KR20200006337A - 3d 프린터를 이용한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

3D 프린터를 이용한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드에 있어서, 상측 표면이 성형할 물품의 형상을 정의하고 하측 표면이 상기 물품의 형상을 따라 형성되어 상기 물품의 형상보다 작고 유사한 내부공간을 갖는 커버 파트; 및 3D 프린터로 상기 내부공간의 형상으로 출력되고, 상기 하측 표면을 따라 상기 하측 표면에 인접하게 냉각 채널이 형성되고, 상기 내부공간에 삽입하여 조립되는 냉각 파트;를 포함한다. 상기 커버 파트의 공극률은 상기 냉각 파트의 공극률보다 낮다.

Description

3D 프린터를 이용한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드 및 그 제조 방법{Mold having conformal cooling channel by using 3D printer and method therefor}

본 발명은 3D 프린터를 이용한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

몰드에 수지를 부어 굳히는 일을 반복하여 대량의 물품을 생산하는 금형산업에 있어서, 싸이클 타임(cycle time)이 중요하다.

싸이클 타임은 물품 1개를 생산하는데 걸리는 시간인데, 빨리 굳혀야 다음 물품을 생산할 수 있으므로, 몰드의 빠른 냉각이 매우 중요하다. 이를 위해, 몰드에 냉각 채널을 형성하는 기술이 널리 사용된다.

물품의 외형을 정의하는 몰드의 표면과 냉각 채널이 가까울수록 냉각 효과가 뛰어나 물품의 외형을 따른 형상적응형 냉각 채널(conformal cooling channel)도 사용되고 있다.

하지만, 복잡한 형상의 경우 전통적인 가공 방법으로 몰드 내부에 형상적응형 냉각 채널을 형성하기 곤란하다.

3D 프린터는 복잡한 형상의 중공 구조를 갖는 물품을 출력할 수 있어서 형상적응형 냉각 채널이 형성된 몰드를 3D 프린터로 출력하는 것이 가능하다.

그런데, 3D 프린터로 출력한 몰드는 내부에 기공이 존재하여, 대량의 물품을 몰드로 성형할 경우 표면 박리 현상이 나타나고 있다.

싸이클 타임을 줄이고 대량의 물품을 생산할 수 있는 몰드 및 그 제조방법이 요구된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 3D 프린터를 이용한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드에 있어서, 상측 표면이 성형할 물품의 형상을 정의하고 하측 표면이 상기 물품의 형상을 따라 형성되어 상기 물품의 형상보다 작고 유사한 내부공간을 갖는 커버 파트; 및 3D 프린터로 상기 내부공간의 형상으로 출력되고, 상기 하측 표면을 따라 상기 하측 표면에 인접하게 냉각 채널이 형성되고, 상기 내부공간에 삽입하여 조립되는 냉각 파트;를 포함하고, 상기 커버 파트의 공극률은 상기 냉각 파트의 공극률보다 낮은 것을 특징으로 하는 몰드가 제공된다.

커버 파트는 금속 블록을 CNC 가공하여 형성하고 상기 상측 표면은 폴리싱 처리할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 조립 시 상기 하측 표면과 상기 냉각 파트의 상측 표면 사이에 열전도성 페이스트를 바를 수 있다.

조립 시 상기 커버 파트에 상기 냉각 파트를 고정할 수 있다.

바람직하게, 상기 조립 시 상기 커버 파트에 상기 냉각 파트를 나사 고정할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 조립 시 상기 하측 표면과 상기 냉각 파트의 상측 표면 사이에 열전도성 접착제를 바를 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 3D 프린터를 이용한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드 제조 방법에 있어서, 성형할 물품의 형상보다 작고 유사한 내부공간을 갖도록 금속 블럭의 하측을 CNC 가공하여 형성하고, 3D 프린터로 상기 내부공간의 형상으로 출력되고, 상기 내부공간을 정의하는 표면을 따라 상기 표면에 인접하게 냉각 채널이 형성된 냉각 파트를 상기 내부공간에 삽입하여 조립하고, 상기 조립된 금속 블록의 상측을 상측 표면이 성형할 물품의 형상을 정의하도록 CNC 가공하여 커버 파트를 형성하고, 상기 커버 파트의 공극률은 상기 냉각 파트의 공극률보다 낮은 것을 특징으로 하는 몰드 제조 방법이 제공된다.

바람직하게, 상기 조립 시 상기 내부공간을 정의하는 표면과 상기 냉각 파트의 상측 표면 사이에 열전도성 접착제를 바를 수 있다.

싸이클 타임을 줄이고 대량의 물품을 생산할 수 있는 몰드 및 그 제조방법이 제공된다.

도 1은 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드를 모델링한 것을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 몰드의 외형을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 몰드의 단면을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 커버 파트와 냉각 파트가 조립되는 상태의 단면을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 커버 파트와 냉각 파트가 조립되는 상태의 단면을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 커버 파트와 냉각 파트가 조립되는 상태의 단면을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 커버 파트와 냉각 파트가 조립되는 상태의 단면을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 커버 파트와 냉각 파트가 조립되는 상태의 단면을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 커버 파트와 냉각 파트가 조립되는 방법을 나타내는 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 첨부된 도면에 있어서, 동일 또는 유사한 기능을 하는 구성요소에는 동일한 도면 부호를 부여하였다.

도 1은 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드를 모델링한 것을 나타내는 도면이다. 여기서 형상은 성형될 물품의 외형을 의미하며, 구체적으로, 성형될 물품의 외형을 정의하는 몰드의 상측 표면일 수 있다. 뜨거운 용융상태의 원재료가 몰드에 밀착된 후 제거하기 위해서는 원재료가 굳어야 한다. 이 경우 냉각 속도가 매우 중요한데, 이를 위해 통상 몰드에 냉각 채널이 형성된다. 그런데, 몰드의 상측 표면과 가깝게 냉각 채널이 형성되면 열전도 측면에서 유리하다. 따라서, 도 1에 상측 표면을 따라 나선 형태로 도시된 바와 같이, 형상 적응형 냉각 채널은 몰드의 상측 표면과 가깝게 그 표면을 따라 형성된다.

다만, 일반적인 제조방법으로는 복잡한 몰드의 외형을 따라 냉각 채널을 형성하는 것이 어렵다. 최근 각광받고 있는 3D 프린터는 복잡한 중공 구조의 출력도 가능하므로 3D 프린터를 이용한 냉각 채널이 형성된 몰드 제작도 이루어 지고 있다.

몰드를 이용한 대량 생산의 경우, 싸이클 타임과 몰드 표면의 내구성이 중요하다. 3D 프린터를 사용하여 쿨링 채널이 형성된 몰드를 제작하여 싸이클 타임을 줄였다. 물품을 찍을때마다 몰드의 표면이 마모되는데, 3D 프린터로 출력한 몰드의 경우 폴리싱 등의 후가공을 하더라도 표면이 마모되어 내부 공극이 드러나거나 다양한 이유로 박리가 쉽게 일어나는 단점이 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 몰드(10)의 외형을 나타내는 도면이다. 노출된 외형 상으로는 일반적인 몰드와 다름이 없다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 몰드(10)의 단면을 나타내는 도면이다. 몰드(10)는 커버 파트(100)와 냉각 채널(210)이 형성된 냉각 파트(200)를 포함한다.

구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 커버 파트(100)의 상측 표면(110)은 성형할 물품의 형상을 정의한다. 커버 파트(100)의 하측 표면(120)은 물품의 형상을 따라 형성되어 물품의 형상보다 작고 유사한 내부공간(130) 정의한다.

냉각 파트(200)는 3D 프린터로 내부공간(130)의 형상으로 출력된다. 냉각 파트(200)에는 하측 표면(120)을 따라 하측 표면(120)에 인접하게 냉각 채널(210)이 형성된다. 냉각 파트(200)는 내부공간(130)에 삽입되어 몰드(10)로 조립된다.

커버 파트(100)는 3D 프린터가 아닌 일반적인 방식으로 제작될 수 있으며, 공극률이 3D 프린터로 제작한 냉각 파트(200)보다 낮으면 어떤 방식도 가능하다. 즉, 커버 파트(100)의 공극률은 상기 냉각 파트(200)의 공극률보다 낮다. 커버 파트(100)는 금속 블록(20)을 CNC 가공하여 형성하고 상측 표면(110)은 폴리싱 처리할 수 있다. 마모 및 표면 특성을 고려하여, 비정질 금속, 예를 들어, 리퀴드 메탈 등의 소재로 커버 파트(100)를 제작할 수 있다.

커버 파트(100)의 하측 표면(120)은 폴리싱 처리가 되지 않고, 냉각 파트(200)도 3D 프린터로 출력되어 그 상측 표면(220)도 거칠다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 조립 시 상기 하측 표면(120)과 상기 냉각 파트(200)의 상측 표면(220) 사이에 열전도성 페이스트(300)를 바를 수 있다. 이를 통해 접촉면의 공기층에 기인한 열전도의 방해 현상을 방지하여 냉각 효과를 높일 수 있다.

경우에 따라, 커버 파트(100)가 벗겨질 수 있으므로, 조립 시 커버 파트(100)에 상기 냉각 파트(200)를 고정할 수 있다. 도 5의 하측에 도시된 바와 같이 나사(400)를 이용하여 고정할 수도 있다.

한편, 접촉면의 공기층에 기인한 열전도의 방해 현상을 방지하는 것과 조립 시 고정하는 것을 간단히 하기 위해, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 도 6에 도시된 바와 같이, 조립 시 상기 하측 표면(120)과 냉각 파트(200)의 상측 표면(220) 사이에 열전도성 접착제(500)를 바를 수 있다. 이 경우, 열전도의 개선 및 고정의 효과를 한번에 달성할 수 있다.

열전도의 측면에 있어서, 커버 파트(100)의 두께가 얇아 냉각 채널과 가까운 것이 좋다. 하지만 일반적인 가공 방법으로 복잡한 형상의 커버 파트(100)를 얇게 만들기가 쉽지 않다.

도 7 및 도 8에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 커버 파트(100)가 가공되면서 냉각 파트(200)가 조립되는 상태의 단면이 도시되어 있다. 또한, 도 9에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3D 프린터를 이용한 형상 적응형 냉각 채널(210)이 형성된 몰드(10)의 제조 방법을 나나태는 흐름도가 도시되어 있다.

우선, 도 7 및 도 9에 도시된 바와 같이, 성형할 물품의 형상보다 작고 유사한 내부공간(130)을 갖도록 금속 블럭(20)의 하측을 CNC 가공하여 형성한다. 이후에, 도 8에 도시된 바와 같이, 3D 프린터로 내부공간(130)의 형상으로 출력되고, 내부공간(130)을 정의하는 표면을 따라 표면에 인접하게 냉각 채널(210)이 형성된 냉각 파트(200)를 내부공간(130)에 삽입하여 조립한다. 조립 시 상술한 방법으로 고정할 수 있으며, 간편하게 열전도의 특성까지 고려하여, 내부공간(130)을 정의하는 표면과 상기 냉각 파트(200)의 상측 표면 사이(220)에 열전도성 접착제(500)를 바를 수 있다.

이렇게 고정된 후에, 조립된 금속 블록의 상측을 상측 표면(110)이 성형할 물품의 형상을 정의하도록 CNC 가공하여 커버 파트(100)를 형성할 수 있다. 이 경우, 커버 파트(100)의 하측에 지지부 역할을 하는 냉각 파트(200)가 고정되어 있기 때문에 커버 파트(100)를 얇게 가공하는 것이 가능하다. 여기서도 금속 블록의 공극률은 3D 프린터로 출력한 냉각 파트(200)의 공극률 보다 낮다. 즉, 최종 가공된 커버 파트(100)의 공극률은 냉각 파트(200)의 공극률보다 낮다. 이후에 커버 파트(100)의 상측 표면(110)을 폴리싱 가공 등의 후처리 할 수 있다.

본 발명은 본 발명의 기술 사상과 본질적 특징을 벗어나지 않고 다른 특정적인 형태로 구현될 수 있다. 따라서, 전술한 실시예는 모든 측면에서 본원에 개시된 발명을 제한하는 것이 아니라 도시적인 것으로 간주되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범주는 전술된 기재가 아니라 첨부된 청구항에 의해 지시되며, 이러한 청구항의 취지 및 등가물의 범주 내에 있는 모든 변경은 본 발명의 범주 내에 포함된다.

10: 몰드 100: 커버 파트
110: 상측 표면 120: 하측 표면
130: 내부공간
200: 냉각 파트 210: 냉각 채널
220: 상측 표면
300: 열전도성 페이스트 410: 나사
500: 열전도성 접착제

Claims (8)

1. 3D 프린터를 이용한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드에 있어서,
   상측 표면이 성형할 물품의 형상을 정의하고 하측 표면이 상기 물품의 형상을 따라 형성되어 상기 물품의 형상보다 작고 유사한 내부공간을 갖는 커버 파트; 및
   3D 프린터로 상기 내부공간의 형상으로 출력되고, 상기 하측 표면을 따라 상기 하측 표면에 인접하게 냉각 채널이 형성되고, 상기 내부공간에 삽입하여 조립되는 냉각 파트;를 포함하고,
   상기 커버 파트의 공극률은 상기 냉각 파트의 공극률보다 낮은 것을 특징으로 하는 몰드.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 커버 파트는 금속 블록을 CNC 가공하여 형성하고 상기 상측 표면은 폴리싱 처리하는 것을 특징으로 하는 몰드.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 조립 시 상기 하측 표면과 상기 냉각 파트의 상측 표면 사이에 열전도성 페이스트를 바르는 것을 특징으로 하는 몰드.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 조립 시 상기 커버 파트에 상기 냉각 파트를 고정하는 것을 특징으로 하는 몰드.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 조립 시 상기 커버 파트에 상기 냉각 파트를 나사 고정하는 것을 특징으로 하는 몰드.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 조립 시 상기 하측 표면과 상기 냉각 파트의 상측 표면 사이에 열전도성 접착제를 바르는 것을 특징으로 하는 몰드.
7. 3D 프린터를 이용한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드 제조 방법에 있어서,
   성형할 물품의 형상보다 작고 유사한 내부공간을 갖도록 금속 블럭의 하측을 CNC 가공하여 형성하고,
   3D 프린터로 상기 내부공간의 형상으로 출력되고, 상기 내부공간을 정의하는 표면을 따라 상기 표면에 인접하게 냉각 채널이 형성된 냉각 파트를 상기 내부공간에 삽입하여 조립하고,
   상기 조립된 금속 블록의 상측을 상측 표면이 성형할 물품의 형상을 정의하도록 CNC 가공하여 커버 파트를 형성하고,
   상기 커버 파트의 공극률은 상기 냉각 파트의 공극률보다 낮은 것을 특징으로 하는 몰드 제조 방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 조립 시 상기 내부공간을 정의하는 표면과 상기 냉각 파트의 상측 표면 사이에 열전도성 접착제를 바르는 것을 추가하는 것을 특징으로 하는 몰드 제조 방법.

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