KR20160036103A - 얇은 벽 부품 성형 방법 - Google Patents

Abstract

낮은 일정한 압력의 공사출 성형기는 41.4 MPa(6,000 psi)의 낮은 일정한 압력에서 용융된 열가소성 재료를 주형 공동 내로 사출함으로써 성형된 부품을 형성한다. 그 결과, 낮은 일정한 압력의 사출 성형기는, 전형적인 사출 주형들보다 덜 고가이고 제조가 보다 빠른, 용이하게 기계가공 가능한 재료로 형성된 주형을 포함한다. 폴리락트산(PLA), 전분, 소비자 폐기의 재활용 가능한 물질(PCR) 및 공장 폐기의 재활용 가능한 물질(PIR)과 같은 매립된 지속 가능한 재료가 0.5 mm 미만의 두께를 갖는 배출 저항성 재료의 장벽 층에 의해 표면으로부터 격리된 상태로, L/T 비 >100을 갖는 박벽형 부품의 공사출이 가능하다. 공사출 성형기에는 210 kJ/m hr℃ (30 BTU/HR FT℉) 초과의 평균 열전도율을 갖는 재료를 포함하는 스크루가 구비된다.

Description

얇은 벽 부품 성형 방법{METHOD OF MOLDING A THIN WALLED PART}

본 발명은 사출 성형용 장치 및 방법, 더 구체적으로는 낮은 일정한 압력에서 공사출 성형된 부품(co-injection molded part)들을 제조하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

사출 성형은 용융 가능한 재료로 제조되는 부품, 가장 흔하게는 열가소성 중합체로 제조되는 부품의 대량 제조에 일반적으로 사용되는 기술이다. 반복적인 사출 성형 공정 동안에, 가장 흔히 소형 비드(bead) 또는 펠릿(pellet) 형태의 플라스틱 수지가 열, 압력, 및 전단(shear) 하에서 수지 비드를 용융시키는 사출 성형기에 도입된다. 그러한 수지는 하나 이상의 착색제, 첨가제, 충전제 등과 함께 마스터배치(masterbatch) 재료를 포함할 수 있다. 이제 용융된 수지는 특정 공동(cavity) 형상을 갖는 주형 공동 내로 강제 사출된다. 사출된 플라스틱은 주형 공동 내에서 압력 하에 유지되고, 냉각되고, 이어서 본질적으로 주형의 공동 형상을 복제하는 형상을 갖는 고형화된 부품으로서 제거된다. 주형 그 자체는 단일의 공동 또는 다수의 공동을 가질 수 있다. 각각의 공동은 용융된 수지의 유동을 공동 내로 지향시키는 게이트(gate)에 의해 유동 채널에 연결될 수 있다. 성형되는 부품은 하나 이상의 게이트를 가질 수 있다. 성형되는 부품을 충전하기 위해 중합체가 이동하여야 하는 유동 거리를 감소시키기 위해 대형 부품이 2개, 3개, 또는 그 초과의 게이트를 갖는 것이 통상적이다. 공동당 하나 또는 다수의 게이트가 부품 기하학적 형상 상의 임의의 곳에 위치될 수 있고, 본질적으로 원형인 것과 같은 임의의 단면 형상을 갖거나 1.1 이상의 종횡비(aspect ratio)를 갖도록 형상화될 수 있다. 따라서, 전형적인 사출 성형 절차는 4가지 기본 작업을 포함한다: (1) 플라스틱이 압력 하에서 유동하는 것을 허용하도록 플라스틱을 사출 성형기 내에서 가열하는 작업; (2) 폐쇄된 2개의 주형 반부(half)들 사이에 한정된 주형 공동 또는 공동들 내로 용융된 플라스틱을 사출하는 작업; (3) 플라스틱이 공동 또는 공동들 내에서 압력 하에 있으면서 냉각 및 경화되는 것을 허용하는 작업; 및 (4) 주형 반부들을 개방하여 부품이 주형으로부터 배출되게 하는 작업.

용융된 플라스틱 수지는 주형 공동 내로 사출되고, 플라스틱 수지가 게이트로부터 가장 먼 공동 내의 위치에 도달할 때까지 플라스틱 수지가 사출 성형기에 의해 공동을 통해 강제로 밀어넣어진다. 부품의 생성되는 길이 및 벽 두께는 주형 공동의 형상의 결과이다.

최종 부품의 플라스틱 함량 및 따라서 비용을 줄이기 위하여 사출 성형된 부품들의 벽 두께를 감소시키는 것이 바람직할 수 있지만, 종래의 사출 성형 공정을 사용하여 벽 두께를 감소시키는 것은, 특히 약 1.0 밀리미터 미만의 벽 두께에 대해 설계할 때 고가이고 사소하지 않은 과제일 수 있다. 액체 플라스틱 수지가 종래의 사출 성형 공정에서 사출 주형 내로 도입될 때, 공동의 벽들에 인접한 재료는 즉시 "굳거나" 고화되거나 경화되기 시작하는데, 그 이유는 액체 플라스틱 수지는 재료의 비유동 온도 미만의 온도로 냉각되어 액체 플라스틱의 부분들이 정지하게 되기 때문이다. 재료가 주형을 통해 유동할 때, 주형의 측부들에 맞닿아 재료의 경계 층이 형성된다. 주형이 계속 충전됨에 따라, 경계 층은 계속 두꺼워져서, 궁극적으로는 재료 유동의 경로를 막아 추가 재료가 주형 내로 유동하는 것을 방해한다. 주형의 벽들 상에서 굳는 플라스틱 수지는, 각각의 부품의 사이클 시간을 감소시키고 기계 처리량을 증가시키기 위해 사용되는 기술인 주형들의 냉각 시, 악화된다.

가장 두꺼운 벽 두께를 갖는 영역으로부터 가장 얇은 벽 두께를 갖는 영역을 향해 액체 플라스틱 수지가 유동하도록 부품 및 대응하는 주형을 설계하려는 요구가 또한 존재할 수 있다. 주형의 소정 구역들에서 두께를 증가시키는 것은 강도 및 두께가 요구되는 영역들 내로 충분한 재료가 유동하는 것을 보장할 수 있다. 이러한 "두꺼운 두께로부터 얇은 두께로(thick-to-thin)" 유동 경로 요건은 플라스틱의 비효율적인 사용으로 이어질 수 있고, 사출 성형 부품 제조업자에 대해 보다 높은 부품 비용을 초래할 수 있는데, 그 이유는 재료가 불필요한 위치들에서 추가 재료가 부품으로 성형되어야 하기 때문이다.

부품의 벽 두께를 감소시키는 하나의 방법은 액체 플라스틱 수지가 주형 내로 도입될 때 액체 플라스틱 수지의 압력을 증가시키는 것이다. 압력을 증가시킴으로써, 성형기는 유동 경로가 막히기 전에 액체 재료를 주형 내로 계속 가압할 수 있다. 그러나, 압력의 증가는 비용 및 성능 둘 모두가 불리한 면을 갖는다. 구성요소를 성형하는 데 요구되는 압력이 증가함에 따라, 성형 장비가 추가 압력을 견디기에 충분히 강해야 하는데, 이는 일반적으로 보다 고가가 되는 것에 해당한다. 제조업자는 이러한 증가된 압력을 수용하기 위하여 새로운 장비의 구입이 필요할 수 있다. 따라서, 주어진 부품의 벽 두께의 감소는 종래의 사출 성형 기술을 통한 제조를 달성하기 위해 상당한 자본 비용을 초래할 수 있다.

부가적으로, 액체 플라스틱 재료가 사출 주형 내로 유동하여 빠르게 굳을 때, 중합체 사슬들은 중합체가 액체 형태로 있을 때에 존재하였던 고수준의 응력을 보유한다. 굳어진 중합체 분자들은 분자 배향들이 부품 내에서 고정된 때 고수준의 유동-유도된 배향을 보유하여, 프로즌-인 응력 상태(frozen-in stressed state)를 초래한다. 이러한 "몰디드-인(molded-in)" 응력은 후속 성형에서 휘거나 내려 앉고 감소된 기계적 특성들을 가지며 화학 물질 노출에 감소된 내성을 갖는 부품들로 이어질 수 있다. 감소된 기계적 특성들은 박벽 통(thinwall tub), 리빙 힌지(living hinge) 부품, 및 마개와 같은 사출 성형된 부품들에 대해 제어되고/되거나 최소화되는 것이 특히 중요하다.

전술된 단점들 중 일부를 피하려는 노력으로, 많은 종래의 사출 성형 작업들은 주형 공동 내로의 플라스틱 재료의 유동을 개선하기 위하여 전단-박화(shear-thinning) 플라스틱 재료를 사용한다. 전단-박화 플라스틱재료가 주형 공동 내로 사출됨에 따라, 플라스틱 재료와 주형 공동 벽들 사이에 생성된 전단력은 플라스틱 재료의 점성을 감소시키는 경향이 있음으로써, 플라스틱 재료가 주형 공동 내로 보다 자유롭고 용이하게 유동하게 한다. 그 결과, 주형이 완전히 충전되기 전에 재료가 굳는 것을 피하기에 충분히 빠르게 박벽 부품들을 충전시키는 것이 가능하다.

점도 감소는 플라스틱 재료와 공급 시스템 사이에 그리고 플라스틱 재료와 주형 공동 벽 사이에서 생성되는 전단력의 크기에 직접 관련된다. 따라서, 이들 전단-박화 재료의 제조업자들 및 사출 성형 시스템의 작업자들은 전단을 증가시켜서 점도를 감소시키려는 노력으로 사출 성형 압력을 보다 높게 추진하여 오고 있다. 전형적으로, 사출 성형 시스템은 103.4 MPa (15,000 psi) 이상의 용융물 압력에서 플라스틱 재료를 주형 공동 내로 사출한다. 전단-박화 플라스틱 재료의 제조업자들은 사출 성형 작업자들에게 최소 용융물 압력 초과에서 플라스틱 재료를 주형 공동들 내로 사출하도록 교시한다. 예를 들어, 폴리프로필렌 수지는 전형적으로 41.4 MPa (6,000 psi) 초과의 압력에서 가공된다(폴리프로필렌 수지 제조업자들로부터의 권장되는 범위는 전형적으로 41.4 MPa 초과 내지 약 103.4 MPa (6,000 psi 내지 약 15,000 psi)이다). 수지 제조업자들은 이 범위의 상한을 초과하지 않을 것을 권장한다. 프레스 제조업자들 및 가공 엔지니어들은 전형적으로, 플라스틱 재료로부터 최대 박화 및 보다 양호한 유동 특성들을 추출하기 위하여, 전형적으로 103.4 MPa (15,000 psi) 초과인 최대 가능 전단 박화를 달성하도록 이 범위의 상한 또는 상당히 더 높은 압력에서 전단 박화 중합체를 가공하는 것을 권장한다. 전단 박화 열가소성 중합체들은 일반적으로 41.4 MPa 초과 내지 약 206.8 MPa (6,000 psi 내지 약 30,000 psi)의 범위 내에서 가공된다.

사출 성형기에 사용되는 주형은 이러한 높은 용융물 압력을 견딜 수 있어야 한다. 더욱이, 주형을 형성하는 재료는 주형이 그의 수명 동안에 걸쳐 작동될 것으로 예상되는 총 사이클 수 동안 최대의 주기적인 응력을 견딜 수 있는 피로 한계를 가져야 한다. 그 결과, 주형 제조업자는 전형적으로, 고 경도를 갖는 재료들, 예를 들어 30 Rc 초과, 그리고 더 자주 50 Rc 초과를 갖는 공구강으로부터 주형을 형성한다. 이러한 고 경도 재료는 플라스틱 사출 공정 동안에 주형 구성요소들을 서로에 대해 가압된 상태로 유지하는 데 요구되는 높은 클램핑 압력을 견디도록 장비되며 내구성이 있다. 부가적으로, 이들 고 경도 재료는 성형 표면과 중합체 유동 사이의 반복되는 접촉으로부터의 마모에 보다 잘 저항할 수 있다.

박벽형 소비자 제품을 생산하는 고 생산성 사출 성형기(즉, 등급 101 및 등급 102 성형기)는 고 경도 재료로 제조되는 대다수의 주형을 갖는 주형들만을 사용한다. 고 생산성 사출 성형기는 전형적으로 500,000개 이상의 부품들을 생산한다. 산업적 품질의 생산 주형은 500,000개 이상의 부품들, 바람직하게는 1,000,000개 초과의 부품들, 더 바람직하게는 5,000,000개 초과의 부품들, 및 더욱 더 바람직하게는 10,000,000개 초과의 부품들 생산하도록 설계되어야 한다. 이들 고 생산성 사출 성형기는 생산 속도를 증가시키기 위하여 다중 공동 주형 및 복잡한 냉각 시스템을 갖는다. 전술된 고 경도 재료는 저 경도 재료보다 반복된 고압 클램핑 및 사출 작업을 더 잘 견딜 수 있다. 그러나, 대부분의 공구강과 같은 고 경도 재료는, 대체로 약 140 kJ/hr m℃ (20 BTU/HR FT℉) 미만의 비교적 낮은 열전도율을 가지는데, 이는 열이 용융된 플라스틱 재료로부터 고 경도 재료를 통해 냉각 유체로 전달되기 때문에 긴 냉각 시간으로 이어진다.

사이클 시간을 감소시키기 위한 노력으로, 고 경도 재료로 제조되는 주형을 갖는 전형적인 고 생산성 사출 성형기는 주형 내에서 냉각 유체를 순환시키는 비교적 복잡한 내부 냉각 시스템을 포함한다. 이러한 냉각 시스템은 성형되는 부품의 냉각을 가속시켜서, 기계가 주어진 양의 시간 동안 더 많은 사이클을 완료하게 하며, 이는 생산 속도 및 이에 따라 생산되는 성형되는 부품의 총량을 증가시킨다. 일부 등급 101 주형 또는 등급 401 주형에서, 1백만 또는 2백만개 초과의 부품들이 생산될 수 있으며, 이들 주형은 때때로 "초 고 생산성 주형"으로 지칭된다. 300톤 이상의 프레스 내에서 운전되는 등급 101 주형은 때때로 산업계에서 "400 등급" 주형으로 지칭된다.

주형을 위해 고 경도 재료를 사용하는 것에 대한 다른 단점은 공구강과 같은 고 경도 재료가 대체로 기계가공하기가 아주 어렵다는 것이다. 그 결과, 공지된 고 처리량 사출 주형은 형성하기 위해 엄청난 기계가공 시간 및 고가의 기계가공 장비를 필요로 하며, 응력을 완화시키고 재료 경도를 최적화하기 위해 비용이 많이 들고 시간이 많이 소비되는 후-기계가공 단계를 필요로 한다.

일 유형의 공사출에서, 둘 이상의 재료들이 사출 주형 공동 내로 사출되며, 다수의 재료들이 하나 이상의 게이트들을 통해 동시에 도는 거의 동시에 주형 공동 내로 유동한다. 재료들의 유동은 제2 재료가 제1 재료에 의해 봉지되게(encapsulated) 하도록 구성된다. 제3 재료가 제2 재료에 의해 봉지되는 등등일 것이다. 이러한 접근법은 다수의 재료들이 완성되어진 성형된 부품 내에서 층상으로 되는데, 제1 재료는 부품의 최외각 표면으로 노출될 것이고, 제2 재료는 제1 재료에 의해 완전히 덮일 것이며, 제3 재료는 제2 재료에 의해 완전히 덮이는 등등일 것이다. 재료들이 주형 공동으로 들어가는 게이트 영역에서, 소량의 제2 재료 및 임의의 추가 재료들이 외측 표면으로 노출될 수 있다는 것이 이해된다. 공사출 시 통상적인 실무는 제2 재료 및 추가 재료들의 약간 앞에서 제1 재료를 도입시키기 시작하여, 추가 재료들이 유동 전면을 관통하여 부품의 표면에 도달하는 것을 방지하게 하는 것이다. 또한, 주형이 완전히 충전되기 직전에 추가 재료들의 유동을 정지시키는 것이 공사출에서 통상적인 실무인데, 그 이유는 이러한 것이 제1 재료가 게이트 영역을 완전히 충전하게 하여 추가 재료들을 완전히 봉지하게 하기 때문이다.

공사출된 재료들은 대신에, 다른 재료 내에서의 하나 이상의 재료들의 봉지 없이 사출 성형된 부품 상에서 서로 중첩하거나 맞닿을 수 있다. 따라서, 공사출이 사용되어 하나의 재료를 다른 재료 내에 매립시켜 표면을 매립된 재료와의 접촉으로부터 격리되게 하면서, 공사출은 또한 주형 제조업자들에게 이용 가능한 심미적 선택사항들을 증가시키는 다른 수단을 제공할 수 있다. 예를 들어, 복수의 상이하게 착색되어진 공사출된 재료들 중 하나 이상의 재료들(즉, 국제조명위원회(Commission Internationale d'Eclairage)에 의해 규정된 CIE 1976 (L*, a*, b*) 색상 공간에 관하여 1.0 이상의 델타 E(dE)로서 종종 정량화되는 인간 눈에 의해 검출 가능한, 서로 구별가능하게 상이한 색상을 갖는 재료들)의 도입 속도를 변경함으로써, 주어진 성형된 부품 내에서 하나의 원하는 색상으로부터 다른 색상으로의 갑작스런 뚜렷한 천이로 한정되기보다는 단일 부품 내에서 색상의 소용돌이 또는 구배를 달성하는 것이 가능하다.

공사출 공정은 일반적으로 재료를 주형 공동 내로 사출하기 전에 재료를 가압하기 위하여 각각의 재료에 대한 개별 주입 시스템을 필요로 한다. 공급 시스템은 재료들이 함께 병합되는 단일 게이트로 각각의 재료를 유동 가능하게 반송하도록 설계된다. 몇몇 공사출 기술들에서, 제1 재료를 도입하는 게이트에 인접한 위치에서 제2 재료가 주형 공동 내로 도입될 수 있으며, 제2 재료는 제1 재료가 제2 재료 게이트 위치를 지나 유동한 후에만 유동하기 시작하도록 배열된다. 이는 제2 재료가 제1 재료의 굳은 스킨 층에 침투하여 재료 유동의 액체 중심 부분 위로 유동하게 한다.

압하기 위하여 각각의 재료에 대한 개별 주입 시스템을 필요로 한다. 공급 시스템은 재료들이 함께 병합되는 단일 게이트로 각각의 재료를 유동 가능하게 반송하도록 설계된다. 몇몇 공사출 기술들에서, 제1 재료를 도입하는 게이트에 인접한 위치에서 제2 재료가 주형 공동 내로 도입될 수 있으며, 제2 재료는 제1 재료가 제2 재료 게이트 위치를 지나 유동한 후에만 유동하기 시작하도록 배열된다. 이는 제2 재료가 제1 재료의 굳은 스킨 층에 침투하여 재료 유동의 액체 중심 부분 위로 유동하게 한다.

종래의 가변 압력 공사출 시스템에서, 일반적인 제조상의 난제는 주형 공동으로 도입되는 재료들의 동기화된 유동 전면 속도들을 유지하는 것이다(즉, 재료들 각각이 점도와 무관하게 동일한 속도로 이동하는 상태에서, 주형 공동 내에서의 재료들의 일관된 분포를 유지하도록, 공사출되는 각각의 재료의 유동 전면 사이에 동일한 상대 속도들을 유지하는 것이 바람직하지만 어렵다). 개별 재료들을 공급하는 배럴(barrel)들의 컴퓨터-제어식 작동에 의해서도, 공사출되는 재료들의 속도들을 제어하도록 센서들이 사출 성형기의 스크루들의 회전 속도를 검출하고 제어기들과 통신하는 상태에서, 성형 공정 동안에 재료들의 동기화된 유동 속도들을 달성하고 유지하며 사출 성형되는 부품들에서의 재료들의 분포의 원치 않는 비일관성을 피하기 위해 반복 절차가 요구된다.

종래의 공사출 공정들의 다른 단점은, 단일-재료 사출 성형과 비교하여, 가변 압력 공사출은 내측 층이 외측 층을 통해 분출(bursting)하는 것을 방지하도록 1 mm 이상의 부품 두께를 요구하였다는 것이다(다른 재료가 공사출되어 들어가는 각각의 층에 대해 0.5 mm 두께). 다시 말하면, 제1 재료와 함께 공사출될 제2 재료의 충분한 유동을 달성하기 위해, 종래의 공사출 시스템에서의 제1 재료의 두께는 0.5 mm 이상이어야 한다. 세 가지 재료의 공사출이 요구되는 경우, 제1 및 제2 재료들의 조합된 두께는 1.0 mm 이상일 것이 필요할 것이다.

도면에 개시된 실시 형태들은 본질적으로 예증적이고 예시적인 것이며, 특허청구범위에 의해 한정되는 주제를 제한하고자 하는 것이 아니다. 예시적인 실시 형태들의 하기 상세한 설명은 하기 도면과 관련하여 읽혀질 때 이해될 수 있으며, 도면에서 유사한 구조물은 유사한 도면 부호로 지시된다.
도 1 은 본 발명에 따라 구성된 사출 성형기의 개략도.
도 2 는 도 1 의 사출 성형기에서 형성된 박벽형 부품의 일 실시 형태를 도시하는 도면.
도 3 은 도 1 의 사출 성형기의 주형 내의 주형 공동에 대한 공동 압력 대 시간의 그래프.
도 4 는 도 1 의 사출 성형기의 주형 조립체의 일 실시 형태의 단면도.
도 5 는 공급 시스템의 사시도.
도 6a 및 도 6b 는 다양한 공급 시스템들의 개략도.
도 7 은 다중-공동 주형 및 공사출 매니폴드를 포함하는, 본 발명의 성형 조립체의 단면도.
도 8 은 본 발명에 따른 방식으로 공사출되는 소비자 제품의 캡으로서, 캡의 단부에 인접한 캡의 연결 구역에서 보강된 코어 재료를 갖는 상기 캡의 부분 절결 사시도.
도 9 는 도 8의 선 9-9를 따라 취한, 도 8 의 캡의 단면도.
도 10a 내지 도 10d 는 도 8 및 도 9 의 캡의 공사출 동안에, 본 발명의 성형 조립체의 게이트 및 주형 공동을 도시하는, 순차적인 시간 경과의 단면도.
도 11은 도 8 및 도 9 의 캡과 유사하지만 도 8 및 도 9의 캡의 단부에 인접한 보강된 연결 구역보다 캡의 단부로부터 더 멀리 이격된 영역에서 보강된 구역을 갖는 캡의 단면도.
도 12a 내지 도 12d 는 도 11 의 캡의 공사출 동안에, 본 발명의 성형 조립체의 게이트 및 주형 공동을 도시하는, 순차적인 시간 경과의 단면도.
도 13 은 본 발명에 따른 방식으로 공사출된 동적 구성요소를 갖는 2-구성요소 토글 캡의 사시도.
도 14 는 도 13 의 2-구성요소 토글 캡의 주 캡 구성요소의 단면도.
도 15 는 도 13 의 2-구성요소 토글 캡의 동적 구성요소의 평면도.
도 16a 내지 도 16c 는 도 11 및 도 13 의 2-구성요소 토글 캡의 동적 구성요소의 공사출 동안에, 본 발명의 성형 조립체의 게이트 및 주형 공동을 도시하는 순차적인 시간 경과의 단면도.

본 발명의 실시 형태들은 일반적으로 사출 성형에 의해 제품을 생산하는 시스템, 기계, 제품, 및 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 낮은 일정한 압력의 사출 성형에 의해 제품을 생산하는 시스템, 제품, 및 방법에 관한 것이다.

용어 "낮은 압력"은, 열가소성 재료의 용융물 압력에 관하여 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 사출 성형기의 노즐 부근에서의 대략 41.4 MPa(6000 psi) 이하의 용융물 압력을 의미한다.

용어 "실질적으로 일정한 압력"은, 열가소성 재료의 용융물 압력에 관하여 본 명세서에 사용된 바와 같이, 기준 용융물 압력으로부터의 편차가 열가소성 재료의 물리적 특성에 있어서의 유의미한 변화를 생성하지 않음을 의미한다. 예를 들어, "실질적으로 일정한 압력"은 용융된 열가소성 재료의 점도가 유의미하게 변화하지 않게 하는 압력 변동을 포함하지만, 이로 한정되지 않는다. 용어 "실질적으로 일정한"은, 이 점에 있어서, 기준 용융물 압력으로부터 대략 30%의 편차를 포함한다. 예를 들어, 용어 "대략 31.7 MPa(4600 psi)의 실질적으로 일정한 압력"은 약 41.4 MPa(6000 psi) (31.7 MPa(4600 psi) 위로 30%) 내지 약 22.1 MPa(3200 psi) (31.7 MPa(4600 psi) 아래로 30%)의 범위 내에서의 압력 변동을 포함한다. 용융물 압력은 용융물 압력이 언급된 압력으로부터 30% 이하로 변동하는 한 실질적으로 일정한 것으로 간주된다.

공사출 공정에서의 일정한 압력의 사용은 종래의 가변 압력 공정에 비해 몇몇 이점들을 갖는다. 종래의 가변 압력 공정에서는, 제2 재료 또는 제3 재료 등과 관련하여 제1 재료의 일정한 유동 속도를 달성하기가 어렵다. 재료 유동이 2개의 독립적인 주입 시스템들에 의해 제어되기 때문에 어려우며, 재료가 상이한 수준의 유동에 대한 저항에 직면함에 따라 압력이 증가 또는 감소할 것이다. 이러한 압력 변화는 2개의 재료 유동들 사이에서 비일관성인 유동 속도를 초래하여서, 재료들의 층들이 다양한 두께들을 가질 것이다. 그 결과, 유동을 가능한 한 고르게 제어하기 위한 고가의 장비, 복잡한 알고리즘을 채용하는 것이 필요하다. 또한, 많은 시험을 진행하고, 원하는 유동 일관성을 달성하기 위해 각각의 시험 후에 공정 설정을 조정하는 것이 필요하다. 이러한 반복적인 공정은 매우 시간 소비적이고 고가이다. 또한, 이러한 반복적인 공정은 부품 디자인이 변경될 때마다 또는 층들 중 하나 이상에 대해 새로운 재료가 사용된 경우에 행해져야 한다.

일정한 압력의 경우에, 압력이 일정하므로 유동 속도가 본질적으로 더 안정하며, 원하는 압력을 유지하기 위하여 압력 조정이 필요한 범위 내에서는 둘 모두의 주입 시스템에서 이러한 일정한 압력을 유지하도록 제어 시스템이 실시간으로 조정된다. 따라서, 둘 모두의 주입 시스템들(즉, 주형 공동 내로 서로 함께 공사출되는 두 가지 재료들 각각을 위한 주입 시스템)은 동일한 압력에 있어서, 주형 공동 내로의 유동 속도가 또한 동일할 것이다. 이는 보다 일관된 층 두께를 제공하고, 원하는 층 두께를 달성하기 위해 허용 가능한 공정 설정들을 한정하기 위한 시간 소비적인 반복 공정들, 고가의 장비, 및 매우 복잡한 제어 알고리즘에 대한 필요성을 없앤다. 이러한 보다 간단하고 덜 고가이며 보다 빠른 공정은 이전에는 주로 경제적인 이유로 실행 가능하지 않았던 응용들에 대해 공사출을 채용하는 것을 가능하게 한다. 몇몇 예들은 다음과 같다:

성형된 구성요소의 중심 또는 코어에 있는 보다 저가의 재활용된 수지를 봉지하여 최종 부품의 비용의 절감을 달성하는 것이 가능하다. 이전에는, 장비의 가격이 최종 부품의 보다 높은 가격을 초래하곤 하였다. 재활용 가능한(소비자 폐기의 재활용 가능한(post-consumer recyclable, PCR) 그리고 공장 폐기의 재활용 가능한(post-industrial recyclable, PIR) 것과 같은 재활용된 수지; 이들은 본 명세서에서 편의를 위해 PCR 및 PIR로서 개별적으로 또는 총괄적으로 지칭됨) 재료들의 봉지는 이들 재료들을 공사출된 부품들 내에 포함될 수도 있는 소모성 재료와의 임의의 바람직하지 않은 직접적인 접촉으로부터 격리시킬 뿐만 아니라 PCR 및 PIR 재료들을 시야로부터 가린다는 점에서 유리하다. 예를 들어, PCR 및 PIR이 사출 성형 공정에서의 사용을 위해 재분쇄될 때, 최종 부품들에서의 시각적 비일관성을 피하기 위해 흑색과 같은 짙은 착색제를 첨가하는 것이 전형적이다. 그러나, 부품 상에서 노출된 짙은 색상의 또는 흑색의 PCR 및 PIR 재료를 갖는 것은 소비자의 눈에 만족스럽지 않을 수 있어서, 그 재료를 보다 만족스러운 색상을 갖는 재료의 스킨 층에서 봉지하는 것은 유리하며, 본 발명의 공정 및 시스템에 따른 비용 효과적인 방식으로 그렇게 하는 능력은 사출 성형된 제품들의 제조업자측에서의 PCR 및 PIR의 보다 많은 사용을 장려함으로써, 보다 환경친화적인 생산을 초래할 것이다.

예를 들어, 둘 이상의 공사출되는 재료들이 주형 공동으로 반송되는 상대 압력들을 변화시킴으로써, 공사출되는 재료들의 상대 농도에서의 국소화된 변동을 달성하는 것이 가능하다. 이는 예를 들어 소비자 제품용 캡의 연결 구역을 공사출에서 보다 강하고 아마도 더 고가인 성형 재료의 보다 큰 두께로 보강함으로써 그러한 연결 구역을 강화하는 것을 허용하는 반면, 그러한 동일한 캡의 다른 구역들은 비용을 절감하기 위하여 보다 강한 재료의 더 낮은 농도를 가지고 공사출될 수 있다.

장식적인 다중 색상의 박벽 부품을 성형하는 것이 가능하다. 0.5 mm만큼 얇은 전체 벽 두께를 갖는 부품은 하나 이상의 개별 내측 층들을 가지고 성형될 수 있다. 이전에, 다중 샷 성형의 사용이 이용되었는데, 이는 복잡한 장비 및 주형들을 요구하였다. 또한, 높은 압력에서의 사출 성형 시, 종래의 고 생산성(예컨대, 등급 101 및 등급 102) 성형 공정은 단일 재료를 박벽 부품으로 성형하는 것만이 가능하였다. 다수의 층 구조는 제2 (코어) 재료가 제1 (스킨) 재료를 지나 서징(surging)하거나 이를 통해 분출하는 것을 피하기 위하여 각각의 층이 약 0.5 mm 이상의 두께일 것을 요구할 것이다. 따라서, 일정 압력 공사출은 EVOH 장벽 층과 같은 고가의 재료들이 사용될 때 특히 유리한데, 그 이유는 EVOH 재료가 PP와 같은 범용 수지보다 훨씬 더 고가이기 때문이다. EVOH는 제1 재료를 통한 제2 재료의 원치 않는 분출 없이, 다중 샷 시스템에서의 약 0.5 mm라기 보다는, 일정한 압력의 공사출 시스템에서 0.1 mm만큼 얇을 수 있다.

본 발명의 낮은 일정한 압력의 성형 시스템 및 공정에 의해 달성될 수 있는 다른 공사출 시나리오들은 중첩하는 둘 이상의 재료들의 공사출을 포함하지만, 다른 재료 내에서의 하나의 재료의 완전한 봉지를 포함하지는 않는다. 본 발명의 시스템 및 방법을 사용하는 이들 시나리오와 일치하여 공사출될 수 있는 제품들의 다중 재료 구성들의 예들이, 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 출원 공개 제2005/0170113 A1호 및 제2009/0194915 A1호에 예시되고 설명되어 있다.

본 발명의 범주 내에서의 추가의 대안예는 최종 성형 부품에서 서로 인접하지만 중첩하지 않는 공사출되는 재료들에 대한 것이다. 본 발명의 시스템 및 방법을 사용하는 이들 시나리오와 일치하여 공사출될 수 있는 제품들의 다중 재료 구성들의 예들이, 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 출원 공개 제 2005/0170114 A1호에 예시되고 설명되어 있다.

자원 보존 계획은 사출 성형된 제품들에서 지속 가능한(sustainable) 재료들(즉, 재생 가능 자원으로부터 유도 가능한 재료들)(예를 들어, 폴리락트산(PLA), 전분, 소비자 폐기의 재활용 가능한 물질(PCR), 및 공장 폐기의 재활용 가능한 물질(PIR))의 사용에 대한 승인 및 요구를 증가시키므로, 본 발명에 따른 낮은 일정한 압력의 공사출은, PLA의 취성, 전분의 물 민감성, 및 PCR과 PIR에서의 냄새와 불연속성과 같은 열등한 물리적 특성들에도 불구하고, 증가하는 다수의 성형된 제품들에서의 그러한 재료들의 사용을 가능하게 하는 매력적인 해결책을 제시한다. 수분에 노출된 때 잘 기능하지 못하지만 수분으로부터 격리된다면 사출 성형된 부품들에서 코어 재료로서 사용될 수 있는 다양한 중합체 재료들은 폴리(비닐 알코올)(PVOH), 폴리(에틸렌-코-비닐 알코올)(EVOH), 폴리(비닐 피롤리돈)(PVP), 폴리(옥사졸린), 폴리(옥시메틸렌)으로 또한 알려진 폴리(에틸렌 글리콜), 폴리(아크릴산), 폴리아미드, 예를 들어 폴리(헥사메틸렌 아디프아미드), 친수성화된 폴리에스테르, 열가소성 전분(TPS), 및 비개질된 전분 및 하이브리드 블렌드를 포함하지만, 이로 한정되지 않는다. 특히 일반 및 개인 위생 제품들에서의 소비자 제품의 영역에서 PLA, 전분, PCR, 및 PIR과 같은 재료들의 증가된 사용에 대한 장애물은, 피부 접촉 표면들에 대한 그러한 재료들의 노출에 관한 염려, 또는 성형된 패키징 내에 함유된 소모성 유체 또는 겔 제품에 관해서는 그러한 소모성 제품들에 대한 노출 및 잠재적인 배출이었다. 다른 장애물은, 위에서 논의된 바와 같이 일관성 또는 색상에서의 변동을 숨기기 위해 흑색 또는 짙은 색상의 착색제와 빈번히 혼합되는 PCR의 보기 흉한 특성이었다. 공사출은 전술된 바와 같이 하나의 재료를 다른 재료 내에 매립하여 매립된 재료를 노출된 표면과의 접촉으로부터 격리시키는 방식으로 알려져 있지만, 종래의 공사출 기술들은 매립될 재료의 충분한 유동을 달성하고 코어 재료가 최외각 재료를 지나 서징하거나 이를 통해 분출하는 것을 피하기 위하여 0.5 mm 이상 정도의 상대적으로 두꺼운 벽을 최외각 재료에 대해 요구하였다. 폴리올레핀(폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 포함)이 또한 공사출된 제품 구성요소의 코어로서 사용하기 위한 적합한 재료일 것이다.

높은 열전도율을 갖는 재료로 만들어진 주형을 채용함으로써, 용융물 재료가 보다 낮은 압력에서 그러한 주형 내로 도입될 수 있다. 또한, 동기화된 유동 전면을 용이하게 하는, 도입되는 재료들의 상대 속도에 대한 보다 많은 제어가 있다. 이들 재료가 높은 열전도율을 갖는 재료로 만들어진 주형 내로 보다 낮은 압력에서 공사출될 때, 제1 재료에 대한 제2 재료의 유동을 달성하기 위하여 그러한 두꺼운 외측 재료를 제공할 필요성이 적다. 그 결과, PLA, 전분, PCR 및 PIR은, 우수한 물리적 특성들을 갖는, 박층(즉, 0.5 mm 미만)의 원래 그대로의 성형 재료, 예를 들어 에틸렌 비닐 알코올(EVOH) 또는 폴리프로필렌 내에 매립되는데, 이때 PLA, 전분, 및/또는 PCR 층(들)은 성형된 부품의 노출된 표면으로부터 격리되어 유지되어 시야로부터 잘 안보이게 되어 있다. 위에서 나타낸 바와 같이, EVOH 또는 PP 층은 0.1 mm만큼 얇을 수 있다. 따라서, 심지어 0.5 mm 미만의 전체 두께를 갖는 다층의 공사출된 부품이 달성될 수 있다.

본 명세서에서 개시된 바와 같은 공사출의 다양한 실시 형태들에서, 코어에서 포밍된(foamed) 플라스틱을 갖는 성형된 부품이 또한 형성될 수 있다. 포밍된 코어 부품은 상대적으로 더 두꺼운 부품에 대해 유용할 수 있다. 일부 실시 형태들에서, 포밍된 내측 층이 또한 다양한 방식으로 코팅되어 매끄러운 외부 층을 형성할 수 있다. 그 결과, 포밍된 코어 및/또는 포밍된 내측 층을 갖는 실시 형태는, 일체 성형된 구조를 가지고 만들어진 종래의 부품과 비교할 때, 재료 및/또는 비용에서의 절감을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 낮은 일정한 압력에서의 공사출은 재활용 가능한 디스크 톱 캡(disc top cap)(당업계에서 토글 캡 또는 플립 톱 캡으로 또한 지칭됨)과 같은 동적 특징부들을 갖는 소비자 제품들을 비용 효과적으로 제조할 증가된 기회를 제공한다. 그러한 캡들의 구성요소들은 전형적으로, 가동 구성요소가 정지 구성요소에 들러붙는 경향을 피하기 위하여, 서로 유사하지 않은 재료들로 제조된다. 예를 들어, 샴푸병의 상단과 정합하도록 내부 벽 상에 나삿니를 갖는 디스크 톱 캡의 원통형 외측 부분은 전형적으로 폴리프로필렌과 같은 하나의 재료로 제조되고, 병을 선택적으로 개폐하는 데 사용되는 토글링 부분은 전형적으로 폴리에틸렌과 같은 유사하지 않은 재료로 만들어지며, 그 역도 또한 같다. 그러한 캡의 둘 모두의 구성요소들이 폴리프로필렌으로 만들어지거나 둘 모두의 구성요소들이 폴리에틸렌으로 만들어진다면, 구성요소들의 정합 부분들은 응집력(cohesion)으로 인해 서로 들러붙으려는 경향이 있어, 병을 개폐하는 능력을 저해하고 제품의 소비자 수용에 불리하게 영향을 미칠 것이다. 그러나, 제품이 균질하지 않다면 제품의 재활용이 더 어려워지기 때문에, 그러한 유사하지 않은 재료들의 사용은 재활용성에 불리하게 영향을 미친다.

본 발명의 낮은 일정한 압력의 공사출을 이용함으로써, 그러한 다중-구성요소의 동적 특징의 캡들은, 접촉 표면들이 유사하지 않지만 구성요소들 중 하나의 구성요소의 코어, 예컨대 토글링 부분이 다른 구성요소와 동일한 재료로 성형됨으로써 응집력을 피하도록 성형될 수 있다. 본 발명의 낮은 일정한 압력의 공사출은 공사출된 토글링 부분의 스킨 층이 스킨 재료를 통해 분출하는 코어 재료의 실질적인 위험 없이 박벽을 가지게 한다. 이와 같이, 원통형 외측 부분은 폴리프로필렌으로 만들어질 수 있고, 토글링 부분의 코어 재료는 또한 폴리에틸렌과 같은 유사하지 않은 재료의 0.1 mm만큼 얇은 스킨 층 내에 공사출된 폴리프로필렌일 수 있다. 최종 결과는 폴리프로필렌이 아닌 매우 작은 백분율만을 갖는 2-구성요소 캡이다. 응집력 문제점을 피하기에 충분한, 토글 부분의 스킨 층을 구성하는 폴리에틸렌의 수준은 재활용성을 약화시키기에 충분히 유의미하지는 않다.

도면을 상세히 참조하면, 도 1은 박벽형 부품을 대량으로 생산하기 위한 예시적인 낮은 일정한 압력의 사출 성형 장치(10)(예컨대, 등급 101 또는 102 사출 주형, 또는 "초 고 생산성 주형")를 도시하고 있다. 사출 성형 장치(10)는 일반적으로 사출 시스템(12) 및 클램핑 시스템(14)을 포함한다. 열가소성 재료가 열가소성 펠릿(16)의 형태로 사출 시스템(12)에 도입될 수 있다. 열가소성 펠릿(16)은, 열가소성 펠릿(16)을 사출 시스템(12)의 가열된 배럴(20) 내로 공급하는 호퍼(hopper)(18) 내에 넣어질 수 있다. 열가소성 펠릿(16)은, 가열된 배럴(20) 내로 공급된 후에, 왕복 스크루(22)에 의해 가열된 배럴(20)의 단부로 추진될 수 있다. 가열된 배럴(20)의 가열 및 왕복 스크루(22)에 의한 열가소성 펠릿(16)의 압축은 열가소성 펠릿(16)이 용융되게 하여서, 용융된 열가소성 재료(24)를 형성한다. 용융된 열가소성 재료는 전형적으로 약 130℃ 내지 약 410℃의 온도에서 처리된다.

왕복 스크루(22)는 용융된 열가소성 재료(24)를 노즐(26)을 향해 가압하여, 주형(28)의 주형 공동(32) 내로 사출될, 열가소성 재료의 샷(shot)을 형성한다. 용융된 열가소성 재료(24)는, 용융된 열가소성 재료(24)의 유동을 주형 공동(32)으로 지향시키는 게이트(30)를 통해 사출될 수 있다. 주형 공동(32)은 주형(28)의 제1 주형 부품(25)과 제2 주형 부품(27) 사이에 형성되며, 제1 및 제2 주형 부품(25, 27)들은 프레스 또는 클램핑 유닛(34)에 의해 압력 하에서 함께 유지된다. 프레스 또는 클램핑 유닛(34)은, 용융된 열가소성 재료(24)가 주형 공동(32) 내로 사출되는 동안 제1 및 제2 주형 부품(25, 27)들을 함께 유지하기 위해, 2개의 주형 반부를 분리시키도록 작용하는 사출 압력에 의해 가해지는 힘을 초과해야 하는 클램핑력을 가한다. 이러한 클램핑력을 지원하기 위해, 클램핑 시스템(14)은 약 165 BHN 초과 그리고 바람직하게는 약 260 BHN 미만의 표면 경도를 갖는 재료로 형성된 주형 프레임(frame) 및 주형 베이스(base)를 포함할 수 있지만, 이하 추가로 논의되는 바와 같이, 260 초과의 표면 경도 BHN 값을 갖는 재료가 그 재료가 용이하게 기계가공 가능한 한 사용될 수도 있다.

일단 용융된 열가소성 재료(24)의 샷이 주형 공동(32) 내로 사출되고 나면, 왕복 스크루(22)는 전방으로 이동하는 것을 중단한다. 용융된 열가소성 재료(24)는 주형 공동(32)의 형태를 취하고, 용융된 열가소성 재료(24)는 열가소성 재료(24)가 고형화될 때까지 주형(28) 내부에서 냉각된다. 일단 열가소성 재료(24)가 고형화되고 나면, 프레스(34)는 제1 및 제2 주형 부품(25, 27)들을 해제시키고, 제1 및 제2 주형 부품(25, 27)들이 서로로부터 분리되며, 완성된 부품이 주형(28)으로부터 배출될 수 있다. 주형(28)은 전체 생산 속도를 증가시키기 위해 복수의 주형 공동(32)들을 포함할 수 있다. 복수의 주형 공동들의 형상들은 동일하거나, 유사하거나 또는 서로 다를 수 있다. (후자는 일군의 주형 공동들로 고려될 수 있다).

제어기(50)가 센서(52) 및 스크루 제어부(36)와 통신가능하게 연결된다. 제어기(50)는 마이크로프로세서, 메모리, 및 하나 이상의 통신 링크를 포함할 수 있다. 제어기(50)는, 각각 유선 연결부(54, 56)를 통해 센서(52) 및 스크루 제어부(36)에 연결될 수 있다. 다른 실시 형태들에서, 제어기(50)는 무선 연결부, 기계적 연결부, 유압 연결부, 공압 연결부, 또는 제어기(50)가 센서(52)와 스크루 제어부(36) 둘 모두와 통신하게 할, 당업자에게 공지된 임의의 다른 유형의 통신 연결부를 통해 센서(52) 및 스크루 제어부(56)에 연결될 수 있다.

도 1의 실시 형태에서, 센서(52)는 노즐(26) 내의 용융된 열가소성 재료(24)의 용융물 압력을 (직접적으로 또는 간접적으로) 측정하는 압력 센서이다. 센서(52)는 제어기(50)로 전송되는 전기 신호를 발생시킨다. 이어서 제어기(50)는 노즐(26) 내의 용융된 열가소성 재료(24)의 실질적으로 일정한 용융물 압력을 유지하는 속도로 스크루(22)를 전진시키도록 스크루 제어부(36)에 명령한다. 센서(52)가 용융물 압력을 직접적으로 측정할 수 있지만, 센서(52)는 용융물 압력을 나타내는, 온도, 점도, 유량 등과 같은, 용융된 열가소성 재료(24)의 다른 특성을 측정할 수 있다. 마찬가지로, 센서(52)는 노즐(26) 내에 직접적으로 위치될 필요는 없으며, 오히려 센서(52)는 노즐(26)과 유동적으로 연결된 주형(28) 또는 사출 시스템(12) 내의 임의의 위치에 위치될 수 있다. 센서(52)는 사출된 유체와 직접적으로 접촉할 필요는 없으며, 대안적으로 유체와 동적으로 연결되어 유체의 압력 및/또는 다른 유체 특성을 감지하는 것이 가능할 수 있다. 센서(52)가 노즐(26) 내에 위치되지 않는 경우, 노즐(26) 내의 용융물 압력을 계산하기 위해 적절한 보정 계수가 측정된 특성에 적용될 수 있다. 또 다른 실시 형태들에서, 센서(52)는 노즐과 유동적으로 연결되는 위치에 배치될 필요는 없다. 오히려, 센서는 제1 주형 부품(25)과 제2 주형 부품(27) 사이의 주형 분리선에서 클램핑 시스템(14)에 의해 발생된 클램핑력을 측정할 수 있다. 일 태양에서, 제어기(50)는 센서(52)로부터의 입력에 따라 압력을 유지할 수 있다.

능동형 폐쇄 루프 제어기(50)가 도 1에 예시되어 있지만, 다른 압력 조절 장치가 폐쇄 루프 제어기(50) 대신에 사용될 수 있다. 예를 들어, 용융된 열가소성 재료(24)의 용융물 압력을 조절하기 위해, 압력 조절 밸브(도시되지 않음) 또는 압력 릴리프 밸브(pressure relief valve)(도시되지 않음)가 제어기(50)를 대신할 수 있다. 더욱 구체적으로, 압력 조절 밸브 및 압력 릴리프 밸브는 주형(28)의 과잉 가압(overpressurization)을 방지할 수 있다. 주형(28)의 과잉 가압을 방지하기 위한 다른 대안적인 기구는, 과잉 가압 조건이 검출된 때 활성화되는 알람이다.

이제 도 2를 참조하면, 예시적인 성형되는 부품(100)이 도시되어 있다. 성형되는 부품(100)은 박벽형 부품이다. 성형된 부품은 일반적으로 유동 채널의 길이(L)를 유동 채널의 두께(T)로 나눈 값이 100 초과(즉, L/T > 100)인 때 박벽형인 것으로 간주된다. 일부 사출 성형 산업에서, 박벽 부품은 L/T > 200 또는 L/T > 250을 갖는 부품으로 정의될 수 있다. 유동 채널의 길이(L)는 게이트(102)로부터 유동 채널 단부(104)까지 측정된다. 박벽형 부품은 소비자 제품 산업 및 건강관리 또는 의료용품 산업에 특히 일반적이다.

성형된 부품은 일반적으로 유동 채널의 길이(L)를 유동 채널의 두께(T)로 나눈 값이 100 초과(즉, L/T > 100)인 때 박벽형인 것으로 간주된다. 더욱 복잡한 기하학적 형상을 갖는 주형 공동의 경우, L/T 비는 게이트(102)로부터 주형 공동(32)의 단부까지의 주형 공동(32)의 길이에 걸쳐 T 치수를 적분하고, 게이트(102)로부터 주형 공동(32)의 단부까지의 가장 긴 유동 길이를 결정함으로써 계산될 수 있다. 이어서, 가장 긴 유동 길이를 평균 부품 두께로 나눔으로써 L/T 비가 결정될 수 있다. 주형 공동(32)이 하나 초과의 게이트(30)를 갖는 경우, L/T 비는 각각의 개별 게이트에 의해 충전되는 주형 공동(32)의 부분에 대한 L 및 T를 적분함으로써 결정되고, 주어진 주형 공동에 대한 전체 L/T 비는 게이트들 중 임의의 것에 대해 계산된 가장 큰 L/T 비이다.

박벽형 부품은 사출 성형에 있어서 소정의 장애를 제공한다. 예를 들어, 유동 채널의 박형성은 재료가 유동 채널 단부(104)에 도달하기 전에 용융된 열가소성 재료를 냉각시키는 경향이 있다. 이러한 일이 발생하면, 열가소성 재료는 굳어져 버리고 더 이상 유동하지 않으며, 이는 불완전한 부품을 야기한다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 전통적인 사출 성형기는, 전형적으로 103.4 MPa(15,000 psi) 초과의 매우 높은 압력에서 용융된 열가소성 재료를 주형 내로 사출하여, 용융된 열가소성 재료가 냉각되어 굳어져 버릴 가능성이 있기 전에 주형 공동을 신속히 충전하게 한다. 이는 열가소성 재료의 제조업자가 매우 높은 압력에서의 사출을 교시하는 하나의 이유이다. 전통적인 사출 성형기가 높은 압력에서 주형 내로 용융된 플라스틱을 사출하는 다른 이유는 위에서 논의된 바와 같이 유동 특성을 증가시키는 증가된 전단이다. 이러한 매우 높은 사출 압력은 주형(28) 및 공급 시스템을 형성하는 데 상당히 경질인 재료를 사용할 것을 필요로 한다.

전통적인 사출 성형기는 공구강 또는 주형을 제조하기 위한 다른 경질 재료로 만들어진 주형을 사용한다. 이러한 공구강은 매우 높은 사출 압력을 견디기에 충분히 강하지만, 공구강은 비교적 불량한 열 전도체이다. 그 결과, 주형 공동이 충전된 때 냉각 시간을 향상시키기 위해 매우 복잡한 냉각 시스템이 주형 내에 기계가공되며, 이는 사이클 시간을 감소시키고 주형의 생산성을 증가시킨다. 그러나, 이러한 매우 복잡한 냉각 시스템은 주형 제조 공정에 상당한 시간 및 비용을 추가한다.

본 발명자들은 전단-박화 열가소성 물질(심지어 최소 전단-박화 열가소성 물질)이 임의의 상당한 악영향 없이 낮은 실질적으로 일정한 압력에서 주형(28) 내로 사출될 수 있음을 발견하였다. 이들 재료의 예는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 열가소성 탄성중합체, 폴리에스테르, 폴리에틸렌 푸라노에이트(PEF), 폴리스티렌, 폴리카르보네이트, 폴리(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌), 폴리락트산, 폴리하이드록시알카노에이트, 폴리아미드, 폴리아세탈. 에틸렌-알파 올레핀 고무, 및 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체로 구성된, 중합체 및 공중합체를 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 실제로, 낮은 실질적으로 일정한 압력에서 성형되는 부품은 종래의 고압에서 성형되는 동일한 부품과 비교할 때 몇몇 우수한 특성을 나타낸다. 이러한 발견은 보다 높은 사출 압력이 더 좋다고 교시하는 산업계 내의 종래 지식과 정면으로 모순된다. 이론에 의해 구애됨이 없이, 용융된 열가소성 재료를 낮은 실질적으로 일정한 압력에서 주형(28) 내로 사출하는 것은, 주형을 통해 게이트로부터 주형 공동의 가장 먼 부분으로 전진하는 열가소성 재료의 연속적인 유동물 전면을 생성하는 것으로 여겨진다. 낮은 수준의 전단을 유지함으로써, 열가소성 재료는 종래의 고압 사출 성형 시스템에서 가능할 것으로 달리 여겨지는 것보다 훨씬 더 낮은 온도 및 압력에서 여전히 액체이고 유동가능하다.

종래의 공사출을 사용할 때 채용되는 전술된 두께 요건, 즉 제2 재료가 내부에 공사출될 수 있도록 하는 0.5 mm의 최소 제1 재료 두께로 인해, 제1 재료가 내부에 매립된 구별되는 제2 재료를 갖고 높은 L/T, 즉 100 초과 정도의 L/T를 갖는 부품의 공사출의 대량 생산은 경제적으로 실행 가능하지 않은 것으로 간주되었다. 본 발명의 실질적으로 일정한 낮은 압력의 공정에 의해, 제2 재료의 허용 가능한 유동을 내부에서 얻기 위해 보다 두꺼운 제1 재료 벽을 필요하게 만들었던 전단 효과가 극복된다. 부가적으로, 공사출된 재료들의 상대 유동 속도들을 제어하는 것과 연관된 문제점이 상당히 약화된다. 다른 재료 내부에서의 하나 이상의 재료의 봉지 없이 중첩하거나 인접하는 재료들의 공사출은 또한, 요구되고 반복 가능한 결과를 얻기 위하여 상대 유동 속도들을 조정하거나 반복적으로 제어하는 것에 대한 동일한 필요성 없이도, 상당히 더 비용 효과적이고 예측 가능하다.

이제 도 3으로 가면, 종래의 고압 사출 성형 공정에 대한 전형적인 압력-시간 곡선이 점선(200)으로 도시되어 있다. 이와 대조적으로, 개시된 낮은 일정한 압력의 사출 성형기에 대한 압력-시간 곡선이 실선(210)으로 도시되어 있다.

종래의 경우, 용융물 압력이 103.4 MPa(15,000 psi)을 훨씬 초과해 급속히 증가되고, 이어서 제1 기간(220) 동안 103.4 MPa(15,000 psi) 초과의 비교적 높은 압력에서 유지된다. 제1 기간(220)은 용융된 플라스틱 재료가 주형 공동 내로 유동하는 충전 시간이다. 이후에, 용융물 압력은 감소되고, 제2 기간(230) 동안 보다 낮지만 여전히 비교적 높은 압력인 68.9 MPa(10,000 psi) 이상에서 유지된다. 제2 기간(230)은 주형 공동 내의 모든 간극이 되메움(back fill)되는 것을 보장하기 위해 용융물 압력이 유지되는 패킹 시간이다. 종래의 고압 사출 성형 시스템에 있어서의 주형 공동은 유동 채널의 단부로부터 다시 게이트를 향해 충전된다. 그 결과, 플라스틱이 다양한 고형화 단계에서 서로 위에 패킹되며, 이는 상기에 논의된 바와 같이 완성된 제품에 있어서의 비일관성을 야기할 수 있다. 더욱이, 다양한 고형화 단계에서의 종래의 플라스틱 패킹은 몇몇 비-이상적인 재료 특성, 예를 들어 몰디드-인 응력, 싱크, 비-최적의 광학적 특성 등을 유발한다.

반면에, 일정한 낮은 압력 사출 성형 시스템은 용융된 플라스틱 재료를 단일 기간(240) 동안 실질적으로 일정한 낮은 압력에서 주형 공동 내로 사출한다. 사출 압력은 41.4 MPa(6,000 psi) 미만이다. 실질적으로 일정한 낮은 압력을 사용함으로써, 용융된 열가소성 재료는 유동 채널을 통해 게이트로부터 유동 채널의 단부를 향해 전진하는 연속적인 용융물 전면을 유지한다. 따라서, 플라스틱 재료는 유동 채널을 따른 임의의 지점에서 비교적 균일하게 유지되며, 이는 보다 균일하고 일관된 완성된 제품을 생성한다. 비교적 균일한 플라스틱 재료로 주형을 충전함으로써, 완성된 성형되는 부품들은 종래의 성형되는 부품보다 더 양호한 기계적 특성 및/또는 더 양호한 광학적 특성을 갖는 결정질 구조체를 형성한다. 비정질 중합체는 또한 우수한 기계적 및/또는 광학적 특성을 갖는 구조체를 형성할 수 있다. 더욱이, 낮은 일정한 압력에서 성형되는 부품의 표피 층은 종래에 성형되는 부품의 표피 층과는 상이한 특성을 나타낸다. 그 결과, 낮은 일정한 압력 하에서 성형되는 부품의 표피 층은 종래에 성형되는 부품의 표피 층보다 더 나은 광학적 특성을 가질 수 있다.

노즐 내부에서 실질적으로 일정하고 낮은(예컨대, 41.4 MPa(6000 psi) 미만) 용융물 압력을 유지함으로써, 보다 기계가공 가능한 재료가 주형(28)을 형성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 주형(28)은 100% 초과(예컨대, 100-1000%, 100-900%, 100-800%, 100-700%, 100-600%, 100-500%, 100-400%, 100-300%, 100-250%, 100-225%, 100-200%, 100-180%, 100-160%, 100-150%, 100-140%, 100-130%, 100-120%, 100-110%, 120-250%, 120-225%, 120-200%, 120-180%, 120-160%, 120-150%, 120-140%, 120-130%, 140-400%, 150-300%, 160-250%, 또는 180-225%, 또는 백분율에 대해 이들 값 중 임의의 값에 의해 형성되는 임의의 다른 범위)의 밀링 기계가공 지수, 100% 초과 (예컨대 100-1000%, 100-900%, 100-800%, 100-700%, 100-600%, 100-500%, 100-400%, 100-300%, 100-250%, 100-225%, 100-200%, 100-180%, 100-160%, 100-150%, 100-140%, 100-130%, 100-120%, 100-110%, 120-250%, 120-225%, 120-200%, 120-180%, 120-160%, 120-150%, 120-140%, 120-130%, 140-400%, 150-300%, 160-250%, 또는 180-225%, 또는 백분율에 대해 이들 값 중 임의의 값에 의해 형성되는 임의의 다른 범위)의 드릴링 기계가공 지수, 100% 초과(예컨대 100-1000%, 100-900%, 100-800%, 100-700%, 100-600%, 100-500%, 100-400%, 100-300%, 100-250%, 100-225%, 100-200%, 100-180%, 100-160%, 100-150%, 100-140%, 100-130%, 100-120%, 100-110%, 120-250%, 120-225%, 120-200%, 120-180%, 120-160%, 120-150%, 120-140%, 120-130%, 140-400%, 150-300%, 160-250%, 또는 180-225%, 또는 백분율에 대해 이들 값 중 임의의 값에 의해 형성되는 임의의 다른 범위)의 드릴링 기계가공 지수, 100% 초과(예컨대, 100-1000%, 100-900%, 100-800%, 100-700%, 100-600%, 100-500%, 100-400%, 100-300%, 100-250%, 100-225%, 100-200%, 100-180%, 100-160%, 100-150%, 100-140%, 100-130%, 100-120%, 100-110%, 120-250%, 120-225%, 120-200%, 120-180%, 120-160%, 120-150%, 120-140%, 120-130%, 140-400%, 150-300%, 160-250%, 또는 180-225%, 또는 백분율에 대해 이들 값 중 임의의 값에 의해 형성되는 임의의 다른 범위)의 와이어 EDM 기계가공 지수, 200% 초과(예컨대, 200-1000%, 200-900%, 200-800%, 200-700%, 200-600%, 200-500%, 200-400%, 200-300%, 200-250%, 300-900%, 300-800%, 300-700%, 300-600%, 300-500%, 400-800%, 400-700%, 400-600%, 400-500%, 또는 백분율에 대해 이들 값 중 임의의 값에 의해 형성되는 임의의 다른 범위)의 흑연 싱커(sinker) EDM 기계가공 지수, 또는 150% 초과(예컨대 150-1000%, 150-900%, 150-800%, 150-700%, 150-600%, 150-500%, 150-400%, 150-300%, 150-250%, 150-225%, 150-200%, 150-175%, 250-800%, 250-700%, 250-600%, 250-500%, 250-400%, 250-300%, 또는 백분율에 대해 이들 값 중 임의의 값에 의해 형성되는 임의의 다른 범위)의 구리 싱커 EDM 기계가공 지수를 갖는 재료로 형성될 수 있다. 기계가공 지수는 다양한 재료의 밀링, 드릴링, 와이어 EDM, 및 싱커 EDM 시험에 기초한다. 기계가공 지수를 결정하기 위한 시험 방법은 하기에 보다 상세히 설명된다. 재료의 샘플에 대한 기계가공 지수의 예가 하기의 표 1에 수집되어 있다.

용이하게 기계가공 가능한 재료를 주형(28)을 형성하는 데 사용하는 것은 제조 시간을 크게 감소시키고, 이에 따라 제조 비용을 감소시킨다. 더욱이, 이러한 기계가공 가능한 재료는 일반적으로 공구강보다 더 나은 열전도율을 가지며, 이는 냉각 효율을 증가시키고 복잡한 냉각 시스템에 대한 필요성을 감소시킨다.

이러한 용이하게 기계가공 가능한 재료로 주형(28)을 형성하는 경우, 양호한 열전도율 특성을 갖는 용이하게 기계가공 가능한 재료를 선택하는 것이 또한 유리하다. 210 kJ/hr m℃ (30 BTU/HR FT℉) 초과의 평균 열전도율을 갖는 재료가 특히 유리하다. 특히, 이들 재료는 30-200, 30-180, 30-160, 30-140, 30-120, 30-100, 30-80, 30-60, 30-40, 40-200, 60-200, 80-200, 100-200, 120-200, 140-200, 160-200, 180-200, 40-200, 40-180, 40-160, 40-140, 40-120, 40-100, 40-80, 40-60, 50-140, 60-140, 70-140, 80-140, 90-140, 100-140, 110-140, 120-140, 50-130, 50-120, 50-110, 50-100, 50-90, 50-80, 50-70, 50-60, 60-130, 70-130, 80-130, 90-130, 100-130, 110-130, 120-130, 60-120, 60-110, 60-100, 60-90, 60-80, 60-70, 70-130, 70-120, 70-110, 70-100, 70-90, 70-80, 70-110, 70-100, 70-90, 70-80, 80-120, 80-110, 80-100, 또는 80-90, 또는 열전도율에 대해 이들 값 중 임의의 값에 의해 형성되는 임의의 다른 범위의 열전도율(BTU/HR FT℉로 측정됨)을 가질 수 있다. 예를 들어 양호한 열전도율을 갖는 용이하게 기계가공 가능한 재료는 QC-10 (알코(Alco)로부터 입수 가능함), 알루몰드(Alumold) 500 (알칸(Alcan)으로부터 입수 가능함), 듀라몰드(Duramold)-5 (비스타 메탈스, 코포레이션(Vista Metals, Corp.)으로부터 입수 가능함) 및 호코톨(Hokotol) (알러리스(Aleris)로부터 입수 가능함)을 포함하지만, 이로 한정되지 않는다. 양호한 열전도율을 갖는 재료는 열가소성 재료로부터의 열을 주형 밖으로 보다 효율적으로 전달한다. 그 결과, 보다 간단한 냉각 시스템이 사용될 수 있다. 부가적으로, 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템(non-naturally balanced feed system)은 또한, 본 명세서에 기술된 일정한 낮은 압력의 사출 성형기에서 사용이 가능하다.

다중-공동 주형 조립체(28)의 일례가 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있다. 다중-공동 주형은 일반적으로 노즐(26)로부터의 용융된 열가소성 재료를 개별 주형 공동(32)들로 지향시키는 공급 매니폴드(60)를 포함한다. 공급 매니폴드(60)는 용융된 열가소성 재료를 하나 이상의 러너(runner) 또는 공급 채널(64) 내로 지향시키는 탕구(sprue)(62)를 포함한다. 각각의 러너는 다수의 주형 공동(32)들에 공급할 수 있다. 많은 고용량 사출 성형기들에서, 러너들은 용융된 열가소성 재료의 유동성을 향상시키기 위하여 가열된다. 용융된 열가소성 재료의 점도는 높은 압력(예컨대, 68.9 MPa (10,000 psi)초과)에서 압력 변동 및 전단에 매우 민감하기 때문에, 종래의 공급 매니폴드는 균일한 점도를 유지하도록 자연적으로 균형화된다. 자연적으로 균형화된 공급 매니폴드는 용융된 열가소성 재료가 탕구로부터 임의의 주형 공동까지 동일한 거리를 이동하는 매니폴드이다. 또한, 각각의 유동 채널의 단면 형상들이 동일하고, 전환부(turn)들의 개수 및 유형이 동일하며, 각각의 유동 채널의 온도들이 동일하다. 자연적으로 균형화된 공급 매니폴드는 주형 공동들이 동시에 충전되게 하여, 각각의 성형된 부품이 동일한 가공 조건 및 재료 특성을 가지게 한다.

도 5는 자연적으로 균형화된 공급 매니폴드(60)의 예를 도시한다. 자연적으로 균형화된 공급 매니폴드(60)는 탕구(62)로부터 제1 접합부(72)까지의 제1 유동 경로(70)를 포함하는데, 제1 접합부에서 제1 유동 경로(70)는 제2 및 제3 유동 경로(74, 76)들로 분할되고, 제2 유동 경로는 제2 게이트(78a)에서 종료되며, 제3 유동 경로(76)는 제3 게이트(78b)에서 종료되어, 각각의 게이트는 개별 주형 공동에 공급한다(도 5에는 도시되지 않음). 탕구(62)로부터 제2 게이트(78a) 또는 제3 게이트(78b)로 유동하는 용융된 열가소성 재료는 동일한 거리를 이동하고, 동일한 온도를 겪으며, 동일한 유동 단면적에 처해진다. 그 결과, 각각의 주형 공동은 동일한 물리적 특성을 갖는 용융된 열가소성 재료로 동시에 충전된다.

도 6a는 자연적으로 균형화된 매니폴드(60)를 개략적으로 도시한다. 각각의 유동 경로(74, 76)는 유동 경로를 따라 동일한 위치들에서 동일한 특성들을 갖는다. 예를 들어, 접합부(72) 이후에, 각각의 유동 경로는 동일한 거리에서 좁아진다. 또한, 각각의 유동 경로는 동일한 개수의 주형 공동(32)들에 공급한다. 동일한 플라스틱 유동 특성을 유지하고 균일한 부품을 보장하기 위하여 높은 압력의 사출 성형기에 대해, 자연적으로 균형화된 유동 매니폴드(60)가 중요하다.

한편, 도 6b는 인위적으로 균형화된(artificially balanced) 매니폴드(160)를 도시한다. 본 명세서에 개시된 낮은 일정한 압력의 사출 성형기는 인위적으로 균형화된 매니폴드(160) 및 심지어 비균형화된 매니폴드(도시되지 않음)가 사용되게 하는데, 그 이유는 낮은 일정한 압력에서 사출된 열가소성 재료는 유동 채널 특성 차이로 인한 압력 차이 또는 전단 차이에 민감하지 않기 때문이다. 다시 말하면, 낮은 일정한 압력에서 사출된 열가소성 재료들은 유동 채널 길이, 단면적 또는 온도의 차이에 무관하게 거의 동일한 재료 및 유동 특성들을 보유한다. 그 결과, 주형 공동들은 동시 대신에 순차적으로 충전될 수 있다.

도 6b의 인위적으로 균형화된 매니폴드(160)는 탕구(62), 제1 유동 채널(174) 및 제2 유동 채널(176)을 포함한다. 제1 유동 채널(174)은 제1 게이트(178a)에서 종료되고, 제2 유동 채널(176)은 제2 게이트(178b)에서 종료된다. 본 실시 형태에서, 제1 유동 채널(174)은 제2 유동 채널(178)보다 더 짧다. 인위적으로 균형화된 매니폴드(160)는 유동 채널의 몇몇 다른 파라미터(예컨대, 단면적 또는 온도)를 변화시켜, 매니폴드(160)를 통해 유동하는 재료가 자연적으로 균형화된 매니폴드와 유사하게 각각의 공동에 균형화된 유동을 제공하게 한다. 다시 말하면, 제1 유동 채널(174)을 통해 유동하는 열가소성 재료는 제2 유동 채널(176)을 통해 유동하는 열가소성 재료와 대략 동일한 용융물 압력을 가질 것이다. 인위적으로 균형화된 또는 비균형화된 공급 매니폴드는 상이한 길이들의 유동 채널들을 포함할 수 있기 때문에, 인위적으로 균형화된 또는 비균형화된 공급 매니폴드는 공간을 훨씬 더 효율적으로 이용할 수 있다. 또한, 공급 채널 및 대응하는 히터 밴드 채널이 더 효율적으로 기계가공될 수 있다. 또한, 자연적으로 균형화된 공급 시스템은 별개의 짝수개의 주형 공동들(예컨대, 2개, 4개, 8개, 16개, 32개 등)을 갖는 주형들로 제한된다. 인위적으로 균형화된 그리고 비균형화된 공급 매니폴드들은 용융된 열가소성 재료를 임의의 개수의 주형 공동들로 반송하도록 설계될 수 있다.

인위적으로 균형화된 공급 매니폴드(160)는 또한 고온 러너에서의 용융된 열가소성 재료로의 열전달을 향상시키기 위하여 높은 열전도율을 갖는 재료로 구성되어서, 열가소성 재료의 유동을 향상시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 인위적으로 균형화된 공급 매니폴드(160)는 재료 비용을 추가로 감소시키고 전체 시스템 내에서의 열전달을 향상시키기 위하여 주형과 동일한 재료로 구성될 수 있다.

이제 도 7로 가면, 공사출 매니폴드(180)가 도시되어 있다. 매니폴드는 성형된 제품의 내측 및 외측 벽들 또는 "스킨 층"을 형성하는 데 사용되는 제1 재료(184)를 위한 제1 기계 노즐 경로(182), 및 성형된 제품의 코어를 형성하는 데 사용되는 제2 재료(188)를 위한 제2 기계 노즐 경로(186)를 포함한다. 공사출 매니폴드(180)는 각각의 주형 공동(194) 내로의 제1 및 제2 재료(184, 188)들의 진입을 위한 고온의 팁 오리피스(192)에서 제2 기계 노즐 경로(186)를 제1 기계 노즐 경로(182) 내에 포개 넣는 공사출 팁(190)을 포함한다. 본 발명의 사출 성형 조립체는 낮은 일정한 압력, 즉 41.4 MPa(6,000 psi) 미만의 사출 압력에서 작동하기 때문에, 제1 및 제2 재료(184, 188)들은 일정한 유동 속도로 주형 공동(194) 내로 도입되고, 고온의 팁 오리피스(192)로부터 주형 공동의 대향 단부(196)까지 주형 공동(194)을 충전하는 균일한 유동 전면을 형성한다.

제1 재료(184)는 재2 재료(188)가 스킨 층을 지나 서징하거나 이를 통해 분출함이 없이 0.1 mm만큼 작은 스킨 층 두께를 갖도록 성형될 수 있다. 그러한 얇은 스킨 층을 갖는 재료들을 공사출하는 능력은, 사출 성형된 제품에서의 폴리락트산(PLA), 전분, 아크릴, 소비자 폐기의 재활용 가능한 물질(PCR), 및 공장 폐기의 재활용 가능한 물질(PIR))을, PLA의 취성, 전분 및 아크릴의 수분 민감성, 및 PCR에서의 냄새와 불연속성과 같은 열등한 물리적 특성들에도 불구하고, 보다 많이 사용하게 하는데, 그 이유는 제2 (코어) 재료(188)로서 채용되는 이들 재료가 시야로부터 차단되고, 소비자 제품 용기에서 분배될 소모성 제품과의 접촉으로부터 차단되며, EVOH 또는 나일론과 같은 우수한 물리적 특성을 갖는 원래 그대로의 재료일 수 있는 스킨 층에 의해 사용자의 피부와의 접촉으로부터 차단되기 때문이다.

도 8, 도 9 및 도 10a 내지 도 10d는, 예를 들어 데오도런트와 같은 소모성 제품을 보유하기 위한 용기(도시되지 않음)로부터의 캡(200)의 제거를 위해 집중된 외력이 캡(200)에 인가될 가능성이 있는 캡(200)의 구역(198)에서 국소화된 강화를 달성하기 위하여, 도 7의 것과 유사한 공사출 시스템의 사용을 도시한다. 외력이 인가될 가능성이 있는 캡(200)의 상기 구역에서, 캡(200)이 변형에 저항하는 것이 중요하다. 그렇지 않으면, 캡(200)은 일단 용기로부터 제거되면 밀봉된 마개를 제공하도록 용기와 적절하게 재-정합하는 것이 안될 수 있다. 그러나, 전체 캡(200)이 보강되게 만들어질 필요는 없다. 본 발명에 따른 공사출은 집중된 외력에 가장 민감한 캡(200)의 바로 그 구역(198)에 대해 보강을 국소화하는 것을 허용한다.

도 10a 내지 도 10d에 도시된 바와 같이, 스킨 층을 형성하는 데 사용되는 제1 재료(202)가 제2 재료(206)와 함께 주형 공동(204) 내로 사출된다. 제2 재료(206)는 제1 재료(202)보다 더 변형-저항성이지만, 또한 제1 재료(202)보다 더 고가일 수 있다. 두 가지 재료(202, 206)들은 일정한 유동 전면(208)을 가지고서 낮은 일정한 압력에서 주형 공동 내로 발사되거나 반송된다. 이러한 유동 전면(208)은 주형 공동(210)에 충전될 때 제1 재료(202)와 제2 재료(206) 사이에서 일정한 상대 압력을 유지하는 배압(back pressure)을 제공한다. 시간 구간 t=1 (도 10a), t=2 (도 10b), 및 t=3 (도 10c) 동안에, 제어 시스템은 제1 및 제2 재료(202, 206)들의 상대 압력이 일정한 방식으로 작동된다. 구역(198)에서 제1 재료(202)에 비해 더 강한 제2 재료(206)의 농도를 증가시키기 위하여, 제어 시스템은 시간 구간 t=4(도 10d) 동안에 제1 재료(202)에 비해 제2 재료(206)의 반송 압력을 증가시키도록 작동된다. 이는 제2 재료(206)의 반송을 제어하는 기계 노즐의 압력의 증가, 제1 재료(202)의 반송을 제어하는 기계 노즐의 압력의 감소, 또는 이들의 조합에 의해 달성될 수 있다. 제2 재료(206)의 증가된 상대 압력은, 상대 압력의 차이가 유지되는 지속기간 동안에 유동 전면(208)의 바로 상류측에서 제1 재료(202)에 비해 더 높은 농도의 제2 재료(206)를 야기한다.

도 11 및 도 12a 내지 도 12d에 도시된 바와 같이, 구역(198)보다 캡(210)의 단부의 상류측으로 더 멀리 이격된, 제1 (스킨 층) 재료(212)에 비해 더 큰 농도의 제2 (코어) 재료(216)의 국소화된 구역(211)을 갖는 캡(210)을 성형하는 것이 요구된다면, 이는 t=4 이전의 시간 구간 동안에, 예를 들어 t=3 동안에 제2 재료(216)의 반송을 제어하는 기계 노즐의 압력의 증가, 제1 재료(212)의 반송을 제어하는 기계 노즐의 압력의 감소, 또는 이들의 조합에 의해 제1 재료(212)에 비해 제2 재료(216)의 반송 압력을 증가시키고 이어서 후속적으로 제1 재료(212)의 상대 압력을 증가시키도록 제어 시스템을 작동시킴으로서 얻어질 수 있다. 구역(211)에서의 제2 재료(216)의 증가된 농도는 유동 전면(218)을 향한 제1 재료(21)의 추가적인 유동을 방해하는 플러그 또는 슬러그처럼 작용하는 경향을 가질 수 있기 때문에, 보강된 구역(211)의 하류측에서 유동 전면(218)에 가장 가까운 요구되는 상대 두께로 제1 및 제2 재료(212, 216)들을 복귀시키기 위하여 적어도 매우 짧은 기간 동안에, 제2 재료(216)의 반송을 제어하는 기계 노즐의 반송 압력을 시간 구간 t=3 이전의 그 기계 노즐의 압력보다 심지어 더 낮은 압력으로 감소(즉, 제2 시간 구간 동안에 제1 재료에 비해 제2 재료의 반송 압력을 증가시켰던 양보다 더 큰 양만큼 제1 재료에 비해 제2 재료를 감소시킴)시킴으로써 과도 보상하는 것이 필요할 수 있다.

위에서 논의된 바와 같이, 본 발명의 공사출 시스템 및 방법은 플립-업 주둥이(flip-up spout)와 같은 동적 구성요소를 갖는 디스크 톱 및 다른 사출 성형된 캡의 균질성 및 따라서 재활용성을 개선하기 위하여 채용될 수 있다. 도 13 내지 도 15 및 도 16a 내지 도 16c에 도시된 바와 같이, 2-구성요소 캡(250)은 병에 고정 가능한 대체로 원통형인 구성요소와 같은 정지 구성요소(252), 및 예를 들어 정지 구성요소(252)의 림(rim) 상에 제공된 피벗 축(256)을 중심으로 개방 위치(도 15에서 가상선으로 도시됨)와 폐쇄 위치 사이에서 토글링되는 동적 구성요소(254)를 포함한다.

동적 구성요소(254)는 스킨 층을 형성하는 제1 재료(258) 및 코어 재료를 형성하는 제2 재료(260)를 포함한 두 가지의 공사출되는 재료들로 만들어진다. 응집성으로 인한 정지 구성요소(252)와 동적 구성요소(254) 사이의 들러붙음을 피하기 위하여, 정지 구성요소(252)와 동적 구성요소(254)의 모든 접촉 표면들은 서로 유사하지 않아야 한다. 균질성을 개선함으로써 재활용성을 증가시키기 위하여, 정지 구성요소(252)는 전적으로 제2 재료(260)로 성형될 수 있다. 본 발명의 낮은 일정한 압력의 공사출은 0.5 mm 미만의 그리고 0.1 mm만큼의 작은 두께를 갖는 제1 재료(258)와 같은 스킨 층 내에 제2 재료(260)와 같은 봉지된 재료를 성형하는 것을 허용하기 때문에, 캡(250)의 전체 함량은 캡(250)이 실질적으로 제2 재료(260)로 만들어진 것으로 간주되도록 제2 재료(260)에 비해 작은 농도의 제1 재료(258)를 포함하게끔 만들어질 수 있다. 정지 구성요소(252) 및 동적 구성요소(254) 둘 모두에서의 균일한 재료들의 문제점이 제1 재료(258)의 스킨 층에 의해 극복된다. 그러나, 제2 재료(260)가 재활용 가능한 한, 스킨 층의 존재가 재활용성을 상당히 손상시키는 것은 아니다. 제2 재료(260)는 들러붙음 또는 응집성과 연관된 문제점들을 피하기 위하여 제1 재료(258)에 의해 완전히 봉지될 필요는 없는데, 이는 정지 구성요소(252)와 직접 접촉하도록 구성된 동적 구성요소(254)의 모든 노출된 표면들로부터 (제1 재료(258)에 의해) 제2 재료(260)가 분리되게 하기에 충분하다.

드릴링 및 밀링 기계가공성 지수 시험 방법

하기에 기술되는 신중히 제어된 시험 방법에서 대표적인 재료를 시험함으로써, 상기의 표 1에 열거된 드릴링 및 밀링 기계가공성 지수를 결정하였다.

다른 모든 기계 조건(예컨대, 기계 테이블 이송 속도, 스핀들 rpm 등)은 다양한 재료들 사이에서 일정하게 유지되는 상태에서, 재료편을 드릴링하거나 밀링하는 데 필요한 스핀들 하중을 측정함으로써 각각의 재료에 대한 기계가공성 지수를 결정하였다. 스핀들 하중은 드릴링 또는 밀링 장치에 대하여 1400 rpm에서 101.7 J (75 ft-lb)의 최대 스핀들 토크 하중에 대한 측정된 스핀들 하중의 비로서 보고된다. 지수 백분율은 1117 강철에 대한 스핀들 하중 대 시험 재료에 대한 스핀들 하중 사이의 비로서 계산하였다.

시험 밀링 또는 드릴링 기계는 하스(Haas) VF-3 머시닝 센터(Machining Center)였다.

모든 시험에 대해 "플러드 블라스트(flood blast)" 냉각을 사용하였다. 냉각제는 쿨라이트(Koolrite) 2290이었다.

EDM 기계가공성 지수 시험 방법

하기에 기술되는 신중히 제어된 시험 방법에서 대표적인 재료를 시험함으로써, 상기의 표 1에 열거된 흑연 및 구리 싱커 EDM 기계가공성 지수를 결정하였다.

다양한 시험 금속 내로 소정 면적(상세사항은 하기 참조)을 버닝(burning)하는 시간을 측정함으로써, 다양한 재료에 대한 EDM 기계가공성 지수를 결정하였다. 1117 강철 내로 버닝하는 시간 대 다른 시험 재료 내로 동일 면적을 버닝하는 데 필요한 시간의 비로서 기계가공성 지수 백분율을 계산하였다.

개시된 낮은 일정한 압력의 사출 성형기는 유리하게도 용이하게 기계가공 가능한 재료로 구성되는 주형을 채용한다. 그 결과, 개시된 낮은 일정한 압력의 사출 주형(및 따라서 개시된 낮은 일정한 압력의 사출 성형기)은 생산하기가 덜 고가이고 더 빠르다. 부가적으로, 개시된 낮은 일정한 압력의 사출 성형기는 보다 가요성인 지지 구조체 및 보다 조정 가능한 반송 구조체, 예를 들어 보다 넓은 플래튼(platen) 폭, 증가된 타이 바아(tie bar) 간격, 타이 바아의 제거, 보다 빠른 이동을 용이하게 하는 보다 경량의 구성, 및 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템을 채용할 수 있다. 따라서, 개시된 낮은 일정한 압력의 사출 성형기는 반송 요구에 맞도록 변경될 수 있으며, 특정의 성형되는 부품에 대해 보다 용이하게 맞춤화될 수 있다.

용어 "실질적으로", "약", 및 "대략"은, 달리 명시되지 않는 한, 임의의 정량 비교, 값, 측정값, 또는 다른 표현에 기인할 수 있는 내재적 불확실성 정도를 나타내기 위해 본 명세서에서 이용될 수 있음에 주목한다. 이러한 용어는 또한, 쟁점이 되는 주제의 기본적 기능의 변화를 야기함이 없이, 정량 표현이 언급된 기준으로부터 달라질 수 있는 정도를 나타내기 위해 본 명세서에서 이용된다. 본 명세서에 달리 정의되지 않는 한, 용어 "실질적으로", "약", 및 "대략"은 정량 비교, 값, 측정값, 또는 다른 표현이 언급된 기준의 20% 이내에 있을 수 있음을 의미한다.

본 명세서에서 개시된 실시 형태들 중 임의의 실시 형태의 부분, 부분들 또는 전부는 이하에서 기재된 것들을 포함하는 기술 분야에 공지된 다른 실시 형태의 부분, 부분들 또는 전부와 조합될 수 있다.

본 발명의 실시 형태들은, 본 명세서에 참고로 포함된, 2012년 5월 21일자로 출원되고 발명의 명칭이 "낮은 일정한 압력에서의 사출 성형을 위한 장치 및 방법(Apparatus and Method for Injection Molding at Low Constant Pressure)"(출원인의 케이스: 12127)이며 미국 특허 출원 공개 제2012-0294963 A1호로서 공개된 미국 특허 출원 제13/476,045호에 개시된 바와 같은 낮은 일정한 압력에서의 사출 성형을 위한 실시 형태들과 함께 사용될 수 있다.

본 발명의 실시 형태들은, 본 명세서에 참고로 포함된, 2012년 5월 21일자로 출원되고 발명의 명칭이 "낮은 일정한 압력의 사출 성형 장치를 위한 대안적 압력 제어(Alternative Pressure Control for a Low Constant Pressure Injection Molding Apparatus)"(출원인의 케이스: 12128)이며 미국 특허 출원 공개 제2012-0291885 A1호로서 공개된 미국 특허 출원 제13/476,047호에 개시된 바와 같은 압력 제어를 위한 실시 형태들과 함께 사용될 수 있다.

본 발명의 실시 형태는, 본 명세서에 참고로 포함된, 2012년 2월 24일자로 출원되고 발명의 명칭이 "간이화된 냉각 시스템을 갖는 사출 주형(Injection Mold Having a Simplified Cooling System)"(출원인의 케이스: 12129P)인 미국 특허 출원 제61/602,781호에 개시된 바와 같은 간이화된 냉각 시스템을 위한 실시 형태들과 함께 사용될 수 있다.

본 발명의 실시 형태들은, 본 명세서에 참고로 포함된, 2012년 5월 21일자로 출원되고 발명의 명칭이 "사출 성형 장치를 위한 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템("Non-Naturally Balanced Feed System for an Injection Molding Apparatus)"(출원인의 케이스: 12130)이며 미국 특허 출원 공개 제2012-0292823 A1호로서 공개된 미국 특허 출원 제13/476,073호에 개시된 바와 같은 비-자연적으로 균형화된 공급 시스템을 위한 실시 형태들과 함께 사용될 수 있다.

본 발명의 실시 형태들은, 본 명세서에 참고로 포함된, 2012년 5월 21일자로 출원되고 발명의 명칭이 "낮은 실질적으로 일정한 압력에서의 사출 성형을 위한 방법(Method for Injection Molding at Low, Substantially Constant Pressure)"(출원인의 케이스: 12131Q)이며 미국 특허 출원 공개 제2012-0295050 A1호로서 공개된 미국 특허 출원 제13/476,197호에 개시된 바와 같은 낮은 실질적으로 일정한 압력에서의 사출 성형을 위한 실시 형태들과 함께 사용될 수 있다.

본 발명의 실시 형태들은, 본 명세서에 참고로 포함된, 2012년 5월 21일자로 출원되고 발명의 명칭이 "낮은 실질적으로 일정한 압력에서의 사출 성형을 위한 방법(Method for Injection Molding at Low, Substantially Constant Pressure)"(출원인의 케이스: 12132Q)이며 미국 특허 출원 공개 제2012-0295049 A1호로서 공개된 미국 특허 출원 제13/476,178호에 개시된 바와 같은 낮은 실질적으로 일정한 압력에서의 사출 성형을 위한 실시 형태들과 함께 사용될 수 있다.

본 발명의 실시 형태는, 본 명세서에 참고로 포함된, 2013년 2월 12일자로 출원되고 발명의 명칭이 "간이화된 증발식 냉각 시스템 또는 신종 냉각 유체를 갖는 간이화된 냉각 시스템을 갖는 사출 주형(Injection Mold Having a Simplified Evaporative Cooling System or a Simplified Cooling System with Exotic Cooling Fluids)"(출원인의 케이스: 12453M)인 미국 특허 출원 제13/765,428호에 개시된 바와 같은 간이화된 냉각 시스템을 사용한 성형을 위한 실시 형태들과 함께 사용될 수 있다.

본 발명의 실시 형태들은, 본 명세서에 참고로 포함된, 2012년 5월 21일자로 출원되고 발명의 명칭이 "박벽 부품의 실질적으로 일정한 압력 사출 성형을 위한 방법 및 장치(Method and Apparatus for Substantially Constant Pressure Injection Molding of Thinwall Parts)"(출원인의 케이스: 12487)인 미국 특허 출원 제13/476,584호에 개시된 바와 같은 박벽 부품을 성형하기 위한 실시 형태들과 함께 사용될 수 있다.

본 발명의 실시 형태들은, 본 명세서에 참고로 포함된, 2012년 11월 8일자로 출원되고 발명의 명칭이 "페일 세이프 압력 기구를 갖는 사출 주형(Injection Mold With Fail Safe Pressure Mechanism)"(출원인의 케이스: 12657)인 미국 특허 출원 제13/672,246호에 개시된 바와 같은 페일 세이프 기구를 갖는 성형을 위한 실시 형태들과 함께 사용될 수 있다.

본 발명의 실시 형태들은, 본 명세서에 참고로 포함된, 2012년 11월 20일자로 출원되고 발명의 명칭이 "고 생산성 사출 성형기를 작동시키는 방법(Method for Operating a High Productivity Injection Molding Machine)"(출원인의 케이스: 12673R)인 미국 특허 출원 제13/682,456호에 개시된 바와 같은 고-생산성 성형을 위한 실시 형태들과 함께 사용될 수 있다.

본 발명의 실시 형태들은, 본 명세서에 참고로 포함된, 2012년 11월 20일자로 출원되고 발명의 명칭이 "열가소성 중합체 및 수소첨가 피마자유의 조성물을 성형하는 방법(Methods of Molding Compositions of Thermoplastic Polymer and Hydrogenated Castor Oil)"(출원인의 케이스: 12674P)인 미국 특허 출원 제61/728,764호에 개시된 바와 같은 소정 열가소성 물질을 성형하기 위한 실시 형태들과 함께 사용될 수 있다.

본 발명의 실시 형태들은, 본 명세서에 참고로 포함된, 2012년 11월 21일자로 출원되고 발명의 명칭이 "사출 주형 시스템을 위한 감소된 크기의 러너(Reduced Size Runner for an Injection Mold System)"(출원인의 케이스: 12677P)인 미국 특허 출원 제61/729,028호에 개시된 바와 같은 러너 시스템을 위한 실시 형태들과 함께 사용될 수 있다.

본 발명의 실시 형태들은, 본 명세서에 참고로 포함된, 1998년 3월 17일자로 출원되고 발명의 명칭이 "주형 공동 내로 용융된 재료를 사출하는 방법 및 장치(Method and Apparatus for Injecting a Molten Material into a Mold Cavity)"(출원인의 케이스: 12467CC)인 미국 특허 제5,728,329호에 개시된 바와 같은 성형 공정을 제어하는 실시 형태들과 함께 사용될 수 있다.

본 발명의 실시 형태들은, 본 명세서에 참고로 포함된, 1998년 2월 10일자로 출원되고 발명의 명칭이 "사출 제어 시스템(Injection Control System)"(출원인의 케이스: 12467CR)인 미국 특허 제5,716,561호에 개시된 바와 같은 성형 공정을 제어하는 실시 형태들과 함께 사용될 수 있다.

본 명세서에 예시 및 기술된 제품의 다양한 실시 형태들이 낮은 일정한 압력 사출 성형 공정에 의해 생산될 수 있음이 이제 명백해야 한다. 본 명세서에서 소비자 상품을 포함하는 제품 또는 소비자 상품 제품 자체에 대해 특히 언급되었지만, 본 명세서에 논의된 낮은 일정한 압력 사출 성형 방법은 소비자 상품 산업, 외식업, 운송업, 의료 산업, 완구 산업 등에서 사용하기 위한 제품과 관련하여 사용하기에 적합할 수 있음이 명백해야 한다.

본 명세서에 개시된 치수 및 값은, 기재된 정확한 수치 값으로 엄격히 한정하는 것으로 이해되어서는 안된다. 대신에, 달리 지정되지 않는다면, 각각의 이러한 치수는 열거된 값 및 그 값 근처의 기능적으로 동일한 범위 모두를 의미하는 것으로 의도된다. 예를 들어, "40 mm"로 기재된 치수는 "약 40 mm"를 의미하는 것으로 의도된다.

임의의 상호 참조된 또는 관련된 특허 또는 특허 출원을 포함하는 본 명세서에 인용된 모든 문서는 명백하게 배제되거나 달리 제한되지 않으면 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된다. 어떠한 문헌의 인용도, 그것이 본 명세서에 개시되거나 청구된 임의의 발명에 대한 종래 기술이라거나, 그것 단독으로, 또는 임의의 다른 참고 문헌 및 참고 문헌들과의 임의의 조합으로 임의의 그러한 발명을 교시하거나 제안하거나 개시함을 인정하는 것은 아니다. 또한, 본 명세서 내의 용어의 임의의 의미 또는 정의가 참고로 포함된 문헌의 동일한 용어의 임의의 의미 또는 정의와 상충될 경우, 본 명세서 내의 용어에 할당된 의미 또는 정의가 우선할 것이다.

본 발명의 특정 실시 형태들이 예시되고 설명되었지만, 다양한 다른 변경 및 수정이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있음이 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주 내에 있는 이러한 모든 변경과 수정을 첨부된 특허청구범위에 포함하고자 한다.

Claims (11)

1. 210 kJ/m hr℃ (30 BTU/HR FT℉) 초과의 평균 열전도율을 갖는 재료로 만들어진 다중 공동 주형; 제 1 재료 및 상이한 제 2 재료 중 적어도 하나를 상기 다중 공동 주형의 주형 공동 내로 반송하기 위한 제 1 게이트; 및 피스톤을 갖는 제어 시스템으로서, 41.4 MPa(6,000 psi) 미만이고 위 또는 아래로 30% 이하로 변동하는 실질적으로 일정한 낮은 사출 압력에서 상기 제 1 재료 및 제 2 재료 중 하나를 상기 주형 공동에 반송하도록 상기 피스톤을 작동시키는, 상기 제어 시스템을 갖는 공사출 성형 시스템(co-injection molding system)으로, 100 초과의 L/T 비(두께에 대한 길이의 비)를 갖는, 얇은 벽의 부품을 성형하는 방법에 있어서,
   상기 피스톤을 작동시켜서, 실질적으로 일정한 낮은 사출 압력에서 상기 제 1 재료 및 제 2 재료 중 적어도 하나의 재료를 상기 게이트에 반송하고, 사출 오리피스로부터 상기 주형 공동의 대향 단부까지 상기 적어도 하나의 재료를 충전하는 동안 상기 실질적으로 일정한 낮은 사출 압력을 유지시키는 단계를 포함하는
   얇은 벽 부품 성형 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 재료는 제 2 게이트를 통해 상기 주형 공동으로 반송되는
   얇은 벽 부품 성형 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 피스톤은, 상기 제 2 재료가 상기 주형 공동에 반송되기 전에, 상기 주형 공동으로의 상기 제 1 재료의 반송을 시작하도록 작동되는
   얇은 벽 부품 성형 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 제 1 재료의 유동 전면이 상기 제 2 게이트를 지나간 후, 상기 주형 공동으로의 상기 제 2 재료의 반송을 시작하는 단계를 더 포함하는
   얇은 벽 부품 성형 방법.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 주형 공동으로의 상기 제 1 재료의 반송을 종료하기 전에 상기 주형 공동으로의 상기 제 2 재료의 반송을 종료하는 단계를 더 포함하는
   얇은 벽 부품 성형 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 재료 및 제 2 재료 중 하나는 폴리락트산(PLA), 전분, 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 공장 폐기의 재활용 가능한 물질(post-industrial recyclables)(PIR), 및 소비자 폐기의 재활용 가능한 물질(post-consumer recyclables)(PCR)을 포함하는 군 중 적어도 하나를 포함하는
   얇은 벽 부품 성형 방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 재료 및 제 2 재료 중 하나는 에틸렌 비닐 알코올(EVOH)을 포함하는
   얇은 벽 부품 성형 방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 재료가 상기 제 1 재료에 의해 봉지(encapsulated)되기에 충분한, 상기 주형 공동으로의 상기 제 1 재료 및 제 2 재료의 반송 압력을 유지하도록 상기 제어 시스템을 작동시키는 단계를 더 포함하는
   얇은 벽 부품 성형 방법.
9. 제 1 항에 있어서,
   제 1 시간 구간 동안 상기 제 1 재료 및 제 2 재료의 일정한 상대적 반송 압력을 유지하도록 상기 제어 시스템을 작동시키는 단계와,
   제 2 시간 구간 동안 상기 제 2 재료에 비해 상기 제 1 재료의 반송 압력이 증가하도록 상기 제어 시스템을 작동시키는 단계를 더 포함하는
   얇은 벽 부품 성형 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 시간 구간 동안 상기 제 1 재료에 비해 상기 제 2 재료의 반송 압력이 증가하도록 상기 제어 시스템을 작동시킨 후, 제 3 시간 구간 동안 상기 제 1 재료에 비해 상기 제 2 재료의 반송 압력이 감소하도록 상기 제어 시스템을 작동시키는 단계를 더 포함하는
    얇은 벽 부품 성형 방법.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 3 시간 구간 동안 상기 제 1 재료에 비해 상기 제 2 재료의 반송 압력이 감소하도록 상기 제어 시스템을 작동시키는 단계에서, 상기 제 2 시간 구간 동안에 상기 제 1 재료에 비해 상기 제 2 재료의 반송 압력을 증가시켰던 양보다 더 큰 양만큼 상기 제 1 재료에 비해 상기 제 2 재료의 반송 압력을 감소시키는
    얇은 벽 부품 성형 방법.

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