KR940009877B1 - 다층 금속 표피를 가진 단열된 몰드 구조물 - Google Patents

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제네랄 일렉트릭 캄파니
제이 엘.챠스킨
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Abstract

내용 없음.

Description

다층 금속 표피를 가진 단열된 몰드 구조물
제 1 도는 몰드 구조물의 바람직한 실시태양의 부분 측단면도이다.
제 2 도는 몰드 구조물의 또하나의 바람직한 실시태양의 부분 측단면도이다.
제 3 도는 단열재를 가진 성형장치 및 단열재를 갖지 않은 성형 공정에서의 경시(經時)온도 응답을 보여주는 그래프이다.
본 발명은 일반적으로 몰드(mold), 더욱 특히 접착성, 기계적 강도 및 내마모성이 개선된 다층 금속 표피를 가진 단열된 몰드에 관한 것이다.
열가소성 수지의 성형은 자동차 또는 기타 설비에 사용하기 위한 판넬과 같이 비교적 얇고 넓으며 강한 플라스틱 부품 제조에 유용한 방법이다. 특정 필요조건에 따라, 취입성형, 사출성형 및 압출성형과 같은 여러 가지 성형 공정에 의해 그러한 외장용 플라스틱 부품을 제조할 수 있다. 취입성형은 패리슨(parison)이라 불리우는 수지의 용융된 튜브를 몰드내로 압출시키는 것을 포함한다. 몰드은 패리슨 주위를 폐쇄시키고 폐쇄된 패리슨의 하부를 조인다. 이어서, 공기와 같은 기체를 도입시켜 튜브를 몰드의 찬 표면에 대해 팽창시킨다. 패리슨이 찬 몰드 표면과 접촉되면 그 표면 주위의 플라스틱이 빠르게 냉각된다. 이 결과 다이 선, 접은 선, 기공 및 공극과 같은 표면 불량이 발생된다.
사출성형은 몰드 장치내로 용융된 열가소성 수지를 사출시키는 것을 포함한다. 열가소성 수지의 사출성형을 위한 몰드는 보통 철, 강철, 스테인레스강, 알루미늄 합금 또는 황동과 같은 금속 재료로 제조된다. 상 기 재료들은 높은 열전도도를 가지므로 열가소성 수지의 용융물을 빠르게 냉각시켜 성형주기를 단축시킨다는 잇점이 있다. 그러나, 급속한 냉각 때문에, 사출된 수지가 몰드 표면에서 순간적으로 냉각되어 얇은 고체층을 생성시킨다. 몰드 표면에서 용융물에 급속히 급냉되는 것은 특히 섬유 및 분말 형태의 충진제를 다량 함유하는 수지를 성형시킬 때 몇가지 문제점을 일으킨다. 몰드 표면에서 이들 재료가 냉각되면 노출된 충진제, 공극 및 다공성과 같은 거친 표면이 생성된다. 얇고 큰 부품 제조시에는 가공상의 어려움이 발생된다. 재료의 제한된 유동성과 관계된 용융물의 빠른 고화는 넓은 영역에 걸쳐 용융물의 흐르기 어렵게 한다. 크고/크거나 복잡한 몰드 캐비티에 다중 게이드(gate)를 사용하는 것은 눈에 거슬리는 약한 융착선을 생성시킨다. 고품질의 부품을 사출성형시키는데 있어서의 또하나의 중요한 문제점은 성형된 부품에서의 잔류 응력이다. 부품 내부의 잔류 응력은 부품의 사용기간동안 치수 불안정성을 유발할 수 있다. 비-균일한 잔류 응력은 또한 차등굴절 지수를 유발시킨다. 고품질 부품을 위해서는 치수 안정성 및 굴절 지수의 균일성이 결정적으로 필요하다.
유리 강화 열가소성 시이트의 압축 성형 공정은 복합재 블랭크(blank)를 가열함으로써 시작된다. 재료를 그의 융점 이상 또는 비정질 재료의 경우는 최소한 실질적으로 그의 유리전이온도 이상으로 가열한다. 복합재 블랭크를 가열하면, 이들은 섬유들 내의 반동력(recoil force) 때문에 팽창(로프트)된다. 이어서, 뜨거운 블랭크를, 융점 또는 유리전이온도(전형적으로 175 내지 250℉) 미만의 찬 몰드 표면들 사이에서 압축시킨다. 찬 몰드 표면들과 접촉시키는 것은 상기 블랭크 표면에 냉각된 수지를 생성시킨다. 이것은 노출된 섬유 및 표면 다공성 형태와 같은 충진되지 않은 영역을 생성시킨다. 찬 표면에서 수지는 냉각되어 흐르지 않으므로, 충진된 영역과 새로이 형성된 영역 사이에 거친 경계가 형성된다.
생성된 플라스틱 부품을 큰 외장용 판넬 용도로 사용하는데 중요한 하나의 필수 사항은 표면 평활도이다. 성형된 플라스틱 부품의 표면은 시이트 금속으로 된 시판 외장용 부품처럼 평활하여야 한다. 그러나, 상술한 바와 같이 통상적으로 성형된 플라스틱 부품은 목적하는 표면 평활도를 얻기 위해서는 일손이 많이 드는 샌딩(sanding) 및 폴리싱(polishing) 조작을 필요로 한다.
성형된 플라스틱 부품의 표면 품질을 개선하려는 시도가 상기 언급한 미합중국 특허원 제07/435,639호 및 제07/435/640호에 기술되어 있다. 상기 특허원들에는 몰드 코어상에 단열층을 위치시키고 단열층상에 얇은 표피층을 위치시킨 성형 장치가 기술되어 있다. 단열재 때문에 표피층은 성형 조작중에 열을 보지시키며, 이로써 급속한 표면 냉각에 의해 생성되는 표면 불량이 패해진다. 따라서, 이들 장치는 비교적 짧은 주기를 유지하면서 평활한 표면을 제공한다.
본 발명은 개선된 접착력, 기계적 강도 및 내마모성 특성을 제공하는, 상술한 다층의 단열된 몰드 구조물에 관한 것이다. 이들 개선된 특성은 단열층상에 단일 표피층을 제공함으로써 달성한다. 상기에 언급한 동시 계류중인 미합중국 특허원 제07/437/051호에 다층 표피층의 사용이 기술되어 있다. 그러나, 이 특허원에서는 몰드 구조물을 단지 부분적으로만 단열시키며, 다른 열팽창 계수에 의해 야기되는 탈층을 방지하기 위해 다층 표피를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시태양으로, 단열층위에 연속적으로 세개의 표피층을 위치시킨다. 단열층에 대해 우수한 접착력을 보이는 얇은 금속층을 우선 단열층에 직접적으로 배치한다. 이어서, 기계적 강도를 제공하도록 선택된 금속층을 제1층의 상부에 배치한다. 마지막으로, 탁월한 내마모성을 갖는 외부층을 배치한다.
또다른 실시태양에 따르면, 본 발명은 단열층위에 배치된 두 개의 외부 표피층을 포함한다. 재료들을 적합하게 배합하면 2-층 실시태양 3-층 실시태양의 우수한 접착력, 강도 및 내마모성과 같은 바람직한 특성을 가질 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 짧은 주기로 평활한 표면을 가진 성형 부품을 생성시키는 단열된 몰드 구조물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또하나의 목적은 단열층과 표피층간의 개선된 접착력, 개선된 기계적 강도 및 개선된 내마모성을 가진 단열된 몰드 구조물을 제공하는 것이다.
이제 도면(숫자들은 요소들을 가리킨다)을 참조해보면, 제 1 도는 본 발명의 다층 몰드(10)의 부분 측면도를 나타낸다. 몰드(10)는 고 열전도성 재료로 된 몰드 기재 또는 코어(11)를 포함한다. 코어에는 냉각 유체를 수용하여 주기를 감소시키기 위한 냉각 라인(12), 예를 들면 구리 파이프가 제공되어 있다. 코어(11)는 얇은 단열층(13)으로 덮혀 있다. 단열층은 고온 열가소성 수지, 열경화성 수지, 플라스틱 복합재, 다공성 금속, 세라믹 및 저 전도성 금속 합금과 같은 저 열전도성 재료로 제조될 수 있다. 단열재로 사용되는 기타 저 열전도성 재료를 사용할 수도 있다. 단열층은 흔히 기계적으로 강하지 못하여 몰드 표면으로 사용시에 고품질의 표면을 생성시킬 수 없으므로, 단열층에 얇은 경질 표피층(14)을 결합시킨다. 이 표피층은 여러 가지의 바람직한 특성들을 가져야 한다. 그러한 특성들로는 표피층과 단열층 사이의 강한 접착력, 우수한 내마모성 및 높은 기계적 강도가 있다. 기타 중요한 특성으로는 열전도성 및 산화 방지성이 있다.
이러한 특성들을 달성하기 위해, 경질 표피층은 하나 이상의 바람직한 특성들을 제공하는 여러개의 부층들로 이루어진다. 바람직한 실시태양에서, "구상된"표피층은 세개의 부층을 포함한다. 우선, 단열층 위에 직접적으로 얇은 부층(15)을 배치한다. 이 제 1 내부 부층(15)은 우수한 접착 강도 뿐 아니라 우수한 열전도성 및 산화 방지성을 보이는 재료로 이루어진다. 그러한 재료의 예로는 엔톤(Enthone) 무전해 니켈 422 및 쉬플레이(Shipley) 무전해 구리 250이 있다. 다음으로, 상기 내부 부층위에 중간 부층(16)을 배치한다. 이 중간부층은 고도의 기계적 강도 및 열전도성을 제공하여야 한다. 바람직한 중간 부층 재료의 예로는 리아로날(Rea Ronal) 전해 니켈 PC3, 전해 구리 및 엔톤 무전해 니켈 426이 있다. 마지막으로, 상기 중간 부층 위에 얇은 외부 부층(17)을 배치한다. 이 외부 부층은 탁월한 내마모성을 제공한다. 이를 달성하는데 바람직한 재료로는 엔톤 무전해 니켈 426, 엥글하드(Englehard) 전해 팔라듐 니켈 80/20, Tin 및 크롬이 있다. 이상적으로, 내부 및 외부 부층은 두께가 1 내지 25미크론이고, 중간 부층은 기계적 강도를 향상시키기 위해 25 내지 250미크론 두께이다.
이들 세 부층은 우수한 접착 강도, 구조적 일체성 및 내마모성 뿐 아니라 평활하고 단단한 성형 표면을 가진 얇은 경질 표피층을 형성한다. 단열층(13) 및 경질 표피층(14)은 예를 들면 적층, 부착 또는 소결에 의해 적용할 수 있다. 고전도성 코어(11)는 단열층으로 및 단열층으로부터 열을 잘 전달시킨다. 코어는 냉각 유체를 코어로 통과시키는 냉각 통로(12)에 의해 냉각된다. 코어는 강철, 알루미늄, 세라믹, 유리 또는 플라스틱 복합 재료와 같은 모든 적합한 재료로 제조될 수 있다. 코어는 성형시킬 재료와 접촉하지 않으며, 따라서 성형시킬 재료에 의해 마모되지 않는다.
제 2 도는 단지 두개의 표피층을 사용하여 개선된 접착력, 우수한 기계적 강도 및 높은 내마모성과 같은 주요 목적을 달성하는 본 발명의 또하나의 실시태양을 도시한다. 제 2 도에서, 몰드(20)는 고 열전도성 재료로 된 몰드 기재 또는 코어(21)를 포함한다. 코어의 냉각을 향상시키고 이로써 주기를 감소시키기 위해, 코어(21)내에 냉각 수단(22)을 제공한다. 몰드 코어의 내부 표면에 단열층(23)을 배치한다. 단열층은 바람직하게는, 에틸 코포레이션(Ethyl Corporation)에서 상품명 EYMYD로 시판하는 폴리이미드 수지 필름, 유리 AlSiO3, BaSo4, Al2O3등과 같은 여러 미립형 충진제중 하나와 배합된 폴리이미드 EYMYD필름, 또는 충진되지 않은 EYMYD층으로 피복된 충진된 EYMYD층을 포함한다. 그러나, 단열층은 고온 열가소성 수지, 열경화성 수지, 플라스틱 복합재, 다공성 금속, 세라믹 및 저 전도성 금속 합금과 같은 적합한 저 열전도성을 가진 모든 재료로 제조될 수 있다.
고품질 성형 표면을 생성하기 위해 상기 단열층에 얇은 경질 표피층(24)을 결합시켜 기계적으로 강한 몰드 표면을 제공한다. 이 실시태양에서, 표피층(24)은 두 개의 층, 즉, 단열층에 직접 결합된 제 1 내부 부층(25) 및 상기 내부 부층(25)상에 배치된 제 2 외부 부층(26)을 포함한다. 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 제 1 부층(25) 및 제2부층(26)을 제조할 수 있는 재료를 다양하게 변경시킬 수 있다.
제 1 부층(25)은 1 내지 10미크론의 두께를 가진 무전해 구리층으로 이루어질 수도 있다. 이 부층은 단열층 표면에 대한 접착력 및 제 1 부층에 제 2 부층(26)을 전해도금시키는데 필요한 전기전도성을 제공한다. 달리, 제 1 부층(25)은 알라이드 켈라이트(Allied Kelite) 752와 같은 무전해 니켈-붕소 합금이나, 알라이드 켈라이트 1000 또는 엔톤 426과 같은 무전해 니켈-인 합금으로 된 피막을 포함할 수도 있다. 이들 재료중 하나를 사용하는 경우, 제 1 부층은 1 내지 250미크론 범위의 두께를 갖는다. 제 2 부층이 전해도금되는 경우 상기 두께는 10 내지 20미크론이 바람직하고, 제 2 부층이 무전해 도금되는 경우 상기 두께는 50 내지 200미크론이 바람직하다. 이 무전해 니켈 합금층은 단열층에 대한 허용가능한 접착력 뿐 아니라 탁월한 산화 방지성을 제공한다. 보다 두꺼운 제 1 부층은 우수한 기계적 강도를 제공하며 두꺼운 전해성 제 2 부층을 도금할 필요가 없게 해준다.
제 1 부층이 무전해 구리 또는 무전해 니켈 합금들중 하나를 포함하는 경우, 제 2 부층은 니켈, 니켈-인 합금, 니켈-팔라듐 합금, 코발트 및 크롬을 포함하는 그룹중에서 선택된 전해 도금된 재료를 포함할 수 있다. 이들 재료는 우수한 기계적 강도뿐 아니라 높은 산화방지성 및 내마모성을 제공한다. 선택된 금속 유형 및 필요한 두께는 사용되는 성형법에 좌우될 것이다. 예를 들면, 취입 성형의 경우에는 전해도금된 니켈이 충분한 보호재로 제공될 것이고, 사출성형은 탁월한 산화방지성 및 내마모성을 위해 니켈-인 합금 또는 크롬을 필요로 할 수 있다.
제 2 부층(26)은 또한 전해도금법이 아니라 무전해 도금법에 의해 도금할 수 있다. 이 경우, 제 1 부층(25)은 여전히 상술한 바와 같이 무전해 구리 또는 무전해 니켈 합금들중 하나를 포함한다. 하나의 변형에서, 제 2 부층은 우수한 산화 방지성과 내마모성을 나타내는 무전해 니켈-붕소 합금 또는 무전해 니켈-인 합금이다. 상기 재료들은 복잡한 형태에 적용할 수 있으면서도 균일한 두께를 유지한다. 또다른 변형에서, 제 2 부층(26)은 무전해 니켈 피막과 내마모성 미립 물질, 예를 들면 SiC, BN, Al2O3, WC 또는 다이아몬드의 복합재를 포함한다. 이것은 무전해 니켈층에 대한 고유한 강도 및 산화방지성을 유지하면서도 표준 무전해 니켈층보다 훨씬 탁월한 내마모성을 가진 전체적으로 무전해 도금된 층을 제공한다.
조작시, 뜨거운 수지를 몰드 구조물에 위치시킨다. 이 뜨거운 수지는 표피층과 접촉시에 표피층을 유리전이온도(Tg) 이상의 온도로 가열시킨다. 단열층은 표피층의 온도를 성형 공정 주기동안 유리전이온도 이상으로 유지시킨다. 따라서, 수지는 성형중에 자유롭게 유동하여 평활한 표면이 생성된다.
제 3 도는 취입 성형 공정의 열분석시 패리슨 외부 표면 온도의 경시 온도 응답을 보여준다. 상기 분석은 첫 번째로 1/64인치의 총 표피층, 플라스틱 복합재 단열층 및 금속 몰드 코어로 이루어진 다층 단열된 몰드 구조물, 두 번째로 단열층 없는 통상적인 몰드 구조물을 사용하여 1/8인치 두께의 용융수지층 샘플에 대해 수행하였다. 제 3 도에서, 연속선은 단열된 몰드에서의 경시온도 응답을 나타내고, 점선은 통상적인 몰드에서의 응답을 나타낸다. 제 3 도에서 알 수 있듯이, 단열재 없는 장치에서 패리슨은 즉시 유리전이온도(Tg) 미만으로 냉각된다. 그러한 급속한 냉각은 거친 표면을 야기할 것이다. 한편, 단열된 몰드 구조물의 경우, 패리슨 표면은 초기에는 찬 표피에 의해 급냉되어 일시적으로 유리전이온도 미만으로 떨어지지만, 곧이어 용융된 플라스틱층내의 뜨거운 용융물에 의해 표면이 재가열된다. 표면 온도가 유리전이온도 이상으로 상승되기 때문에 수지는 몰드 표면을 채우고 복제하여, 이로써 거친 표면을 피할 수 있다.
전술한 설명으로부터, 본 발명이 사출, 압축 및 취입 성형을 비롯한 여러 유형의 성형 공정에 적합한 개선된 성형 장치를 제공함을 알 수 있을 것이다. 기존의 성형 장치에 큰 노력 또는 경비 없이 본 발명을 쉽게 병합할 수 있다.
본 발명을 특정지어 도시하고 기술하였지만, 본 분야의 전문가들은 본 발명의 진의 및 범주에서 벗어나지 않고도 본 발명의 형태 및 세부 내용을 다양하게 변화시킬 수 있을 것이다.

Claims (24)

  1. 코어 ; 성형중에 열가소성 수지의 초기 냉각을 느리게 하기 위해 상기 코어에 결합된 단열층 ; 및 상기 단열층에 결합되고 여러개의 부층으로 형성된 표피층을 포함하는, 열가소성 수지를 최종 부품으로 성형하기 위한 다층 몰드(mold).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 여러개의 부층들중 최소한 하나가 내마모성을 제공하는 몰드.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 여러개의 부층들중 최소한 하나가 접착 강도를 제공하는 몰드.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 여러개의 부층들중 최소한 하나가 구조적 일체성을 제공하는 몰드.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 여러개의 부층들이 제1, 제2 및 제3부층을 포함하는 몰드.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제1부층이 단열층에 직접 결합되고, 상기 제2부층이 상기 제1부층의 상부에 결합되며, 상기 제3부층이 상기 제2부층의 상부에 결합되는 몰드.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 제1부층이 상기 표피층과 상기 단열층간에 강한 접착력을 제공하는 재료를 포함하는 몰드.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 제2부층이 구조적 일체성을 제공하는 재료를 포함하는 몰드.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 제3부층이 고도의 내마모성을 제공하는 재료를 포함하는 몰드.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 여러개의 부층들이 상기 단열층에 직접 결합된 제1부층 및 상기 제1부층에 결합된 제2부층을 포함하는 몰드.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 제1부층이 무전해 구리, 무전해 니켈-붕소 합금 및 무전해 니켈-인 합금으로 이루어진 그룹중에서 선택된 재료를 포함하는 몰드.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제2부층이 니켈, 니켈-인 합금, 니켈-팔라듐 합금, 코발트 및 크롬으로 이루어진 그룹중에서 선택된 전해도금된 재료를 포함하는 몰드.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 제2부층이 무전해 니켈-붕소 합금 및 무전해 니켈-인 합금으로 이루어진 그룹중에서 선택된 재료를 포함하는 몰드.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 제2부층이 무전해 니켈과 SiC, BN, Al2O3,WC 및 다이아몬드로 이루어진 그룹중에서 선택된 내마모성 재료의 복합재를 포함하는 몰드.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 코오가 냉각 수단을 포함하는 몰드.
  16. 코어 ; 성형중에 열가소성 수지의 초기 냉각을 느리게하기 위해 상기 코어에 결합된 단열층 ; 및 상기 단열층에 결합되고, 최종 부품의 원하는 외관 및 표면 특성을 가지며, 제1, 제2 및 제3부층을 포함하는 표피층(이때, 상기 제1부층은 상기 표피층과 상기 단열층간에 강한 접착력을 제공하는 재료를 포함하며, 상기 제2부층은 구조적 일체성을 제공하는 재료를 포함하며, 상기 제3부층은 고도의 내마모성을 제공하는 재료를 포함한다)을 포함하는, 열가소성 수지를 최종 부품으로 성형하기 위한 다층 몰도.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 제1부층이 단열층에 직접 결합되고, 상기 제2부층이 상기 제1부층의 상부에 결합되며, 상기 제3부층이 상기 제2부층의 상부에 결합되는 몰드.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 제1부층이 엔톤(Enthone) 무전해 니켈 422 및 쉬플레이(Shipley) 무전해 구리 250을 포함한 그룹중에서 선택된 재료를 포함하는 몰드.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 제1부층이 1 내지 25미크론 두께인 몰드.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 제2부층이 리아 로날(Lea Ronal) 전해 니켈 PC3, 전해구리 및 엔톤 무전해 니켈 426을 포함한 그룹중에서 선택된 재료를 포함하는 몰드.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 제2부층이 25 내지 250미크론 두께인 몰드.
  22. 제 17 항에 있어서, 상기 제3부층이 엔톤 무전해 니켈 426, 앵글하드(Englehar) 전해 팔라듐 니켈 80/20, TiN 및 크롬을 포함한 그룹중에서 선택된 재료를 포함하는 몰드.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 제3부층이 1 내지 25미크론 두께인 몰드.
  24. 제 16 항에 있어서, 상기 코어가 냉각 수단을 포함하는 몰드.
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