KR20250092721A - In-mold coating mold and method for simultaneous injection molding and surface coating - Google Patents
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Abstract
본 발명은 사출성형과 표면코팅 동시구현을 위한 인몰드코팅 금형과 인몰드코팅 방법에 관한 것으로,
사출성형과 표면코팅을 동시에 구현할 수 있는 2개의 캐비티와 1개의 코어를 갖는 인몰드코팅 금형을 구비하여, 열가소성 수지를 사출성형하고, 성형품을 금형에서 취출하기 전에 액체 상태의 경화형 코팅제를 기재와 금형사이에 주입하여 금형 안에서 경화시키는 것에 의해 코팅층을 형성함으로써 사출성형과 표면코팅을 동시에 수행할 수 있도록 구성되어, 짧은 리드 타임에 균일한 품질로 대량의 제품 코팅이 가능하기 때문에 높은 생산속도를 얻을 수 있으며 코팅 두께 조절이 가능하여 불량률이 낮고 금형 표면의 전사성이 우수하여 미세한 형상을 재현할 수 있으며, 기재에서의 웰드라인이나 싱크마크와 같은 사출성형품 외관에 나타나는 불량을 보이지 않게 하는 효과와 경화반응에 의해 도막을 형성하기 때문에 성형과정이나 그 이후에도 휘발성 유기화합물(VOC)이 배출되지 않아 환경 부담이 적고, 코팅재가 모두 도막으로서 제품에 부착되기 때문에 폐기물의 발생도 감소되는 효과가 있다.The present invention relates to an in-mold coating mold and an in-mold coating method for simultaneous implementation of injection molding and surface coating.
The present invention relates to an in-mold coating mold having two cavities and one core capable of simultaneously performing injection molding and surface coating, wherein a thermoplastic resin is injection-molded, and a liquid-state curable coating agent is injected between the substrate and the mold before the molded product is taken out of the mold, thereby forming a coating layer, thereby enabling simultaneous performance of injection molding and surface coating, thereby enabling a high production speed since a large quantity of products can be coated with uniform quality in a short lead time, and since the coating thickness can be controlled, the defect rate is low, and since the transferability of the mold surface is excellent, fine shapes can be reproduced, and there is the effect of making invisible defects that appear on the appearance of injection-molded products, such as weld lines or sink marks on the substrate, and since a coating film is formed by a curing reaction, no volatile organic compounds (VOCs) are emitted during or after the molding process, which reduces the burden on the environment, and since the coating material is all attached to the product as a coating film, the generation of waste is also reduced.
Description
본 발명은 사출성형과 표면코팅 동시구현을 위한 인몰드코팅 금형과 인몰드코팅 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사출성형과 표면코팅을 동시에 구현할 수 있는 2개의 캐비티와 1개의 코어를 갖는 인몰드코팅 금형을 구비하여, 열가소성 수지를 사출성형하고, 성형품을 금형에서 취출하기 전에 액체 상태의 경화형 코팅제를 기재와 금형사이에 주입하여 금형 안에서 경화시키는 것에 의해 코팅층을 형성함으로써 사출성형과 표면코팅을 동시구현할 수 있도록 하는 인몰드코팅 금형 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an in-mold coating mold and an in-mold coating method for simultaneously implementing injection molding and surface coating, and more particularly, to an in-mold coating mold having two cavities and one core capable of simultaneously implementing injection molding and surface coating, wherein a thermoplastic resin is injection-molded, and before taking the molded product out of the mold, a liquid-state curable coating agent is injected between the substrate and the mold and cured within the mold to form a coating layer, thereby enabling simultaneous implementation of injection molding and surface coating, and a method therefor.
플라스틱은 저비용으로 대량생산에 유리하고, 가벼우며, 다양한 물성을 구현할 수 있기 때문에 국내외 산업을 주도하고 있는 대부분의 제품에서 핵심소재로 활용되고 있다. 그 중에서 가장 많은 성형품이 사출성형법에 의하여 생산되고 있다. 특히, 플라스틱 제품의 고급화와 다기능화 추세에 따라 자동차, 휴대폰, 가전뿐만 아니라 선박, 항공 및 건축 내외장재에 이르기까지 고광택, 다양한 색상구현 등 외관 중심의 제품 디자인에서 더 나아가 질감 및 촉감을 포함하는 고감성, 그리고 전자파 차단, 내스크래치성, 내화학성, 내후성 등 다양한 기능성을 구현하기 위하여 플라스틱 표면에 대한 코팅의 중요성이 더욱 커지고 있다.Plastics are utilized as core materials in most products leading domestic and international industries because they are advantageous for mass production at low cost, are lightweight, and can implement various physical properties. Among them, most molded products are produced by injection molding. In particular, with the trend toward high-end and multi-functional plastic products, the importance of coating on the surface of plastics is increasing in order to go beyond the product design centered on appearance, such as high gloss and various color implementation, to high sensitivity including texture and touch, and implement various functions, such as electromagnetic wave blocking, scratch resistance, chemical resistance, and weather resistance, not only for automobiles, mobile phones, and home appliances, but also for ships, aircraft, and interior and exterior building materials.
그러나 사출 성형 제품의 표면을 보호하고, 외관 품질, 광택, 내스크래치성, 내구성, 내후성 등을 향상시키기 위하여 대부분 모재가 되는 제품의 성형이 완료된 후 별도의 공정이 요구된다. 일반적으로 주로 사용되는 후 공정 중, 도금, 도장, 증착, 인쇄 등과 같은 표면처리 기술들은 사출 기재의 표면 상태 및 제조 환경에 영향을 많이 받을뿐더러 생산 단가 및 리드 타임을 상승시키고 유해물질로 인한 환경문제, 코팅 두께의 불균일성 등의 문제가 상존하고 있다.However, in order to protect the surface of injection molded products and improve the appearance quality, gloss, scratch resistance, durability, and weather resistance, a separate process is required after the molding of the parent product is completed. Surface treatment technologies such as plating, painting, deposition, and printing, which are commonly used post-processes, are not only greatly affected by the surface condition of the injection molded material and the manufacturing environment, but also increase the production cost and lead time, and there are always problems such as environmental problems due to hazardous substances and uneven coating thickness.
비교적 오래 전부터 이러한 문제들을 줄이기 위하여 사출성형 과정에 미리 원하는 형상으로 성형한 스킨재를 금형 내에 배치시켜 사출과 스킨재를 일체화시킨 인몰드 데코레이션(In-Mold Decoration: IMD), 인몰드 라벨(In-Mold Labeling: IML), 필름인서트성형(Film Insert Molding: FIM) 등과 같은 기술이 도입되어, 후 가공에 비해 공정 단계가 줄어들긴 하지만 이 또한 별도의 스킨재를 가공하여야 하며, 코팅두께를 줄일 수 없다는 단점이 있다.To reduce these problems, technologies such as in-mold decoration (IMD), in-mold labeling (IML), and film insert molding (FIM) have been introduced for a relatively long time, which integrate the injection molding and skin material by placing the skin material molded into the desired shape in advance during the injection molding process inside the mold. Although this reduces the number of process steps compared to post-processing, it also has the disadvantage of requiring separate processing of the skin material and being unable to reduce the coating thickness.
상술한 바와 같이 스킨재의 준비가 필요한 선행기술로는 하기의 특허문헌 (1)에 기재된 "필름을 인서트하여 성형하는 패널을 제조하기 위한 방법 및 이의 제조에 사용되는 금형"을 들 수 있다. 상기 특허문헌 (1)의 발명은 필름(F)을 사출기의 상부형판에 고정한 상부금형(100)과 하부형판에 고정한 하부금형(200)이 이루는 파팅라인(PL)으로 인서트하여 사출기의 노즐과 스프루부시(110)를 통해 유입되는 수지가 상하부판에 수용된 상하부코어의 캐비티공간내로 주입되며 냉각과정을 거친 후에 취출함으로써 패널을 성형한다. 사출성형과 표면코팅 동시구현이 가능한 본 발명과는 달리 필름을 미리 준비하여야 하는 불편함이 있다.As a prior art requiring preparation of a skin material as described above, there may be mentioned "Method for manufacturing a panel by inserting and molding a film and a mold used in manufacturing the same" described in the following patent document (1). The invention of the above patent document (1) inserts a film (F) into a parting line (PL) formed by an upper mold (100) fixed to an upper platen of an injection molding machine and a lower mold (200) fixed to a lower platen, and a resin introduced through a nozzle and a sprue bush (110) of the injection molding machine is injected into the cavity space of the upper and lower cores accommodated in the upper and lower plates, and is taken out after a cooling process, thereby forming a panel. Unlike the present invention which can simultaneously implement injection molding and surface coating, there is an inconvenience in that the film must be prepared in advance.
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 열가소성 수지를 사출성형하고, 성형품을 금형에서 취출하기 전에 액체 상태의 경화형 코팅제를 기재와 금형사이에 주입하여 금형 안에서 경화시킴으로써, 사출성형과 표면코팅을 동시에 구현할 수 있도록 하는 인몰드코팅 금형과 인몰드코팅 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention is intended to solve the problems of the above-described prior art, and provides an in-mold coating mold and an in-mold coating method that enable injection molding and surface coating to be implemented simultaneously by injection-molding a thermoplastic resin, and injecting a liquid-state curable coating agent between a substrate and a mold and curing it within the mold before taking the molded product out of the mold.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명의 사출성형과 표면코팅 동시구현을 위한 인몰드코팅 금형은, 기재가 성형되는 가동측코어와 경화형 코팅재 주입유로가 구비되는 가동측금형;과, 상기 가동측금형과 대향하는 면에 기재용 캐비티와 코팅용 캐비티가 형성되어 기재용 캐비티와 코팅용 캐비티를 선택하여 성형할 수 있도록 슬라이딩되는 슬라이딩 플레이트와, 열가소성수지 주입유로가 구비된 고정측금형;을 포함하여 구성되어, 상기 열가소성수지 주입유로를 통해 기재용 캐비티에 열가소성수지를 주입하여 냉각시키고, 상기 열가소성수지의 기재가 고형화된 후 고정측금형을 가동측금형으로부터 이격시키며, 상기 슬라이딩 플레이트를 이용하여 고정측금형을 슬라이딩시켜, 상기 고정측금형과 상기 코팅용 캐비티를 대향시키고, 기재가 붙어있는 상기 가동측금형을 닫은 후, 상기 경화형 코팅재 주입유로를 통해 코팅재를 기재 표면과 코팅용 캐비티 사이의 공간으로 주입하여 금형 안에서 코팅재를 경화시켜 상기 기재상에 코팅층을 형성하도록 구성된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the technical task described above, the in-mold coating mold for simultaneous injection molding and surface coating of the present invention comprises: a movable mold having a movable core in which a substrate is molded and a hardening coating material injection channel; a sliding plate having a substrate cavity and a coating cavity formed on a surface opposite to the movable mold so that the substrate cavity and the coating cavity can be selected and molded; and a fixed mold having a thermoplastic resin injection channel; a thermoplastic resin is injected into the substrate cavity through the thermoplastic resin injection channel and cooled; after the substrate of the thermoplastic resin is solidified, the fixed mold is separated from the movable mold; the fixed mold is slid using the sliding plate so that the fixed mold and the coating cavity face each other, and the movable mold to which the substrate is attached is closed, and the coating material is applied to the surface of the substrate and the coating material through the hardening coating material injection channel. It is characterized by being configured to form a coating layer on the substrate by injecting the coating material into the space between the cavities and curing it inside the mold.
또한, 상기 고정측금형에는 상부 플레이트에 냉각 채널이 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the fixed-side mold is characterized in that a cooling channel is formed in the upper plate.
또한, 상기 고정측금형에는 경화형 코팅재 주입 유로 부분에 2개의 압력센서가 장착되는 것을 특징으로 한다.In addition, the fixed-side mold is characterized in that two pressure sensors are mounted in the curable coating material injection path portion.
또한, 상기 기재는 상부면 양측과 양측면 각각에 코팅재 누출 방지를 위한 실링 엣지가 성형되는 것을 특징으로 한다.In addition, the above-mentioned device is characterized in that a sealing edge is formed on each of the upper surface and both sides to prevent leakage of the coating material.
또한, 상기 가동측금형에는 코어 금형이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.In addition, the movable side mold is characterized in that a core mold is installed.
또한, 상기 믹싱헤드가 상기 가동측금형에 대하여 3 ~ 7°기울어지게 조립된 것을 특징으로 한다.In addition, it is characterized in that the mixing head is assembled at an angle of 3 to 7° with respect to the movable mold.
또한, 상기 경화형 코팅재 주입유로는 깊이가 04~10 mm 범위인 것을 특징으로 한다.In addition, the injection path for the cured coating material is characterized by having a depth in the range of 04 to 10 mm.
또한, 본 발명의 사출성형과 표면코팅 동시구현을 위한 인몰드코팅 방법은 기재가 성형되는 가동측코어와 경화형 코팅재 주입유로가 구비되는 가동측금형;과, 상기 가동측금형과 대향하는 면에 기재용 캐비티와 코팅용 캐비티가 형성되어 기재용 캐비티와 코팅용 캐비티를 선택하여 성형할 수 있도록 슬라이딩되는 슬라이딩In addition, the in-mold coating method for simultaneous injection molding and surface coating of the present invention comprises: a movable mold having a movable core in which a substrate is molded and a curable coating material injection path; and a sliding member formed on a surface facing the movable mold so that the substrate cavity and the coating cavity can be selected and molded.
플레이트와, 열가소성수지 주입유로가 구비된 고정측금형을 포함하는 인몰드코팅 금형을 이용한 인몰드코팅 방법에 있어서, 상기 열가소성수지 주입유로를 통해 기재용 캐비티에 수지를 주입하고 냉각시키는 냉각과정, 상기 열가소성수지의 기재가 고형화된 후 고정측금형을 가동측금형으로부터 이격시킨 후, 고정측금형을 슬라이딩 이동시키고 기재가 붙어있는 가동측금형을 닫는 코팅용 캐비티 이동과정, 경화형 코팅재 주입유로를 통해 코팅재를 기재 표면과 고정측 캐비티 사이의 공간으로 주입하고 금형 안에서 코팅재를 경화시켜 상기 기재상에 코팅층을 형성하는 코팅과정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.A method for in-mold coating using an in-mold coating mold including a fixed mold having a plate and a thermoplastic resin injection channel, the method comprising: a cooling process of injecting resin into a substrate cavity through the thermoplastic resin injection channel and cooling it; a coating cavity moving process of separating the fixed mold from the movable mold after the thermoplastic resin substrate is solidified, slidingly moving the fixed mold, and closing the movable mold to which the substrate is attached; and a coating process of injecting a coating material into the space between the substrate surface and the fixed cavity through a curable coating material injection channel and curing the coating material inside the mold to form a coating layer on the substrate.
또한, 상기 경화형 코팅재는 폴리우레탄으로서 주제인 폴리올(Polyol)과 경화제인 이소시아네이트(Isocyanate)로 구성되며, 코팅표면 경도를 쇼어(Shore) A 80이상으로 유지하기 위하여 상기 주제와 경화제의 혼합비율을 100:130 내지 100:180으로 하는 것을 특징으로 한다.In addition, the curable coating material is composed of a polyol as a main agent and an isocyanate as a curing agent as a polyurethane, and is characterized in that the mixing ratio of the main agent and the curing agent is 100:130 to 100:180 in order to maintain the coating surface hardness at Shore A 80 or higher.
또한, 본 발명은 상기 기재의 상부면 양측과 양측면 각각에 코팅재 누출 방지를 위한 실링 엣지를 성형하는 실링 엣지 성형과정을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is characterized by further including a sealing edge forming process for forming a sealing edge on each of the upper surface and both sides of the above-described substrate to prevent leakage of the coating material.
또한, 상기 경화형 코팅재 주입유로의 깊이는 04~10 mm 범위인 것을 특징으로 한다.In addition, the depth of the injection path for the cured coating material is characterized by being in the range of 04 to 10 mm.
상술한 구성의 본 발명은 짧은 리드 타임에 균일한 품질로 대량의 제품 코팅이 가능하기 때문에 높은 생산속도를 얻을 수 있으며 코팅 두께 조절이 가능하여 불량률이 낮고 금형 표면의 전사성이 우수하여 미세한 형상을 재현할 수 있으며, 기재에서의 웰드라인이나 싱크마크와 같은 사출성형품 외관에 나타나는 불량을 보이지 않게 해주는 효과를 제공한다.The present invention having the above-described configuration enables a high production speed because a large quantity of products can be coated with uniform quality in a short lead time, and the coating thickness can be controlled so that the defect rate is low, and the transferability of the mold surface is excellent so that a fine shape can be reproduced, and provides the effect of making defects that appear on the appearance of an injection-molded product, such as weld lines or sink marks on a substrate, invisible.
또한, 본 발명은 경화반응에 의해 도막을 형성하기 때문에 성형과정이나 그 이후에도 휘발성 유기화합물(VOC)이 배출되지 않아 환경 부담이 적고, 코팅재가 모두 도막으로서 제품에 부착되기 때문에 폐기물의 발생도 감소되는 효과를 제공한다.In addition, since the present invention forms a coating film by a curing reaction, no volatile organic compounds (VOCs) are emitted during the molding process or thereafter, thereby reducing the environmental burden. In addition, since the coating material is attached to the product as a coating film, the generation of waste is also reduced.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기재 사출성형을 위한 금형구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기재 표면을 인몰드코팅하기 위한 금형구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 경화형 코팅재 주입유로 부분에 설치된 2개의 압력센서를 나타낸 그림이다.
도 4는 기재 및 코팅층을 나타내는 단면도이다.
도 5는 코팅재 주입 유로인 경화형 코팅재 주입유로의 설계 변수를 나타내는 단면도이다.
도 6은 유로의 깊이에 따른 경화형 코팅재의 유동선단의 형상을 나타내는 그림이다.
도 7은 유로의 깊이 변화에 따라 소요되는 입구에서의 주입 압력을 나타내는 그래프이다.
도 8은 주입 유로의 깊이를 06mm로 고정하고, 폭을 변화시켰을때의 유동선단의 형상을 나타낸 그림이다.
도 9는 주입 유로의 깊이를 06mm로 고정하고, 폭을 변화시켰을때의 주입 압력 변화를 나타낸 그림이다.
도 10은 도 2에서 도시된 단면 A-A'에서의 코팅재 주입 유로와 금형 캐비티 블록을 나타낸 단면도이다.
도 11은 도 2에서 도시된 단면 B-B'을 나타낸 단면도이다.
도 12는 본 발명의 인몰드코팅 금형으로서, (a) 고정측금형, (b) 가동측금형을 나타낸 사진이다.
도 13은 전체 토출유량의 변화에 따라 믹싱헤드의 노즐에서 측정된 노즐 압력값을 나타낸 그래프이다.
도 14는 코팅재 미성형 실험을 통한 유동패턴과 실링엣지가 있는 또는 없는 형상으로 유동해석을 한 유동패턴 결과를 나타낸 그림이다.
도 15는 코팅재의 진전거동을 파악하기 위하여 코팅재 주입 후 15초 이후 취출한 샘플을 나타낸 사진이다.
도 16은 폴리올과 이소시아네이트의 토출유량을 고정시킨 상태에서 코팅재 주입량을 변화시켰을 경우에 측정한 기포량을 나타낸 그림이다.
도 17은 코팅재 주입량에 따라 표면에 생성된 기포직경의 전체 합을 나타낸 그래프이다.
도 18은 코팅재 주입량을 고정시킨 상태에서 전체 토출유량에 따른 기포크기 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 19는 토출유량에 따른 표면 외관의 변화를 나타낸 사진이다.
도 20은 믹싱헤드가 가동측 코어 금형에 조립된 모습을 나타내는 그림이다.Fig. 1 is a cross-sectional view showing a mold structure for injection molding of a substrate according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a mold structure for in-mold coating a substrate surface according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a drawing showing two pressure sensors installed in the injection path of the curable coating material.
Figure 4 is a cross-sectional view showing the substrate and coating layer.
Figure 5 is a cross-sectional view showing the design variables of a curable coating material injection path, which is a coating material injection path.
Figure 6 is a drawing showing the shape of the flow front of a curable coating material according to the depth of the euro.
Figure 7 is a graph showing the injection pressure at the inlet required according to the change in depth of the euro.
Figure 8 is a drawing showing the shape of the flow front when the depth of the injection path is fixed at 0.6 mm and the width is changed.
Figure 9 is a drawing showing the change in injection pressure when the depth of the injection path is fixed at 0.6 mm and the width is changed.
Fig. 10 is a cross-sectional view showing the coating material injection path and the mold cavity block in section A-A' illustrated in Fig. 2.
Fig. 11 is a cross-sectional view showing section B-B' shown in Fig. 2.
Fig. 12 is a photograph showing (a) a fixed-side mold and (b) a movable-side mold as an in-mold coating mold of the present invention.
Figure 13 is a graph showing the nozzle pressure value measured at the nozzle of the mixing head according to the change in the total discharge flow rate.
Figure 14 is a drawing showing the flow pattern through a coating material non-forming experiment and the flow pattern result of a flow analysis with or without a sealing edge.
Figure 15 is a photograph showing a sample taken 15 seconds after coating material injection to determine the progress behavior of the coating material.
Figure 16 is a graph showing the amount of bubbles measured when the amount of coating material injected was changed while the discharge flow rates of polyol and isocyanate were fixed.
Figure 17 is a graph showing the total sum of bubble diameters generated on the surface according to the amount of coating material injected.
Figure 18 is a graph showing the results of measuring bubble size according to the total discharge flow rate while fixing the coating material injection amount.
Figure 19 is a photograph showing the change in surface appearance according to the discharge flow rate.
Figure 20 is a drawing showing the mixing head assembled on the movable side core mold.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings showing embodiments of the present invention.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In describing the present invention below, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.
도 1은 기재 사출성형을 위한 금형구조를 나타낸 단면도이고, 도 2는 기재 표면을 인몰드코팅하기 위한 금형구조를 나타낸 단면도로서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르는 인몰드코팅 금형(10)은 기재(150)가 성형되는 가동측코어(160)와 경화형 코팅재 주입유로(145)가 구비되는 가동측금형(200)과 상기 가동측금형(200)과 대향하는 면에 기재용 캐비티(130)와 코팅용 캐비티(140)가 형성되어 슬라이딩되는 슬라이딩 플레이트(180)와, 열가소성수지 주입유로(112)가 구비된 고정측금형(100)을 포함하여 구성되어, 상기 열가소성수지 주입유로(112)를 통해 기재용 캐비티(130)에 열가소성수지를 주입하여 냉각시키고, 상기 열가소성수지의 기재(150)가 고형화된 후 고정측금형(100)을 가동측금형(200)으로부터 이격시키며, 상기 슬라이딩 플레이트(180)를 이용하여 고정측금형(100)을 슬라이딩시켜, 상기 고정측금형(100)과 상기 코팅용 캐비티(140)를 대향시키고, 기재(150)가 붙어있는 상기 가동측금형(200)을 닫고, 상기 경화형 코팅재 주입유로(145)를 통해 코팅재를 기재 표면과 코팅용 캐비티(140) 사이의 공간으로 주입하여 금형 안에서 코팅재를 경화시켜 상기 기재(150)상에 코팅층(135)을 형성하는 것에 의해 기재(150)와 코팅층(135)을 일체로 형성하여 사출성형과 표면코팅을 동시에 수행할 수 있도록 한다.FIG. 1 is a cross-sectional view showing a mold structure for injection molding of a substrate, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing a mold structure for in-mold coating a surface of a substrate. As shown in FIGS. 1 and 2, an in-mold coating mold (10) according to the present invention comprises a movable-side mold (200) having a movable-side core (160) in which a substrate (150) is molded and a hardened coating material injection path (145), a sliding plate (180) in which a substrate cavity (130) and a coating cavity (140) are formed on a surface facing the movable-side mold (200) and which slides, and a fixed-side mold (100) having a thermoplastic resin injection path (112), so that a thermoplastic resin is injected into the substrate cavity (130) through the thermoplastic resin injection path (112) and cooled, and the substrate (150) of the thermoplastic resin is After solidification, the fixed-side mold (100) is separated from the movable-side mold (200), the fixed-side mold (100) is slid using the sliding plate (180), so that the fixed-side mold (100) and the coating cavity (140) are faced each other, the movable-side mold (200) to which the substrate (150) is attached is closed, and the coating material is injected into the space between the substrate surface and the coating cavity (140) through the hardening coating material injection path (145), thereby hardening the coating material inside the mold to form a coating layer (135) on the substrate (150), thereby forming the substrate (150) and the coating layer (135) as one unit, so that injection molding and surface coating can be performed simultaneously.
상기 고정측금형(100)에는 상부 플레이트(110)에 냉각 채널(102)이 형성되고, 슬라이딩 플레이트(180)에 기재용 캐비티 금형(130)과 코팅용 캐비티 금형(140)이 부착되어 있으며, 상기 슬라이딩 플레이트(180) 작동을 위해 유압실린더(170)가 장착된다.In the fixed-side mold (100) above, a cooling channel (102) is formed in the upper plate (110), a cavity mold for substrate (130) and a cavity mold for coating (140) are attached to a sliding plate (180), and a hydraulic cylinder (170) is mounted for operating the sliding plate (180).
또한, 상기 고정측금형(100)에는 경화형 코팅재의 유동에 의한 캐비티 내부 압력 측정을 위하여 경화형 코팅재 주입 유로(145) 부분에 2개의 압력센서(240)가 장착된다.In addition, two pressure sensors (240) are mounted on the hardening coating material injection path (145) of the fixed-side mold (100) to measure the pressure inside the cavity due to the flow of the hardening coating material.
상술한 금형에 의해 성형된 기재(150)에는 상부면의 양측과 양측면 각각에 실링엣지(120)가 성형되는데, 이는 폴리우레탄 코팅재가 열가소성 수지의 1/10,000 ~ 1/100,00 배의 매우 낮은 점도를 갖고 사출표면과 금형 사이에 주입되는 때에 파팅면에서 누설이 발생하는 것을 방지하기 위한 것이다.The substrate (150) molded by the mold described above is provided with sealing edges (120) molded on both sides of the upper surface and on both sides, which is to prevent leakage from occurring at the parting surface when the polyurethane coating material has a very low viscosity of 1/10,000 to 1/100,00 times that of a thermoplastic resin and is injected between the injection surface and the mold.
상기 가동측금형(200)에는 코어 금형(160)이 설치된다.A core mold (160) is installed in the above movable mold (200).
또한, 도 20과 같이 경화형 코팅재 주입기인 믹싱헤드(250)는 상기 가동측금형(200)에 대하여 3 ~ 7°기울어지게 조립되는 것이 바람직하다. 2 액형 폴리우레탄 혼합을 위한 믹싱헤드(250)는 사출기 내에 장착된 장비가 아니기 때문에 금형 내에 부착되어야 하며, 코팅 캐비티(140)와 믹싱헤드(250)가 완전히 밀착될 수 있도록 믹싱헤드(250)가 가동측 코어 금형(160)에 대하여 상기와 같이 기울어지게 조립된다.In addition, as shown in Fig. 20, the mixing head (250), which is a curable coating material injector, is preferably assembled at an angle of 3 to 7° with respect to the movable side mold (200). Since the mixing head (250) for mixing two-component polyurethane is not a device mounted inside the injection molding machine, it must be attached inside the mold, and the mixing head (250) is assembled at an angle with respect to the movable side core mold (160) as described above so that the coating cavity (140) and the mixing head (250) can be completely in close contact.
상기 경화형 코팅재 주입유로(145)의 깊이는 04~10 mm 범위를 갖는다.The depth of the above-mentioned hardened coating material injection path (145) is in the range of 04 to 10 mm.
다음으로 본 발명의 사출성형 과정 및 코팅 과정을 포함하는 인몰드코팅 방법은, 기재(150)가 성형되는 가동측코어(160)와 경화형 코팅재 주입유로(145)가 구비되는 가동측금형(200)과 상기 가동측금형(200)과 대향하는 면에 기재용 캐비티(130)와 코팅용 캐비티(140)가 형성되어 슬라이딩되는 슬라이딩 플레이트(180)와, 열가소성수지 주입유로(112)가 구비된 고정측금형(100)을 포함하는 인몰드코팅 금형(10)을 이용한 인몰드코팅 방법에 있어서, 상기 열가소성수지 주입유로(112)를 통해 기재용 캐비티(130)에 수지를 주입하고 냉각시키는 냉각과정, 상기 열가소성수지의 기재(150)가 고형화된 후 고정측금형(100)을 가동측금형(200)으로부터 이격시킨 후, 고정측금형(100)을 슬라이딩 이동시키고 기재(150)가 붙어있는 가동측금형(200)을 닫는 코팅용 캐비티(140) 이동과정,Next, the in-mold coating method including the injection molding process and the coating process of the present invention is an in-mold coating method using an in-mold coating mold (10) including a movable side mold (200) provided with a movable side core (160) in which a substrate (150) is molded and a hardening coating material injection channel (145), a sliding plate (180) in which a substrate cavity (130) and a coating cavity (140) are formed on a surface facing the movable side mold (200) and slide, and a fixed side mold (100) provided with a thermoplastic resin injection channel (112), the method comprising: a cooling process in which resin is injected into the substrate cavity (130) through the thermoplastic resin injection channel (112) and cooled; after the thermoplastic resin substrate (150) is solidified, the fixed side mold (100) is separated from the movable side mold (200); The process of moving the coating cavity (140) by sliding the fixed side mold (100) and closing the movable side mold (200) to which the substrate (150) is attached.
경화형 코팅재 주입유로(145)를 통해 코팅재를 기재(150) 표면과 고정측 캐비티 사이의 공간으로 주입하고 금형 안에서 코팅재를 경화시켜 상기 기재(150)상에 코팅층(135)을 형성하는 과정으로 이루어진다.It consists of a process of injecting a coating material into the space between the surface of a substrate (150) and a fixed-side cavity through a hardening coating material injection path (145) and hardening the coating material inside a mold to form a coating layer (135) on the substrate (150).
다시말해, 1차 사출된 기재(150)가 가동측에 설치된 코어(160)에 부착되어 있는 상태로 금형이 열리고, 유압실린더(170)를 작동시켜 고정측에 설치된 슬라이딩 플레이트(180)를 이동시켜 코팅용 캐비티(140)와 기재(150)가 부착되어 있는 가동측 코어 금형(200)을 결합시킨다. 이후, 가동측코어 금형(200) 하단부에 장착된 믹싱헤드(250)를 통해 경화형 코팅재를 주입하여 기재 표면을 코팅할 수 있도록 하였다.In other words, the mold is opened while the first-injected substrate (150) is attached to the core (160) installed on the movable side, and the hydraulic cylinder (170) is operated to move the sliding plate (180) installed on the fixed side to combine the coating cavity (140) and the movable-side core mold (200) to which the substrate (150) is attached. Thereafter, a curable coating material is injected through the mixing head (250) installed on the lower part of the movable-side core mold (200) to coat the surface of the substrate.
상기 인몰드코팅 방법은, 상기 경화형 코팅재 주입과정에서 상기 기재(150)의 상부면 양측과 양측면 각각에 실링 엣지(120)를 성형하는 실링 엣지 성형과정을 더 포함한다.The above-described in-mold coating method further includes a sealing edge forming process of forming a sealing edge (120) on both sides of the upper surface and both sides of the substrate (150) during the process of injecting the curable coating material.
또한, 상기 인몰드코팅 방법은 상기 경화형 코팅재 주입유로(145)의 깊이가 04~10 mm 범위인 것을 특징으로 한다.In addition, the in-mold coating method is characterized in that the depth of the curable coating material injection path (145) is in the range of 04 to 10 mm.
상기 코팅 과정에 사용되는 경화형 코팅재는 주제와 경화제로 구성되며, 코팅표면 경도를 쇼어(Shore) A 80이상으로 유지하기 위하여 상기 주제와 경화제의 혼합비율이 100:130 내지 100:180인 것이 바람직하다.The curable coating material used in the above coating process is composed of a subject and a curing agent, and in order to maintain the coating surface hardness at Shore A 80 or higher, it is preferable that the mixing ratio of the subject and the curing agent is 100:130 to 100:180.
상기 경화형 코팅재는 폴리우레탄을 사용하는 것이 바람직하며, 폴리우레탄은 온도가 낮은 경우 점도가 매우 높기 때문에 유동성이 좋지 않고 혼합이 제대로 이루어지지 않으며, 반대로 온도가 너무 높을 경우에는 경화로 인해 성형이 어려워진다. 따라서, 인몰드코팅에서 주제와 경화제를 일정 비율로 균일하게 혼합하는 장비인 믹싱헤드(250)가 필요한데, 이는 화학 반응과 물성 등에 영향을 주고 기포 발생을 최소화시킬 수 있기 때문이다.The above-mentioned curable coating material preferably uses polyurethane, and since polyurethane has a very high viscosity when the temperature is low, the fluidity is not good and mixing is not done properly, and on the contrary, when the temperature is too high, molding becomes difficult due to curing. Therefore, a mixing head (250), which is equipment that evenly mixes the main agent and the curing agent at a certain ratio, is required in in-mold coating, because this can affect chemical reactions and physical properties and minimize bubble generation.
또한, 코팅재 혼합 과정에서 발생하는 기포를 제거하기 위하여 코팅재가 가장 늦게 채워지는 상부에 오버플로우(115) 영역이 설치된다. 오버플로우(115)는 코팅재의 유동 방향을 제어하고, 기포를 제거한다.In addition, in order to remove air bubbles generated during the coating material mixing process, an overflow (115) area is installed at the top where the coating material is filled the latest. The overflow (115) controls the flow direction of the coating material and removes air bubbles.
믹싱헤드(250)의 토출부와 연결된 코팅재 주입구를 통과한 코팅재는 순차적이면서 균일한 유동을 만족하여야 하며, 코팅재가 사출 기재 표면을 흘러 제품 표면 내에 기포를 오버플로우(115) 영역으로 밀고 나갈 수 있도록 유로를 설계하는 것이 중요하다.The coating material passing through the coating material injection port connected to the discharge portion of the mixing head (250) must satisfy sequential and uniform flow, and it is important to design the flow path so that the coating material can flow over the surface of the injection material and push out air bubbles within the product surface to the overflow (115) area.
상기 주제는 폴리올을 사용하는 것이 바람직하고, 상기 경화제는 이소시아네이트를 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되지 아니한다.The above subject matter preferably uses polyol, and the above curing agent preferably uses isocyanate, but is not limited thereto.
또한, 폴리우레탄 코팅 공정은 적정 온도 유지에 민감하기 때문에 코팅재가 맞닿는 고정측 캐비티(100) 내 히팅 채널을 가동측 코어(200) 내 히팅 채널보다 제품부에 가깝게 설치되는 것이 바람직하다.In addition, since the polyurethane coating process is sensitive to maintaining an appropriate temperature, it is preferable that the heating channel in the fixed-side cavity (100) where the coating material comes into contact be installed closer to the product section than the heating channel in the movable-side core (200).
상기에서 상세히 설명한 본 발명에 따른 인몰드코팅 금형(10)과 인몰드코팅 방법에 의하면, 짧은 리드 타임에 균일한 품질로 대량의 제품 코팅이 가능하기 때문에 높은 생산속도를 얻을 수 있으며, 코팅 두께 조절이 가능하여 불량률이 낮고 금형 표면의 전사성이 우수하여 미세한 형상을 재현할 수 있다.According to the in-mold coating mold (10) and the in-mold coating method according to the present invention described in detail above, a high production speed can be obtained because a large quantity of products can be coated with uniform quality in a short lead time, and the coating thickness can be controlled so that the defect rate is low, and the transferability of the mold surface is excellent so that a fine shape can be reproduced.
또한, 기재에서의 웰드라인이나 싱크마크와 같은 사출성형품 외관에 나타나는 불량을 보이지 않게 해주고, 경화 반응에 의해 도막을 형성하기 때문에 성형과정이나 그 이후에도 휘발성 유기화합물(VOC)이 배출되지 않아 환경부담이 적고, 코팅재가 모두 도막으로서 제품에 부착되기 때문에 폐기물의 발생도 감소되는 효과를 나타낸다.In addition, it makes it possible to hide defects that appear on the appearance of injection-molded products, such as weld lines or sink marks, and because it forms a coating film through a curing reaction, no volatile organic compounds (VOCs) are emitted during or after the molding process, which reduces the environmental burden. In addition, because the coating material is attached to the product as a coating film, it also has the effect of reducing the generation of waste.
아래에서 본 발명에 대해 실시예를 기초로 하여 상세하게 설명한다. 제시된 실시예는 예시적인 것으로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.Below, the present invention is described in detail based on examples. The presented examples are illustrative and are not intended to limit the scope of the present invention.
<실시예 1> 금형 설계 및 제작<Example 1> Mold design and manufacturing
적용모델은 70mmx70mm 인 사각평판이며, 기재(150) 두께 14mm, 코팅층(135) 두께 02mm 이다.The applicable model is a square plate measuring 70 mm x 70 mm, with a substrate (150) thickness of 14 mm and a coating layer (135) thickness of 02 mm.
도 1은 기재 사출성형을 위한 금형구조를 나타내며, 고정측에 캐비티금형(130, 140), 가동측에 코어금형(160)을 설치하였다. 그리고, 도 2는 기재 표면을 인몰드 코팅하기 위한 금형구조를 나타낸 것으로, 기재(150)가 가동측Fig. 1 shows a mold structure for injection molding of a substrate, in which a cavity mold (130, 140) is installed on the fixed side and a core mold (160) is installed on the movable side. In addition, Fig. 2 shows a mold structure for in-mold coating the surface of a substrate, in which a substrate (150) is installed on the movable side.
에 설치된 코어(160)에 부착되어 있는 상태에서, 유압실린더(170)를 작동시켜 고정측에 설치된 슬라이딩 플레이트(180)를 이동시키고 코팅용 캐비티(140)를 코어(160)와 결합시킨다. 이어서, 믹싱헤드(250)를 통해 코팅재를 주입하고 기재 표면에 코팅층(135)을 형성시킬 수 있도록 설계하였다.While attached to the core (160) installed on the fixed side, the hydraulic cylinder (170) is operated to move the sliding plate (180) installed on the fixed side and combine the coating cavity (140) with the core (160). Then, the coating material is injected through the mixing head (250) and the coating layer (135) is formed on the surface of the substrate.
도 3은 경화형 코팅재 주입유로(145) 부분에 설치된 2개의 압력센서(240)를 나타낸 것으로, 경화형 코팅재의 유동에 의한 캐비티 내부 압력 측정을 위한 것이다.Figure 3 shows two pressure sensors (240) installed in the curable coating material injection path (145) to measure the pressure inside the cavity due to the flow of the curable coating material.
도 4는 기재(150) 및 코팅층(135)을 나타내는 단면도로서, 열가소성 수지의 기재(150), 코팅재 주입유로(145) 및 오버플로우(115) 영역을 나타내고 있다. 기재 사출성형을 위하여 코팅재 유동을 방해하지 않도록 길이 110mm의 다이렉트 게이트(125)를 우측면에 설치하였으며, 기포를 제거하기 위하여 코팅재가 가장 늦게 채워지는 상부에 오버플로우(115) 영역을 설치하였다.Fig. 4 is a cross-sectional view showing a substrate (150) and a coating layer (135), showing a thermoplastic resin substrate (150), a coating material injection path (145), and an overflow (115) region. In order to perform injection molding of the substrate, a direct gate (125) having a length of 110 mm was installed on the right side so as not to impede the flow of the coating material, and an overflow (115) region was installed at the top where the coating material is filled the latest to remove air bubbles.
믹싱헤드(250)가 체결되는 주입구를 통과한 코팅재가 균일한 유동을 만족하며 기재표면을 흐르도록 코팅재 주입유로(145)를 설계하였고, 도 5에 나타난 코팅재 주입유로(145)의 깊이(D)와 폭(W)을 변화시키면서 Sigmasoft를 사용하여 코팅재 유동해석을 수행하였다. 이때 코팅재의 점도는 119 mPas이고, 유량은 377g/s 였다. The coating material injection path (145) was designed so that the coating material passing through the injection port to which the mixing head (250) is connected flows on the surface of the substrate while satisfying uniform flow, and the coating material flow analysis was performed using Sigmasoft while changing the depth (D) and width (W) of the coating material injection path (145) shown in Fig. 5. At this time, the viscosity of the coating material was 119 mPas and the flow rate was 377 g/s.
도 6은 유로의 깊이에 따른 코팅재 유동선단의 형상을 나타낸 것으로서, 유로깊이가 작을 경우에는 측면에 비해 중앙부에서의 유동이 빠르게 나타나며, 깊이가 06mm 이상일 경우에는 중앙부 유동이 오히려 느리게 진행하고 있음을 알 수 있었다. 코팅재의 유동선단이 균일하지 못할 경우, 기포가 오버플로우(115) 방향으로 빠져나가지 못하고 특정 부위에 갖히는 문제가 발생할 수 있다.Fig. 6 shows the shape of the coating material flow front according to the depth of the flow path. When the flow path depth is small, the flow in the center is faster than that in the side, and when the depth is 0.6 mm or more, the flow in the center is rather slower. When the flow front of the coating material is not uniform, a problem may occur where bubbles cannot escape in the overflow (115) direction and become trapped in a specific area.
도 7은 유로깊이 변화에 따라 소요되는 입구에서의 주입압력을 나타내는 것으로서, 유로깊이가 증가할수록 주입 압력이 급격히 감소하며, 유로깊이 06mm 이상에서는 압력변화가 거의 없음을 알 수 있었다.Figure 7 shows the injection pressure at the inlet according to the change in the flow depth. It was found that the injection pressure decreases rapidly as the flow depth increases, and that there is almost no pressure change when the flow depth is 0.6 mm or more.
도 8은 주입유로의 깊이를 06mm로 고정하고, 폭을 변화시키면서 유동선단의 형상을 나타낸 그림이고, 도 9는 주입유로의 깊이를 06mm로 고정하고, 폭을 변화시키면서 주입압력 변화의 결과를 나타낸 그래프이다. 주입유로의 폭은 유동선단의 형상에 거의 영향을 주지 않고 있으며, 유로의 폭이 증가할수록 주입압력이 감소하고 있음을 알 수 있었다.Fig. 8 is a drawing showing the shape of the flow front while the depth of the injection channel is fixed at 0.6 mm and the width is changed, and Fig. 9 is a graph showing the result of the change in injection pressure while the depth of the injection channel is fixed at 0.6 mm and the width is changed. It was found that the width of the injection channel had little effect on the shape of the flow front, and that the injection pressure decreased as the width of the channel increased.
도 10은 도 4에서 도시된 단면 A-A??에서의 코팅재 주입유로(145)와 금형캐비티 블록을 나타낸 것이며, 유동해석 결과를 반영하여 깊이 06mm, 폭 5mm를 갖는 주입유로를 설계하였다. 또한, 기재 표면에 밑변 08mm, 높이 05mm의 크기를 갖는 실링엣지(120)를 성형하여, 코팅재가 주입유로를 따라 유동하면서 기재 표면을 벗어나지 못하도록 하였다. 뿐만 아니라 도 4에 도시된 단면 B-B??를 나타낸 도 11과 같이, 파팅면에서 코팅재의 누설을 방지하기 위하여 기재의 가장자리 면에 02mm 크기의 실링엣지(120)를 성형하였다. 1차 사출성형이 완료되고, 기재(150)가 부착되어 있는 코어금형(160)이 코팅용 캐비티금형(140)과 결합하면서 기재(150)에 형성된 실링엣지(120)는 변형되고, 코팅재 주입과정에서 발생할 수 있는 코팅재의 누설을 완전히 차단하는 역할을 하도록 설계하였다.FIG. 10 shows the coating material injection channel (145) and the mold cavity block in the cross-section A-A?? illustrated in FIG. 4, and the injection channel with a depth of 06 mm and a width of 5 mm was designed by reflecting the flow analysis results. In addition, a sealing edge (120) with a base of 08 mm and a height of 05 mm was formed on the surface of the substrate to prevent the coating material from leaving the surface of the substrate while flowing along the injection channel. In addition, as in FIG. 11 illustrating the cross-section B-B?? illustrated in FIG. 4, a sealing edge (120) with a size of 02 mm was formed on the edge surface of the substrate to prevent leakage of the coating material at the parting surface. When the first injection molding is completed and the core mold (160) to which the substrate (150) is attached is combined with the coating cavity mold (140), the sealing edge (120) formed on the substrate (150) is deformed and designed to completely block any leakage of the coating material that may occur during the coating material injection process.
경화형 코팅재 주입유로의 깊이가 04~10 mm 범위인 경우, 유동선단의 형상이 가장 균일하게 되어 코팅 품질이 가장 우수하였다.When the depth of the injection channel for the curable coating material was in the range of 0.4 to 10 mm, the shape of the flow front was most uniform and the coating quality was the best.
도 12는 제작된 인몰드 코팅 금형(10)을 나타낸 것으로, 고정측에 설치된 슬라이딩 플레이트(180)에 기재용 캐비티 금형(130)과 코팅용 캐비티 금형(140)이 각각 부착되어 있으며, 가동측에 코어금형(160)이 설치되어 있음을 알 수 있다.Fig. 12 shows a manufactured in-mold coating mold (10). It can be seen that a cavity mold for substrate (130) and a cavity mold for coating (140) are each attached to a sliding plate (180) installed on the fixed side, and a core mold (160) is installed on the movable side.
<실시예 2> 사출성형 및 인몰드코팅 실험<Example 2> Injection molding and in-mold coating experiment
기재 사출성형을 위하여 LG화학에서 생산하는 ABS수지(HF-380)를 사용하였으며, 이는 폴리우레탄 코팅을 위하여 독일의 Votteler에서 생산한 원료로서 주제인 폴리올(Polyol, Puriflow PU993)과 경화제인 이소시아네이트(Isocyanate, Puriflow PU955)를 사용하고, 주제와 경화제의 혼합비율을 100:130으로 하였다. 주제와 경화제의 점도는 온도가 증가함에 따라 크게 감소하므로, 균일한 혼합과 유동성을 향상시키기 위하여 원료의 온도와 코팅용 캐비티 금형(140)의 온도를 모두 80℃로 일정하게 유지하였으며, 이때 폴리올과 이소시아네이트의 점도는 각각 120 mPas, 60 mPas 이며, 밀도는 각각 1,128 kg/cm3, 1,180 kg/cm3이었다.For the injection molding of the substrate, ABS resin (HF-380) produced by LG Chemical was used, which is a raw material produced by Votteler of Germany for the polyurethane coating. The main agent polyol (Polyol, Puriflow PU993) and the curing agent isocyanate (Isocyanate, Puriflow PU955) were used, and the mixing ratio of the main agent and the curing agent was 100:130. Since the viscosity of the main agent and the curing agent greatly decreases as the temperature increases, the temperature of the raw materials and the temperature of the coating cavity mold (140) were both kept constant at 80℃ in order to improve uniform mixing and fluidity. At this time, the viscosity of the polyol and the isocyanate were 120 mPas and 60 mPas, and the densities were 1,128 kg/cm3 and 1,180 kg/cm3, respectively.
사출성형과 인몰드 코팅실험을 위하여 독일의 Krauss Maffei에서 제작한 형체력 160톤 사출성형기(KM 160/750CX)와 2액형 폴리우레탄 공급장치(RimStar Nano 4-4)를 사용하였다.For injection molding and in-mold coating experiments, a 160-ton injection molding machine (KM 160/750CX) and a two-component polyurethane supply device (RimStar Nano 4-4) manufactured by Krauss Maffei of Germany were used.
기재 사출성형을 위하여 사출온도 230 ℃, 사출 캐비티 금형온도 50 ℃, 사출속도 30 mm/sec, 보압크기 70 MPa, 보압유지시간 11 초의 공정조건을 사용하였고, 인몰드코팅 실험을 위하여 폴리올 토출유량을 15~18 g/sec, 이 소시아네이트 토출유량을 20~23 g/sec 범위에서 각각 설정하였으며, 전체 토출중량을 20~35g 사이에서 변화시켰다.For the injection molding of the substrate, the process conditions of injection temperature 230 ℃, injection cavity mold temperature 50 ℃, injection speed 30 mm/sec, holding pressure size 70 MPa, and holding pressure holding time 11 sec were used. For the in-mold coating experiment, the polyol discharge flow rate was set in the range of 15 to 18 g/sec, the isocyanate discharge flow rate was set in the range of 20 to 23 g/sec, and the total discharge weight was varied between 20 and 35 g.
4. 실험결과4. Experimental Results
4.1 노즐압력4.1 Nozzle pressure
믹싱헤드(250) 안에서 점도 [mPas], 밀도 [kg/cm3]인 원료가 질량유량 [g/sec]으로 직경 [mm]인 노즐을 통과할 때, 노즐부에서 원료의 속도 는 식(1)과 같다.When a raw material having a viscosity [mPas] and density [kg/cm3] passes through a nozzle having a diameter [mm] at a mass flow rate [g/sec] inside a mixing head (250), the velocity of the raw material in the nozzle section is as shown in Equation (1).
(1) (1)
또한, 노즐을 통과하면서 발생하는 압력은 식 (2)와 같다.Additionally, the pressure generated while passing through the nozzle is as shown in Equation (2).
(2) (2)
식 (2)에서 ξ는 저항계수(resistance coefficient)를 나타내며, 식(3)으로 가정할 수 있다.In equation (2), ξ represents the resistance coefficient, which can be assumed as equation (3).
(3) (3)
여기서 Re 는 레이놀드(Reynolds) 수이며, 와 같다.Here, Re is the Reynolds number, It is the same as .
믹싱헤드(250) 안에서 폴리올과 이소시아네이트를 주입하기 위하여 각각 012mm, 013mm의 직경을 갖는 노즐을 사용하였다. 식 (2)를 사용하여 전체 토출유량의 변화에 따라 폴리올과 이소시아네이트가 각각 노즐을 통과하면서 발생하는 압력을 계산하였으며, 동일한 조건의 실험을 통해 믹싱헤드(250)의 노즐에 설치된 압력센서에서 측정된 결과와 비교하였다. 도 13에서 보여진 바와 같이, 노즐압력은 토출유량에 거의 선형적으로 비례하고 있으며, 계산과 측정된 압력값이 비교적 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 그러나 토출유량이 작을수록 측정과 계산값의 차이가 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 실험에 사용된 믹싱헤드(250)의 규격이 5~50g/sec범위에서 사용하도록 설계되었기 때문에, 설정된 유량값이 작을 경우 실제 토출되는 유량과 차이가 발생하기 때문이다.In order to inject polyol and isocyanate into the mixing head (250), nozzles having diameters of 012 mm and 013 mm, respectively, were used. Using equation (2), the pressures generated when the polyol and isocyanate each pass through the nozzle according to the change in the total discharge flow rate were calculated, and the results were compared with the results measured by the pressure sensor installed in the nozzle of the mixing head (250) through an experiment under the same conditions. As shown in Fig. 13, the nozzle pressure is almost linearly proportional to the discharge flow rate, and it can be seen that the calculated and measured pressure values are in relatively good agreement. However, it was found that the difference between the measured and calculated values increased as the discharge flow rate decreased. This is because the mixing head (250) used in the experiment was designed to be used in the range of 5 to 50 g/sec, and therefore, when the set flow rate value is small, a difference occurs between the actual discharged flow rate and the measured pressure.
4.2 유동패턴4.2 Flow Patterns
폴리올과 이소시아네이트의 토출유량이 각각 16g/sec, 21g/sec인 경우에 대하여 유동해석을 수행하였고, 동일한 조건에서의 코팅재 미성형 실험을 통해 유동패턴을 비교하였다. 도 14에서 보여진 바와 같이 예측된 유동패턴은 실험과 잘 일치하는 것으로 나타났다.Flow analysis was performed for cases where the discharge flow rates of polyol and isocyanate were 16 g/sec and 21 g/sec, respectively, and the flow patterns were compared through a coating material non-molding experiment under the same conditions. As shown in Fig. 14, the predicted flow pattern was found to be in good agreement with the experiment.
한편, 열가소성 수지의 사출성형에서는 분수유동 현상에 의하여 늦게 주입된 수지가 유동선단에서 고화층 방향으로 퍼지면서 입구로부터 먼쪽에 위치하는 것으로 알려져 있다. 코팅재의 진전 거동을 파악하기 위하여 코팅재의 주입이 완료된 이후 모든 부위에서 경화가 이루어지기 전에 시편을 취출하였다. 도 15는 32g의 코팅재를 주입하고, 15초 이후에 취출한 시험편을 나타낸 것으로, 안쪽부위는 이미 경화가 이루어진 반면에 입구쪽에서는 거의 경화되지 않고 있음을 나타낸다. 경화가 이루어진 부위는 먼저 주입된 코팅재로서 경화되기 위한 시간이 충족되었음을 나타내고, 반대로 경화되지 않은 부위는 늦게 주입된 코팅재로서 경화시간이 부족했기 때문이다. 따라서, 열가소성 수지의 사출성형과 다르게 코팅재 유동에서는 먼저 주입된 원료가 입구로부터 먼쪽에 위치하고 있음을 알 수 있었다. 코팅재는 열가소성 수지에 비하여 점도가 매우 작으며, 원료와 금형의 온도가 동일하기 때문에 벽면에서 고화층이 형성되지 않고, 이로인하여 분수유동 현상은 발생하지 않는 것을 알 수 있었다.Meanwhile, in the injection molding of thermoplastic resins, it is known that the late injected resin spreads from the flow front toward the solidified layer due to the fountain flow phenomenon and is located farther away from the inlet. In order to understand the progression behavior of the coating material, a specimen was taken out before curing occurred in all parts after the injection of the coating material was completed. Fig. 15 shows a test piece taken out 15 seconds after 32 g of the coating material was injected, indicating that the inner part was already cured, while the inlet side was hardly cured. The cured part indicates that the coating material was injected early and that the time for curing was sufficient, while the uncured part is because the coating material was injected late and that the curing time was insufficient. Therefore, unlike the injection molding of thermoplastic resins, it was found that the raw material injected early was located farther away from the inlet in the coating material flow. It was found that the coating material has a very low viscosity compared to thermoplastic resin, and because the temperature of the raw material and the mold are the same, a solidified layer is not formed on the wall surface, and thus the fountain flow phenomenon does not occur.
4.3 기포4.3 Bubbles
코팅재는 혼합 및 유동과정에서 수많은 기포가 발생하며, 이러한 기포는 오버플로우(115) 영역으로 빠져나가도록 하는 것이 중요하다. 코팅재 주입량이 제품 표면에 발생되는 기포에 미치는 영향을 고찰하였으며, 기포 측정을 위하여 공구현미경(Sometech STV-C-2010)을 사용하였다. 도 16은 폴리올과 이소시아네이트의 토출유량을 각각 16g/sec, 21g/sec로 고정시킨 상태에서 코팅재 주입량이 20g와 25g인 경우에 측정한 기포를 5배의 크기로 확대하여 나타낸 것이다. 또한, 도 17은 주입량에 따라 표면에 생성된 기포직경의 전체 합을 나타낸 것으로, 주입량이 증가할수록 기포크기가 감소하고 있음을 알 수 있었다. 이는 주입량이 증가할수록 제품 표면에 형성되어 있는 기포가 오버플로우(115) 영역으로 밀려나가는 현상에 기인하기 때문이다.The coating material generates numerous bubbles during the mixing and flowing process, and it is important to allow these bubbles to escape to the overflow (115) area. The effect of the coating material injection amount on the bubbles generated on the product surface was examined, and a tool microscope (Sometech STV-C-2010) was used to measure the bubbles. Fig. 16 shows the bubbles measured when the injection amounts of the coating material were 20 g and 25 g, while the discharge flow rates of the polyol and isocyanate were fixed at 16 g/sec and 21 g/sec, respectively, enlarged five times. In addition, Fig. 17 shows the total diameter of the bubbles generated on the surface according to the injection amount, and it was found that the bubble size decreased as the injection amount increased. This is because the bubbles formed on the product surface are pushed out to the overflow (115) area as the injection amount increases.
도 18은 코팅재 주입량을 30g으로 고정시킨 상태에서 전체 토출유량에 따른 기포크기 측정결과를 나타낸 것이다. 토출유량이 증가할수록 기포크기가 증가하고 있으며, 그 원인은 토출유량이 빠를수록 기포발생이 많아지고, 오버플로우(115) 영역으로 빠져나가지 못하기 때문이다.Figure 18 shows the results of measuring bubble size according to the total discharge flow rate when the coating material injection amount is fixed at 30 g. As the discharge flow rate increases, the bubble size increases. The reason for this is that the faster the discharge flow rate, the more bubbles are generated and they cannot escape to the overflow (115) area.
4.4 혼합특성4.4 Mixing characteristics
믹싱헤드(250) 안에서 폴리올과 이소시아네이트는 각각 노즐을 통해 분사되면서 충돌에 의해 혼합이 이루어진다. 토출유량이 혼합특성에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 전체 토출유량을 변화시키며 코팅실험을 수행하였고, 표면외관을 관찰하였다. 도 19는 토출유량에 따른 표면 외관의 변화를 나타낸 것으로 유량이 작을 경우 주제와 경화제의 불균일한 혼합에 의해 표면이 매끄럽지 못함을 볼 수 있었다. 유량이 증가할수록 더욱 매끄러운 표면 상태를 나타내고 있으며, 토출유량 41g/sec에서 완전한 혼합이 이루어지고 있음을 알 수 있었다. 토출유량 41g/sec은 도 14에서 나타난 바와 같이 폴리올과 이소시아네이트가 각각 187bar, 197bar의 노즐 압력으로 서로 충돌하는 조건과 일치하였다. 따라서, 믹싱헤드(250)에서 주제와 경화제의 균일한 혼합을 위하여 토출유량이 중요한 공정조건임을 알 수 있었다. 그러나, 일반적으로 주입장치의 제어성능 한계로 인하여 토출유량을 일정값 이상으로 빠르게 설정할 수 없으며, 이때 노즐 직경을 변경하여 최소한 180bar 이상의 높은 압력을 형성시키는 것이 필요할 것이다.In the mixing head (250), polyol and isocyanate are mixed by collision as they are sprayed through the nozzle, respectively. In order to examine the effect of the discharge flow rate on the mixing characteristics, a coating experiment was performed while changing the total discharge flow rate, and the surface appearance was observed. Fig. 19 shows the change in the surface appearance according to the discharge flow rate. When the flow rate is small, it can be seen that the surface is not smooth due to uneven mixing of the main agent and the curing agent. As the flow rate increases, the surface condition becomes smoother, and it can be seen that complete mixing is achieved at a discharge flow rate of 41 g/sec. As shown in Fig. 14, a discharge flow rate of 41 g/sec matches the condition in which the polyol and isocyanate collide with each other at nozzle pressures of 187 bar and 197 bar, respectively. Therefore, it can be seen that the discharge flow rate is an important process condition for uniform mixing of the main agent and the curing agent in the mixing head (250). However, in general, due to the control performance limitations of the injection device, it is not possible to quickly set the discharge flow rate above a certain value, and in this case, it will be necessary to change the nozzle diameter to form a high pressure of at least 180 bar.
도 20은 코팅용 캐비티(140)와 믹싱헤드(250)가 완전히 밀착될 수 있도록 믹싱헤드(250)가 가동측 코어 금형(160)에 대하여 3 ~ 7°기울어지게 조립된 모습을 나타낸 그림으로서, 믹싱헤드(250)는 2액형 폴리우레탄 혼합을 위한 것으로서 사출기 내에 장착된 장비가 아니기 때문에 금형(10) 내에 부착되어야 할 것이다.FIG. 20 is a drawing showing a state in which a mixing head (250) is assembled at an angle of 3 to 7° with respect to a movable core mold (160) so that the coating cavity (140) and the mixing head (250) can be completely sealed. Since the mixing head (250) is for mixing two-component polyurethane and is not equipment mounted inside an injection molding machine, it must be attached inside the mold (10).
5. 결론5. Conclusion
2개의 캐비티와 1개의 코어를 갖는 인몰드 코팅금형(10)을 개발하였으며, 2액형 폴리우레탄을 사용한 사출성형 및 코팅실험을 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.An in-mold coating mold (10) having two cavities and one core was developed, and the following conclusions were derived through injection molding and coating experiments using two-component polyurethane.
(1) 노즐압력은 토출유량에 거의 선형적으로 비례하였으며, 저항계수를 고려한 압력 계산결과는 측정결과와 비교적 잘 일치하였다.(1) The nozzle pressure was almost linearly proportional to the discharge flow rate, and the pressure calculation results considering the resistance coefficient were in relatively good agreement with the measured results.
(2) 해석에 의하여 예측된 코팅재의 유동패턴은 미성형 실험에 의한 결과와 잘 일치하였으며, 먼저 주입된 코팅재가 입구로부터 먼쪽에 위치하고 있음을 확인하였다. 이로부터 코팅재 유동에서 분수유동 현상은 발생하지 않았으며, 유동해석에서 금형 벽면에서의 슬립(slip) 경계조건을 사용하여야 함을 알 수 있었다.(2) The flow pattern of the coating material predicted by the analysis was in good agreement with the results of the non-molding experiment, and it was confirmed that the first injected coating material was located far from the inlet. From this, it was found that the fountain flow phenomenon did not occur in the coating material flow, and that the slip boundary condition on the mold wall should be used in the flow analysis.
(3) 주입량이 증가할수록 기포크기가 감소하였으며, 토출유량이 증가할수록 기포발생이 많아지고 기포 크기가 증가하였다.(3) As the injection amount increased, the bubble size decreased, and as the discharge flow rate increased, bubble generation increased and the bubble size increased.
(4) 유량이 작을수록 주제와 경화제의 불균일한 혼합에 의해 매끄럽지 못한 표면이 나타났다. 균일한 혼합을 위하여 180bar 이상의 노즐압력이 요구되었으며, 이를 위하여 토출유량 뿐만 아니라 노즐 직경을 변경하는 것이 필요함을 알 수 있었다.(4) As the flow rate decreased, an uneven surface appeared due to uneven mixing of the subject and the hardener. A nozzle pressure of 180 bar or more was required for uniform mixing, and it was found that it was necessary to change the nozzle diameter as well as the discharge flow rate for this purpose.
10: 인몰드코팅 금형 100: 고정측 금형
102: 냉각 채널 110: 상부 플레이트
112: 열가소성수지 주입유로 115: 오버플로우
120: 실링엣지 125: 게이트
130: 기재용 캐비티 135: 코팅층
140: 코팅용 캐비티 145: 경화형 코팅재 주입유로
150: 기재 160: 코어
170: 유압 실린더 180: 슬라이딩 플레이트
200: 가동측 금형 210: 하부 플레이트
220: 이젝트 230: 이젝트 플레이트
240: 압력 센서 250: 믹싱 헤드10: In-mold coating mold 100: Fixed side mold
102: Cooling channel 110: Top plate
112: Thermoplastic resin injection path 115: Overflow
120: Sealing Edge 125: Gate
130: Cavity for substrate 135: Coating layer
140: Cavity for coating 145: Injection path for curable coating material
150: Base 160: Core
170: Hydraulic cylinder 180: Sliding plate
200: Movable side mold 210: Lower plate
220: Eject 230: Eject Plate
240: Pressure sensor 250: Mixing head
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Citations (1)
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| KR100420631B1 (en) | 2001-05-09 | 2004-03-03 | 금능정밀(주) | Method for manufacturing of panel film insert molding, injection mold for manufacturing of panel |
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2023
- 2023-12-15 KR KR1020230183199A patent/KR20250092721A/en active Pending
Patent Citations (1)
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20231215 |
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| PG1501 | Laying open of application |