KR20170026550A - 사출 성형 또는 엠보싱/프레싱 하기 위한 툴 및 방법 - Google Patents

사출 성형 또는 엠보싱/프레싱 하기 위한 툴 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 활성 툴 표면에 인접한 전도성 상부층에서 진동 자기장을 발생시키기 위한 코일, 및 코일 담체층과 상부층 사이에 배치된 전기 전도성 중간층(23)을 포함하는, 활성 툴 표면을 가열하기 위한 수단을 구비한 사출 성형 또는 엠보싱/프레싱 하기 위한 툴에 관한 것이다. 내열층(29)은 상기 중간층과 상부층 사이에 배치되며 활성 툴 표면에서 보았을 때 내열층 아래의 층에 결합되는 세라믹 재료 용사 코팅을 포함한다.

Description

사출 성형 또는 엠보싱/프레싱 하기 위한 툴 및 방법{TOOL AND METHOD FOR INJECTION MOULDING OR EMBOSSING/PRESSING}
본 발명은 가열 장치를 포함하고 있는 사출 성형 툴 또는 엠보싱/프레싱 툴과 같은 툴에 관한 것이다. 활성 툴 표면을 가열하는 적층체에 의해 가열이 이루어지며, 상기 적층체는 진동 자기장을 발생시키기 위한 적어도 하나의 권선 코일을 포함하는 코일 담체층, 활성 툴 표면에 인접한 전기 전도성 상부층, 상부층에서 보았을 때 코일 담체층 아래에 위치하고 상부층과 전기적으로 연결되며 상부층보다 낮은 저항률을 갖는 배면층, 상기 코일 담체층과 상부층 사이에 배치되며 상부층보다 낮은 저항률을 갖는 전기 전도성 중간층, 및 상기 중간층과 상부층 사이의 내열층을 포함한다.
이러한 장치는 WO 2013/002703 A1호에 제안되어 있는데, 이 장치는 예컨대 미세한 표면 패턴을 구비한 광학 장치를 엠보싱 하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 툴에 대한 한 가지 문제점은 툴을 효율적인 방식으로 어떻게 제조하는가에 관한 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 더욱 효율적인 방식으로 제조될 수 있는 툴을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1에 한정하는 바와 같은 툴에서 달성된다. 더욱 구체적으로, 서두에 언급한 유형의 툴에서, 내열층은 활성 툴 표면에서 보았을 때 내열층 아래의 층에 결합되는 세라믹 재료 용사 코팅(thermal spray coating)이다. 이것은 단일 유닛으로 코팅되는 내열층 및 중간층의 적어도 상부를 형성한다.
엠보싱 처리된 표면 패턴을 구비한 평판 제품을 제조하기 위하여, 중간층의 상부 표면은 평탄한 것일 수 있고, 상부층 상의 내열층은 평탄한 형상으로 가공될 수 있다. 이것은 예컨대 중간층의 제조 허용 공차를 보상하는 기회를 제공한다.
대안으로, 내열층은 평탄한 평면 형상에서 벗어난, 3차원 형상으로 가공될 수 있다. 이것은 평탄하지 않은 최종 제품을 또한 제조할 수 있게 한다.
대안으로, 중간층의 상부 표면을 평탄한 형상에서 벗어난 3차원 형상으로 가공하고 중간층의 상부 표면에 균일한 두께를 갖는 내열층을 적용하는 것이 가능하다. 이것은 균일하게 두꺼운 내열층을 유지하면서 3차원(비평면적인) 제품을 가공 처리할 수 있다.
세라믹 재료 용사 코팅은 용사 및 후속 가공에 모두 적합한 것으로 밝혀진 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ : Yttria Stabilized Zirconia)를 포함할 수 있다.
두 개의 툴 절반부 사이에서 블랭크를 엠보싱/프레싱 하기 위한 방법이 또한 고려되었는데, 상기 방법은 상부층과 코일 담체층 사이의 전기 전도성 중간층을 통해 블랭크와 마주하는 활성 툴 표면에 인접한 전기 전도성 상부층에서 열이 발생하도록, 상기 툴 절반부들 중의 적어도 하나에서 코일 담체층에서의 적어도 하나의 권선 코일로 진동 자기장을 발생시키는 것을 포함한다. 내열층은 중간층과 상부층 사이에 배치되고 툴 절반부들은 함께 프레스 되는데, 상기 방법은 블랭크를 내열층에 가공되어 있는 형태인 3차원으로 연장하는 형태로 굽힘(bending) 하는 것을 포함한다. 이것은 3차원, 즉 비평면적인 제품이 프레싱에 의해서 제조될 수 있게 한다.
도 1은 블랭크를 엠보싱/프레싱 하기 위한 툴을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 사출 성형 하기 위한 툴을 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 툴 표면의 효율적인 가열을 제공하도록 설계된 층들의 적층체를 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 도 3의 층들에서 전류의 유도를 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 층들의 적층체에 내열층을 용사하는 절차를 도시한 도면.
도 6은 도 5에 도시된 바와 같이 만들어진 층이 평면 형상으로 가공되는 것을 도시한 도면.
도 7은 3차원 형상이 얻어지는 제1 예를 도시한 도면.
도 8은 3차원 형상이 얻어지는 제2 예를 도시한 도면.
도 9a 내지 도 9c는 3차원 내열층에 상부층을 적용하기 위한 하나의 방법을 도시한 도면.
도 10은 3차원 표면을 갖는 활성 중간층에 분사된 내열층을 도시한 도면.
본 발명은 수지 또는 플라스틱 재료를 성형하기 위해 사용되는 장치 및 방법에 관한 것이다. 이하의 설명은 플라스틱 블랭크를 엠보싱 하기 위한 시스템을 주로 설명하지만, 숙련자가 인식하는 바와 같이 블로우 성형과 같은 사출 성형 및 다른 방식에도 동일하게 적용할 수 있다. WO 2013/002703 A1호는 블랭크를 엠보싱/프레싱 또는 사출 성형하기 위한 장치를 개시하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이러한 장치는 두 개의 툴 절반부(3, 5)를 구비할 수 있다. 각각의 절반부 또는 절반부 중의 하나에는 가열 장치(7)가 제공될 수 있다. 엠보싱 가공에서, 블랭크(1), 플라스틱의 고형편(solid piece)은 툴에 열 및 압력을 적용 즉, 절반부를 서로에 대해 프레스 하면서 블랭크(1)와 면하는 활성 표면에서 절반부를 가열하는 것에 의해 어느 정도 재성형 된다. 일반적으로, 표면 패턴은 한쪽 표면 또는 양쪽 표면에 적용된다.
이러한 기술이 사용될 수 있는 일례는 백리트 평면스크린 LCD 텔레비전 스크린용 라이트가이드를 제조하는 경우이다. 다음에, 투명한 직사각형 플라스틱 시트는 그 한쪽 평판 표면에 미세한 표면 패턴이 제공된다. 시트의 가장자리가 조사(illuminated)될 때, 표면 패턴은 주사광이 표면에 걸쳐 균일하게 라이트가이드를 방출하도록 한다. 이러한 패턴은 활성 표면에서 블랭크와 마주하는 툴 절반부의 층인 상부층/스탬터에 의해 얻어질 수 있다. 엠보싱으로 만들어지는 다른 제품, 예컨대 프레넬 렌즈(Fresnel-lens)를 또한 생각할 수 있다. 표면 패턴(엠보싱)을 제공하는 것에 대한 대안으로 또는 추가로, 예컨대 블랭크를 굽힘(프레싱) 하는 것이 가능하다. 능동 가열 및 냉각으로 비교적 짧은 사이클 시간이 제공되는 데, 이것은 장치가 능동 가열 및 옵션 냉각이 사용되지 않는 경우에 비해 높은 출력을 나타낸다는 것을 의미한다. 장치의 용도는 결코 광학 부품을 제조하는 것으로만 국한되지 않는다.
가열 및 냉각 기능들은 사출 성형과 관련하여 유용한 것일 수도 있다. 다음에, 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 용융 수지(9)가 두 개의 툴 절반부(15, 17) 사이에 형성된 캐비티(11) 내로 주입된다. 툴 절반부의 가열 및 냉각은 더욱더 얇은 구조물을 형성하는 것을 가능하게 하며, 생산량을 향상시키도록 제조 사이클을 단축할 수 있다.
참고를 위해, 도 3은 WO 2013/002703 A1호에 설명된 바와 같은 층들의 적층체를 개략적으로 단면으로 도시한다. 적층체는 활성 툴 표면(31)의 효율적인 가열을 제공하도록 설계된 것이다. 활성 툴 표면은 재성형할 플라스틱 또는 수지와 접촉하게 되는 표면을 의미한다. 층들의 적층체는 툴을 가열하기 위해 사용될 수 있는 유도 코일(19)을 구비할 수 있다. 적층체는 코일 담체층(21), 전기적으로 활성의 중간층(23), 상부층(25), 배면층(27) 및 내열층(29)을 갖는다.
본 발명은 이러한 내열층(29)를 채용하는 크게 개선된 방식을 지향하는 것이다.
코일 담체층(21)은 귄취 코일(19)을 포함하며 예컨대 실온에서 300의 높은 상대 투자율 및 예컨대 2.5*10-3Ωm의 매우 높은 전기 저항률을 갖는 재료로 만들어진다. 따라서, 이러한 재료는 자기장을 쉽게 전도하지만 전류를 그다지 전달하지 않는 재료이다. 이것은 코일 담체층(21)이 코일(19)에 의해 그 안에서 발생한 자기장을 다른 층들에 전달하고 자기장의 모양을 형성하지만, 코일 담체층(21) 자체에서 실질적인 어떠한 와전류(eddy current)도 유도하지 않는다. 코일(19)은 코일 담체에서 개방 홈에 배치되며 코일 담체의 표면에 걸쳐 자기장의 균일한 분포를 제공한다. PERMEDYN MF1(등록상표)는 코일 담체층을 위한 하나의 적합한 재료이며 절연 수지에 의해 함께 소성되는 강자성 재료의 과립을 포함한다. 일반적으로, 코일 담체 두께는 대표적으로 10 - 30 mm 범위의 것일 수 있다.
전기 활성의 중간층(23)은 매우 낮은 저항률(대표적으로 1 내지 3*10-8Ωm 이하)을 갖는 금속, 예컨대 구리 또는 알루미늄을 포함한다. 이 층은 코일이 상부층에 전달되는 전류를 그 안에서 유도하는 것과 같은 정도의 활성을 나타낸다. 그러나, 저항률이 매우 낮기 때문에, 이러한 전류는 활성의 중간층에서 열을 그다지 발생시키지 않는다. 층의 두께는 일반적으로 10 - 30 mm일 수 있으며, 상대 투자율은 1(비강자성)에 가까울 수 있고 열전도율은 일반적으로 100 - 400 W/m/K일 수 있다.
상부층(25)은 활성 중간층(23)보다 높은 저항률을 갖는 금속을 포함할 수 있다. 저항률이 더욱 높기 때문에, 이것은 열이 와전류로부터 발생하고, 코일(19)에 의해 그리고 활성 중간층(23)을 통해 유도되는 층이다.
상부층 부분은 비강자성 일 수 있고, 저항률은 일반적으로 1*10-7 내지 1*10-6Ωm 범위일 수 있다. 따라서, 상부층 부분은 전도성이지만 중간층보다 상당히 낮은 전도성이다. 하나의 적합한 상부층에 대한 선택인, 니켈은 강자성이다. 그러므로, 코일과 면하는 니켈 서브층의 표면(활성 표면이 아니라)이 가열될 것인데, 바람직하게는 이 층이 얇게 될 수 있는 한 가지 이유이다. 다른 이유는 두꺼운 재료를 전기도금 하는 것이 시간 소모가 크다는 것이다.
가공 처리할 수지 또는 블랭크와 면하는 활성 표면(31)으로부터 보았을 때, 배면층(27)(예컨대, 2 - 15 mm 두께)은 코일 담체층(21)의 다른 쪽에 제공되고, 활성 중간층(23)과 유사한 재료로 만들어질 수 있다. 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이 배면층(27)은 연결(33)에 의해 상부층(25)에 전기적으로 연결된다.
내열층(29)은 활성 중간층(23)과 상부층(25) 사이에 배치된다. 상부층(25)이 더욱더 높은 피크 온도에 도달할 수 있도록, 내열층(29)은 상부층(25)으로부터 활성 중간층(23)으로 열의 전달을 얼마간 차단하는 역할을 한다. 이 층이 없다면, 더욱 많은 열이 상부층(25)으로부터 계속해서 제거되고 활성 중간층으로 전달되기 때문에, 사이클 중에 상부층에서 낮은 피크 온도에 도달될 것이다.
내열층의 두께는 높은 피크 온도(두꺼움)와 짧은 사이클 시간(얇음) 사이의 절충으로 선택된다. 이 층은 전기적으로 절연될 수 있고 열전도율은 일반적으로 대략 1 W/m/K일 수 있다. 상대 투자율은 1에 가까운 것일 수 있다(비강자성).
내열층은 또한 니켈과 같은 강자성 상부층의 사용에 대한 문제를 낮춘다. 강자성 재료에서의 표피 효과(skin effect)로 인해, 코일과 마주하는 상부층의 면이 주로 가열될 것이다. 그러나, 내열층 덕분에 열 에너지는 활성 중간층으로 전달되기보다는 오히려 활성 표면으로 전달될 것이다.
도 4는 도 3의 층들에서 전류의 유도를 개략적으로 나타내고, 도 3의 적층체는 분해 사시도로 도시되어 있다. 도시된 예에서, 상부층(25)은 장변(35)이 930 mm이고 단변(37)이 520 mm인 직사각형이다. 다른 층들은 상응하는 형태를 갖는다. 코일 담체층(21)은 직사각형의 단변(37)과 평행한 방향으로 권선을 구비한 코일(19)로 감겨진다. 즉, 권선의 선회부가 장변에 배치된다.
고주파 AC 펄스가 코일(19)에 인가될 때, 코일(19)에서의 전류에 상응하는 전류(39)가 활성 중간층(23)의 하부 표면에서 유도될 것이다. 예에서, 각각의 툴 절반부는 동기하여 제공된 권선 선회부를 각각 구비한 7 개의 코일이 있을 수 있으며, 각각의 코일은 엠보싱 동안에 25 kW/25 kHz/10 초 펄스를 나타낸다. 따라서, 활성 중간층에서 생성된 전류는 활성 중간층(23)의 하부 표면에서 이웃하는 코일 전류와 역평행으로 진행하고 상부 표면(상부층(25)으로부터 보았을 때)에서 이웃하는 코일 전류와 평행으로 진행하는, 활성 중간층(23)의 표면에서 폐쇄 전류 루프(closed current loop)를 형성할 것이다. 이들 전류는 활성 중간층의 긴 가장자리에서 상호 연결되고, 전류는 표피 효과로 인해 활성 중간층 표면의 근방에서 주로 흐른다. 활성 중간층(23)의 상부 표면에서 AC 전류는 상부층(25)에서 전류(40)를 유도할 것이다. 상부층(25)이 높은 저항률을 갖고 있기 때문에, 이 층은 상당한 양의 열을 발생시킬 것이다. 상부층은 전류가 상부층 표면 전체에 걸쳐서 흐를 수 있도록 연결(33)에 의해 장변에서 연속으로 또는 간격을 두고 배면층(27)에 전기적으로 연결된다.
코일 담체의 배면에서의 코일은 활성 중간층에서와 유사하게 배면층(27)에서 전류를 유도할 것이다. 이 전류는 전류(40)와 동일한 방향이며 전류(40)와 중첩될 것이다. 배면층의 낮은 저항률로 인해, 배면층(27)에서는 매우 적은 열이 발생할 것이다.
활성 중간층(23)은 몰드 또는 툴을 냉각할 수 있는 냉각 덕트(도시 생략)를 구비할 수 있다. 냉각 덕트는 물 또는 오일과 같은 냉각 매체를 전달할 수 있다. 유동은 연속적이거나, 또는 제조 사이클의 단지 하나의 단계 동안에만 냉각을 제공하기 위하여 펄스 방식일 수 있다.
내열층으로서 세라믹 재료의 적용
본 발명에서 내열층이 개선된다. WO 2013/002703 A1호에서는 고체 글라스 층이 사용되며 다른 옵션은 박막(thin layer)의 사용을 가능하게 하는 낮은 계수의 열전도성을 갖는 폴리이미드 필름과 같은 플라스틱 박막을 적용하는 것이다. 본 발명에서는, 다른 방안이 사용된다.
내열층은 용사로 코팅이 적용되는 세라믹 층으로 제공된다. 하나의 적합한 재료 선택은 METCO 204-TBC(등록상표)와 같은 이트리아 안정화 지르코니아이다. 다음에, 내열층은 목표하는 형상으로 가공될 수 있다. 이러한 절차 덕분에, 내열층은 상부층으로부터 보았을 때 아래의 층, 즉 일반적으로 활성 중간층에 결합될 것이다. 이것은 상부층과 함께 단일 유닛으로 코팅되는 내열층 및 중간층의 적어도 상부를 생성한다. 이 단일 유닛은 하나의 제품 유형을 생산하는 것으로부터 다른 것으로 변경하기 위하여 프레스에서 효율적으로 대체될 수 있다.
도 5는 층들의 적층체에 내열층을 용사하기 위한 절차를 도시한다. 코팅 재료(51)는 가열 장치(53)에 의해 용융되도록 가열되고 용융된 입자(55)들은 용융된 상태에서 피복하려고 의도한 기판, 이 경우에는 활성 중간층(23)과 충돌하도록 가속된다. 이것은 종래의 내열층에 비해 층이 기판 층과 결합하게 된다는 것을 의미한다. 용사는 그 자체가 숙련자에게 잘 알려져 있으며 상세하게 설명하지 않는다. 다른 방식을 사용하여 용융하고 용융된 재료의 방울을 기판을 향하여 가속하는 다양한 기술들이 있다.
언급할 필요없이, 용사층은 불균일하지만 이러한 층은 도 6에 도시된 바와 같이 전형적인 가공 기술에 의해 평면 형상으로 가공될 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 7에 단면으로 도시된 바와 같이, 3차원 형상 즉 비평면적인 형상이 얻어질 수 있다. 따라서, 표면 패턴을 단지 임프린팅 하기보다는 이 장치는 블랭크를 목표하는 형상으로 굽힘 하기 위해 사용되거나 비평면적인 구조물로 사출 성형하기 위해 사용될 수 있다. 이것은 분사된 세라믹 재료를 사용함에 따른 추가적인 이점이다. 예를 들어 그리고 개략적으로 도시된 바와 같이, 예컨대 전자 장치용 하우징의 일부를 제조할 수 있는, 둥근 모서리를 갖는 직사각형의 얕은 보울 형상(bowl shpae)이 얻어질 수 있다. 그러나, 도 8에 도시된 바와 같이, 프레싱/엠보싱 또는 사출 성형을 위해 적합한 것이기만 하면, 임의의 형상으로 만들어질 수 있다. 비평면적인 형상은 강화 플라스틱 재료 또는 적층 플라스틱 재료의 블랭크에 또한 적용될 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 3차원 내열층에 상부층을 적용하기 위한 하나의 방법을 나타낸다. 도시된 예에서, 상부층(25')은 도 7에 도시된 바와 같은 내열층에 적용된다. 상부층 블랭크(57)는 내열층(29')의 형상을 반영하는 도 9a에 도시된 형태로 가공되고 후속해서 예컨대 열전도성 접착제에 의해 도 9b에 도시된 바와 같은 층에 결합된다. 다음에, 적용된 상부층 블랭크는 완성된 상부층(25')을 형성하기 위하여 외부면이 가공된다. 대안으로, 상부층은 가공된 내열층에 용사에 의해 적용될 수 있다. 상이한 강 합금들이 적용될 수 있다.
도 10은 가공된 3차원 표면 형상을 구비한 활성 중간층(23)에 분사된 내열층(29)을 나타낸다. 이것은 용사 코팅에 의해 내열층을 적용할 경우 이용할 수 있는 다른 옵션이다. 도 10을 참조하면, 유사한 방식으로 두 개의 툴 절반부가 만들어질 수 있으며, 이것은 도 6 내지 도 9c와 관련하여 설명한 변형예에도 마찬가지로 적용된다. 도시된 바와 같이, 내열층은 그 아래의 활성 중간층의 형상을 추종하도록 균일한 두께로 가공될 수 있다. 이것은 더욱 균일한 상부층 피크 온도가 얻어질 수 있기 때문에 유리하며, 내열층 두께가 활성 표면에 걸쳐 변하는 경우에 비해 활성 표면은 더욱 균일하게 냉각될 것이다.
용사를 이용하는 다른 이점은, 용사가 적용되는 베이스가 완전 평면이 아닌 것을 대안적으로 보상할 수 있다는 것이다. 예컨대, 활성 중간층이 다른 세그먼트들 사이에 연결부가 있는 별개의 섹션을 포함하는 경우, 분사된 층은 예컨대 연결부에서의 간극을 보상할 수 있다.
내열층의 두께는 사용되는 적용 분야 및 그 열전도 특성에 따라 예컨대 0.5 - 5 mm 범위이다.
사용되는 재료의 대표적인 예는 아래의 표에 나타낸 것일 수 있다.
Figure pct00001
본 발명은 전술한 실시예들로 국한되지 않는다. 첨부된 청구범위 내에서 다른 방식으로 변경 및 변형이 있을 수 있다.

Claims (7)

  1. 활성 툴 표면을 가열하기 위한 층들의 적층체를 포함한 가열 장치를 포함하고 있는 사출 성형 툴 또는 엠보싱/프레싱 툴과 같은 툴로서, 상기 적층체가:
    진동 자기장을 발생시키기 위한 적어도 하나의 권선 코일을 포함하는 코일 담체층(21),
    활성 툴 표면에 인접한 전기 전도성 상부층(25),
    상부층에서 보았을 때 코일 담체층 아래에 위치하고, 상부층과 전기적으로 연결되며 상부층보다 낮은 저항률을 갖는 배면층(27),
    코일 담체층과 상부층 사이에 배치되며, 상부층보다 낮은 저항률을 갖는 전기 전도성 중간층(23), 및
    중간층과 상부층 사이의 내열층(29)을 포함하는, 상기 툴에 있어서,
    내열층(29)은 활성 툴 표면에서 보았을 때 내열층 아래의 층에 결합되는 세라믹 재료 용사 코팅인 것을 특징으로 하는 툴.
  2. 제1항에 있어서,
    중간층의 상부 표면은 평탄한 것을 특징으로 하는 툴.
  3. 제2항에 있어서,
    내열층은 평탄한 형상으로 가공된 것을 특징으로 하는 툴.
  4. 제3항에 있어서,
    내열층은 평탄한 형상에서 벗어난, 3차원 형상으로 가공된 것을 특징으로 하는 툴.
  5. 제1항에 있어서,
    중간층의 상부 표면은 평탄한 형상에서 벗어난 3차원 형상으로 가공되고, 중간층의 상부 표면에 균일한 두께를 갖는 내열층이 적용된 것을 특징으로 하는 툴.
  6. 선행 청구항들 중 어느 항에 있어서,
    세라믹 재료 용사 코팅은 이트리아 안정화 지르코니아를 포함하는 것을 특징으로 하는 툴.
  7. 두 개의 툴 절반부 사이에서 블랭크를 엠보싱/프레싱 하기 위한 방법으로, 상부층과 코일 담체층 사이의 전기 전도성 중간층을 통해 블랭크와 마주하는 활성 툴 표면에 인접한 전기 전도성 상부층에서 열이 발생하도록, 상기 툴 절반부들 중의 적어도 하나에서 코일 담체층에서의 적어도 하나의 권선 코일로 진동 자기장을 발생시키는 것을 포함하며, 내열층은 중간층과 상부층 사이에 배치되고 툴 절반부들은 함께 프레스 되는, 상기 방법에 있어서,
    블랭크를 내열층에 가공되어 있는 형태인 3차원으로 연장하는 형태로 굽힘 하는 것을 특징으로 하는 방법.
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