KR20100082842A

KR20100082842A - 폴리머 성형 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20100082842A
Application number: KR1020107008098A
Authority: KR
Inventors: 라마사미 안바라수; 프라카쉬 옴; 애쉬윗 디아스; 밀린드 에스. 파라드카; 안슈만 트리파시; 다니엘 워델 소울
Original assignee: 사빅 이노베이티브 플라스틱스 아이피 비.브이.
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2010-07-20
Also published as: CN101909839A; US9096009B2; WO2009055787A1; EP2212079A1; US20090115104A1; CN101909839B

Abstract

가열 유체를 이용하여 폴리머 부품을 성형하는 다양한 장치들 및 방법들이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에서, 폴리머 성형 방법은 제1 몰드 온도로 유체를 가열하는 단계를 포함하는 제1 열에너지원으로 금형 기구를 가열하는 단계와, 상기 제1 에너지원과 다른 제2 에너지원으로 금형 기구를 가열하는 단계를 포함한다. 상기 제2 에너지원은 상기 제1 몰드 온도보다 더 큰 제2 몰드 온도로 금형 표면을 가열하여 폴리머 부품의 원하는 표면 마감을 달성하기 위해 부품을 성형한다.

Description

폴리머 성형 장치 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR FORMING POLYMER}

본 발명은 금형(mold)을 가열하기 위한 가열 유체(heating fluid)를 사용하여 폴리머를 부품으로 성형하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 온도 사이클(temperature cycling)을 사용하여 폴리머 부품을 성형하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

원하는 부품을 생산하기 위해 사용되는 종래의 몰딩(molding) 기술은 금형체 내의 금형 캐비티(cavity)의 표면 온도가 폴리머의 충분한 유동이 캐비티를 채울 수 있도록 금형체에 열을 가하는 단계를 포함한다. 부품의 물리적 특성에 더하여, 부품의 표면 또는 미적 품질을 향상시키기 위해, 금형을 더 높은 온도로 순환시키는 것이 점차 바람직한 것으로 여겨져 왔다. 그러나, 금형을 가열하고 냉각시키기 위한 온도 사이클은, 금형체의 온도를 올리거나 내리는 데 필요한 열에너지를 공급하고 제거하기 위해 요구되는 시간 때문에 사이클 시간을 연장시키는 것으로 알려져 있다.

유도 가열(induction heating)은 금형의 더 빠른 가열을 달성하기 위해 사용되어 온 하나의 접근 방법이다. 폴리머를 주조하거나 성형하기 위해 사용된 이전의 유도 가열법들은 금형의 외부 표면을 감싸는 전도 코일을 채용한다. 또 다른 예에서, 유도 코일은, 금형이 개방되어 있는 동안 금형을 가열하는 금형 절반부들 사이에 삽입되고, 금형을 닫기 전에 추출되어 부품을 생산하게 된다. 다른 이전의 방법들은, 서셉터(susceptor)로도 알려진, 폴리머 매트릭스(matrix) 내에 분산된 자성 보강재를 포함하는 전도성 폴리머를 사용한 유도 가열법을 채용해 왔다. 유도 가열 코일들은 두 개의 비자성 금형 표면들 사이에 배치된 전도성 폴리머 매트릭스를 가열한다. 어떤 경우에는, 유도 가열의 향상된 사이클 시간은, 예를 들어, 자동차의 금속 몸체 패널과 같은 더 큰 구조적 부품을 위한 대체로써, 플라스틱을 사용할 수 있도록 한다.

금형의 신속한 가열을 달성하기 위해 사용되어 온 다른 기술들은 예를 들어, 적외선 가열, 저항 가열, 레이저 가열 및 마이크로파 가열을 포함한다. 이러한 가열 기술들은 금형의 특정 영역들의 직접적 가열이 전체 금형보다 더 높은 온도를 얻도록 하는 것을 가능하게 한다. 금형의 이러한 영역들은 주로, 폴리머 부품 표면과 접촉하는, 그리고/또는 더 가까운 영역들이다. 그러므로, 우수한 미적 품질/심미성을 위해 요구되는 금형 표면 온도를 얻기 위해 더 작은 에너지가 요구된다. 또한, 가열 속도가 더 빨라질수록, 훨씬 더 빠른 사이클 시간으로 폴리머 부품을 생산하는 것이 가능하다. 폴리머 부품을 생산하기 위한 몰딩 사이클 시간은 상기 급속한 가열 기술들에 의해 향상될 뿐만 아니라, 부품의 추출에 앞선 금형의 냉각에 의해서 사이클 시간이 감소될 수 있다. 즉, 폴리머가 부품을 성형하기 위해 원하는 온도로 가열되면, 냉각 매체가 금형체를 통과하여 상기 금형을 설정된 방출 또는 추출 온도로 냉각시킬 수 있다.

그럼에도 불구하고, 이러한 가열 방법들은 금형 표면을 빨리 가열할 수 있더라도, 많은 부품들 및/또는 큰 부품 부피를 요구하는 용도에는 제한되는 사이클 시간의 결과가 여전히 될 수 있다.

본 발명은 금형 및 폴리머를 가열하기 위한 두 개 이상의 다른 열에너지원들을 사용하는 폴리머 부품들을 생산하는 장치 및 방법을 제공한다.

일 실시예에서, 본 발명은 폴리머 부품들을 생산하는 장치를 개시한다. 상기 장치는 금형 기구 및 상기 금형 기구에 열을 공급하는 두 가지 서로 다른 열에너지원들을 제공한다. 제1 에너지원은 상기 금형 기구와 접촉하여 흐르는 가열 유체를 제공하여 상기 금형의 온도를 증가시키고, 제2 열에너지원은 상기 가열 유체에 의해 상기 제1 몰드 온도 이상의 상기 몰드 온도를 증가시키는 열에너지를 제공하여 폴리머를 성형한다. 또 다른 실시예에서, 상기 장치는 상기 폴리머가 원하는 형태로 성형된 후 상기 금형을 냉각시키기 위하여 상기 금형 기구와 접촉하여 흐르는 냉각 매체를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 폴리머 성형 방법은 가열 유체를 포함하는 제1 열에너지원으로 상기 금형 기구를 가열하고, 또한 제2 에너지원으로 상기 금형 기구를 가열하는 단계를 포함한다. 상기 제2 에너지원은 상기 금형 표면을 상기 가열 유체에 의해 얻어지는 몰드 온도보다 더 큰 몰드 온도로 가열한다. 대안적인 열원과 조합한 가열 유체의 사용은 제2 에너지원에 의해 요구되는 최대 전력 요구치를 감소시킬 수 있다. 상기 제2 에너지원은 적어도, 설정된 성형 온도만큼의 온도로 상기 금형을 가열한다. 여기서, 성형 온도는 상기 폴리머 부품의 성형되는 재료 및/또는 원하는 표면 마감에 따라서 변할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 방법은 상기 제2 에너지원이 동작된 후 상기 금형의 금형 캐비티 내에 폴리머를 배치하는 단계 및 상기 폴리머 부품을 성형하는 단계를 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, 상기 방법은 상기 금형을 냉각시키는 단계, 상기 금형을 개방하여 상기 금형으로부터 상기 폴리머 부품을 추출하는 단계, 및 상기 금형이 개방되어 있는 동안 상기 금형을 가열하는 단계를 더 포함한다.

또 다른 실시예에서, 폴리머 성형 방법은 가열 유체에 의해 상기 금형을 가열하는 단계를 포함한다. 이 단계는, 상기 가열 유체에 의해 도달하는 몰드 온도를 초과하는 금형 표면 온도까지 유도 가열에 의해 상기 금형을 가열하는 단계 후에 진행된다. 또 다른 실시예에서, 상기 방법은 폴리머를 상기 금형 캐비티 내에 위치시키는 단계, 상기 금형 표면을 설정된 방출 또는 추출 온도로 냉각시키는 단계, 및 상기 금형의 유체 통로들을 통하여 냉각 매체를 통과시킴으로써 상기 금형 표면을 냉각시키는 단계를 더 포함한다.

또 다른 실시예에서, 폴리머 성형 방법은, 상기 금형으로부터 부품을 방출하기 위해 상기 금형을 여는 단계, 및 상기 금형을 개방할 때부터 닫을 때까지의 기간 동안 가열 유체로 상기 개방된 금형을 가열하는 단계를 더 포함한다. 상기 폴리머 부품을 방출 또는 추출하는 동안 상기 개방된 금형을 가열함으로써 공정에서 전체적인 사이클 시간을 단축시킨다.

다양한 실시예들이 이하의 도면들을 참조하여, 설명될 것이다. 구성 성분들은 반드시 그 비율이 일치하는 것은 아니다.

도 1은 일 실시예에 따른 폴리머 부품들을 생산하기 위한 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 도 1의 장치의 폴리머 성형 기구의 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 몰딩 사이클의 순서도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 몰딩 사이클 동안 온도 및 시간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 폴리머 부품들을 생산하기 위한 장치(10)를 상부에서 바라 본 개략적인 도면이다. 장치(10)는 폴리머를 성형하는 금형 기구(14)를 지지하는 플래튼(platten, 12)을 포함한다. 금형 기구(14)는 플래튼(12)의 로드들(rods, 16)을 통해 개방하고 닫을 수 있다. 장치(10)는 또한, 열에너지를 금형 기구(14)에 공급하는 열에너지원(20)을 포함한다. 상세한 내용은 다음에 설명될 것이다. 예를 들면, 열원(20)은 에너지를 금형 기구(14)에 공급하는 유도 가열 유닛일 수 있다. 예비 가열 오븐(22)은 예를 들면, 상기 폴리머가 고체이고, 금형 내에 위치하기 전에 가열되는 열성형에서의, 몰딩 전의, 폴리머의 예비 가열을 적용하기 위하여 선택적으로 포함된다. 열전달 장비(24)는 상기 몰딩 사이클 동안 상기 금형 기구에 가열 및 냉각 매체를 공급한다. 상기 열전달 장비(24)는 가열 유체 공급원(26)과 냉각 매체 공급원(28)을 포함하고, 상기 금형 기구(14)로부터 가열 및 냉각 매체를 순환시키거나 제거하는 에어 퍼지(air purge, 30)를 선택적으로 포함한다. 이것은 다음에 더 설명될 것이다.

금형 기구(14) 내에 배치된 폴리머는 상기 금형을 설정된 성형 온도로 가열하는 단계와, 상기 금형에서 상기 폴리머를 성형하는 단계에 의해 성형된다. 여기서, 몇몇 경우에 사용되는 “성형 온도(forming temperature)”라는 용어는 성형되는 폴리머와 원하는 표면 마감의 유형에 따라서 변할 수 있다. 그러므로, 상기 성형 온도는 변할 수 있고, 결정성 또는 부분 결정성인 폴리머의 용융 온도 이상의 몰드 온도가 될 수 있다. 또는, 예를 들어, 약 30℃ 로부터 비결정질 폴리머의 유리 천이 온도(T_g) 이상인 약 100℃ 까지의 범위인 몰드 온도일 수 있다. 그리고, 상기 성형 온도는 상기 부품의 원하는 표면 마감을 달성하는 몰드 온도일 수 있고, 이는 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려져 있을 것이다. “몰드 온도”라 함은 적어도 상기 금형의 표면, 예를 들어, 상기 금형 캐비티(cavity)의 표면을 가리키고, 상기 금형의 표면, 예를 들어, 상금형부 또는 하금형부, 또는 두 부분의 표면일 수 있다. 폴리머를 성형하는 금형 기구는 열성형 및 몰딩 방법의 여러 유형들에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 열성형 방법은 진공 성형, 플러그 보조 열성형, 압력 성형, 매치 메탈(match metal) 성형 등을 포함한다. 또한, 금형 기구(13)는 주입 몰딩, 압축 몰딩 및 플라스틱 스탬핑(stamping)과 같은 몰딩의 여러 가지 유형들에서 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 폴리머 성형 방법은 제1 에너지원으로 금형을 가열하는 단계, 상기 제1 에너지원과 다른 제2 에너지원으로 상기 금형을 가열하는 단계 및 상기 금형이 더 높은 온도로 가열되는 동안 상기 제1 에너지원을 끄는(turning off) 단계를 포함한다. 상기 제1 에너지원은 상기 금형과 접촉하여 상기 금형의 온도를 상기 폴리머의 성형 온도보다 작은 온도로 올리는 가열 유체이다. 상기 제2 에너지원은 상기 금형을 상기 가열 유체에 의해 얻는 몰드 온도 이상의 온도로 가열하거나, 적어도 상기 성형 온도만큼의 온도로 가열하거나, 또는 고품질의 표면 마감 또는 “미적(cosmetic)”표면을 가질 수 있는 폴리머 부품을 생산하기 위해 상기 성형 온도보다 약간 더 높은 온도로 가열한다. 가열 유체에서 “유체(fluid)”는 액체 또는 가스 또는 액체 및 가스의 혼합물의 의미를 잘 나타내는 용어이다. 가열 유체는 예를 들어, 물과 오일을 포함하나, 이에 한정되지는 않는다. 상기 유체의 온도는 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 알려진 바와 같이, 상기 유체가 과열되고, 압력을 증가시키는 온도를 갖도록 상승될 수 있다.

도 2는 도 1의 2-2 선을 따라 자른 폴리머 성형을 위한 금형 기구(14)의 단면도이다. 금형 기구(14)는 몰딩 사이클동안 개방되거나 닫히고, 상금형부(32)와 하금형부(34)의 한쪽 또는 양쪽은 로드들(16)을 따라 플래튼(12)에 의해 이동된다. 상금형부(32)의 상금형 표면(36)과 하금형층(37)의 하금형 표면(38)은 도시된 바와 같이, 금형 기구(14)가 닫힘 위치에 있을 때, 폴리머(40)와 접촉된다. 상기 폴리머는 언필드 니트(unfilled, neat) 수지이거나, 강화 섬유 및/또는 미네랄 보강재를 함유할 수 있다. 또한, 동일한 조성 또는 다른 조성으로 이루어진 다중층으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 각 층은 언필드 니트 수지이거나, 강화 섬유 및/또는 미네랄 보강재를 함유할 수 있다.

금형 기구(14)는 상기 금형 기구 내에 적어도 부분적으로 포함된 유도 가열 유닛(45)을 구비하는 것으로 도시된다. 그러나, 대안적인 가열 기술들 및 에너지원들을 갖는 대안적인 금형 기구가 고려될 수 있음을 이해하여야 한다. 열에너지원은 예를 들어, 적외선 가열기, 저항 가열기, 레이저, 마이크로파 가열기를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 또 다른 예에서, 예를 들어, 방사 기반 열원들이 상기 금형의 절반부들 사이에 배치될 수 있거나, 대안적으로는, 저항 가열 부품들이 상기 금형 내에 포함될 수 있다. 도 2에 나타난 바와 같이, 금형 기구(14)의 하금형부(34)는 고정자(46) 및 상기 고정자의 슬롯들(48)에 의해 지지되는 유도 가열 코일들(47)을 포함하는 유도 가열 유닛(45)을 포함한다. 코일들의 여러 배열들이 가능하고, 하나 또는 그 이상의 코일들은 고정자(46)에 관한 역 루프(transverse loops) 또는 수직 루프(vertical loop) 배열로 배치될 수 있다. 상기 어느 실시예에 있어서도, 상기 유도 가열 유닛은 단일상(single-phase) 또는 다중상(multi-phase), 또는 단일극(single-pole) 및 다중극(multi-pole) 배열로 열에너지원(20),예를 들어, 주파수 발생기에 연결될 수 있다. 상기 금형 기구에 부분적으로 매립된 유도 가열 유닛들은 2007년 6월 8일에 출원된 미국특허출원 제60/942800호에 설명되어 있고, 여기서 참조로서 통합된다.

그러나, 또 다른 금형 기구들은 다른 코일 배치가 가능한 대안적인 유도 가열 유닛들을 구비할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 장치(10)는 상기 유도 가열 코일들이 상기 금형의 외부 표면들을 둘러싸는 금형 기구를 가질 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 금형 기구는 상기 금형이 개방되어 있는 동안 금형 절반부들 사이에 삽입되어 금형을 가열하고, 부품을 생산하기 위하여 상기 금형을 닫기 전에 추출되는 유도 코일을 포함할 수 있다.

도 2를 다시 참조하면, 일 실시예에 따르면, 고정자(46)와 유도 가열 코일들(47)을 포함하는 유도 가열 유닛(45)은 하금형부(34)에 적어도 부분적으로 매립되어 상금형 표면(36)을 급속히 가열한다. 상금형 표면(36)은 높은 와상 전류 손실(eddy current loss) 또는 코어 손실(core loss) 물질인 자성 물질로 만들어지고, 하금형 표면(38)은 낮은 와상 전류 및 히스테리시스 손실(hysteresis loss) 물질로 만들어진다. 그러므로, 고주파 유도 가열 코일들(47)을 통하여 전류가 흐를 때, 유도 열에너지의 대부분, 약 50% 보다 더 크거나 같은 에너지는 상금형부(32)에 의해 분산된다. 금형 기구(14)의 구성, 배열 및 재료 구성에 따라서, 유도 가열 유닛(45)에 의해 발생되는 전력의 약 80% 이상, 다른 예로서, 열 에너지의 약 90% 이상이 상금형 표면(36)에 공급된다. 즉, 유도 가열 유닛(45)에 의해 발생되는 자속의 대부분은 상금형부(32)로의 자기 링크를 유도하여 상금형 표면(36)으로 이동한다.

상금형 표면(36)을 갖는 상금형부(32)에 사용되는 재료는 자성이며, 전기적 및 열적 전도성이 있다. 자성 재료들은 일반적으로 약 1.0보다 더 큰 투자율을 갖는 것으로 정의된다. 상금형부(32)의 상금형 표면(36)은 약 0.2T(테슬라) 보다 더 큰 포화 자속 밀도(saturation flux density)를 가지며, 또 다른 예에서, 약 0.4T 보다 더 큰 포화 자속 밀도를 가지며, 또 다른 예에서는, 약 0.4T 내지 약 2.5T 범위의 포화 자속 밀도를 갖는다. 자성 재료는 철, 강철, 탄소, 마그네슘 및 이들의 합금을 포함하나, 이에 한정되지는 않는다. 높은 열 전도성을 갖는 자성 재료들은 상금형 표면(36)의 승온 속도를 향상시킬 것이다. 상금형 표면(36)에 사용되는 자성 재료들은 예를 들어, H13, S7, 4140, P20 및 400 시리즈 스테인레스 강과 같은 강철을 포함하나, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 자성 재료는 당해 분야에서 잘 알려져 있고, 폴리머 성형 공정의 압력을 견디기 위해 적합한 기계적 강도를 지니도록 선택되어야 한다. 상금형부(32)의 두께는 일반적으로 약 5mm 보다 더 크고, 예를 들어, 종종 약 5 mm 에서 약 30 mm 의 범위일 수 있다.

폴리머(40)와 접촉하는 하금형 표면(38)의 재료 구성은 하금형부(34)의 대안적인 구성에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 도 2는 하금형 표면(38)이 하금형층(37)의 가장 위 표면이라는 것을 나타낸다. 대안적인 구성에서, 하금형층(37)은 존재하지 않고, 하금형 표면(38)은 고정자(46)의 분리된 영역과, 폴리머(40)와 접촉하는 개재된 슬롯 절연체(44)로 구성될 수 있다. 이러한 배열에서, 코일들(47)은 폴리머(40)와 상금형 표면(36)에 더 가까이 근접해 있을 수 있다. 그러나, 하금형부(34)의 어떤 다른 구성들에 있어서도, 예를 들어, 하금형 표면(37)은 폴리머 성형 공정 동안 압력에 견디고 변형에 저항하는 기계적 강도를 갖는다.

하금형 표면(하금형부(34)의 표면(37) 또는 고정자(46)와 슬롯 절연체들(44)의 가장 위 표면)은 자성 또는 비자성 재료, 또는 둘 다에 의해 만들어질 수 있다. 상기 하금형 표면이 자성이면, 상기 하금형 표면을 구성하는 상기 자성 재료는 약 0.4T 내지 약 2.2T 범위의 포화 자속 밀도를 갖는다. 이러한 포화 자속 밀도는 유도 가열 유닛(45)에 의해 발생되는 자속의 대부분을 하금형부(34)에 분산시키는 것 보다 상금형부(32)에 자기적으로 연결시키게 해준다. 그러므로, 하금형 표면의 저전력 손실 재료들의 예들은 세라믹스, 유리, 나무, 폴리머, 구리, 알루미늄, 및 300 시리즈 스테인레스 강과 같은 비자성 스테인레스 강 및 이들의 혼합물과 같은 비자성 재료들 뿐만 아니라, 코발트 기반 재료들, 비결정질 재료들, 세라믹스, 베릴륨 및 이들의 혼합물과 같은 자성 재료들을 포함하나 이에 한정되지는 않는다.

고정자(46)는 고체 또는 박형 자성 재료일 수 있다. 박형이라면, 고정자(46)는 수 마이크론에서 수백 마이크론 범위의 두께를 갖는 일련의 자성층들이다. 각 층은 고정자(46)를 통한 와류 손실이 낮도록 전기적으로 절연된 유기 또는 무기 재료로 코팅된다. 고정자에 사용될 수 있는 재료들은 예를 들어, 실리콘 강철, 페라이트(ferrite), 퍼멘더(permandur), 하이파코(hyperco), 비결정질 재료들, 및 이들의 혼합물을 포함하나, 이에 한정되지 않는다.

고정자(46)의 슬롯들(48) 내에 배치된 슬롯 절연체들(44)은 비자성 재료로 만들어진다. 상기 비자성 재료는 x축을 따라 슬롯들(48) 사이에서 고정자(45)를 통하여 자속을 수평으로 휘는 것을 방지한다. 그러므로, 비자성 슬롯 절연체들(44)은 코일들(47) 및 고정자(46)에서 생산된 자속이 상금형 표면(36)에 연결되도록 채널을 성형한다. 슬롯 절연체들은 일체로 성형되거나, 슬롯 절연체들(44)이 층(37)의 돌출부로 성형되도록 하금형층(37)으로부터 별도의 구성일 수 있다.

코일(47)은 예를 들어, 구리, 알루미늄 같은 고체 금속 재료 또는 다른 비자성이며 전기적으로 전도성 재료로 만들어 질 수 있다. 코일(47)은 그것을 둘러싸는 절연체에 의해 고정자(46)로부터 전기적으로 절연된다. 절연체를 구성하는 재료들은 여러 가지 열가소성 및 열경화성 재료들을 포함할 수 있고, 이는 잘 알려져 있다. 다른 실시예에서, 코일(47)은 초전도체이다. 초전도체의 예는 니오브-기반(niobium-based) 재료들을 포함한다.

저저항을 갖는 코일 전도체의 사용은 코일(47)에서 손실을 감소시키고, 냉각 요구를 감소시키며 주파수 발생기의 전력 수위를 감소시킨다. 저저항 코일의 예는 리츠(Litz) 와이어이다. 리츠 와이어는 수천 미세 구리 와이어들로 구성되고, 각 와이어는 작은 직경, 예를 들어, 각 선은 약 0.001인치의 직경을 가지며, 각 선 주위에 제공된 전기 절연체를 갖는다. 리츠 와이어 구조는 고주파 전류가 상기 전도체의 표면에 집중되는 경향으로 인하여, 고체 전도체에 나타나는 전력 손실을 최소화하기 위해 구성된다. 리츠 와이어 구조는 상기 전도체의 크기를 현저히 증가시키지 않고 표면적을 증가시킴으로써 이러한 효과를 감소시킨다.

또한, 유도 가열 유닛은 냉각 매체를 운반할 수 있는 속이 빈 관으로 만들어진 코일들을 포함한다. 예를 들어, 구리 또는 알루미늄과 같은 전기 전도체 재료로 만들어 지면, 상기 속이 빈 관은 충분히 큰 전류를 흐르게 할 수 있다.

상금형부(32) 및 하금형부(34)는 폴리머 성형 사이클 동안 상기 금형을 가열 및 냉각하기 위해 각각 유체 통로들(42, 43)을 더 포함한다. 이는 다음에 더 설명될 것이다. 열 절연체(49)는 상기 금형 부분들의 외부 표면들로부터의 열 손실을 열적으로 방지하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 유체 통로들(42, 43)은 장치(10)의 가열 유체 공급원(26) 및 냉각 매체 공급원(28)과 유체 소통 가능하게 연결된다. 상기 가열 유체 및 냉각 매체는, 다음에 설명되는 바와 같이 서로 다른 시간에 상기 유체 통로들을 통해 흐를 수 있으나, 동일하거나 별도의 유체 통로들을 통하여 흐를 수도 있다. 장치(10)는 가열 유체 공급원(26) 및 냉각 매체 공급원(28)을 상기 금형의 유체 통로들을 분리시키는 별도의 유체 흐름을 따라, 또는 상기 가열 유체 및 상기 냉각 매체가 중복되거나 상기 금형의 동일한 유체 통로들을 통해 흐르도록 교차하는 통로들을 따라 유체 통로들(42, 43)에 연결시키는 도관을 더 포함할 수 있다.

도 2에서 도시된 실시예에서, 상금형 표면(36)은 예를 들어, 상기 설명된 성형 온도까지 높은 온도로 급속히 가열된다. 상기 성형 온도는 녹는점(T_m) 또는 그 이상, 또는 예를 들어, 폴리머(40)의 유리 변이 온도(T_g) 이상, 또는 폴리머 부품의 원하는 표면 마감을 달성하는 몰드 온도가 될 수 있다. 가열된 폴리머는 폴리머 부품의 “미적 표면”을 생산하기 위해 상금형 표면(36)의 기하학적 형상과 같아진다. 폴리머 부품의 상기 미적 표면은 예를 들어, A 등급 표면 마감의 기준에 부합하는, 매우 고광택일 수 있다. 하금형 표면(38)에서의 열의 발생에 의한 온도는 더 낮고, 어떤 예에서는, 상금형 표면(36)보다 실질적으로 더 낮고, 표면의 질이 다른 면보다 한쪽 면이 더 바람직하도록 하는, 비심미적인 표면을 생산한다. 그러므로, 설명된 예의 장치(10)에서, 자성의 금형 표면(36)과 근접하게 위치하는 단일측(single-sided) 유도 가열 유닛을 갖는 금형 기구(14)는 상기 금형 기구로의 입력 전력을 감소시켜 줄 수 있다.

본 발명의 장치와 방법은 수직 또는 수평 축과 같은 교대하는 축을 따라 개방되는 금형 기구와 같은 금형의 여러 대안적인 장치와 관계된다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 상기 유도 가열 유닛은 하금형부(14) 내에 배치될 필요가 없다. 또 다른 실시예에서, 유도 가열 유닛(35)은 상금형부(32)에 배치되어 하금형부(34)의 자성 금형 표면을 급속히 가열한다. 여기서 설명된 어떠한 여러 가지 실시예에 있어서도, 상기 유도 가열 유닛을 지지하는 금형 부분 또는 절반부는 마주하는 금형 부분의 자성 금형 표면을 가열한다.

폴리머(40)는 금형 또는 고체 폴리머 작업 대상물에 주입될 때 융해된 폴리머일 수 있고, 예를 들면, 상금형부(32)와 하금형부(34) 사이에 위치할 수 있다. 상금형 표면(36)과 하금형 표면(38)은, 금형 기구(14)가 상기 하금형부의 유도 코일들로부터의 자속을 상기 상금형부의 상금형 표면(36)에 연결시킬 수 있도록 하여 상기 폴리머에 부가적인 열을 제공할 수 있도록 하는 거리인 닫힌 위치에 있을 때, 폴리머(40)의 두께와 동등한 거리로 분리되어 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 폴리머 부품 성형 과정은 도 3의 순서도를 참조하여 설명될 수 있다. 도 3은, 초기 단계(50)가 다중 사이클 몰딩 공정에 속할 수 있고, 초기 단계는 도 3에 도시된 여러 가지 개별 단계들 중 하나일 수 있음을 나타낸다. 단계 50에서, 두 개의 금형의 절반 부분, 예를 들어, 상부 및 하금형부들(32, 34)은 닫혀 있고, 열에너지원 또는 금형 기구(14)의 가열 유닛은 동작된다. 상기 금형 또는 온도의 기준은 상기 전체 금형 또는 상기 금형 부분들 중 하나에 관련된다는 것을 알아야 한다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 금형 부분들, 예를 들어, 상금형부(32) 및 하금형부(34)의 온도는 하나의 금형부가 가열되거나 냉각되어 다른 온도로 그리고/또는 다른 승온률을 갖도록 독립적으로 제어될 수 있다. 상기 열에너지원은 동작되어 상기 금형의 온도를 예를 들면, 약 250℃까지, 다른 예에서는 약 300℃까지, 또 다른 예에서는 약 350℃까지, 그리고 또 다른 예에서는 400℃까지 높은 온도로 승온하여 높은 융해 또는 높은 유리 변이 온도를 갖는 폴리머를 주조하거나 성형한다.

폴리머가 융해된 폴리머로부터 성형되고, 예를 들어, 사출 몰딩 공정의 경우와 같이 닫힌 금형에 주입되는 경우, 폴리머는 단계 51에서 상기 금형에 주입되고, 성형된다. 폴리머가 고체 폴리머 부품으로부터 성형되는 경우에는, 상기 금형은 단계 52에서 개방되어 상기 폴리머를 상기 금형으로 받아들인다. 다음으로, 예를 들어, 평평한 시트 또는 예비 성형된 폴리머 고체와 같은 고체 폴리머 부품은 단계 53에서 상기 금형 절반부들 사이에 배치된다. 단계 54에서, 상기 상부 및 하금형부들은 닫히고, 상기 금형은 원하는 온도까지 계속 가열된다. 상기 폴리머 시트 또는 예비 성형물은 미리 가열될 수 있으나, 또한 상기 금형 캐비티의 금형 표면도 가열되어 상기 성형된 폴리머 부품들의 원하는 표면 마감을 달성할 수 있다. 훌륭한 표면 마감을 달성하기 위해서, 예를 들어, 금형 표면들(36, 38)의 하나 또는 양쪽은 결정질 또는 부분 결정질인 폴리머의 융해 온도(T_m)까지 가열될 수 있고, 또는 약 30℃로부터 비결정질 폴리머의 유리 변이 온도(T_g) 이상인 약 100℃범위까지 범위의 온도로, 또는 상기 설명한 바와 같이, 상기 폴리머 부품의 원하는 미적 표면을 생산하는 성형 온도 이상으로까지 가열될 수 있다. 상기 가열된 폴리머는 상기 금형 표면의 기하학적 형상에 일치되고, 하나 이상의 “미적 표면”을 갖는 폴리머 부품이 생산된다.

단계 56에서, 상기 금형에 가해진 열에너지가 꺼진다. 단계 57에서, 상기 방법은 예를 들어, 상기 금형과 상기 성형된 폴리머를 더 빠른 속도로 냉각시키기 위해 유체 통로들(42, 44)을 통하여 냉각 매체를 통과시키는 단계를 더 포함한다. 상기 금형이 단계 58에서 개방될 때 원하는 방출 또는 추출 온도에 다다를 때까지 냉각이 일어난다. 상기 폴리머 부품은 단계 59에서 금형의 개방에 따라 상기 금형의 절반부들 중 하나 이상으로부터 방출 및/또는 추출된다. 상기 냉각 매체는 단계 60에서 제거된다. 상기 냉각 매체는 상기 방출 또는 추출 온도에 다다르기 전에, 그 동안, 또는 그 후에 제거될 수 있다. 그러나, 상기 냉각 매체를 방출 또는 추출 온도에 다다르자마자 상기 장치에서 뽑아냄으로써 사이클 시간은 단축될 수 있다.

단계 61에서, 상기 개방된 금형은 가열 유체에 의해 가열된다. 상기 설명된 냉각 매체는 공기와 같은 가스에 의해 제거될 수 있고, 상기 금형의 유체 통로들을 통하여 흐르는 상기 가열 유체에 의해 제거될 수 있다. 가열 유체는 다음 부품이 성형되도록 상기 금형의 온도를 상승시키기 위하여 금형이 개방되어 있거나 닫혀져 있는 동안 상기 유체 통로들을 통하여 흐른다. 이러한 방식으로, 상기 금형은 상기 금형이 닫히기 전에, 제2 열원이 켜지거나 동작되기 전에 상기 가열 유체에 의해 가열된다. 예를 들어, 단계 61에서 상기 금형을 통하여 흐르는 가열 유체는 방출 또는 추출시에, 상기 금형이 닫히기 전에 상기 금형의 온도를 상승시킨다. 놀랍게도, 예를 들어, 뜨거운 물 또는 뜨거운 오일의 뜨거운 유체 매체를 이용하는 히트 플럭스(heating flux)는 예를 들어, 유도 가열과 같은 대안적인 가열 방법을 사용하는 히트 플럭스와 근접할 수 있다. 뜨거운 유체 매체에 의해 상기 금형에 제공되는 히트 플럭스는 상기 금형과 상기 가열 유체 사이의 온도 차이가 나게 하는 기능을 한다. 즉, 상기 몰드 온도가 상기 가열 유체보다 실질적으로 더 차가운 동안, 상기 둘 사이의 높은 온도 차이는 상기 가열 유체로부터 상기 금형으로의 급속한 열전달을 가능하게 한다. 그러므로, 시간은 절약될 수 있고, 상기 금형을 가열하기 위해 제2 열에너지원을 이용하기 전에 상기 금형을 가열하는 가열 유체를 사용함으로써 몰딩 사이클이 단축될 수 있다.

단계 62에서, 상기 금형 절반부는 닫히고, 가열 유체는 상기 금형이 닫혀져 있을 때 상기 금형을 계속 가열할 수 있다. 상기 가열 유체는 단계 63에서 점차 제거되고 다른 사이클을 시작하기 위해 상기 설명된 단계 50에서 상기 금형을 가열하기 위해 제2 열에너지원이 제공된다. 상기 가열 유체는 상기 유도 가열 유닛이 단계 50에서 연속적인 몰드 사이클을 위해 켜지기 전에, 동시에, 또는 그 후에 단계 63에서 제거될 수 있고, 이러한 단계들은 서로 바뀔 수 있다. 단계 50에서의 상기 열원과 상기 가열 유체는 동시에 작동될 수 있다. 그러나, 상기 몰드 온도가 상기 가열 유체의 온도를 초과하면, 상기 뜨거운 매체의 흐름을 중단시키는 것이 바람직하고, 공기와 같은 가스로 라인들을 제거하는 것이 바람직하다. 상기 금형의 온도가 상기 가열 유체의 온도를 초과하는 때에, 상기 가열 유체는 상기 가열 유체가 상기 금형을 차갑게 하거나 상기 금형의 승온 속도를 제한하지 않도록 상기 가열 유체가 단계 63에서 제거되는 온도에 비해서 차갑게 된다. 상기 금형에 인가되는 에너지원이 가열 유체로부터 대안적인 열에너지원으로 바뀌는 시점은 가열 유체의 온도, 금형의 구조, 및 금형의 재료의 성질과 성형되는 폴리머에 적어도 부분적으로 의존한다.

열에너지 전달 법칙을 상기 금형에 적용하면, 열전달율은 아래 수학식과 같이 상기 금형과 상기 가열 유체 사이의 온도 차이에 비례한다.

Q = h·A·△T

여기서, Q는 열에너지의 전달률이고, h는 유체와 금형 사이의 경계면에서의 대류 열전달 계수이며, A는 열이 전달되는 유체 채널의 표면적이고, △T는 금형과 가열 유체 사이의 온도 차이이다. 대류 열전달 계수는 주로, 유체 특성, 유속 및 채널의 형상에 의해 결정된다. 면적 A는 유체 통로들(42, 44)의 표면적이다. 그러므로, 주어진 형상과 가열 유체의 유속에서, 열전달률은 △T의 변화에 따라 변한다.

몰드 온도가 증가함에 따라, 히트 플럭스는 감소하고, 몰드 온도의 변화율은 이에 따라 감소한다. 가열 유체에 의해 상승된 몰드 온도보다 더 높은 몰드 온도를 얻기 위해, 그리고/또는 증가된 변화율에서, 제2 에너지원은 금형을 가열하기 위해 사용된다. 폴리머 부품을 성형하는 방법은 제1 에너지원에 의해 금형을 가열하는 동안 금형의 히트 플럭스를 검출하는 단계와, 제2 에너지원을 동작하여 히트 플럭스가 설정된 히트 플럭스로 하락할 때 금형에 열에너지를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 방법은 제2 열원에 신호를 보내어 히트 플럭스가 설정된 값으로 떨어질 때 금형에 열에너지를 제공하는 단계를 더 포함한다. 예를 들어, 하나의 열원에서 다른 열원으로 바꾸는 것은 피드백 루프를 통하여 활발하게 제어되어 이용되는 열에너지를 최적화시킨다. 또한, 제2 열원이 동작되면, 가열 유체는 가스에 의해 제거되어 예를 들어, 200℃를 초과하는 몰드 온도 또는 예를 들어, 가열 유체의 온도의 더 큰 증가를 가능하게 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방법은, 도 3을 참조하여 설명된 바와 같이, 열에너지가 가열 유체와 유도 가열 양쪽에 의해 정밀하게 제공된다. 이 실시예에서, 가열 유체는 약 100℃부터 약 200℃ 범위까지 온도로 몰드 온도를 상승시키고, 유도 가열 유닛은 동작되어 금형의 온도를 실질적으로 더 높은 온도, 예를 들어, 약 250℃까지, 다른 예에서 약 300℃까지, 또 다른 실시예에서 약 350℃까지, 그리고 또 다른 실시예에서 약 400℃까지 금형의 온도를 상승시킨다. 도 3은 초기 단계 50에서, 두 개의 금형 절반부들, 예를 들어, 상하 금형부들(32, 34)은 닫히고, 금형 기구(14)의 유도 가열 유닛은 동작된다. 닫힌 금형을 가리킬 때, “닫힌”이라는 용어는 상하 금형부들(32, 34)이, 하금형부(34)에 위치하는 유도 가열 유닛이 자기장을 상금형부(32)의 자성 금형 표면(36)에 연결시킬 수 있도록, 서로 이웃하는 위치에 있다는 것을 의미한다. 그러므로, 금형이 닫혀진 위치에 있는 동안 금형 절반부들 사이에 공기 틈이 존재할 수 있다. 예를 들어, 사출 몰딩 공정에서, 폴리머가 융해된 폴리머로부터 성형되고 닫힌 금형에 주입된다면, 폴리머는 단계 51에서 금형으로 주입되어 성형된다. 폴리머가 고체 폴리머 부품으로부터 성형된다면, 금형은 단계 52에서 개방되어 폴리머를 금형 내부로 삽입한다. 유도 가열 유닛은 꺼질 수 있고, 또는 금형이 개방되어 있을 때 몰드 절반부들 사이에 성형된 공기 틈의 존재는 몰드 절반부들 사이의 자속을 깨뜨리고 유도 가열 유닛을 끈다. 다음으로, 고체 폴리머 부품, 예를 들어, 평평한 시트 또는 성형된 폴리머 부품은 단계 53에서, 금형 절반부들 사이에 배치된다. 단계 54에서, 상하 금형부들은 닫히고, 유도 가열 코일들은 다시 동작되어 상금형 표면(36)을 원하는 성형 온도로 재가열한다. 폴리머 부품이 성형되면, 금형은 냉각되고 상기 설명된 단계들 56, 57, 58 및 59에서와 같이, 폴리머 부품은 방출되거나 추출된다.

단계 61에서, 금형이 닫히기 전에, 그리고 유도 가열 유닛이 켜지거나 동작되기 전에 금형은 가열 유체에 의해 가열된다. 즉, 생산 사이클 중의 상기 부품의 추출동안, 유도 가열 유닛은 자성 금형 표면(36)이 유도 가열 유닛의 고정자와 코일들로부터 매우 먼 거리에 위치하는 곳에서 비활성화된 상태로 남겨져 있다.

단계 62에서, 금형 절반부들은 닫히고, 가열 유체는 금형이 닫힐 때 금형을 계속 가열할 수 있다. 가열 유체는 단계 63에서, 다음 몰딩 사이클이 단계 50에서 시작되기 전에, 시작되는 동안, 또는 그 후에 제거되고, 닫힌 금형은 유도 가열 유닛에 의해 가열된다.

상기 설명된 금형 기구에서 이용되는 폴리머 재료들은 열가소성 물질, 열경화성 물질 및 그 혼합물을 포함할 수 있다. 열가소성 폴리머는 예를 들어, 폴리탄산에스테르(polycarbonate, PC), 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)와 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT)와 같은 폴리에스터(polyester), 폴리페닐렌 산화물(polyphenylene oxide, PPO), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(acrylonitrile butadiene styrene, ABS), 아크릴릭 스티렌 아크릴로니트릴(acrylic styrene acrylonitrile, ASA), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리아미드(polyamide) 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 열경화성 폴리머는 예를 들어, 에폭시(epoxy), 페놀릭(phenolic) 및 폴리에스터(polyester)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 폴리머는 짧고, 길고, 또는 연속적인 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드, 금속, 미네랄 또는 식물 섬유로 강화 또는 비강화될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 예를 들어, 폴리부틸렌 테라프탈레이트(PBT)와 같은 폴리에스터인 폴리머를 성형하는 방법은 가열 유체 및 유도 가열을 채용하여 금형 기구(14)를 가열하는 도 2를 참조하여 설명된다. 상기 설명된 바와 같이, 금형 기구(14)는, 유도 열에너지의 대부분이 상금형부에 의해 분산되어 상금형 표면(36)에 대항하여 성형되는 결함으로부터 실질적으로 자유로운 미적 표면 및 상금형 표면(36)보다 더 낮은 온도에서 하금형 표면(38)에 의해 성형되는 비심미적 표면을 갖는 부품을 생산하는, 단일측 유도 가열 유닛이다.

상하 금형 표면(36, 38)은 가열 유체, 예를 들어, 상하 금형 표면들이 약 100℃에서 약 200℃ 사이의 온도까지 상승시키는 초고온 스팀을 이용하여 가열될 수 있다. 유도 유닛은 폴리에스테르의 녹는점(T_m)인 약 260℃보다 더 크거나 같은 온도로 금형 표면을 가열한다. 금형 표면을 융해 온도 이상으로 유지하는 것은 부품의 우수한 표면 마감을 가능하게 한다. 그 후, 유도 가열 유닛은 꺼지고, 금형과 폴리머는 금형의 유체 통로들을 통하여 냉각 매체를 통과시킴으로써 냉각된다. 냉각 매체의 온도는 사용되는 재료의 특성에 의존한다. 예를 들어, 냉각 매체의 온도는 부품의 견고함이 추출을 견디기에 충분할 만큼 높게 선택되고, 냉각과 동시에 수축이 금형 표면으로부터 부품을 자유롭게 하기에 충분할 만큼 크게 선택된다. 그 후, 금형은 폴리머 부품이 금형으로부터 추출될 수 있도록 개방된다. 약 100℃로부터 약 200℃ 범위의 온도를 갖는 가열 유체가 적어도 금형이 개방되어 있는 동안 통과할 때 사이클 시간은 단축된다. 금형이 닫혀져 있는 동안, 금형의 온도가 이러한 가열 모드의 최대의 바람직한 온도인 약 200℃까지 다다를 때, 가열 유체는 금형을 통하여 계속 흐를 수 있다.

도 4는 두 가지 다른 폴리머 성형 방법의 단일 몰드 사이클의 몰드 온도 대 시간을 표시한 그래프이다. 점선으로 도시한 플롯(plot) A와 실선으로 도시한 플롯 B는 고체 폴리머 작업 대상물, 예를 들면, 열성형 공정에서 폴리머 시트 또는 예비 성형물을 성형하는 방법들과 관련이 있다. 도 4에서 플롯들은 폴리머 성형의 다른 방법들 사이의 관계를 표시하기 위해 도시한 예에 불과하다. 플롯 A에 의해 표시된 폴리머 성형 방법은 약 150℃보다 더 크거나 같은 온도 및 더욱 전형적이게는, 약 200℃보다 더 크거나 같은 온도로 금형 표면을 가열하기 위해서, 예를 들면, 상기 언급된 유도, 방사 등과 같은 가열 유체와 다른 열에너지원을 채용한다. 플롯 B에 의해 표시된 폴리머 성형 방법은 가열 유체인 제1 열에너지원과 가열 유체에 의해 얻어지는 몰드 온도보다 더 크게 몰드 온도를 상승시키는 제2 열에너지원을 채용한다. 플롯 A 및 플롯 B에 따른 두 가지 폴리머 성형 방법들은 폴리머를 성형한 후 금형을 냉각시키기 위해 사이클동안 냉각 매체를 채용한다. 공정 중 어떠한 시점에서도, 실제 온도는 예를 들면, 특정 폴리머, 성형되는 폴리머 부품의 형상, 열원의 유형 및 폴리머가 주입되는지 특정 온도의 예비 성형된 품목인지와 같은 많은 변수들에 따라 변할 수 있다.

도 4에서, 시작점인 시간 t₀는 예를 들어, 도 3의 단계 50에서 열에너지가 닫힌 금형에 제공되는 지점에 대응한다. 플롯 A를 참조하면, 사이클의 시작점인 시간 t₀에서 몰드 온도는 예를 들어, 주위 온도인 T₁이다. 예를 들어, 시간 t₀에서, 닫힌 금형은 폴리머를 성형하기 적합한 그리고/또는 상기 설명한 부분의 원하는 미적 표면 품질을 달성하기 위한 성형 온도 T₄에 근접한 온도로 금형 표면을 가열할 수 있는 여러 열원들 중 하나에 의해 가열된다. 시간 t_1A에서, 금형의 온도는 성형 온도 T₄에 도달하고, 고체 폴리머가 성형될 수 있고 금형 내에 배치되도록 금형이 개방된다. 상기 가열 방법에 따라서, 열원은 상기 고체 폴리머를 금형에 넣는 시간동안 꺼질 수 있다. 예를 들어, 상기 설명한 일측면 유도 가열 방법에서, 금형이 폴리머 시트 또는 예비 성형물을 넣기 위해 개방될 때, 유도 가열 코일들은 t_1A 및 t_2A 사이에 더 이상 금형을 가열하지 않는다. 일 실시예에서, 폴리머 부품이 금형 내에 배치되는 동안 금형의 온도는 시간 t_2A에서 T_dA로 떨어진다. 시간 t_2A에서, 금형은 닫히고, 유도 가열 유닛은 동작되어 금형을 재가열한다. 금형은 예를 들어, 시간 t_3A에서 온도 T₅로 성형 온도 이상으로 선택적으로 가열될 수 있다. 시간 t_3A에서, 금형은 예를 들어, 금형을 통한 냉각 매체의 사이클에 의해 냉각된다. 금형의 온도는, 예를 들어, 시간 t_4A에서 방출 또는 추출 온도인 T₂로 떨어지고, 금형은 폴리머 부품의 방출 또는 점차적인 추출을 위해 다시 개방된다. 개방되어 있는 동안, 금형은 다음 사이클을 위해 닫혀진 시간인 t_5A에서 온도 T₁으로 계속 냉각될 수 있다. 시간 t_5A에서, 열에너지원은 다음 사이클에서 다음 부품을 성형하기 위해 금형을 가열하기 위해 동작될 수 있다.

플롯 B를 참조하면, 사이클의 시작점인 시간 t₀에서, 금형의 온도는 플롯 A의 폴리머 성형 방법의 시작 온도 T₁보다 더 높은 T₃이다. 이 두 가지 방법의 초기 온도의 차이는 금형이 개방되어 있을 때 가열 유체의 사용에 기인한다. 몰드 온도 T₃에서, 닫힌 금형은 가열 유체를 포함하여, 적합한 열에너지원에 의해 가열된다. 상업적으로 이용 가능한 유체들에 의존하여, 대안적인 열에너지원은 시간 t_1B에서 폴리머의 몰딩 또는 성형 온도인 T₄까지 몰드 온도를 올리도록 요구될 수 있다. 시간 t_1B에서, 고체 폴리머가 금형 내에 삽입되도록 금형은 개방된다. 금형이 개방되면, 몇몇 열에너지원들, 예를 들어, 유도 가열 유닛은 더 이상 금형을 가열하지 않고, 고체 폴리머 시트 또는 예비 성형물이 금형 내에 배치되는 동안 금형의 온도는 T_dB로 떨어진다. 시간 t_2B에서 금형은 닫히고, 유도 가열 유닛은 금형을 재가열하기 위해 동작된다. 시간 t_3B에서, 금형은 예를 들어, 성형 온도 T₅ 이상으로 선택적으로 가열될 수 있다. 시간 t_3B에서, 열에너지원 예를 들어, 유도 가열 유닛은 꺼지고, 냉각 매체가 금형을 통하여 순환된다. 금형이 금형 기구로부터의 폴리머 부품의 방출 또는 점차적인 추출을 위해 개방되는 시점인 시간 t_4B에서, 금형 표면의 온도는 T₁으로 떨어진다. 금형이 개방되어 있는 동안 금형을 가열하기 위해서, 가열 유체가 금형의 적어도 일부, 예를 들어,상금형부를 통하여 순환한다. 금형은 가열되고 시간 t_5B에서 온도 T₃까지 도달한다. 시간 t_5B에서, 금형은 닫히고, 가열 유체는 금형을 계속 가열한다. 또는, 대안적인 열원이 켜져 다음 몰딩 사이클을 시작한다(도 3의 단계 50). 플롯 A로 도시한 몰드 사이클은 몰드 온도 T₁에서 끝나고, 플롯 B로 도시한 몰드 사이클은 더 높은 몰드 온도인 T₃에서 끝난다. 왜냐하면, 금형이 몰드 사이클의 추출 부분동안 개방될 때 방법 B의 금형은 가열 유체로 가열되기 때문이다.

그러므로, 플롯 A 및 B의 비교는 가열 유체가 에너지열원으로 사용될 때 폴리머 부품의 전체 사이클 시간이 상당히 감소될 수 있다는 것을 보여준다. 또한, 가열 유체의 사용은 몰드 사이클 동안 사용되는 대안적인 열에너지원들에 의해 필요로하는 전력 요구 속도를 감소시킬 수 있다. 방법 A 및 B의 사이클 시간의 차이, 즉, 시간 t₀에서 t_5B에 대한 시간 t₀에서 t_5A까지의 차이는 델타 t(△t) 이다.

플롯 A 및 B로 도시한 두 가지 다른 폴리머 성형 방법 사이의 사이클 시간 차이는, 적어도 각 방법에서 성형 온도 T₄에 도달하기 위해 걸리는 시간의 차이인 △t₁ 만큼 크다. 이 관계는 다음 수학식에 의해 표현된다:

△t ≥ △t₁

실제적인 시간 절약인 △t 는 사이클동안 폴리머 부품의 추출을 위해 금형을 개방하고 닫는데 걸리는 시간만큼이 될 수 있다.

방법 B에서 사이클 시간의 부가적인 절약은 상기 공정이 몰드 부분들 사이에 고체 폴리머 시트 또는 예비 성형물을 배치하기 위해 금형을 여는 단계를 포함할 때 실현될 수 있다. 몰드 온도가 폴리머 작업 대상물의 삽입동안 떨어질 수 있기 때문에, 금형이 가열 유체에 의해 가열되는 만큼 금형의 온도는 많이 떨어지지는 않는다. 도 4에서, T_dB로 표현되는 온도 하락은 T_dA로 표현되는 온도 하락보다는 적다. 폴리머의 표면 또는 경계에서 몰드 온도는 많이 하락하지 않는다. 왜냐하면, 방법 B에 사용되는 가열 유체는, 대안적인 에너지원들을 사용하고 금형을 가열하기 위해 가열 유체를 사용하지 않는 방법 A에 비해서 금형 내부로 더 깊이 금형을 가열하기 때문이다. 결과적으로, 방법 B에서 성형 온도로 몰드 온도를 상승시키기 위해 걸리는 시간 △t₂에 비해서, 방법 A에서는 몰드 온도를 성형 온도 T₄ 또는 T₅ 이상으로 상승시키는 데 더 많은 시간 △t₃이 요구된다. 그러므로, 플롯 A 및 B로 표현되는 두 가지 다른 폴리머 성형 방법들 사이의 사이클 시간 변화에는 삽입되는 동안 온도 손실로부터 회복하는 데 걸리는 시간의 차이가 고려될 수 있다. 방법 B의 이러한 부가적인 사이클 시간 절약은 다음과 같이 표현될 수 있다.

△t ≥ △t₃ - △t₂

그러므로, 열원으로서 가열 유체를 채용하는 방법 B에서의 사이클 시간의 감소는 다음과 같이 표현될 수 있다.

△t ≥ △t₁ + [△t₃ - △t₂]

그러므로, 제2 에너지원에 의해 수반되는 가열 유체의 성형에서 열에너지원의 사용은 더 짧은 사이클 시간을 들이게 할 수 있다. 그러나, 사이클 시간의 단축은 또한, 두 가지 에너지원들에 의해 상대적인 가열 속도에 의존할 것이다. 금형이 가열 유체 또는 유도 가열과 같은 대안적인 에너지원에 의해 가열될 때, 몰드 온도 또는 히트 플럭스의 변화율은 거의 동일하다. 그러나, 몰드 온도가 증가함에 따라, 히트 플럭스는 감소하고 제2 에너지원은 가열 유체의 온도 이상으로 금형을 가열하기 위해 동작될 수 있다.

상기 언급한 바와 같이, 대안적인 열원으로 가열 유체의 사용은 예를 들어, 전기 에너지로부터 기인하는 제2 에너지원에 의해 요구되는 최대 전력 요구를 감소시킬 수 있다. 유도 가열에 의해 동반되는 가열 유체로 가열하는 방법의 실시예에서, 가열 유체는 금형을 가열하기 위해 유도 가열 유닛의 전력 요구량을 감소시키는 열 캐패시터로서의 기능을 한다. 또한, 제2 열원, 예를 들어 유도열의 사용은 짧은 사이클 시간에 높은 몰드 온도를 달성한다. 왜냐하면, 금형 표면이 전체 금형 몸체보다 더 직접적으로 가열되기 때문이다. 순간적인 가열은 금형의 내부를 통하여 전도되는 열 없이 금형의 얇은 층을 가열하여, 더 빠른 냉각을 가능하게 하고, 따라서, 짧은 시간에 높고 미적인 표면 품질을 갖는 몰딩된 물질을 생산하는 방법을 제공하게 된다.

이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 상기 설명된 실시예들은 에너지원으로서 유도 가열에 관련되지만, 여러 다른 유형의 열에너지가 금형을 가열하기 위해 가열 유체와 함께 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 여러 다른 폴리머들이 사용될 수 있다. 그리고, 필수적인 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 지시하는 특정 상황 또는 재료를 수용하도록 다양한 수정이 가능하다. 그러므로, 본 발명을 실행하기 위해 제시된 최적 실시예로 개시된 특정 실시예에만 한정되지 않고, 본 발명은 추가된 청구항들의 범위 내에서 모든 실시예들을 포함할 것이다.

Claims

가열 유체를 포함하는 제1 에너지원에 의해 금형에 열에너지를 공급하여 금형을 제1 몰드 온도로 가열하는 단계;
상기 제1 에너지원과 다른 제2 에너지원에 의해 상기 금형에 열에너지를 공급하여 상기 금형을 상기 제1 몰드 온도보다 더 큰 제2 몰드 온도로 가열하는 단계; 및
상기 제2 에너지원에 의해 상기 금형에 열에너지를 공급한 후 폴리머를 상기 금형의 금형 캐비티 내에 배치하여 폴리머 부품을 성형하는 단계를 포함하는 폴리머 부품 성형 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 에너지원은 유도 열에너지, 적외선 에너지, 저항 열에너지, 레이저 열에너지, 마이크로파 에너지 및 이들의 조합 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 폴리머 부품 성형 방법.
제2항에 있어서,
상기 제2 에너지원은 유도 열에너지, 적외선 에너지, 저항 열에너지, 레이저 열에너지, 마이크로파 에너지 및 이들의 조합 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 폴리머 부품 성형 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 몰드 온도는 약 150℃ 이상인 것을 특징으로 하는 폴리머 부품 성형 방법.
제4항에 있어서,
상기 제2 몰드 온도는 약 180℃ 이상인 것을 특징으로 하는 폴리머 부품 성형 방법.
제5항에 있어서,
상기 제2 몰드 온도는 약 250℃ 이상인 것을 특징으로 하는 폴리머 부품 성형 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 에너지원은 유도 열에너지인 것을 특징으로 하는 폴리머 부품 성형 방법.
제1항에 있어서,
상기 금형은 유체 통로들을 포함하고, 제1 에너지원에 의해 상기 금형을 가열하는 단계는 상기 금형의 상기 유체 통로들을 통하여 가열 유체를 통과시키는 것을 포함하는 폴리머 부품 성형 방법.
제1항에 있어서,
상기 금형은 제1 부분 및 제2 부분을 구비하고, 제2 에너지원에 의해 상기 금형을 가열하는 단계는 제1 금형 부분의 유도 가열 코일들에 에너지를 가하여 상기 제2 금형 부분을 가열하는 것을 포함하는 폴리머 부품 성형 방법.
가열 유체로 금형을 제1 몰드 온도로 가열하는 단계;
제2 에너지원으로서의 유도 열에너지원으로 상기 금형을 가열하여 상기 금형을 상기 제1 몰드 온도보다 더 큰 제2 몰드 온도로 가열하는 단계; 및
상기 제2 에너지원에 의해 상기 금형에 열에너지를 공급한 후 폴리머를 상기 금형의 금형 캐비티 내에 배치하여 폴리머 부품을 성형하는 단계를 포함하는 폴리머 부품 성형 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
폴리머를 상기 금형 캐비티 내에 배치한 후 상기 금형을 냉각시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 부품 성형 방법.
제11항에 있어서,
냉각 중에 상기 금형을 개방하여 상기 금형의 적어도 일부분으로부터 상기 폴리머 부품을 방출하는 단계; 및 상기 금형이 개방되어 있는 동안 가열 유체에 의해 상기 금형을 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 부품 성형 방법.
제12항에 있어서,
상기 금형을 가열하는 단계는 상기 금형이 개방되면 상기 금형의 유체 통로들을 통하여 가열 유체를 통과시키는 것을 포함하는 폴리머 부품 성형 방법.
제11항에 있어서,
냉각 중에 상기 금형을 여는 단계, 상기 금형으로부터 상기 폴리머 부품을 추출하는 단계, 및 상기 금형을 닫는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 부품 성형 방법.
제14항에 있어서,
상기 금형을 가열하는 단계는 상기 금형을 개방할 때부터 닫을 때까지의 기간 동안 상기 금형을 통하여 가열 유체를 통과시키는 것을 더 포함하는 폴리머 부품 성형 방법.
제15항에 있어서,
상기 금형을 냉각시키는 단계는 상기 금형의 유체 통로들을 통하여 냉각 매체를 통과시키는 것을 포함하고, 가열 유체의 유동은 상기 금형으로부터 냉각 유체의 유동으로 대체되는 것을 특징으로 하는 폴리머 부품 성형 방법.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
금형은 제1 금형 부분 및 제2 금형 부분을 구비하고, 상기 제1 및 제2 금형 부분의 가열은 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 폴리머 부품 성형 방법.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
가열 유체로 상기 금형을 가열하는 동안 상기 금형의 히트 플럭스(heat flux)를 검출하는 단계와, 상기 히트 플럭스가 설정된 히트 플럭스로 하락될 때 상기 제2 에너지원을 동작하여 열에너지를 상기 금형에 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 부품 성형 방법.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금형은 제1 금형 부분 및 제2 금형 부분을 구비하고, 상기 금형을 가열하는 단계는 제1 금형 부분 및 제2 금형 부분을 독립적으로 가열하는 것을 포함하는 폴리머 부품 성형 방법.
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
폴리머를 상기 금형 캐비티 내에 배치하기 전에 가열 유체를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 부품 성형 방법.
제20항에 있어서,
상기 제2 에너지원이 상기 금형에 공급되는 동안, 상기 가열 유체가 제거되는 것을 특징으로 하는 폴리머 부품 성형 방법.
제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 유체는, 물, 오일, 및 그 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 폴리머 부품 성형 방법.
제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
폴리머를 상기 금형 캐비티 내에 배치한 후 상기 금형을 냉각시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 부품 성형 방법.
제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폴리머는 융해된 폴리머를 상기 금형 내에 주입함으로써 상기 금형 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 폴리머 부품 성형 방법.
제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폴리머는 고체 폴리머를 상기 금형 내에 삽입함으로써 상기 금형 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 폴리머 부품 성형 방법.
제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 유체는 상기 몰드 온도를 약 100℃ 내지 약 200℃ 온도로 상승시키는 것을 특징으로 하는 폴리머 부품 성형 방법.
제1항 또는 제10항에 있어서,
상기 금형은 자성을 가지는 상금형 표면을 포함하는 상금형부를 구비하고, 하금형부는 상기 유도 열에너지의 약 50% 이상을 상기 상금형부로 분산하도록 구성되고 배치되는 유도 가열 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 부품 성형 방법.
제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금형의 온도가 적어도 상기 제1 몰드 온도만큼 높을 때 상기 가열 유체를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 부품 성형 방법.
금형 기구;
상기 금형 기구와 유체 소통 가능하게 연결된 가열 유체 공급원을 구비하는 제1 에너지원; 및
상기 금형 기구와 연결된 제2 에너지원을 포함하는 장치.
제29항에 있어서,
상기 제2 에너지원은 유도 열에너지, 적외선 에너지, 저항 열에너지, 레이저 열에너지, 마이크로파 에너지, 및 이들의 조합 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 장치.
제29항에 있어서,
상기 제2 에너지원은 유도 발전기이고,
상기 금형 기구는 상기 유도 발전기와 연결된 유도 가열 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제29항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금형 기구와 유체 연결된 냉각 매체 공급원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제29항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금형 기구는 상기 가열 유체 공급원과 유체 소통 가능하게 연결된 상기 금형 내의 하나 이상의 유체 통로를 포함하여 상기 금형을 가열하기 위해 상기 가열 유체가 상기 하나 이상의 유체 통로를 통하여 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 장치.
제29항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금형 기구는 상기 냉각 매체 공급원과 유체 소통 가능하게 연결된 상기 금형 내의 하나 이상의 유체 통로를 포함하여 상기 금형을 냉각시키기 위해 상기 냉각 매체가 상기 하나 이상의 유체 통로를 통하여 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 장치.
제34항에 있어서,
상기 냉각 매체 공급원과 유체 소통 가능하게 연결된 상기 하나 이상의 유체 통로는 상기 가열 유체 공급원과 유체 소통 가능하게 연결된 상기 하나 이상의 유체 통로와 동일한 것을 특징으로 하는 장치.
제32항에 있어서,
상기 가열 유체 공급원과 상기 냉각 매체 공급원을 상기 금형의 하나 이상의 유체 통로에 연결하는 도관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제29항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금형 기구와 연결된 온도 센서를 더 포함하고, 상기 온도 센서는 상기 금형의 전체에 걸쳐 히트 플럭스를 검출하여 설정된 온도에 도달하면 상기 제2 에너지원을 동작시키는 것을 특징으로 하는 장치.