KR20200099791A

KR20200099791A - 열 성형방법 및 장치

Info

Publication number: KR20200099791A
Application number: KR1020190017840A
Authority: KR
Inventors: 김종국
Original assignee: 김종국
Priority date: 2019-02-15
Filing date: 2019-02-15
Publication date: 2020-08-25

Abstract

성형부분의 들뜸을 방지하고 열 성형 신뢰성을 향상시킬 수 있는 열 성형장치 및 방법이 개시된다. 모터는, 열 성형기가 대상물의 결합 돌기에 근접하도록 하는 제1회전, 열 성형기가 결합 돌기에 접촉하여 결합 돌기를 연화하면서 가압하도록 하는 제2회전, 및 열 성형기가 연화된 가압 돌기로부터 분리되도록 하는 제3회전으로 프로그램 제어되고, 제3회전 중 탄성 가압부재가 대상물의 가압을 유지한다.

Description

열 성형방법 및 장치{Thermoforming method and apparatus}

본 발명은 열 성형방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 열 성형된 부분의 들뜸을 방지하고 열 성형 신뢰성을 향상시킬 수 있는 기술에 관련한다.

차량용 부품에서 플라스틱 부품 간 또는 플라스틱과 금속 간의 결합은 다양한 장점으로 인해 종래 나사나 리벳을 이용한 결합으로부터 플라스틱 자체를 열 성형하여 리벳 형상으로 가공하여 결합되도록 하고 있다.

도 1은 종래 열 성형방법을 보여준다.

플라스틱 베이스(20)에 금속판(30)을 결합하는 경우, 베이스(20)의 특정 위치에 결합용 돌기(boss)(21)가 돌출되고, 금속판(30)에서 이에 대응하는 위치에 결합구멍(31)이 형성되어 돌기(21)가 결합구멍에 끼워진 상태에서 돌기(21)를 열 성형하여 성형부분(22)를 형성함으로써 베이스(20)와 금속판(30)을 결합한다.

통상, 상기와 같은 공정에서 플라스틱 돌기(21)를 연화점 이상에서 가공하여 특정 형상으로 만들기 위한 열 성형장치가 사용된다.

예를 들어, 본 출원인에 의한 국내 등록특허 제1634241호를 보면, 양단이 밀봉되는 통 형상의 파이프; 상기 파이프의 전단 쪽으로 내부에 삽입되고 외주면에 히터선이 감긴 발열 세라믹; 상기 파이프의 후단 쪽으로 내부에 삽입되는 지지 세라믹; 및 상기 파이프의 전단 외측에 결합하는 지그를 포함하며, 상기 지지 세라믹의 내부에는 전원라인과 감지라인이 연장되는 관통구멍이 형성되고, 상기 발열 세라믹에 대향하는 상기 지지 세라믹의 단부에는 온도감지센서가 장착되어 상기 감지라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 성형 지그 어셈블리가 개시된다.

이러한 구조에 의하면, 성형 지그 어셈블리의 끝 부분에서만 열이 발생하기 때문에 전력 소모가 적고, 지지 세라믹에 대응하는 파이프의 부분에는 열이 전달되지 않아 전력소모가 적을 뿐만 아니라, 작업자가 화상을 입을 위험성을 크게 줄일 수 있다.

상기와 같은 성형 지그 어셈블리 자체는 많은 이점이 있는 반면, 이를 구동하는 장치에서 다른 문제가 발생하고 있다.

구체적으로 설명하면, 성형 지그 어셈블리(10)를 통상 공압 실린더를 이용하여 하강시켜 플라스틱 베이스(20)의 돌기(21)에 접촉하여 열 성형 작업을 수행하는데 이때 가장 중요한 요소는 플라스틱 베이스(20)의 돌기(21)가 연화되는 속도이며, 이를 위해 성형 지그 어셈블리의 온도와 하강 속도가 일정하게 유지될 필요가 있다.

그러나 공압 실린더의 특성상 하강시마다 속도가 달라지기 때문에, 가령 속도가 지나치게 빠른 경우 플라스틱 베이스(20)의 돌기(21)를 가압하는 힘이 커져 돌기(21)의 하단이 파손되어 부러지거나 과부하로 인해 기계적 성질이 변형되어 취약해지거나 또는 돌기(21)가 옆으로 누운 상태로 성형이 이루어지는 등 균일한 작업 품질을 확보할 수 없다는 문제점이 있다.

또한, 지그 어셈블리(10)가 플라스틱 베이스(20)의 돌기(21)를 가압하여 열 성형한 후 지그 어셈블리(10)를 상승시키면 가압되어 있던 금속판(30)의 스프링 백(spring back) 현상으로 금속판(30)이 용융된 성형 부분(22)을 밀어올려 성형 부분(22)과 금속판(30) 사이가 들떠 틈새(24)가 생김으로써 성형 부분(22)이 있음에도 금속판(30)이 덜렁거리게 된다.

이를 해결하기 위해, 지그 어셈블리(10)를 상승시키기 전에 에어 건(air gun)을 이용하여 성형 부분(22)을 냉각시킬 수 있지만, 냉각 과정에서 지그 어셈블리(10)도 같이 냉각되면서 온도가 떨어지기 때문에 지그 어셈블리(10)의 효율이 저하되어 균일한 성형 품질을 확보하기 어렵다.

따라서, 본 발명의 목적은 성형 부분이 들뜨는 것을 방지하여 열 성형의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 열 성형장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 성형 부분의 파손이나 변형 등을 방지함으로써 균일한 성형 품질을 확보할 수 있는 열 성형장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 구조가 간단하면서 조립성을 향상시킬 수 있는 열 성형장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기의 목적은, 다수의 대상물을 결합하는 결합 돌기를 열 성형하는 열 성형장치로서, 프로그램 제어되는 모터; 상기 모터에 축 결합하는 이송 스크류; 상기 이송 스크류에 나사 결합하여 직선 운동하는 파지 블록; 상기 파지 블록에 고정되는 열 성형기; 및 상기 파지 블록에 고정되고, 상기 열 성형기보다 길게 연장되는 탄성 가압부재를 포함하며, 상기 모터는, 상기 열 성형기가 상기 결합 돌기에 근접하도록 하는 제1회전, 상기 열 성형기가 상기 결합 돌기에 접촉하여 상기 결합 돌기를 연화하면서 가압하도록 하는 제2회전, 및 상기 열 성형기가 상기 연화된 가압 돌기로부터 분리되도록 하는 제3회전으로 프로그램 제어되고, 상기 제3회전 중 상기 탄성 가압부재는 상기 대상물의 가압을 유지하는 것을 특징으로 하는 열 성형장치에 의해 달성된다.

바람직하게, 상기 파지 블록은, LM 가이드 레일과 LM 가이드로 이루어지는 안내부재에 결합하여 안내된다.

바람직하게, 상기 가압부재는, 상기 파지 블록에 고정된 중공관 몸체; 상기 몸체 내부에서 슬라이드 되는 로드(rod); 및 상기 로드를 감싸고 일단이 상기 로드의 단부에 고정되고 타단이 상기 몸체의 내부에 고정되어 상기 로드에 탄성을 제공하는 스프링으로 이루어진다.

상기의 목적은, 다수의 대상물을 결합하는 결합 돌기를 열 성형하는 열 성형방법으로서, 모터의 회전으로 회전하는 이송 스크류에 나사 결합한 열 성형기가 직선 운동을 하며, 상기 모터는, 상기 열 성형기가 상기 결합 돌기에 근접하도록 하는 제1회전, 상기 열 성형기가 상기 결합 돌기에 접촉하여 상기 결합 돌기를 연화하면서 가압하도록 하는 제2회전, 및 상기 열 성형기가 상기 연화된 가압 돌기로부터 분리되도록 하는 제3회전으로 프로그램 제어되고, 상기 제3회전 중 상기 열 성형기와 나란히 연장된 탄성 가압부재가 상기 대상물의 가압을 유지하는 것을 특징으로 하는 열 성형방법에 의해 달성된다.

본 발명에 의하면, 열 성형기에 의해 연화된 성형 부분이 냉각되지 않은 상태에서 열 성형기를 분리하여도 탄성 가압부재가 대상물을 여전히 가압하기 때문에 대상물의 스프링 백에 의해 성형 부분이 들뜨는 것을 방지하여 열 성형의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 모터의 회전속도와 회전시간을 단계별로 프로그램 제어함으로써 작업효율을 높이면서 성형 부분이 파손되거나 변형되는 것을 방지하여 균일한 성형 품질을 확보할 수 있다.

도 1은 종래 열 융착 방법을 보여준다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 열 성형장치를 나타낸다.
도 3(a)과 3(b)은 각각 본 발명의 열 성형방법에 따라 동작하는 열 성형장치의 측면도이다.
도 4(a) 내지 4(c)는 각각 본 발명의 열 성형방법에 따라 동작하는 열 성형장치의 정면도이다.
도 5(a) 내지 5(c)는 열 성형장치에 의한 열 성형으로 성형 부분이 생성되는 과정을 보여준다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 열 성형장치를 나타낸다.

열 성형장치는, 베이스(111)와 기둥(112)으로 구성된 구조물(110), 구조물(110)의 상단에 고정된 모터(120), 모터(120)의 회전축에 결합하고 이송 스크류(140)를 회전축에 축 결합시키는 커플러(122), 이송 스크류(140)가 회전 가능하도록 상단과 하단을 지지하는 지지블록(141, 142), 열 성형기(100), 열 성형기(100)를 파지하는 파지 블록(154), 파지 블록(154)을 승강시키는 안내부재(150), 및 열 성형기(100)에 인접하여 배치되어 대상물을 탄성 가압하는 탄성 가압부재(160)로 이루어진다.

이하, 각 구성부분에 대해 상세하게 설명한다.

<구조물(110)>

구조물(110)은 성형장치를 기구적으로 지지하는데, 대상물이 놓이는 작업대(도 3의 200)가 고정되는 베이스(111)와, 베이스(111)에 수직으로 연장하는 기둥(112)으로 이루어진다.

필요에 따라 기둥(112)에는 다른 구성 부품을 설치하기 위한 브래킷이나 서포터가 설치될 수 있다.

<모터(120)>

모터(120)는 열 성형기(100)를 상승 또는 하강하는데 필요한 회전력을 제공하는데, 프로그래머블 모터를 적용함으로써 시간에 따른 회전속도와 회전시간을 사용자 임의로 설정하도록 할 수 있다.

모터(120)의 회전축에는 커플러(coupler)(122)가 결합하여 회전축의 회전력을 이송 스크류(140)에 전달하는데, 플렉시블 커플러를 적용함으로써 회전축과 이송 스크류(140)의 축 동심이 다소 어긋나더라도 정해진 편차 범위 내에서 수용하도록 할 수 있다.

또한, 커플러(122)의 후단에 인코더(130)가 설치되어 모터(120) 회전축의 회전각을 미세하게 분해하여 검출하고 이를 제어부에 피드백함으로써 모터(120)의 회전을 정밀하게 제어할 수 있다.

인코더(130)의 분해능은, 가령 500 펄스로 이송거리 기준으로 0.01㎜ 단위로 제어되도록 할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.

<이송 스크류(140)>

기둥(112)에는 높이 방향으로 일정거리 이격되어 한 쌍의 지지대(141, 142)가 설치되는데, 상부 지지대(141)에는 관통구멍이 형성되어 베어링 블록(143)이 설치되고, 도시되지는 않았지만, 하부 지지대(141)에는 홈이 형성되어 베어링 유닛이 설치된다.

상부 지지대(141)의 베어링 블록(143)에는 이송 스크류(140)의 상단이 끼워져 커플러(122)에 결합하고, 하부 지지대(142)의 홈에는 이송 스크류(140)의 하단이 끼워져 베어링 유닛에 의해 회전 가능하게 지지된다.

결과적으로, 모터(120)가 회전하면 회전축에 결합한 커플러(122)에 의해 이송 스크류(140)에 회전력이 전달되어 회전하게 된다.

<안내부재(150)>

안내부재(150)는 지지대(141, 142) 사이에 설치되는데, 기둥(112)에 고정되는 LM 가이드 레일(151)과 LM 가이드 레일(151)에 슬라이드 가능하게 결합하는 LM 가이드(152)로 이루어진다.

LM 가이드(152)에는 파지 블록(154)이 결합하는데, 파지 블록(154)은 내부를 수직으로 관통하는 이송 스크류(140)와 나사 결합한다.

그 결과, 이송 스크류(140)가 회전함에 따라 파지 블록(154)이 상승하거나 하강하고 이 과정에서 파지 블록(154)은 안내부재(150)에 의해 안정되게 승강한다.

<가압부재(160)>

가압부재(160)는 열 성형의 대상물을 열 성형과정에서 가압하여 고정하는 역할을 하는데, 파지 블록(154)에 고정된 중공관 몸체(161), 몸체(161) 내부에서 슬라이드 되는 로드(rod, 162) 및 로드(162)를 감싸고 일단이 로드(162)의 단부에 고정되고 타단이 몸체(161)의 내부에 고정되어 로드(162)에 탄성을 제공하는 스프링(163)으로 이루어진다.

가압부재(160)는 열 성형기(100)와 나란하게 배치되는데, 가압부재(160)의 길이가 열 성형기(100)의 길이보다 커서, 도 2와 같이, 가압부재(160)의 단부가 열 성형기(100)의 단부보다 더 하부에 위치하게 된다.

가압부재(160)는 열 성형기(100)에 대해 균형을 이룰 수 있도록 한 쌍으로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

이하, 상기한 구조의 열 성형장치의 동작에 대해 설명한다.

도 3(a)과 3(b)은 각각 본 발명의 열 성형방법에 따라 동작하는 열 성형장치의 측면도이고, 도 4(a) 내지 4(c)는 각각 본 발명의 열 성형방법에 따라 동작하는 열 성형장치의 정면도이며, 도 5(a) 내지 5(c)는 열 성형장치에 의한 열 성형으로 성형 부분이 생성되는 과정을 보여준다.

도 3(a) 및 4(a)와 같이, 베이스(111) 위에 정해진 높이를 갖는 작업대(200)가 고정되고, 작업대(200) 위에 열 성형을 위한 대상물이 정해진 위치에 놓여 고정된다.

여기서, 도 1과 같이, 플라스틱 베이스(20)에 금속판(30)을 결합하기 위해 베이스(20)의 특정 위치에 결합용 돌기가 돌출되고, 금속판(30)에서 이에 대응하는 위치에 결합구멍이 형성되어 돌기(21)가 결합구멍에 끼워진 상태에서 돌기(21)를 열 성형하여 변형시킴으로써 베이스(20)와 금속판(30)을 결합한다고 가정한다.

이어, 동작 스위치를 누르면, 도 3(b) 및 4(b)와 같이, 파지 블록(154)이 정해진 높이로 하강한다.

구체적으로 설명하면, 모터(120)가 미리 프로그램된 루틴에 따라 1차 회전하는데, 정해진 속도로 정해진 시간 동안 회전하게 된다. 모터(120)의 회전력은 이송 스크류(140)에 전달되어 이송 스크류(140)가 회전하고 그 결과 파지 블록(154)은 정해진 거리를 정해진 속도로 이송하여 하강함으로써 도 5(a)와 같은 상태가 된다.

이때, 가압부재(160)가 대상물의 금속판(30)에 먼저 탄성적으로 접촉한 상태에서 열 성형기(100)가 대상물의 플라스틱 베이스(20)의 돌기(21)에 접촉하기 직전의 상태에 놓인다.

상기와 같이, 1차 회전시 모터(120)를 최대의 회전속도로 구동하되 열 성형기(100)가 대상물에 접촉하기 직전에 도달하도록 회전시간 또는 회전수를 설정함으로써 작업효율을 높일 수 있으면서 대상물의 파손을 방지할 수 있다.

다음, 모터(120)는 미리 프로그램된 루틴에 따라 2차 회전하는데, 마찬가지로 정해진 속도로 정해진 시간 동안 회전하게 된다. 이때 열 성형기(100)가 플라스틱 베이스(20)의 돌기(21)에 접촉한 상태로 돌기(21)를 누르면서 정해진 압력을 가한다.

여기서, 압력은 열 성형기(100)의 이동속도와 관련되는데, 가령 모터(120)의 1차 회전에 의한 파지 블록(154)의 이송 속도가 5㎜/sec라면 2차 회전에 의한 파지 블록(154)의 이송 속도는 1/5 정도인 1㎜/sec 정도로 설정할 수 있으며, 결국 파지 블록(154)의 1㎜/sec의 이송 속도에 의한 압력으로 열 성형기(100)가 돌기(21)를 가압하게 된다.

돌기(21)는 열 성형기(100)의 온도에 의해 연화되면서 열 성형기(100)의 단부에 결합한 지그의 형상대로 변형됨으로써, 도 5(b)와 같이 반구형의 성형 부분(22)이 형성된다.

상기한 것처럼, 모터(120)의 회전속도와 회전시간을 단계별로 프로그램 제어함으로써 작업효율을 높이면서 돌기(21)가 파손되거나 변형되는 것을 방지하여 균일한 성형 품질을 확보할 수 있다.

이후, 모터(120)가 미리 프로그램된 루틴에 따라 3차 회전하는데, 마찬가지로 정해진 속도로 정해진 시간 동안 회전하게 되며, 특히 회전속도를 반대로 하여 열 성형기(100)가 돌기(21)로부터 분리되어 상승하도록 한다.

이때, 상기한 것처럼, 가압부재(160)의 단부가 열 성형기(100)의 단부보다 더 하부에 위치하기 때문에, 도 5(c)와 같이, 열 성형기(100)가 정해진 높이까지만 상승하도록 함으로써 가압부재(160)가 여전히 금속판(30)을 누른 상태를 유지하도록 한다. 그 결과, 금속판(30)에 의한 스프링 백을 제거할 수 있기 때문에 연화된 돌기(21)가 대기 중에서 서냉되는 과정에서 성형 부분(22)과 금속판(30) 사이가 들뜨는 것을 방지할 수 있다.

이후, 성형 부분(22)이 완전히 냉각되면 미리 프로그램된 루틴에 따라 가압부재(160)와 열 성형기(100)가 최초 위치로 복귀한다.

상기의 실시 예에서는 플라스틱 베이스와 금속판의 결합에 적용되는 것을 예로 들었지만, 이에 한정되지 않고 플라스틱 베이스와 플라스틱판의 결합 또는 그 외 다른 재료로 구성된 대상물의 결합에 대해서 적용될 수 있다.

또한, 모터의 단계별 회전시 회전속도와 시간 등의 변수는 열 성형작업의 종류와 특성에 맞추어 다양하게 설정할 수 있다.

또한, 기구적으로 각 구성부품의 배치와 결합구조는 통상의 기술자가 수준에서 쉽게 이루어질 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시 예를 중심으로 설명하였지만, 당업자 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있으며, 따라서, 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

100: 열 성형기
110: 구조물
111: 베이스
112: 기둥
120: 모터
122: 커플러
130: 인코더
140: 이송 스크류
150: 안내부재
160: 가압부재

Claims

다수의 대상물을 결합하는 결합 돌기를 열 성형하는 열 성형장치로서,
프로그램 제어되는 모터;
상기 모터에 축 결합하는 이송 스크류;
상기 이송 스크류에 나사 결합하여 직선 운동하는 파지 블록;
상기 파지 블록에 고정되는 열 성형기; 및
상기 파지 블록에 고정되고, 상기 열 성형기보다 길게 연장되는 탄성 가압부재를 포함하며,
상기 모터는, 상기 열 성형기가 상기 결합 돌기에 근접하도록 하는 제1회전, 상기 열 성형기가 상기 결합 돌기에 접촉하여 상기 결합 돌기를 연화하면서 가압하도록 하는 제2회전, 및 상기 열 성형기가 상기 연화된 가압 돌기로부터 분리되도록 하는 제3회전으로 프로그램 제어되고,
상기 제3회전 중 상기 탄성 가압부재는 상기 대상물의 가압을 유지하는 것을 특징으로 하는 열 성형장치.
청구항 1에서,
상기 파지 블록은, LM 가이드 레일과 LM 가이드로 이루어지는 안내부재에 결합하여 안내되는 것을 특징으로 하는 열 성형장치.
청구항 1에서,
상기 가압부재는,
상기 파지 블록에 고정된 중공관 몸체;
상기 몸체 내부에서 슬라이드 되는 로드(rod); 및
상기 로드를 감싸고 일단이 상기 로드의 단부에 고정되고 타단이 상기 몸체의 내부에 고정되어 상기 로드에 탄성을 제공하는 스프링으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열 성형장치.
다수의 대상물을 결합하는 결합 돌기를 열 성형하는 열 성형방법으로서,
모터의 회전으로 회전하는 이송 스크류에 나사 결합한 열 성형기가 직선 운동을 하며,
상기 모터는, 상기 열 성형기가 상기 결합 돌기에 근접하도록 하는 제1회전, 상기 열 성형기가 상기 결합 돌기에 접촉하여 상기 결합 돌기를 연화하면서 가압하도록 하는 제2회전, 및 상기 열 성형기가 상기 연화된 가압 돌기로부터 분리되도록 하는 제3회전으로 프로그램 제어되고,
상기 제3회전 중 상기 열 성형기와 나란히 연장된 탄성 가압부재가 상기 대상물의 가압을 유지하는 것을 특징으로 하는 열 성형방법.