KR20170075669A - 성형 부품의 제조를 위한 사출 성형 방법, 사출 성형으로 제조되는 성형 부품 및 사출 금형 - Google Patents

성형 부품의 제조를 위한 사출 성형 방법, 사출 성형으로 제조되는 성형 부품 및 사출 금형 Download PDF

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Abstract

본 발명은 섬유 배향이 특별하게 국소적으로 조정되는 사출 성형된 강화 성형 부품의 제조방법에 관한 것이다. 바람직하게는, 사출 금형 벽에서 동적으로 제어되는 추가의 가열이 사용(변온으로 가열 가능한 채널)되고, 국소 캐비티(cavity) 영역은 주입시에 폴리머(플라스틱 물질 성형 화합물)의 고화 온도(임의의 경우, 부분 결정질인 플라스틱 물질의 경우 결정화 온도 이상이거나 비정질(amorphous) 플라스틱 물질의 경우 유리 전이 온도보다 높음) 이상의 온도로 가열된다.

Description

성형 부품의 제조를 위한 사출 성형 방법, 사출 성형으로 제조되는 성형 부품 및 사출 금형{Injection moulding method for the production of moulded parts, moulded part produced by means of injection moulding and also injection mould}
본 발명은 섬유 배향이 특별하게 국소적으로 조정되는 사출 성형된 강화 성형 부품의 제조방법에 관한 것이다. 바람직하게는, 사출 금형 벽에서 동적으로 제어되는 추가의 가열이 사용(변온으로 가열 가능한 채널)되고, 국소 캐비티(cavity) 영역은 주입시에 폴리머(플라스틱 물질 성형 화합물)의 고화 온도(임의의 경우, 부분 결정질인 플라스틱 물질의 경우 결정화 온도 이상이거나 비정질(amorphous) 플라스틱 물질의 경우 유리 전이 온도보다 높음) 이상의 온도로 가열된다.
종래의 사출 성형에서는 금형 벽 온도가 일반적으로 각각의 플라스틱 물질에 대한 고화 온도(부분 결정성 플라스틱 물질의 경우 결정화 온도 또는 비정질 플라스틱 물질의 경우 유리 전이 온도) 이하의 온도로 제어된 금형에 플라스틱 물질 용융물이 주입된다. 이로써 용융물 전면의 중심부는 유동성을 유지하고 플라스틱 물질은 사출 압력에 의해 캐비티 내에서 전방으로 유도되며, 금형 벽 근처의 가장자리 구역은 급속히 냉각되어 고화된다. 금형 캐비티가 충진되고, 플라스틱 물질이 완전히 고화되면 금형에서 성형부품이 이형된다. 전체 사출 성형 주기에서 금형 벽은 동일한 온도로 유지된다. 따라서, 금형 온도 제어는 각각의 주입 동안 금형으로 도입되는 임의의 가능한 결정화 열을 포함하여 용융물의 열에너지를 발산시키기 위한 냉각으로 이해될 수 있다.
긴 유동 경로와 동시에 얇은 두께의 벽의 경우, 이는 횡단면의 결빙을 초래할 수 있으며, 따라서 캐비티의 완전한 충진을 방지할 수 있다. 또한, 구조화된 표면 및 고광택 표면에 완전하게 재현될 수 없다. 나아가, 유동 전선이 함께 흐르면 가시적인 접합선이 형성된다.
이른바 변온 금형 온도 제어는 상기 언급한 문제에 대한 해결책을 제공한다. 추가의 가열을 통해, 캐비티는 부분 결정질 플라스틱 물질(또는 비정질 플라스틱 물질의 경우에는 유리 전이 온도)의 용융 온도(적어도 결정화 온도를 초과하는) 수준으로 주입 시 가열되고, 금형 충진을 완료한 후, 고화 온도보다 현저하게 낮은 온도로 냉각된다. 금형 벽의 가열은 본질적으로 전체 표면에 걸쳐있으므로 균일하게 실시된다. 사출 성형 중에 이 방법으로 달성될 수 있는 보다 높은 용융 온도 및 금형 온도의 결과로써, 폴리머 용융물의 점도가 현저하게 감소되고 문제가 있는 부분의 성형이 개선되거나 모두 가능해진다. 온도 변화는 적절한 생산성이 보장될 수 있도록 가능한 신속하게 달성되어야 한다.
변온 금형 온도 제어의 장점:
* 구성요소의 왜곡 및 변형의 최소화
* 발포 플라스틱 물질을 통해서도 고광택 표면을 형성
* 성형 부품의 표면에 섬유질 흔적을 피함
* 얇은 벽으로 구성요소의 성형이 가능함
* 두꺼운 벽 구성요소의 경우 사이클 시간 단축
* 높은 균질성 및 견고성
* 접합선이 보이지 않음
이러한 변온 금형 온도 제어의 유형에서, 전체 캐비티(금형 벽)는 사출 성형 사이클 중에 가열되거나 냉각된다. 비강화 성형 화합물의 경우, 접합선 강도의 확실한 향상을 확인할 수 있다. 이와는 대조적으로, 강화 섬유, 예를 들어 탄소 섬유 또는 유리 섬유를 포함하는 강화된 성형 화합물이 주입되면, 섬유 배향은 주로 게이트 위치 및 이로부터 생성된 유동 경로에 의해 정의되기 때문에 종래의 사출 성형 방법에 비해 변형 온도 제어에 의해 섬유 배향이 변하지 않는다. 따라서 실제 일부 접합선은 성형 부품 표면에서 시각적으로 사라지지만, 성형 부품 자체에서는 사라지지 않는다. 강화된 성형 화합물에 기초한 성형 부품의 강도는 섬유 배향에 의해 좌우되기 때문에 접합선 강도는 결코 개선되지 않는다.
따라서, 본 발명의 목적은 국소적으로 제한된 변온 금형 온도 제어에 의해 정의된 방식으로 플라스틱 물질 용융물 내의 강화 섬유의 배향을 조정할 수 있는 새로운 사출 성형 방법을 제공하는 것으로써, 이에 따라 주요 하중 방향(주요 응력 방향)에서의 강도가 개선된다.
또한, 본 발명의 목적은 함유되는 섬유 배향의 특정 정렬이 존재하는 상응하는 성형 부품에 관한 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 본 발명에 따른 성형 부품의 제조 또는 본 발명에 따른 방법의 구현을 위한 상응하는 사출 금형을 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 제 1항의 본 발명에 따른 방법, 제 17항의 상응하게 제조되는 성형 부품, 제 19항의 사출 금형과 관련되어 달성된다. 각각의 종속항은 바람직한 개량을 나타낸다.
본 발명은 열가소성 성형 화합물로 제조되는 성형 부품을 제조하기 위한 사출 성형 방법에 관한 것으로, 이들 성형 화합물은 강화섬유를 포함한다.
열가소성 성형 화합물은 가소화 상태에서 사출 금형에 충진되고, 사출 금형은 제조되는 성형 부품의 외형을 재현하는 캐비티를 갖는다. 이에 의해, 열가소성 성형 화합물은 규정된 온도 θFM까지 가열되며, 이에 따라 상기 온도는 열가소성 성형 화합물이 사출 성형이 실시될 수 있는 가소화 상태에 있도록 매우 높게 선택된다.
이에 따라 사출 금형은 열가소성 성형 화합물이 사출 금형 캐비티 내로 공급될 수 있는 게이트 위치를 갖는다. 일반적으로, 사출 금형은 단일 게이트 위치를 갖지만, 본 발명은 특정 구현예로 제한되지는 않으며, 사출 금형이 복수의 게이트 위치를 갖는 것이 또한 가능하다.
본 발명에 따른 방법에 따르면, 사출 금형 캐비티가 열가소성 성형 화합물로 규정된 충진량까지 과충진되거나, 완전히 충진되거나, 부분적으로 충진되는 사출 금형 캐비티가 제공된다. 과충진은 사출 금형 캐비티의 부피와 비교하여 보다 큰 부피의 열가소성 몰딩 화합물이 사출 주형의 캐비티 내로 공급되는 것을 의미한다. 따라서, 사출 금형 캐비티의 과충진은 열가소성 성형 화합물의 일부, 즉 부피에 비례하여 초과의 성형 화합물이 사출 금형 캐비티로부터 나와야 한다는 것을 의미한다. 이는 예를 들어 사출 금형 캐비티의 이러한 목적을 위해 제공되는 배출 개구부를 통해 실시될 수 있을 뿐만 아니라, 사출 금형을 형성하고 캐비티가 밀폐되는 두 개의 부분 금형을 통하여 접촉점을 통해 나오는 초과량의 성형 화합물에 의해 실시될 수 있다. 마찬가지로, 사출 금형 캐비티가 완전히 충진되고, 사출 금형 캐비티의 부피에 상응하는 열가소성 성형 화합물의 부피가 사출 금형 캐비티 내로 정확하게 공급되는 것이 가능하다. 또한, 추가적으로 사출 금형 캐비티가 단지 부분적으로 예를 들어 규정된 충진 레벨로 충진되는 것이 가능하며, 사출 금형 캐비티의 부피에 비해 열가소성 성형 화합물의 더 적은 부피가 사출 금형 내로 공급된다.
본 발명에 따르면, 하나 이상의 벽에서 사출 금형 캐비티가 궤적을 따라 연장되는 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널을 갖는다. 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널에 의해, 사출 금형 캐비티를 한정하는 벽의 불균일한 가열이 가능하다. 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널에 의해, 온도 구배가 사출 금형 벽에서 실현될 수 있다. 공지 기술과 비교하여, 변온 온도 제어 기술에 의해, 사출 금형 캐비티 벽의 완전-표면 가열이 실시되지 않고 단지 전술한 실시만을 가능하게 하는 국소적으로 제한된 온도 제어에 불과하다.
따라서, 변온으로 가열 가능한 채널 또는 채널들은 사출 금형의 벽에 함입된다. 따라서, 변온으로 가열 가능한 채널은 사출 금형 벽 및 캐비티의 표면의 온도 제어를 위해 작용된다. 변온으로 가열 가능한 채널 또는 채널들의 궤적은 채널 또는 채널들이 사출 금형 캐비티를 한정하는 벽에 평행하는 방향인 것으로 이해된다. 바람직하게는, 궤적은 사출 금형 캐비티를 한정하는 벽에 평행하게 연장되는 벡터 성분으로써, 표면에서의 돌출부에서 변온으로 가열 가능한 채널 또는 채널들의 경로를 재현시킨다. 변온으로 가열 가능한 채널이 균일하게 넓은 스트립으로 형성되는 경우, 이 채널의 중심선을 따라 궤적이 형성된다. 중심선을 따른 궤적의 결정은 마찬가지로 변온으로 가열 가능한 채널의 가변 폭의 경우에 수행될 수 있다.
궤적은 바람직하게는 전체 경로에 걸쳐 미분 가능하고/하거나 일정하며; 채널의 분지(branching) 및 그에 상응하는 해당 궤적이 제공되는 영역에서 배제된다. 예시로 주어지는 궤적의 경로가 공통의 유입 및 유출에 대해 선형, 곡선, 파동이거나 원형일 수도 있다.
바람직한 구현예에 따르면, 단지 하나의 단일의 변온으로 가열 가능한 채널이 사출 금형의 벽에 존재하거나 또는 사출 금형의 벽 당 하나의 단일의 변온으로 가열 가능한 채널이 존재하는 것이 제공된다. 마찬가지로, 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널은 분지점을 가지며 단일의 변온으로 가열 가능한 채널을 형성하기 위해 함께 재차 묶일 수 있는 복수의 영역에서 연장될 수 있다.
사출 금형이 복수의 변온으로 가열 가능한 채널을 갖는 경우, 금형 캐비티 벽의 균일한 가열이 실시되지 않고, 오히여 비균일한 온도 프로파일이 달성되도록 이들은 서로 충분히 넓은 공간에 있도록 보장되어야 한다. 따라서, 사출 성형 공정 시, 보다 높은 점도가 나머지 영역에 제공되거나 열가소성 성형 화합물이 고화되는 반명에 변온 채널 또는 변온 채널들 영역에 열가소성 성형 화합물은 여전히 가공 가능한 상태, 즉 용융 상태로 유지되어 하다는 것이 보장되어야 한다.
본 발명에 따른 방법의 경우, 사출 금형의 충진 이전, 충진 동안 및/또는 충진 이후에, 영구적으로 또는 적어도 일시적으로 벽의 하나 이상의 변온 채널을 갖는 사출 금형의 영역이 온도 θVT로 설정되고 사출 금형의 벽의 나머지 영역이 온도 θW로 설정되며, θW<θVT이다. 이 온도 차이는 적어도 열가소성 성형 화합물의 최종 냉각까지 유지된다.
전술한 사출 금형의 상이한 영역에서의 온도 차이는 예를 들어, 사출 성형 주기의 전체 기간 즉, 본 발명에 따른 방법 동안 유지될 수 있지만, 적어도 열가소성 성형 화합물이 고화될 때까지 열가소성 성형 화합물의 냉각시까지 유지될 수 있다. 이 냉각은 예를 들어 더 이상 가열하지 않거나 또는 사출 금형 전체를 능동적으로 냉각함으로써 달성될 수 있다.
마찬가지로, 사출 성형 공정의 초기에, 우선적으로 θW=θVT이며, 즉 전체 사출 금형이 동일한 온도를 가질 수 있다. 단지 공정 과정에서, 즉, 예를 들어 충진 동안 또는 과충진의 경우 또는 충진 및 과충진 동안 모두에서, 변온으로 가열 가능한 채널은 사출 금형의 나머지 영역보다 높은 온도로 온도 제어될 수 있다. 이로써 온도 차이는 예를 들어 더 이상 가열되거나 냉각되지 않고 남아있는 영역에서 사출 금형의 벽이 낮아짐으로써 달성될 수 있으며, 예를 들어 변온 채널 내의 온도는 가열에 의해 유지된다.
변온으로 가열 가능한 채널 또는 체널들의 온도 제어는 변온 채널의 선택적 가열에 의해 가능하게 된다.
변온으로 가열 가능한 채널의 가열은 당업계에 공지된 가열 방법에 의해 달성될 수 있다. 이러한 가능성이 당업계에 공지되어 있으며, 예를 들어, 2011년 9월 16일에 발간된 M. H. Deckert, Technical University Chemnitz의 논문 "Beitrag zur Entwicklung eines hochdynamischen variothermen Temperiersystems fur SpritzgieBwerkzeuge"(사출 금형의 높은 동적 변온 온도 제어 시스템 개발에 관한 논문)이 참고된다. 또한, 변온 온도 제어 시스템을 실현하기 위한 본원에 제시된 모든 가능성이 본 발명에 따른 변온으로 가열 가능한 채널의 온도 제어에 사용될 수 있다.
규정된 충진 레벨로 과충진, 완전 충진 또는 부분 충진한 이후에, 강화 섬유를 포함하는 열가소성 성형 화합물이 고화될 때까지 냉각되며, 이렇게 제조된 성형 부품은 이어서 사출 금형으로부터 이형된다.
따라서, 본 발명의 본질적인 측면은 규정된 궤적을 따라 사출 금형의 벽에서 연장되는 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널의 존재이다. 이러한 또는 이들의 연장되는 변온 채널 또는 채널들에 의해, 사출 금형 캐비티 내에 위치하는 플라스틱 성형 화합물의 특정 온도 제어가 이 궤적을 따라 조정 가능하다. 따라서, 사출 금형 캐비티의 벽 표면에서의 온도 분포는 불균일하며, 사출 금형 벽의 나머지 영역보다 적어도 일시적으로 보다 높은 온도가 변온으로 가열 가능한 채널 또는 채널들의 궤적을 따라 달성될 수 있다. 따라서, 사출 금형 캐비티 내로 충진되는 열가소성 성형 화합물은 나머지 영역과는 독립적으로 이들 영역에서 추가적으로 가열될 수 있고, 보다 높은 온도 수준을 야기하며 따라서 이들 영역에서의 성형 화합물 온도가 나머지 성형 화합물의 수준을 초과하는 보다 높은 온도 수준을 야기할 수 있다. 결과적으로, 열가소성 성형 화합물의 점도가 추가의 가열 및 달성되는 보다 높은 온도 수준으로 인해 감소될 수 있고, 변온으로 가열 가능한 채널 또는 채널들의 궤적에 따른 열가소성 성형 화합물의 유동이 보조될 수 있게 된다. 따라서, 이 궤적에 따른 열가소성 성형 화합물의 유동이 사출 금형 캐비티의 충진 동안, 과충진 동안, 완전 충진 동안 또는 부분 충진 동안 보조된다. 궤적에 따른 열가소성 성형 화합물의 보조적 유동에 의해, 마찬가지로 열가소성 성형 화합물 내에서 분산된 상태로 존재하는 강화 섬유의 배향이 변온으로 가열 가능한 채널의 궤적을 따라 실시된다. 따라서 궤적을 따라 연장되는 변온으로 가열 가능한 채널 또는 채널들의 궤적에 따른 강화 섬유의 특정 배향이 실시될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 구현예는 하나 이상의 오버플로우 개구부를 갖는 사출 금형이 제공된다. 사출 금형을 과충진할 때, 초과량의 열가소성 성형 화합물은 사출 금형 캐비티로부터 오버플로우 개구부를 통해 나온다. 바람직하게는, 오버플로우 캐비티가 오버플로우 개구부에 연결되고, 오버플로우 캐비티는 오버플로우 개구부와 유체 연통되며 오버플로우 개구부를 통해 사출 금형 캐비티와 유체 연통된다. 따라서, 오버플로우 캐비티는 사출 금형의 과충진 동안 오버플로우 개구부로부터 나오는 열가소성 성형 화합물의 초과량을 회수하는 역할을 한다. 회수된 열가소성 성형 화합물은 본 발명에 따른 방법 동안 재순환되고 재사용될 수 있다. 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널이 사출 금형의 게이트 위치에서 시작하여 하나 이상의 오버플로우 개구부까지 유도되어, 사출 금형이 과충진되는 경우에 열가소성 성형 화합물이 사출 금형 캐비티로부터 빠져나올 수 있고 하나 이상의 오버플로우 개구부를 통해 각각의 오버플로우 캐비티 내로 진입할 수 있는 것이 특히 바람직하다.
사출 주형이 과충진되는 본 발명에 따른 사출 성형 방법과 관련하여, 어떠한 추가의 성형 화합물도 사출 금형에 공급되지 않는 동안 대기 단계로 설계될 수 있는 사출 금형의 충진 단계 (a), 과충진 단계 (c) 및 충진과 과충진 사이의 단계 (b)에 대하여 하기 온도 제어가 바람직하다.
(1) 일정 온도 제어: 온도 θW 및 θVT는 단계 (a) 내지 (c) 동안 변하지 않고, 관계식 θW <θVT 가 항상 적용된다. θW는 저온 수준이며, θVT는 고온 수준이다.
(2) 변온 채널의 가열: θW는 단계 (a) 내지 (c) 동안 저온 수준에서 일정하다. 단계 (a)에서, θW 및 θVT는 바람직하게는 50K 미만으로 상이하고, 특히 θW =θVT이다. θVT는 단계 (b)에서 고온 수준이 되어 단계 (b) 및 (c)에 대해 θW <θVT가 된다.
(3) 나머지 성형 벽의 냉각: 이 대안은 θVT가 단계 (a) 내지 (c) 동안 고온 수준으로 일정하게 유지되고 단계 (a)에서 θw가 고온 수준을 갖는 것을 특징으로 한다. 단계 (a)에서, θW 및 θVT은 바람직하게는 50K 미만 차이로 유사한 온도를 가지며, 특히, θW =θVT이다. 온도 θW는 단계 (b)에서 저온 수준으로 낮아지며, 단계 (b) 및 (c)에 대해서 θW <θVT이다.
단계 (c)에서 온도 θW 및 θVT의 관계는 앞서 언급된 온도 제어 (1) 내지 (3)과 동일하며, 항상 θW <θVT이며, θVT는 항상 고온 수준이고, θW는 항상 저온 수준이다. 고온 레벨은 성형 화합물이 상당히 오랜 기간 동안 이 상태로 유지되더라도 이 온도 범위에서 유동성이 유지된다는 것을 의미한다. 저온 레벨은 성형 화합물이 이 온도 범위에서 유동성이 좋지 않거나 유동성이 없으며, 즉 고점성 또는 고화된 상태로 존재하는 것을 의미한다.
단계 (c)의 종료 이후에 온도 θVT를 낮추어 성형 부품이 금형으로부터 이형될 수 있도록 한다.
(a) 내지 (c) 단계 내에서 변온 채널의 가열 또는 나머지 성형 벽의 냉각을 불필요하게 만드는 일정 온도 제어 (1)은 단계 (b)가 생략되거나 매우 짧게 유지되는 결과로써 특히 바람직하다.
사출 금형의 과충진이 수행되는 바람직한 구현예에 따르면, 하나 이상의 다음의 방안을 채택하는 것이 바람직하다:
- 5 내지 100부피%, 바람직하게는 10 내지 70부피% 및 특히 바람직하게는 15 내지 50부피%의 사출 금형 캐비티 부피가 과충진되고; 오버플로우 캐비티의 부피가 바람직하게는 과충진되는 캐비티의 부피 비율에 상응한다. 예를 들어, 100부피%의 사출 금형 캐비티의 부피가 과충진되는 경우, 이는 사출 금형 주기 동안 캐비티의 부피가 오버플로우 캐비티를 포함하는 툴에 총 2회 주입된다는 것을 의미한다.
- 완전히 충진된 이후에, 과충진이 시작되기 이전에 2 내지 60초의 대기시간이 유지되고, 대기시간 동안 바람직하게는 벽에 하나 이상의 변온 채널을 갖는 사출 금형 영역에서의 온도 θVT가 상승되고/상승되거나 사출 금형의 벽에 나머지 영역에서의 온도 θW가 낮아지고/낮아지거나,
- 과충진은 2 내지 60초의 시간 범위 동안 지속된다.
예를 들어, 사출 금형의 나머지 영역이 가열되지 않는 동안, 사출 금형의 변온 채널의 가열만으로도 온도 차이의 조정이 실시될 수 있다.
상기 언급된 대기시간 동안, 열가소성 성형 화합물이 캐비티 내로 추가적인 공급이 발생하지 않으며, 이는 대기시간의 종료 후에만 수행된다. 따라서, 이러한 추가의 공급은 종래의 사출 성형 주기에서의 체류 압력 단계(dwell pressure phase)와 동일할 수 있다. 대기시간 동안, 변온으로 가열 가능한 채널 또는 변온으로 가열 가능한 채널들의 영역에서 온도 제어가 바람직하게 유지된다. 임의적으로, 냉각이 캐비티 벽의 나머지 영역에서 수행될 수 있다. 따라서, 사출 금형 캐비티에서 열가소성 성형 화합물이 유동 가능하고 열가소적으로 가공될 수 있는 반면에 사출 금형 캐비티의 나머지 영역에 있는 열가소성 성형 화합물은 임의적으로 이미 냉각되고 매우 또는 완전하게 고화될 수 있다. 체류 압력 동안, 배타적이지는 않더라도, 열가소성 성형 화합물의 유동은 변온으로 가열 가능한 채널 또는 채널들의 궤적의 영역에서 바람직하게 실시되며, 그 결과로써, 유동에 따른, 즉 궤적에 따른 열가소성 성형 화합물에 함유되는 강화 섬유의 특정 배향이 실시된다.
본 발명에 따른 방법의 특별한 이점은 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널의 영역과 사출 금형 나머지 영역의 온도 차이로 인하여, 열가소성 성형 화합물에서 강화 섬유의 배향이 조정되며, 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널의 궤적을 따라 강화 섬유의 본질적으로 이방성 배향이 달성된다는 것이다.
특히, 강화 섬유의 배향은 하나의 유한 체적(finite volume) 요소에 함유된 n개의 강화 섬유 군의 하기 배향 텐서(orientation tensor) (aij)에 의해 정의되고,
Figure pat00001
요소 aij는 하기와 같이 정의되며,
Figure pat00002
섬유의 배향이 배향 텐서 (aij)의 대각선 요소 a11, a22 및 a33에 의해 결정되고,
Figure pat00003
또는
Figure pat00004
는 각각 k번째 섬유에 평행하게 연장되는 길이 1의 벡터
Figure pat00005
성분을 나타내며,
Figure pat00006
벡터
Figure pat00007
는 로컬 좌표계에서 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널 영역에서 각각의 고려되는 유한 체적 요소를 나타내며,
x축은 각각의 고려되는 유한 체적 요소에서 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널의 궤적에 접선 방향으로 각각 고정되고,
y축은 x에 대하여 수직으로 배향되며,
z축은 x 및 y에 대하여 수직으로 배향되며,
각각의 주어진 유한 체적 요소에서 배향 텐서 (aij)의 요소 a11의 값이 0.5 이상, 바람직하게는 0.5 내지 0.98, 더욱 바람직하게는 0.6 내지 0.95, 더욱 바람직하게는 0.65 내지 0.9, 특히 0.7 내지 0.85인 경우에, 본질적으로 이방성 배향이 생성된다.
따라서, 섬유의 이방성 배향은 그들의 배향에 대해 결정되는 n개의 강화 섬유의 대표적인 군에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 각각의 벡터가 그 섬유에 대해 설정되고, 그에 따라 각각의 벡터가 각각 고려된 섬유에 대해 평행하게 연장된다. 따라서 유한 체적 요소는 변온으로 가열 가능한 채널의 영역의 연장보다 작은 치수로 정의된 가장자리 길이를 갖는 입방체로서 선택될 수 있다. 일반적으로, 예를 들어, 분광 사진에 의해 결정된 해상도는 유한 체적 요소를 측정하는데 사용될 수 있다. 고려된 유한 체적 요소 내에 전체적으로 배치되는 섬유는 n개의 강화 섬유 군에 포함될 뿐만 아니라 각각의 유한 체적 요소의 한정 표면에 의해 절단되어 유한 체적 요소 내에 부분적으로만 존재한다. 이 유한 체적 요소는 예를 들어 가장자리 길이가 10㎛의 범위인 보셀(voxel)일 수 있다.
이방성 배향의 경우, 각각의 로컬 좌표계의 x-성분에 대한 배향만이 관련이 있다. 이러한 이유로, 각각의 좌표계의 y-성분 또는 z-성분의 전술한 정의가 반드시 제공될 필요는 없다. 명확하게 하기 위해서, 예를 들어 좌표계의 각각의 y-성분은 사출 금형 캐비티의 벽에 직교하는 것으로 간주될 수 있다.
이방성은 변온으로 가열 가능한 채널 또는 가변 가열 가능한 채널들의 전체 영역에 걸쳐 형성되며, 즉 변온으로 가열 가능한 채널 영역의 임의의 위치에서 이행된다.
복수의 가열 가능한 채널 내로 변온으로 가열 가능한 채널이 분지되거나 단일의 변온으로 가열 가능한 채널의 형성을 위한 복수의 변온으로 가열 가능한 채널이 결합되는 영역이 상기 정의에서 배제된다. 이들 위치 또는 이들 영역에서, 복수의 변온으로 가열 가능한 채널에 의해 야기되는 상이한 배향으로 인하여, 강화 섬유의 우선적 배향이 성립될 수 없다는 것이 당연하다.
완성 성형 부품 내에 변온으로 가열 가능한 채널 또는 변온으로 가열 가능한 채널들의 영역은 성형 부품 내 캐비티 벽에 대한 변온으로 가열 가능한 채널의 변위를 따라 수직으로 떨어뜨림으로써 둘러싸이는 영역과 상응한다.
강화 섬유, 예를 들어 유리 섬유 배향의 3차원적 결정은 당업계에 공지되어 있으며, 예를 들어 문헌 "Pipeline zur dreidimensionalen Auswertung und Visualisierung der Faserverteilung in glasfaserverstarkten Kunststoffteilen aus -Rontgen-Computertomografiedaten"(X-레이 컴퓨터 단층촬영 데이터로부터 유리 섬유로 강화된 플라스틱 물질 부품에서 섬유 분포의 2차원 평가 및 시각화를 위한 파이프라인), J. Kastner et al., DACH annual conference 2008 in St. Gallen-Di.3.A.1에 기술되어 있다. 섬유 배향은 8.6㎛ 크기의 보셀에 의해 결정된다. 또한, 컴퓨터 단층촬영에 의한 섬유 분포의 결정 및 배향 텐서의 결정은 이 문헌의 설명을 참조하여 본 발명에 따라 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 특히 단계 (c)와 관련하여 하나 이상의 하기 조건이 충족되도록 바람직하게 수행될 수 있다:
- θVT>θG 또는 θVT>θK, 바람직하게는 θVT-θG≥≥10K 또는 θVT-θK≥≥10K이며, θG는 비정질 열가소성 성형 화합물의 유리 전이 온도를 의미하고 θK는 부분 결정질 열가소성 성형 화합물의 결정화 온도를 의미하며,
- θVT =θFM±40K 및/또는
- θVT-θW≥50K, 바람직하게는 θVT-θW≥100K이다.
θFM는 사출 금형 캐비티로 진입되는 성형 화합물의 온도이다.
열적 거동(용융점(θFM), 용융엔탈피(ΔHm), 결정화 온도(θK) 및 유리 전이 온도(θG))은 ISO 기준 11357을 참조하여 과립상에서 결정되었다. 시차주사 열량측정법(DSC)은 20℃/분의 가열 속도/냉각속도로 수행되었다.
따라서, 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널은 사출 금형 캐비티의 일 측면 또는 양 측면에 형성될 수 있다. 사출 성형 방법의 경우, 2개 이상의 부분 금형으로 형성된 임의의 사출 금형이 사용되며, 결합될 때, 이 금형은 캐비티를 반영하고 성형 부품의 외형이 제조된다. 따라서, 바람직한 구현예에 따르면, 각각의 캐비티에 도입되거나 그곳에 형성되는 하나 이상의 변온 채널이 제공된다. 바람직한 구현예에서, 사출 금형의 각각의 벽 양 측면에 존재하는 변온으로 가열 가능한 채널은 각각의 표면상에서의 돌출부에 서로 일치하도록 연장되어 배치된다. 이러한 구현예의 경우에, 동일한 부피 영역은 벽 양 측면에 배치된 변온으로 가열 가능한 채널에 의해 사출 금형 내에서 온도 제어된다.
추가의 바람직한 구현예에 따르면, 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널(즉, 변온으로 가열 가능한 채널 또는 채널들에 의해 캐비티의 표면상에서 온도 제어될 수 있는 영역의 전체 표면적) 면적의 총합은 사출 금형 캐비티의 내부 표면의 1 내지 50%, 바람직하게는 3 내지 30%, 특히 바람직하게는 4 내지 20%, 특히 5 내지 10%로 구성된다.
예를 들어, 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널은 바람직하게는 일정한 폭을 갖는 변온으로 가열 가능한 스트립으로 형성되며, 상기 폭은 바람직하게는 0.2 내지 30mm, 바람직하게는 0.5 내지 10mm이다. 그러나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 가능한 일 구현예는 하나 이상의 브레이크스루를 갖는 사출 금형이 제공된다. 이 브레이크스루는 제조되는 성형 부품, 즉 완성 성형 부품이 브레이크스루를 갖는 사출 금형에 갭을 발생시켜 구멍이 생기게 한다. 이 브레이크스루는 이들의 기하학적 구조에 의해 제한되지 않으며, 예를 들어, 원형, 타원형, n각 형상을 가지며, n은 3 이상의 자연 정수이다.
사출 금형이 하나 이상의 브레이크스루를 갖는 구현예에서, 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널은 하나 이상의 브레이크스루에 대해 원주 형태로 완전히 또는 적어도 부분적으로 연장되는 방식으로 형성되는 것이 바람직하며, 각각의 브레이크스루를 둘러싸는 변온으로 가열 가능한 채널은 각각 사출 금형 벽의 캐비티의 일 측면 또는 양 측면상에 형성된다.
이 구현예에 따르면, 하나의 변온으로 가열 가능한 채널이 브레이크스루를 중심으로 형성되는 경우, 브레이크스루는 상응하는 변온으로 가열 가능한 채널에 의해 전체적으로 둘러싸이는 것이 바람직하다.
하나 이상의 브레이크스루에 대해 원주 형태로 완전히 또는 적어도 부분적으로 연장되는 방식으로 형성되는 하나 이상의 변온 채널은 유입 방향으로 하나 이상의 연결부(continutation) 및 유출 방향으로 하나 이상의 연결부를 갖는 것이 바람직하다. 바람직하게는 유입 방향으로의 연결부는 사출 금형의 게이트 위치까지 계속되고/계속되거나 유출 방향으로의 연결부는 하나 이상의 오버플로우 개구부까지 계속된다. 이 구현예에서, 브레이크스루를 둘러싸는 변온으로 가열 가능한 채널은 두 개의 연결부를 가지며, 유입 방향으로의 연결부는 브레이크스루 방향으로의 사출 성형 공정 동안 열가소성 성형 화합물의 주요 유동 방향에 해당하거나, 유출 방향으로의 연결부는 브레이크스루 부근에서 유동된 후의 열가소성 성형 화합물 유동에 해당한다. 변온으로 가열 가능한 채널의 각각의 연결부는 마찬가지로 변온으로 가열 가능한 영역으로 형성된다. 변온으로 가열 가능한 채널은 브레이크스루 및 연결부 영역의 경우에 구성된다.
연결부에서, 변온으로 가열 가능한 채널의 분지는 상응하는 브레이크스루 부근에 형성되는 영역에서 실시된다. 다른 곳에서, 변온으로 가열 가능한 채널의 두 개의 부분적인 암(arm)이 차례로 유출 방향의 연결부로 이어진다.
특히, 유입 방향으로의 연결부 및 유출 방향으로의 연결부가 브레이크스루 돌출부에서 서로 오프셋되어 배치되고, 바람직하게는 서로 120° 이상으로 오프셋되어 배치되며, 특히 서로 180°±10°로 오프셋되어 배치된다. 180°±10°의 범위는 이 영역 내에 있는 모든 각도를 포함하며, 특히 정확하게는 180°이다.
제조되는 성형 부품이 사용될 때 주요 인장 하중 방향 즉 성형 부품이 장력 및/또는 인장 하중하에서 영구적으로 또는 적어도 일시적으로 사용되는 동안의 방향을 갖는 경우에, 유입 방향으로의 연결부 및 유출 방향으로의 연결부는 각각 브레이크스루 돌출부에서 서로 독립적인 방향을 가지며, 이는 주요 인장 하중 방향으로부터 60° 이하, 바람직하게는 50° 이하, 더욱 바람직하게는 40° 이하, 특히 30° 이하로 벗어난다. 특히 바람직하게는, 이 조건은 유입 및 유출 모두에 적용된다. 결과적으로, 브레이크스루 영역에서의 강화 섬유가 본질적으로 배향될 수 있으며, 즉 대부분의 경우 주요 인장 하중 방향의 방향으로, 즉, 주요 인장 하중 방향의 이방성 분포가 상기 정의에 따라 달성될 수 있다. 따라서, 주요 인장 하중 방향에 대한 횡방향으로의 강화 섬유 배향은 변온 채널 또는 변온 채널들의 위치 영역에서 본질적으로 방지될 수 있다. 이러한 구현예에서, 종래의 사출 성형 공정으로부터 제조되는 성형 부품과 비교하여 주요 인장 하중 방향에서 성형 부품의 유의한 강화가 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 따라 사용되는 열가소성 성형 화합물은 바람직하게는 하나 이상의 열가소성 매트릭스 폴리머 또는 2개 이상의 열가소성 매트릭스 폴리머의 혼합물로부터 형성되며, 열가소성 성형 화합물 내에 강화 섬유가 분산된 상태로 존재한다. 또한, 열가소성 성형 화합물은 열가소성 성형 화합물에 함유되는 통상적인 첨가제를 포함할 수 있으며, 상기 통상적인 첨가제의 예로는 난연제, 성형보조제 등이 있다. 매트릭스 폴리머는 바람직하게는 폴리아미드 이미드, 폴리에테르 아미드 및 폴리에스테르 아미드를 포함하는 폴리아미드; 폴리카보네이트; 폴리올레핀, 특히 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리스티렌 또는 폴리비닐 클로라이드(PVC); 폴리아크릴레이트, 특히 폴리아크릴산 에스테르, 예를 들어, 폴리-메틸(메트)아크릴레이트; 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 코폴리머, 아크릴로니트릴-스티렌 코폴리머; 폴리에스테르, 특히 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 또는 폴리사이클로헥실렌 테레프탈레이트, 폴리설폰(특히 PSU, PESU, PPSU 타입), 폴리페닐렌 설파이드; 폴리에테르, 특히 폴리옥시메틸렌, 폴리페닐렌 에테르 및 폴리페닐렌 옥사이드, 액체-결정 폴리머; 폴리에테르 케톤; 폴리에테르 에테르 케톤; 폴리이미드; 폴리에스테르 이미드, 폴리에테르 에스테르 아미드; 폴리우레탄, 특히 TPU 또는 PUR 타입; 폴리실록산; 셀룰로이드 및 이의 혼합물 또는 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
바람직한 강화 섬유는 바람직하게는 유리 섬유, 탄소 섬유(탄소 섬유, 흑연 섬유), 아라마이드 섬유 및 위스커로 이루어진 군으로부터 선택된다. 바람직하게는 유리 섬유 및 탄소 섬유가 사용된다.
강화 섬유, 특히 유리 섬유는 바람직하게는 무한 가닥 형태 또는 절단 형태, 특히 짧은 섬유, 예를 들어, 짧은 유리 섬유(절단 유리) 형태로 성형 화합물에 혼입된다.
짧은 섬유, 특히 짧은 유리 섬유의 경우에, 성형 화합물에 첨가되는 이들 섬유는 0.2mm 내지 20mm, 바람직하게는 1 내지 6mm, 특히 2.5mm의 바람직한 길이를 갖는다.
바람직하게는, 강화 섬유는 크기 및/또는 점착제 처리된다.
일반적으로, 유리 섬유는 원형 횡단면 또는 비원형 횡단면을 가질 수 있으며, 이러한 시스템의 혼합물 또한 사용될 수 있다.
바람직하게는, 둥근 유리 섬유의 경우, 직경이 5 내지 20㎛, 바람직하게는 6 내지 15㎛, 특히 바람직하게는 7 내지 12㎛인 것이 사용된다.
바람직하게는, 평면 섬유의 경우, 횡단면 축(보조 횡단면 축에 대한 주요 횡단면 축이 서로에 대해 수직인)의 비율이 2 이상, 특히 2.8 내지 4.5의 범위이고, 이들의 보다 작은 횡단면 축이 ≥4㎛의 길이를 갖는다.
유리 섬유는 바람직하게는 E-유리로 이루어진다. 그러나 모든 다른 종류의 유리 섬유가 사용될 수 있으며, 예를 들어 A-, C-, D-, M-, S-, R-유리 섬유 또는 이들의 임의의 혼합물 또는 E-유리 섬유와의 혼합물이 있다. 유리 섬유는 무한 섬유 또는 절단 유리 섬유로서 첨가될 수 있으며, 섬유는 적절한 크기 시스템 및 점착제 처리되거나 예를 들어, 실란, 아미노실란 또는 에폭시실란을 기반으로 하는 접착제 시스템 처리될 수 있다.
유리 섬유는 위스커로 부분적으로 또는 전체적으로 대체될 수 있다. 이는 위스커, 바늘-형상의 결정, 특히 금속, 산화물, 붕소, 탄화물, 질화물, 폴리티타네이트, 탄소 등으로 제조되는 일반적인 다각형 횡단면, 예를 들어, 포타슘 시타네이트-, 알루미늄 산화물-, 실리콘 카바이드 위스커라는 것이 이해되어야만 한다. 일반적으로, 위스커는 0.1 내지 10㎛의 직경 및 mm 내지 cm 범위의 길이를 갖는다. 동시에, 이들은 높은 인장 강도를 갖는다. 위스커는 고체에서 기체상(VS mechanism)으로부터의 증착 또는 삼상계(VLS 메커니즘)로부터의 증착에 의해 생성될 수 있다.
본 발명에 따른 사출 성형 방법에 사용되는 성형 화합물은 단독으로 또는 다른 강화 섬유, 또는 탄소 섬유를 함께 포함할 수 있다. 탄소 섬유는 열분해(산화 및 탄화)에 의해 흑연-유사 배열을 갖는 탄소로 전환되는 탄소-함유 출발 물질로부터 공업적으로 제조되는 강화 섬유이다. 이방성 탄소 섬유는 높은 강도와 강성을 나타내며 동시에 축 방향으로 낮은 파단 연신율을 나타낸다.
탄소 섬유는 바람직하게는 5 내지 9㎛의 직경, 1,000 내지 7,000MPa의 인장 강도 및 200 내지 700GPa의 탄성을 갖는 수백 내지 십만개의 탄소 섬유, 이른바 개별 필라멘트로 이루어지는 탄소 섬유 번들로써 사용된다. 일반적으로 1,000 내지 24,000개의 개별 필라멘트가 결합되어 감겨진 다중 필라멘트 실(무한 탄소 섬유 번들, 로빙)을 형성한다. 예를 들어, 짠 직물(woven fabric), 엮인 직물(plaited fabric) 또는 다축 직물(multiaxial fabric)과 같은 직물 반제품을 형성하기 위한 추가의 가공은 직기(loom), 플레이팅기(plaiting machine) 또는 다축 편직기((multiaxial knitting machine) 또는 섬유-강화 플라스틱 물질의 생산 분야에서 프리프레그 장치(prepreg unit), 스트랜드-인발 장치(strand-drawing unit)(인발성형 장치; pultrusion unit) 또는 와인딩 기계(winding machine)에서 실시된다. 짧은 절단 섬유로서, 탄소 섬유는 폴리머 또는 성형 화합물과 직접적으로 혼합될 수 있으며 압출기 및 사출 성형기를 통해 플라스틱 물질 구성요소를 형성하도록 가공될 수 있다.
열가소성 성형 화합물 중의 강화 섬유의 중량비는 바람직하게는 5 내지 80중량%, 바람직하게는 20 내지 70중량% 및 특히 바람직하게는 25 내지 65중량%이다.
열가소성 성형 화합물은 상기 언급된 구성요소들로부터 형성될 수 있으며, 마찬가지로 통상적인 첨가제 예를 들어, 미립자 충진제 및 안료, 안정화제(열 안정화제 및 빛 안정화제, 산화방지제), UV 흡수제, UV 차단제, 가공보조제, 충격조절제, 점착제, 결정화 촉진제 또는 결정화 지연제, 유동보조제, 윤활제, 이형제, 가소제, 라디칼 콜렉터, 대전방지제, 난연제, 착색제 및 마킹 수단, 플레이트 형태의 나노입자, 실리케이트 층, 전도성 첨가제, 예컨대 카본 블랙, 흑연 분말 또는 탄소 나노섬유, 열 전도성 개선용 첨가제, 예컨대, 질화 붕소, 질화 알루미늄 또한 가능하다.
미립자 충진제는 바람직하게는 예를 들어, 활석, 운모, 규산염, 석영, 이산화티타늄, 규회석, 카올린, 비정질 규산, 탄산 마그네슘, 수산화 마그네슘, 백묵, 석회, 장석, 고체 또는 중공 유리볼 또는 분쇄 유리, 유리 플레이크, 영구 자석 또는 자성 금속 화합물 및/또는 합금, 안료, 특히 황산 바륨, 이산화티타늄, 산화아연, 황화아연, 산화철, 구리 크롬산염 또는 이들의 혼합물로부터 선택된다. 또한 충진제는 표면 처리될 수 있다.
본 발명에 따른 사출 성형 방법에서 바람직하게 사용되는 성형 화합물은 일반적인 절차형 전단 속도(전단 점도)가 100 내지 10,000초-1, 특히 1,000 내지 10,000초-1인 경우에서, 바람직하게는 ISO 11443에 따라 측정된 10 내지 10,000Pas의 범위, 특히 바람직하게는 20 내지 3,000Pas의 범위 및 매우 특히 바람직하게는 30 내지 1,000Pas 범위의 용융 점도를 갖는다. 따라서 용융 점도를 결정하는 온도는 제조사의 데이터 시트에 표시된 바와 같이 ISO 1133에 따른 MVR 측정(용융 체적 유량)에 대한 성형 화합물의 일반적인 측정 온도와 상응한다. 이것이 가능하지 않은 경우, 성형 화합물의 용융 온도(부분 결정질 플라스틱 물질 매트릭스) 보다 높거나 유리 전이 온도(비정질 플라스틱 물질 매트릭스)보다 높은 5 내지 100℃, 바람직하게는 10 내지 40℃의 측정 온도가 선택된다. 예를 들어, PA 6T/6I(70:30)를 갖는 30 내지 60중량%의 유리 섬유로 채워진 폴리아미드 성형 화합물이 335 내지 355℃에서 측정될 수 있다.
따라서, 사출 금형의 과충진, 충진 또는 부분적으로 충진되는 동안, 사출 금형 캐비티 내로의 주입 위치에서의 열가소성 성형 화합물의 용융 점도는 θFM의 선택에 의해 조정될 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 8,000Pas, 바람직하게는 50 내지 5,000Pas이다. 바람직하게는, 열가소성 성형 화합물이 사출 금형 캐비티 내로 주입되는 압력은 50 내지 2,000bar 사이이다.
또한, 본 발명은 강화 섬유로 충진되는 열가소성 성형 화합물로 형성되는 성형 부품에 관한 것이다. 따라서, 상기 방법에 따라 성형 부품이 제조될 수 있다. 본 발명에 따른 성형 부품은 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널이 형성된 사출 금형의 영역을 갖는 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널의 궤적에 따라 제조 방법 동안 생성되는 영역에서 강화 섬유의 본질적인 이방성 배향을 갖는 강화 섬유에 의해 특징된다.
결과적으로, 동일한 게이트 위치를 갖는 종래의 사출 성형으로(즉, 전술 한 의미에서 변온 가열없이) 제조된 다른 동일 성분과 비교하여, 유의하게 증가 된 인장 강도가 달성된다.
강화 섬유의 배향은 하나의 유한 체적 요소에 함유된 n개의 강화 섬유 군의 하기 배향 텐서 (aij)에 의해 정의되고,
Figure pat00008
요소 aij는 하기와 같이 정의되며,
Figure pat00009
섬유의 배향이 배향 텐서 (aij)의 대각선 요소 a11, a22 및 a33에 의해 결정되고,
Figure pat00010
또는
Figure pat00011
는 각각 k번째 섬유에 평행하게 연장되는 길이 1의 벡터
Figure pat00012
성분을 나타내며,
Figure pat00013
벡터
Figure pat00014
는 로컬 좌표계에서 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널 영역에서 각각의 고려되는 유한 체적 요소를 나타내며,
x축은 각각의 고려되는 유한 체적 요소에서 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널의 궤적에 접선 방향으로 각각 고정되고,
y축은 x에 대하여 수직으로 배향되며,
z축은 x 및 y에 대하여 수직으로 배향되며,
각각의 주어진 유한 체적 요소에서 배향 텐서 (aij)의 요소 a11의 값이 0.5 이상, 바람직하게는 0.5 내지 0.98, 더욱 바람직하게는 0.6 내지 0.95, 더욱 바람직하게는 0.65 내지 0.9, 특히 0.7 내지 0.85인 경우에, 본질적으로 이방성 배향이 생성된다.
n의 추가적인 정의 또는 추가의 표준 좌표 y 및 z와 관련하여, 상기 주어진 설명이 참조된다.
특히, 본 발명에 따른 성형 부품은 높은 기계적 사항을 갖는 구조적 구성요소 및 높은 치수 정확도 사항을 갖는 기능 부품으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
본 발명은 사출 성형에 의해 강화 섬유를 포함하는 열가소성 성형 화합물로 제조되는 성형 부품을 제조하기 위한 사출 금형에 관한 것으로써, 제조되는 성형 부품의 외부 기하학적 형상을 재현하는 캐비티를 둘러싸도록 조립된 2개 이상의 부분 금형을 포함하며, 가소화 상태로 존재하고 강화 섬유를 포함하는 열가소성 성형 화합물로 캐비티를 충진하기 위한 하나 이상의 주입구가 하나 이상의 부분 금형(게이트 위치)에 제공되며, 하나 또는 전체의 부분 금형에서, 부분 금형 또는 캐비티를 한정하는 금형 벽에 형성되는 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널을 포함한다. 본 발명에 따른 사출 금형은 특히 사출 성형으로 성형 부품을 제조하기 위한 본 발명에 따른 전술한 방법에 사용될 수 있다. 사출 금형의 특정 구성, 특히 적어도 변온으로 가열 가능한 채널에 관한 모든 설명은 본 발명에 따라 제공되는 사출 금형에 또한 적용된다.
사출 금형의 바람직한 구현예는 부분 금형 모두가 제조되는 성형 부품에 갭을 발생시키는 하나 이상의 브레이크스루를 가지며, 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널이 하나 이상의 브레이크스루에 대해 원주 형태로 완전히 또는 적어도 부분적으로 연장되는 방식으로 형성되며, 유입 방향으로의 연결부 및 유출 방향으로의 연결부를 가지며, 유입 방향으로의 연결부 및 유출 방향으로의 연결부는 브레이크스루 돌출부에서 서로 오프셋되어 배치되며, 바람직하게는 서로 120° 이상으로 오프셋되어 배치되며, 특히 브레이크스루의 반대 측면에 배치된다. 180°±10°의 범위는 이 범위 내에 있는 임의의 각도를 포함하며, 특히 정확하게는 180°이다.
제조되는 성형 부품이 사용될 때 주요 인장 하중 방향을 가지며, 유입 방향으로의 연결부 및 유출 방향으로의 연결부는 각각 브레이크스루 돌출부에서 주요 인장 하중 방향으로부터 60° 이하, 바람직하게는 50° 이하, 더욱 바람직하게는 40° 이하, 특히 30° 이하로 벗어난다.
바람직하게는, 사출 금형은 캐비티와 유체 연통되는 하나 이상의 오버플로우 개구부를 가지며, 사출 금형이 과충진되는 경우에, 열가소성 성형 화합물이 캐비티, 오버플로우 개구부, 더욱 바람직하게는 각각의 오버플로우 캐비티 내로의 개구부로 유동될 수 있다.
추가의 바람직한 구현예에 따르면, 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널이 사출 금형의 게이트 위치에서 시작하고, 바람직하게는 하나 이상의 오버플로우 개구부에서 종료된다.
전술한 연결부는 사출 금형의 게이트 위치까지 형성되는 것이 바람직하며; 이에 대안적으로 또는 부가적으로, 연결부가 오버플로우 개구부까지 유출 방향으로 계속되는 것이 가능할 수 있다.
추가의 바람직한 구현예에 따르면, 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널 영역의 총합은 사출 금형 캐비티의 내부 표면의 1 내지 50%, 바람직하게는 3 내지 30%, 특히 바람직하게는 4 내지 20%, 특히 5 내지 10%로 구성된다.
이에 대안으로 또는 부가적으로, 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널이 바람직하게는 일정한 폭을 갖는 변온으로 가열 가능한 스트립으로 형성되며, 상기 폭은 바람직하게는 0.2 내지 30mm, 바람직하게는 0.5 내지 10mm이다.
본 발명에 따른 사출 금형은 사출 금형 캐비티를 한정하는 벽을 냉각시킬 수 있는 냉각 유닛을 갖는 것이 더욱 바람직하다. 이러한 냉각 유닛에 의해, 특히 사출 금형 캐비티의 전체 벽이 냉각되어 캐비티에 위치된 열가소성 성형 화합물의 냉각 및 고화, 및 그에 따른 전체 최종 성형 프로세스가 유의하게 가속될 수 있다.
본 발명은 다음의 구현예를 참조하여 더욱 상세히 설명되지만, 본 발명이 실시예에 한정되지는 않는다.
본 발명에 따른 방법은 성형 부품 내의 섬유의 배향에 영향을 미치고 특정 영역 내에서 본질적으로 이방성으로 설계될 수 있게 한다.
본 발명에 따른 방법을 사용하면, 모든 기계적으로 관련된 영역에서 주요 섬유 배향(x-방향의 섬유 배향 텐서)이 최대 주요 응력 벡터(x-방향으로 성형 부품의 의도된 하중)와 일치되도록 성형 부품이 게이트 위치의 동일한 위치에서 설계될 수 있다. 본 발명에 따르면, 섬유 배향은 주요 응력 축(X-X) 방향으로 시험편의 전체 두께에 대해 50% 이하, 바람직하게는 60% 이하 및 특히 바람직하게는 65 이하 또는 70%까지 일치한다. 종래의 사출 성형 및 이와 유사한 게이트 위치의 경우, 섬유 배향 텐서는 주요 응력 벡터의 방향으로 35% 이하의 시험편의 두께에 걸쳐 중앙에 위치된다. 단지 가장자리 영역에서 주요 응력 벡터의 방향으로 40%를 약간 초과하는 배향이 달성된다.
대다수의 경우에서 섬유의 배향이 주요 응력 축에서 벗어나는 경우, 종래의 사출 성형의 경우와 마찬가지로 물질 강도에 대한 잠재력을 충분히 활용할 수 없다. 이는 낮은 응력 수준에서도 구성요소의 파괴(failure)가 발생됨을 의미한다.
본 발명에 따른 방법을 사용하면, 종래의 사출 성형 방법(동일한 게이트 위치)과 비교하여, 성형 부품의 파괴 이전에 유의하게 높은 강도가 달성될 수 있는데, 이는 최대 응력 위치에서의 강화 섬유가 대부분의 경우 응력 벡터의 방향으로 향하게 되기 때문이다. 따라서, 종래의 사출 성형과 비교하여 강도는 40 내지 100%의 범위, 바람직하게는 50 내지 80%의 범위로 얻어진다.
본 발명에 따르면, 하나 이상의 금형 벽이 게이트 위치에서 시작하여 섬유 배향이 영향을 받는 금형 벽의 영역까지 계속되는 추가의 가열 가능한 요소를 갖는 주형이 사용된다. 주형 벽 영역은 특정 적용 부하를 받는 경우 구성요소의 가장 높은 응력(들)의 위치(들)와 상관관계가 있다. 바람직하게는, 가열 가능한 요소는 이 영역으로부터 금형 캐비티에 인접하는 오버플로우 캐비티까지 계속된다. 각각의 금형 벽 영역에 대해, 추가적인 가열 요소는 50% 미만, 바람직하게는 30% 미만 및 특히 바람직하게는 20% 미만을 차지한다. 가열 요소의 폭은 일반적으로 0.5 내지 10mm 사이이며, 금형 벽의 경로에 대해 일정하거나 가변적일 수 있다. 길이에 있어서, 가열 요소는 자유롭게 선택될 수 있는 금형 벽의 표면상 경로를 기술하며 바람직하게는 게이트로부터 오버플로우 캐비티까지 연장된다. 금형 벽 내의 하나 이상의 보조 가열 요소의 경로는 각각의 작업에 상응하게 설계되어야 한다. 추가적인 가열은 압력 유지 단계 또는 충진 단계의 종료시 금형 캐비티 내의 플라스틱 물질 성형 화합물이 여전히 가열 위의 영역, 이른바 변온으로 가열 가능한 채널에서 유동될 수 있게 하며, 나머지 성형 화합물은 이미 고화되었거나 적어도 높은 점도를 갖는다.
변온으로 가열 가능한 채널은 사출 초기에는 여전히 큰 유의점이 없지만, 용융물은 실제로 종래의 사출 성형과 구별될 수 없는 방식으로 캐비티 내로 가압된다. 압력 유지 단계의 끝 부분에서만, 용융 유동이 금형 캐비티의 추가적인 가열 요소로 가열되고 실제로는 특히 오버플로우 캐비티까지 가열되는 금형 캐비티의 영역을 통해 특이적으로 유동된다.
종래의 사출 성형 방법에 대하여 변경되는 성형 부품의 주요 응력 축 방향으로의 섬유 배향에 의해, 파단까지의 강도는 100%까지 개선된다.
변온으로 가열 가능한 채널을 갖는 방법은 매우 국소적인 가열 및 독립적인 설계가 필요하기 때문에, 채널을 가열하기 위한 후막 가열(thick-film heating) 기술이 바람직하게 사용된다.
강화 성형 부품의 제조 방법은 예를 들어, 섬유 보강재(바람직하게는 20 내지 70중량%)를 갖는 플라스틱 물질 성형 화합물이 금형 캐비티 내로 주입되고, 금형의 하나 이상의 벽이 전체적으로 연장되는 하나 이상의 추가의 가열 요소로 벽 영역의 50% 미만이 가열되고, 이는 금형 벽의 표면상에 돌출되는 게이트 위치로부터 오버플로우 캐비티까지 연장되는 0.5 내지 10mm 폭의 스트립의 형태를 가지며, 추가적인 가열 요소를 갖는 영역을 제외하고는 금형은 플라스틱 물질의 고화 온도보다 낮은 온도로 온도 제어되고 이 온도는 전체 사출 성형 주기(바람직한 온도 제어 (1)) 동안 사실상 일정하게 유지되며, 또한 추가적인 가열 요소 위의 금형 영역은 사출 및 압력 유지 단계 동안 플라스틱 물질의 고화 온도보다 높은 온도로 유지되어 용융된 플라스틱 물질 성형 화합물이 변온으로 가열 가능한 채널 내부의 압력 유지 단계의 끝 부분에서 여전히 유동될 수 있으며 초과량의 용융물이 오버플로우 캐비티로 부어지게 된다.
하나 이상의 추가적인 가열 요소의 경로는 하나 이상의 영역에서 초기 용융 유동의 방향, 즉 게이트 위치에 의해 야기되는 용융 유동의 방향으로부터 벗어난다.
도 1은 직사각형 모양의 사출 성형 구성요소를 나타낸 것이다.
도 2는 동일한 구성요소에 대한 벡터 응력 분포를 나타낸 것이다.
도 3은 당업계에서 공지된 바와 같이, 도 1 및 2에 따른 성형 부품의 제조를 위한 사출 성형 방법을 모식도로 도시한 것이다.
도 4는 도 3에 도시된 사출 성형 공정의 최종 제품을 나타낸 것이다(도 2와 동일한 단면).
도 5a는 도 4의 축소된 표현이며, 도 5b는 도 2의 축소된 도면과 상응한 것을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 사출 금형을 도시한 것이다.
도 7은 도 6에 도시된 것과 동일한 사출 금형을 도시한 것이다.
도 8은 그리드에 사용되는 각각의 부피 요소를 나타낸 것이다.
도 9는 당업계에 따른 방법(도 9a)과 동일한 사출 금형의 충진과 도 3에 도시된 바와 같은 충진 방법의 시뮬레이션 비교를 나타낸 것이다.
도 10 a) 및 10 b)는 사출 성형 과정 동안 열가소성 성형 화합물 내에서 일어나는 온도 프로파일을 나타낸 것이다.
도 11은 열가소성 성형 화합물이 사출 금형 캐비티 내부에서 유지되는 속도 플롯을 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 방법의 구현에 의하여 재현되는 섬유 분포를 나타낸 것이다.
도 13 a) 및 13 b)는 도 5a) 및 도 5 b)와 유사하게, 인장 하중 동안 생성되는 성형 부품에서 발생하는 인장력 및 본 발명에 따른 방법으로 제조된 구성요소에서의 섬유 분포를 재차 비교한 것을 나타낸 것이다.
도 14는 본 명세서에서 섬유 배향 방법으로 지칭되는 본 발명에 따른 방법 동안에 발생하는 섬유 분포를 나타낸 것이다.
도 15는 공지 기술에 따라 상기 제조된 구성요소(도 15 a)) 및 본 발명에 따른 방법에 따라 제조된 구성요소(도 15 b))에 대한 시뮬레이션 테스트 결과를 나타낸 것이다.
도 1은 직사각형 모양의 사출 성형 구성요소를 나타낸 것으로, 이는 실시예에서 다음의 테스트에 사용된다. 상기 구성요소는 길이 100mm, 폭 75mm 및 두께 3mm를 가지며, 이는 이미지 방향으로 돌출된다. 상기 구성요소의 중앙에는 직경 30mm를 갖는 원형 브레이크스루 D가 도입된다.
도 1은 힘 F(10kN인 경우)가 구성요소의 종방향으로 가해질 경우 구성요소에 발생하는 응력 분포를 나타낸다. 이에 따라 구성요소가 일 측면에 고정될 수 있다(도 1의 왼쪽).
장력 방향에 수직인 보링(boring)에서 최대 응력이 직접적으로 발생되는 것을 확인할 수 있다. 특히 이들 위치는 상기 구성요소 내에서 파과점(breaking point)이 가능하도록 한다.
또한, 도 2는 동일한 구성요소에 대한 벡터 응력 분포를 나타낸다. 도 2에서, 각각의 도시된 위치에서의 응력은 주요 작용 성분(화살표 방향) 및 이들의 절대값(화살표 크기) 기호로 나타낸다.
도 1 및 도 2에 따른 구성요소의 테스트(도 3 내지 도 15에 나타낸 모든 추가의 테스트도 동일)는 325℃의 용융점을 갖는 원형 횡단면(횡단면 직경 10㎛, 길이 200㎛)을 갖는 50중량%의 유리 섬유로 강화된 시뮬레이션 방법(폴리아미드 6T/6I(몰비 70:30)로 이루어지는 성형 화합물을 사용하는 유한 요소법)에 의해 결정된다.
도 3은 당업계에서 공지된 바와 같이, 도 1 및 2에 따른 성형 부품의 제조를 위한 사출 성형 방법을 모식도로 도시한 것이다. 캐비티 K는 유리 섬유를 포함하는 용융 상태의 열가소성 화합물로 게이트 위치 A를 통해 충진된다. 도 3에서, 캐비티 K가 열가소성 성형 화합물로 완전히 충진되지 않고, 열가소성 성형 화합물이 브레이크스루 D를 중심으로 게이트 위치 A로부터 이미 부분적으로 유동된 상태를 나타낸다. 열가소성 성형 화합물의 각각의 유동 전방은 아직 브레이크스루 D에 대해 완전히 함께 유동되지는 않았지만, 도 3에 도시된 상태에서는 열가소성 성형 화합물의 합류가 임박한 상태를 나타낸다.
도 4는 도 3에 도시된 사출 성형 공정의 최종 제품을 나타낸 것이다(도 2와 동일한 단면). 사출 금형 캐비티 K를 완전히 충진한 이후에, 도 3에 도시된 바와 같이, 열가소성 성형 화합물의 2개의 전방 영역에서 함께 유동된 후에 접합선 WL을 생성하는 성형 부품을 수득할 수 있다. 도 4는 열가소성 성형 화합물에 포함되는 강화 섬유의 배향을 나타낸다. 상기 강화 섬유(이 경우 유리 섬유)가 접합선 WL 영역에서 이방성으로 분포되어 브레이크스루 D에서 멀어지는 것을 확인할 수 있다. 상기 두 개의 흐름 전선이 함께 흐르면, 유리 섬유는 서로 평행하게 배향된다.
그러나 상기 성형 부품 내의 이러한 유리 섬유의 분포는 매우 불리하다. 이는 도 5a 및 도 5b의 비교를 참조하여 나타난다. 도 5a는 도 4의 축소된 표현이며, 도 5b는 도 2의 축소된 도면과 상응한 것을 나타낸 것이다. 접합선 WL의 영역에서 생성된 섬유 분포가 이 영역에서 발생하는 최대 가능 인장 응력을 흡수하는데 비효율적이라는 것을 확인할 수 있다. 상기와 같은 목적을 위해, 인장력에 따르거나 평행한 섬유 분포가 요구된다. 그러나 이는 종래의 사출 성형 방법으로는 불가능하다. 종래의 방법은 인장 응력과 본질적으로 수직인 유리 섬유 또는 강화 섬유의 배향이 생성된다. 그러므로, 상기 접합선 WL 영역은 발생하는 인장력을 흡수하기에 적합하지 않고, 수득된 성형 부품은 미리 결정된 파과점을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 사출 금형을 도시한 것이고, 사출 금형을 통해 강화 섬유, 예를 들어 유리 섬유의 특정 이방성 분포가 구성요소 내에서 가능하게 된다. 상기 사출 금형은 사출 금형의 측면(노즐 측)에서 성형 구성요소의 종방향 및 횡방향을 가능하게 할 수 있다. 따라서, 깊이 치수, 즉 상기 구성요소의 두께가 상기 도면에 상응하여 아래쪽으로 연장되어 도시되어 있다.
상기 사출 금형은 상응하게 제조되는 성형 부품에 갭을 발생시킬 수 있는 브레이크스루 D를 가질 수 있다. 이러한 사출 금형을 사용하여, 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 동일한 구성요소에 따른 형상을 생성할 수 있다.
이 사출 금형 캐비티를 한정하는 하나 이상의 벽은, 이 경우 양쪽 벽, 즉 앞쪽(노즐 측, 게이트 위치가 있는 측)과 뒤쪽(배출 측)의 경우, 변온으로 가열 가능한 채널 VK가 도입되고, 상기 사출 금형 캐비티를 한정하는 벽은 채널에서 국소적으로 가열될 수 있다. 도 6에 도시된 일 예와 같이, 변온으로 가열 가능한 채널 VK는 캐비티가 열가소성 성형 화합물로 충진될 수 있는 게이트 위치 A에서 시작될 수 있다. 상기 게이트 위치 A는 도 3에 도시된 것과 동일하게 선택될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 변온으로 가열 가능한 채널은 2.5mm 폭으로 선택되고, 전체 경로에 걸쳐 동일한 폭을 가질 수 있다. 도 6에서, 상기 변온으로 가열 가능한 채널은 게이트 위치에서 볼 때 오른쪽 위를 향하여 유도되고, 상기 사출 금형의 종방향 측에 대하여 유지되는 각도는 30°이다. 그 뒤, 변온으로 가열 가능한 채널 VK는 공급 파이프 F1 내로 편향되게 하고, 상기 공급 파이프 F1은 브레이크스루 D를 향해 유동될 수 있다. 상기 변온으로 가열 가능한 채널은 전체 브레이크스루 D를 따라 원형 형상을 갖고, 배출 F2에서 수렴된다. 유입 F1 및 유출 F2가 정확하게 마주보는 다른 반대편 측에 배치될 수 있다. 상기 변온으로 가열 가능한 채널은 브레이크스루 D의 영역에서 분지되고 브레이크스루 D를 중심으로 환형으로 유도된다. 상기 변온으로 가열 가능한 채널 VK는 사출 금형 벽(바람직하게는 좁은면)에 도입되는 오버플로우 개구부
Figure pat00015
까지 유도되어, 초과량의 열가소성 성형 화합물이 사출 금형으로부터 빠져나올 수 있도록 한다. 이러한 사출 금형을 이용하여, 이후에 상세하게 설명하는 바와 같이 본 발명에 따른 방법을 구현할 수 있다. 이 사출 금형에 대한 설명은 하기의 모든 실시예에 적용될 수 있다.
도 7은 도 6에 도시된 것과 동일한 사출 금형을 도시한 것으로, 오버플로우 용량 는 열가소성 성형 화합물을 위한 수집 저장소를 나타내는 오버플로우 개구부
Figure pat00017
내에 배치될 수 있다. 사출 금형의 게이트 위치에는 이른바 핫 채널(hot channel)("핫 러너"; "hot runner", HR)이 설치되어 있고, 상기 핫 채널을 통하여 열가소성 성형 화합물이 사출 금형에 공급될 수 있다. 변온으로 가열 가능한 채널 VK는 사출 금형의 나머지 영역과 비교하여 어두운 색으로 표시된다. 상기 사출 금형의 경로는 도 6에 표시된 경로와 동일할 수 있다.
다음과 같은 가정을 기초로 한다:
강화섬유를 포함하는 성형 화합물:
유리 섬유로 충진된(충진도 50%, 유리 섬유 직경 10㎛, 유리 섬유 길이 200㎛)된, 용융점 325℃) 폴리아미드 6T/6I(70:30), 결정화 온도: θK=285℃, MVR(340℃/21.6kg)=100cm3/10분, 용융 점도(340℃, 1,000Hz의 전단 속도)=230Pas.
매개변수(parameters) 방법:
* 나머지 금형 벽의 온도: θW=150℃
* 충진 및 과충진 동안의 성형 화합물 온도: θFM=340℃
* 체류 압력 단계에서 충진 및 과충진 동안의 궤적에 따른 변온 채널의 온도: θVT=305℃
* 충진 동안의 사출 속도(유속): 15cm3/s
* 사출 압력으로의 전환점: 25Mpa의 사출 압력에 도달되자마자 유량 제어 충진에서 압력 제어로 전환
* 체류 압력 단계의 첫 번째 부분에서 체류 압력: 60MPa의 압력을 10초 동안 유지
* 체류 압력 단계의 두 번째 부분에서 체류 압력: 120MPa의 압력이 6초 동안 가해지면, 플라스틱 물질 용융물(성형 화합물)이 궤적을 따라 오버플로우 용량 내로 가압
* 체류 압력 단계의 세 번째 부분에서 체류 압력: 1초 동안 2.5Mpa의 압력이 가해짐(총 체류 압력 단계는 17초간 지속)
* 충진 시간: 1.6초(오버플로우 용량이 없는 99%의 부피 충진)
* 99% 부피 충진 시 사출 압력: 25Mpa
* 오버플로우 용량의 부피: 8.8cm3(두 번째 체류 압력 단계에서 충진됨)
* 캐비티의 부피: 20.38cm3
* 과충진된 캐비티의 부피 비율: 43.2%
하기의 시뮬레이션 산출을 위하여, 사출 금형 캐비티의 부피를 실제로 도 7에 나와있는 그리드(grid)로 세분화하였고, 상기 그리드에 사용되는 각각의 부피 요소를 도 8에 자세하게 설명하였다.
도 9는 당업계에 따른 방법(도 9a)과 동일한 사출 금형의 충진과 도 3에 도시된 바와 같은 충진 방법의 시뮬레이션 비교를 나타낸 것이다. 도 9b에는 도 6 또는 도 7에서 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 사출 금형에 의한 충진 공정을 나타낸다. 열가소성 성형 화합물로의 사출 금형의 충진 양상이 본질적으로 동일한 것을 확인할 수 있다. 본 발명에 따른 사출 금형의 사출 성형 방법(도 9b 참조)에서도 브레이크스루 D에 대한 유동이 발생하고, 또한 여기에서 열가소성 성형 화합물의 합류는 게이트 위치 A에서 멀어지는 방향으로 브레이크스루 D의 측면에서 일어난다. 도 10 a) 및 10 b)는 사출 성형 과정 동안 열가소성 성형 화합물 내에서 일어나는 온도 프로파일을 나타낸 것이다. 도 10 a)는 사출 금형을 완전히 충진한 직후 또는 사출 금형의 과충진 동안의 상이한 단면 프로파일을 나타낸다. 양측의 사출 성형 금형의 온도 제어가 변온으로 가열 가능한 채널에 의해 실시되는 영역(도 10 a)에 나타내지 않음)에서, 온도가 용융 전이 온도(도 10 a)에서 영역 Ⅰ으로 나타낸 영역)보다 높다는 것을 알 수 있다. 나머지 영역(영역 Ⅱ)에서 열가소성 성형 화합물의 온도는 이미 용융 전이 온도 미만이다. 사출 금형을 완전히 충진한 후에는, 단지 변온으로 가열 가능한 채널을 통해 실시되는 영역은 여전히, 즉 핫 러너 HR을 통한 열가소성 성형 화합물의 추가적인 주입에 의한 용융상태일 수 있다. 게이트 위치 A에서, 열가소성 성형 화합물의 특정 유동은 변온으로 가열 가능한 채널 또는 채널들이 형성된 위치에서 직접적으로 실시될 수 있다.
도 10 b)는 선택된 실시예에서 열가소성 성형 화합물의 온도가 여전히 305℃인 엔벨로프(envelope)(소위, 등고선 선도(contour plot))를 나타낸 것이다. 이들 영역은 변온으로 가열 가능한 채널이 형성된 위치에 배타적으로 존재하는 것을 확인할 수 있다. 사출 금형의 나머지 영역은 추가의 가열 없이는 이와 같은 값을 얻을 수 없으며, 이들 영역의 온도는 약 150℃이다.
도 11은 열가소성 성형 화합물이 사출 금형 캐비티 내부에서 유지되는 속도 플롯을 나타낸 것이다. 속도 프로파일은 벡터로, 화살표는 유동 방향을 가리키고, 화살표의 길이는 속도에 대응되도록 나타낸다.
도 11 a)는 변온으로 가열 가능한 채널이 없는 사출 금형의 속도 프로파일을 나타낸 것이다. 사출 금형이 완전히 충진될 때까지 열가소성 성형 화합물의 유동 방향은 본질적으로 대칭적으로 실시되는 것을 확인할 수 있다.
도 11 b)는 사출 금형을 부분적으로 과충진하여 발생하는 현상을 나타낸 것이다. 열가소성 성형 화합물의 유동은 단지 변온으로 가열 가능한 영역에 배타적으로 실시되며, 상기 열가소성 성형 화합물의 유동은 변온으로 가열 가능한 채널을 통해 규정된 궤적을 따라 본질적으로 유동된다는 것이 입증된다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 방법의 구현에 의하여 재현되는 섬유 분포를 나타낸 것이다. 상기 변온 채널 영역에 있는 섬유 분포는 본질적으로 이방성 구성을 갖고, 상기 변온으로 가열 가능한 채널의 궤적을 따라 흐르는 것을 확인할 수 있다.
도 13 a) 및 13 b)는 도 5a) 및 도 5 b)와 유사하게, 인장 하중 동안 생성되는 성형 부품에서 발생하는 인장력 및 본 발명에 따른 방법으로 제조된 구성요소에서의 섬유 분포를 재차 비교한 것을 나타낸 것이다. 최대 인장력 (13b)이 발생하는 위치에서 상기 섬유 배향 (13a)이 정확하게 인장력을 따라 실시되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 상기 섬유는 발생하는 인장 응력을 최적으로 흡수할 수 있다.
도 14는 본 명세서에서 섬유 배향 방법으로 지칭되는 본 발명에 따른 방법 동안에 발생하는 섬유 분포를 나타낸 것이다. 섬유 분포의 산출은 게이트 위치 반대편의 변온으로 가열 가능한 채널의 영역에서 실시되는 위치에 의해 실시될 수 있다. 도 14의 좌측에 도시된 검은 점은 결정 위치를 나타낸 것이다. 이 위치에서 국소 좌표계, 즉 변온 채널의 궤적에 대한 접선에 의해 생성되는 고려된 x-성분은 주요 인장 하중 방향과 일치한다. 종래의 제조방법에 의하면, x-방향 또는 y-방향의 섬유 배향에 대하여 본질적으로 등방성(isotropic)인 섬유 분포가 실시되는 것을 확인할 수 있다. 상기 섬유는 주로 이 위치에서 y-방향으로 배향되는 반면, x-방향에서 섬유의 상응하는 배향은 단지 종속적인 의미를 갖는다.
도 14에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은 x-방향에서의 섬유 분포가 명백하게 최상부가 되는 것을 달성할 수 있으며, 즉 x-방향에서의 측정된 곳에서의 섬유가 현저하게 이방성 분포를 갖고, 섬유의 주요 부분은 주로 x-방향으로 배향된다. 따라서, 이 위치에서의 상기 섬유는 구성요소에서 발생하는 인장력을 흡수하기 위해 최적으로 배향된다.
도 15는 공지 기술에 따라 상기 제조된 구성요소(도 15 a)) 및 본 발명에 따른 방법에 따라 제조된 구성요소(도 15 b))에 대한 시뮬레이션 테스트 결과를 나타낸 것이다. 이 테스트에서, 도 1에 나타낸 것과 같이, 성형 부품의 좁은 면에는 1,350N의 인장 하중이 적용되고, 성형 부품에 표시된 힘이 가해진다.
접합선을 갖는 도 15 a)에 따른 표준 변형 및 도 15 b)에 따른 정렬된 접합선을 갖는 변온 변형을 유한 요소(FE) 산출로 서로 비교하였다. FE 산출은 사출 성형 시뮬레이션의 섬유 방향과 파괴 기준(failure criterion)을 갖는 이방성 물질 모델을 고려하여 구현하였다. 한쪽 면에는 구멍이 있는 시트(넓이 100x75x3mm, 직경 30mm)가 모든 방향으로 고정되었지만, 반대쪽 면에는 표면에 수직인 힘을 외부에서 가하였다. 산출 결과, 7,965N의 접합선을 갖는 표준 변형 모델 및 12,015N의 정교한 접합선을 갖는 변온 변형 모델의 파과를 보였다. 이는 51%의 개선을 나타낸다.
도 15의 두 개의 도면은 모두 1,350N으로 하중이 가해지는 동안 사용된 파괴 기준의 등고선 선도를 나타낸다. 범례는 안전 계수(safety factor)의 역수를 나타낸다. 예를 들어, 0.112의 값은 1/0.112=8.9의 하중으로 인한 파괴에 대한 안전을 의미한다. 접합선을 갖는 표준 변형은 상기 접합선이 잠재적인 파괴 영역인 반면, 정련된 접합선을 갖는 변온 변형은 더 이상 접합선을 나타내지는 않지만 오히려 전체의 두 개의 노치(notch) 영역이 잠재적인 파괴 영역을 나타낸다.
D: 구성요소 내 브레이크스루
F: 구성요소에 가해지는 힘
K: 사출 금형 캐비티
A: 게이트 위치
WL: 접합선
VK: 변온 채널
Figure pat00018
: 나머지 금형 벽
F1: 유입; 브레이크스루 D를 중심으로 원으로 유도되는 변온 채널로 플라스틱 물질 용융물을 공급하는 변온 채널의 일부
F2: 유출; 브레이크스루 D를 중심으로 원으로 유도되는 변온 채널에서 플라스틱 물질 용융물을 받아 변온 채널의 일부분을 통과하여 오버플로우
Figure pat00019
에 공급하는 변온 채널의 일부
Figure pat00020
: 오버플로우 개구
Figure pat00021
: 오버플로우 용량
HR: 가열 채널

Claims (24)

  1. 사출 성형에 의해 강화 섬유를 포함하는 열가소성 성형 화합물로부터 성형 부품을 제조하는 방법으로써,
    사출 금형 캐비티(cavity)가 규정된 온도 θFM로 가열되며, 가소화 상태로 존재하고 강화 섬유를 포함하는 열가소성 성형 화합물로 규정된 충진 레벨까지 과충진되거나, 완전히 충진되거나, 부분적으로 충진되며, 사출 금형 캐비티는 궤적을 따라 연장되는 하나 이상의 변온(variotherm)으로 가열 가능한 채널을 가지는 하나 이상의 벽을 가지며,
    사출 금형의 충진 이전, 충진 동안 및/또는 충진 이후에, 영구적으로 또는 적어도 일시적으로 벽의 하나 이상의 변온 채널을 갖는 사출 금형의 영역이 온도 θVT로 설정되고 사출 금형의 벽의 나머지 영역이 온도 θW로 설정되며, θW<θVT이고,
    규정된 충진 레벨까지 과충진되거나, 완전히 충진되거나, 부분적으로 충진된 이후에, 강화 섬유를 포함하는 열가소성 성형 화합물이 고화될 때까지 냉각시키고,
    고화된 성형 부품을 사출 금형으로부터 이형시키는, 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    사출 금형이 과충진되고, 바람직하게는 오버플로우 캐비티에서 각각 종료되는 하나 이상의 오버플로우 개구부를 가지며, 각각의 오버플로우 캐비티는 사출 금형 캐비티와 유체 연통(fluidic communication)되고, 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널이 사출 금형의 게이트 위치에서 시작하여 하나 이상의 오버플로우 개구부까지 유도되어, 사출 금형이 과충진되는 경우에, 열가소성 성형 화합물이 사출 금형 캐비티 밖으로 빠져나올 수 있고 하나 이상의 오버플로우 개구부를 통해 각각의 오버플로우 캐비티 내로 진입되는, 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    사출 금형의 과충진이 수행되어
    5 내지 100부피%, 바람직하게는 10 내지 70부피% 및 특히 바람직하게는 15 내지 50부피%의 사출 금형 캐비티의 부피가 과충진되고,
    완전히 충진된 이후에, 과충진이 시작되기 이전에 2 내지 60초의 대기시간이 유지되고, 대기시간 동안 바람직하게는 벽에 하나 이상의 변온 채널을 갖는 사출 금형 영역에서의 온도 θVT가 상승되고/상승되거나 사출 금형의 벽에 나머지 영역에서의 온도 θW가 낮아지고/낮아지거나,
    과충진이 2 내지 60초의 시간 범위 동안 지속되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    온도 차이 θW<θVT의 조정에 의해, 열가소성 성형 화합물 내에 강화 섬유의 배향(orientation)의 조정이 수행되며, 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널의 궤적을 따라 강화 섬유의 이방성 배양이 본질적으로 달성되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    강화 섬유의 배향이 하나의 유한 체적(finite volume) 요소에 함유된 n개의 강화 섬유 군의 하기 배향 텐서(orientation tensor) (aij)에 의해 정의되고,
    Figure pat00022

    요소 aij는 하기와 같이 정의되며,
    Figure pat00023

    섬유의 배향이 배향 텐서 (aij)의 대각선 요소 a11, a22 및 a33에 의해 결정되고,
    Figure pat00024
    또는
    Figure pat00025
    는 각각 k번째 섬유에 평행하게 연장되는 길이 1의 벡터
    Figure pat00026
    성분을 나타내며,
    Figure pat00027

    벡터
    Figure pat00028
    는 로컬 좌표계에서 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널 영역에서 각각의 고려되는 유한 체적 요소를 나타내며,
    x축은 각각의 고려되는 유한 체적 요소에서 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널의 궤적에 접선 방향으로 각각 고정되고,
    y축은 x에 대하여 수직으로 배향되며,
    z축은 x 및 y에 대하여 수직으로 배향되며,
    각각의 주어진 유한 체적 요소에서 배향 텐서 (aij)의 요소 a11의 값이 0.5 이상, 바람직하게는 0.5 내지 0.98, 더욱 바람직하게는 0.6 내지 0.95, 더욱 바람직하게는 0.65 내지 0.9, 특히 0.7 내지 0.85인 경우에, 본질적으로 이방성 배향이 생성되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    θVT>θG 또는 θVT>θK, 바람직하게는 θVT-θG≥10K 또는 θVT-θK≥10K이며, θG는 비정질(amorphous) 열가소성 성형 화합물의 유리 전이 온도를 의미하고 θK는 부분 결정질 열가소성 성형 화합물의 결정화 온도를 의미하며,
    θVT =θFM±40K 및/또는
    θVT-θW≥50K, 바람직하게는 θVT-θW≥100K인 것을 특징으로 하는, 방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널이 사출 금형 벽의 캐비티의 일 측면 또는 양 측면상에 형성되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널 영역의 총합이 사출 금형 캐비티의 내부 표면의 1 내지 50%, 바람직하게는 3 내지 30%, 특히 바람직하게는 4 내지 20%, 특히 5 내지 10%로 구성되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    사출 금형이 제조되는 성형 부품에 갭을 발생시키는 하나 이상의 브레이크스루(breakthrough)를 가지며, 상기 브레이크스루는 예를 들어, 원형, 타원형, n각 형상을 가지며, n은 3 이상의 자연 정수인 것을 특징으로 하는, 방법.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널이 하나 이상의 브레이크스루, 바람직하게는 각각의 브레이크스루에 대해 원주 형태로 완전히 또는 적어도 부분적으로 연장되는 방식으로 형성되며, 각각의 브레이크스루를 둘러싸는 변온으로 가열 가능한 채널은 각각 사출 금형 벽의 캐비티의 일 측면 또는 양 측면상에 형성되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    하나 이상의 브레이크스루에 대해 원주 형태로 완전히 또는 적어도 부분적으로 연장되는 방식으로 형성되는 하나 이상의 변온 채널이 유입 방향으로 하나 이상의 연결부(continutation) 및 유출 방향으로 하나 이상의 연결부를 가지며, 바람직하게는 유입 방향으로의 연결부가 사출 금형의 게이트 위치까지 계속되고/계속되거나 유출 방향으로의 연결부가 하나 이상의 오버플로우 개구부까지 계속되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    유입 방향으로의 연결부 및 유출 방향으로의 연결부가 브레이크스루 돌출부에서 서로 오프셋되어 배치되고, 바람직하게는 서로 120° 이상으로 오프셋되어 배치되며, 특히 서로 180°±10°로 오프셋되어 배치되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서,
    제조되는 성형 부품이 사용될 때 주요 인장 하중 방향을 가지며, 유입 방향으로의 연결부 및 유출 방향으로의 연결부는 각각 브레이크스루 돌출부에서 서로 독립적인 방향을 가지며, 이는 주요 인장 하중 방향으로부터 60° 이하, 바람직하게는 50° 이하, 더욱 바람직하게는 40° 이하, 특히 30° 이하로 벗어난 것을 특징으로 하는, 방법.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 열가소성 성형 화합물은 하나 이상의 열가소성 매트릭스 폴리머 또는 2개 이상의 열가소성 매트릭스 폴리머의 혼합물을 포함하거나 이들로 이루어지며, 열가소성 성형 화합물 내에 강화 섬유가 분산된 상태로 존재하고, 하나 이상의 매트릭스 폴리머가 바람직하게는 폴리아미드 이미드, 폴리에테르 아미드 및 폴리에스테르 아미드를 포함하는 폴리아미드; 폴리카보네이트; 폴리올레핀, 특히 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리스티렌 또는 폴리비닐 클로라이드(PVC); 폴리아크릴레이트, 특히 폴리아크릴산 에스테르, 예를 들어, 폴리-메틸(메트)아크릴레이트; 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 코폴리머, 아크릴로니트릴-스티렌 코폴리머; 폴리에스테르, 특히 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 또는 폴리사이클로헥실렌 테레프탈레이트, 폴리설폰(특히 PSU, PESU, PPSU 타입), 폴리페닐렌 설파이드; 폴리에테르, 특히 폴리옥시메틸렌, 폴리페닐렌 에테르 및 폴리페닐렌 옥사이드, 액체-결정 폴리머; 폴리에테르 케톤; 폴리에테르 에테르 케톤; 폴리이미드; 폴리에스테르 이미드, 폴리에테르 에스테르 아미드; 폴리우레탄, 특히 TPU 또는 PUR 타입; 폴리실록산; 셀룰로이드 및 이의 혼합물 또는 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    b) 강화 섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유 및 티타늄 위스커로 이루어진 군으로부터 선택되며, 특히 원형 또는 평면 횡단면 및/또는 0.2 내지 20mm의 길이 및/또는 5 내지 20㎛의 직경을 가지며/가지거나,
    c) 열가소성 성형 화합물 내에 강화 섬유의 중량비는 5 내지 80중량%, 바람직하게는 20 내지 70중량%인 것을 특징으로 하는, 방법.
  15. 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 100 내지 10,000Hz의 전단 속도의 경우에서 ISO 11443에 따라 측정된 열가소성 성형 화합물의 전단 점도는 바람직하게는 10 내지 10,000Pas의 범위, 특히 바람직하게는 20 내지 3,000Pas의 범위 및 매우 특히 바람직하게는 30 내지 1,000Pas의 범위이며,
    b) 이는 조정되고/조정되거나
    c) 열가소성 성형 화합물이 사출 금형 캐비티 내로 50 내지 2,000bar의 압력으로 주입되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  16. 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조되고 강화 섬유로 충진되는 열가소성 성형 화합물로 제조되는 성형 부품으로써, 강화 섬유가 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널과 일치하는 영역에서 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널의 궤적을 따라 제조 방법 동안 강화 섬유의 본질적인 이방성 배향을 갖는 것을 특징으로 하는, 성형 부품.
  17. 제 16항에 있어서,
    강화 섬유의 배향이 하나의 유한 체적 요소에 함유된 n개의 강화 섬유 군의 하기 배향 텐서 (aij)에 의해 정의되고,
    Figure pat00029

    요소 aij는 하기와 같이 정의되며,
    Figure pat00030

    섬유의 배향이 배향 텐서 (aij)의 대각선 요소 a11, a22 및 a33에 의해 결정되고,
    Figure pat00031
    또는
    Figure pat00032
    는 각각 k번째 섬유에 평행하게 연장되는 길이 1의 벡터
    Figure pat00033
    성분을 나타내며,
    Figure pat00034

    벡터
    Figure pat00035
    는 로컬 좌표계에서 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널 영역에서 각각의 고려되는 유한 체적 요소를 나타내며,
    x축은 각각의 고려되는 유한 체적 요소에서 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널의 궤적에 접선 방향으로 각각 고정되고,
    y축은 x에 대하여 수직으로 배향되며,
    z축은 x 및 y에 대하여 수직으로 배향되며,
    각각의 주어진 유한 체적 요소에서 배향 텐서 (aij)의 요소 a11의 값이 0.5 이상, 바람직하게는 0.5 내지 0.98, 더욱 바람직하게는 0.6 내지 0.95, 더욱 바람직하게는 0.65 내지 0.9, 특히 0.7 내지 0.85인 경우에, 본질적으로 이방성 배향이 생성되는 것을 특징으로 하는, 성형 부품.
  18. 사출 성형에 의해 강화 섬유를 포함하는 열가소성 성형 화합물로 제조되는 성형 부품을 제조하기 위한 사출 금형으로써,
    제조되는 성형 부품의 외부 기하학적 형상을 재현하는 캐비티를 둘러싸도록 조립된 2개 이상의 부분 금형을 포함하며, 가소화 상태로 존재하고 강화 섬유를 포함하는 열가소성 성형 화합물로 캐비티를 충진하기 위한 하나 이상의 주입구가 하나 이상의 부분 금형(게이트 위치)에 제공되며,
    하나 또는 전체의 부분 금형에서, 부분 금형 또는 캐비티를 한정하는 금형 벽에 형성되는 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널을 포함하는, 사출 금형.
  19. 제 18항에 있어서,
    부분 금형 모두가 제조되는 성형 부품에 갭을 발생시키는 하나 이상의 브레이크스루를 가지며,
    하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널이 하나 이상의 브레이크스루에 대해 원주 형태로 완전히 또는 적어도 부분적으로 연장되는 방식으로 형성되며, 유입 방향으로의 연결부 및 유출 방향으로의 연결부를 가지며,
    유입 방향으로의 연결부 및 유출 방향으로의 연결부는 브레이크스루 돌출부에서 서로 오프셋되어 배치되며, 바람직하게는 서로 120° 이상으로 오프셋되어 배치되며, 특히 브레이크스루의 반대 측면에 배치되는 것을 특징으로 하는, 사출 금형.
  20. 제 18항 또는 제 19항 중 어느 한 항에 있어서,
    제조되는 성형 부품이 사용될 때 주요 인장 하중 방향을 가지며, 유입 방향으로의 연결부 및 유출 방향으로의 연결부는 각각 브레이크스루 돌출부에서 주요 인장 하중 방향으로부터 60° 이하, 바람직하게는 50° 이하, 더욱 바람직하게는 40° 이하, 특히 30° 이하로 벗어난 방향을 갖는 것을 특징으로 하는, 사출 금형.
  21. 제 18항 또는 제 20항 중 어느 한 항에 있어서,
    사출 금형이 캐비티와 유체 연통되는 하나 이상의 오버플로우 개구부를 가지며, 사출 금형이 과충진되는 경우에, 열가소성 성형 화합물이 캐비티, 오버플로우 개구부, 더욱 바람직하게는 각각의 오버플로우 캐비티 내로의 개구부로 유동될 수 있는 것을 특징으로 하는, 사출 금형.
  22. 제 18항 또는 제 21항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널이 사출 금형의 게이트 위치에서 시작하고, 바람직하게는 하나 이상의 오버플로우 개구부에서 종료되는 것을 특징으로 하는, 사출 금형.
  23. 제 18항 또는 제 22항 중 어느 한 항에 있어서,
    유입 방향으로의 연결부가 사출 금형의 게이트 위치까지 계속되고/계속되거나 유출 방향으로의 연결부가 오버플로우 개구부까지 계속되는 것을 특징으로 하는, 사출 금형.
  24. 제 18항 또는 제 23항 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널 영역의 총합이 사출 금형 캐비티의 내부 표면의 1 내지 50%, 바람직하게는 3 내지 30%, 특히 바람직하게는 4 내지 20%, 특히 5 내지 10%로 구성되며/구성되거나
    b) 하나 이상의 변온으로 가열 가능한 채널이 바람직하게는 일정한 폭을 갖는 변온으로 가열 가능한 스트립으로 형성되며, 상기 폭은 바람직하게는 0.2 내지 30mm, 바람직하게는 0.5 내지 10mm인 것을 특징으로 하는, 사출 금형.
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