KR20160024279A - 사출압축성형이 적용된 필름인서트성형 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 엠보 패턴이 인쇄된 필름을 사용하여 플라스틱 제품에 대한 인서트 성형을 수행하는 때에 엠보 패턴의 유지율을 향상시킬 수 있도록 하는 사출압축성형이 적용된 필름인서트성형 금형 및 그 방법에 관한 것에 관한 것으로,
상기 필름인서트성형 금형은, 상부플레이트와 코어로 구성된 고정측금형; 및 코어가 삽입되는 요입홈이 형성된 하부플레이트를 구비하는 가동측금형;을 포함하여 구성되며, 상기 고정측금형에는, 노즐과 밸브게이트가 형성되는 핫러너 매니폴드가 형성되어,
3 차원 엠보 패턴을 가지는 플라스틱 제품의 소프트터치 감 및 고광택성과 긁힘 저항성 등의 외관 특성을 향상시킨다.

Description

사출압축성형이 적용된 필름인서트성형 장치 및 그 방법{FILM INSERT MOLDING APPARATUS APPLIED INJECTION-COMPRESSION MOLDING AND THE METHOD THEREOF}

본 발명은 3차원 엠보 패턴이 인쇄된 필름을 적용한 필름 인서트성형에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 3차원 엠보 패턴이 인쇄된 필름을 사용하여 플라스틱 제품에 대한 인서트 성형을 수행하는 때에 엠보 패턴의 유지율을 향상시킬 수 있도록 하는 사출압축성형이 적용된 필름인서트성형 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

최근 종래의 IMD (In-Mold Decoration) 공법을 더욱 발전시켜 3차원 곡면형상을 갖는 플라스틱 제품과 필름을 일체화하는 필름 인서트 성형(Film Insert Molding) 공법이 새로운 플라스틱 장식기술로 각광을 받고 있다.

필름인서트성형은 광범위한 사출성형플라스틱 제품을 위한 3차원 장식부품을 생산하는 혁신적인 방법이다. 필름 인서트 성형 공정은 인쇄, 진공성형, 트리밍, 사출성형 등 크게 4단계로 구분될 수 있다. 인쇄 공정을 수행하여 필름 표면에 다양한 색상으로 구성된 도형, 문자, 패턴 등을 인쇄한 이후, 필름에 열과 진공을 적용하는 진공성형에 의해 제품의 표피층에 해당하는 3차원 곡면형상을 성형한다. 필름의 불필요한 부위를 잘라내는 트리밍을 수행하고, 필름을 금형에 삽입한 이후, 용융된 수지를 사출하는 사출성형을 수행하는 것에 의해 필름과 일체화된 플라스틱 제품을 성형한다.

필름인서트성형은 종래의 도장, 도금, 수압전사 등의 기존의 장식방법에 비해 적은 공정으로 이루어지기 때문에, 제조를 위한 시간 및 비용을 현저히 절감시킬 수 있다. 또한, 필름인서트성형 공정은 도장 공장을 포함하지 않으므로, VOC 등 유기화합질의 배출을 감소시킨다. 그러나 필름 인서트 성형공정에서 필름의 주름, 필름과 수지의 불완전한 접합, 휨 변형, 불균일한 수축 등 다양한 불량이 많이 발생한다.

이와 같은 필름인서트성형에 대한 종래의 연구는 다음과 같다.

Leong 등(참고문헌 1)은 사출성형 조건이 필름 인서트 성형된 디스크의 기계적, 형태학적 특성에 미치는 영향에 대하여 고찰하였으며, 폴리프로필렌 필름과 기재 사이의 접합특성은 배럴온도, 보압크기, 사출속도에 의해 크게 영향을 받음을 설명하였다.

Baek 등(참고문헌 2)은 필름인서트 성형 시편의 휨 변형이 사출속도의 증가에 따라 감소하며, 보압 유지 시간에 의한 영향은 없는 것으로 보고하였다.

Kim 등(참고문헌 3)은 열처리하지 않은 필름을 사용하여 인서트 성형한 시편이 필름 반대쪽으로 휨 변형이 발생하고 있음을 보고하였다. Chen 등(7)은 필름이 사출성형 공정에서 온도 장에 미치는 영향을 고찰하였으며, 필름의 열전달 지연이 금형-수지, 필름-수지 간의 온도 차이를 유발하며, 필름 두께가 증가함에 따라 열전달 지연에 의한 온도차이가 증가함을 보고하였다.

최근 플라스틱 제품의 표면은 고광택, 내 스크래치성 등 고품질의 외관뿐만 아니라 소프트 터치감이 요구되고 있다.

그러나 아직까지 필름 인서트 성형은 3차원 엠보 패턴 형상을 갖는 인쇄 필름에는 적용하지 못하고 있는 상황이다. 왜냐하면 사출성형 공정에서 발생하는 높은 캐비티 압력에 의하여 필름 표면에 인쇄된 3차원 엠보 패턴들이 심하게 눌려 패턴 형상이 제대로 유지되지 못하기 때문이다.

Miura(참고문헌 4)는 별도로 제작된 진공금형 및 장비를 기반으로 하여, 압축 공기압을 작용시켜 인쇄된 필름을 사출 성형된 제품 표면에 부착하는 TOM(three-dimensional overlay) 공법을 개발하였다. 이 방법은 낮은 압력을 사용하여 필름 표면에 인쇄된 3차원 패턴형상을 유지시키고, 촉감이 있는 제품표면을 구현할 수 있는 장점이 있다. 그러나 사출성형과 필름을 붙이는 작업이 분리되어 있고, 대부분 접착제를 도포하는 문제가 있었다.

<참고문헌>

참고문헌 1: Leong, Y. W., Yamaguchi, S., Mizoguchi, M., Hamada, H., Ishiaku, U. S. and Tsujii, T., 2004, "The effect of molding conditions on mechanical and morphological properties at the interface of film insert injection molded polypropylene-film/polypropylene matrix," Polym. Eng. Sci., Vol. 44, No. 12, pp. 2327~2334.

참고문헌 2: Baek, S. J., Kim, S. Y., Lee, S. H., Youn, J. R. and Lee, S. H., 2008, "Effect of processing conditions on warpage of film insert molded parts," Fiber. Polym., Vol. 9, No. 6, pp. 747~754.

참고문헌 3: Kim, S. Y., Kim, S. H., Oh, H. J., Lee, S. H., Baek, S. J., Youn, J. R., Lee, S. H. and Kim, S. W., 2008, "Molded geometry and viscoelastic behavior of film insert molded parts," J. Appl. Polym., Vol. 111, No. 2, pp. 642~650.

참고문헌 4: Miura, T., 2009, "The development and progress of the three-dimensional overlay method(TOM)," J. Imaging Soc. Japan, Vol. 48, No.4, pp. 277~284.

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 3차원 엠보 패턴이 인쇄된 필름의 인서트 성형 시 엠보 패턴의 유지율을 향상시켜, 플라스틱 제품 표면의 입체감과 소프트 터치감을 구현할 수 있도록 하는 사출압축성형이 적용된 필름인서트성형 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 사출압축성형이 적용된 필름인서트성형 장치는,

상부플레이트와 코어로 구성된 고정측금형; 및

코어가 삽입되는 요입홈이 형성된 하부플레이트를 구비하는 가동측금형;을 포함하여 구성되며,

상기 고정측금형에는, 노즐과 밸브게이트가 형성되는 핫러너 매니폴드가 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 고정측금형에는 금형홈을 따라 압력센서와 온도센서가 장착되는 것을 특징으로 한다.

상기 고정측금형에는 다수의 직선형 상부 냉각채널이 형성되고,

상기 하부플레이트에는 배플을 구비한 하부 냉각채널이 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 가동측금형의 압축스트로크를 상기 캐비티 압력의 시간에 따른 적분값을 최소로 하는 값을 가지도록 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 가동측금형의 압축스트로크는 0.2 ~ 0.６ mm이고, 압축속도는 0.15 ~ 0.35 mm/sec 인 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 사출압축성형이 적용된 필름인서트성형 방법은,

필름 표면에 인쇄패턴을 인쇄하는 인쇄과정; 필름에 열과 진공을 적용하여 표피층에 해당하는 3차원 곡면형상을 성형하는 진공성형 과정; 필름의 불필요한 부위를 잘라내는 트리밍 과정; 및 필름을 금형에 삽입한 이후, 금형 안으로 주입하고 압축하는 사출압축성형과정;을 포함하는 필름인서트성형방법에 있어서,

상기 사출압축성형과정은,

사출성형공정으로 수지가 부분 충전되도록 금형안으로 주입하는 수지주입과정; 및

상기 부분 충전된 캐비티를 가동측 금형을 닫으면서 수지압축을 수행하는 수지압축과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 수지압축과정은,

압축스트로크가 상기 캐비티 압력의 시간에 따른 적분값을 최소로 하는 값으로 설정되는 것을 특징으로 한다.

상기 수지압축과정은,

상기 압축스트로크는 0.2 ~ 0.６ mm 범위 이고, 압축속도는 0.15 ~ 0.35 mm/sec 범위인 것을 특징으로 한다.

상술한 구성의 본 발명은, 사출 단계 전에 금형 캐비티의 두께를 제품의 평균두께보다 약간 더 크게 설정하는 것에 의해, 낮은 사출압력으로 용융된 수지를 금형 캐비티 안으로 주입할 수 있도록 하고, 캐비티를 부분 충전시킨 후 가동측금형을 닫으면서 수지 압축을 수행하는 것에 의해 캐비티의 두께가 최종 제품두께로 감소되어, 종래기술의 사출성형에 비하여 본 발명의 사출압축성형은 사출압력 및 잔류응력을 감소시킬 수 있어, 필름인서트성형 표면의 엠보패턴 높이를 향상시키는 효과를 제공한다.

이에 의해 본 발명은 3차원 엠보 패턴이 인쇄된 필름의 인서트 성형 시 엠보 패턴의 유지율을 향상시켜, 플라스틱 제품 표면의 입체감과 소프트 터치감을 더욱 향상시키는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 필름인서트성형 장치(10)의 단면도.
도 2는 가동측캐비티(220)의 평면도.
도 3은 고정측금형(100)과 가동측금형(200)의 사진.
도 4는 압축 스트로크에 따른 캐비티압력 최대값과 캐비티압력의 시간에 따른 적분값을 나타내는 도면.
도 5는 0.25mm/sec의 압축 속도 하에서 필름인서트사출압축성형 동안의 다양한 센서 위치에서의 캐비티 압력 추이를 나타내는 도면.
도 6은 다양한 압축 스트로크 하에서의 사출압축성형 후에 각각의 압력센서의 위치에서 측정된 엠보 패턴의 표면 프로파일을 나타내는 도면.
도 7은 압축 스트로크의 함수로서의 다양한 센서 위치에서의 엠보 패턴의 높이를 나타내는 도면.
도 8은 최대 캐비티 압력과 압축 속도의 함수로서의 다양한 센서 위치에서의 시간에 따른 캐비티 압력의 적분을 나타내는 그래프.
도 9는 압축 스트로크 0.8mm 하에서의 필름인서트 사출압축성형 동안의 다양한 센서 위치에서의 캐비티 압력 추이를 나타내는 그래프.
도 10 및 도 11은 사출압축성형 후 측정된 압축속도에 따른 각 압력센서 위치에서의 엠보 패턴의 높이 변화를 나타내는 그래프.
도 12는 본 발명의 사출압축성형과 종래의 사출성형에 의한 엠보 패턴의 표면 프로파일 비교를 나타내는 그래프.
도 13은 사출성형과 사출압축성형에 의한 엠보 패턴 높이의 유지율을 나타내는 그래프.
도 14는 본 발명의 사출압축성형이 적용된 필름인서트성형 방법의 처리과정을 나타내는 순서도.

이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 필름인서트성형 장치(10)의 단면도이고, 도 2는 가동측캐비티(220)의 평면도이며, 도 3은 고정측금형(100)과 가동측금형(200)의 사진이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 필름인서트성형 장치(10)는 고정측금형(100)과 가동측금형(200)을 포함하여 구성된다.

상기 고정측금형(100)은 상부 플레이트(110)와 코어(150)를 구비하고, 상부플레이트(110)와 코어(150)를 관통하여 캐비티(220)로 용융수지를 주입하도록 노즐(123)과 밸브게이트(125)를 구비한 핫러너 매니폴드(120)가 형성된다. 상기 밸브게이트(125)는 1차로 수지를 사출한 이후 압축단계에서 수지의 역류를 방지하고, 최종적으로 성형품만을 추출할 수 있도록 구성된다.

상기 하나의 핫러너 매니폴드(120)는 압축단계에서 캐비티 압력에 의해 용융된 수지의 역류 효과를 고찰하기 위해, 평판형 금형인 고정측금형(100) 안에 형성된다. 밸브게이트(125)의 개방과 차폐는 사출성형기의 스크류의 위치에 의해 제어된다. 6개의 채널을 가지는 온도 제어 시스템이 핫러너 매니폴드(120) 내에서 일정한 용융온도를 유지하도록 적용된다.

상기 가동측금형(200)은 하부 플레이트(210)와 코어(150)가 슬라이딩되어 삽입되는 홈이 형성된 가동측 캐비티(220)를 포함하여 구성된다. 그리고 상기 고정측 금형(100)과 가동측금형(200)은 스프링(115)에 의해 위치 복원 되도록 지지된다. 도 1에서 CS는 압축스트로크(CS)를 나타낸다.

이때 도 1의 필름인서트성형 장치(10)는 특정 압축스트로크를 가지고 부분적으로 개방된 구조를 가지는 것으로, 가동측 캐비티(220)는 사출을 위해 10mm 까지 부분 개방된 상태에서 수지의 누설이 발생하지 않도록 하는 거리로 설계된다.

상기 고정측금형(100)과 상기 가동측금형(200)에는 사출성형 냉각단계에서 제품의 불균일한 온도분포로 인한 휨 변형을 줄이기 위하여 냉각채널이 형성된다. 구체적으로 상기 상부 플레이트(110)에는 균일한 온도의 유지를 위한 한 쌍의 냉각 채널(102)이 형성된다. 그리고 상기 하부 플레이트(210) 또한 하부 플레이트(210)의 균일한 온도 유지를 위하여 다수의 배플(201)이 형성된 하부 냉각채널(202)이 형성된다.

본 발명의 실시예에서 상기 상부 냉각채널(102)의 직경은 10mm이고, 상기 배플(201)은 6개가 형성된 것으로 하였다.

또한, 상기 고정측금형(100)에는 금형 홈을 따라 3개의 압력센서(P1~P3)와 2개의 온도센서(T1, T2)가 장착된다.

상기 캐비티(220)와 코어(150)사이의 두께는 제품의 평균 두께보다 크게 설정된다.

상기 가동측금형(200)의 압축스트로크는 상기 캐비티(130) 압력의 시간에 따른 적분값을 최소로 하는 값으로 설정되며, 0.2 ~ 0.６ mm 범위 내인 값을 가진다. 그리고 상기 사출성형기의 토글속도는 압축속도에 따라 다양하게 설정된다.

상술한 구성의 필름인서트성형 장치(10)는 압축스트로크(CS) 간격과 같이, 금형을 일정거리만큼 개방한 상태에서 1차 사출을 하고, 이어서 금형을 압축할 수 있도록 한다.

상술한 구성의 필름인서트성형 장치(10)는 코어(150)의 표면이 슬라이딩됨에 따라 하부 플레이트(210)에 접속된 캐비티(220)가 압력을 전달한다. 복귀 운동은 상부 플레이트(110)에 구비된 4개의 스프링(115)에 의해 수행된다.

실험예

상술한 구성의 필름인서트성형 장치(10)를 이용한 사출성형실험을 위하여, Engel사에서 제조한 180톤 전동식 사출성형기(e-max180)와 유리전이온도가 116.2℃인 ABS 수지를 사용하였다.

적용된 성형을 위해 적용된 필름은 0.5mm 두께의 ABS와 PUR 박막이다. 박막 표면에 엠보 패턴을 형성하기 위해 UV 경화잉크를 사용하여 인쇄하였다. 스크린프린팅 코팅은 폴리에스터 200meshes/inch가 사용되었고, 엠보 패턴은 40㎛의 높이로 제작되었다.

또한 필름 인서트 사출성형의 최적조건을 도출하기 위하여 PRIAMUS 장비를 사용하여 캐비티 압력을 모니터링 하였다. 사출압축성형 공정에 대하여 압축스트로크 및 토글속도의 변화에 따른 실험을 수행하고 캐비티 압력을 최소화 시킬 수 있는 공정조건을 도출하고자 하였다.

최종적으로 성형품의 엠보 높이를 측정하기 위하여 일본의 Kosaka Laboratory에서 제작한 ET-3000i 모델인 표면프로파일러를 이용하였다. 사출성형을 위하여ABS(LG Chemical HF-380) 수지를 사용하였으며, 유동지수(Melt Flow Index)는 35 g/10min이다.

도 2와 같이, 본 발명의 실험을 위한 캐비티(220)의 구조는 길이 250mm, 좌우측 측면 길이가 각각 40mm와 80mm인 3mm의 균일한 두께를 가지는 평판의 제품을 생산하도록 구성된다. 3개의 캐비티 압력센서(P1~P3)와 두 개의 온도센서(T1, T2)가 코어(150)에 동일한 높이로 장착된다. 압력센서(P1~P3)와 온도센서(T1, T2)의 위치는 도 2에 도시된 바와 같다. 밸브게이트(125)의 위치는 CAE 분석에 의한 유동밸런스를 충족하도록 설정된다. 밸브게이트(125)의 직경은 0.3mm이며, 9.95mm의 길이를 가지는 보스(boss)에 연결된다.

캐비티 충전 중의 공정은 종래기술의 사출성형과 동일하다. 압축하기 전의 캐비티 안의 용융수지의 양은 제품의 체적과 동일한 체적을 가지도록 제한된다. 가동측금형(200)의 벽은 미리 캐비티(220) 내에 부분적으로 주입된 용융수지를 압축한다. 사출압축성형 실험은 압축스트로크와 압축속도가 엠보 패턴의 높이에 주는 영향을 조사하기 위해 압축스크로크와 압축속도를 포함하는 서로 다른 압력조건에서 수행된다.

압축속도의 변경을 위해, 토글속도는 사출압축성형기에 설정된다. 실제의 압축속도 압축스트로크와 일정한 토클 속도를 가지는 사출압축성형 실험 동안 측정된 금형 압축 시간을 사용하여 얻어진다. 이때 몰드 압축 속도는 일정한 토클 속도 하에서 압축스트로크가 증가함에 따라 증가한다.

다양한 압축 스트로크와 토글 속도 하에서의 캐비티 압력은 전하증폭기와 A/D컨버터를 구비한 PC 기반 데이터 획득 시스템에 의해 기록된다.

실험에 적용된 성형 조건은 용융온도 220℃, 고정측금형(100) 및 가동측금형(200) 온도는 각각 67℃와 62℃이고, 사출 속도는 30mm/sec이다.

0.25mm/sec의 일정한 압축 속도 하에서 다양한 압축 스트로크의 사출압축성형 과정 중 캐비티 압력은 도 2의 압력센서의 위치에서 측정되었다.

도 4는 압축 스트로크에 따른 캐비티압력 최대값과 캐비티압력의 시간에 따른 적분값을 나타낸다.

압축 스트로크가 증가함에 따라 최대 캐비티 압력이 감소하고 있으며, 압축 스트로크가 0.8mm를 초과하면 최대 캐비티 압력이 다시 증가하고 있음을 볼 수 있다. 이것은 두 개의 상반된 요소의 결과이다. 즉, 압축스트로크가 증가함에 따라, 충전 중의 용융수지로의 열전달은 금형의 개구가 커짐에 따라 두꺼워지는 캐비티 갭(gap)에 따라 감소한다. 온도 하강의 감소는 상대적으로 낮은 압력으로 나타난다. 이와 달리, 압축 길이의 증가에 따라, 금형의 패쇄력이 더 많은 폴리머 용융 수지를 압축하기 위해 커지게 되어 캐비티 압력을 증가시킨다. 이에 따라 캐비티 압력은 0.8mm의 압축스트로크에서 최소값을 가진다.

또한, 시간에 따른 캐비티 압력의 적분 값은 0.2와 0.5mm 사이의 압축스트로크에서 최소값을 나타낸다. 따라서 캐비티 압력의 적분 값은 0.2 ~ 0.6mm 사이의 값으로 설정된다.

도 5는 0.25mm/sec의 압축 속도 하에서 필름인서트사출압축성형 동안의 다양한 센서 위치에서의 캐비티 압력 추이를 나타내는 도면이다.

도 5에서 (a) 그래프는 압축 스트로크가 0.5mm이고, (b) 그래프는 압축 스트로크가 0.8mm이다.

상술한 바와 같이, 0.8mm의 압축 스트로크의 경우에서의 최대 값은 0.5mm의 압축 스트로크의 경우에서의 최대값보다 작다. 그러나 압축 스트로크 0.8mm 일 경우에는 압력이 장시간 동안 지속되므로, 압축 스트로크가 0.5mm인 경우와 비교하여 전체 시간 동안의 캐비티 압력의 적분 값은 더 커졌다.

성형 공정 후에 각각의 압력 센서 위치에서 성형된 플레이트를 절단한 후, 각각의 압력 센서 위치에서의 엠보 패턴의 표면 프로파일(surface profile)이 측정되었다.

도 6은 다양한 압축 스트로크 하에서의 사출압축성형 후에 각각의 압력센서의 위치에서 측정된 엠보 패턴의 표면 프로파일을 나타낸다. 구체적으로 도 6에서 (a)그래프는 압력센서 P1의 위치, (b) 그래프는 압력센서 P2의 위치, (c) 그래프는 압력센서 P3의 위치에서 측정된 각각의 엠보패턴의 표면 프로파일을 나타낸다.

도6과 같이, 모든 측정 위치에서 엠보 패턴의 높이는 압축 스트로크가 0.2 ~ 0.6mm의 범위에서 최대값을 나타내고, 압축 스트로크가 증가함에 따라 감소하였다. 엠보 패턴을 얻기 위한 최적의 압축 스트로크는 도 4에서 보여지는 바와 같이, 캐비티 압력의 최소 적분값과 거의 동일한 값으로 나타났다. 이는 엠보 패턴 높이에 영향을 미치는 주요 요인이 최대 캐비티 압력이 아니라, 시간에 따른 캐비티 압력의 적분 값임을 나타낸다.

도 7은 압축 스트로크의 함수로서의 다양한 센서 위치에서의 엠보 패턴의 높이를 나타낸다.

도 7과 같이, 압축 스트로크 0.8mm 에서의 압력센서 P1에서의 엠보 패턴의 높이는 다른 압력 센서 위치의 엠보 패턴의 높이보다 더 작았으나, 압축 스트로크가 0.8mm 이상으로 커지는 경우에는 다른 압력 센서 위치에서의 엠보 패턴의 높이가 조금씩 감소하여, 압력센서 P1 위치의 엠보 패턴의 높이가 가장 커졌다. 이는 종래의 사출 성형에서 밸브 게이트의 인접 위치의 엠보 패턴의 높이가 밸브 게이트보다 먼 위치의 엠보 패턴의 높이보다 작은 것과는 반대의 특징이다.

전형적으로, 종래의 사출 성형에서는 캐비티 압력이 밸브 게이트로부터의 거리에 따라 감소하였으나, 도 5의 (b) 그래프에서 보여 지는 바와 같이, 압축 스트로크가 0.8mm 이상인 경우의 사출압축성형에서는 다른 특징을 보였다. 즉, 밸브 게이트로부터 먼 P3 압력센서의 위치에서의 캐비티(220) 압력이 용융 수지의 주입 후 성형 압축에 의한 P1 압력센서 위치의 밸브 게이트 근처에서보다 더 커졌다. 이는 용융 수지가 P3 압력센서의 상부 측에 도달하는 것이 높은 압축 스트로크를 위한 압축력에 의해 반대측으로 도달하는 것보다 빠르게 되는 것에 기인된 것일 수 있다.

엠보 패턴 높이의 압축 속도에 의한 영향을 비교를 위해, 캐비티 압력은 일정한 0.8mm의 일정한 압축 스트로크를 가지는 다양한 압축속도 하에서의 사출압축성형 과정 동안 측정되었다.

도 8은 최대 캐비티 압력과 압축속도의 함수로서의 다양한 센서 위치에서의 시간에 따른 캐비티 압력의 적분을 나타내는 그래프이다.

도 8과 같이, 압력은 압축속도의 증가에 따라 증가한다. 또한, 센서 위치 사이의 압력차가 증가할수록 압축속도의 증가를 나타낸다. 이는 빠른 압축속도 하에서 금형이 근접하는 동안 수직력이 커지기 때문이다.

도 9는 압축 스트로크 0.8mm 하에서의 필름인서트 사출압축성형 동안의 다양한 센서 위치에서의 캐비티 압력 추이를 나타내는 그래프이다.

도 9에서 (a)와 (b) 그래프의 압축속도는 각각 0.13mm/sec, 0.8mm/sec 이다.

도 8에서 우측의 축은 시간에 따른 캐비티 압력의 적분을 나타낸다. 압축 속도의 증가에 따라 적분값이 증가하였으나, 최대 캐비티 압력만큼 커지지는 않았다. 또한, 압축 속도가 빨라 질 때, 캐비티 압력은 증가하였으나, 도 9와 같이, 압축 시간이 짧아짐에 따라 압력이 급격히 저하되었다. 이는 캐비티 압력의 적분값에 대한 압축 속도의 영향이 매우 작은 것을 나타낸다.

도 10 및 도 11은 사출압축성형 후 측정된 압축속도에 따른 각 압력센서 위치에서의 엠보 패턴의 높이 변화를 나타내는 그래프이다.

엠보 패턴의 높이를 최대화하기 위한 최적의 압축 속도가 측정 위치에 따라 조금씩 다를 지라도, 전체 최적 값은 0.09 ~ 0.25mm/s 범위를 갖는다. 빠른 압축속도는 엠보 패턴을 감소시키는 것으로 보여지나, 상술한 바와 같이 압력 압축 스트로크에 의한 영향보다는 작다. 즉, 압축 속도는 엠보 패턴의 높이에 중대한 영향을 미치지 않는다. 이는 도 8의 설명에서와 같이, 시간에 따른 캐비티 압력의 적분 값에 대한 압축 속도의 영향이 작기 때문이다.

상술한 실험 결과를 바탕으로 본 발명의 사출압축성형과 종래기술의 사출성형의 결과를 비교하면 다음과 같다.

엠보 패턴의 높이를 최대화하기 위한, 사출압축성형에서의 최적의 공정조건은 압축스트로크 0.5mm, 압축속도 0.25mm/sec로 나타났다.

종래의 사출 성형 제품과 최적의 공정조건이 적용된 본 발명의 사출압축성형에 의한 성형제품을 비교한다.

종래의 사출성형 공정조건은 용융온도 220℃, 고정측 금형과 가동측 금형의 온도는 각각 67℃와 62℃, 사출속도 30mm/sec, 보압 45MPa, 유지 시간 15sec, 측정거리 45mm, VP 전환 위치 5.8mm로 설정되었다.

도 12는 본 발명의 사출압축성형과 종래의 사출성형에 의한 엠보 패턴의 표면 프로파일을 비교를 나타내는 그래프이다.

도 12와 같이, 모든 측정 위치에서 사출압축성형의 엠보 패턴의 높이가 종래의 사출성형의 엠보 패턴의 높이보다 크게 나왔다.

엠보 패턴의 높이의 유지율은 초기 입력 높이에 대한 RMS(root mean square)에 대한 %로 정의 된다. RMS는 성형 후 측정된 엠보 패턴의 표면 프로파일의 피크 값들을 사용하여 계산된다.

도 13은 사출성형과 사출압축성형에 의한 엠보 패턴 높이의 유지율을 나타내는 그래프이다.

종래의 사출 성형의 엠보 패턴 높이 유지율의 평균값은 45.4%인 반면, 본 발명의 사출압축성형의 경우에는 68.5%이다. 기대한 바와 같이, 종래의 사출 성형의 경우 캐비티 압력 분포가 게이트로부터 거리가 증가할수록 감소하기 때문에, 엠보 패턴의 유지율은 게이트로부터의 거리가 멀어질수록 증가했다. 그러나 사출압축성형의 경우에는 전체 면적에 걸쳐 균일하게 나타났다. 특히, 캐비티의 부분 용융 충전 후의 압축 공정의 추가에 의해 엠보패턴의 유지율을 현저히 향상시켰다,

실험과 같이, 본 발명은 종래의 사출성형의 경우 엠보 패턴 유지율의 평균 값은 45.4% 였으나, 사출압축성형의 경우에는 68.5%로서 엠보 패턴 유지율을 향상시켰다. 또한, 본 발명의 사출압축성형이 적용된 필름인서트 성형 방법의 경우 위치에 따른 엠보 패턴의 높이 또한 종래의 사출성형과 비교하여 더욱 균일하게 유지되었다. 결과적으로 사출압축성형이 적용된 본 발명의 필름인서트 성형 방법은 3차원 엠보 패턴을 가지는 플라스틱 제품의 소프트터치 감 및 고광택성과 긁힘 저항성 등의 외관 특성을 향상시킨다.

도 14는 본 발명의 사출압축성형이 적용된 필름인서트성형 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.

도 14에 도시된 바와 같이, 상술한 필름인서트성형방법은, 인쇄과정(S10), 진공성형과정(S20), 트리밍과정(S30) 및 사출압축성형과정(S40)을 포함하여 이루어진다.

상기 인쇄과정(S10)은 필름 표면에 엠보패턴을 인쇄한다.

상기 진공성형과정(S20)은 필름에 열과 진공을 적용하여 표피층에 해당하는 3차원 곡면형상을 성형한다.

상기 트리밍과정(S30)은 필름의 불필요한 부위를 잘라내는 과정이다.

상기 사출압축성형과정(S40)은 필름을 금형에 삽입한 이후, 용융된 수지를 금형 안으로 주입하고, 압축을 수행하는 과정이다.

여기서, 상기 사출압축성형과정(S40)은, 사출성형공정으로 수지를 금형안으로 주입하는 수지주입과정(S41)과, 상기 부분 충전된 캐비티를 가동측 금형을 닫으면서 수지압축을 수행하는 수지압축과정(S43)을 포함하여 이루어진다.

상기 수지압축과정(S43)은, 압축스트로크가 상기 캐비티 압력의 시간에 따른 적분값을 최소로 하는 값으로, 사이　0.2 ~ 0.６ mm 범위 이고, 압축속도는 0.15 ~ 0.35 mm/sec 범위 내로 설정된다.

10: 필름인서트성형 장치 100: 고정측금형
102. 202: 냉각채널 110: 상부플레이트
115: 스프링 120: 핫러너매니폴드
123: 노즐 125: 밸브게이트
150: 코어 220: 캐비티(가동측 캐비티)
200: 가동측금형 210: 하부플레이트

Claims (8)

1. 상부플레이트와 코어로 구성된 고정측금형; 및
   코어가 삽입되는 요입홈이 형성된 하부플레이트를 구비하는 가동측금형;을 포함하여 구성되며,
   상기 고정측금형에는, 노즐과 밸브게이트가 형성되는 핫러너 매니폴드가 형성된 것을 특징으로 하는 사출압축성형이 적용된 필름인서트성형 금형.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 고정측금형에는 다수의 직선형 상부 냉각채널이 형성되고,
   상기 하부플레이트에는 배플을 구비한 하부 냉각채널이 형성된 것을 특징으로 하는 사출압축성형이 적용된 필름인서트성형 금형.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 고정측금형에는 금형홈을 따라 압력센서와 온도센서가 장착되는 것을 특징으로 하는 사출압축성형이 적용된 필름인서트성형 금형.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 가동측금형의 압축스트로크를 상기 캐비티 압력의 시간에 따른 적분값을 최소로 하는 값을 가지도록 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 사출압축성형이 적용된 필름인서트성형 금형.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 가동측금형의 압축스트로크는 0.2 ~ 0.６ mm이고, 압축속도는 0.15 ~ 0.35 mm/sec 인 것을 특징으로 하는 사출압축성형이 적용된 필름인서트성형 금형.
   
6. 필름 표면에 인쇄패턴을 인쇄하는 인쇄과정; 필름에 열과 진공을 적용하여 표피층에 해당하는 3차원 곡면형상을 성형하는 진공성형 과정; 필름의 불필요한 부위를 잘라내는 트리밍 과정; 및 필름을 금형에 삽입한 이후, 용융된 수지를 금형 안으로 주입하고 압축하는 사출압축성형과정;을 포함하는 필름인서트성형방법에 있어서,
   상기 사출압축성형과정은,
   사출성형공정으로 수지를 금형 안으로 주입하는 수지주입과정; 및
   상기 부분 충전된 캐비티를 가동측 금형을 닫으면서 수지압축을 수행하는 수지압축과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 사출압축성형이 적용된 필름인서트성형 방법.
   
7. 청구항 6에 있어서, 상기 수지압축과정은,
   압축스트로크가 상기 캐비티 압력의 시간에 따른 적분값을 최소로 하는 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 사출압축성형이 적용된 필름인서트성형 방법.
   
8. 청구항 6에 있어서, 상기 수지압축과정은,
   압축스트로크는 0.2 ~ 0.６ mm 범위 이고, 압축속도는 0.15 ~ 0.35 mm/sec 범위인 것을 특징으로 하는 사출압축성형이 적용된 필름인서트성형 방법.

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