KR20140033201A - 열 가소성 수지 제품의 성형 방법 및 그 성형 장치 - Google Patents

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KR20140033201A
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마사키 아오야
사토 기무라
츠토무 이와사키
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도요세이칸 그룹 홀딩스 가부시키가이샤
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Abstract

생산성 및 품질을 향상시킬 수 있는 열 가소성 수지 제품의 성형 방법 및 그 성형 장치의 제공을 목적으로 한다. 성형 장치 (1)는 가열 장치 (2), 스탬퍼 (3), 냉각 부재 (4), 스탬퍼 (3)를 이동 가능하게 유지하고 스탬퍼 (3)와 냉각 부재 (4)를 접촉시키거나 떼어놓거나 할 수 있는 구조를 가지고 있는 제1의 금형 (5) 및 제2의 금형 (6)을 갖추고 스탬퍼 (3)가 적어도 냉각 부재 (4)와 떨어진 상태에서 복사 가열되는 구성으로 되어 있다.

Description

열 가소성 수지 제품의 성형 방법 및 그 성형 장치{METHOD FOR MOLDING THERMOPLASTIC RESIN PRODUCT AND MOLDING APPARATUS THEREFOR}
본 발명은 열 가소성 수지 제품의 성형 방법 및 그 성형 장치에 관한 것이며, 특히 생산성 및 품질을 향상시킬 수 있는 열 가소성 수지 제품의 성형 방법 및 그 성형 장치에 관한 것이다.
마이크로 화학 칩, 마이크로 유체 장치, 도광판, 프레넬 렌즈, 광 디스크나 광학 소자 등에서 플라스틱 성형 제품에 미세한 패턴 (구조)을 정밀하게 전사하는 기술이나, 상기 전사의 생산성을 향상시키는 기술의 확립 등이 요망되고 있으며, 다양한 기술이 제안되고 있다.
예를 들면, 특허 문헌 1에는 전사면을 갖추고 또한 플라스틱 재료로 구성된 기본 자재를 준비하고 전사면을 노출한 상태에서 기본 자재를 고정하여 적어도 일부가 적외선 투과 재료로 된 스탬퍼의 부형면을 기본 자재의 전사면과 밀착 상태로 유지하고 스탬퍼에 대해서 기본 자재를 지향하는 방향으로 적외선을 조사하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형 가공 방법의 기술이 개시되어 있다.
또한 특허 문헌 2에는 열 프레스 성형에 의해서 열 가소성 수지판의 표면에 원하는 패턴을 전사하는 열 프레스 성형 방법의 기술이 개시되어 있다.
이 기술은 프레스기에 장착되는 냉각판과 열 가소성 수지판 사이에, 그 열 가소성 수지판에 접하는 측에 패턴을 가진 스탬퍼를 장착한 가열판을 배치하고 프레스 동작에 앞서 고주파 유도 가열에 의해서 스탬퍼와 가열판을 열 가소성 수지판의 연화 온도를 넘는 제1소정 온도로 가열하고, 이어서 프레스 동작에 따라 스탬퍼를 열 가소성 수지판의 표면에 대고 패턴을 그 열 가소성 수지판의 표면에 전사하고 스탬퍼를 열 가소성 수지판에 댄 채로 냉각판에 의해서 가열판과 스탬퍼를 연화 온도 미만의 제2소정 온도로 냉각하는 것을 특징으로 한다.
또한 특허 문헌 3에는 한정해서 획정한 국소 (빛 영역), 특히 암성 종양 기타의 피부의 병리적 국소에 조사하기에 적합한, 광전도 수단과 반사 장치를 포함한 광원을 가진 조사 장치의 기술이 개시되어 있다. 이 기술은 반사 장치가 광원의 빛을 투명한 원통형 로드의 일단면상에 집광할 수 있는 곡률의 오목 미러를 갖는 동시에 로드의 또 다른 끝면에서 렌즈로 향한 빛에 의해서 로드의 끝면이 조사 예정의 획정된 국소에 투영되는 것을 특징으로 하고 있다.
또한 특허 문헌 4에는 적외선 램프를 내장하고 중공의 원추형 반사 미러와 원통형 반사 미러를 조합하여 이루어진 복합형 반사 미러로 구성된 적외선 가열 기구부와, 진공 챔버의 뚜껑이 되는 기판으로, 그 중앙에 형성한 투공 창에 투명 원기둥이 달린 투명 원판을 고정하고 있는 상기 기판으로 이루어지고, 상기 복합형 반사 미러를 상기 기판상에 고정하고 있어서, 적외선 램프에서 방사되는 적외선이 직진 광과 원뿔형 반사 미러에 반사되는 반사 광과 원통형 반사 미러로 반사되는 경사 반사 광을 포함하고, 가열물을 조사 가열하는 적외선 조사 영역에 균열 원판을 배치하고 적외선 램프에서 직진 방사된 적외선과 수평 방향으로 방사하고 원뿔형 반사 미러로 반사한 적외선의 방사 강도를 균일화하여 가열물을 조사하고, 가열물 전체를 거의 균일하게 가열하도록 하고 있는 면 가열형 적외선 방사 가열 장치의 기술이 개시되어 있다. 이 기술은 상기 복합형 반사 미러로 구성된 적외선 가열 기구부와 상기 기판을 미리 일체화 구성하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
또한 특허 문헌 5에는 전사면을 갖추고 또한 플라스틱 재료로 구성된 기본 자재를 준비하여 전사면을 노출한 상태에서 기본 자재를 고정하고, 적어도 일부가 적외선 투과 재료로 된 스탬퍼의 부형면을 기본 자재의 전사면과 밀착 상태로 유지하고 스탬퍼에 대해서 기본 자재를 지향하는 방향으로 적외선을 조사하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형 가공 방법의 기술이 개시되어 있다.
[특허 문헌 1] 일본특허공개공보 특개 2001-158044호 공보 [특허 문헌 2] 일본특허공개공보 특개 2006-255900호 공보 [특허 문헌 3] 일본특허공개공보 특표 2002-513315호 공보 [특허 문헌 4] 일본특허공개공보 특개 2006-216237호 공보 [특허 문헌 5] 일본특허공보 특허 4363727호 공보
그러나, 상술한 특허 문헌 1에 기재된 플라스틱 성형 가공 방법은 스탬퍼의 온도 분포가 나빠서 성형 면 전체를 성형 가능 온도까지 승온하려면 긴 가열 시간이 필요하고 또한 긴 냉각 시간이 필요하기 때문에 성형 사이클이 길어지면서 생산성을 향상시킬 수 없다는 문제가 있었다.
또한 전술한 특허 문헌 2에 기재된 열 프레스 성형 방법은 고주파 유도 가열에 의해서 스탬퍼와 가열판을 가열하고 있지만, 고주파 유도 가열에서는 스탬퍼의 온도 분포가 나빠서 균일한 가열을 하려면 긴 가열 시간이 필요하고 또한 성형 (프레스)중의 가열을 할 수 없어서 가열판을 가열할 필요가 있으며, 가열 시간 및 냉각 시간이 길어져서 생산성을 향상시킬 수 없다는 문제가 있었다.
또한 특허 문헌 1,2의 기술은 전사 후의 냉각이 불충분했던 경우 성형품의 외관 불량이 발생한다는 문제가 있었다.
또한 전술한 특허 문헌 3의 조사 장치는 오목 미러, 원통형의 로드 및 렌즈 등을 가지고 있으며, 광원을 나온 빛은 오목 미러에서 집광되어 원통형의 로드로 유도되지만 로드가 원통형이기 때문에 방사 조도는 로드의 축 중심에 집중하며, 큰 면적의 피 조사면을 고르게 가열할 수는 없었다. 또한 특허 문헌 4의 면 가열형 적외선 방사 가열 장치 (적외선·균 온열처리 장치)는 중공의 원추형 반사 미러, 원통형 반사 미러, 균열(均熱) 원판 및 투명 원기둥 등을 가지고 있으며, 광원을 나온 빛은 원뿔형 반사 미러, 원통형 반사 미러, 투명 원기둥 등의 조사 축에 대해서 회전 대칭형의 도광로를 통해서 피 조사면으로 유도되므로 방사 조도는 조사 축 중심으로 집중하며 큰 면적의 피 조사면을 고르게 가열할 수는 없었다.
즉, 특허 문헌 3,4의 기술은 광원으로부터 빛을 피 조사면에 균일하게 조사해서, 피 조사면을 고르게 가열할 수 없다는 문제가 있었다.
또한 특허 문헌 5에서는 큰 면적의 전사면을 균일하게 조사하고, 전사면을 고르게 가열하여 균일한 전사율로 전사하는 수단은 명시되지 않았다.
본 발명은 이상과 같은 문제를 해결하기 위해서 제안된 것이며, 생산성 및 품질 등을 향상시킬 수 있는 열 가소성 수지 제품의 성형 방법 및 그 성형 장치의 제공을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 열 가소성 수지 제품의 성형 방법은 가열 장치에서 조사된 적외선이 냉각 부재에서 떨어진 상태의 스탬퍼를 복사 가열하는 가열 공정과, 복사 가열된 상기 스탬퍼의 부형면(賦形面)의 구조를 열 가소성 수지의 전사면에 전사하는 전사 공정과, 상기 부형면을 상기 전사면에 누른 상태에서 상기 스탬퍼와 접촉하는 상기 냉각 부재가 해당 스탬퍼를 냉각하고, 상기 열 가소성 수지를 고화 또는 경화시키는 냉각 공정과, 상기 누른 상태를 해제함으로써 성형품을 이형하는 이형 공정을 가진 방법으로 되어 있다.
또한 본 발명의 열 가소성 수지 제품의 성형 장치는 광원을 사용해서 적외선 복사 가열을 하는 가열 장치와, 상기 광원으로부터 조사된 적외선에 따라 복사 가열되는 스탬퍼와, 복사 가열된 상기 스탬퍼와 접촉하여 해당 스탬퍼를 냉각하는 냉각 부재와, 상기 스탬퍼 및/또는 상기 냉각 부재를 이동 가능하게 유지하고, 상기 스탬퍼와 상기 냉각 부재를 접촉시키거나 떼어 놓거나 할 수 있는 것을 가능하게 하는 구조를 가지고 있는 제1의 금형과, 상기 스탬퍼의 부형면의 구조가 전사되는 열 가소성 수지를 유지하는 제2의 금형을 갖추고 상기 스탬퍼가 적어도 상기 냉각 부재와 떨어진 상태에서 복사 가열되는 구성으로 되어 있다.
본 발명의 열 가소성 수지 제품의 성형 방법 및 그 성형 장치에 의하면, 가열 공장에서 냉각 부재에서 떨어진 상태의 스탬퍼를 복사 가열하므로 스탬퍼를 효과적으로 가열할 수 있어서 가열 시간을 단축할 수 있으며, 또한 냉각 부재가 스탬퍼와 떨어져 있어서 냉각 부재의 승온을 억제할 수 있으며 스탬퍼를 냉각하는 냉각 공정에서 냉각 시간을 단축할 수 있다. 이에 따라 생산성을 대폭적으로 향상시킬 수 있다.
또한 승온을 억제한 냉각 부재에 의해서, 전사 후의 냉각을 효과적으로 실시할 수 있고, 성형품의 외관 불량의 발생을 방지하고 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 광원의 빛을 큰 면적의 피 조사면에 균일하게 조사하고, 피 조사면을 고르게 가열할 수 있으며, 큰 면적의 전사면을 균일한 전사율로 전사할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태에 관한 열 가소성 수지 제품의 성형 장치를 설명하는 개략도이며 (a)는 단면도를 도시하고 (b)는 주요부의 확대 단면을 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 응용예에 관한 열 가소성 수지 제품의 성형 장치를 설명하는 개략도이며 (a)는 주요부의 단면도를 도시하고 (b)는 A부의 확대 단면을 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 형태에 관한 열 가소성 수지 제품의 성형 방법을 설명하는 개략 단면도를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 제2실시 형태에 관한 열 가소성 수지 제품의 성형 장치 및 그 성형 방법을 설명하는 개략 단면도를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 제3실시 형태에 관한 열 가소성 수지 제품의 성형 장치 및 그 성형 방법을 설명하는 개략 단면도를 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 제4실시 형태에 관한 열 가소성 수지 제품의 성형 장치를 설명하는 주요부의 개략 확대 단면도를 도시하고 있다.
도 7은 본 발명의 제4실시 형태에 관한 열 가소성 수지 제품의 성형 방법을 설명하는 개략 단면도를 도시하고 있다.
도 8은 본 발명의 제5실시 형태에 관한 열 가소성 수지 제품의 성형 장치를 설명하는 주요부의 개략 확대 단면도를 도시하고 있다.
도 9는 본 발명의 제5실시 형태에 관한 열 가소성 수지 제품의 성형 방법을 설명하는 개략 단면도를 도시하고 있다.
도 10은 본 발명에 사용되는 가열 장치를 설명하는 개략도이며 (a)는 정면도를 도시하고 (b)는 하면도를 도시하고 있다.
도 11은 라이트 파이프 (원기둥의 경우)의 동작 원리를 설명하는 개략도를 도시하고 있다.
도 12는 라이트 파이프 (네모 기둥의 경우)의 동작 원리를 설명하는 개략도를 도시하고 있다.
도 13은, 라이트 파이프 (정6각기둥 및 정5각기둥의 경우)의 동작 원리를 설명하는 개략도를 도시하고 있다.
도 14는 제1응용예에 관한 가열 장치를 설명하는 개략도이며 (a)는 정면도를 도시하고 (b)는 하면도를 도시하고 있다.
도 15는 제2응용예에 관한 가열장치를 설명하는 개략도이며 (a)는 정면도를 도시하고 (b)는 하면도를 도시하고 있다.
도 16, 가열 장치를 사용한 성형 장치를 설명하기 위한 주요부의 개략 단면도를 도시하고 있다.
도 17은 가열 장치를 사용한 플라스틱 성형품의 성형 방법을 설명하기 위한 주요부의 개략 단면도를 도시하고 있다.
도 18은 라이트 박스의 실시예 및 비교예를 설명하기 위한 개략 사시도를 도시하고 있다.
도 19는 라이트 박스의 실시예 및 비교예의 방사 성능 계산 결과를 설명하기 위한 그래프를 도시하고 있다.
도 20은 가열 장치의 실시예 및 비교예를 설명하기 위한 개략 사시도를 도시하고 있다.
도 21은 가열 장치의 실시예 및 비교예의 방사 성능 계산 결과를 설명하기 위한 그래프를 도시하고 있다.
<열 가소성 수지 제품의 성형 장치 및 그 성형방법의 제1실시 형태>
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 열 가소성 수지 제품의 성형 장치를 설명하는 개략도이며 (a)는 단면도를 도시하고 (b)는 주요부의 확대 단면을 도시하고 있다.
도 1에서 제1실시 형태의 열 가소성 수지 제품의 성형 장치 (1) (적당히 성형 장치 (1)이라 약칭한다.)는 가열 장치 (2), 스탬퍼 (3), 냉각 부재 (4), 제1의 금형 (5) 및 제2의 금형 (6) 등을 갖춘 구성으로 되어 있다. 이 성형 장치 (1)는 스탬퍼 (3)가 적어도 냉각 부재 (4)와 떨어진 상태에서 복사 가열되어, 복사 가열된 스탬퍼 (3)의 부형면 (31)의 구조를 열 가소성 수지의 전사면에 전사한다.
여기서 상기의 "성형 장치 (1)는 스탬퍼 (3)가 적어도 냉각 부재 (4)와 떨어진 상태에서 복사 가열되어"란 스탬퍼 (3)가 냉각 부재 (4)와 떨어진 상태에서 복사 가열되어 그 후 스탬퍼 (3)가 냉각 부재 (4)와 접촉한 상태에서 다시 복사 가열될 수도 있기 때문이다.
또한 본 실시 형태에서는 열 가소성 수지가 미리 성형된 기본자재 (7)이며, 부형면 (31)의 구조는 기본자재 (7)의 전사면 (71)에 전사된다.
여기서 미리 성형된 기본자재 (7)란 CD용 원판, 컬러 필터용 직4각형시트, 또는 롤 모양으로 감겨진 시트 등의 원형 및 직4각형의 플라스틱 기판이나, 간장, 소스, 드레싱 용 병 등의 캡 입구, 커피용 PET보틀 입구 등의 입체 성형물 등의 사출 성형 공정 또는 압축 성형 공정을 마친 기본 자재 (각 공정을 거쳐서 상온이 된 기본 재료)를 말한다.
또한, 본 실시 형태에서의 열 가소성 수지는, 상기의 미리 성형된 기본자재 (7)에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 사출 성형 공정 또는 압축 성형 공정에서의 승온된 기본 자재 (도시하지 않음)이라도 된다.
여기서 사출 성형 공정 또는 압축 성형 공정에서의 승온된 기본자재란 사출 성형 공정 또는 압축 성형 공정을 완전히 마무리되지 않은 기본 자재 (예를 들면, 공정 중에 있는 용융 또는 연화되어 있는 기본 자재 및 각 공정을 거쳤지만, 상온까지 냉각되어 있지 않고, 승온된 기본자재)를 말한다.
<가열 장치>
가열 장치 (2)는 단면 형상이 다각형인 라이트 파이프 (21), 이 라이트 파이프 (21)와 연결되어 단면 형상이 다각형인 라이트 박스 (22), 이 라이트 박스 (22)내에 수용되는 광원 (23) 및 라이트 파이프 (21)의 조사구에서 조사되는 적외선을 차단하는 셔터 (24)등을 갖추고 있다. 또한 라이트 파이프 (21)의 단면 형상이 삼각형, 사각형, 정육각형 또는 평행 6변형이라면 되고, 또한 라이트 박스 (22)의 단면 형상이 삼각형, 사각형, 정육각형 또는 평행 6변형이라면 된다. 이렇게 하면 가열 장치 (2)는 매우 높은 수준에서 균일화된 방사 조도 분포를 실현할 수 있다.
이 가열 장치 (2)는 후술 하는 가열 장치, 즉, 본 발명의 발명자 등이 일본 특허 출원 2011-151395호에서 공개한 가열 장치와 비슷한 구성이며, 광원 (23)의 빛을 피 조사면 (스탬퍼 (3)의 윗면)에 균일하게 조사해서, 피 조사면을 고르게 가열할 수 있다.
또한 가열 장치 (2)는 상기 구성에 한정되는 것이 아니고 예를 들면 도시하지 않았으나, 상기의 구성과 다른 구성을 가진 광원을 사용해서 적외선 복사 가열이 가능한 가열 장치, 탄산 가스 레이저, 반도체 레이저 및 이들 레이저에 스캐너를 조합한 주사식 레이저라도 좋다.
<스탬퍼>
스탬퍼 (3)는 재질이 통상 Ni나 Si인 판상 부재이며, 광원 (23)에서 조사된 적외선에 의해서 복사 가열된다. 본 실시 형태의 스탬퍼 (3)는 두께가 보통 수백 μm이지만, 후술 하는 바와 같이, 이에 한정되는 것은 아니다. 이 스탬퍼 (3)는 하면에 부형면 (31)을 가지고 있으며 부형면 (31)에 가운데가 오목부 및 볼록부가 형성되어 있다.
또한 도시하지 않았지만 스탬퍼 (3)의 윗면에 검은 색 막을 형성해도 되고, 이렇게 하면 적외선을 효율적으로 흡수한다. 이에 따라 스탬퍼 (3)의 부형면 (31)은 적외선 복사 가열에 의해서 고르고 신속하게 가열된다. 또한, 검은 색 막을 형성하는 대신, 예를 들면 스탬퍼 (3)가 도금 피막을 가진 구성으로 해도 된다. 흑색 피막으로서, 실리콘계 흑색 도료, 도금 피막으로서는 흑색 Cr도금, 흑색 Ni도금 등을 들 수 있다.
<냉각 부재>
냉각 부재 (4)는 보통 적외선 투과재로 이루어진 판상 부재이며, 복사 가열된 스탬퍼 (3)와 접촉하여 해당 스탬퍼 (3)를 냉각한다. 적외선 투과 부재로서 본 실시 형태에서는 사파이어를 사용하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, Si, Ge, MgO, ZnSe, 석영 유리, 내열 유리 등을 사용해도 된다. 이렇게 하면 냉각 부재 (4)는 가열 장치 (2)에서 조사된 적외선을 투과하므로 스탬퍼 (3)를 효율적으로 복사 가열할 수 있으며, 가열 장치 (2)에서 조사된 적외선을 투과하여 냉각 부재 (4)의 승온이 억제되므로, 복사 가열된 스탬퍼 (3)와 접촉하여 해당 스탬퍼 (3)를 냉각할 때 효과적으로 스탬퍼 (3)를 냉각할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 스탬퍼 (3)는, 상술한 바와 같이, 두께를 수백 μm로 하였으므로, 냉각 부재 (4)는, 전사 공정에서 스탬퍼 (3)의 변형을 방지하는 보강 부재, 또는 스탬퍼 (3)를 변형하지 않도록 지지하는 지지 부재로서 기능한다.
<제1의 금형>
제1의 금형 (5)은 기부 (51) 및 홀더 (52)등을 가지고 있으며. 스탬퍼 (3)를 이동 가능하게 유지하고 스탬퍼 (3)와 냉각 부재 (4)를 접촉시키거나 떼어놓거나 할 수 있는 구조를 가지고 있다. 또한 본 실시 형태에서는 스탬퍼 (3)를 이동 가능하게 유지하고 냉각 부재 (4)를 고정하는 구성으로 되어 있으나 이에 한정되는 것이 아니고 예를 들면 도시하지 않았으나 스탬퍼 (3)를 고정하고 냉각 부재 (4)를 이동 가능하게 유지하거나 스탬퍼 (3) 및 냉각 부재 (4)를 이동 가능하게 유지해도 된다.
기부 (51)는 거의 중앙에 개구부 (511)가 형성된 판상 부재로 되어 있고 윗면이 라이트 파이프 (21)의 아래쪽 끝부와 연결되어 있으며 아랫면에 냉각 부재 (4)가 고정되어 있다. 개구부 (511)는 라이트 파이프 (21)와 거의 대응하는 위치에 형성되어 있고 라이트 파이프 (21)의 단면 형상과 거의 같은 형상이 되어 있어서 측면이 라이트 파이프 (21) 및 라이트 박스 (22)의 안쪽 면과 마찬가지로 은 도금 등에 의한 경면을 가지고 있다. 이에 따라 개구부 (511)는 라이트 파이프 (21)와 비슷하게 기능하고 광원 (23)으로부터의 빛을 피 조사면 (스탬퍼 (3)의 윗면)에 균일하게 조사해서, 피 조사면을 고르게 가열할 수 있다.
여기서 바람직한 것은 성형 장치 (1)가 냉각 수단을 가지고 냉각 부재 (4)가 강제 냉각되면 된다. 즉, 본 실시 형태에서는, 기부 (51)는 냉각 부재 (4)의 가장자리부의 근방에, 냉매를 흐르게 하는 유로 (512)가 형성되어 있으며, 유로 (512)에 냉매를 흐르게 함으로써 냉각 부재 (4)를 강제 냉각한다. 이렇게 하면 냉각 부재 (4)의 승온이 억제되므로, 복사 가열된 스탬퍼 (3)와 접촉하여 해당 스탬퍼 (3)를 냉각할 때 효과적으로 스탬퍼 (3)를 냉각할 수 있다.
또한 냉각 수단은 상기 구성에 한정되는 것이 아니고 다양한 구성의 냉각 수단을 사용할 수 있다.
홀더 (52)는 기부 (51)의 하면에 장착되는 판상 부재이며, 윗면에 냉각 부재 (4)를 수용하는 제1의 오목 (凹)부가 형성되고, 이 아래쪽에, 스탬퍼 (3)를 상하 방향으로 이동 가능하게 수용하는 제2의 오목 (凹)부가 형성되고, 이 아래쪽에, 스탬퍼 (3)의 부형면 (31)을 노출시키기 위한 개구부가 형성되어 있다. 이 홀더 (52)가 기부 (51)에 장착되면 냉각 부재 (4)가 라이트 파이프 (21)와 대응하는 위치에 고정되고 또한 스탬퍼 (3)는, 라이트 파이프 (21)와 대응하는 위치이며 냉각 부재 (4)의 아래쪽에, 상하 방향으로 이동 가능하게 장착된다.
또한 제2의 오목 (凹)부의 측면은 스탬퍼 (3)의 이동을 안내하는 가이드 면 (522)이며, 중력에 의해서 제2의 오목 (凹)부의 스텝 면에 지지되는 스탬퍼 (3)와 냉각 부재 (4)사이에는 틈새 (521)가 형성된다.
또한 틈새 (521)의 두께 (상하 방향의 거리)는 통상 0. 수 mm이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 가이드 면 (522)은 스탬퍼 (3)의 이동을 안내하는 가이드 수단으로서 기능하지만 가이드 수단은 가이드 면 (522)에 한정되는 것은 아니다.
<제2의 금형>
제2의 금형 (6)은 판상 부재이며, 스탬퍼 (3)의 부형면 (31)의 구조가 전사되는 기본자재 (7)를 유지한다. 즉, 제2의 금형 (6)은 윗면에 기본자재 (7)에 대응하는 형상의 오목 (凹)부가 형성되고 이 오목부에 기본 자재 (7)가 위치 결정된 상태로 놓인다.
또한 제1의 금형 (5) 및 제2의 금형 (6)은 도시하지 않았으나 프레스기 (예를 들면, 저압 프레스기 (프레스 압력:1.0MPa)에 장착되어 있고, 예를 들면 제2의 금형 (6)이 승강한다.
또한 스탬퍼 (3) 및 냉각 부재 (4)를 이동 가능하게 유지하는 구조는 특히 한정되는 것은 아니고 다양한 응용예를 가지고 있다.
다음에 상기 응용예 중 하나를 도면을 참조해서 설명한다.
<응용예>
도 2는 본 발명의 응용예에 관한 열 가소성 수지 제품의 성형 장치를 설명하는 개략도이며 (a)는 주요부의 단면도를 도시하고 있으며 (b)는 A부의 확대 단면을 도시하고 있다.
도 2에서 본 응용예에 관한 성형 장치는 성형 장치 (1)과 비교하면 클릭 (53), 가이드 핀 (531) 및 리테이너 (532)를 가지고 있는 점 등이 다르다. 또한 본 응용예의 다른 구성은 성형 장치 (1)과 거의 동일하게 되어 있다.
따라서 도 2에서 도 1과 같은 구성부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 그 상세한 설명을 생략한다.
제1의 금형 (5a)은 기부 (51a), 홀더 (52a) 및 클릭 (53) 등을 가지고 있으며 기부 (51a)는 전술한 기부 (51)와 비교하면 유로(流路) 면적이 큰 유로 (512)를 갖는다는 점 등이 다르고, 다른 구성은 기부 (51)와 거의 동일하다.
또한 홀더 (52a)에 냉각 부재 (4)의 연변부를 수용하는 오목 (凹)부가 형성된 환형상 부재로서, 기부 (51a)에 장착됨으로써 냉각 부재 (4)가 기부 (51a)의 하면에 고정된다.
또한 클릭 (53)은 위쪽에서 보면 거의 직사각형 모양의 외형을 가지며 선단부에 스탬퍼 (3a)의 가장자리 부를 수용하는 오목 (凹)부가 형성된 부재로 되어 있다. 이 클릭 (53)이 홀더 (52a)의 4곳에 장착됨으로써 스탬퍼 (3)는, 라이트 파이프 (21)와 대응하는 위치이며 냉각 부재 (4)의 아래쪽에, 상하 방향으로 이동 가능하게 장착된다. 이렇게 하면 전술한 제1실시 형태의 홀더 (52)가 스탬퍼 (3)의 전체 가장자리부(周緣部)와 접촉하고 열 전도에 의해 스탬퍼 (3)의 전체 가장자리부가 냉각되어 균일한 가열에 악영향을 미치는 것에 대해서, 클릭 (53)은 스탬퍼 (3a)의 가장자리부 4곳에서 접촉하고 열 전도에 의해서 스탬퍼 (3a)의 전체 가장자리부가 냉각되지 않으므로 균일한 가열에 악영향을 미친다고 하는 문제를 저감할 수 있다.
여기서 바람직하게는 스탬퍼 (3a)가, 단열성 부재를 통해서 제1의 금형 (5a)에 유지되면 좋다. 즉, 본 응용예에서는, 단열재로서의 폴리 에테르 에테르 케톤, 불소 수지 또는 세라믹 등으로 구성된 환형상의 리테이너 (532)가 클릭 (53)의 오목부에 결합하고 리테이너 (532)의 윗면에 스탬퍼 (3a)가 놓여 있다. 이렇게 하면 스탬퍼 (3a)의 가장자리부가 열 전도에 의해서 냉각되는 것을 억제할 수 있고 균일한 가열에 악영향을 끼친다는 문제를 효과적으로 감소할 수 있다. 한편, 균일하게 가열되지 않으면 가열되지 않은 부분을 승온시키기 위해서 가열 시간이 길어지는 동시에 부분적으로 과도하게 가열된 상태가 되어, 이 부분을 냉각하기 위해서 냉각 공정에서 냉각 시간이 오래 걸린다고 하는 악순환에 빠지게 된다.
또한 바람직하게는 스탬퍼 (3a)의 이동이 가이드 수단으로서의 가이드 핀 (531)에 따라 가이드 되면 좋다. 즉 제1의 금형 (5a)은 클릭 (53)의 선단부에, 가이드 핀 (531)이 설치되고 리테이너 (532) 및 스탬퍼 (3a)에는, 가이드 핀 (531)이 관통하는 구멍이 형성되어 있다. 이렇게 하면 스탬퍼 (3a)는 부드럽게 상하 방향으로 이동할 수 있으며, 가이드 핀 (531)에 계지(係止)됨으로 스탬퍼 (3a)가 빠지려고 하는 문제를 확실하게 방지할 수 있다.
또한 본 응용예에서는 스탬퍼 (3a)가 리테이너 (532)에서 떨어져서 위쪽으로 이동하는 구성으로 되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니고 예를 들면 스탬퍼 (3a)와 리테이너 (532)가 접합되어 있고 스탬퍼 (3a) 및 리테이너 (532)가 상하 방향으로 이동하는 구성으로서도 좋다. 이렇게 하면 스탬퍼 (3a)가 큰 경우 (예를 들면 A4사이즈 이상의 경우)라도 리테이너 (532)가 스탬퍼 (3a)를 보강할 수 있으며 스탬퍼 (3a)의 내구성 등을 향상시킬 수 있다.
제2의 금형 (6a)은 윗면이 평탄하고 도시하지 않았으나, 윗면에 복수의 흡착 구멍이 형성되어 있고 위치 결정된 상태로 놓인 기본자재 (7)를 진공 흡착하는 구성으로 되어 있다. 이렇게 하면 제2의 금형 (6a)은 상기 실시 형태의 제2의 금형 (6)과 비슷하게, 기본자재 (7)를 소정의 위치에 유지할 수 있다.
다음에 상기 구성의 성형 장치 (1)의 동작 및 열 가소성 수지 제품의 성형 방법의 제1실시 형태 등에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 열 가소성 수지 제품의 성형 방법을 설명하는 개략 단면도를 나타내고 있다.
도 3에서 본 실시 형태의 열 가소성 수지 제품의 성형 방법은 기본자재 (7)에 대해서 성형 장치 (1)를 사용하여 압축 성형을 하는 성형 방법이며, 가열 공정, 전사 공정, 냉각 공정 및 이형 공정을 가지고 있다.
또한 본 실시 형태에서는, 기본자재 (7)의 재질을 폴리 에틸렌 테레프탈레이트 등의 결정성 열 가소성 수지로 되어 있지만 이에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 폴리 프로필렌, 폴리 에틸렌, 나일론이라도 된다. 또한, 비결정성 열 가소성 수지로서 폴리스티렌, 폴리 아크릴산 메틸, 환형상 올레핀 코폴리머라도 된다. 또한, 결정성 열 가소성 수지는 냉각되면 고화되고, 비결정성 열 가소성 수지는 냉각되면 경화한다.
<가열 공정>
우선, 성형 장치 (1)는 도 3 (a)에 도시하는 바와 같이 셔터 (24)를 열고 가열 장치 (2)에서 조사된 적외선이 냉각 부재 (4)에서 떨어진 상태의 스탬퍼 (3)를 복사 가열한다 (가열 공정). 즉, 이 가열 공정에서 조사된 적외선은 적외선 투과재로 이루어진 냉각 부재 (4)를 투과해서 스탬퍼 (3)를 복사 가열한다.
이와 같이 냉각 부재 (4)에서 떨어진 상태의 스탬퍼 (3)를 복사 가열함으로써 스탬퍼 (3)에서 냉각 부재 (4)에 대한 열 전도가 이루어지지 않으므로 스탬퍼 (3)를 효과적으로 가열할 수 있으며, 또한 냉각 부재 (4)가 적외선을 투과하므로 효율적으로 가열할 수 있고 가열 시간을 단축할 수 있다. 또한 본 실시 형태에서는 후술 하는 전사 공정에서도 가열하지만, 이 경우 스탬퍼 (3)를 미리 가열함으로써 전사 공정에서의 가열 시간을 단축할 수 있다.
또한 냉각 부재 (4)는 적외선 조사에 의해서는 거의 승온하는 일이 없고 또한 스탬퍼 (3)에서 떨어져 있어서 복사 가열된 스탬퍼 (3)로부터의 열 전도에 따라서는 승온하지 않으므로 승온이 효과적으로 억제된다. 이에 따라 후술 하는 냉각 공정에서 냉각 부재 (4)가 스탬퍼 (3)를 냉각할 때 냉각 시간을 단축할 수 있다.
또한 가열 장치 (2)에서 조사된 적외선이 냉각 부재 (4)에서 떨어진 상태의 스탬퍼 (3)에 대해서 복사 가열을 개시할 때 통상적으로 제2의 금형 (6)에 기본 자재 (7)가 유지되고 있으나, 이 시기에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 복사 가열 중에 제2의 금형 (6)에 기본 자재 (7)가 유지되어도 좋고, 이렇게 하면, 자동화된 연속 성형에서 성형 사이클 타임을 단축할 수 있다.
<전사 공정>
다음에 성형 장치 (1)는 도 3 (b)에 도시하는 바와 같이 복사 가열된 스탬퍼 (3)의 부형면 (31)의 구조를 기본 자재 (7)의 전사면 (71)에 전사한다 (전사 공정). 즉, 이 전사 공정에서 형 죄임으로서 제2의 금형 (6)이 상승하고 기본자재 (7)의 전사면 (71)이 스탬퍼 (3)의 부형면 (31)과 접촉하고 이어서 스탬퍼 (3)가 밀어올려지도록 하여 위쪽으로 이동하고 스탬퍼 (3)가 냉각 부재 (4)와 접촉한 상태에서 전사면 (71)이 부형면 (31)에 밀려서, 부형면 (31)의 구조가 기본 자재 (7)의 전사면 (71)에 전사된다.
또한 도 3 (b)에서, 기본자재 (7)의 용융 또는 연화한 부분을 피치의 좁은 해칭으로 나타내고 있다.
여기서 본 실시 형태에서는 스탬퍼 (3)는 두께가 수백 μm이며 기계적 강도가 낮기 때문에 냉각 부재 (4)가 스탬퍼 (3)와 접촉한 상태에서 전사한다. 이에 따라 스탬퍼 (3)가 변형하는 문제를 방지할 수 있고, 전사 정밀도 등을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 전사 공정에서 스탬퍼 (3)가 복사 가열된다. 즉, 성형 장치 (1)는 도 3 (b)에 도시하는 바와 같이 셔터 (24)가 열려 있고 가열 장치 (2)에서 조사된 적외선이 냉각 부재 (4)에 접촉한 상태의 스탬퍼 (3)를 복사 가열한다. 이에 따라 스탬퍼 (3)는, 전사 공정에서도 복사 가열되므로, 기본자재 (7)의 전사면 (71) 및 그 근방의 열 가소성 수지를 용융 또는 완화시킬 수 있어서 스탬퍼 (3)의 부형면 (31)의 구조를 기본 자재 (7)의 전사면 (71)에 전사된다.
또한 전사 공정에서 복사 가열을 하고 있지만 이에 한정되는 것이 아니고 예를 들면 스탬퍼 (3)의 열 용량을 늘림으로써 또는 기본자재 (7)의 전사면 (71)을 프리 히트하는 등에 의해서 전사 공정에서 복사 가열을 하지 않도록 해도 된다.
<냉각 공정>
다음에 성형 장치 (1)는 도 3 (c)에 도시하는 바와 같이 부형면 (31)을 전사면 (71)에 누른 상태에서 스탬퍼 (3)와 접촉하는 냉각 부재 (4)가 해당 스탬퍼 (3)를 냉각하여 기본자재 (7)를 고화 또는 경화시키다 (냉각 공정). 즉, 이 냉각 공정에서 셔터 (24)가 닫히고 복사 가열이 정지되어, 스탬퍼 (3)는 냉각 부재 (4)에 대한 열 전도에 의해서 냉각된다.
여기서 냉각 부재 (4)는, 전사 공정에서는 스탬퍼 (3)와 접촉하고 있으며 열 전도에 의해서 승온하지만, 상술한 바와 같이 가열 공정에서는 적외선 조사에 의해서는 거의 승온하지 않고 또한 스탬퍼 (3)에서 떨어져 있어서 복사 가열된 스탬퍼 (3)로부터의 열 전도에 의해서는 승온하지 않으므로 승온이 효과적으로 억제되고 있다. 이에 따라 냉각 부재 (4)가 스탬퍼 (3)를 냉각할 때 냉각 시간을 단축할 수 있다.
또한 승온을 억제한 냉각 부재 (4)에 따라 전사 후의 냉각을 효과적으로 실시할 수 있으므로, 성형품의 외관 불량 (예를 들면 융기부 등)의 발생을 방지하고 품질을 향상시킬 수 있다.
<이형 공정>
다음에 성형 장치 (1)는 도 3 (d)에 도시하는 바와 같이 부형면 (31)을 전사면 (71)에 누른 상태를 해제함으로써 성형품을 이형시킨다 (이형 공정). 즉, 이 이형 공정에서 제2의 금형 (6)이 강하하여, 스탬퍼 (3)가 냉각 부재 (4)에서 떨어져 아래쪽으로 이동하고 이어서 스탬퍼 (3)가 홀더 (52)에 계지되면, 전사면 (71)이 부형면 (31)에서 떨어지고 제2의 금형 (6)이 원점 위치까지 강하하고, 그 후, 기본자재 (7)가 반송되어 성형의 한 사이클이 종료된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 성형 장치 (1) 및 열 가소성 수지 제품의 성형 방법에 의하면, 가열 공정에서 냉각 부재 (4)에서 떨어진 상태의 스탬퍼 (3)를 복사 가열하므로, 가열 시간을 단축할 수 있으며, 또한 냉각 부재 (4)의 온도 상승을 억제할 수 있으며 스탬퍼 (3)를 냉각하는 냉각 공정에서 냉각 시간을 단축할 수 있어서 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한 승온을 억제한 냉각 부재 (4)에 의해서 전사 후의 냉각을 효과적으로 실시할 수 있으므로, 성형품의 외관 불량의 발생을 방지하고 품질을 향상시킬 수 있다.
<열 가소성 수지 제품의 성형 장치 및 그 방법의 제2실시 형태>
도 4는 본 발명의 제2실시 형태에 관한 열 가소성 수지 제품의 성형 장치 및 그 성형 방법을 설명하는 개략 단면도를 도시하고 있다.
도 4에서 본 실시 형태의 성형 장치 (1b)는 전술한 제1실시 형태의 성형 장치 (1)와 비교하면 스탬퍼 (3b)가 두꺼운 점 및 전사 공정에서 스탬퍼 (3b)가 복사 가열되지 않고, 가열 공정에서 스탬퍼 (3b)가 축적한 열만을 이용해서 전사를 하는 점 등이 다르다. 또한 본 실시 형태의 다른 구성 등은 성형 장치 (1)와 거의 같다.
따라서 도 4에서 도 1과 같은 구성부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 그 상세한 설명을 생략한다.
<스탬퍼>
스탬퍼 (3b)는 전술한 제1실시 형태의 스탬퍼 (3)와 비교하면, 두께가 1. 수 mm~수 mm로 되어 있는 점이 다르고 다른 구조는 스탬퍼 (3)와 거의 같다 이 스탬퍼 (3b)는 스탬퍼 (3)보다 큰 열 용량을 가질 수 있으며, 가열 공정에서 복사 가열되면, 전사 공정에서 복사 가열되지 않아도 스탬퍼 (3b)의 부형면 (31)의 구조를 기본 재료 (7)의 전사면 (71)에 전사할 수 있다.
다음에 상기 구성의 성형 장치 (1b)의 동작 및 열 가소성 수지 제품의 성형 방법의 제2실시 형태 등에 대해서 설명한다.
도 4에서 본 실시 형태의 열 가소성 수지 제품의 성형 방법은 기본자재 (7)에 대해서 성형 장치 (1b)를 사용하여 압축 성형을 하는 성형 방법이며, 가열 공정, 전사 공정, 냉각 공정 및 이형 공정을 가지고 있다.
<가열 공정>
우선 성형 장치 (1b)는 도 4 (a)에 도시하는 바와 같이 셔터 (24)를 열고 가열 장치 (2)에서 조사된 적외선이 냉각 부재 (4)에서 떨어진 상태의 스탬퍼 (3b)를, 전사 공정에서 복사 가열을 할 필요가 없는 온도까지 복사 가열한다 (가열 공정).
이렇게 하면 냉각 부재 (4)에서 떨어진 상태의 스탬퍼 (3b)를 복사 가열함으로써 제1실시 형태와 비슷한 효과를 얻을 수 있다. 또한 제1실시 형태의 스탬퍼 (3)가 가열 공정에서 복사 가열된 후에 전사 공정에서 냉각 부재 (4)와 접촉한 상태, 즉 냉각 부재 (4)에 열을 빼앗기는 상태에서 복사 가열되는데 반해 본 실시 형태에서는 가열 공정에서만, 냉각 부재 (4)에서 떨어진 상태, 즉 냉각 부재 (4)에 열을 빼앗기지 않은 상태에서 스탬퍼 (3b)를 복사 가열하고 있으므로 보다 효율적으로 스탬퍼 (3b)를 가열할 수 있다.
<전사 공정>
다음에 성형 장치 (1b)는 도 4 (b)에 도시하는 바와 같이 복사 가열된 스탬퍼 (3b)의 부형면 (31)의 구조를 기본 자재 (7)의 전사면 (71)에 전사한다 (전사 공정). 즉, 이 전사 공정에서 셔터 (24)가 닫히고 제2의 금형 (6)이 상승하여 기본자재 (7)의 전사면 (71)이 스탬퍼 (3b)의 부형면 (31)과 접촉하고, 이어서 스탬퍼 (3b)가 밀어올려지도록 해서 위쪽으로 이동하고 스탬퍼 (3b)가 냉각 부재 (4)와 접촉한 상태에서 전사면 (71)이 부형면 (31)에 밀려서, 부형면 (31)의 구조가 기본 자재 (7)의 전사면 (71)에 전사한다.
여기서 본 실시 형태에서는 전사 공정에서 제1 실시 형태와는 달리 스탬퍼 (3b)가 복사 가열되지 않았다. 즉, 스탬퍼 (3b)는 가열 공정에서 복사 가열되고 이 복사 가열에 의해서 스탬퍼 (3b)가 축적한 열만을 이용하여 부형면 (31)의 구조를 기본 자재 (7)의 전사면 (71)에 전사한다.
이렇게 하면 냉각 부재 (4)는, 전사 공정에서 이미 복사 가열된 스탬퍼 (3b)와 접촉하지만 제1실시 형태와는 달리 복사 가열되어 있는 스탬퍼 (3b)와 접촉하지 않으므로, 냉각 부재 (4)의 온도 상승을 억제할 수 있으며 냉각 시간을 더욱 줄일 수 있다.
또한 바람직하게는 제2의 금형 (6)을 상승시킬 때, 기본자재 (7)의 전사면 (71)이 부형면 (31)과 접촉하고 스탬퍼 (3b)가 냉각 부재 (4)와 접촉하지 않은 상태에서 상승을 정지하여 스탬퍼 (3b)의 열로 전사면 (71)을 예열하고 그 후 더욱 상승하여, 부형면 (31)의 구조를 기본 자재 (7)의 전사면 (71)에 전사해도 된다. 이렇게 하면 스탬퍼 (3b)의 열을 효과적으로 이용할 수 있다.
<냉각 공정>
다음에 성형 장치 (1b)는 도 4 (c)에 도시하는 바와 같이 부형면 (31)을 전사면 (71)에 누른 상태에서 스탬퍼 (3b)와 접촉하는 냉각 부재 (4)가 해당 스탬퍼 (3b)를 냉각하여, 기본자재 (7)를 고화 또는 경화시킨다 (냉각 공정). 즉, 본 실시 형태에서는 전사 공정에서 스탬퍼 (3b)가 냉각 부재 (4)와 접촉하면 냉각이 시작된다. 따라서 본 실시 형태의 전사 공정 및 냉각 공정에서는 전사면 (71)이 부형면 (31)과 접촉하면, 전사가 개시되고 스탬퍼 (3b)가 냉각 부재 (4)와 접촉하면 냉각이 시작되어 전사가 끝난 후에 냉각이 종료한다.
여기서 냉각 부재 (4)는, 전사 공정에서는 스탬퍼 (3b)와 접촉하고 있으며 열 전도에 따라 승온하지만 전술한 바와 같이, 제1실시 형태와 비교하면 전사 공정에서는 적외선 조사가 이루어지지 않음으로, 적외선에 의한 온도 상승이 없고 승온이 효과적으로 억제된다. 이에 따라 냉각 부재 (4)가 스탬퍼 (3b)를 냉각할 때 냉각 시간을 단축할 수 있다.
또한 승온을 억제한 냉각 부재 (4)에 의해서 전사 후의 냉각을 효과적으로 실시할 수 있으므로, 성형품의 외관 불량 (예를 들면 융기부 등)의 발생을 방지하고 품질을 향상시킬 수 있다.
<이형 공정>
다음에 성형 장치 (1b)는 도 4d에 도시하는 바와 같이 부형면 (31)을 전사면 (71)에 누른 상태를 해제함으로써 성형품을 이형시킨다 (이형 공정). 즉, 이 이형 공정에서 제2의 금형 (6)이 강하하고, 스탬퍼 (3b)가 냉각 부재 (4)에서 떨어져서 아래쪽으로 이동하고 이어서 스탬퍼 (3b)가 홀더 (52)에 계지되면, 전사면 (71)이 부형면 (31)에서 떨어지고 제2의 금형 (6)이 원점 위치까지 강하하고, 그 후, 기본자재 (7)가 후송되어 성형의 한 사이클이 종료된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 성형 장치 (1b)에 따르면 제1실시 형태의 성형 장치 (1)와 비슷한 효과를 거두는 동시에, 가열 공정에서만, 스탬퍼 (3b)를 복사 가열하고 있으므로 보다 효율적으로 스탬퍼 (3b)를 가열할 수 있으며, 전사 공정에서 냉각 부재 (4)의 온도 상승을 더욱 억제할 수 있어서 가열 시간 및 냉각 시간을 더욱 줄일 수 있다.
<열 가소성 수지 제품의 성형 장치 및 그 성형방법의 제3실시 형태>
도 5는 본 발명의 제3실시 형태에 관한 열 가소성 수지 제품의 성형 장치 및 그 성형 방법을 설명하는 개략 단면도를 도시하고 있다.
도 5에서 본 실시 형태의 성형 장치 (1c)는 전술한 제2실시 형태의 성형 장치 (1b)와 비교하면, 위쪽으로 이동하지 않도록 스탬퍼 (3b)를 계지하는 복수의 계지핀 (523)을 가지고 있는 점 및 전사 공정에서 냉각 부재 (4)로부터 떨어진 상태로 유지된 스탬퍼 (3b)에 따라 전사가 이뤄지는 점 등이 다르다. 또한 본 실시 형태의 다른 구성은 성형 장치 (1b)와 거의 동일하다
따라서 도 5에서 도 4와 같은 구성부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여 그 상세한 설명을 생략한다.
또한 스탬퍼 (3b)는 상술한 바와 같이, 두께가 1. 수 mm~수 mm로서, 기계적 강도가 높기 때문에, 냉각 부재 (4)와 접촉하는 대신 가장자리 부가 계지핀 (523)에 계지된 상태로 전사를 하더라도 스탬퍼 (3b)가 변형하는 등의 문제를 방지할 수 있고, 전사 정밀도 등이 저하되는 일은 없다.
또한, 본 실시 형태에서는 계지핀 (523) 및 제2의 금형 (6)에 의해서 스탬퍼 (3b)가 냉각 부재 (4)에서 떨어진 상태로 유지되는 구성으로 되어 있으나 이에 한정되는 것이 아니고 예를 들면 도시하지 않았으나 스탬퍼 (3b)를 고정하고 냉각 부재 (4)를 승강시키는 구성으로서도 된다.
<계지핀>
계지핀 (523)은 홀더 (52c)에 왕복 이동 가능하게 매설되어 있으며, 에어 실린더 등에 의해서 선단부가 틈새 (521c)로 돌출하면 상승하는 스탬퍼 (3b)를 계지한다.
또한 홀더 (52c)는 틈새 (521c)의 두께 (상하 방향의 거리)가 수 mm가 되는 형상이며 다른 구성은 홀더 (52)와 거의 동일하다
다음에 상기 구성의 성형 장치 (1c)의 동작 및 열 가소성 수지 제품의 성형방법의 제3실시 형태 등에 대해서 설명한다.
도 5에서 본 실시 형태의 열 가소성 수지 제품의 성형 방법은 기본자재 (7)에 대해서 성형 장치 (1c)를 사용하여 압축 성형을 하는 성형 방법이며, 가열 공정, 전사 공정, 냉각 공정 및 이형 공정을 가지고 있다.
<가열 공정>
먼저, 성형 장치 (1c)는 도 5 (a)에 도시하는 바와 같이 셔터 (24)를 열고 가열 장치 (2)에서 조사된 적외선이 냉각 부재 (4)에서 떨어진 상태의 스탬퍼 (3b)를, 전사 공정에서 복사 가열을 할 필요가 없는 온도까지 복사 가열한다 (가열 공정). 이렇게 하면 제2실시 형태와 비슷한 효과를 얻을 수 있다.
또한 계지핀 (523)은 끝면이 틈새 (521c)의 내면과 대응하는 위치에 있고 적외선의 균일한 조사에 거의 악영향을 주는 일은 없다.
<전사 공정>
다음에 성형 장치 (1c)는 도 5 (b)에 도시하는 바와 같이 복사 가열된 스탬퍼 (3b)의 부형면 (31)의 구조를 기본 자재 (7)의 전사면 (71)에 전사한다 (전사 공정). 즉, 이 전사 공정에서 셔터 (24)가 닫히고 계지핀 (523)의 끝이 틈새 (521c)로 돌출해서 제2의 금형 (6)이 상승하고 기본자재 (7)의 전사면 (71)이 스탬퍼 (3b)의 부형면 (31)과 접촉하고 이어서 스탬퍼 (3b)가 밀어 올려지도록 해서 위쪽으로 이동하고 (통상 이 이동은 미소(微小) 거리이다.), 스탬퍼 (3b)가 계지핀 (523)에 의해서 계지되면 스탬퍼 (3b)가 냉각 부재 (4)에서 떨어진 상태로 유지되며 이 상태에서 전사면 (71)이 부형면 (31)에 밀려서, 부형면 (31)의 구조를 기본 자재 (7)의 전사면 (71)에 전사된다.
여기서 본 실시 형태에서는 제2실시 형태와 비슷하게, 가열 공정에서 스탬퍼 (3b)가 축적한 열만을 이용하여 부형면 (31)의 구조를 기본 자재 (7)의 전사면 (71)에 전사하므로 냉각 부재 (4)의 온도 상승을 더욱 억제할 수 있으며 냉각 시간을 더욱 단축할 수 있다. 또한 제2실시 형태와 비교하면 전사 공정에서 스탬퍼 (3b)는 냉각 부재 (4)와 접촉하지 않아서 스탬퍼 (3b)에서 냉각 부재 (4)에 대한 열량 유출이 적고, 가열 공정에서 스탬퍼 (3b)에 축적하는 열량이 적어도 되므로 가열 시간이 짧아진다.
한편, 본 실시 형태에서는 전사 공정에서 스탬퍼 (3b)를 복사 가열하지 않았으나, 이에 한정되는 것이 아니고 예를 들면 도시하지 않은 스탬퍼 (3b)를 복사 가열해도 된다.
<냉각 공정>
다음에 성형 장치 (1c)는 도 5 (c)에 도시하는 바와 같이 부형면 (31)을 전사면 (71)에 누른 상태에서 스탬퍼 (3b)와 접촉하는 냉각 부재 (4)가 해당 스탬퍼 (3b)를 냉각하고, 기본자재 (7)를 고화 또는 경화시킨다 (냉각 공정). 즉, 본 실시 형태에서는 계지핀 (523)은 끝면이 틈새 (521c)의 내면과 대응하는 위치에 돌아와서 제2의 금형 (6)이 상승하고 스탬퍼 (3b)가 밀어 올려지도록 해서 위쪽으로 이동하고 스탬퍼 (3b)가 냉각 부재 (4)와 접촉해서 스탬퍼 (3b)가 냉각된다.
여기서 냉각 부재 (4)는, 전사 공정에서는 스탬퍼 (3b)와 접촉하지 않으므로 승온이 효과적으로 억제되어 냉각 시간을 단축할 수 있다.
<이형 공정>
다음에 성형 장치 (1c)는 도 5 (d)에 도시하는 바와 같이 부형면 (31)을 전사면 (71)에 누른 상태를 해제함으로써 성형품을 이형시킨다 (이형 공정). 즉, 이 이형 공정에서 제2의 금형 (6)이 강하하여, 스탬퍼 (3b)가 냉각 부재 (4)에서 떨어져서 아래쪽으로 이동하고 이어서 스탬퍼 (3b)가 홀더 (52c)에 계지되면, 전사면 (71)이 부형면 (31)에서 떨어져서 제2의 금형 (6)이 원점 위치까지 강하 하고, 그 후, 기본자재 (7)가 반송되어 성형의 한 사이클이 종료된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 성형 장치 (1c)에 따르면 제2실시 형태의 성형 장치 (1b)와 거의 같은 효과를 거두는 동시에 전사 공정에서 냉각 부재 (4)가 스탬퍼 (3b)와 접촉하지 않으므로, 냉각 부재 (4)의 승온이 효과적으로 억제되어 냉각 시간을 단축할 수 있다. 스탬퍼 (3b)에 축열하는 열량이 적어도 되기 때문에 가열 시간이 짧아진다.
또한 본 실시 형태는 제1및 제2의 실시 형태에도 응용할 수 있다.
<열 가소성 수지 제품의 성형 장치 및 그 성형방법의 제4실시 형태>
도 6은 본 발명의 제4실시 형태에 관한 열 가소성 수지 제품의 성형 장치를 설명하는 주요부의 개략 확대 단면도를 도시하고 있다.
도 6에서 본 실시 형태의 성형 장치 (1d)는 전술한 제1실시 형태의 성형 장치 (1)와 비교하면 전사 공정에서 냉각 부재 (4)와 스탬퍼 (3d)사이의 틈새 (521d)에 압력을 가함으로써, 스탬퍼 (3d)가 냉각 부재 (4)에서 떨어진 상태로 유지되며 해당 스탬퍼 (3d)에 의해서 전사가 이뤄지는 점 등이 다르다. 또한 본 실시 형태의 다른 구성 등은 성형 장치 (1)와 거의 동일하다
따라서 도 6에서 도 1과 같은 구성부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 그 상세한 설명을 생략한다.
<스탬퍼>
본 실시 형태의 스탬퍼 (3d)는 제1실시 형태의 스탬퍼 (3)와 비교하면 가장자리부의 아래쪽에, O링 (32)을 수용하는 O링 홈이 형성된 환형상부를 가지고 있는 점 등이 다르고, 스탬퍼 (3d)의 다른 구성은 스탬퍼 (3)와 거의 동일하다
이에 따라 스탬퍼 (3d)는 O링 (32)에 의해서 제2의 금형 (6)이 위치하는 아래쪽 공간과 냉각 부재 (4)와 스탬퍼 (3d)사이의 틈새 (521d)가 밀봉되어 틈새 (521d)내의 압력을 상기 아래쪽 공간 내의 압력보다 높게 할 수 있다. 스탬퍼 (3d)는 밀봉된 상태에서 가이드 면 (522)에 따라 상하 방향으로 이동할 수 있다.
또한 상기의 환형상부는 통상 스탬퍼 (3d)의 판상부 (판상부란 주로 상기 가장자리부보다 중앙 쪽 부분이라는 의미이다.)와 일체적으로 형성되지만, 이에 한정되는 것이 아니고, 예를 들면, 단열성이 뛰어난 재료로 이루어진 환형상 부재를 판상부 단면에 접합한 구조라도 된다.
<제1의 금형>
제1의 금형 (5d)은 제1실시 형태의 제1의 금형 (5)과 비교하면 홀더 (52d)에 압력 제어용 유로 (525) 및 O링 (524)이 형성되어 있는 점 등이 다르고 제1의 금형 (5d)의 다른 구성은 제1의 금형 (5)과 거의 동일하다
홀더 (52d)는 틈새 (521d)내의 압력을 제어하기 위해서 압력 제어용 유로 (525)가 형성되어 있으며 이 압력 제어용 유로 (525)는 도시하지 않았으나, 배관 및 밸브 등을 통해서 공장 에어 등의 압력원 및 대기 압력 개방을 하기 위한 외기와 연통(連通)되어 있다. 홀더 (52d)는 냉각 부재 (4)가 놓여있는 면에 O링 (524)을 수용하는 O링 홈이 형성되어 있으며, O링 (524)에 의해서 틈새 (521d)의 상부가 밀봉된다.
또한 틈새 (521d)의 두께 (상하 방향의 거리)는 보통 수 mm가 되는 형상으로 되어 있다.
다음에 상기 구성의 성형 장치 (1d)의 동작 및 열 가소성 수지 제품의 성형방법의 제4실시 형태 등에 대해서 설명한다.
도 7은 본 발명의 제4실시 형태에 관한 열 가소성 수지 제품의 성형 방법을 설명하는 개략 단면도를 도시하고 있다.
도 7에서 본 실시 형태의 열 가소성 수지 제품의 성형 방법은 기본자재 (7)에 대해서 성형 장치 (1d)를 사용하여 압축 성형을 하는 성형 방법이며, 가열 공정, 전사 공정, 냉각 공정 및 이형 공정을 가지고 있다.
<가열 공정>
성형 장치 (1d)는 도 6에 나타내는 상태, 즉 틈새 (521d)내의 압력이 대기 개방된 상태에서 도 7 (a)에 도시하는 바와 같이 셔터 (24)가 열리고 가열 장치 (2)에서 조사된 적외선이 냉각 부재 (4)에서 떨어진 상태의 스탬퍼 (3d)를 복사가열한다 (가열 공정).
이와 같이 냉각 부재 (4)에서 떨어진 상태의 스탬퍼 (3d)를 복사 가열함으로써 제1실시 형태와 비슷하게, 스탬퍼 (3d)에서 냉각 부재 (4)에 대한 열 전도가 되지 않으므로 스탬퍼 (3d)를 효과적으로 가열할 수 있어서 가열 시간을 단축할 수 있다. 나아가 본 실시 형태에서는 후술 하는 전사 공정에서도 가열을 하지만, 이 경우 스탬퍼 (3d)를 미리 가열함으로써 전사 공정에서의 가열 시간을 단축할 수 있다.
<전사 공정>
다음에 성형 장치 (1d)는 도 7 (b)에 도시하는 바와 같이 복사 가열된 스탬퍼 (3d)의 부형면 (31)의 구조를 기본 자재 (7)의 전사면 (71)에 전사한다 (전사 공정). 즉, 이 전사 공정에서 냉각 부재 (4)에서 떨어진 스탬퍼 (3d)를 복사 가열하고 있는 상태에서 형죄임으로서 제2의 금형 (6)이 상승하고 기본자재 (7)의 전사면 (71)이 스탬퍼 (3d)의 부형면 (31)과 접촉한다.
이 때, 성형 장치 (1d)는 기본자재 (7)의 전사면 (71)이 스탬퍼 (3d)의 부형면 (31)과 접촉하는 동시에 또는 접촉하기 직전에, 또는 접촉한 직후에 공장 에어 등의 유체가 압력 제어용 유로 (525)를 지나 틈새 (521d)에 공급된다. 이에 따라 냉각 부재 (4)와 스탬퍼 (3d)사이의 틈새 (521d)에, 대기압보다 높은 압력이 가해져서 스탬퍼 (3d)가 냉각 부재 (4)에서 떨어진 상태로 유지되며 이 상태에서 전사면 (71)이 부형면 (31)에 눌려서, 부형면 (31)의 구조가 기본 자재 (7)의 전사면 (71)에 전사된다.
여기서 본 실시 형태에서는 스탬퍼 (3d)는 두께가 수백 μm이며 기계적 강도가 낮지만, 틈새 (521d)내의 압력에 의해서, 전사면 (71)이 부형면 (31)에 거의 균일하게 눌리므로 스탬퍼 (3d)가 변형하는 문제를 방지할 수 있고, 전사 정밀도 등을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 전사 공정에서도, 스탬퍼 (3d)가 복사 가열되지만, 스탬퍼 (3d)가 냉각 부재 (4)에서 떨어진 상태, 즉 냉각 부재 (4)에 열을 빼앗기지 않은 상태에서 스탬퍼 (3d)가 복사 가열되므로 보다 효율적으로 스탬퍼 (3d)를 가열할 수 있다. 또한 냉각 부재 (4)는 복사 가열되는 도중의 스탬퍼 (3d)와 접촉하지 않으므로 승온이 억제되어 냉각 공정에서 냉각 시간을 단축할 수 있다.
또한 본 실시 형태에서는, 틈새 (521d)에 대기압보다 높은 압력을 가하고 있지만, 틈새 (521d)내의 압력은 제2의 금형 (6)이 위치하는 아래쪽 공간의 압력보다 높고 스탬퍼 (3d)가 냉각 부재 (4)에서 떨어진 상태로 유지되고 틈새 (521d)내의 압력에 의해, 전사면 (71)이 부형면 (31)에 거의 균일하게 눌려져 있으면 된다. 따라서 틈새 (521d)에 가해지는 압력은 대기압보다 높은 압력에 한정되는 것이 아니고 예를 들면 제2의 금형 (6)이 위치하는 아래쪽 공간이 진공 처리되어 있는 경우에는, 대기압, 또는 대기압보다 낮은 압력이라도 된다.
또한, 틈새 (521d)에 대기압보다 높은 압력을 가한 후, 압력 제어용 유로 (525)에 접속된 밸브 (도시하지 않음)를 닫고 틈새 (521d)를 밀폐된 공간으로 해도 된다. 이 경우, 프레스기의 설정된 추력에 따라 스탬퍼 (3d)가 상승하고 틈새 (521d)내의 압력에 의해서 발생하는 힘이 프레스기의 추력과 균형이 잡히면 스탬퍼 (3d)가 정지한다.
<냉각 공정>
다음에 성형 장치 (1d)는 도 7 (c)에 도시하는 바와 같이 부형면 (31)을 전사면 (71)에 누른 상태에서 스탬퍼 (3d)와 접촉하는 냉각 부재 (4)가 해당 스탬퍼 (3d)를 냉각하고, 기본자재 (7)를 고화 또는 경화시킨다 (냉각 공정). 즉, 본 실시 형태에서는, 셔터 (24)가 닫히고 틈새 (521d)내의 압력이 대기에 개방되고 제2의 금형 (6)이 상승하여 스탬퍼 (3d)가 냉각 부재 (4)와 접촉해서 스탬퍼 (3d)가 냉각된다.
여기서 냉각 부재 (4)는, 전사 공정에서는 스탬퍼 (3d)와 접촉하지 않으므로 승온이 효과적으로 억제되어 냉각 시간을 단축할 수 있다.
또한 승온을 억제한 냉각 부재 (4)에 의해서 전사 후의 냉각을 효과적으로 할 수 있으므로, 성형품의 외관 불량 (예를 들면 융기부 등)의 발생을 방지하고 품질을 향상시킬 수 있다.
<이형 공정>
다음에 성형 장치 (1d)는 도 7 (d)에 도시하는 바와 같이 부형면 (31)을 전사면 (71)에 누른 상태를 해제함으로써 성형품을 이형시킨다 (이형 공정). 즉, 이 이형 공정에서 제2의 금형 (6)이 강하하여, 스탬퍼 (3d)가 냉각 부재 (4)에서 떨어져서 아래쪽으로 이동하고 이어서 스탬퍼 (3d)가 홀더 (52d)에 계지되면, 전사면 (71)이 부형면 (31)에서 떨어지고 제2의 금형 (6)이 원점 위치까지 강하 하고, 그 후, 기본자재 (7)가 반송(搬送)되어 성형의 한 사이클이 종료된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 성형 장치 (1d)에 따르면 제1실시 형태의 성형 장치 (1)와 비슷한 효과를 거두는 동시에 전사 공정에서 스탬퍼 (3d)가 냉각 부재 (4)에서 떨어진 상태가 되므로 스탬퍼 (3d)의 열이 냉각 부재 (4)에 빼앗기는 것을 막을 수 있고, 이로써 가열 시간, 전사 시간 및 냉각 시간을 단축할 수 있다.
또한 본 실시 형태는 제1및 제2의 실시 형태에도 응용할 수 있다.
<열 가소성 수지 제품의 성형 장치 및 그 성형방법의 제5실시 형태>
도 8은 본 발명의 제5실시 형태에 관한 열 가소성 수지 제품의 성형 장치를 설명하는 주요부의 개략 확대 단면도를 도시하고 있다.
도 8에서 본 실시 형태의 성형 장치 (1e)는 전술한 제1실시 형태의 성형 장치 (1)와 비교하면 냉각 부재 (4)를 강제 냉각하는 강제 냉각판 (41)을 갖춘 점 등이 다르다. 또한 본 실시 형태의 다른 구성 등은 성형 장치 (1)와 거의 동일하다.
따라서 도 8에서 도 1과 같은 요소에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 그 상세한 설명을 생략한다.
<제1의 금형>
제1의 금형 (5e)은 제1실시 형태의 제일의 금형 (5)과 비교하면 기부 (51e)에 오목 (凹)부가 형성되고, 이 오목부에 후술하는 강제 냉각판 (41)이 이동 가능하게 형성된 점 등이 다르고, 제1의 금형 (5e)의 다른 구성은 제1의 금형 (5)과 거의 동일하다.
<강제 냉각판>
강제 냉각판 (41)은 알루미늄, 구리 등 열 전도성이 뛰어난 재료로 이루어지고, 냉각 부재 (4)를 덮는 것이 가능한 직사각형 평판 모양이며 기부 (51e)의 오목부에, 수평 방향으로 이동 가능하게 설치되어 있다. 이 강제 냉각판 (41)은 거의 중앙부에 라이트 파이프 (21)의 단면 형상과 거의 같은 형상의 개구부 (412)를 가지며 개구부 (412)의 양쪽 (도 8에서는 개구부 (412)의 왼쪽 및 오른쪽)에 냉매를 흐르게 하는 유로 (411)가 형성되어 있다.
개구부 (412)는 측면은 경면(鏡面, 거울면)으로 되어 있고 가열 공정 및 전사 공정에서 개구부 (412)가 라이트 파이프 (21)와 대응하는 위치로 이동하면 라이트 파이프 (21)와 비슷하게 기능하므로, 광원 (23)의 빛을 스탬퍼 3의 윗면에 균일하게 조사하고, 스탬퍼 3를 균일하게 가열할 수 있다.
또한 개구부 (412)왼쪽의 유로 (411)가 배치하여 설치(配設)된 부분은 냉각 공정 및 이형 공정에서 냉각 부재 (4)를 덮는 위치로 이동하면 냉각 부재 (4)의 상면 전체와 접촉하므로 냉각 부재 (4)의 온도 분포를 거의 균일하게 유지하면서 효율적으로 냉각할 수 있다.
또한 본 실시 형태에서는 하나의 강제 냉각판 (41)을 사용하는 구성으로 되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 복수의 강제 냉각판 (41)을 준비하고 충분히 식은 강제 냉각판 (41)을 차례로 사용해도 되고, 이렇게 하면, 연속적으로 성형을 하는 경우라도 효과적인 냉각을 확실하게 할 수 있다.
또한, 강제 냉각판 (41)은 광원 (23)으로부터의 빛을 차단하므로, 셔터 (24)로서의 기능도 가지고 있어서 셔터 (24)대신 사용해도 된다.
다음에 상기 구성의 성형 장치 (1e)의 동작 및 열 가소성 수지 제품의 성형방법의 제4실시 형태 등에 대해서 설명한다.
도 9는 본 발명의 제5실시 형태에 관한 열 가소성 수지 제품의 성형 방법을 설명하는 개략 단면도를 도시하고 있다.
도 9에서 본 실시 형태의 열 가소성 수지 제품의 성형 방법은 기본자재 (7)에 대해서 성형 장치 (1e)를 사용하여 압축 성형을 하는 성형 방법이며, 가열 공정, 전사 공정, 냉각 공정 및 이형 공정을 가지고 있다.
<가열 공정>
먼저, 성형 장치 (1e)는 도 8에 나타내는 상태, 즉, 셔터 (24)가 닫히고 강제 냉각판 (41)의 왼쪽 부분이 냉각 부재 (4)를 덮는 위치에 있는 상태에서 도 9 (a)에 도시하는 바와 같이 개구부 (412)가 라이트 파이프 (21)와 대응하는 위치에 강제 냉각판 (41)이 이동되어 셔터 (24)가 열려서 가열 장치 (2)에서 조사된 적외선이 냉각 부재 (4)에서 떨어진 상태의 스탬퍼 (3)를 복사 가열한다 (가열 공정).
이와 같이 냉각 부재 (4)에서 떨어진 상태의 스탬퍼 (3)를 복사 가열함으로써 제1실시 형태와 비슷하게, 스탬퍼 (3)에서 냉각 부재 (4)에 대한 열 전도가 이루어지지 않음으로 스탬퍼 (3)를 효과적으로 가열할 수 있으며, 적외선이 개구부 (412)를 통과해서 냉각 부재 (4)가 적외선을 투과하므로 효율적으로 가열할 수 있어서 가열 시간을 단축할 수 있다. 나아가 본 실시 형태에서는 후술 하는 전사 공정에서도 가열하지만, 이 경우 스탬퍼 (3)를 미리 가열함으로써 전사 공정에서의 가열 시간을 단축할 수 있다.
<전사 공정>
다음에 성형 장치 (1e)는 도 9 (b)에 도시하는 바와 같이 복사 가열된 스탬퍼 (3)의 부형면 (31)의 구조를 기본 자재 (7)의 전사면 (71)에 전사한다 (전사 공정). 즉, 이 전사 공정에서 형죄임으로서 제2의 금형 (6)이 상승하고 기본자재 (7)의 전사면 (71)이 스탬퍼 (3)의 부형면 (31)과 접촉하고 이어서 스탬퍼 (3)가 밀어 올려지도록 하여 위쪽으로 이동하고 스탬퍼 (3)가 냉각 부재 (4)와 접촉한 상태로 전사면 (71)이 부형면 (31)에 눌려서, 부형면 (31)의 구조가 기본 자재 (7)의 전사면 (71)에 전사된다.
여기서 본 실시 형태에서는 스탬퍼 (3)는 두께가 수백 μm이며 기계적 강도가 낮기 때문에 냉각 부재 (4)가 스탬퍼 (3)와 접촉한 상태에서 전사된다. 이에 따라 스탬퍼 (3)가 변형하는 등의 상태를 방지할 수 있고, 전사 정밀도 등을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 전사 공정에서 스탬퍼 (3)가 복사 가열된다. 즉, 성형 장치 (1)는 도 9 (b)에 도시하는 바와 같이 셔터 (24)가 열리고 개구부 (412)가 라이트 파이프 (21)와 대응하는 위치에 강제 냉각판 (41)이 이동되고 있어서 가열 장치 (2)에서 조사된 적외선이 냉각 부재 (4)에 접촉한 상태의 스탬퍼 (3)를 복사 가열한다. 이에 따라 스탬퍼 (3)는, 전사 공정에서도 복사 가열되므로, 기본자재 (7)의 전사면 (71) 및 그 근방의 열 가소성 수지를 용융 또는 연화시킬 수 있어서 스탬퍼 (3)의 부형면 (31)의 구조가 기본 자재 (7)의 전사면 (71)에 전사된다.
<냉각 공정>
다음에 성형 장치 (1e)는 도 9 (c)에 도시하는 바와 같이 부형면 (31)을 전사면 (71)에 누른 상태에서 스탬퍼 (3)와 접촉하는 냉각 부재 (4)가 해당 스탬퍼 (3)를 냉각하여 기본자재 (7)를 고화 또는 경화시킨다 (냉각 공정). 즉, 본 실시 형태에서는, 셔터 (24)가 닫히고 강제 냉각판 (41)의 왼쪽 부분이 냉각 부재 (4)를 덮는 위치에 강제 냉각판 (41)이 이동되어 제2의 금형 (6)이 상승하고 스탬퍼 (3)가 냉각 부재 (4)와 접촉해서 스탬퍼 (3)가 냉각된다.
여기서 냉각 부재 (4)는 강제 냉각판 (41)에 의해서 냉각 부재 (4)의 온도 분포를 거의 균일하게 유지하면서 효율적으로 냉각되므로 냉각 시간을 더욱 줄일 수 있다.
또한 승온을 억제한 냉각 부재 (4)에 의해서 전사 후의 냉각을 효과적으로 할 수 있으므로, 성형품의 외관 불량 (예를 들면 융기부 등)의 발생을 방지하고 품질을 향상시킬 수 있다.
<이형 공정>
다음에 성형 장치 (1e)는 도 9(d)에 도시하는 바와 같이 부형면 (31)을 전사면 (71)에 누른 상태를 해제함으로써 성형품을 이형시킨다 (이형 공정). 즉, 이 이형 공정에서 제2의 금형 (6)이 강하하고, 스탬퍼 (3)가 냉각 부재 (4)에서 떨어져서 아래쪽으로 이동하고 이어 스탬퍼 (3)가 홀더 (52)에 계지되면, 전사면 (71)이 부형면 (31)에서 떨어지고 제2의 금형 (6)이 원점 위치까지 강하하고, 그 후, 기본자재 (7)가 반송되어 성형의 한 사이클이 종료된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 성형 장치 (1e)에 의하면 제1실시 형태의 성형 장치 (1)와 비슷한 효과를 거두는 동시에 강제 냉각판 (41)에 의해서 냉각 부재 (4)의 온도 분포를 거의 균일하게 유지하면서 냉각 부재 (4)를 효율적으로 냉각할 수 있어서 냉각 시간을 더욱 줄일 수 있다. 또한 승온을 억제한 냉각 부재 (4)에 의해서 성형품의 외관 불량 (예를 들면 융기부 등)의 발생을 방지하고 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 냉각 부재 (4)가 강제 냉각판 (41)에 의해서 강제 냉각되는 구성으로 되어 있지만, 전술한 각 실시 형태에서도, 냉매를 흐르게 하는 유로 (512)대신 강제 냉각판 (41)을 사용해서 강제 냉각을 해도 된다.
<실시예>
제1실시 형태의 실시예로서 상술한 성형 방법으로 기본자재 (7)에 요철 형상을 성형하였다.
기본자재 (7)는 재질을 폴리스티렌으로 하고 형상을 정사각형 (한 변의 길이=58mm, 판두께=3mm)으로 하였다.
또한 가열 장치 (2)는 라이트 박스 (22)의 조사구 (방사 조도 측정 면)이 정방형 (한 변의 길이가 70mm)이며, 길이가 150mm의 직육면체로 하였다. 또한, 광원 (23)은 5개의 막대 모양의 할로겐 히터 (1개의 출력은 1.5kW)를 길이 방향과 평행하게 배치하여 설치하였다. 또한 라이트 박스 (22)의 내면의 전 반사율을 95%로 하였다.
또한 냉각 부재 (4)의 재질을 사파이어로 하였다.
또한 스탬퍼 (3)는 재질을 Ni (니켈)로 하고, 부형면 (31)으로서 높이 50μm, 폭 50μm, 길이 2mm의 볼록 패턴을 간격 100μm으로 나란히 설치(設)하였다.
또한 프레스기로서, 저압 프레스기 (프레스 추력:10kN)를 사용하였다.
성형 장치 (1)는 가열 공정에서 1.0초간 복사 가열하고 전사 공정에서 2.5초간 복사 가열하고 냉각 공정에서 5.0초간 냉각하였다.
성형된 기본자재 (7)는 거의 자동적으로 이형 할 수 있고, 이형성이 양호하며 오목 패턴의 전사율은 96%였다. 또한 사이클 타임이 약 8.5초였다. 즉, 미세한 패턴을 정밀하게 전사할 수 있으며, 생산성을 대폭적으로 향상시킬 수 있었다.
<비교예>
비교예는 전술한 실시예와 비교하면 스탬퍼 (3)를 냉각 부재 (4)와 접촉하는 상태로 고정한 점, 가열 공정이 없고, 전사 공정에서 기본자재 (7)가 스탬퍼 (3)와 접촉하고 있는 상태로 복사 가열한 점 및 전사 공정에서 5.0초 복사 가열하고 냉각 공정에서 5.0초 또는 60.0초의 냉각을 한 점이 다르다. 또한 비교예의 다른 방법은 실시예와 거의 동일하게 하였다.
비교예의 성형된 기본자재 (7)는 5.0초간 냉각한 것에 대해서는 이형 할 수 있으나 중앙에 융기부 (외관 불량)가 형성되어 실제 제품에 적용할 수는 없었다. 또한 60.0초간 냉각한 것에 대해서는 외관 불량은 보이지는 않았으나 생산성 등이 요구되는 실제의 제조에 적용할 수는 없었다.
<가열 장치 및 가열 방법>
다음에 상기 가열 장치 (2)등에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
도 10은 본 발명에 사용되는 가열 장치를 설명하는 개략도이며 (a)는 정면도를 도시하고 (b)는 밑면도를 도시하고 있다. 또한 도 10에서 상기 가열 장치 (2)를 가열 장치 (1001)로 하였다.
도 10에서 가열 장치 (1001) (즉, 전술한 가열 장치 (2))는 단면 형상이 정사각형의 라이트 파이프 (1002)가 라이트 파이프 (1002)와 연결되어 단면 형상이 정사각형의 라이트 박스 (1003) 및 이 라이트 박스 (1003)내에 수용되는 광원 (1004)을 갖춘 구성으로 되어 있다.
이 가열 장치 (1001)는 광원 (1004)에서 조사되는 빛 (적외선 등을 포함)으로 피 조사 체 (도시하지 않음)를 가열한다.
<광원>
광원 (1004)은 할로겐 램프 등의 적외선 광원으로 되어 있고 효과적으로 복사 가열을 할 수 있다.
또한, 광원 (1004)로서 5개의 막대 모양의 할로겐 램프를 거의 등 간격으로 라이트 박스 (1003)의 내부에 나란히 설치하고 있다. 즉, 광원 (1004)이 막대 모양의 할로겐 램프이며 라이트 파이프 (1002)의 조사구 (1022)에서 조사되는 빛의 조사축이, 막대 모양의 할로겐 램프의 길이 방향과 직교하고 있다.
또한, 광원 (1004)은 할로겐 램프에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 복사 가열할 수 있는 광원이면 된다. 또한, 광원 (1004)의 형상, 갯수, 설치 방향 및 출력 등은 특히 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 피 조사체나 가열 온도 등에 따라 적절히 설정된다.
<라이트 박스>
라이트 박스 (1003)는, 단면 형상이 정사각형의 상자 모양이며 안쪽에 경면을 가진 판상 부재 (예를 들면 안쪽이 되는 면에 은도금 처리가 된 강판)으로 되어 있다. 단면 형상이란 조사 축과 직교하는 단면의 형상을 말한다.
이 라이트 박스 (1003)는 거의 직육면체 모양의 내부 공간 (1031)을 가지고 있어서 내부 공간 (1031)은 바닥이 정사각형 (한 변의 길이가 W3이다.)이며, 높이가 L3이다. 또한 라이트 박스 (1003)는 한쪽 면 (도 10 (a)에서는 하면) 중앙에 개구부 (1032)를 가지고 있으며 개구부 (1032)는 정사각형 (한 변의 길이가 W2이다.)이다.
또한, 라이트 박스 (1003)는 개구부 (1032)를 통해서 라이트 파이프 (1002)와 연통하도록 라이트 파이프 (1002)와 연결되어 있다.
또한 상술한 바와 같이 라이트 박스 (1003)는 내부에 광원 (1004)을 수용하고 있다. 즉, 5개의 막대 모양의 할로겐 램프는 내부 공간 (1031)의 높이 방향의 거의 중간의 위치에 거의 등간격으로 나란히 설치되어 있다.
또한, 상기의 치수 W3및 L3은 광원 (1004)을 수용할 수 있는 치수라면 되고, 적절히 설정된다. 따라서 예를 들면, L3>W3이라도 된다. 또한, 광원 (1004)은 내부 공간 (1031)의 높이 방향의 한 쪽측 (도 10 (a)에서는 위쪽 또는 아래쪽)에 설치되어도 된다.
여기서 라이트 박스 (1003)는, 단면 형상이 정사각형의 상자형상 (바닥이 있는 상자 모양)으로 되어 있으나, 광원 (1004)에서 방사된 적외선은 일부가 경면에 의해서 반사하지 않고 개구부 (1032)를 지나 라이트 파이프 (1002)에 진입한다.
또한, 그 이외의 적외선은 경면에 의한 1회 또는 2회 이상의 반사를 거친 뒤 개구부 (1032)를 지나 라이트 파이프 (1002)에 진입한다. 이 적외선은 직육면체 모양의 경면 (내부 공간 (1031)에 대응하는 경면)에 의한 반사에 의해서 균일화된 상태 (프리 믹스된 상태라고 부른다)에서 개구부 (1032)를 지나 라이트 파이프 (1002)에 진입한다. 이에 따라 가열 장치 (1001)는 균일화된 상태 (프리 믹스된 상태라고 부른다)의 적외선을 개구부 (1032)에 조사할 수 있다.
또한, 라이트 박스 (1003)의 단면 형상은 정사각형이지만 이에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 다각형이면 된다. 이렇게 하면 단면 형상을 원형으로 한 경우와 비교하면 개구부 (1032)의 중앙 (또는 중앙의 근방)에 적외선이 집중하는 문제를 피할 수 있어서, 균일화된 상태의 적외선을 개구부 (1032)에 조사할 수 있다.
또한 라이트 박스 (1003)의 단면 형상은 라이트 파이프의 동작 원리를 적절하게 실현할 수 있는 형상, 즉, 삼각형, 사각형, 정육각형 또는 평행 6변형 등인 것이 바람직하다. 이렇게 하면 단면 형상이 다각형 (즉, 삼각형, 사각형, 정육각형 또는 평행 6변형 등을 제외한 다각형)인 경우와 비해서 더욱 균일화된 상태의 적외선을 개구부 (1032)에 조사할 수 있다.
또한 라이트 파이프의 동작 원리를 적절히 실현할 수 있는 형상에 대해서는 후술 한다.
<라이트 파이프>
라이트 파이프 (1002)는 단면 형상이 정사각형의 통형상 (양끝이 열린 구멍인 통형상)로서, 안쪽에 경면을 가진 판상 부재 (예를 들면 안쪽이 되는 면에 은 도금 처리가 된 강판)로 되어 있다. 라이트 파이프 (1002)는 통상, 중공 경면체이지만 이에 한정되는 것이 아니고, 예를 들면 속이 채워진 투명체라도 된다. 또한, 단면 형상이란 조명 축과 직교하는 단면의 형상을 말한다.
이 라이트 파이프 (1002)는 거의 직육면체 모양의 내부 공간 (1021)을 가지고 있어서 내부 공간 (1021)은 바닥이 정사각형 (한 변의 길이가 W2이다.)이며, 높이가 L2이다. 또한 라이트 파이프 (1002)는 한쪽 끝 (도 10 (a)에서는 상부 끝)이 개구부 (1032)와 대응하도록 라이트 박스 (1003)와 연결되어 있다.
또한 W3>W2로 되어 있지만 이에 한정되는 것은 아니고 W3 W2라도 된다. 또한, 상기의 치수 W2및 L2는 적절히 설정된다. 따라서 예를 들면, W2> L2이라도 된다.
<라이트 파이프의 동작 원리>
여기서 라이트 파이프의 동작 원리를 적절하게 실현할 수 있는 형상 등에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
도 11은 라이트 파이프 (원기둥의 경우)의 동작 원리를 설명하는 개략도를 도시하고 있다.
도 11에서 원기둥 형상의 라이트 파이프는 동작 원리를 적절하게 이룰 수 없는 형상의 예시이다. 이 라이트 파이프는 중심축에 대해서 회전 대칭형이므로, 광원에서 나온 같은 입사각의 광속은 라이트 파이프로 반사해서 다시 중심축의 같은 장소에 모인다. 그리고 모든 입사각에 대해서 같은 현상이 일어나므로, 중심 축 상에서의 광속의 존재 확률이 높아지면서 방사 조도 분포는 중심축 위가 가장 높아지고 균일화된 상태로 광속을 조사할 수 없다.
도 12는 라이트 파이프 (네모 기둥의 경우)동작 원리를 설명하는 개략도를 도시하고 있다.
도 12에서 사각 기둥 형상의 라이트 파이프는 동작 원리를 적절하게 실현할 수 있는 형상의 예시이다. 이 라이트 파이프는 도 12 (a)의 정면도 및 (b)의 측면도에 도시하는 바와 같이 내부의 광원에서 나온 광속이, 예를 들면 두 번 반사해서 출구에 도달한다. 이 광속은 도 12 (c), (d)의 전개도로 나타낼 수도 있다. 즉, 반사가 없으면 도 12 (d)의 맨 위의 측면 (끝면)에 도달하는 광속이 반사에 의해서 가장 아래 측면 (끝면)에 접혀 있다고 생각할 수 있다. 그리고, 광원에서 나오는 모든 입사각의 광속에 대해서 같다고 할 수 있으므로, 가장 아래 측면 (끝면)에서는 균일화된 방사 조도 분포가 된다.
도 13은, 라이트 파이프 (정육각형 기둥 및 정오각형 기둥의 경우)의 동작 원리를 설명하는 개략도를 도시하고 있다.
도 13 (a)의 전개된 측면 (끝면)에서 정육각형 기둥 모양의 라이트 파이프는 동작 원리를 적절하게 실현할 수 있는 형상의 예시이다. 이 라이트 파이프는 도 12에 나타내는 사각 기둥 형상의 라이트 파이프와 마찬가지로 광원에서 나온 모든 광속이 반사에 의해서 중앙 측면 (끝면)에 접혀 지는 것을 알 수 있다. 즉, 정육각형 기둥 모양의 라이트 파이프의 측면 (끝면)에서는 균일화된 방사 조도 분포가 된다.
또한 도 13 (b)의 전개된 측면 (끝면)에서 정오각형 기둥 모양의 라이트 파이프는 동작 원리를 적절하게 실현할 수 없는 형상의 예시이다. 이 라이트 파이프는 전개된 측면 (끝면)에서 틈새가 발생하고 있으므로, 광원에서 나온 모든 광속이 반사에 의해서 중앙 측면 (끝면)에 접힐 때, 틈새만큼 성기거나 밀집됨(疎密)이 발생한다. 즉, 정오 각형 기둥 모양의 라이트 파이프의 측면 (끝면)에서는, 틈새만큼 성기거나 밀집됨이 발생하여 불균일한 방사 조도 분포가 된다.
상기 설명에서 전개된 측면 (끝면)에서 틈새가 발생하지 않는 라이트 파이프의 끝면 형상으로서 삼각형 (정사각형을 포함), 사각형 (정사각형, 직사각형, 평행 사변형을 포함), 평행 6변형에 대해서 중심을 지나는 직선으로 분할했을 때에 생기는 합동된 오각형, 정육각형 및 평행 6변형을 들 수 있다. 이들 라이트 파이프는 매우 높은 차원에서 균일화된 방사 조도 분포를 실현할 수 있다.
또한 끝면 형상이 삼각형, 사각형, 정육각형, 평행 6변형인 라이트 파이프는, 간단한 구조를 가지고 있으므로 쉽게 만들 수 있어서, 제조 원가의 코스트 다운을 도모할 수 있다.
라이트 파이프 (1002)는 끝면 형상이 정방형이므로 전술한 바와 같이, 아주 높은 레벨로 균일화된 방사 조도 분포를 실현할 수 있다.
또한 라이트 파이프 (1002)의 끝면 형상은 정사각형이지만 이에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 다각형이면 된다. 이렇게 하면 끝면 형상을 원형으로 한 경우와 비교하면 조사구 (1022)의 중앙 (또는 중앙의 근방)에 적외선이 집중하는 문제를 피할 수 있어서, 균일화된 상태의 적외선을 조사구 (1022)에서 조사할 수 있다.
또한, 라이트 파이프 (1002) 및 라이트 박스 (1003)의 끝면 형상은 라이트 파이프의 동작 원리를 적절하게 실현할 수 있는 상기의 형상인 것이 바람직하다. 이렇게 하면 매우 높은 수준에서 균일화된 방사 조도 분포를 실현할 수 있다.
여기서 바람직하게는 라이트 파이프 (1002)의 조사구 (1022)에서 조사되는 적외선이, 후술 하는 바와 같이, 스탬퍼 (1052)를 가열하는 구성으로 하면 좋다. 이렇게 하면 매우 높은 수준에서 균일화된 방사 조도 분포의 적외선에 의해서 큰 면적의 스탬퍼 (1052)의 구석구석까지 균일하게 복사 가열할 수 있다. 따라서 큰 면적의 스탬퍼 (1052)가 미세한 패턴의 부형면 (1521)을 가진 경우 역시 큰 면적의 전사면 (1061)에 대해서 구석구석까지 미세한 패턴을 정밀하게 전사할 수 있다.
또한 바람직하게는 가열 장치 (1001)는 후술 하는 바와 같이, 라이트 파이프 (1002)의 조사구 (1022)에서 조사되는 적외선을 차단하는 셔터 (1023)를 가지면 좋다. 이렇게 하면 셔터 (1023)의 온 오프에 의해서 조사 시간을 제어할 수 있고, 피 조사면의 온도 제어를 쉽게 할 수 있다.
다음에 상기 구성의 가열 장치 (1001)를 이용한 가열 방법 등에 대해 설명한다.
이 가열 방법은 가열 장치 (1001)를 사용하는 방법으로 되어 있고 라이트 박스 (1003)의 내부에 수용되는 광원 (1004)이, 빛 (적외선을 포함)을 조사하고, 조사된 빛이 라이트 박스 (1003)와 연결된 라이트 파이프 (1002)를 지나 그 라이트 파이프 (1002)의 조사구 (1022)에서 조사되어 조사구 (1022)에서 조사된 빛이 피 조사면을 가열하는 방법으로 되어 있다.
또한 상술한 바와 같이 라이트 파이프 (1002) 및 라이트 박스 (1003)의 끝면 형상은 정사각형으로 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 다각형이라도 된다.
가열 장치 (1001)는 라이트 박스 (1003)의 내부에 수용된 광원 (1004)이 적외선을 방사한다.
광원 (1004)에서 방사된 적외선은 일부가 라이트 박스 (1003)의 경면에 의해서 반사하지 않고 개구부 (1032)를 지나 라이트 파이프 (1002)에 진입한다. 또한, 그 이외의 적외선은 경면에 의한 1회 또는 2회 이상의 반사를 거친 후 개구부 (1032)를 지나 라이트 파이프 (1002)에 진입한다. 이 적외선은 직육면체 모양의 경면 (내부 공간 (1031)에 대응하는 경면)에 의한 반사에 의해서 균일화된 상태 (프리 믹스된 상태라고 부른다)에서 개구부 (1032)를 지나 라이트 파이프 (1002)에 진입한다. 이에 따라 가열 장치 (1001)는 균일화된 상태 (프리 믹스된 상태라고 부른다)의 적외선을 개구부 (1032)에 조사할 수 있다.
또한 가열 장치 (1001)는 라이트 박스 (1003)의 끝면 형상을 정사각형으로 하였으므로 매우 높은 수준에서 균일화된 적외선을 개구부 (1032)에 조사할 수 있다.
개구부 (1032)에 조사된 적외선은 라이트 박스 (1003)와 연결된 라이트 파이프 (1002)를 지나 그 라이트 파이프 (1002)의 조사구 (1022)에서 조사된다. 이 때 개구부 (1032)에서 진입한 적외선은 일부가 라이트 파이프 (1002)의 경면에 의해서 반사하지 않고 조사구 (1022)에서 조사된다. 또한, 그 이외의 적외선은 경면에 의한 1회 또는 2회 이상의 반사를 거친 후 조사구 (1022)에서 조사된다. 이 적외선은 직육면체 모양의 경면 (내부 공간 (1021)에 대응하는 경면)에 따른 반사로 균일화된 상태 (더욱 혼합된 상태라고 부른다)에서 조사구 (1022)에서 조사된다.
또한 가열 장치 (1001)는 라이트 파이프 (1002)의 끝면 형상을 정사각형으로 하였으므로 매우 높은 수준에서 균일화된 적외선을 조사구 (1022)에서 조사할 수 있다.
또한 가열 장치 (1001)에서는 라이트 파이프 (1002) 및 라이트 박스 (1003)가 라이트 파이프의 동작 원리를 적절하게 실현할 수 있는 형상으로서 되어 있으므로, 보다 높은 수준에서 균일화된 적외선을 조사구 (1022)에서 조사할 수 있다. 또한 라이트 박스 (1003)를 가짐으로써, 빛은 프리 믹스되어 있으므로 라이트 파이프 (1002)의 길이 (L2)를 짧게 해도 높은 레벨로 균일화된 적외선을 조사구 (1022)에서 조사할 수 있어서 가열 장치 (1001)의 소형화를 도모할 수 있다. 또한 적외선은 경면에 의한 반사에 따라, 파워 손실이 발생하지만, 라이트 파이프 (1002)의 길이 (L2)를 짧게 함으로써 파워 손실을 줄일 수 있다.
조사구 (1022)에서 조사된 적외선은 피 조사면 (도시하지 않음)을 높은 레벨로 균일하게 가열할 수 있다. 즉, 가열 장치 (1001)는 예를 들면, 큰 면적의 스탬퍼 (1052)를 가열하는 경우 등에서 매우 높은 수준에서 균일화된 방사 조도 분포의 적외선에 의해서 큰 면적의 스탬퍼 (1052)를 균일하게 복사 가열할 수 있다. 따라서 스탬퍼 (1052)가 미세한 패턴의 부형면 (1521)을 가진 경우라도 큰 면적의 전사면에 대해서 균일한 전사율로 전사할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 가열 장치 (1001) 및 가열 방법에 따르면 광원 (1004)으로부터의 빛을 피 조사면에 균일하게 조사하고, 피 조사면을 고르게 가열할 수 있다. 또한 라이트 파이프 (1002) 및 라이트 박스 (1003)는 간단한 구조로 되어 있으므로 쉽게 만들 수 있고, 제조 원가의 코스트 다운을 도모할 수 있다.
또한 라이트 파이프 (1002) 및 라이트 박스 (1003)의 끝면 형상을 정사각형으로 하였으나 이에 한정되는 것이 아니고, 다른 다각형이라도 된다. 예를 들면, 라이트 파이프 (1002)의 끝면 형상을 정육각형으로 하고 라이트 박스 (1003)의 끝면 형상을 정삼각형로 해도 된다. 이렇게 하면, 광원 (1004)의 형상 등에 따라 라이트 박스 (1003)의 끝면 형상을 설정할 수 있으며, 또한 피 조사면의 형상 등에 따라 라이트 파이프 (1002)의 끝면 형상을 설정할 수 있으므로 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다.
또한 도 10 (b)에서 나타내듯이 라이트 박스 (1003)의 끝면 형상과 라이트 파이프 (1002)의 끝면 형상의 크기는 다르며, 라이트 박스 (1003)의 끝면 형상이 라이트 파이프 (1002)의 끝면 형상보다 크다 (즉, 라이트 파이프 (1002)의 끝면 형상을 중심 주위에 회전 시켜도 라이트 박스 (1003)의 끝면 형상의 내부에 수용된다.). 이렇게 하면, 예를 들면, 할로겐 램프의 갯수를 늘림으로써 조사구 (1022)에서 조사되는 빛의 에너지 밀도를 높일 수 있고 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다. 각 끝면 형상의 크기는 상기에 한정되는 것은 아니다.
다음에, 라이트 박스 (1003) 및 라이트 파이프 (1002)의 끝면 형상의 크기에 관계된 응용예에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
<가열 장치의 제1 응용예>
도 14는 제 1 응용예에 관한 가열 장치를 설명하는 개략도이며 (a)는 정면도를 도시하고 (b)는 하면도를 도시하고 있다.
도 14에서 제 1 응용예의 가열 장치 (1001a)는 전술한 가열 장치 (1001)와 비교하면 라이트 파이프 (1002)대신 라이트 파이프 (1002a)를 갖춘 점 등이 다르다. 또한 본 응용예의 다른 구성은 가열 장치 (1001)와 거의 동일하다.
따라서 도 14에서 도 10과 같은 구성부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 그 상세한 설명을 생략한다.
라이트 파이프 (1002a)는 끝면 형상이 정사각형의 통형상 (양끝이 열린 구멍인 통형상)으로서, 안쪽에 경면을 가진 판상 부재 (예를 들면 안쪽이 되는 면에 은 도금 처리가 된 강판)로 되어 있다.
이 라이트 파이프 (1002a)는 거의 직육면체 모양의 내부 공간 (1021a)을 가지고 있어서 내부 공간 (1021a)은 바닥면이 정사각형 (한 변의 길이가 W2a이다.)이며, 높이가 L2a이다. 또한 라이트 파이프 (1002a)는 한쪽 끝 (도 14 (a)에서는 상부 끝)이 개구부 (1032a)와 대응하도록 라이트 박스 (1003)와 연결되어 있다.
또한 W3≒W2a(즉, 라이트 박스 (1003) 및 라이트 파이프 (1002a)의 끝면의 크기를 거의 같게 하고 있다.)로 되어 있고 이 조건을 만족하면서, 상기의 치수 W2a및 L2a는 적절히 설정된다.
가열 장치 (1001a)는 라이트 박스 (1003)의 내부에 수용된 광원 (1004)이 적외선을 방사하다. 이 가열 장치 (1001a)는 상술한 바와 같이 라이트 박스 (1003)의 끝면 형상을 정사각형으로 하고 있어서 매우 높은 수준에서 균일화된 상태 (프리 믹스된 상태라고 부른다)의 적외선을 개구부 (1032a)에 조사할 수 있다. 개구부 (1032a)는 한 변의 길이가 W2a인 정사각형 모양으로 되어 있다.
개구부 (1032a)에 조사된 적외선은 라이트 박스 (1003)와 연결된 라이트 파이프 (1002a)를 지나 그 라이트 파이프 (1002a)의 조사구 (1022a)에서 조사된다. 이 때 개구부 (1032a)에서 진입한 적외선은 일부가 라이트 파이프 (1002a)의 경면에 반사하지 않고 조사구 (1022a)에서 조사된다. 또한, 그 이외의 적외선은 경면에 의한 1회 또는 2회 이상의 반사를 거친 후 조사구 (1022a)에서 조사된다. 이 적외선은 직육면체 모양의 경면 (내부 공간 (1021a)에 대응하는 경면)에 의한 반사로 균일화된 상태 (혼합된 상태라고 부른다)에서 조사구 (1022a)에서 조사된다.
또한 가열 장치 (1001a)는 라이트 파이프 (1002a)의 끝면 형상을 정사각형으로 하였으므로 매우 높은 수준에서 균일화된 적외선을 조사구 (1022a)에서 조사할 수 있다.
이와 같이 본 응용예의 가열 장치 (1001a)에 의해서도 상기 가열 장치 (1001)와 거의 비슷한 효과를 얻을 수 있다. 광원 (1004)으로부터의 빛을 피 조사면에 균일하게 조사하고, 피 조사면을 고르게 가열할 수 있다. 도시하지 않았으나, W3=W2a(즉, 라이트 박스 (1003) 및 라이트 파이프 (1002)의 끝면의 크기를 같게 하고 있다.)이라고 해도 되고, 이에 따라 라이트 파이프 (1002a) 및 라이트 박스 (1003)가 더욱 간단한 구조로 되어, 쉽게 만들 수 있고, 제조 원가의 코스트 다운을 도모할 수 있다.
<가열 장치의 제2응용예>
도 15는 제2응용예에 관한 가열장치를 설명하는 개략도이며 (a)는 정면도를 도시하고
(b)는 하면도를 도시하고 있다.
도 15에서 제2응용예의 가열 장치 (1001b)는 전술한 가열 장치 (1001)와 비교하면 라이트 파이프 (1002)대신 라이트 파이프 (1002b)를 갖춘 점 등이 다르다. 또한 본 응용예의 다른 구성은 가열 장치 (1001)와 거의 동일하다.
따라서 도 15에서 도 10과 같은 구성부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여 그 상세한 설명을 생략한다.
라이트 파이프 (1002b)는 끝면 형상이 정사각형의 통형상 (양끝이 열린 구멍인 통형상)으로서, 안쪽에 경면을 가진 판상 부재 (예를 들면 안쪽이 되는 면에 은 도금 처리가 된 강판)로 되어 있다.
이 라이트 파이프 (1002b)는 거의 직육면체 모양의 내부 공간 (1021b)을 가지고 있고 내부 공간 (1021b)은 바닥면이 정사각형 (한 변의 길이가 W2b이다.)이며, 높이가 L2b이다. 또 라이트 파이프 (1002b)는 한쪽 끝 (도 15 (a)에서는 상부 끝)이 개구부 (1032b) (한 변의 길이가 W3의 정사각형 모양이다.)와 대응하도록 라이트 박스 (1003)와 연결되어 있다.
또한 W3<W2b (즉, 라이트 파이프 (1002b)의 단면의 크기를, 라이트 박스 (1003)의 단면적보다 크게 하고 있다.)로 되어 있고 이 조건을 만족하면서, 상기의 치수 W2b및 L2b는 적절히 설정된다.
가열 장치 (1001b)는, 라이트 박스 (1003)의 내부에 수용된 광원 (1004)이 적외선을 방사한다. 이 가열 장치 (1001b)는 상술한 바와 같이 라이트 박스 (1003)의 끝면 형상을 정사각형으로 하였으므로 매우 높은 수준에서 균일화된 상태 (프리 믹스된 상태라고 부른다)의 적외선을 개구부 (1032b)에 조사할 수 있다.
개구부 (1032b)에 조사된 적외선은 라이트 박스 (1003)와 연결된 라이트 파이프 (1002b)를 지나 그 라이트 파이프 (1002b)의 조사구 (1022b)에서 조사된다. 이 때 개구부 (1032b)로 진입한 적외선은 일부가 라이트 파이프 (1002b)의 경면에 의해서 반사하지 않고 조사구 (1022b)에서 조사된다. 또한, 그 이외의 적외선은 경면에 의한 1회 또는 2회 이상의 반사를 거친 뒤 조사구 (1022b)에서 조사된다. 이 적외선은 직육면체 모양의 경면 (내부 공간 (1021b)에 대응하는 경면)에 의한 반사에 의해서 균일화된 상태 (혼합된 상태라고 부른다)에서 조사구 (1022b)에서 조사된다.
또한 가열 장치 (1001b)는 라이트 파이프 (1002b)의 끝면 형상을 정사각형으로 하였으므로 매우 높은 수준에서 균일화된 적외선을 조사구 (1022)b에서 조사할 수 있다.
이와 같이 본 응용예의 가열 장치 (1001b)에 의해서도 상기 가열 장치 (1001)와 비슷한 효과를 얻을 수 있고, 광원 (1004)으로부터 빛을 피 조사면에 균일하게 조사해서, 피 조사면을 고르게 가열할 수 있다.
또한 도 15 (b)에 도시하는 바와 같이 라이트 박스 (1003)의 끝면 형상과 라이트 파이프 (1002b)의 끝면 형상의 크기는 다르며, 라이트 박스 (1003)의 끝면 형상이 라이트 파이프 (1002)의 끝면 형상보다 작다 (즉, 라이트 박스 (1003)의 끝면 형상을 중심 주위에 회전 시켜도 라이트 파이프 (1002b)의 끝면 형상의 내부에 수용된다.). 이렇게 하면, 예를 들면, 피 조사면이 큰 경우 (예를 들면, 광원 (1004)보다 큰 경우)라도 쉽게 대응할 수 있고 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다.
<성형 장치 및 플라스틱 성형품의 성형 방법>
또한 전술한 가열 장치 (1001)등을 성형 장치 및 플라스틱 성형품의 성형 방법에 사용하는 것은 유효하다.
도 16은 가열 장치를 사용한 성형 장치를 설명하기 위한 주요부의 개략 단면도를 도시하고 있다.
도 16에서 성형 장치 (1010)는 전술한 가열 장치 (1001)와 이 가열 장치 (1001)에서 조사된 적외선을 투과하는 적외선 투과 부재 (1051) 및 해당 적외선 투과 부재 (1051)를 투과한 적외선에 의해서 복사 가열되는 스탬퍼 (1052)를 가진 금형 (1005)과, 고화된 플라스틱 기판 (1006)의 전사면 (1061)에 스탬퍼 (1052)의 부형면 (1521)을 누르는 프레스 수단 (도시하지 않음)을 갖추고 있다.
또한 통상 플라스틱 기판 (1006)의 재질을 폴리 에틸렌 테레프탈레이트 등의 결정성 수지로 하고 있지만 이에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 비결정성 수지로도 된다. 또한, 비결정성 수지를 사용하는 경우, 후술 하는 고화 공정은 경화 공정이라고 호칭된다.
<가열 장치>
도 16에 도시한 가열 장치 (1001)는 전술한 가열 장치와 비교하면 셔터 (1023)를 갖춘 점 등이 다르다. 또한 다른 구성은 도 10에 도시한 가열 장치 (1001)와 거의 동일하다.
따라서 도 16에서 도 10과 같은 구성부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 그 상세한 설명을 생략한다.
셔터 (1023)는 윗면에 경면을 가진 거의 직사각형 모양의 판상 부재 (예를 들면 윗면에 은 도금 처리가 된 강판)로 되어 있으며 왕복 이동 방향의 길이가 W2+수 mm~수십 mm이며 왕복 이동 방향과 직교하는 방향의 길이가 거의 W2이다. 이 셔터 (1023)는, 라이트 파이프 (1002)의 외측에 위치한 끝부 (도 16에서는 오른쪽 끝부)가 왕복 이동 수단 (도시하지 않음)과 연결되어 있다, 셔터 (1023)는 보통 라이트 파이프 (1002)의 아래쪽에 설치되어 있다. 다만 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 라이트 파이프 (1002)의 중간단이나 위쪽에 설치되어도 된다.
또한 셔터 (1023)는 왼쪽 측면을 경면으로 하고, 오른쪽으로 이동시켰을 때, 이 경면이 라이트 파이프 (1002)의 경면과 같은 면을 형성하는 구성으로도 된다. 이에 따라 셔터 (1023)를 설치해도 조사의 균일화에 악영향을 미친다고 하는 문제를 막을 수 있다.
또한 셔터 (1023)는 왕복 이동 하는 구성으로 되어 있으나 이에 한정되는 것이 아니고 예를 들면 도시하지 않았지만, 복수의 개구부가 형성된 원판을 회전시키는 구성으로 해도 된다.
또한 도시하지 않았지만, 셔터 (1023)가 오프 (닫혀 있음)일 때 셔터 (1023)의 아래쪽 내부 공간 (1021)에, 예를 들면, 냉풍을 순환시켜서 적외선 투과 부재 (1051)를 냉각해도 된다. 이에 따라 스탬퍼 (1052)가 빠르게 냉각되어 성형 장치 (1010)로서의 생산성을 향상시킬 수 있다.
<금형>
금형 (1005)은 상형 (上型, 1050) 및 하형 (下型, 1055)을 가지고 있다. 이 상형 (1050) 및 하형 (1055)은 도시하지 않았으나 프레스 수단 (예를 들면, 저압 프레스기 (프레스 압력:1.0MPa))에 장착되어 있다.
상형 (1050)은 상면 측에 거의 판형상의 적외선 투과 부재 (1051)가 매설 (埋設, 뭍혀서 설치)되어 하면 측에 거의 판형상의 스탬퍼 (1052)가 매설되어 있다.
또한, 적외선 투과 부재 (1051)는 Si, Al2O3(사파이어), ZnSe 등의 적외선 투과 재료로 이루어져있으며 조사구 (1022)에서 조사된 적외선을 투과한다.
또한 스탬퍼 (1052)는 재질이 통상 Ni와 Si이며, 두께가 보통 수백 μm이다. 이 스탬퍼 (1052)는 하면에 부형면 (1521)을 가지고 있고 부형면 (1521)에 오목부 (1522) 및 볼록부 (1523)가 형성되어 있다, 윗면에 흑색 막 (1524)이 형성되어 있어서 적외선을 효율적으로 흡수한다. 이로써 스탬퍼 (1052)의 부형면 (1521)은 적외선 복사 가열에 의해서 고르고 신속하게 가열된다. 또한 흑색 막 (1524)을 형성하는 구성으로 되어 있지만 이에 한정되는 것이 아니고 예를 들면 스탬퍼 (1052)가 유색 막 및/또는 도금 피막을 가진 구성으로도 된다. 유색 막으로서, 실리콘계 흑색 도료 등을 들 수 있다. 또한, 도금 피막으로서 무전해 Ni도금, 검은 색 Cr도금 등을 들 수 있다.
또한 하형 (1055)은 윗면에 플라스틱 기판 (1006)에 대응하는 형상의 오목 (凹)부가 형성되어 있고 이 오목부에 플라스틱 기판 (1006)이 위치 결정된 상태로 놓인다.
또한 적외선 투과 부재 (1051) 및 스탬퍼 (1052)의 형상, 두께, 개수 등은 특히 한정되는 것은 아니고 예를 들면 도시하지 않았지만, 하나의 상형 (1050)에 복수의 적외선 투과 부재 (1051) 및 스탬퍼 (1052)를 배치하여 설치해도 된다.
또한, 적외선 투과 부재 (1051)는, 적외선 조사 종료 후 히트 싱크로서 기능한다. 즉, 가열된 스탬퍼 (1052), 피가열부 (1062)의 열을 재빨리 빼앗아, 피가열부 (1062)의 온도를 이형 가능한 온도까지 빠르게 냉각하므로 성형 사이클을 줄일 수 있다.
다음에, 가열 장치 (1001)를 사용한 플라스틱 성형품의 성형 방법 및 상기 구성의 성형 장치 (1010)의 동작 등에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
도 17은 가열 장치를 사용한 플라스틱 성형품의 성형 방법을 설명하기 위한 주요부의 개략 단면도를 도시하고 있다.
이 플라스틱 성형품의 성형 방법은 성형 장치 (1010)를 사용하는 방법으로 되어 있고 고화(固化)된 플라스틱 기판 (1006)에 대해서 스탬퍼 (1052)의 부형면 (1521)을 플라스틱 기판 (1006)의 전사면 (1061)에 누른 상태에서 가열 장치 (1001)에서 조사된 적외선에 의해서 스탬퍼 (1052)를 복사 가열해서, 부형면 (1521)의 구조를 전사면 (1061)에 전사하는 공정과, 부형면 (1521)을 전사면 (1061)에 누른 상태에서, 플라스틱 기판 (1006)을 고화시키는 공정과, 누른 상태를 해제함으로써 플라스틱 성형품 (성형된 플라스틱 기판 (1006))을 이형 시키는 공정을 가진 방법으로 되어 있다.
상기와 같이 이 플라스틱 성형품의 성형 방법은 플라스틱 기판 (1006)에 대해서 가열 장치 (1001) 및 금형 (1005)등을 사용해서 엠보스 성형을 하는 성형 방법이며, 전사 공정, 고화 공정 및 이형 공정을 가지고 있다.
먼저, 성형 장치 (1010)는 도 16에 나타내는 대기 상태에 있다. 즉, 성형 장치 (1010)는 광원 (1004)이 적외선을 조사하고 있으며, 셔터 (1023)가 오프 (닫힌 상태)로 되어 있다. 또한 프레스 수단에 의해서 상형 (1050)과 하형 (1055)은, 떨어져 있으며, 하형 (1055)에 플라스틱 기판 (1006)이 놓여 있다.
<전사 공정>
전사 공정은 고화한 플라스틱 기판 (1006)에 대해서 스탬퍼 (1052)의 부형면 (1521)을 플라스틱 기판 (1006)의 전사면 (1061)에 누른 상태에서 가열 장치 (1001)에서 조사된 적외선에 의해서 스탬퍼 (1052)를 복사 가열하여, 부형면 (1521)의 구조를 전사면 (1061)에 전사된다.
즉 도 17 (a)에 도시하는 바와 같이 프레스 수단에 의해서 상형 (1050) 및/또는 하형 (1055)을 이동시켜서 부형면 (1521)을 플라스틱 기판 (1006)의 전사면 (1061)에 누른 상태에서 적외선을 조사하여 (셔터 (1023)를 온 (열린 상태)하여), 스탬퍼 (1052)를 복사 가열한다. 이 때, 상술한 바와 같이 가열 장치 (1001)는 균일화된 상태의 적외선을 조사구 (1022)로부터 조사하고, 이 적외선은 적외선 투과 부재 (1051)를 투과해서, 균일화된 상태를 유지하면서, 또는 더욱 균일화된 상태에서 스탬퍼 (1052)에 조사되어 스탬퍼 (1052)를 균일하게 복사 가열할 수 있다.
또한 누르는 타이밍과 적외선을 조사하는 타이밍은 통상 거의 동시, 또는, 적외선을 조사하는 타이밍이 누르는 타이밍보다 빠르지만, 이에 한정되는 것이 아니고 예를 들면 플라스틱 기판 (1006)의 재질, 오목부 (1522) 및 볼록부 (1523)의 형상, 적외선 출력 등에 따라 조정된다.
또한, 적외선은 적외선 투과 부재 (1051)를 투과하므로 적외선 투과 부재 (1051)는 거의 가열되지 않고 강철제인 상형 (1050)은 적외선이 조사되지 않기 때문에 가열되지 않는다.
또한 스탬퍼 (1052)가 가열되면 스탬퍼 (1052)와 접촉하고 있는 플라스틱 기판 (1006)의 전사면 (1061)에 열이 전해져서 전사면 (1061)은 균일하게 가열된다. 또한 상기의 "전사면이 가열된다."란 “전사면 및 그 전사면에서 소정의 깊이 (통상, 부형면 (1521)의 가장 높은 볼록부 (1523)에서 가장 깊은 오목부 (1522)까지의 거리의 1.5배 이상 5배 이하의 깊이)까지의 영역만이 가열된다"는 의미이다.
따라서 스탬퍼 (1052), 전사면 (1061) 및 전사면 (1061)으로부터 소정의 깊이까지의 영역 (피 가열부 (1062))만이 국소적이며 단시간에 가열된다. 또한 가열되는 영역이 한정적이라면, 그 열 용량도 적어지므로, 적외선 조사를 정지하면 열은 열 전도율이 높은 적외선 투과 부재 (1051) 및 상형 (1050)순으로 이동하고 피 가열 영역은 단시간에 냉각된다. 즉, 가열 및 냉각에 소요되는 시간을 단축할 수 있고 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한 부분적인 과열 불량이나, 냉각 불량이 발생하지 않으므로 큰 면적의 전사면 전역에 걸쳐서 균일한 전사율로 전사할 수 있다.
이어서 도 17 (b)에 도시하는 바와 같이 피가열부 (1062)가 용융하여 점도가 저하된 수지가 부형면 (1521)의 오목부 (1522)에 들어가서 전사된다.
<고화 공정>
다음에 도 17 (c)에 도시하는 바와 같이 부형면 (1521)을 전사면 (1061)에 누른 상태에서 적외선 조사를 정지하고 (셔터 (1023)를 오프 (닫은 상태)하고), 플라스틱 기판 (1006) (용융된 피가열부 (1062))를 고화시킨다.
이 때, 상술한 바와 같이 스탬퍼 (1052), 전사면 (1061) 및 전사면 (1061)으로부터 소정의 깊이까지의 영역 (피가열부 (1062))만을 가열하고 있으며 (도 17 (b)참조), 상형 (1050) 및 적외선 투과 부재 (1051)는 거의 승온하고 있지 않으므로 용융된 피가열부 (1062)는 단시간에 냉각되어 고화한다. 즉, 냉각 시간을 단축할 수 있고 생산성을 향상시킬 수 있다.
<이형 공정>
다음에 도 17 (d)에 도시하는 바와 같이 프레스 수단에 의해서 상형 (1050) 및 또는 하형 (1055)을 이동시키고 부형면 (1521)을 전사면 (1061)에 누른 상태를 해제함으로써 플라스틱 성형품 (볼록부 (1063) 및 오목부 (1064)의 성형된 플라스틱 기판 (1006))을 이형시킨다.
이상 설명한 바와 같이, 성형 장치 (1010) 및 플라스틱 성형품의 성형 방법에 따르면 스탬퍼 (1052)를 균일하게 가열함으로써 부형면 (1521)의 미세한 패턴을 큰 면적의 피 조사면 전 영역에 걸쳐서 균일한 전사율로 전사할 수 있다. 가열 및 냉각에 소요되는 시간을 단축할 수 있고 생산성을 향상시킬 수 있다.
<라이트 박스의 실시예>
전술한 가열 장치 (1001)의 라이트 박스의 실시예로서 라이트 박스 출구 (방사 조도 측정 면)의 방사 성능 계산 (수치 해석)을 하였다.
라이트 박스는 도 18 (a)에 도시한 구조로 하였다. 즉, 라이트 박스는 출구 (방사 조도 측정 면)이 정사각형 (한 변의 길이 (라이트 박스 폭)이 W)이며, 길이가 140mm의 직육면체로 하였다. 또한, 광원은 5개의 막대 모양의 할로겐 히터 (1개의 출력은 1.5kW)를 길이 방향과 평행하게 배치하여 설치하였다. 또한 라이트 박스의 내면의 전 반사율을 95%로 하였다.
상기 라이트 박스에 대해서 해석 소프트 (상품명:ZEMAX)를 사용하여 라이트 박스 폭 W (50~130mm)에 대한 방사 속 (radiant flux, 단위는 W (와트))를 산출하였다. 또한 방사 속은 출구 (방사 조도 측정 면)에서 출력되는 값이다.
산출한 결과는 도 19 (a)에 도시하는 바와 같이
W=50mm에서 방사 속 = 약 4580W
W=70mm에서 방사 속 = 약 5060W
W=100mm에서 방사 속 = 약 5490W
W=130mm에서 방사 속 = 약 5770W
였다.
또한, 상기의 라이트 박스에 대해서 해석 소프트 (상품명:ZEMAX)를 사용하여 라이트 박스 폭 W (50~130mm)에 대한 조도 분포를 산출하였다. 또한, 조도 분포는 다음에 정의한 CV (단위는 %)를 사용하여 평가하였으나 출구 (방사 조도 측정 면)에서의 방사 조도 분포가 작을수록 (불균형이 적을수록) CV는 작은 값을 취하고 클수록 (불균형이 클수록)CV는 큰 값을 취한다.
[수학식 1]
Figure pct00001
CV : 변동계수 (%)
Figure pct00002
: 측정면 내의 방사조도 표준편차
Figure pct00003
: 측정면 내의 방사조도 평균치
산출한 결과는 도 19 (b)에 도시하는 바와 같이
W=50mm에서 조도 분포 CV=약 3.6%
W=70mm에서 조도 분포 CV=약 3.9%
W=100mm에서 조도 분포 CV=약 7.0%
W=130mm에서 조도 분포 CV=약 11.8%
였다.
<라이트 박스의 비교예>
전술한 가열 장치 (1001)의 라이트 박스의 비교예로서 라이트 박스 출구 (방사 조도 측정 면)의 방사 성능 계산 (수치 해석)을 하였다.
라이트 박스는 도 18 (b)에 나타내는 구조로 하였다. 즉, 라이트 박스는 출구 (방사 조도 측정 면)가 원형 (지름이 56.5mm)이며, 길이가 140mm의 바닥이 있는 (有) 원통형으로 하였다. 또한, 광원은 5개의 막대 모양의 할로겐 히터 (1개의 출력은 1.5kW)를 길이 방향과 평행하게 배치하여 설치하였다. 또한 라이트 박스의 내면의 전 반사율을 95%로 하였다.
상기 라이트 박스에 대해서 해석 소프트 (상품명:ZEMAX)를 사용하여 복사 속 (단위는 W (와트)을 산출하였다. 또한 복사 속은 출구 (방사 조도 측정 면)에서 출력되는 값이다.
산출한 결과는 도 19 (a)에 도시하는 바와 같이 방사 속 = 약 4790W였다.
또한, 상기 라이트 박스에 대해서 해석 소프트 (상품명:ZEMAX)를 사용하여 조도 분포 CV (단위는%)를 산출하였다.
산출한 결과는 도 19 (b)에 도시하는 바와 같이 조도 분포 CV=약 17.6%였다.
상기 라이트 박스의 실시예 및 비교예에서 라이트 박스의 단면 형상을 정사각형으로 함으로써, 빛의 프리 믹스 효과가 가시화되었다. 즉, 실시예 W=70mm이상인 경우 비교예에 대해서 벙사 속은 많아지고 조도 분포는 크게 균일화하였으므로, 하이 파워, 그리고 균일한 조사가 실현 가능하다는 결과를 얻었다.
<가열 장치의 실시예>
상기 가열 장치 (1001)의 실시예로서 라이트 파이프 출구 (방사 조도 측정 면)의 복사 성능 계산 (수치 해석)을 하였다.
가열 장치는 도 20 (a)에 나타내는 구조로 하였다. 즉, 라이트 박스는, 출구가 정사각형 (한 변의 길이 (라이트 박스 폭)이 70mm)이며, 길이가 140mm의 직육면체로 하였다. 또한, 광원은 5개의 막대 모양의 할로겐 히터 (1개의 출력은 1.5kW)를 길이 방향과 평행하게 배치하여 설치하였다. 또한 라이트 박스의 내면의 전 반사율을 95%로 하였다.
또한, 라이트 박스와 연결되는 라이트 파이프는, 출구 (방사 조도 측정 면)가 정사각형 (한 변의 길이 (라이트 박스 폭)이 70mm)이며, 길이 (라이트 파이프 길이)가 Lmm의 직육면체로 하였다. 또한 라이트 파이프의 내면의 전 반사율을 95%로 하였다.
상기 가열 장치에 대해서 해석 소프트 (상품명:ZEMAX)를 사용하고 라이트 파이프 길이 L (0~180mm)에 대한 방사 속 (단위는 W (와트)을 산출하였다. 또한 복사 속은 출구 (방사 조도 측정 면)에서 출력하는 값이다.
산출한 결과는 도 21 (a)에 도시하는 바와 같이
L=0mm에서 방사 속 약 5050W
L=30mm에서 방사 속 약 4700W
L=60mm에서 방사 속 약 4430W
L= 90mm에서 방사 속 약 4190W
L=120mm에서 방사 속 약 3970W
L=150mm에서 방사 속 약 3770W
L=180mm에서 방사 속 약 3590W
였다.
또한, 상기의 가열 장치에 대해서 해석 소프트 (상품명:ZEMAX)를 사용하고 라이트 파이프 길이 L (0~180mm)에 대한 조도 분포 CV (단위는%)를 산출하였다. 또한, 조도 분포 CV는 작을수록 출구 (방사 조도 측정 면)에서의 방사 조도가 균일하고, 또한 클수록 출구 (방사 조도 측정 면)에서의 방사 조도가 불균일하다.
산출한 결과는 도 21 (b)에 도시하는 바와 같이
L=0mm에서 조도 분포 CV=약 4.0%
L=30mm에서 조도 분포 CV=약 3.2%
L=60mm에서 조도 분포 CV=약 3.3%
L=90mm에서 조도 분포 CV=약 3.3%
L=120mm에서 조도 분포 CV=약 3.4%
L=150mm에서 조도 분포 CV=약 3.3%
L=180mm에서 조도 분포 CV=약 3.4%
였다.
<가열 장치의 비교예>
상기 가열 장치 (1001)의 비교예로서 라이트 파이프 출구 (방사 조도 측정 면)의 방사 성능 계산 (수치 해석)을 하였다.
가열 장치는 도 20 (b)에 나타내는 구조로 하였다. 즉, 라이트 박스는, 출구가 원형 (지름이 56.5mm)이며, 길이가 140mm의 바닥이 있는 원통형으로 하였다. 또한, 광원은 5개의 막대 모양의 할로겐 히터 (1개의 출력은 1.5kW)를 길이 방향과 평행하게 배치하여 설치하였다. 또한 라이트 박스의 내면의 전 반사율을 95%로 하였다.
또한, 라이트 박스와 연결되는 라이트 파이프는, 출구 (방사 조도 측정 면)가 정사각형 (한 변의 길이 (라이트 박스 폭)가 70mm)이며, 길이 (라이트 파이프 길이)가 Lmm의 직육면체로 하였다. 또한 라이트 파이프의 내면의 전 반사율을 95%로 하였다.
상기 가열 장치에 대해서 해석 소프트 (상품명:ZEMAX)를 사용하고 라이트 파이프 길이 L (0~180mm)에 대한 방사 속 (단위는 W (와트)을 산출하였다. 또한 복사 속은 출구 (방사 조도 측정 면)에서 출력되는 값이다.
산출한 결과는 도 21 (a)에 도시하는 바와 같이
L=0mm에서 방사 속 약 4800W
L=30mm에서 방사 속 약 4520W
L=60mm에서 방사 속 약 4300W
L=90mm에서 방사 속 약 4020W
L=120mm에서 방사 속 약 3810W
L=150mm에서 방사 속 약 3610W
L=180mm에서 방사 속 약 3440W
였다.
또한, 상기의 가열 장치에 대해서 해석 소프트 (상품명:ZEMAX)를 사용하여 라이트 파이프 길이 L (0~180mm)에 대한 조도 분포 CV (단위는%)를 산출하였다.
산출한 결과는 도 21 (b)에 도시하는 바와 같이
L=0mm에서 조도 분포 CV=약 17.6%
L=30mm에서 조도 분포 CV=약 9.6%
L=60mm에서 조도 분포 CV=약 5.0%
L=90mm에서 조도 분포 CV=약 4.6%
L=120mm에서 조도 분포 CV=약 4.4%
L=150mm에서 조도 분포 CV=약 4.2%
L=180mm에서 조도 분포 CV=약 3.9%
였다.
상기 가열 장치의 실시예 및 비교예에서 조도 분포 CV 4%를 달성하기 위해서 필요한 라이트 파이프 길이 L는 실시예에서는 30mm이며 비교예에서는 180mm였다.
또한 실시예에서는 L=30mm에서 방사 속 약 4700W이고, 비교예에서는, L=180mm에서 방사 속 약 3440W였다.
즉, 실시예의 가열 장치는 끝면 형상이 정사각형의 라이트 박스를 갖춤으로써 조도 분포 CV 4%를 달성하기 위해 필요한 라이트 파이프 길이 (L)는 30mm이며 비교예의 180mm와 비교하면 소형화를 실현할 수 있다는 결과를 얻었다. 또한 실시예의 가열 장치는 L=30mm에서 방사 속 약 4700W이며 비교예 (L= 180mm에서 방사 속 = 약 3440W)와 비교하면 파워 손실 (빛을 균일하게 조사하는 것에 따르는 파워 손실)을 크게 저감할 수 있다는 결과를 얻었다.
또한 가열 장치, 가열 방법, 성형 장치 및 플라스틱 성형품의 성형 방법에 대해서 설명하였으나 상기의 가열 장치, 가열 방법, 성형 장치 및 플라스틱 성형품의 성형 방법은 상기 설명 등에만 한정되는 것이 아니고 다양한 변경 실시가 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.
예를 들면, 성형 장치 (1010)는 플라스틱 기판 (1006)에 대해서 압축 성형하는 구성으로 되어 있지만, 플라스틱 기판 (1006)은 가스가 스며든 플라스틱이라도 된다. 이렇게 하면 이형 공정에서 플라스틱에서 방출된 가스를 팽창시켜서 이 팽창하는 가스를 이용해서 플라스틱 성형품을 원활하게 이형시킬 수 있다.
이상 본 발명의 열 가소성 수지 제품의 성형 방법 및 그 성형 장치에 대해서 바람직한 실시 형태 등을 설명하였으나, 본 발명에 관한 열 가소성 수지 제품의 성형 방법 및 그 성형 장치는 상기 실시 형태 등에만 한정되는 것이 아니고 본 발명의 범위에서 다양한 변경 실시가 가능하다 것은 말할 필요도 없다.
예를 들면, 스탬퍼 및/또는 냉각 부재를 이동 가능하게 유지하는 구성은 상기 실시 형태 등의 구성에 한정되는 것이 아니고 다양한 구성으로 해도 된다.
또한 상기 성형 장치 (1, 1b, 1c, 1d, 1e)는 냉각 부재 (4)를 사용하고, 이 냉각 부재 (4)를 유로 (512)나 강제 냉각판 (41)을 사용해서 강제 냉각하고 있지만 이 구성에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도시하지 않았지만, 냉각 부재 (4)와 유로 (512)를 형성하는 대신, 또는 냉각 부재 (4)와 강제 냉각판 (41)을 설치하는 대신 강제 냉각판 (41)만을 설치해도 되고, 이렇게 하면, 복수의 강제 냉각판 (41)을 차례로 사용할 수 있고, 연속적으로 성형을 하는 경우라도 효과적인 냉각을 할 수 있다.

Claims (15)

  1. 가열 장치에서 조사된 적외선이 냉각 부재에서 떨어진 상태의 스탬퍼를 복사 가열하는 가열 공정과
    복사 가열된 상기 스탬퍼의 부형면의 구조를 열 가소성 수지의 전사면에 전사하는 전사 공정과
    상기 부형면을 상기 전사면에 누른 상태에서 상기 스탬퍼와 접촉하는 상기 냉각 부재가 해당 스탬퍼를 냉각하고, 상기 열 가소성 수지를 고화 또는 경화시키는 냉각 공정과
    상기 누른 상태를 해제함으로써 성형품을 이형시키는 이형 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 열 가소성 수지 제품의 성형 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 가열 공정에서 상기 적외선이 적외선 투과재로 이루어진 상기 냉각 부재를 투과해서 상기 스탬퍼를 복사 가열하는 것을 특징으로 하는 열 가소성 수지 제품의 성형 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 전사 공정에서 상기 냉각 부재가 상기 스탬퍼와 접촉한 상태에서 전사하는 것을 특징으로 하는 열 가소성 수지 제품의 성형 방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 전사 공정에서, 상기 냉각 부재에서 떨어진 상태로 유지된 상기 스탬퍼에 의해서 전사가 이루어지는 것을 특징으로 하는 열 가소성 수지 제품의 성형 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 전사 공정에서 상기 냉각 부재와 상기 스탬퍼 사이의 틈새에 압력을 가함으로써, 상기 스탬퍼가 상기 냉각 부재에서 떨어진 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 열 가소성 수지 제품의 성형 방법.
  6. 제 3항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전사 공정에서 상기 스탬퍼가 복사 가열되는 것을 특징으로 하는 열 가소성 수지 제품의 성형 방법.
  7. 제 3항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전사 공정에서 상기 가열 공정에서 상기 스탬퍼가 축적한 열만을 이용해서 전사가 이루어지는 것을 특징으로 하는 열 가소성 수지 제품의 성형 방법.
  8. 광원을 사용해서 적외선 복사 가열을 하는 가열 장치와
    상기 광원으로부터 조사된 적외선에 의해서 복사 가열되는 스탬퍼와
    복사 가열된 상기 스탬퍼와 접촉하여 해당 스탬퍼를 냉각하는 냉각 부재와
    상기 스탬퍼 및/또는 상기 냉각 부재를 이동 가능하게 유지하고 상기 스탬퍼와 상기 냉각 부재를 접촉시키거나 떼어 놓거나 하는 것을 가능하게 하는 구조를 가지고 있는 제1의 금형과
    상기 스탬퍼의 부형면의 구조가 전사되는 열 가소성 수지를 유지하는 제2의 금형을 갖추고,
    상기 스탬퍼가 적어도 상기 냉각 부재와 떨어진 상태에서 복사 가열되는 것을 특징으로 하는 열 가소성 수지 제품의 성형 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 냉각 부재가 적외선 투과재로 이루어진 것을 특징으로 하는 열 가소성 수지 제품의 성형 장치.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 상기 스탬퍼가, 단열성 부재를 통해서 상기 제1의 금형에 유지되는 것을 특징으로 하는 열 가소성 수지 제품의 성형 장치.
  11. 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1의 금형이 상기 스탬퍼 및/또는 상기 냉각 부재의 이동을 가이드하는 가이드 수단을 가진 것을 특징으로 하는 열 가소성 수지 제품의 성형 장치.
  12. 제 8항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 부재가 강제 냉각되는 것을 특징으로 하는 열 가소성 수지 제품의 성형 장치.
  13. 제 8항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 장치가, 끝면 형상이 다각형인 라이트 파이프와 이 라이트 파이프와 연결되어 단면 형상이 다각형의 라이트 박스와, 이 라이트 박스 내에 수용되는 상기 광원을 갖춘 것을 특징으로 하는 열 가소성 수지 제품의 성형 장치.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 가열 장치가 상기 라이트 파이프의 조사구에서 조사되는 빛을 차단하는 셔터를 가진 것을 특징으로 하는 열 가소성 수지 제품의 성형 장치.
  15. 제 13항 또는 제 14항에 있어서, 상기 라이트 파이프의 단면 형상이 삼각형, 사각형, 정육각형 또는 평행 6변형이며, 상기 라이트 박스의 단면 형상이 삼각형, 사각형, 정육각형 또는 평행 6변형임을 특징으로 하는 열 가소성 수지 제품의 성형 장치.
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