KR20160075823A

KR20160075823A - 낮은, 실질적으로 일정한 압력에서의 사출 성형을 위한 방법

Info

Publication number: KR20160075823A
Application number: KR1020167015857A
Authority: KR
Inventors: 진 마이클 알토넨; 찰스 존 주니어 버그; 랄프 에드워드 뉴파스; 개리 프랜시스 쉴러; 존 몬크리프 레이맨; 라이너 샤렌베르크
Original assignee: 임플럭스 인코포레이티드
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2016-06-29
Also published as: CN103561934B; EP2709814B1; MX369888B; JP2014515325A; JP5841245B2; US9707709B2; CN103561934A; RU2583394C2; BR112013029835B1; US20120295050A1; ZA201307911B; MX2013013595A; KR20140006065A; CA2834890C; AU2012258950B2; WO2012162227A1; RU2013149942A; BR112013029835A2; AU2012258950A1; CA2834890A1

Abstract

낮은, 실질적으로 일정한 용융물 압력에서의 사출 성형 방법이 본 명세서에 개시된다. 개시된 방법의 실시예는 이제 통상적인 고속 사출 성형 공정보다 더욱 에너지 - 및 비용 - 효과적인 사출 성형의 방법을 가능하게 한다. 개시된 방법의 실시예는 놀랍게도 주형 공동 내에서의 열가소성 재료의 바람직하지 않은 조기 경화 없이 그리고 주형 공동을 일정한 온도로 또는 가열시켜 유지할 필요 없이, 낮은 용융물 압력에서의 주형 공동의 충전을 가능하게 한다. 지금까지는, 가열되지 않은 주형 공동 또는 냉각된 주형 공동을 사용할 때 열가소성 재료의 그러한 조기 경화 없이, 일정 압력 방법이 낮은 압력에서 수행될 수 있을 것으로 예상되지 못했을 것이다.

Description

낮은, 실질적으로 일정한 압력에서의 사출 성형을 위한 방법{METHOD FOR INJECTION MOLDING AT LOW, SUBSTANTIALLY CONSTANT PRESSURE}

본 발명은 사출 성형을 위한 방법, 더욱 상세하게는 낮은, 실질적으로 일정한 용융물 압력(melt pressure)에서의 사출 성형을 위한 방법에 관한 것이다.

사출 성형은 용융가능한 재료로 제조되는 부품, 가장 통상적으로는 플라스틱으로 제조되는 부품의 대량 제조에 통상적으로 사용되는 기술이다. 반복적인 사출 성형 공정 동안에, 가장 흔히 소형 비드(bead) 형태의 열가소성 수지가 열 및 압력 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 자체는 단일 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 이동하여야 하는 유동 거리를 감소시키기 위해 대형 부품이 2개, 3개, 또는 그 초과의 게이트를 갖는 것이 통상적이다. 공동당 하나 또는 다수의 게이트가 부품 기하학적 형상 상의 임의의 위치에 배치될 수 있고, 본질적으로 원형인 것과 같은 임의의 단면 형상을 갖거나 1.1 또는 그 초과의 종횡비(aspect ratio)를 갖도록 형상화될 수 있다. 따라서, 전형적인 사출 성형 절차는 4가지 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 수지가 게이트로부터 가장 먼 공동 내의 위치에 도달할 때까지 사출 성형기에 의해 공동을 통해 강제로 밀어넣어진다. 부품의 생성되는 길이 및 벽 두께는 주형 공동의 형상의 결과이다.

최종 부품의 플라스틱 함량 및 그에 따른 비용을 감소시키기 위해 사출 성형되는 부품의 벽 두께를 감소시키는 것을 원할 수 있지만; 통상적인 사출 성형 공정을 사용하여 벽 두께를 감소시키는 것은, 특히 1.0 밀리미터 미만의 벽 두께를 설계할 때, 고가이고 간단하지 않은 과제일 수 있다. 통상적인 사출 성형 공정에서 액체 플라스틱 수지가 사출 주형 내로 도입됨에 따라, 공동의 벽에 인접한 재료는 즉시 "굳어지거나" 고형화되고 경화되기 시작하는데, 이는 액체 플라스틱 수지가 재료의 비유동 온도 미만의 온도로 냉각되고 액체 플라스틱의 부분들이 고정되기 때문이다. 재료가 주형을 통해 유동함에 따라, 재료의 경계층이 주형의 면(side)에 맞대어져 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 처리량(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 요구가 또한 있을 수 있다. 주형의 소정 영역에서 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 사용으로 이어지고 사출 성형되는 부품의 제조업자에게 더 높은 부품 비용을 초래할 수 있는데, 이는 추가의 재료가 그 재료가 필요하지 않은 위치에서 부품으로 성형되어야 하기 때문이다.

부품의 벽 두께를 감소시키는 하나의 방법은 액체 플라스틱 수지가 주형 내로 도입됨에 따라 액체 플라스틱 수지의 압력을 증가시키는 것이다. 압력을 증가시킴으로써, 성형기는 유동 경로가 차단되기 전에 계속하여 액체 재료를 주형 내로 가압할 수 있다. 그러나, 압력을 증가시키는 것은 비용과 성능 둘 모두의 면에서 불리하다. 구성요소를 성형하는 데 요구되는 압력이 증가함에 따라, 성형 장비는 추가의 압력을 견디기에 충분히 강해야 하며, 이는 일반적으로 더 고가라는 것과 동일시된다. 제조업자는 이러한 증가된 압력을 수용하기 위해 새로운 장비를 구입해야만 할 수 있다. 따라서, 주어진 부품의 벽 두께에 있어서의 감소는 통상적인 사출 성형 기술을 통해 제조를 달성하는 데 상당한 자본 비용을 초래할 수 있다.

또한, 액체 플라스틱 재료가 사출 주형 내로 유동하여 굳어질 때, 중합체 사슬은 중합체가 액체 형태였을 때에 존재하였던 높은 수준의 응력을 유지한다. 이러한 "몰디드-인(molded-in)" 응력은 성형 후에 바람직하지 않게 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(living hinge) 부품, 및 클로저(closure)와 같은 사출 성형되는 부품의 경우에 제어하고/하거나 최소화하는 것이 특히 중요하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 방법은 (a) 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷(shot)으로 성형 장치의 주형 공동을 충전하는 단계, 및 (b) 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷으로 실질적으로 전체 주형 공동을 충전하는 동안, 용융물 압력을 41.4 ㎫ (6000 psi) 미만으로 실질적으로 일정하게 유지하는 단계를 포함한다. 열가소성 재료는 0.1 g/10분 내지 약 500 g/10분의 용융 유동 지수(melt flow index)를 갖는다.

도면에 기술된 실시예는 사실상 예시적이고 전형적인 것이며, 특허청구범위에 의해 한정되는 주제를 제한하고자 하는 것이 아니다. 예시적인 실시예의 하기 상세한 설명은 하기 도면과 관련하여 읽혀질 때 이해될 수 있으며, 도면에서 유사한 구조물은 유사한 도면 부호로 지시된다.

도 1은 본 명세서에 도시되고 기술된 하나 이상의 실시예에 따른 고속 사출 성형기의 개략적인 정면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 낮은, 실질적으로 일정한 압력에서의 사출 성형의 방법에 대한 압력 프로파일의 개략도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 낮은, 실질적으로 일정한 압력에서의 사출 성형의 방법에 대한 압력 프로파일의 개략도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 낮은, 실질적으로 일정한 압력에서의 사출 성형의 방법에 대한 압력 프로파일의 개략도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 낮은, 실질적으로 일정한 압력에서의 사출 성형의 방법에 대한 압력 프로파일의 개략도.

본 명세서에 개시된 모든 압력은 주위 압력에 대한 압력인 게이지 압력(gauge pressure)이다.

낮은, 실질적으로 일정한 용융물 압력에서의 사출 성형 방법이 본 명세서에 개시된다. 개시된 방법의 실시예는 이제 통상적인 고속 사출 성형 공정보다 더욱 에너지 - 및 비용 - 효과적인 사출 성형의 방법을 가능하게 한다. 개시된 방법의 실시예는 놀랍게도 주형 공동 내에서의 열가소성 재료의 바람직하지 않은 조기 경화 없이 그리고 주형 공동을 일정한 온도로 또는 가열시켜 유지할 필요 없이, 낮은 용융물 압력에서의 주형 공동의 충전을 가능하게 한다. 이하 상세히 기술되는 바와 같이, 당업자는 가열되지 않은 주형 공동 또는 냉각된 주형 공동을 사용할 때 열가소성 재료의 그러한 조기 경화 없이, 일정 압력 방법이 낮은 압력에서 수행될 수 있을 것으로 예상하지 못했을 것이다.

개시된 방법의 실시예는 또한 열가소성 재료의 사출-전 압력과 사출-전 주형 공동 압력의 균형을 맞출 필요 없이, 바람직하지 않은 약화 또는 뒤틀림을 겪지 않는 양질의 사출 성형된 부품의 형성을 가능하게 한다. 따라서, 개시된 방법의 실시예는 대기압의 주형 공동 압력을 사용하여 수행될 수 있고, 주형 공동 내에 가압 수단을 포함할 필요성을 제거할 수 있다.

방법의 실시예는 또한 통상적인 고압 사출 성형 공정과 비교할 때, 열가소성 재료의 온도, 점도 및 다른 그러한 특성에 있어서의 변동에 대해 상당히 낮은 민감성을 갖고서 양질의 사출 성형된 부품을 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 이는 유리하게는 내재적으로 재료 특성의 배치간(batch-to-batch) 변동을 갖는 재생 플라스틱(recycled plastic)(예컨대, 소비 후(post consumer) 재생 플라스틱)으로부터 형성된 열가소성 재료의 사용을 가능하게 할 수 있다.

또한, 개시된 방법에 사용되는 낮은 용융물 압력은 제조하기에 더욱 비용 효과적이고 더욱 에너지 효율적인 낮은 경도, 높은 열전도성 주형 공동 재료의 사용을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 주형 공동은 30 로크웰(Rockwell) C (Rc) 미만의 표면 경도 및 52 W/(m*K) (30 BTU/HR FT ℉) 초과의 열전도율을 갖는 재료로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 주형 공동은, 예를 들어 알루미늄 합금 6061 Al 및 7075 Al과 같은 알루미늄 합금으로 형성될 수 있다.

개시된 방법의 실시예는 추가로 고품질의 박벽형(thin-walled) 부품의 형성을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 100 초과의 용융된 열가소성재 유동의 길이 대 두께(L/T) 비를 갖는 성형된 부품이 이 방법의 실시예를 사용하여 형성될 수 있다. 방법의 실시예는 또한 200 초과, 그리고 일부 경우에는 250 초과의 L/T 비를 갖는 성형된 부품을 형성할 수 있는 것으로 고려된다.

성형된 부품은 일반적으로 유동 채널의 길이(L)를 유동 채널의 두께(T)로 나눈 값이 100 초과(즉, L/T > 100)일 때 박벽형인 것으로 고려된다. 더욱 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. 주형 공동(32)이 하나 초과의 게이트(30)를 갖는 경우, L/T 비는 각각의 개별 게이트에 의해 충전되는 주형 공동(32)의 부분에 대한 L 및 T를 적분함으로써 결정되고, 주어진 주형 공동에 대한 전체 L/T 비는 게이트들 중 임의의 것에 대해 계산된 가장 큰 L/T 비이다.

도 1은 개시된 공정의 실시예와 함께 사용하기 위한 예시적인 사출 성형 장치(10)를 예시한다. 사출 성형 장치(10)는 일반적으로 사출 시스템(12) 및 클램핑(clamping) 시스템(14)을 포함한다. 열가소성 재료가 예를 들어 펠릿(pellet)(16)의 형태로 사출 시스템(12) 내로 도입될 수 있다. 펠릿(16)은, 펠릿(16)을 사출 시스템(12)의 가열된 배럴(barrel)(20) 내로 공급하는 호퍼(hopper)(18) 내에 넣어질 수 있다. 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 펠릿(16)의 압축은 펠릿(16)이 용융되어 용융된 열가소성재를 형성하게 한다. 용융된 열가소성 재료는 전형적으로 약 130℃ 내지 약 410℃의 온도에서 처리된다.

왕복 스크류(22)는 용융된 열가소성 재료를 노즐(26)을 향해 가압하여, 주형(28)의 주형 공동(32) 내로 사출될 용융된 열가소성 재료(24)를 포함하는 샷을 형성한다. 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(press) 또는 클램핑 유닛(34)에 의해 압력 하에서 함께 유지된다. 프레스 또는 클램핑 유닛(34)은, 용융된 열가소성 재료(24)가 주형 공동(32) 내로 사출되는 동안 제1 및 제2 주형 부품(25, 27)을 함께 유지하기 위해, 성형 공정 동안 2개의 주형 반부를 분리시키도록 작용하는 사출 압력에 의해 가해지는 힘을 초과해야 하는 클램핑력을 가한다. 이러한 클램핑력을 지원하기 위해, 클램핑 시스템(14)은 약 165 BHN 초과 그리고 바람직하게는 260 BHN 미만의 표면 경도를 갖는 재료로 형성된 주형 프레임(frame) 및 주형 베이스(base)를 포함할 수 있지만, 이하 추가로 논의되는 바와 같이, 260 초과의 표면 경도 BHN 값을 갖는 재료가 그 재료가 용이하게 기계가공가능한 한 사용될 수도 있다.

용융된 열가소성 재료(24)를 포함하는 샷이 주형 공동(32) 내로 사출되고 나면, 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) 내측에서 냉각된다. 열가소성 재료(24)가 고형화되고 나면, 프레스(34)는 제1 및 제2 주형 부품(25, 27)을 해제시키고, 제1 및 제2 주형 부품(25, 27)이 서로로부터 분리되며, 완성된 부품이 주형(28)으로부터 배출될 수 있다. 주형(28)은 전체 생산율을 증가시키기 위해 복수의 주형 공동(32)을 포함할 수 있다. 복수의 주형 공동의 공동들의 형상은 서로 동일하거나, 유사하거나, 상이할 수 있다(일련의 유사하지 않은 주형 공동들은 일군의 주형 공동들로 고려될 수 있다).

방법은 일반적으로 주형 공동을 충전하기 위해 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷을 주형 공동(32) 내로 사출하는 단계를 포함한다. 도 2를 참조하면, 사출 전인 t1에서, 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷은 사출-전 압력을 갖는다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷의 사출-전 압력은, 열가소성 재료가 가열된 배럴 내에서 용융된 상태로 가열되어 샷으로 준비된 후의, 그리고 주형 공동 또는 노즐 및 주형 공동과 유체 연통되는 러너(runner) 또는 공급 시스템 내로의 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷의 사출 직전의 열가소성 재료의 압력을 지칭한다. 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷의 사출-전 압력은 선택적으로 사출 전의 주형 공동의 압력과 동일하지 않을 수 있다. 일 실시예에서, 사출 전에, 주형 공동은 예를 들어, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 대기압에 있을 수 있다. 다른 실시예에서, 주형 공동은 도 3에 도시된 바와 같이 약한 정압(positive pressure)을 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 진공이 주형 공동 내에 유도될 수 있다.

도 2에 예시된 바와 같이, t2 동안 주형 공동 내로의 사출 시에, 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷의 압력은 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷의 사출-전 압력보다 큰 용융물 압력으로 증가한다. 다시 도 1을 참조하면, 예를 들어 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷의 사출은 용융된 열가소성 재료(24)를 포함하는 샷을 노즐(26)을 통해 주형 공동(32) 내로 가압하기 위해, 도 1의 화살표(A)의 방향으로 왕복 스크류(22)를 노즐(26)을 향해 병진시키는 것을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 용융된 열가소성 재료(24)를 포함하는 샷은 용융된 열가소성 재료(24)의 유동을 주형 공동(32)으로 지향시키는 게이트(30)를 통해 주형(28)의 주형 공동(32) 내로 사출될 수 있다. 주형 공동(32)은 예를 들어 주형(28)의 제1 주형 부품(25)과 제2 주형 부품(27) 사이에 형성될 수 있다. 주형(28)의 제1 및 제2 주형 부품(25, 27)은 프레스(34)에 의해 압력 하에서 함께 유지될 수 있다.

다시 도 2를 참조하면, 시간 t3에서, 실질적으로 전체 주형 공동 또는 전체 주형 공동이 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷으로 충전된다. 용융물 압력은 실질적으로 전체 주형 공동의 충전 동안 41.4 ㎫ (6000 psi) 미만의 실질적으로 일정한 압력에서 유지된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "실질적으로 일정한 압력"이라는 용어는 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷에 의한 실질적으로 전체 주형 공동의 충전 동안, 원하는 용융물 압력으로부터 원하는 용융물 압력의 30% 초과로 상승 또는 하강하여 변동하지 않는 압력을 지칭한다. 예를 들어, 실질적으로 일정한 압력은 용융물 압력으로부터 약 0% 내지 약 30%, 약 2% 내지 약 25%, 약 4% 내지 약 20%, 약 6% 내지 약 15%, 및 약 8% 내지 약 10%로 (증가 또는 감소로서) 변동할 수 있다. 다른 적합한 변동량은 약 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 및 30%를 포함한다. 변동은 원하는 용융물 압력으로부터 ΔP로서 도 2에 예시되어 있다. 이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 본 명세서에 규정된 바와 같이 실질적으로 일정한 압력을 유지하는 것은 용융된 열가소성 재료가 주형 공동 내로 유동함에 따라 용융물 전면의 정체(hesitation)를 방지할 수 있는 것으로 여겨진다. 그러한 동적 유동 조건은 유리하게는 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷이 용융된 재료의 굳어짐 또는 다른 중단 없이 주형의 최종 충전 지점까지 균일한 유동 및 패킹(packing) 조건을 유지하게 할 수 있다. 도 3 및 도 4에 예시된 바와 같이, 용융물 압력은 실질적으로 전체 주형 공동의 충전 동안, 예를 들어 일정한 속도로 각각 증가 또는 감소할 수 있으며, 실질적으로 전체 주형 공동의 충전 동안 용융물 압력의 최대 증가 또는 감소가 원하는 용융물 압력의 30% 이하인 한 실질적으로 일정한 것으로 고려될 수 있다. 역시, 이러한 변동은 원하는 용융물 압력으로부터 ΔP로서 도 3 및 도 4에 예시되어 있다.

도 5 및 이하의 상세한 논의를 참조하면, (시간 t3에서) 실질적으로 전체 주형 공동이 충전되고 나면, 용융물 압력은 (시간 t3'에서) 주형 공동의 나머지 부분을 충전하기 위해 팩 압력(pack pressure)으로 감소될 수 있다. 팩 압력은 전체 주형 공동이 충전될 때까지 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다.

주형 공동 내의 충전 한계 부근에 센서가 위치될 수 있다. 이러한 센서는 주물 전면(front)이 공동 내의 충전 한계에 가까워지고 있는 때의 표시를 제공할 수 있다. 센서는 중합체의 존재를 확인하는 압력, 온도, 광학적, 또는 다른 수단을 감지할 수 있다. 압력이 센서에 의해 측정될 때, 이러한 측정값은 성형되는 구성요소에 대한 목표 "패킹 압력(packing pressure)"을 제공하기 위해 중앙 제어 유닛과 통신하는 데 사용될 수 있다. 센서에 의해 발생된 신호는, 재료 점도, 주형 온도, 용융물 온도에 있어서의 변동, 및 충전 속도에 영향을 미치는 다른 변동이 중앙 제어 유닛에 의해 조정될 수 있도록, 성형 공정을 제어하는 데 사용될 수 있다. 이러한 조정이 성형 사이클 동안에 즉시 이루어질 수 있거나, 후속 사이클에서 보정이 이루어질 수 있다. 또한, 몇몇 측정값이 다수의 사이클에 걸쳐 평균되고, 이어서 중앙 제어 유닛에 의해 성형 공정에 대한 조정을 행하는 데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 현재의 사출 사이클은 더 이른 시점에서 하나 이상의 사이클 동안에 발생하는 측정값에 기초해 보정될 수 있다. 일 실시예에서, 센서 측정값들은 공정 일관성을 달성하기 위해 많은 사이클에 걸쳐 평균될 수 있다.

주형 공동이 완전히 충전되고 나면, 필요할 경우 용융물 압력 및 주형 공동 압력은 시간 t4에서 대기압으로 감소되고, 주형 공동이 개방될 수 있다. 이러한 시간 동안, 왕복 스크류(22)는 전방으로의 이동을 중지한다. 유리하게는, 낮은, 실질적으로 일정한 압력 조건은 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷이 주형 내측에서 신속하게 냉각되게 하며, 이는 다양한 실시예에서 용융물 압력과 주형 공동이 대기압으로 통기되는 것과 실질적으로 동시에 일어날 수 있다. 따라서, 사출 성형된 부품은 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷에 의한 주형 공동의 충전 후에 신속하게 주형으로부터 배출될 수 있다.

용융물 압력

본 명세서에 사용되는 바와 같이, "용융물 압력"이라는 용어는 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷이 성형 장치의 주형 공동 내로 사출되어 이를 충전할 때의 이러한 샷의 압력을 지칭한다. 실질적으로 전체 주형 공동의 충전 동안, 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷의 용융물 압력은 41.4 ㎫ (6000 psi) 미만으로 실질적으로 일정하게 유지된다. 실질적으로 전체 주형 공동의 충전 동안 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷의 용융물 압력은, 통상적인 사출 성형 공정에 사용되고 사출 성형 공정에서의 사용을 위한 열가소성 재료의 제조업자에 의해 권고되는 사출 및 충전 용융물 압력보다 상당히 낮다. 다른 적합한 용융물 압력은 예를 들어 34.5 ㎫ (5000 psi) 미만, 31.0 ㎫ (4500 psi) 미만, 27.6 ㎫ (4000 psi) 미만, 및 20.7 ㎫ (3000 psi) 미만을 포함한다. 예를 들어, 용융물 압력은 약 6.9 ㎫ (1000 psi) 내지 41.4 ㎫ (6000 psi) 미만, 약 10.3 ㎫ (1500 psi) 내지 약 37.9 ㎫ (5500 psi), 약 13.8 ㎫ (2000 psi) 내지 약 34.5 ㎫ (5000 psi), 약 17.2 ㎫ (2500 psi) 내지 약 31.0 ㎫ (4500 psi), 약 20.7 ㎫ (3000 psi) 내지 약 27.6 ㎫ (4000 psi), 및 약 20.7 ㎫ (3000 psi) 내지 41.4 ㎫ (6000 psi) 미만의 범위 내에서 실질적으로 일정한 압력으로 유지될 수 있다.

전술된 바와 같이, "실질적으로 일정한 압력"은 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷에 의한 실질적으로 전체 주형 공동의 충전 동안, 원하는 용융물 압력으로부터 원하는 용융물 압력의 30% 초과로 상승 또는 하강하여 변동하지 않는 압력을 지칭한다. 예를 들어, 실질적으로 일정한 압력은 용융물 압력으로부터 약 0% 내지 약 30%, 약 2% 내지 약 25%, 약 4% 내지 약 20%, 약 6% 내지 약 15%, 및 약 8% 내지 약 10%로 (증가 또는 감소로서) 변동할 수 있다. 다른 적합한 변동량은 약 0, 2, 4 ,6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 및 30%를 포함한다. 변동은 원하는 용융물 압력으로부터 ΔP로서 도 2에 예시되어 있다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 용융물 압력은 실질적으로 전체 주형 공동의 충전 동안, 예를 들어 일정한 속도로 각각 증가 또는 감소할 수 있으며, 실질적으로 전체 주형 공동의 충전 동안 용융물 압력의 최대 증가 또는 감소가 원하는 용융물 압력의 30% 이하인 한 실질적으로 일정한 것으로 고려될 수 있다. 역시, 이러한 변동은 원하는 용융물 압력으로부터 ΔP로서 도 3 및 도 4에 예시되어 있다. 또 다른 실시예에서, 용융물 압력은 실질적으로 전체 주형 공동의 충전 동안 시간 t3의 일부에 걸쳐 증가할 수 있고 이어서 시간 t3의 나머지 부분에 걸쳐 감소할 수 있다. 이러한 변동은 충전 동안 용융물 압력의 최대 증가 또는 감소가 원하는 용융물 압력의 30% 미만인 한 실질적으로 일정한 압력인 것으로 고려될 수 있다.

주형 공동 내로의 사출 시에 열가소성 재료를 포함하는 샷의 용융물 압력은 예를 들어 사출 지점에 배치되는 압력 변환기를 사용하여 측정될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "사출 지점"은 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷이 주형 공동으로 진입하는 성형 장치의 위치이다. 예를 들어, 노즐에 결합된 단일 주형 공동을 갖는 성형 장치의 경우, 사출 지점은 노즐에 있거나 노즐에 인접하여 있을 수 있다. 대안적으로, 복수의 주형 공동 및 노즐로부터 각각의 주형 공동으로 용융된 열가소성 재료를 이송시키기 위한 러너 시스템을 갖는 성형 장치의 경우, 사출 지점은 러너 시스템과 개별 주형 공동들 각각의 사이에서의 접촉 지점일 수 있다. 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷은 이러한 샷이 러너 시스템을 통해 이송될 때 실질적으로 일정한 용융물 압력으로 유지된다. 일반적으로, 러너 시스템은 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷이 주형 공동으로 이송될 때 이러한 샷의 용융물 온도를 유지하는 가열된 러너 시스템이다.

실질적으로 전체 주형 공동의 충전 동안 열가소성 재료를 포함하는 샷의 용융물 압력은, 예를 들어 노즐에 배치되는 압력 변환기를 사용하여 용융물 압력을 측정하고 주형 공동 내로의 사출 시에 노즐에서의 일정한 압력을 유지함으로써 유지될 수 있다. 다른 실시예에서, 실질적으로 전체 주형 공동의 충전 동안 열가소성 재료를 포함하는 샷의 용융물 압력은 게이트 반대편에서 주형 공동에 배치되는 압력 변환기를 사용하여 측정될 수 있다.

공동 충전율은 체적 기준으로 충전되는 공동의 %로서 규정된다. 따라서, 공동이 95% 충전된 경우, 충전된 주형 공동의 총 체적은 주형 공동의 총 체적 용량의 95%이다. 주형 공동의 70% 이상, 72% 이상, 74% 이상, 76% 이상, 78% 이상, 80% 이상, 82% 이상, 84% 이상, 86% 이상, 88% 이상, 90% 이상, 92% 이상, 94% 이상, 96% 이상, 98% 이상, 또는 99% 이상이 용융된 열가소성 재료로 충전된 때, 실질적으로 전체 주형 공동이 충전된다. 예를 들어, 주형 공동의 약 70% 내지 약 100%, 약 75% 내지 약 99%, 약 80% 내지 약 98%, 또는 약 90% 내지 약 95%가 용융된 열가소성 재료로 충전된 때, 실질적으로 전체 주형 공동이 충전된다. 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷으로 충전된 주형 공동의 백분율은, 예를 들어 원하는 충전 백분율에 대응하는 주형 공동의 충전 한계 지점에서 주형 공동 내에 압력 변환기를 배치함으로써 결정될 수 있다. 압력 변환기는 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷이 원하는 충전 백분율에 도달한 때를 작업자에게 알려준다.

도 5를 참조하면, 일 실시예에서, 실질적으로 전체 주형 공동이 (시간 t3의 단부에서) 충전되고 나면, 주형 공동의 나머지 부분을 충전 및 패킹하기 위해 감소된 용융물 압력이 사용될 수 있다(시간 t3'). 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷의 용융물 압력은, 주형 공동의 나머지 부분을 충전하기 위한 이상적인 압력을 제공하고 주형 공동의 과잉 가압 또는 과잉 패킹을 방지하기 위해 실질적으로 전체 주형 공동이 충전되고 나면, 용융물 압력 미만의 팩 압력으로 감소될 수 있다. 주형 공동의 나머지 부분은 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷의 용융물 압력을 팩 압력으로 실질적으로 일정하게 유지하면서 충전될 수 있다. 팩 압력은 예를 들어 용융물 압력의 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상, 75% 이상, 80% 이상, 85% 이상, 90% 이상, 95% 이상, 또는 99% 이상일 수 있다.

다른 실시예에서, 실질적으로 전체 주형 공동이 충전되고 나면, 용융물 압력은 주형 공동의 나머지 부분을 충전 및 패킹하기 위해 증가될 수 있다.

실질적으로 일정한 압력의 유지

일 실시예에서, 용융된 열가소성 재료(24)를 포함하는 샷을 용융물 온도에서 주형 공동 내로 사출하기 위해, 용융된 열가소성 재료(24)를 포함하는 샷에 유압이 가해진다. 유압은 예를 들어 용융된 열가소성 재료(24)를 포함하는 샷을 노즐(26)을 통해 주형 공동(32) 내로 가압하기 위해, 도 1의 화살표(A)의 방향으로 왕복 스크류(22)를 노즐(26)을 향해 병진시킴으로써 가해질 수 있다. 용융물 압력은 이어서, 주형 공동(32) 내로의 사출 시에 용융된 열가소성 재료(23)를 포함하는 샷의 용융물 압력 및 주형 공동(32)의 충전 동안 용융된 열가소성 재료(24)를 포함하는 샷의 용융물 압력을 모니터링하고, 주형 공동 내로의 사출 동안 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷에 가해지는 유압을 조정함으로써, 주형 공동(32) 내로의 용융된 열가소성 재료(24)를 포함하는 샷의 충전 동안 실질적으로 일정하게 유지된다. 용융물 압력은 사출 지점, 예를 들어 노즐(26)에, 그리고 주형 공동(32) 내에 배치되는 압력 변환기를 사용하여 모니터링될 수 있다.

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. 제어기(50)는 이어서 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)는 사출된 유체와 직접 접촉할 필요는 없으며, 대안적으로 유체와 동적으로 연결되어 유체의 압력 및/또는 다른 유체 특성을 감지하는 것이 가능할 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 연결되는 위치에 배치될 필요는 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, 제어기(50)는 센서(52)로부터의 입력에 따라 압력을 유지할 수 있다.

능동형 폐쇄 루프 제어기(50)가 도 1에 예시되어 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(pressure relief valve)(도시되지 않음)가 제어기(50)를 대신할 수 있다. 더욱 구체적으로, 압력 조절 밸브 및 압력 릴리프 밸브는 주형(28)의 과잉 가압을 방지할 수 있다. 주형(28)의 과잉 가압을 방지하기 위한 다른 대안적인 기구는 과잉 가압 조건이 검출될 때 경보를 활성화시키는 것이다.

따라서, 다른 실시예에서, 성형 장치는 사출 지점과 주형 공동 사이에 배치되는 압력 릴리프 밸브를 포함할 수 있다. 압력 릴리프 밸브는 미리설정된 압력 설정점을 갖고, 이는 주형 공동의 사출 및 충전을 위한 원하는 용융물 압력과 동일하다. 주형 공동의 사출 및 충전 동안의 용융물 압력은 미리설정된 설정점보다 높은 용융물 압력에서 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷을 압력 릴리프 밸브를 통해 가압하기 위해 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷에 압력을 가함으로써 실질적으로 일정하게 유지된다. 압력 릴리프 밸브는 이어서 열가소성 재료를 포함하는 샷이 압력 릴리프 밸브를 통과하여 주형 공동 내로 사출됨에 따라 이러한 샷의 용융물 압력을 감소시킨다. 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷의 감소된 용융물 압력은 주형 공동의 충전을 위한 원하는 용융물 압력에 대응하고, 압력 릴리프 밸브의 미리설정된 설정점에 의해 실질적으로 일정하게 유지된다.

일 실시예에서, 용융물 압력은 열가소성 재료를 포함하는 샷의 일부분을 압력 릴리프 밸브의 출구로 우회시킴으로써 감소된다. 열가소성 재료를 포함하는 샷의 우회된 부분은 용융된 상태로 유지될 수 있으며, 예를 들어 가열된 배럴을 통해 사출 시스템 내로 재통합될 수 있다.

주형 공동

성형 장치는 적어도 하나의 주형 공동을 갖는 주형을 포함한다. 주형은 임의의 적합한 수의 주형 공동을 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 방법의 실시예는 유리하게는 비대칭적으로 배향된 주형 공동들 및/또는 상이한 형상을 갖는 주형 공동들을 갖는 주형의 사용을 가능하게 한다. 방법의 실시예의 낮은, 실질적으로 일정한 충전 압력의 사용은 주형 공동 배열에서의 비대칭에도 불구하고 각각의 주형 공동이 균형화된 패킹 조건 하에서 충전되는 것을 가능하게 할 수 있다. 따라서, 비대칭 배향에도 불구하고 주형의 주형 공동들 각각에서 양질의 사출 성형된 부품이 형성될 수 있다. 주형의 주형 공동들을 비대칭적으로 배열하는 능력은 유리하게는 주형 내의 높은 주형 공동 밀도를 가능하게 할 수 있으며, 이로써 증가된 수의 사출 성형된 부품이 단일 주형에 의해 형성되는 것을 가능하게 하고 그리고/또는 주형의 크기의 감소를 가능하게 한다.

주형 공동 압력

본 명세서에 사용되는 바와 같이, "주형 공동 압력"은 폐쇄된 주형 공동 내의 압력을 지칭한다. 주형 공동 압력은 예를 들어 주형 공동 내측에 배치되는 압력 변환기를 사용하여 측정될 수 있다. 방법의 실시예에서, 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷을 주형 공동 내로 사출하기 전에, 주형 공동 압력은 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷의 사출-전 압력과 상이하다. 예를 들어, 주형 공동 압력은 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷의 사출-전 압력보다 낮을 수 있다. 다른 실시예에서, 주형 공동 압력은 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷의 사출-전 압력보다 높을 수 있다. 예를 들어, 사출 전의 주형 공동 압력은 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷의 사출-전 압력과 10% 이상, 15% 이상, 20% 이상, 25% 이상, 30% 이상, 40% 이상, 또는 50% 이상 상이할 수 있다(높거나 낮음). 일 실시예에서, 주형 공동 압력은 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷의 사출-전 압력과 103.4 ㎪ (15 psi) 이상 상이하다(높거나 낮음). 도 2 및 도 4를 참조하면, 다양한 실시예에서, 사출 전의 주형 공동 압력은 대기압일 수 있다. 다른 실시예에서, 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이, 주형 공동 압력은 대기압보다 높은 압력을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 주형 공동은 사출 전에 진공으로 유지될 수 있다.

다양한 실시예에서, 주형 공동 압력은 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷에 의한 실질적으로 전체 주형 공동의 충전 동안 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다. "실질적으로 일정한 압력"이라는 용어는 열가소성 재료의 용융물 압력과 관련하여 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 기준 용융물 압력으로부터의 편차가 열가소성 재료의 물리적 특성에 있어서의 유의미한 변화를 생성하지 않는다는 것을 의미한다. 예를 들어, "실질적으로 일정한 압력"은 용융된 열가소성 재료의 점도가 유의미하게 변화하지 않게 하는 압력 변동을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. "실질적으로 일정한"이라는 용어는 이 점에 있어서 기준 용융물 압력으로부터 대략 30%까지의 편차를 포함한다. 예를 들어, "대략 31.7 ㎫ (4600 psi)의 실질적으로 일정한 압력"이라는 용어는 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 변동하는 한 실질적으로 일정한 것으로 고려된다.

예를 들어, 실질적으로 일정한 압력은 용융물 압력으로부터 약 0% 내지 약 30%, 약 2% 내지 약 25%, 약 4% 내지 약 20%, 약 6% 내지 약 15%, 및 약 8% 내지 약 10%로 (증가 또는 감소로서) 변동할 수 있다. 다른 적합한 변동량은 약 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 및 30%를 포함한다. 도 2를 참조하면, 예를 들어, 주형 공동 압력은 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷에 의한 실질적으로 전체 주형 공동의 충전 동안 실질적으로 일정한 대기압으로 유지될 수 있다. 도 3을 참조하면, 예를 들어, 주형 공동 압력은 주형 공동의 사출-전 압력과 동일한 대기압보다 높은 압력으로 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다. 다른 실시예에서, 주형 공동 압력은 주형 공동의 사출-전 압력보다 높은 실질적으로 일정한 압력으로 유지될 수 있다. 예를 들어, 주형 공동의 충전을 위한 적합한 주형 공동 압력은 예를 들어 약 344.7 ㎪ (50 psi) 내지 약 3447.4 ㎪ (500 psi)을 포함한다.

주형 공동은 예를 들어 주형 공동 압력을 실질적으로 일정하게 유지하기 위한 하나 이상의 통기구를 포함할 수 있다. 통기구는 주형 공동 압력을 실질적으로 일정하게 유지하기 위해 개방 및 폐쇄되도록 제어될 수 있다.

일 실시예에서, 용융된 열가소성재를 포함하는 샷에 의한 실질적으로 전체 주형 공동의 사출 및 충전 동안 주형 공동 내에 진공이 유지될 수 있다. 충전 동안 주형 공동으로부터 가압되는 공기가 없으므로, 사출 동안 주형 공동 내의 진공을 유지하는 것은 유리하게는 공동을 충전하는 데 요구되는 용융물 압력의 양을 감소시킬 수 있다. 용융물 압력과 최종 충전 압력 사이의 증가된 압력 강하 및 유동에 대한 공기 저항의 결여는 또한 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷의 더 큰 유동 길이를 생성할 수 있다.

도 5를 참조하면, 다른 실시예에서, 주형 공동 압력은 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷에 의한 실질적으로 전체 주형 공동의 충전 동안 증가할 수 있다. 예를 들어, 주형 공동 압력은 충전 동안 주형 공동의 치환 체적(displaced volume)에 비례하여 증가할 수 있다. 주형 공동 압력에서의 증가는 예를 들어 실질적으로 일정한 속도로 발생할 수 있다. 주형 공동은 증가된 주형 공동 압력을 미리설정된 설정점 미만으로 유지하기 위한 통기구를 포함할 수 있다. 미리설정된 설정점은 예를 들어 대략 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷의 용융물 압력일 수 있다. 미리설정된 설정점은 또한, 예를 들어 그 압력의 초과 시에 주형 공동을 손상시키거나 사출 성형된 부품의 품질에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 압력일 수 있다.

주형 공동이 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷으로 완전히 충전되고 재료가 냉각되고 나면, 주형 공동 압력은 필요할 경우 대기압으로 통기될 수 있고 주형은 사출 성형된 부품을 해제시키기 위해 개방될 수 있다.

주형 공동 온도

방법의 실시예에서, 주형 공동은 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷에 의한 주형 공동의 사출 및 충전 전에 실온으로 유지되거나 냉각된다. 주형 공동 표면이 용융된 열가소성 재료와의 접촉 시에 온도가 증가할 수 있지만, 열가소성 재료를 포함하는 샷과 접촉하는 주형 공동의 가장 근접한 표면으로부터 2 ㎜ 이상, 3 ㎜ 이상, 4 ㎜ 이상, 5 ㎜ 이상, 6 ㎜ 이상, 7 ㎜ 이상, 8 ㎜ 이상, 9 ㎜ 이상, 또는 10 ㎜ 이상 이격된 주형 공동의 내부 부분은 더 낮은 온도로 유지된다. 전형적으로, 이러한 온도는 열가소성 재료의 비-유동 온도 미만이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "비-유동 온도"는 열가소성 재료의 점도가 너무 높아 유동이 효과적으로 이루어질 수 없는 온도를 지칭한다. 다양한 실시예에서, 주형의 내부 부분은 100℃ 미만의 온도로 유지될 수 있다. 예를 들어, 내부 부분은 약 10℃ 내지 약 99℃, 약 20℃ 내지 약 80℃, 약 30℃ 내지 약 70℃, 약 40℃ 내지 약 60℃, 및 약 20℃ 내지 약 50℃의 온도로 유지될 수 있다. 다른 적합한 온도는 약 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 또는 99℃를 포함한다. 일 실시예에서, 내부 부분은 50℃ 미만의 온도로 유지된다.

지금까지는, 낮은 일정한 압력에서 충전할 때, 충전 속도는 통상적인 충전 방법에 비해 감소되었다. 이는 주형이 완전히 충전되기 전에 중합체가 더 긴 기간 동안 냉각된 성형 표면과 접촉할 것이라는 것을 의미한다. 따라서, 충전 전에 더 많은 열이 제거될 필요가 있을 것이며, 이는 주형이 충전되기 전에 재료가 굳어지게 할 것으로 예상될 것이다. 주형 공동의 일부분이 열가소성 재료의 비-유동 온도 미만이더라도, 열가소성 재료가 낮은, 실질적으로 일정한 압력 조건에 가해질 때 유동할 것이라는 것을 예상치 않게 발견하였다. 그러한 조건은 열가소성 재료가 계속 유동하여 전체 주형 공동을 충전하기보다는 굳어져 주형 공동을 막게 할 것이라는 것이 당업자에 의해 일반적으로 예상될 것이다. 이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 개시된 방법의 실시예의 낮은, 실질적으로 일정한 압력 조건이 충전 동안 전체 주형 공동 전반에 걸친 동적 유동 조건(즉, 일정하게 이동하는 용융물 전면)을 허용할 것으로 여겨진다. 용융된 열가소성 재료가 주형 공동을 충전하도록 유동할 때 용융된 열가소성 재료의 유동에서 정체가 없으며, 따라서 주형 공동의 적어도 일부분이 열가소성 재료의 비-유동 온도 미만이더라도 유동의 굳어짐에 대한 가능성은 없다. 또한, 동적 유동 조건의 결과로서, 용융된 열가소성 재료는 주형 공동 내에서 그러한 온도에 가해지더라도, 전단 가열(shear heating)의 결과로서 비-유동 온도보다 높은 온도를 유지할 수 있는 것으로 여겨진다. 추가로, 동적 유동 조건은 열가소성 재료가 굳어지는 과정을 시작할 때 열가소성 재료 내의 결정 구조의 형성을 방해하는 것으로 여겨진다. 결정 구조 형성은 열가소성 재료의 점도를 증가시키고, 이는 공동을 충전하기에 적합한 유동을 방해할 수 있다. 결정 구조 형성 및/또는 결정 구조 크기에 있어서의 감소는 열가소성 재료가 공동 내로 유동하고 재료의 비-유동 온도 미만인 주형의 낮은 온도에 가해질 때, 열가소성 재료 점도에 있어서의 감소를 가능하게 할 수 있다.

다양한 실시예에서, 주형은 비-유동 온도 미만의 온도로 전체 주형 공동을 유지하는 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷과 접촉하는 주형 공동의 표면들도 더 낮은 온도를 유지하도록 냉각될 수 있다. 임의의 적합한 냉각 온도가 사용될 수 있다. 예를 들어, 주형은 실질적으로 실온으로 유지될 수 있다. 그러한 냉각 시스템의 통합은 유리하게는 형성된 상태 그대로의 사출 성형된 부품이 냉각되고 주형으로부터 배출되도록 준비되는 속도를 향상시킬 수 있다.

열가소성 재료

본 발명의 낮은, 실질적으로 일정한 압력의 사출 성형 방법에 다양한 열가소성 재료가 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 용융된 열가소성 재료는 약 230℃의 온도 및 2.16 ㎏의 중량에서 수행되는 ASTM D1238에 의해 측정될 때, 약 0.1 g/10분 내지 약 500 g/10분의 용융 유동 지수에 의해 규정되는 바와 같은 점도를 갖는다. 예를 들어, 폴리프로필렌의 경우, 용융 유동 지수는 약 0.5 g/10분 내지 약 200 g/10분의 범위에 있을 수 있다. 다른 적합한 용융 유동 지수는 약 1 g/10분 내지 약 400 g/10분, 약 10 g/10분 내지 약 300 g/10분, 약 20 내지 약 200 g/10분, 약 30 g/10분 내지 약 100 g/10분, 약 50 g/10분 내지 약 75 g/10분, 약 0.1 g/10분 내지 약 1 g/10분, 또는 약 1 g/10분 내지 약 25 g/10분을 포함한다. 재료의 MFI는 성형된 물품의 응용 및 용도에 기초하여 선택된다. 예를 들어, 0.1 g/10분 내지 약 5 g/10분의 MFI를 가진 열가소성 재료는 사출 연신 블로우 성형(Injection Stretch Blow Molding, ISBM) 응용에 대해 예비성형품으로서 사용하기에 적합할 수 있다. 5 g/10분 내지 약 50 g/10분의 MFI를 가진 열가소성 재료는 물품을 패키징하기 위한 캡(cap) 및 클로저로서 사용하기에 적합할 수 있다. 50 g/10분 내지 약 150 g/10분의 MFI를 가진 열가소성 재료는 버킷(bucket) 또는 터브의 제조에 사용하기에 적합할 수 있다. 150 g/10분 내지 약 500 g/10분의 MFI를 가진 열가소성 재료는 얇은 플레이트와 같은 극도로 높은 L/T 비를 갖는 성형된 물품에 적합할 수 있다. 그러한 열가소성 재료의 제조업자는 일반적으로 재료가 41.4 ㎫ (6000 psi)을 초과하는, 그리고 종종 41.4 ㎫ (6000 psi)을 훨씬 초과하는 용융물 압력을 사용하여 사출 성형되어야 하는 것으로 교시한다. 그러한 열가소성 재료의 사출 성형에 관한 통상적인 교시와 반대로, 본 발명의 낮은, 일정한 사출 성형 방법의 실시예는 유리하게는 그러한 열가소성 재료를 사용하고 41.4 ㎫ (6000 psi) 미만의, 그리고 가능하게는 41.4 ㎫ (6000 psi) 훨씬 미만의 용융물 압력에서 처리하여 양질의 사출 성형된 부품을 형성하는 것을 가능하게 한다.

열가소성 재료는 예를 들어 폴리올레핀일 수 있다. 예시적인 폴리올레핀은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리메틸펜텐, 및 폴리부텐-1을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 임의의 전술된 폴리올레핀은 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 박화(shear thinning)를 나타낸다. 전단 박화는 유체가 압축 응력 하에 놓일 때 점도에 있어서의 감소이다. 전단 박화는 이롭게는 열가소성 재료의 유동이 사출 성형 공정 전반에 걸쳐 유지되도록 할 수 있다. 이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 열가소성 재료, 특히 폴리올레핀의 전단 박화 특성은 재료가 낮은 압력에서 처리될 때 재료 점도의 변동을 감소시키는 것으로 여겨진다. 결과적으로, 본 발명의 방법의 실시예는 예를 들어 처리 조건뿐만 아니라 착색제 및 다른 첨가제로부터 기인한 열가소성 재료에 있어서의 변동에 덜 민감할 수 있다. 열가소성 재료 특성의 배치간 변동에 대한 이러한 감소된 민감성은 또한 유리하게는 산업적 사용 후(post-industrial) 및 소비 후 재생 플라스틱이 본 발명의 방법의 실시예를 사용하여 처리되도록 할 수 있다. 산업적 사용 후 및 소비 후 재생 플라스틱은, 그들의 수명 사이클이 완료되었고 그렇지 않을 경우 고형 폐기물 제품으로 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 직접 대체품(drop-in replacement)인 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 재료의 블렌드일 수 있다. 열가소성 재료는 예를 들어 다중-모드(multi-modal) 또는 이중-모드(bi-modal) 블렌드를 생성하는 고, 중, 및 저 분자 중합체의 블렌드일 수 있다. 다중-모드 재료는 우수한 유동 특성과 또한 만족스런 화학적/물리적 특성을 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 이의 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 화학적 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 상기 인용된 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.

예시적인 열가소성 수지가 그의 권고 작동 압력 범위와 함께 하기의 표에 제공된다:

하나 초과의 실시예가 41.4 ㎫ (6000 psi) 미만의 실질적으로 일정한 압력으로 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷의 용융물 압력을 유지하면서, 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷으로 실질적으로 전체 주형 공동을 충전하는 것을 수반하지만, 특정 열가소성 재료는 상이한 일정한 압력에서 본 발명으로부터 이익을 얻는다. 구체적으로: 68.9 ㎫ (10000 psi) 미만의 실질적으로 일정한 압력에서의 PP, 나일론, PC, PS, SAN, PE, TPE, PVDF, PTI, PBT, 및 PLA; 55.2 ㎫ (8000 psi) 미만의 실질적으로 일정한 압력에서의 ABS; 40.0 ㎫ (5800 psi) 미만의 실질적으로 일정한 압력에서의 PET; 48.3 ㎫ (7000 psi) 미만의 실질적으로 일정한 압력에서의 아세탈 공중합체; 그 외에도, 68.9 ㎫ (10000 psi), 또는 55.2 ㎫ (8000 psi), 또는 48.3 ㎫ (7000 psi) 또는 41.4 ㎫ (6000 psi), 또는 40.0 ㎫ (5800 psi) 미만의 실질적으로 일정한 압력에서의 폴리(에틸렌 푸라네이트) 폴리하이드록시알카노에이트, 폴리에틸렌 푸라노에이트(PEF로도 알려짐).

상세히 전술된 바와 같이, 개시된 낮은, 실질적으로 일정한 압력의 방법의 실시예는 통상적인 고압 사출 성형 고정, 종래 기술의 높은 일정한 압력의 사출 성형 공정, 및 종래 기술의 더 낮은 압력의 사출 성형 공정에 비해 하나 이상의 이점을 달성할 수 있다. 예를 들어, 실시예는 주형 공동의 사출-전 압력과 열가소성 재료의 균형을 맞출 필요가 제거된 더욱 비용 효과적이고 효율적인 공정, 대기압의 주형 공동 압력의 사용을 가능하게 하고 그에 따라 가압 수단의 필요성을 제거한 단순화된 주형 구조물을 가능하게 공정, 기계가공하기에 더욱 비용 효과적이고 용이한 낮은 경도, 높은 열전도율의 주형 공동 재료를 사용하는 능력, 온도, 점도 및 열가소성 재료의 다른 재료 특성에서의 변동에 덜 민감한 더욱 강건한 처리 방법, 및 주형 공동 내의 열가소성 재료의 조기 경화 없이 그리고 주형 공동 내에서 가열하거나 일정한 온도를 유지할 필요 없이 낮은 압력에서 양질의 사출 성형된 부품을 생산하는 능력을 포함한다.

일례에서, 사출 압력 41.4 ㎫ (6000 psi) 미만의 낮은 일정한 압력의 공정을 사용하여 샘플 부품을 성형하였다.

통상의 실험실 마이크로톰(microtome)을 사용하여 사출 성형된 부품으로부터 샘플을 분리하였다. 각각의 사출 성형된 부품으로부터 적어도 4개의 샘플을 취하였다. 이어서, 각각의 샘플의 구성 층(스킨, 코어 등)을 노출시키도록 샘플의 단면을 준비하였다.

도리스(DORIS) III와 맥심(MAXIM) 검출기 조합체(ensemble)에서 도이치스 엘렉트로넨 싱크로트론(Deutsches Elektronen Synchrotron, DESY) 빔라인(beamline) G3에서 싱크로트론 측정값을 취하였는데, 즉 최초 측정값을 샘플 회절의 개관을 얻기 위해 포인트 평균 신틸레이션 카운팅 장치(point averaging scintillation counting device)에 의해 취하였다. 이어서, 맥심의 위치 감지 카메라(그의 CCD 센서 전방의 다채널 플레이트(MCP)를 가진 2D 검출기 하마마츠(Hamamatsu) 4880)에 의해 공간적으로 분해된 회절 이미지를 취하였다.

싱크로트론 측정값은, 낮은 일정한 압력의 공정을 사용하여 성형된 소정 두께를 갖는 사출 성형된 부품이 부품의 코어에서 배향된 폴리프로필렌 결정자들의 뚜렷하고 식별가능한 추가적인 밴드 또는 구역(이하 도면의 적색 화살표 참조)을 나타낸다는 것을 보여주었다. 배향된 재료의 이러한 추가적인 구역은 강철 또는 알루미늄 주형을 사용하여 성형된 부품에서 보여질 수 있다. 통상적인 더 높은 압력의 공정을 사용하여 성형된 부품은 보통 낮은 일정한 압력의 공정을 사용하여 성형된 부품과 비교할 때 감소된 수의 배향된 밴드를 갖는다.

낮은 일정한 압력의 공정을 사용하여 성형된 부품은 더 작은 몰디드-인 응력을 가질 수 있다. 통상적인 공정에서, 압력 제어로의 고도의 이전 또는 전환과 조합된 속도-제어식 충전 공정은 높은 수준의 바람직하지 않은 몰디드-인 응력을 갖는 부품을 생성할 수 있다. 통상적인 공정에서 팩 압력이 너무 높게 설정되는 경우, 부품은 종종 과잉-패킹된(over-packed) 게이트 영역을 가질 것이다. 몰디드-인 응력은 교차-편광된 광 테이블(cross-polarized light table) 상에 부품을 배치함으로써 시각적으로 평가될 수 있다. 성형된 부품에서 관찰되는 복굴절은 몰디드-인 응력의 차이를 관찰하는 데 사용될 수 있다. 전형적으로, 이는 부품 내의 응력선의 패턴으로서 관찰된다. 더 많은 선의 수 및/또는 응력선의 비-균일성은 전형적으로 바람직하지 않다.

"실질적으로", "약", 및 "대략"이라는 용어는 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, "실질적으로", "약", 및 "대략"이라는 용어는 정량 비교, 값, 측정값, 또는 다른 표현이 언급된 기준의 5% 이내에 있을 수 있음을 의미한다.

본 명세서에 예시 및 기술된 제품의 다양한 실시예가 낮은, 실질적으로 일정한 압력의 성형 공정에 의해 생산될 수 있음이 이제 명백할 것이다. 본 명세서에서 소비재를 포함하는 제품 또는 소비재 제품 자체에 대해 특히 언급되었지만, 본 명세서에 논의된 성형 방법은 소비재 산업, 외식업, 운송업, 의료 산업, 완구 산업 등에서 사용하기 위한 제품과 관련하여 사용하기에 적합할 수 있음이 명백할 것이다. 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 주형(stack mold)의 구성에 사용될 수 있음을 인식할 것이다.

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 안 된다. 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

(a) 특정 공동 형상을 갖는 주형 공동(도 1에서, 도면부호 28)을 구비한 성형 장치(도 1에서, 도면부호 10)를 제공하는 단계;
(b) 용융된 열가소성 재료(도 1에서, 도면부호 24)를 포함하는 샷(shot)으로 주형 공동을 충전하는 단계로서, 상기 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷은 주형 공동 내로의 사출 시에, 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷의 사출-전 압력(도 2에서, t1)을 초과하는 용융물 압력(melt pressure)(도 2에서, t2, t3)을 가지는, 상기 충전하는 단계를 포함하는 방법에 있어서,
(c) 용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷으로 주형 공동을 충전하는 동안, 주형 공동이 70% 내지 100% 충전될 때까지 성형 장치의 노즐 내의 용융물 압력을 70 및 422 kgf/㎠ 사이의 실질적으로 일정한 압력(도 2에서, t3)으로 유지하여 상기 실질적으로 일정한 압력이 14% 미만으로 변동하는, 단계; 및
(d) 주형 공동으로부터, 본질적으로 특정 공동 형상을 복제하는 형상을 갖는 부품을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,
용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷으로 실질적으로 전체 주형 공동을 충전하는 동안, 성형 장치의 노즐 내의 용융물 압력을 141 및 352kgf/㎠ 사이의 실질적으로 일정한 압력으로 유지하는 단계를 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서,
용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷으로 실질적으로 전체 주형 공동을 충전하는 동안, 성형 장치의 노즐 내의 용융물 압력을 176 및 316kgf/㎠ 사이의 실질적으로 일정한 압력으로 유지하는 단계를 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서,
용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷으로 실질적으로 전체 주형 공동을 충전하는 동안, 성형 장치의 노즐 내의 용융물 압력을 실질적으로 일정한 압력으로 유지하여 상기 실질적으로 일정한 압력이 8% 미만으로 변동하는 단계를 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서,
용융된 열가소성 재료를 포함하는 샷으로 실질적으로 전체 주형 공동을 충전하는 동안, 성형 장치의 노즐 내의 용융물 압력을 실질적으로 일정한 압력으로 유지하여 상기 실질적으로 일정한 압력이 4% 미만으로 변동하는 단계를 포함하는 방법.