적을 줄이도록 한다(가압단계, S140). 가압단계(S140)를 용이하게 수행할 수 있도록 사출금형에는 각 캐비티 측으로 진퇴 가능하게 설치된 가압부를 별도로 구비하는 것이 바람직하지만, 캐비티 코어가 구비되어 있는 경우에는 이 캐비티 코어를 캐비티 측으로 진퇴 작동시킴으로써 캐비티의 체적을 줄일 수 있다.
가압단계(S140)에서는 복수의 캐비티를 동시에 압박할 수도 있으며, 복수의 캐비티 중 용융수지가 만충된 일부의 캐비티만 개별적으로 압박하게 할 수도 있다. 나아가서 각 캐비티에 대한 압박량을 서로 다르게 설정하는 것도 가능하다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 사출성형 장치의 일실시예의 단면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 사출성형 방법의 일실시예의 순서도이다.

Claims (8)

  1. 복수의 캐비티가 형성되고, 각각 상기 복수의 캐비티의 체적을 변화시키도록 작동되는 복수의 가압부를 포함하는 사출금형과,
    각각 상기 복수의 캐비티 내부의 상태를 측정하도록 상기 사출금형에 설치된 복수의 센서와,
    상기 복수의 센서가 측정한 상기 각 캐비티 내부의 상태에 따라 상기 복수의 가압부를 각각 작동시키는 제어부를 포함하여 이루어진 사출성형 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 센서는,
    각각 온도센서로서 상기 복수의 캐비티 내부의 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 사출성형 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 센서는,
    상기 복수의 캐비티의 각 충전말단부에 배치된 것을 특징으로 하는 사출성형 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 가압부는, 각각 상기 복수의 캐비티 측으로 진퇴 작동되는 복수의 캐비티 코어를 포함하고,
    상기 복수의 센서는 각각 상기 복수의 캐비티 코어에 설치된 것을 특징으로 하는 사출성형 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 복수의 센서가 측정한 상기 복수의 캐비티 내부의 상태가 미리 설정된 상태에 도달할 때 상기 복수의 가압부 중 적어도 일부를 상기 복수의 캐비티 각각의 체적이 줄어들도록 작동시키는 것을 특징으로 하는 사출성형 장치.
  6. 복수의 캐비티가 형성된 사출금형에 용융된 수지를 주입하는 주입단계와,
    상기 복수의 캐비티 각각에 대해 내부의 상태를 측정하는 측정단계와,
    상기 측정단계에서 측정된 캐비티 내부의 상태가 미리 설정된 상태에 도달하였는지 판단하는 판단단계와,
    상기 판단단계에서 상기 측정된 캐비티 내부의 상태가 미리 설정된 상태에 도달하였다고 판단된 경우 상기 복수의 캐비티 중 적어도 일부의 체적이 줄어들도록 압박하는 가압단계를 포함하여 이루어진 사출성형 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 측정단계에서 측정되는 캐비티 내부의 상태는 온도인 것을 특징으로 하는 사출성형 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 가압단계는 상기 사출금형에 설치된 복수의 캐비티 코어를 상기 복수의 캐비티 측으로 각각 가동시키는 것을 특징으로 하는 사출성형 방법.
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KR20140033763A (ko) * 2012-09-10 2014-03-19 한국전력공사 주조 모사 장치
KR20150088760A (ko) * 2015-04-27 2015-08-03 주식회사 유테크 박판 성형용 사출압축금형
KR20230128780A (ko) 2022-02-28 2023-09-05 유일솔루텍(주) 웰 플레이트의 사출성형장치

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