KR20130142196A - 사출 성형 장치를 위한 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템 - Google Patents

Abstract

실질적으로 일정한 점도에서 용융된 플라스틱을 수용하는 복수의 주형 공동을 갖는, 사출 성형 장치의 사출 주형을 위한 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템으로서, 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템은 복수의 주형 공동 중 제1 주형 공동에서 종결되는 제1 공급 채널, 및 복수의 주형 공동 중 제2 주형 공동에서 종결되는 제2 공급 채널을 갖는 핫 러너; 및 용융된 플라스틱을 수용하기 위한 게이트를 포함하며, 게이트는 제1 공급 채널 및 제2 공급 채널 중 하나와 유체 연통하며, 여기서 공급 시스템은 90% 초과의 균형을 유지한다.

Description

사출 성형 장치를 위한 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템{NON-NATURALLY BALANCED FEED SYSTEM FOR AN INJECTION MOLDING APPARATUS}

본 발명은 사출 성형을 위한 장치 및 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 낮은 일정한 압력에서 사출 성형되는 부품을 생산하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

사출 성형은 용융가능한 재료로 제조되는 부품, 가장 흔하게는 열가소성 중합체로 제조되는 부품의 대량 제조에 일반적으로 사용되는 기술이다. 반복적인 사출 성형 공정 동안에, 가장 흔히 소형 비드(bead) 또는 펠릿(pellet) 형태의 플라스틱 수지가 열, 압력, 및 전단 하에서 수지 비드를 용융시키는 사출 성형기에 도입된다. 이제 용융된 수지가 특정 공동(cavity) 형상을 갖는 주형 공동 내로 강제로 사출된다. 사출된 플라스틱은 주형 공동 내에서 압력 하에 유지되고, 냉각되고, 이어서 본질적으로 주형의 공동 형상을 복제하는 형상을 갖는 고형화된 부품으로서 제거된다. 주형 그 자체는 단일의 공동 또는 다수의 공동을 가질 수 있다. 각각의 공동은 용융된 수지의 유동을 공동 내로 지향시키는 게이트(gate)에 의해 유동 채널에 연결될 수 있다. 성형되는 부품은 하나 이상의 게이트를 가질 수 있다. 성형되는 부품을 충전하기 위해 중합체가 이동해야 하는 유동 거리를 감소시키기 위해 대형 부품이 2개, 3개, 또는 그 초과의 게이트를 갖는 것이 일반적이다. 공동당 하나 또는 다수의 게이트가 부품 기하학적 형상 상의 임의의 곳에 위치될 수 있고, 본질적으로 원형인 것과 같은 임의의 단면 형상을 갖거나 1.1 이상의 종횡비(aspect ratio)를 갖도록 형상화될 수 있다. 따라서, 전형적인 사출 성형 절차는 다음의 4개의 기본 작업을 포함한다: (1) 플라스틱이 압력 하에서 유동하는 것을 허용하도록 플라스틱을 사출 성형기 내에서 가열하는 작업; (2) 폐쇄된 2개의 주형 반부(half) 사이에 한정된 주형 공동 또는 공동들 내로 용융된 플라스틱을 사출하는 작업; (3) 플라스틱이 공동 또는 공동들 내에서 압력 하에 있으면서 냉각 및 경화되는 것을 허용하는 작업; 및 (4) 주형 반부를 개방하여 부품이 주형으로부터 배출되게 하는 작업.

용융된 플라스틱 수지는 주형 공동 내로 사출되고, 플라스틱 수지는 플라스틱 수지가 게이트로부터 가장 먼 공동 내의 위치에 도달할 때까지 사출 성형기에 의해 공동을 통해 강제로 밀어내진다. 부품의 생성되는 길이 및 벽 두께는 주형 공동의 형상의 결과이다.

최종 부품의 플라스틱 함량, 및 이에 따라 비용을 감소시키기 위해 사출 성형되는 부품의 벽 두께를 감소시키는 것을 원할 수 있지만; 종래의 사출 성형 공정을 사용해 벽 두께를 감소시키는 것은, 특히 15, 10, 3, 및 1.0 밀리미터 미만의 벽 두께를 설계할 때, 비용이 많이 들고 간단하지 않은 과제일 수 있다. 종래의 사출 성형 공정에서 액체 플라스틱 수지가 사출 주형 내로 도입될 때, 공동의 벽에 인접한 재료는 즉시 "굳어지거나" 고형화되고 경화되기 시작한다. 재료가 주형을 통해 유동함에 따라, 재료의 경계층이 주형의 면(side)에 맞대어 형성된다. 주형이 계속하여 충전됨에 따라, 경계층이 계속하여 두꺼워지고, 결국에는 재료 유동의 경로를 차단하고 추가의 재료가 주형 내로 유동하는 것을 방해한다. 플라스틱 수지가 주형의 벽 상에서 굳어지는 것은 주형이 냉각될 때 더욱 심하게 되며, 각각의 부품의 사이클 시간을 감소시키고 기계 스루풋(throughput)을 증가시키기 위해 소정의 기술이 사용된다.

액체 플라스틱 수지가 가장 두꺼운 벽 두께를 갖는 영역으로부터 가장 얇은 벽 두께를 갖는 영역을 향해 유동하도록 부품 및 대응하는 주형을 설계하고자 하는 요망이 또한 있을 수 있다. 주형의 소정 구역에서 두께를 증가시키는 것은 충분한 재료가 강도 및 두께가 요구되는 영역으로 유동하는 것을 보장할 수 있다. 이러한 "두꺼운 곳으로부터 얇은 곳으로(thick-to-thin)"의 유동 경로 요건은 플라스틱의 비효율적인 사용에 기여하고 사출 성형되는 부품 제조업자에게 더 높은 부품 비용을 야기할 수 있는데, 그 이유는 추가의 재료가 그 재료가 필요하지 않은 위치에서 부품으로 성형되어야 하기 때문이다.

부품의 벽 두께를 감소시키는 하나의 방법은 액체 플라스틱 수지가 주형 내로 도입될 때 액체 플라스틱 수지의 압력을 증가시키는 것이다. 압력을 증가시킴으로써, 성형기는 유동 경로가 차단되기 전까지 계속하여 액체 재료를 주형 내로 가압할 수 있다. 그러나, 압력을 증가시키는 것은 비용과 성능 둘 모두의 면에서 불리하다. 구성요소를 성형하는 데 요구되는 압력이 증가하면, 성형 장비는 추가의 압력을 견디기에 충분히 강해야 하며, 이는 일반적으로 더 비싸다는 것과 동등하다. 제조업자는 이러한 증가된 압력을 수용하기 위해 새로운 장비를 구입해야 할 수 있다. 따라서, 주어진 부품의 벽 두께에 있어서의 감소는, 종래의 사출 성형 기술을 통해 제조를 성취하기에는 상당한 자금 지출을 야기할 수 있다.

부가적으로, 액체 플라스틱 재료가 사출 주형 내로 유동하여 급속히 굳어진 경우에, 중합체 사슬은 중합체가 액체 형태였을 때에 존재하였던 높은 수준의 응력을 유지한다. 굳어진 중합체 분자는 분자 배향이 부품 내에서 고정된 때 더 높은 수준의 유동으로 유발된(flow induced) 배향을 유지하여서, 프로즌-인(frozen-in) 응력 상태를 야기한다. 이러한 "몰디드-인(molded-in)" 응력은 성형 후에 뒤틀리거나 약화되고, 감소된 기계적 특성을 가지며, 화학적 노출에 대한 감소된 저항력을 갖는 부품을 야기할 수 있다. 감소된 기계적 특성은 박벽 터브(thinwall tub), 리빙 힌지 부품, 및 클로저(closure)와 같은 사출 성형되는 부품의 경우에 억제하고/억제하거나 최소화하는 것이 특히 중요하다.

전술된 결점들 중 일부를 회피하기 위한 노력으로, 종래의 많은 사출 성형 작업은 주형 공동 내로의 플라스틱 재료의 유동을 개선하기 위해 전단-박화(shear-thinning) 플라스틱 재료를 사용한다. 전단-박화 플라스틱 재료가 주형 공동 내로 사출될 때, 플라스틱 재료와 주형 공동 벽 사이에서 발생되는 전단력은 플라스틱 재료의 점도를 감소시키는 경향이 있어서, 플라스틱 재료가 주형 공동 내로 보다 자유롭게 그리고 용이하게 유동하는 것을 허용한다. 그 결과, 주형이 완전히 충전되기 전에 재료가 굳어져 버리는 것을 회피하기에 충분히 신속하게 박벽 부품을 충전하는 것이 가능하다.

점도의 감소는 플라스틱 재료와 공급 시스템 사이에서, 그리고 플라스틱 재료와 주형 공동 벽 사이에서 발생되는 전단력의 크기에 직접적으로 관련된다. 따라서, 이러한 전단-박화 재료의 제조업자 및 사출 성형 시스템의 조작자는 전단을 증가시켜서, 점도를 감소시키기 위한 노력으로 사출 성형 압력을 보다 높게 되도록 하고 있다. 전형적으로, 사출 성형 시스템은 103.4 ㎫(15,000 psi) 이상의 용융물 압력에서 주형 공동 내로 플라스틱 재료를 사출한다. 전단-박화 플라스틱 재료의 제조업자는 최소 용융물 압력을 초과해 주형 공동 내로 플라스틱 재료를 사출하도록 사출 성형 조작자에게 교시한다. 예를 들어, 폴리프로필렌 수지는 전형적으로 41.4 ㎫(6,000 psi) 초과의 압력에서 가공된다(폴리프로필렌 수지 제조업자로부터의 권고 범위는 전형적으로 41.4 ㎫(6,000 psi) 초과 내지 약 103.4 ㎫(15,000 psi)임). 수지 제조업자는 이 범위의 상한을 초과하지 않을 것을 권고한다. 프레스 제조업자 및 가공 기술자는 전형적으로, 플라스틱 재료로부터 최대 박화 및 보다 나은 유동 특성을 끌어내기 위해, 최대 가능 전단 박화 - 이는 전형적으로 103.4 ㎫(15,000 psi) 초과임 - 를 달성하기 위해서, 상기 범위의 상한에서 또는 그보다 상당히 더 높은 값에서 전단 박화 중합체를 가공할 것을 권고한다. 전단 박화 열가소성 중합체는 일반적으로 41.4 ㎫(6,000 psi) 초과 내지 약 206.8 ㎫(30,000 psi)의 범위에서 가공된다.

사출 성형기에 사용되는 주형은 이러한 높은 용융물 압력을 견딜 수 있어야 한다. 더욱이, 주형을 형성하는 재료는 주형이 그의 수명 동안에 걸쳐 작동될 것으로 예상되는 총 사이클 수 동안 최대의 주기적인 응력을 견딜 수 있는 피로 한계를 가져야 한다. 그 결과, 주형 제조업자는 전형적으로, 높은 경도 - 전형적으로 30 Rc 초과, 그리고 보다 전형적으로는 50 Rc 초과 - 를 갖는 재료로 주형을 형성한다. 이러한 고 경도 재료는 플라스틱 사출 공정 동안에 주형 구성요소들을 서로에 대해 가압된 상태로 유지하는 데 요구되는 높은 클램핑 압력을 견디도록 장비되며 내구성이 있다. 이러한 고 경도 재료는 또한 성형 표면과 중합체 유동 사이의 반복되는 접촉으로부터의 마모에 보다 잘 저항할 수 있다.

박벽형 소비재를 생산하는 대량 생산 사출 성형기(즉, 등급 101 및 등급 102 성형기)는 고 경도 재료로 제조되는 대다수의 주형을 갖는 주형들만을 사용한다. 대량 생산 사출 성형기는 전형적으로 연간 500,000 사이클 이상을 생산한다. 산업 품질 생산 주형은 연간 500,000 사이클 이상, 바람직하게는 연간 1,000,000 사이클 초과, 보다 바람직하게는 연간 5,000,000 사이클 초과, 그리고 더욱 더 바람직하게는 연간 10,000,000 사이클 초과를 견디도록 설계되어야 한다. 이러한 기계는 생산 속도를 증가시키기 위해 다수 공동 주형 및 복잡한 냉각 시스템을 갖는다. 고 경도 재료는 더 낮은 경도의 재료보다 반복되는 고압 클램핑 작업을 더 잘 견딜 수 있다. 그러나, 대부분의 공구강과 같은 고 경도 재료는, 대체로 34.6 W/(m*K)(20 BTU/HR FT ℉) 미만의 비교적 낮은 열전도율을 가지며, 이는 열이 용융된 플라스틱 재료로부터 고 경도 재료를 통해 전달될 때 긴 냉각 시간으로 이어진다.

사이클 시간을 감소시키기 위한 노력으로, 고 경도 재료로 제조되는 주형을 갖는 전형적인 대량 생산 사출 성형기는 주형 내에서 냉각 유체를 순환시키는 비교적 복잡한 내부 냉각 시스템을 포함한다. 이러한 냉각 시스템은 성형되는 부품의 냉각을 가속시켜서, 기계가 주어진 양의 시간 동안 더 많은 사이클을 완료하게 하며, 이는 생산 속도 및 이에 따라 생산되는 성형되는 부품의 총량을 증가시킨다. 일부 등급 101에서, 연간 백만 또는 2백만 초과의 사이클이 작동될 수 있으며, 이러한 주형은 때때로 "초 고 생산성 주형"으로 지칭된다. 400 톤 이상의 프레스에서 작동하는 등급 101 주형은 때때로 산업계 내에서 "400 등급" 주형으로 지칭된다.

주형에 대해 고 경도 재료를 사용하는 것으로 인한 다른 결점은, 공구강과 같은 고 경도 재료가 일반적으로 기계가공하기에 상당히 어렵다는 것이다. 그 결과, 공지된 고 스루풋 사출 주형은 형성하기 위해 엄청난 기계가공 시간 및 고가의 기계가공 장비를 필요로 하며, 응력을 완화시키고 재료 경도를 최적화하기 위해 비용이 많이 들고 시간이 많이 소비되는 후-기계가공 단계를 필요로 한다.

도면에 개시된 실시예는 본질적으로 예증적이고 예시적인 것이며, 특허청구범위에 의해 한정되는 주제를 제한하고자 하는 것이 아니다. 예시적인 실시예의 하기 상세한 설명은 이하의 도면과 관련하여 읽혀질 때 이해될 수 있으며, 도면에서 유사한 구조물은 유사한 도면 부호로 지시된다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 사출 성형기의 개략도.
도 2는 도 1의 사출 성형기에서 형성된 박벽형 부품의 일 실시예를 도시하는 도면.
도 3은 도 1의 사출 성형기에 대한 공동 압력 대 시간 그래프.
도 4는 도 1의 사출 성형기의 주형의 일 실시예의 단면도.
도 5는 공급 시스템의 사시도.
도 6a 및 도 6b는 자연적으로 균형화된 공급 시스템의 평면도 및 정면도.
도 7a 및 도 7b는 자연적으로 균형화된 다른 공급 시스템의 평면도 및 정면도.
도 8은 도 1의 사출 성형기에 사용될 수 있는 인위적으로 균형화된 공급 시스템의 평면도.
도 9a 및 도 9b는 도 1의 사출 성형기에 사용될 수 있는 비-균형화된 공급 시스템의 평면도.

본 발명의 실시예는 일반적으로 사출 성형에 의해 제품을 생산하는 시스템, 기계, 제품, 및 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 낮은 일정한 압력 사출 성형에 의해 제품을 생산하는 시스템, 제품, 및 방법에 관한 것이다.

용어 "낮은 압력"은, 열가소성 재료의 용융물 압력에 관하여 본 명세서에 사용된 바와 같이, 사출 성형기의 노즐 부근에서의 대략 41.4 ㎫(6000 psi) 이하의 용융물 압력을 의미한다.

용어 "실질적으로 일정한 압력"은, 열가소성 재료의 용융물 압력에 관하여 본 명세서에 사용된 바와 같이, 기준 용융물 압력으로부터의 편차가 열가소성 재료의 물리적 특성에 있어서의 유의미한 변화를 생성하지 않음을 의미한다. 예를 들어, "실질적으로 일정한 압력"은 용융된 열가소성 재료의 점도가 유의미하게 변화하지 않게 하는 압력 변화를 포함하지만, 이로 한정되지 않는다. 용어 "실질적으로 일정한"은 이 점에 있어서 기준 용융물 압력으로부터 최대 대략 30%의 편차를 포함한다. 예를 들어, 용어 "대략 31.7 ㎫(4600 psi)의 실질적으로 일정한 압력"은 약 41.4 ㎫(6000 psi)(31.7 ㎫(4600 psi)보다 30% 높음) 내지 약 22.1 ㎫(3200 psi)(31.7 ㎫(4600 psi)보다 30% 낮음) 범위 내의 압력 변동을 포함한다. 용융물 압력은 용융물 압력이 언급된 압력으로부터 30% 이하로 변동되는 한 실질적으로 일정한 것으로 간주된다.

'충전의 균형'은 주어진 플라스틱이 사출 주형 시스템 전체에 걸쳐 동적으로 분배될 때 주어진 플라스틱의 유동 균형을 규정하는 데 사용되는 용어이다. 플라스틱 분배 시스템은 고온 또는 저온 러너(runner) 시스템뿐만 아니라 공동을 포함한다. 사출 주형 시스템은 자연적으로 균형화된, 인위적으로 균형화된, 또는 비균형화된 것일 수 있다.

충전의 균형은 공동 대 공동 중량 차이에 의해 측정되며, 고온 또는 저온 러너 시스템의 성능의 표시를 제공한다. 여기서 잘 작동하는 러너 시스템은 중합체가 얼마나 균일하게 각각의 개별 공동을 충전하는지에 의해 측정되며, 여기서 완벽한 러너 시스템은 각각의 공동을 정확히 동일한 시간에 충전할 것이다. 종래의 사출 성형에서, 각각의 공동에 대해 균형화된 유동들을 갖는 것이 대단히 중요하거나, 부품 대 부품 편차가 클 수 있고 공정 능력이 달성가능하지 않을 수 있다. 허용가능한 유동 균형을 갖는 주형은 주형 내의 모든 공동에 걸쳐 부품 중량, 치수 변화량, 및 수축률에 있어서의 편차를 감소시킬 것이다.

불균형의 수준은 주형 내의 모든 공동들의 평균 중량에 대한, 측정된 바와 같은 주형 내의 모든 개별 부품들의 중량의 비교에 기초한다. 충전되는 제1 공동이 100%의 충전율에 도달한 때 측정값이 취해지며, 사출 공정이 중단되고, 서로에 대한 중량들의 범위를 비교하기 위해 모든 부품들이 칭량된다. 공동 대 공동 불균형은 평균 부품 중량에 대해 계산된다. 하기의 공식은 이러한 방법을 사용해 불균형을 계산하기 위한 계산을 제시한다.

여기서, Wa = 모든 공동들의 평균 중량

Wn = 공동 n의 중량(여기서 n = 공동 번호)

허용가능한 충전 균형은 모든 부품 중량들이 일반적으로 평균의 +/- 10%, 보다 바람직하게는 +/- 5%, 그리고 이상적으로는 +/- 1% 내일 때의 것이다.

핫 러너 설계는 강건한(robust) 종래의 사출 성형 공정 및 주형 설계를 위해 대단히 중요한 요소이다. 열등한 핫 러너 설계는 과도한 부품 결함 및 추가된 부품 비용으로 이어질 수 있다. 종래의 성형 공정에서 자연 균형을 달성하기 위해, 재료는 기계 노즐로부터 게이트들 각각까지 동일한 러너 기하학적 형상들을 통해 유동하여야 한다. 이는 단지 동일한 유동 거리가 아니라, 유동 경로를 따른 동일한 보어 직경들 및 동일한 개수의 턴을 의미한다. 이러한 균형화된 핫 러너 시스템의 설계는 전형적으로 다음의 일반적인 설계 원리에 기초한다: 1) 핫 러너 시스템에 걸친 압력 강하는 바람직하게는 41.4 ㎫(6,000 psi) 미만임, 2) 바람직하게는 주형 공동들 전부의 합계에 수용된 체적의 3배 이하의 체적의 용융된 플라스틱 재료가 핫 러너 시스템 내에 수용됨, 및 3) 핫 러너 유동 분지(branch)들의 기하학적 형상은 용융된 플라스틱 데드 스폿(dead spot), 또는 용융된 플라스틱이 갇히게 되어 시스템을 통해 유동할 수 없는 영역을 제거하도록 최적화됨. 이러한 원리들은 종종 규정된 압력 강하 요건을 달성하기 위해 너무 큰 보어 직경의 결과를 가져오며, 이러한 압력 제한으로 인해 요망될 수 있는 것보다 더 높은 비(ratio)의 러너 체적 대 부품 체적으로 이어질 수 있다.

일정한 압력 사출 서형은 핫 러너 시스템이 종래의 사출 성형보다 상당히 더 낮은 압력에서 충전되게 하며, 이는 핫 러너 시스템 전체에 걸쳐 더 작고 보다 일관된 보어 직경들을 사용하는 것을 가능하게 하는 동시에 41.4 ㎫(6000 psi) 미만의 압력 강하를 달성한다. 낮은 압력 성형의 경우에, 예를 들어 기계 노즐 압력이 약 68.9 ㎫(10,000 psi)보다 낮거나, 더욱 더 바람직하게는 약 41.4 ㎫(6,000 psi) 미만인 경우, 약 20.7 ㎫(3,000 psi) 미만, 또는 보다 바람직하게는 13.8 ㎫(2,000 psi) 미만, 또는 더욱 더 바람직하게는 약 6.89 ㎫(1,000 psi) 미만의, 매니폴드에 걸친 압력 강하를 달성하는 것이 가능하다. 이는 상당히 더 낮은 비의 러너 체적 대 주형 공동 체적을 달성하는 능력을 허용하고, 러너 분지 직경들의 교차점에서의 보다 적은 재료 데드 스폿을 제공하며, 개선된 유동 균형을 허용한다. 또한, 감소된 러너 체적은 용융된 중합체를 원하는 가공 온도에 유지하기 위해 러너 시스템 내에서 더 적은 열을 필요로 한다. 인위적으로 균형화된 공급 시스템 및 자연적으로 균형화된 공급 시스템의 경우에, 일정한 압력 가공은, 심지어 재료 배치(batch) 편차, 용융물 온도 편차, 또는 주형 온도 편차의 결과로서 재료 점도 차이가 도입되는 때에도, 90% 또는 더욱 더 바람직하게는 95% 또는 그 초과와 같은 매우 양호한 충전의 균형을 유지한다. 보어 직경을 고려할 때, 임의의 단면적 및 대응 단면 프로파일의 채널이 러너 채널들을 형성하는 데 사용될 수 있음이 이해된다. 그러나, 채널 제조의 용이함을 촉진하고 용융된 중합체 상의 마찰력을 최소화하기 위해 원통형 러너 채널들이 일반적으로 사용된다.

도면을 상세히 참조하면, 도 1은 박벽형 부품을 대량으로 생산하기 위한 예시적인 낮은 일정한 압력 사출 성형 장치(10)(예를 들어, 등급 101 또는 102 사출 주형, 또는 "초 고 생산성 주형")를 도시하고 있다. 사출 성형 장치(10)는 일반적으로 사출 시스템(12) 및 클램핑 시스템(14)을 포함한다. 열가소성 재료가 열가소성 펠릿(16)의 형태로 사출 시스템(12)에 도입될 수 있다. 열가소성 펠릿(16)은, 열가소성 펠릿(16)을 사출 시스템(12)의 가열된 배럴(20) 내로 공급하는 호퍼(hopper)(18) 내에 넣어질 수 있다. 열가소성 펠릿(16)은, 가열된 배럴(20) 내로 공급된 후에, 왕복 스크류(22)에 의해 가열된 배럴(20)의 단부로 추진될 수 있다. 가열된 배럴(20)의 가열 및 왕복 스크류(22)에 의한 열가소성 펠릿(16)의 압축은 열가소성 펠릿(16)이 용융되게 하여서, 용융된 열가소성 재료(24)를 형성한다. 용융된 열가소성 재료는 전형적으로 약 130℃ 내지 약 410℃의 온도에서 가공된다.

왕복 스크류(22)는 용융된 열가소성 재료(24)를 노즐(26)을 향해 가압하여, 주형(28)의 주형 공동(32) 내로 사출될 열가소성 재료의 샷(shot)을 형성한다. 용융된 열가소성 재료(24)는, 용융된 열가소성 재료(24)의 유동을 주형 공동(32)으로 지향시키는 게이트(30)를 통해 사출될 수 있다. 주형 공동(32)은 주형(28)의 제1 주형 부품(25)과 제2 주형 부품(27) 사이에 형성되며, 제1 및 제2 주형 부품(25, 27)은 프레스 또는 클램핑 유닛(34)에 의해 압력 하에서 결합된다. 프레스 또는 클램핑 유닛(34)은 성형 공정 동안에 대략 6.89 ㎫(1000 psi) 내지 대략 41.4 ㎫(6000 psi) 범위의 클램핑력을 인가하여, 용융된 열가소성 재료(24)가 주형 공동(32) 내로 사출되는 동안 제1 및 제2 주형 부품(25, 27)을 결합시킨다. 이러한 클램핑력을 지원하기 위해, 클램핑 시스템(14)은 약 165 BHN 초과 그리고 바람직하게는 260 BHN 미만의 표면 경도를 갖는 재료로 형성된 주형 프레임 및 주형 베이스를 포함할 수 있지만, 하기에 추가로 논의되는 바와 같이, 260 초과의 표면 경도 BHN 값을 갖는 재료가 그 재료가 용이하게 기계가공 가능한 한 사용될 수 있다.

일단 용융된 열가소성 재료(24)의 샷이 주형 공동(32) 내로 사출되면, 왕복 스크류(22)는 전방으로 이동하는 것을 중단한다. 용융된 열가소성 재료(24)는 주형 공동(32)의 형태를 취하고, 용융된 열가소성 재료(24)는 열가소성 재료(24)가 고형화될 때까지 주형(28) 내부에서 냉각된다. 일단 열가소성 재료(24)가 고형화되면, 프레스(34)는 제1 및 제2 주형 부품(25, 27)을 이형시키고, 제1 및 제2 주형 부품(25, 27)이 서로 분리되며, 완성된 부품이 주형(28)으로부터 배출될 수 있다. 주형(28)은 전체 생산 속도를 증가시키기 위해 복수의 주형 공동(32)을 포함할 수 있다. 복수의 주형 공동의 공동들의 형상들은 서로 동일하거나, 유사하거나 상이할 수 있다. (후자는 주형 공동들의 군이다).

제어기(50)가 센서(52) 및 스크류 제어부(36)와 통신가능하게 연결된다. 제어기(50)는 마이크로프로세서, 메모리, 및 하나 이상의 통신 링크를 포함할 수 있다. 제어기(50)는, 각각 유선 연결부(54, 56)를 통해 센서(52) 및 스크류 제어부(36)에 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 제어기(50)는 무선 연결부, 기계적 연결부, 유압 연결부, 공압 연결부, 또는 제어기(50)가 센서(52)와 스크류 제어부(36) 둘 모두와 통신하게 할, 당업자에게 공지된 임의의 다른 유형의 통신 연결부를 통해 센서(52) 및 스크류 제어부(56)에 연결될 수 있다.

도 1의 실시예에서, 센서(52)는 노즐(26) 내의 용융된 열가소성 재료(24)의 용융물 압력을 (직접적으로 또는 간접적으로) 측정하는 압력 센서이다. 센서(52)는 제어기(50)로 전송되는 전기 신호를 발생시킨다. 이어서 제어기(50)는 노즐(26) 내의 용융된 열가소성 재료(24)의 실질적으로 일정한 용융물 압력을 유지하는 속도로 스크류(22)를 전진시키도록 스크류 제어부(36)에 명령한다. 센서(52)가 용융물 압력을 직접적으로 측정할 수 있지만, 센서(52)는 용융물 압력을 나타내는, 온도, 점도, 유량 등과 같은, 용융된 열가소성 재료(24)의 다른 특성을 측정할 수 있다. 마찬가지로, 센서(52)는 노즐(26) 내에 직접적으로 위치될 필요는 없으며, 오히려 센서(52)는 노즐(26)과 유동적으로 연결된 주형(28) 또는 사출 시스템(12) 내의 임의의 위치에 위치될 수 있다. 센서(52)가 노즐(26) 내에 위치되지 않는 경우, 노즐(26) 내의 용융물 압력을 계산하기 위해 적절한 보정 계수가 측정된 특성에 적용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 센서(52)는 노즐과 유동적으로 연결될 필요가 없다. 오히려, 센서는 제1 주형 부품(25)과 제2 주형 부품(27) 사이의 주형 분리선에서 클램핑 시스템(14)에 의해 발생된 클램핑력을 측정할 수 있다. 일 태양에서, 제어기는 센서로부터의 입력에 따라 압력을 유지할 수 있다.

능동형 폐쇄 루프 제어기(50)가 도 1에 도시되어 있지만, 다른 압력 조절 장치가 폐쇄 루프 제어기(50) 대신에 사용될 수 있다. 예를 들어, 용융된 열가소성 재료(24)의 용융물 압력을 조절하기 위해, 압력 조절 밸브(도시되지 않음) 또는 압력 릴리프 밸브(도시되지 않음)가 제어기(50)를 대신할 수 있다. 보다 구체적으로, 압력 조절 밸브 및 압력 릴리프 밸브는 주형(28)의 과잉 가압(overpressurization)을 방지할 수 있다. 주형(28)의 과잉 가압을 방지하기 위한 다른 대안적인 기구는, 과잉 가압 조건이 검출된 때 알람을 활성화시키는 것이다.

이제 도 2를 참조하면, 예시적인 성형되는 부품(100)이 도시되어 있다. 성형되는 부품(100)은 박벽형 부품이다. 성형되는 부품은 일반적으로 유동 채널의 길이(L)를 유동 채널의 두께(T)로 나눈 값이 100 초과(즉, L/T > 100)일 때 박벽형인 것으로 간주된다. 일부 사출 성형 산업에서, 박벽형 부품은 L/T > 200, 또는 L/T > 250을 갖는 부품으로 정의될 수 있다. 유동 채널의 길이(L)는 게이트(102)로부터 유동 채널 단부(104)까지 측정된다. 박벽형 부품은 특히 소비재 산업에 널리 퍼져 있다.

성형되는 부품은 일반적으로 유동 채널의 길이(L)를 유동 채널의 두께(T)로 나눈 값이 100 초과(즉, L/T > 100)일 때 박벽형인 것으로 간주된다. 보다 복잡한 기하학적 형상을 갖는 주형 공동의 경우, L/T 비는 게이트(102)로부터 주형 공동(32)의 단부까지의 주형 공동(32)의 길이에 걸쳐 T 치수를 적분하고, 게이트(102)로부터 주형 공동(32)의 단부까지의 가장 긴 유동 길이를 결정함으로써 계산될 수 있다. 이어서, 가장 긴 유동 길이를 평균 부품 두께로 나눔으로써 L/T 비가 결정될 수 있다.

박벽형 부품은 사출 성형에 있어서 소정의 장애를 제공한다. 예를 들어, 유동 채널의 박형성은 재료가 유동 채널 단부(104)에 도달하기 전에 용융된 열가소성 재료를 냉각시키는 경향이 있다. 이러한 일이 발생하면, 열가소성 재료는 굳어져 버리고 더 이상 유동하지 않으며, 이는 불완전한 부품을 야기한다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 전통적인 사출 성형기는, 전형적으로 103.4 ㎫(15,000 psi) 초과의 매우 높은 압력에서 용융된 열가소성 재료를 사출하여, 용융된 열가소성 재료가 냉각되어 굳어져 버릴 위험이 있기 전에 주형 공동을 신속히 충전하게 한다. 이는 열가소성 재료의 제조업자가 매우 높은 압력에서의 사출을 교시하는 하나의 이유이다. 전통적인 사출 성형기가 고압에서 사출하는 다른 이유는, 위에서 논의된 바와 같이, 유동 특성을 증가시키는 증가된 전단이다. 이러한 매우 높은 사출 압력은 주형(28) 및 공급 시스템을 형성하는 데 상당히 경질인 재료를 사용할 것을 필요로 한다.

전통적인 사출 성형기는 주형을 제조하는 데 공구강 또는 다른 경질 재료를 사용한다. 이러한 공구강은 매우 높은 사출 압력을 견디기에 충분히 강하지만, 공구강은 비교적 불량한 열 전도체이다. 그 결과, 주형 공동이 충전된 때 냉각 시간을 향상시키기 위해 매우 복잡한 냉각 시스템이 주형 내에 기계가공되며, 이는 사이클 시간을 감소시키고 주형의 생산성을 증가시킨다. 그러나, 이러한 매우 복잡한 냉각 시스템은 주형 제조 공정에 상당한 시간 및 비용을 추가한다.

본 발명자들은 전단-박화 열가소성 물질(심지어 최소 전단-박화 열가소성 물질)이 임의의 현저한 악영향 없이 낮은 실질적으로 일정한 압력에서 주형(28) 내로 사출될 수 있음을 발견하였다. 다양한 열가소성 재료가 본 발명의 낮은 실질적으로 일정한 압력 사출 성형 방법에 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 용융된 열가소성 재료는 2.16 kg 중량체로 230C의 온도에서 수행된 ASTM D1238에 의해 측정된 때, 약 0.1 g/10 min 내지 약 500 g/10 min의 용융 유동 지수(melt flow index)에 의해 규정된 바와 같은 점도를 갖는다. 예를 들어, 폴리프로필렌의 경우, 용융 유동 지수는 약 0.5 g/10 min 내지 약 200 g/10 min의 범위 내일 수 있다. 다른 적합한 용융 유동 지수는 약 1 g/10 min 내지 약 400 g/10 min, 약 10 g/10 min 내지 약 300 g/10 min, 약 20 내지 약 200 g/10 min, 약 30 g/10 min 내지 약 100 g/10 min, 약 50 g/10 min 내지 약 75 g/10 min, 약 0.1 g/10 min 내지 약 1 g/10 min, 또는 약 1 g/10 min 내지 약 25 g/10 min을 포함한다. 재료의 MFI는 성형되는 물품의 응용 및 용도에 기초해 선택된다. 예를 들어, 0.1 g/10 min 내지 약 5 g/10 min의 MFI를 갖는 열가소성 재료는 사출 연신 블로우 성형(Injection Stretch Blow Molding, ISBM) 응용을 위한 예비 성형품(preform)으로서 사용하기에 적합할 수 있다. 5 g/10 min 내지 약 50 g/10 min의 MFI를 갖는 열가소성 재료는 물품을 패키징하기 위한 캡(cap) 및 클로저로서 사용하기에 적합할 수 있다. 50 g/10 min 내지 약 150 g/10 min의 MFI를 갖는 열가소성 재료는 버킷(bucket) 또는 터브의 제조에 사용하기에 적합할 수 있다. 150 g/10min 내지 약 500 g/10 min의 MFI를 갖는 열가소성 재료는 얇은 플레이트와 같은 극히 높은 L/T 비를 갖는 성형되는 물품에 적합할 수 있다. 그러한 열가소성 재료의 제조업자는 일반적으로 41.4 ㎫(6000 psi)을 초과하는, 그리고 종종 41.4 ㎫(6000 psi)을 크게 초과하는 용융물 압력을 사용해 재료가 사출 성형되어야 함을 교시한다. 그러한 열가소성 재료의 사출 성형에 관한 종래의 교시와는 대조적으로, 본 발명의 낮은 일정한 사출 성형 방법의 실시예는 유리하게도 그러한 열가소성 재료를 사용해 그리고 41.4 ㎫(6000 psi)보다 낮은, 그리고 어쩌면 41.4 ㎫(6000 psi)보다 상당히 낮은 용융물 압력에서 가공해 양질의 사출 성형되는 부품을 형성하는 것을 허용한다.

열가소성 재료는 예를 들어 폴리올레핀일 수 있다. 예시적인 폴리올레핀은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리메틸펜텐, 및 폴리부텐-1을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 전술된 폴리올레핀들 중 임의의 것은 바이오-폴리프로필렌 또는 바이오-폴리에틸렌을 생성하기 위해, 사탕수수 또는 다른 농작물과 같은, 바이오-기반 공급원료로부터 공급될 수 있다. 폴리올레핀은 유리하게는 용융된 상태에 있을 때 전단 박화를 나타낸다. 전단 박화는 유체가 압축 응력 하에 놓일 때 점도에 있어서의 감소이다. 전단 박화는 이롭게는 열가소성 재료의 유동이 사출 성형 공정 전체에 걸쳐 유지되게 할 수 있다. 이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 열가소성 재료, 그리고 특히 폴리올레핀의 전단 박화 특성은 재료가 낮은 압력에서 가공될 때 재료 점도에 있어서의 더 적은 변동의 결과를 가져오는 것으로 여겨진다. 그 결과, 본 발명의 방법의 실시예는 예를 들어 가공 조건뿐만 아니라 착색제 및 다른 첨가제로부터 기인하는, 열가소성 재료에 있어서의 변동에 덜 민감할 수 있다. 열가소성 재료 특성의 배치간(batch-to-batch) 변동에 대한 이러한 감소된 민감성은 또한 유리하게는 산업적 사용후(post-industrial) 및 소비자 사용후 재생 플라스틱이 본 발명의 방법의 실시예를 사용해 가공되게 할 수 있다. 산업적 사용후. 소비자 사용후 재생 플라스틱은, 소비재로서의 그들의 수명 사이클이 완료되었고 그렇지 않을 경우 고형 폐기물로서 폐기되었을 최종 제품으로부터 유래된다. 그러한 재생 플라스틱, 및 열가소성 재료들의 블렌드는 내재적으로 그들 재료 특성의 상당한 배치간 변동을 갖는다.

열가소성 재료는 또한 예를 들어 폴리에스테르일 수 있다. 예시적인 폴리에스테르는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. PET 중합체는 부분적인 또는 완전한 바이오-PET 중합체를 생성하기 위해, 사탕수수 또는 다른 농작물과 같은, 바이오-기반 공급원료로부터 공급될 수 있다. 다른 적합한 열가소성 재료는 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌의 공중합체, 및 열가소성 탄성중합체, 폴리에스테르, 폴리스티렌, 폴리카르보네이트, 폴리(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌), 폴리(락트산), 바이오-기반 폴리에스테르, 예컨대 폴리(에틸렌 푸라네이트) 폴리하이드록시알카노에이트, 폴리(에틸렌 푸라노에이트), (PET에 대한 대안 또는 드롭-인(drop-in) 대체물인 것으로 고려됨), 폴리하이드록시알카노에이트, 폴리아미드, 폴리아세탈, 에틸렌-알파 올레핀 고무, 및 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체의 중합체 및 공중합체를 포함한다. 열가소성 재료는 또한 다수의 중합체성 및 비-중합체성 재료들의 블렌드일 수 있다. 열가소성 재료는 예를 들어 다중-모드(multi-modal) 또는 이중-모드(bi-modal) 블렌드를 생성하는 고, 중, 및 저 분자 중합체들의 블렌드일 수 있다. 다중-모드 재료는 우수한 유동 특성을 갖지만 그럼에도 불구하고 만족스러운 화학적/물리적 특성들을 갖는 열가소성 재료를 생성하는 방식으로 설계될 수 있다. 열가소성 재료는 또한 하나 이상의 소분자 첨가제와의 중합체의 블렌드일 수 있다. 소분자는 예를 들어 열가소성 재료에 첨가될 때 중합체성 재료의 유동성을 개선하는 실록산, 또는 다른 윤활 분자일 수 있다.

다른 첨가제는 무기 충전제, 예컨대 탄산칼슘, 황산칼슘, 활석, 점토(예를 들어, 나노점토), 수산화알루미늄, CaSiO3, 섬유 또는 미소구체로 형성된 유리, 결정질 실리카(예를 들어, 석영, 노바사이트, 크리스탈로바이트), 수산화마그네슘, 운모, 황산나트륨, 리소폰, 탄산마그네슘, 산화철; 또는 유기 충전제, 예컨대 왕겨(rice husk), 짚(straw), 대마 섬유(hemp fiber), 목분(wood flour), 또는 목재, 대나무 또는 사탕수수 섬유를 포함할 수 있다.

다른 적합한 열가소성 재료는 재생가능한 중합체, 예컨대 유기체로부터 직접 생성되는 중합체의 비제한적인 예, 예컨대 폴리하이드록시알카노에이트(예를 들어, 폴리(베타-하이드록시알카노에이트), 폴리(3-하이드록시부티레이트-코-3-하이드록시발러레이트, 노닥스(NODAX)(등록상표)), 및 세균성 셀룰로오스; 식물, 농작물과 삼림, 및 바이오매스(biomass)로부터 추출된 중합체, 예컨대 다당류 및 그의 유도체(예를 들어, 검(gum), 셀룰로오스, 셀룰로오스 에스테르, 키틴, 키토산, 전분, 화학적으로 개질된 전분, 셀룰로오스 아세테이트의 입자), 단백질(예를 들어, 제인(zein), 유장(whey), 글루텐, 콜라겐), 지질, 리그닌, 및 천연 고무; 전분 또는 화학적으로 개질된 전분으로부터 생성되는 열가소성 전분 및 천연 공급된 단량체로부터 유도되는 현재의 중합체 및 유도체, 예컨대 바이오-폴리에틸렌, 바이오-폴리프로필렌, 폴리트라이메틸렌 테레프탈레이트, 폴리락트산, 나일론(NYLON) 11, 알키드 수지, 석신산-기반 폴리에스테르, 및 바이오-폴리에틸렌 테레프탈레이트를 포함한다.

적합한 열가소성 재료는 상기에 언급된 예에서와 같은, 상이한 열가소성 재료들의 블렌드 또는 블렌드들을 포함할 수 있다. 또한, 상이한 재료들은 원래 그대로의 바이오-유도된 또는 석유-유도된 재료로부터 유도되는 재료들, 또는 바이오-유도된 또는 석유-유도된 재료의 재생 재료들의 조합일 수 있다. 블렌드 중의 열가소성 재료들 중 하나 이상은 생분해성일 수 있다. 그리고, 비-블렌드 열가소성 재료의 경우, 그 재료가 생분해성일 수 있다.

낮은 실질적으로 일정한 압력에서 성형되는 부품은 종래의 고압에서 성형되는 동일한 부품과 비교할 때 몇몇 우수한 특성을 나타낸다. 이러한 발견은 보다 높은 사출 압력이 더 좋다고 교시하는 산업계 내의 종래 지식과 정면으로 모순된다. 이론에 의해 구애됨이 없이, 용융된 열가소성 재료를 낮은 실질적으로 일정한 압력에서 주형(28) 내로 사출하는 것은, 주형을 통해 게이트로부터 주형 공동의 가장 먼 부분으로 전진하는 열가소성 재료의 연속적인 유동물 전면을 생성하는 것으로 여겨진다. 낮은 수준의 전단을 유지함으로써, 열가소성 재료는 종래의 고압 사출 성형 시스템에서 가능할 것으로 달리 여겨지는 것보다 훨씬 더 낮은 온도 및 압력에서 여전히 액체이고 유동가능하다.

이제 도 3을 참조하면, 종래의 고압 사출 성형 공정에 대한 전형적인 압력-시간 곡선이 점선(200)으로 도시되어 있다. 이와 대조적으로, 개시된 낮은 일정한 압력 사출 성형기에 대한 압력-시간 곡선이 실선(210)으로 도시되어 있다.

종래의 경우에, 용융물 압력은 103.4 ㎫(15,000 psi)을 훨씬 초과해 급속히 증가되고, 이어서 제1 기간(220) 동안 103.4 ㎫(15,000 psi) 초과의 비교적 높은 압력에서 유지된다. 제1 기간(220)은 용융된 플라스틱 재료가 주형 공동 내로 유동하는 충전 시간이다. 그 후, 용융물 압력은 감소되고, 제2 기간(230) 동안 68.9 ㎫(10,000 psi) 이상의, 더 낮지만 여전히 비교적 높은 압력에서 유지된다. 제2 기간(230)은 주형 공동 내의 모든 간극이 되메움(back fill)되는 것을 보장하기 위해 용융물 압력이 유지되는 패킹 시간이다. 종래의 고압 사출 성형 시스템에 있어서의 주형 공동은 유동 채널의 단부로부터 다시 게이트를 향해 패킹된다. 그 결과, 플라스틱이 다양한 고형화 단계에서 서로 위에 패킹되며, 이는 상기에 논의된 바와 같이 완성된 제품에 있어서의 비일관성을 야기할 수 있다. 더욱이, 다양한 고형화 단계에서의 종래의 플라스틱 패킹은 몇몇 비-이상적인 재료 특성, 예를 들어 몰디드-인 응력, 싱크(sink), 비-최적의 광학적 특성 등을 유발한다.

반면에, 일정한 낮은 압력 사출 성형 시스템은 용융된 플라스틱 재료를 단일 기간(240) 동안 실질적으로 일정한 낮은 압력에서 주형 공동 내로 사출한다. 사출 압력은 전형적으로 41.4 ㎫(6,000 psi) 미만이다. 실질적으로 일정한 낮은 압력을 사용함으로써, 용융된 열가소성 재료는 유동 채널을 통해 게이트로부터 유동 채널의 단부를 향해 전진하는 연속적인 용융물 전면을 유지한다. 따라서, 플라스틱 재료는 유동 채널을 따른 임의의 지점에서 비교적 균일하게 유지되며, 이는 보다 균일하고 일관된 완성된 제품을 생성한다. 비교적 균일한 플라스틱 재료로 주형을 충전함으로써, 완성된 성형되는 부품은 종래에 성형되는 부품보다 더 나은 기계적 특성 및 광학적 특성을 갖는 결정질 구조체를 형성한다. 더욱이, 낮은 일정한 압력에서 성형되는 부품의 표피 층은 종래에 성형되는 부품의 표피 층과는 상이한 특성을 나타낸다. 그 결과, 낮은 일정한 압력 하에서 성형되는 부품의 표피 층은 종래에 성형되는 부품의 표피 층보다 더 나은 광학적 특성을 가질 수 있다.

노즐 내에 실질적으로 일정하고 낮은(예를 들어, 41.4 ㎫(6000 psi) 미만) 용융물 압력을 유지함으로써, 보다 기계가공 가능한 재료가 주형(28) 및/또는 공급 시스템을 형성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 예시된 주형(28)은 100% 초과의 밀링 기계가공 지수, 100% 초과의 드릴링 기계가공 지수, 100% 초과의 와이어 EDM 기계가공 지수, 200% 초과의 흑연 싱커(sinker) EDM 기계가공 지수, 또는 150% 초과의 구리 싱커 EDM 기계가공 지수를 갖는 재료로 형성될 수 있다. 기계가공 지수는 다양한 재료의 밀링, 드릴링, 와이어 EDM, 및 싱커 EDM 시험에 기초한다. 기계가공 지수를 결정하기 위한 시험 방법은 하기에 보다 상세히 설명된다. 재료의 샘플에 대한 기계가공 지수의 예가 하기의 표 1에 수집되어 있다.

용이하게 기계가공 가능한 재료를 주형(28)을 형성하는 데 사용하는 것은 제조 시간을 크게 감소시키고, 이에 따라 제조 비용을 감소시킨다. 더욱이, 이러한 기계가공 가능한 재료는 일반적으로 공구강보다 더 나은 열전도율을 가지며, 이는 냉각 효율을 증가시키고 복잡한 냉각 시스템에 대한 필요성을 감소시킨다.

이러한 용이하게 기계가공 가능한 재료로 주형(28)을 형성하는 경우, 양호한 열전도율 특성을 갖는 용이하게 기계가공 가능한 재료를 선택하는 것이 또한 유리하다. 51.9 W/(m*K)(30 BTU/HR FT ℉) 초과의 열전도율을 갖는 재료가 특히 유리하다. 예를 들어, 양호한 열전도율을 갖는 용이하게 기계가공 가능한 재료에는 알코아 QC-10, 알칸 듀라몰드(Alcan Duramold) 500, 및 호코톨(Hokotol)(알레리스(Aleris)로부터 입수가능함)이 포함되지만, 이로 한정되지 않는다. 양호한 열전도율을 갖는 재료는 열가소성 재료로부터의 열을 주형 밖으로 보다 효율적으로 전달한다. 그 결과, 보다 간단한 냉각 시스템이 사용될 수 있다. 부가적으로, 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템이 또한 본 명세서에 기술된 일정한 낮은 압력 사출 성형기에 사용하는 것이 가능하다.

다수-공동 주형(28)의 일 예가 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있다. 다수-공동 주형은 일반적으로 노즐(26)로부터의 용융된 열가소성 재료를 개별 주형 공동(32)들로 지향시키는 공급 매니폴드(60)를 포함한다. 공급 매니폴드(60)는 용융된 열가소성 재료를 하나 이상의 러너 또는 공급 채널(64) 내로 지향시키는 탕구(sprue)(62)를 포함한다. 각각의 러너는 다수의 주형 공동(32)에 공급할 수 있다. 많은 고 용량 사출 성형기에서, 러너는 용융된 열가소성 재료의 유동성을 향상시키기 위해 가열된다. 용융된 열가소성 재료의 점도가 고압(예를 들어, 68.9 ㎫(10,000 psi) 초과)에서 전단 및 압력 변화에 매우 민감하기 때문에, 종래의 공급 매니폴드는 균일한 점도를 유지하기 위해 자연적으로 균형화된다. 자연적으로 균형화된 공급 매니폴드는, 용융된 열가소성 재료가 탕구로부터 임의의 주형 공동까지 동일한 거리를 이동하는 매니폴드이다. 더욱이, 각각의 유동 채널의 단면 형상이 동일하고, 턴의 개수 및 유형이 동일하며, 각각의 유동 채널의 온도가 동일하다. 자연적으로 균형화된 공급 매니폴드는 주형 공동들이 동시에 충전되게 하여서, 각각의 성형되는 부품이 동일한 가공 조건 및 재료 특성을 갖게 한다.

도 5는 자연적으로 균형화된 공급 매니폴드(60)의 일 예를 도시하고 있다. 자연적으로 균형화된 공급 매니폴드(60)는 탕구(62)로부터 제1 접합점(72)까지의 제1 유동 경로(70)를 포함하며, 제1 접합점에서 제1 유동 경로(70)는 제2 유동 경로 및 제3 유동 경로(74, 76)로 분할되며, 제2 유동 경로는 제2 게이트(78a)에서 종결되고 제3 유동 경로(76)는 제3 게이트(78b)에서 종결되며, 각각의 게이트는 개별 주형 공동(도 5에 도시되지 않음)에 공급한다. 탕구(62)로부터 제2 게이트(78a) 또는 제3 게이트(78b)까지 유동하는 용융된 열가소성 재료는 동일한 거리를 이동하고, 동일한 온도를 겪으며, 동일한 단면 유동 면적에 처해진다. 그 결과, 각각의 주형 공동은 동일한 물리적 특성을 갖는 용융된 열가소성 재료로 동시에 충전된다.

도 6a 및 도 6b는 자연적으로 균형화된 매니폴드(60)를 개략적으로 도시하고 있다. 도 6a 및 도 6b의 자연적으로 균형화된 매니폴드(60)는 다수-단(multi-tier) 매니폴드이다. 각각의 유동 경로(74, 76)는 유동 경로를 따른 동일한 위치에서 동일한 특성을 갖는다. 예를 들어, 접합점(72) 뒤에서, 각각의 유동 경로는 동일한 거리에서 좁아진다. 더욱이, 각각의 유동 경로는 동일한 개수의 주형 공동(32)에 공급한다. 자연적으로 균형화된 유동 매니폴드(60)는 동일한 플라스틱 유동 특성을 유지하기 위해 그리고 균일한 부품을 보장하기 위해 고압 사출 성형기에 대단히 중요하다.

도 7a 및 도 7b는 다른 자연적으로 균형화된 매니폴드(60)를 도시하고 있다. 도 7a 및 도 7b의 자연적으로 균형화된 매니폴드(60)는 단일 단(single tier) 매니폴드이다.

이와 대조적으로, 도 8, 도 9a, 및 도 9b는 비-자연적으로 균형화된 매니폴드를 도시하고 있으며, 이때 도 8은 인위적으로 균형화된 매니폴드를 도시하고 있고 도 9a 및 도 9b는 비-균형화된 매니폴드를 도시하고 있다.

본 명세서에 개시된 낮은 일정한 압력 사출 성형기는 인위적으로 균형화된 매니폴드, 및 심지어 비균형화된 매니폴드가 사용되게 하는데, 그 이유는 낮은 일정한 압력에서 사출된 열가소성 재료들은 유동 채널 특성 차이로 인한 압력 차이 또는 전단 차이에 민감하지 않기 때문이다. 다시 말해서, 낮은 일정한 압력에서 사출된 열가소성 재료들은 유동 채널 길이, 단면적, 또는 온도의 차이에 무관하게 보다 균일하고 균형화된 재료 및 유동 특성들을 보유한다. 이는 자연적으로 비균형화된 설계에서 실질적으로 보다 균형화된 유동을 제공하며, 유동이 고도로 불균형화될 수 있는 경우, 모든 부품 공동 전체에 걸쳐 보다 균일한 재료 특성을 제공한다.

도 8의 인위적으로 균형화된 매니폴드(160)는 탕구(62), 제1 유동 채널(174), 및 제2 유동 채널(176)을 포함한다. 제1 유동 채널(174)은 제1 게이트(178a)에서 종결되고, 제2 유동 채널(176)은 제2 게이트(178b)에서 종결된다. 이러한 실시예에서 제1 유동 채널(174)은 제2 유동 채널(176)보다 짧다. 인위적으로 균형화된 매니폴드(160)는 유동 채널의 어떤 다른 파라미터(예를 들어, 단면적 또는 온도)를 변경하여서, 자연적으로 균형화된 매니폴드와 유사하게, 매니폴드(160)를 통해 유동하는 재료가 각각의 공동에 균형화된 유동을 제공하게 한다. 다시 말해서, 제1 유동 채널(174)을 통해 유동하는 열가소성 재료는 제2 유동 채널(176)을 통해 유동하는 열가소성 재료와 대략 동일한 용융물 압력을 가질 것이다. 인위적으로 균형화된, 또는 비균형화된, 공급 매니폴드가 상이한 길이의 유동 채널을 포함할 수 있기 때문에, 인위적으로 균형화된, 또는 비균형화된, 공급 매니폴드는 공간의 사용을 훨씬 더 효율적으로 만들 수 있다. 더욱이, 공급 채널 및 대응 히터 밴드 채널이 보다 효율적으로 기계가공될 수 있다. 또한, 자연적으로 균형화된 공급 매니폴드는 별개의, 짝수 개의 주형 공동(예를 들어, 2개, 4개, 8개, 16개, 32개 등)을 갖는 주형으로 한정된다. 인위적으로 균형화된, 그리고 비균형화된, 공급 매니폴드는 용융된 열가소성 재료를 임의의 개수의 주형 공동으로 전달하도록 설계될 수 있다.

인위적으로 균형화된 공급 매니폴드(160)는 또한 핫 러너 내의 용융된 열가소성 재료에의 열 전달을 향상시켜, 열가소성 재료의 유동을 향상시키기 위해 높은 열전도율을 갖는 재료로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 인위적으로 균형화된 공급 매니폴드(160)는 재료 비용을 추가로 감소시키고 전체 시스템 내의 열 전달을 추가로 향상시키기 위해 주형과 동일한 재료로 구성될 수 있다.

도 9a 및 도 9b는 비-균형화된 매니폴드(260)를 예시하고 있다. 비-균형화된 매니폴드(260)는 홀수 개의 주형 공동(232), 및/또는 상이한 단면 형상, 상이한 개수 및 유형의 턴, 및/또는 상이한 온도를 갖는 유동 채널을 포함할 수 있다. 더욱이, 비-균형화된 매니폴드(260)는, 도 9b에 도시된 바와 같이, 상이한 크기 및/또는 형상을 갖는 주형 공동들, 또는 주형의 공통 면(common face)에서 서로 상이하게 배향된 주형 공동들에 공급할 수 있다. 또한, 비-균형화된 매니폴드(260)는 8개 초과의 공동을 갖는 사출 주형 및/또는 유도 배출 시스템을 포함하는 사출 주형에 공급할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 인위적으로 균형화된 매니폴드 및/또는 비균형화된 매니폴드는 스택 주형(stack mold) 구성과 같은, 별개의 층들에 주형 공동들을 갖는 주형에 사용될 수 있으며, 이 매니폴드는 스택 주형의 하나, 2개, 또는 그 초과의 층에 있는 주형 공동에 공급한다. 주형 공동들이 하나 초과의 게이트로부터 용융된 플라스틱을 수용할 수 있거나, 각각의 개별 게이트가 하나 초과의 재료를 개별 주형 공동에 순차적으로 전달할 수 있다. 또한, 하나 초과의 매니폴드가, 주형 내에서, 제1 재료가 도입되는 제1 위치로부터 제2 재료가 도입되는 제2 위치로 회전하는 공동 위치에 공급할 수 있다.

또한, 전술된 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템은 공급 채널들 중 하나와 열적으로 연통하는 하나 이상의 가열 요소를 포함할 수 있다. 가열 요소는 대다수의 주형을 형성하는 재료와 실질적으로 동일한 열전도율을 갖는 재료 내에, 또는 공급 시스템을 형성하는 재료와 실질적으로 동일한 열전도율을 갖는 재료 내에 포함될 수 있다.

드릴링 및 밀링 기계가공성 지수 시험 방법

하기에 기술되는 신중히 제어된 시험 방법에서 대표적인 재료를 시험함으로써, 상기의 표 1에 열거된 드릴링 및 밀링 기계가공성 지수를 결정하였다.

다른 모든 기계 조건(예를 들어, 스톡 공급 속도, 스핀들 rpm 등)은 다양한 재료들 사이에서 일정하게 유지되는 상태에서, 재료편을 드릴링하거나 밀링하는 데 필요한 스핀들 하중을 측정함으로써 각각의 재료에 대한 기계가공성 지수를 결정하였다. 스핀들 하중은 드릴링 또는 밀링 장치에 대해 1400 rpm에서의 101.7 Nm(75 ft-lb)의 최대 스핀들 토크 하중에 대한 측정된 스핀들 하중의 비로서 보고된다. 지수 백분율은 1117 강철에 대한 스핀들 하중 대 시험 재료에 대한 스핀들 하중 사이의 비로서 계산하였다.

시험 밀링 또는 드릴링 기계는 하스 VF-3 머시닝 센터(Hass VF-3 Machining Center)였다.

모든 시험에 대해 "플러드 블라스트(flood blast)" 냉각을 사용하였다. 냉각제는 쿨라이트(Koolrite) 2290이었다.

EDM 기계가공성 지수 시험 방법

하기에 기술되는 신중히 제어된 시험 방법에서 대표적인 재료를 시험함으로써, 상기의 표 1에 열거된 흑연 및 구리 싱커 EDM 기계가공성 지수를 결정하였다.

다양한 시험 금속 내로 소정 면적(상세사항은 하기 참조)을 버닝(burning)하는 시간을 측정함으로써, 다양한 재료에 대한 EDM 기계가공성 지수를 결정하였다. 1117 강철 내로 버닝하는 시간 대 다른 시험 재료 내로 동일 면적을 버닝하는 데 필요한 시간의 비로서 기계가공성 지수 백분율을 계산하였다.

개시된 낮은 일정한 압력 사출 성형기는 유리하게도 용이하게 기계가공 가능한 재료로 구성되는 주형을 채용한다. 그 결과, 개시된 낮은 일정한 압력 사출 성형기는 제조하기에 비용이 더 적게 들고 보다 신속하다. 부가적으로, 개시된 낮은 일정한 압력 사출 성형기는 보다 가요성인 지지 구조체 및 보다 조정가능한 전달 구조체, 예를 들어 보다 넓은 플래튼(platen) 폭, 증가된 타이 바아(tie bar) 간격, 타이 바아의 제거, 보다 빠른 이동을 용이하게 하는 보다 경량의 구성, 및 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템을 채용할 수 있다. 따라서, 개시된 낮은 일정한 압력 사출 성형기는 전달 요구에 맞도록 변경될 수 있으며, 특정의 성형되는 부품에 대해 보다 용이하게 맞춤화될 수 있다.

용어 "실질적으로", "약", 및 "대략"은, 달리 명시되지 않는 한, 임의의 정량 비교, 값, 측정값, 또는 다른 표현에 기인할 수 있는 내재적 불확실성 정도를 나타내기 위해 본 명세서에서 이용될 수 있음에 유의한다. 이러한 용어는 또한, 쟁점이 되는 주제의 기본적 기능의 변화를 야기함이 없이, 정량 표현이 언급된 기준으로부터 달라질 수 있는 정도를 나타내기 위해 본 명세서에서 이용된다. 본 명세서에 달리 규정되지 않는 한, 용어 "실질적으로", "약", 및 "대략"은 정량 비교, 값, 측정값, 또는 다른 표현이 언급된 기준의 20% 이내에 있을 수 있음을 의미한다.

본 명세서에 예시 및 기술된 제품의 다양한 실시예가 낮은 일정한 압력 사출 성형 공정에 의해 생산될 수 있음이 이제 명백해야 한다. 본 명세서에서 소비재를 포함하는 제품 또는 소비재 제품 자체에 대해 특히 언급되었지만, 본 명세서에 논의된 낮은 일정한 압력 사출 성형 방법은 소비재 산업, 외식업, 운송업, 의료 산업, 완구 산업 등에서 사용하기 위한 제품과 관련하여 사용하기에 적합할 수 있음이 명백해야 한다. 더욱이, 당업자는 본 명세서에 개시된 교시가, 주형내 장식, 인서트 성형, 주형내 조립 등과 조합해, 회전 주형 및 코어 백(core back) 주형을 포함한 다수 재료 주형, 스택 주형의 구성에 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 더욱이, 당업자는 본 명세서에 개시된 교시가, 주형내 장식, 인서트 성형, 주형내 조립 등과 조합해, 회전 주형 및 코어 백 주형을 포함한 다수 재료 주형, 스택 주형의 구성에 사용될 수 있음을 인식할 것이다.

시그마소프트(Sigmasoft) 및 몰드플로우(Moldflow)와 같은 가상 모델링 프로그램이 주형 공동을 충전하는 데 필요한 압력, 충전 속도, 및 냉각 시간을 예측하는 데 사용될 수 있다. 이러한 프로그램은 중합체 유량, 압력, 또는 유량과 압력의 조합에 의해 제어되는 공정을 모델링할 수 있다. 이러한 프로그램은 러너의 설계, 게이트 위치, 및 주형 설계에 사용된다.

발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 인용된 모든 문헌은, 관련 부분에서, 본 명세서에 참고로 포함되며; 임의의 문헌의 인용은 그 문헌이 본 발명에 대해 종래 기술임을 용인하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 명세서 내의 소정 용어의 임의의 의미 또는 정의가 참고로 포함되는 문헌 내의 용어의 임의의 의미 또는 정의와 상충되는 경우에, 본 명세서에서 그 용어에 부여된 의미 또는 정의가 우선할 것이다.

특정 실시예가 본 명세서에 예시 및 기술되었지만, 청구된 주제의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 다양한 다른 변경 및 변형이 이루어질 수 있음을 이해하여야 한다. 더욱이, 청구된 주제의 다양한 태양이 본 명세서에 기술되었을지라도, 그러한 태양들은 조합해 이용될 필요는 없다. 따라서, 첨부된 특허청구범위는 청구된 주제의 범주 내에 있는 그러한 모든 변경 및 변형을 포함하고자 한다.

Claims (15)

1. 실질적으로 일정한 점도의 용융된 플라스틱을 수용하는 복수의 주형 공동들(mold cavities)을 갖는, 사출 성형 장치의 사출 주형을 위한 비-자연적으로 균형화된(non-naturally balanced) 공급 시스템으로서,
   90% 이상의 균형을 유지하는 상기 공급 시스템;
   상기 복수의 주형 공동들 중 제1 주형 공동에서 종결되는 제1 공급 채널, 및 상기 복수의 주형 공동들 중 제2 주형 공동에서 종결되는 제2 공급 채널을 갖는 핫 러너(hot runner); 및
   용융된 플라스틱을 수용하기 위한 게이트(gate) - 상기 게이트는 상기 제1 공급 채널 및 상기 제2 공급 채널 중 하나의 공급 채널과 유체 연통함 - 를 포함하는 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 공급 채널의 제1 단면 형상은 상기 제1 공급 채널의 길이를 따라 변화하고, 상기 제2 공급 채널의 제2 단면 형상은 상기 제2 공급 채널의 길이를 따라 변화하며,
   상기 제1 단면 형상은 상기 제2 단면 형상과는 상이하게 변화하는 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 공급 채널의 길이는 상기 제2 공급 채널의 길이와는 상이한 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템.
4. 제3항에 있어서, 상기 복수의 주형 공동들 중 제3 주형 공동에서 종결되는 제3 공급 채널을 추가로 포함하며,
   상기 제3 공급 채널의 길이는 상기 제1 공급 채널 및 상기 제2 공급 채널 중 하나의 공급 채널의 길이와는 상이한 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템.
5. 제4항에 있어서, 상기 제3 공급 채널의 길이는 상기 제1 공급 채널의 길이와는 상이하고, 상기 제3 공급 채널의 길이는 상기 제2 공급 채널의 길이와는 상이한 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 제1 공급 채널을 통해 유동하는 용융된 플라스틱의 온도는 상기 제2 공급 채널을 통해 유동하는 용융된 플라스틱의 온도와는 상이한 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템.
7. 제1항에 있어서, 상기 복수의 주형 공동들 중 적어도 2개의 주형 공동들은 상기 사출 주형의 공통 면(common face)에서 서로 상이하게 배향되는 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템.
8. 제7항에 있어서, 상기 적어도 2개의 주형 공동들은 상기 사출 주형의 공통 면에서 서로 상이한 형상들을 갖는 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템.
9. 제1항에 있어서, 상기 복수의 주형 공동들 중 적어도 2개의 주형 공동들은 상기 사출 주형의 공통 면에서 서로 상이한 형상들을 갖는 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템.
10. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 공급 채널은 알루미늄으로 형성되는 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템.
11. 제1항에 있어서, 상기 제1 공급 채널과 열적으로 연통하는 가열 요소를 추가로 포함하는 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템.
12. 제11항에 있어서, 상기 가열 요소의 열전도율은 상기 사출 주형을 형성하는 재료의 열전도율과 실질적으로 동일한 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템.
13. 실질적으로 일정한 용융물 압력에서 용융된 플라스틱을 수용하는 복수의 주형 공동들을 갖는, 사출 성형 장치의 사출 주형을 위한 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템으로서,
    적어도 하나의 주형 공동을 포함하는 제1 세트의 주형 공동들과 유체 연통하는 제1 공급 채널, 및 적어도 하나의 주형 공동을 포함하는 제2 세트의 주형 공동들과 유체 연통하는 제2 공급 채널을 갖는 핫 러너; 및
    용융된 플라스틱을 수용하기 위한 게이트 - 상기 게이트는 상기 제1 공급 채널 및 상기 제2 공급 채널 중 하나의 공급 채널과 유체 연통함 - 를 포함하며,
    상기 제1 세트의 주형 공동들 내의 주형 공동들은 용융된 플라스틱으로 순차적으로 충전되는 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템.
14. 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템을 갖는 사출 성형 장치의 주형 내의 복수의 주형 공동들을 충전하는 방법으로서,
    용융물 홀더 내의 플라스틱 재료를 용융시켜 상기 플라스틱 재료를 용융된 플라스틱으로 변환시키는 단계;
    상기 용융된 플라스틱을 주형 게이트를 통해 그리고 상기 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템 내로 전진시키는 단계;
    상기 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템 내의, 제1 길이를 갖는 제1 공급 채널을 따라 상기 복수의 주형 공동들 중 제1 주형 공동 내로 상기 용융된 플라스틱의 제1 부분을 전진시키는 단계; 및
    상기 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템 내의, 제2 길이를 갖는 제2 공급 채널을 따라 상기 복수의 주형 공동들 중 제2 주형 공동 내로 상기 용융된 플라스틱의 제2 부분을 전진시키는 단계를 포함하며,
    상기 용융된 플라스틱은 실질적으로 일정한 압력에서 상기 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템을 통해 전진되는 방법.
15. 제14항에 있어서,
    상기 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템 내의, 제3 길이를 갖는 제3 공급 채널을 따라 상기 복수의 주형 공동들 중 제3 주형 공동 내로 상기 용융된 플라스틱의 제3 부분을 전진시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.

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