KR20130105074A - 발포수지성형장치 - Google Patents

Abstract

완충형 포장재 성형을 위한 발포수지성형장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 발포수지성형장치는, 한 쌍의 금형과, 한 쌍의 금형의 합형에 따른 내부 캐비티에 작은 구슬형상의 발포수지를 충전시키는 비드충전기와, 각각의 금형에 설치되는 스팀파이프와 냉각수파이프, 그리고 각 금형의 성형면에 노출토록 설치되는 복수의 스팀토출부재;를 포함하며, 성형면에 설치된 상기 복수의 스팀토출부재는 NⅹM 매트릭스(Matrix) 배열을 이루도록 상기 성형면 상으로 노출되며, 각각의 스팀토출부재는 가느다랗고 기다란 다수의 슬릿형 토출구를 갖고, 하나의 스팀토출부재에 형성되는 다수의 슬릿형 토출구는 일정한 간격을 두고 평행하게 이격되는 배열로 형성되는 것을 구성의 요지로 한다.

Description

발포수지성형장치{Particle foam plastic molding apparatus}

본 발명은 포장재, 단열재, 차량부품 등을 포함한 각종 산업 용품 제작을 위한 발포수지성형장치에 관한 발명은 발포수지성형장치에 관한 것으로, 상세하게는 우수한 통기성을 갖는 발포수지성형장치에 관한 것이다.

종래의 발포성형을 위한 장치의 전체적인 개략 구성이 도 1에 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 종래 발포수지성형장치는 합형 시 중앙에 제품 성형을 위한 캐비티(cavity, 3)를 형성하는 한 쌍의 가동 금형(1)과 고정 금형(2), 캐비티(3)에 발포된 비드(bead)를 충전시키는 비드충전기(4), 캐비티에 충전된 비드에 열을 가하거나 이를 냉각시키기 위해 각 금형 내에 설치되는 냉각수파이프(6) 및 스팀파이프(7)로 구성되며, 각 금형의 성형면에는 스팀파이프에 의한 스팀을 토출하는 스팀토출구(5)가 형성되어 있다.

가동 금형(1)과 고정 금형(2)은 속이 빈 중공의 구조로 이루어져 그 안에 설치되는 상기 스팀파이프(7)에서 토출된 스팀이 유동할 수 있는 스팀실(부호 생략)을 형성하고 있고, 스팀실에 도입된 스팀으로 두 금형은 약 120℃의 고온까지 가열되며 일부 스팀은 상기 스팀토출구(5)를 통해 금형 바깥으로 흘러나와 두 금형의 합형에 의한 상기 캐비티(3) 내의 성형원료 즉, 발포된 비드에 열을 가한다.

도 2는 위와 같은 종래 발포수지성형장치에서 각 금형의 성형면에 형성되는 상기 스팀토출구의 구성을 보여주기 위한 확대 도면으로서, 종래 발포수지성형장치의 금형에 형성되는 스팀토출구(5)는, '凹' 형상을 갖는 일정규격의 원통형 금속에 다수개의 스팀통공(50)을 뚫어 통기가 되도록 한 것으로 일반적으로 '스팀노즐'이라 한다.

상기 스팀토출구(5) 즉, 스팀노즐을 금형에 장착함에 있어서는 삽입하기 위한 구멍을 금형의 성형면에 일정 간격으로 뚫어 강제 압입하여 고정하는 방식이 적용되고 있다. 이때 제품의 성형성과 에너지 효율 그리고 생산성의 향상을 위해서는 상기 스팀토출구를 가급적 조밀하게 고른 분포로 설치되도록 하는 것이 좋으며, 금형면의 크기에 따라 통상 4~12mm 규격의 노즐을 사용한다.

위와 같이, 제품 성형을 위한 고른 열전달 및 통기성 확보를 위해서는 각 성형면에 형성되는 상기 스팀토출구의 개소 수가 많고 하나의 스팀토출구를 이루는 원형통공의 직경이 크고 개수가 많을수록 유리하다. 하지만 이를 위해서는 금형의 표면에 스팀토출구를 압입하기 위한 구멍을 조밀하게 뚫어야 하므로 가공시간이 길어지고 각 금형 성형면의 전체적인 강성이 떨어져 고온압축 성형 시 금형의 변형이나 파손이 초래될 수 있다.

금형의 두께를 늘림으로써 위와 같은 문제의 해결이 가능하지만, 금형의 두께를 늘리면 그에 비례하여 금형 제작단가의 상승이 초래되는 것은 물론, 늘어난 두께만큼 금형자체의 열흡수율이 증가하고 성형품으로의 열전달율은 저하됨으로써, 가열과 냉각의 반복을 통해 제품을 성형하는 성형 특성을 고려하면 제품 성형시간이 길어지고 보다 많은 열에너지가 소비되어 손실되는 문제가 있다. 즉 전체적으로 장치 운용효율이 크게 떨어지게 된다.

대한민국 공개특허 제2010-0044679호

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 금형의 두께를 늘리지 않고도 우수한 통기성을 갖고 각 금형의 성형면 전반에 걸쳐 고른 분포로 스팀을 토출시킬 수 있는 구성의 발포수지성형장치를 구현하고자 하는 것이다.

과제를 해결을 위한 수단으로서 본 발명은, 합형 시 중앙부에 제품성형을 위한 캐비티(cavity)를 형성하는 한 쌍의 금형; 캐비티에 작은 구슬형상(비드)의 발포수지를 충전시키는 비드충전기; 캐비티에 충전된 발포수지에 열을 가하고 이를 냉각시키기 위해 각각의 금형에 설치되는 스팀파이프와 냉각수파이프; 및 스팀파이프를 통해 제공된 스팀(steam)이 캐비티에 충전된 발포수지에 직접 전달될 수 있도록 각 금형의 성형면에 노출토록 설치되는 복수의 스팀토출부재;를 포함하고, 성형면에 설치된 상기 복수의 스팀토출부재는 NⅹM 매트릭스(Matrix) 배열을 이루도록 상기 성형면 상으로 노출되며, 각각의 스팀토출부재는 가느다랗고 기다란 다수의 슬릿형 토출구를 갖고, 하나의 스팀토출부재에 형성되는 다수의 슬릿형 토출구는 일정한 간격을 두고 평행하게 이격되는 배열로 형성되는 것을 특징으로 하는 발포수지성형장치를 제공한다.

여기서 상기 스팀토출부재는, 복수의 가로부재와 그 가로부재 이면에서 이 가로부재들을 일체 연결하는 세로부재로 구성되고, 각 가로부재는 일정한 갭을 두고 폭 방향을 따라 상호 평행하게 이격되며, 따라서 각 가로부재 사이로 상기 슬릿형 토출구를 선단에 갖는 스팀토출경로가 형성되는 구성일 수 있다.

그리고 상기 스팀토출부재를 구성하는 각 가로부재는 상면 노출측에서 아래로 갈수록 폭이 좁아지는 사다리꼴 또는 역삼각 모양의 단면을 가지며, 이로 인해 가로부재 사이로 형성되는 상기 스팀토출경로는 출구쪽으로 갈수록 단면적이 좁아지는 노즐형 구조를 이루는 구성일 수 있다.

본 실시예에서 상기 스팀토출부재는 바람직하게, 가벼우면서도 우수한 내구성과 내열성을 갖는 스테인레스나 알루미늄합금이 소재로 채택될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 발포수지성형장치에 따르면, 복수의 가로부재와 이 가로부재들을 일체 연결하는 세로부재로 이루어져 충분한 강성을 가지면서도 가느다랗고 기다란 다수의 슬릿형 토출구를 구비하는 스팀토출부재가 적용된다. 이와 같은 구조의 스팀토출부재를 채택하면, 금형의 두께를 늘리지 않고도 각 금형의 성형면 전반에 걸쳐 고른 스팀 분출 및 우수한 통기성을 갖는 성형면을 구현할 수 있다.

각 금형의 성형면 전반에 걸쳐 고른 스팀 분출이 구현되면, 전반에 걸쳐 고른 발포도를 갖는 제품의 성형이 가능해져 제품의 품질향상을 기대할 수 있으며, 특히 금형의 두께를 늘이지 않고도 고른 스팀 분출의 구현 가능하기 때문에, 가열과 냉각의 반복을 통해 발포제품을 성형함에 있어 열에너지의 손실 또한 최소화시킬 있으며, 스팀토출부재를 압입하기 위한 금형의 가공공수를 획기적으로 줄일 수 있다.

결과적으로 전체적인 장치 운용효율을 향상시킬 수 있는 동시에 금형을 제작함에 있어서의 비용을 대폭 절감 할 수 있다.

이와 더불어 통기성은 좋으나 강도가 취약하여 금형으로 사용하기 어려운 소재인 메쉬(mesh)를 상기 스팀토출부재 표면에 덧씌우면, 다양한 질감으로 성형품의 표면을 표현 할 수도 있다.

도 1은 종래 발포수지성형장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 개략 단면도.
도 2는 종래 발포수지성형장치에서 각 금형의 성형면에 형성되는 스팀토출구의 구성을 보여주기 위한 요부 확대도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발포수지성형장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 개략 단면도.
도 4는 도 3에 나타난 금형의 성형면을 평면에서 바라본 도면.
도 5는 도 3의 발포수지성형장치에서 각 금형의 성형면에 스팀토출부재가 장착된 본 발명 요부에 대한 확대 도면.
도 6은 도 5에 나타낸 스팀토출부재의 사시도.
도 7은 도 6에 따른 스팀토출부재의 저면 사시도.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 발포수지성형장치를 통해 완충형 포장재가 제작되는 과정을 순서대로 나타낸 도면.
도 12는 본 발명에 따른 발포수지성형장치에 의해 성형된 제품의 표면사진.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 살펴보기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성에 대해서는 그 상세한 설명은 생략하며, 또한 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 소지가 있는 구성에 대해서도 그 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한 이하 사용되는 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발포수지성형장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 개략 단면도이며, 도 4는 도 3에 나타난 금형의 성형면을 평면에서 바라본 도면이다. 이를 참조하여 본 발명에 따른 발포수지성형장치의 전체적인 구성에 대해 먼저 개략적으로 살펴보기로 한다.

도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발포수지성형장치는 기본적으로 전술한 발포수지성형장치와 마찬가지로, 합형 시 중앙에 제품 성형을 위한 캐비티(cavity, 30)를 형성하는 한 쌍의 가동 금형(20) 및 고정 금형(10), 캐비티(30)에 발포된 성형원료를 충전시키는 비드충전기(40)를 포함하며, 각 금형 내에는 상기 캐비티에 충전된 성형원료를 가열하거나 냉각시키기 위한 스팀파이프(70)와 냉각수파이프(60)가 설치된 구성을 기반으로 한다.

가동 금형(10)과 고정 금형(20)은 중공의 구조로 이루어져 그 내부에 상기 스팀파이프(70)에서 토출된 스팀이 유동할 수 있는 스팀실(부호 생략) 이 형성되어 있으며, 스팀실에 도입된 스팀에 의해 두 금형은 약 120℃의 고온까지 가열된다. 그리고 일부 스팀은 후술되는 스팀토출부재를 통해 스팀실 바깥으로 흘러나와 두 금형의 합형에 의한 상기 캐비티(30) 내의 성형원료를 직접 가열한다.

발포제품 성형을 위한 상기 성형원료로는 작은 구슬(비드, bead) 형상의 발포수지가 사용된다. 바람직하게는, EPP(expanded polypropylene)가 사용될 수 있다. EPP는 일반적으로 백색의 폴리프로필렌의 발포체로서, 독립기포구조를 가져 가볍고 외부충격에 대한 내충격성이 강하며, 내약품성과 내열성이 우수하고, 성형조건 구체적으로는, 성형온도와 압력의 변화를 통해 다양한 밀도와 압축강도로 제품을 구현할 수 있다.

캐비티(30)를 구획하는 가동 금형(10)과 고정 금형(20) 각각의 성형면에는 앞서 간단히 언급한 스팀토출부재(80)가 복수 설치된다. 스팀토출부재(80)는 상기 스팀파이프(70)를 통해 제공된 스팀(steam) 열이 캐비티(30)에 충전된 성형원료에 직접 전달될 수 있는 경로를 형성한다. 본 발명에서 성형면에 설치되는 상기 복수의 스팀토출부재(80)는 NⅹM 매트릭스(Matrix) 배열을 이루면서 상기 성형면 상으로 노출토록 설치된다.

도 5는 도 3의 발포수지성형장치에서 각 금형의 성형면에 스팀토출부재가 장착된 본 발명 요부에 대한 확대 도면이다. 그리고 도 6은 도 5에 나타낸 스팀토출부재의 사시도이고, 도 7은 도 6에 따른 스팀토출부재의 저면 사시도이다.

도면을 참조하면, 스팀토출부재(80)는 가느다랗고 기다란 다수의 슬릿형 토출구(82a)를 가진다. 하나의 스팀토출부재(80)에 형성되는 다수의 슬릿형 토출구(82a)는 일정한 간격을 두고 평행하게 이격되는 배열을 이룬다. 이를 위해 상기 스팀토출부재는, 일정 갭을 두고 평행하게 이격되어 그 사이로 스팀토출경로(82)를 형성시키는 복수의 가로부재(84)와, 그 가로부재 이면에서 이 가로부재들을 일체 연결하는 동시에 강성 보강재로서 기능하는 세로부재(86)로 구성된다.

본 발명에서 상기 가로부재(84)는 바람직하게 도 5의 도시와 같이, 상부에서 하부로 갈수록 폭이 좁아지는 사다리꼴 또는 역삼각 모양의 단면의 기다란 막대형 구성일 수 있다. 이처럼 가로부재(84)가 사다리꼴 또는 역삼각 단면모양으로 형성되면, 가로부재(84) 사이로 형성되는 상기 스팀토출경로(82)는 출구쪽으로 갈수록 단면적이 좁아지는 노즐형 구조를 이루게 됨으로써 캐비티(30)를 향해 고속으로 스팀을 분출시킬 수 있다.

복수의 가로부재(84)와 세로부재(86)로 구성되는 상기 스팀토출부재(80)는 가벼우면서도 내구성과 고온 내열성이 우수한 금속소재로 이루어질 수 있다. 바람직한 예로서 스테인레스나 알루미늄합금을 들 수 있다. 그러나 예를 든 스테인레스나 알루미늄합금에 한정되는 것은 아니다. 즉, 위와 같이 가벼우면서도 우수한 내구성과 고온 내열성을 갖는 소재라면 특정 소재에 국한됨이 없이 적용 가능하다.

이하 상기한 구성의 발포수지성형장치를 통해 행해지는 완충형 포장재 제작을 위한 발포성형과정을 상기 발포수지성형장치의 작동에 연계하여 살펴보기로 한다.

도 8 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 발포수지성형장치를 통해 포장재가 제작되는 과정을 순서대로 나타낸 도면이다.

먼저 도 8을 참조하면, 가동 금형(20)을 고정 금형(10) 측으로 이동시켜 두 금형이 합형되도록 한 상태에서, 가동 금형(20)과 고정 금형(10)이 합형되어 형성된 캐비티(30)에 성형원료가 되는 EPP 비드를 압축공기와 함께 강하게 불어넣어 충전하는 필링(filling) 과정을 거치게 된다. 이때 스팀파이프(70)를 통해서는 강한 압력으로 주입되는 공기가 신속히 배출될 수 있도록 함으로써 압력차를 통해 충전이 원활하게 이루어질 수 있도록 한다.

비드 충전이 완료되면, 도 9의 도시와 같이 가동 금형(20)과 고정 금형(10) 내에 스팀을 유입시켜 스팀토출부재(80)를 통해 충전된 상기 EPP 비드에 스팀이 가해지도록 함으로써 비드를 팽창, 융합시키는 스팀(steaming) 과정이 진행된다. 캐비티(30)에 가득 채워진 비드입자에 스팀 열이 가해지면, 비드입자의 표면이 녹는 동시에 비드 내부의 발포제가 팽창하여 입자 사이의 공기가 제거되고 동시에 입자간 서로 단단한 결합을 이루게 된다.

위 과정을 통해 발포성형이 완료되면, 성형물이 각각의 비드 입자 내에 잔류하는 발포제에 의하여 더 이상 변형이 생기지 않도록 도 100과 같이, 캐비티(30) 내부의 승압된 발포압력을 낮추고 금형(20)(10)을 냉각시키기 위한 냉각(cooling) 과정이 행해진다. 이러한 냉각을 위해서는 차가운 냉각수를 냉각수 파이프(60)를 통해 각 금형(20)(10) 내에 분사하거나, 진공흡입을 통해 압력을 낮추고 금형의 냉각을 도모할 수 있다.

마지막으로 위와 같은 과정을 거쳐 냉각이 완료되면, 도 11과 같은 이형(demoulding) 과정을 거쳐 금형으로부터 성형물(90)을 분리해내게 된다. 이형 과정에서는 먼저 상부 금형(20)을 상승시켜 하부 금형(10)으로부터 분리되도록 한 상태에서, 이젝터(19)를 동작시켜 성형물(90) 예컨대, 포장재를 고정 금형(10)으로부터 밀어 내면, 제품 즉, 성형물(90)이 고정 금형(10)으로부터 분리됨으로써 제작이 완료된다.

도 12는 본 발명에 따른 발포수지성형장치에 의해 성형된 제품의 표면사진으로서, 가느다랗고 기다란 슬릿형 토출구의 형성으로 인하여 제품 표면에 미세한 두께와 높이로 슬릿형 돌기부가 일정한 패턴으로 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 다시 말해 본 발명에 따른 발포수지성형장치는 제품 성형에 있어 반드시 요구되는 스팀제공을 위한 스팀토출부재에 의해 제품 표면에 질감 또한 표현해낼 수 있다.

이상에서 살펴본 본 발명에 따른 발포수지성형장치에 따르면, 각 금형의 성형면에 스팀토출을 위한 수단으로서, 복수의 가로부재와 이 가로부재들을 일체 연결하는 세로부재로 이루어져 가느다랗고 기다란 다수의 슬릿형 토출구를 갖는 스팀토출부재를 채택하고 있다. 이와 같은 구조의 스팀토출부재를 채택하면, 금형의 두께를 늘리지 않고도 각 금형의 성형면 전반에 걸쳐 고른 스팀 분출 및 우수한 통기성을 갖는 성형면을 구현할 수 있다.

각 금형의 성형면 전반에 걸쳐 고른 스팀 분출이 구현되면, 전반에 걸쳐 고른 발포도를 갖는 제품의 성형이 가능해져 제품의 품질향상을 기대할 수 있으며, 특히 금형의 두께를 늘이지 않고도 고른 스팀 분출의 구현 가능하기 때문에, 가열과 냉각의 반복을 통해 발포제품을 성형함에 있어 열에너지의 손실 또한 최소화시킬 있다. 결과적으로 전체적인 장치 운용효율 또한 향상시킬 수 있다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10 : 고정 금형 19 : 이젝터
20 : 가동 금형 30 : 캐비티
40 : 비드충전기
60 : 냉각수파이프 70: 스팀파이프
80 : 스팀토출부재 82 : 스팀토출경로
82a : 슬릿형 토출구 84 : 가로부재
86 : 세로부재 90 : 포장재(제품)

Claims (4)

1. 합형 시 중앙부에 제품성형을 위한 캐비티(cavity)를 형성하는 한 쌍의 금형; 캐비티에 작은 구슬형상(비드)의 발포수지를 충전시키는 비드충전기; 캐비티에 충전된 발포수지에 열을 가하고 이를 냉각시키기 위해 각각의 금형에 설치되는 스팀파이프와 냉각수파이프; 및 스팀파이프를 통해 제공된 스팀(steam)이 캐비티에 충전된 발포수지에 직접 전달될 수 있도록 각 금형의 성형면에 노출토록 설치되는 복수의 스팀토출부재;를 포함하고,
   성형면에 설치된 상기 복수의 스팀토출부재는 NⅹM 매트릭스(Matrix) 배열을 이루도록 상기 성형면 상으로 노출되며, 각각의 스팀토출부재는 가느다랗고 기다란 다수의 슬릿형 토출구를 갖고, 하나의 스팀토출부재에 형성되는 다수의 슬릿형 토출구는 일정한 간격을 두고 평행하게 이격되는 배열로 형성되는 것을 특징으로 하는 발포수지성형장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 스팀토출부재는,
   복수의 가로부재와 그 가로부재 이면에서 이 가로부재들을 일체 연결하는 세로부재로 구성되고, 각 가로부재는 일정한 갭을 두고 폭 방향을 따라 상호 평행하게 이격되며, 따라서 각 가로부재 사이로 상기 슬릿형 토출구를 선단에 갖는 스팀토출경로가 형성되는 구성인 것을 특징으로 하는 발포수지성형장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 스팀토출부재를 구성하는 각 가로부재는 상면 노출측에서 아래로 갈수록 폭이 좁아지는 사다리꼴 또는 역삼각 모양의 단면을 가지며, 이로 인해 가로부재 사이로 형성되는 상기 스팀토출경로는 출구쪽으로 갈수록 단면적이 좁아지는 노즐형 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 발포수지성형장치.
   
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 스팀토출부재는 가벼우면서도 우수한 내구성과 내열성을 갖는 스테인레스나 알루미늄합금을 소재로 하는 것을 특징으로 하는 발포수지성형장치.

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