[학위논문]SLS 3D 프린팅으로 제작 된 PA2200 사출금형코어의 피로 특성에 관한 연구 A Study on Fatigue Characteristics of PA2200 Injection Molding Core Fabricated by SLS 3D Printing원문보기
최근 맞춤형 제품을 원하는 소비자의 요구가 증가됨에 따라 기존의 소품종 대량생산 방식에서 다품종 소량생산 방식으로 제조 트렌드가 변화하고 있다. 다품종 소량생산의 대표적인 예로 3D 프린팅 기술이 있으며, 인공장기, 치아 임플란트, 악세서리, 피규어 등의 십여 개 수준의 제품을 제조하는데 이용하고 있다. 따라서 소품종 대량생산에 최적화되어 있던 기존의 금형산업은 다품종 소량생산의 제조트렌드에 대응하기 위하여 사출금형기술의 양산성에 ...
최근 맞춤형 제품을 원하는 소비자의 요구가 증가됨에 따라 기존의 소품종 대량생산 방식에서 다품종 소량생산 방식으로 제조 트렌드가 변화하고 있다. 다품종 소량생산의 대표적인 예로 3D 프린팅 기술이 있으며, 인공장기, 치아 임플란트, 악세서리, 피규어 등의 십여 개 수준의 제품을 제조하는데 이용하고 있다. 따라서 소품종 대량생산에 최적화되어 있던 기존의 금형산업은 다품종 소량생산의 제조트렌드에 대응하기 위하여 사출금형기술의 양산성에 3D 프린 팅의 맞춤형 제조 기술을 융합시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 기존 금속의 제조방식과 3D 프린팅의 적층제조방식의 차이로 인하여 금형제 작 비용 및 사전 준비 기간을 50%이상 감소시키는 장점이 혁신적이다. 그러나 폴리머 사출금형코어는 일반적인 금속 사출금형코어에 비하여 기계적강도가 취약하기 때문에 사출압력 및 보압력에 의해 발생되는 응력을 고려하여 목표 수량(100~1000개 수준)을 만족할 수 있는 설계가 뒷받침되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 고강도, 내열성 소재인 PA2200로 제작된 폴리머 사출금형코어 의 피로특성을 확인하기 위하여 인장시험 및 피로시험을 수행하였다. 다만 사 출성형공정의 특성상 사용수지의 용융온도, 취출온도 등의 다양성에 따라 사 출시간, 보압시간, 냉각시간이 다르기 때문에 금형코어에 작용하는 온도를 특 정하기 어렵다. 따라서 피로시험은 온도에 따른 영향을 최소화하였다. 그 결과 로 소결된 PA2200 소재는 상온상태에서 ~5x회의 수명으로 금속소재에 적용 되는 Basquin’s S-N equation에 적용되는 것을 알아내었다. 또한 소결된 PA2200 의 응력-변형률 이력(Stress-strain hysteresis)을 확인하였을 때, 응력수준에 따라서 Elastic shakedown, Plastic shakedown, Racheting의 금속소재의 피로거동 특성과 동일하게 나타나는 것을 확인하였다. 주사전자현미경을 통하여 소결된 PA2200의 파단면을 분석한 결과는 반복 하중의 수준에 따라서 반복 하중이 클수록 반복 횟 수가 적을수록 취성 파단면의 영역이 넓으며, 반복 하중이 작을수록 반복 횟수가 많을수록 크레이징 파단면의 영역이 넓은 것을 확인하였다. 이러한 소결된 PA2200의 파단면 형성 메커니즘은 금속 소재의 파단면 형성 메커니즘과 같은 경 향성을 갖고 있다는 것을 통하여 피로시험결과의 타당성을 확인하였다. 따라서 사 출성형공정 중 용융수지의 사출압력 및 보압력에 의해 폴리머 사출금형코어에 작 용하는 3차원 응력을 von-Mises 등가응력 접근법과 소결된 PA2200의 피로수명곡 선 관계식을 이용하여 폴리머 사출금형코어가 파손될 때까지의 수명을 해석적 방법을 통하여 예측하였다.
최근 맞춤형 제품을 원하는 소비자의 요구가 증가됨에 따라 기존의 소품종 대량생산 방식에서 다품종 소량생산 방식으로 제조 트렌드가 변화하고 있다. 다품종 소량생산의 대표적인 예로 3D 프린팅 기술이 있으며, 인공장기, 치아 임플란트, 악세서리, 피규어 등의 십여 개 수준의 제품을 제조하는데 이용하고 있다. 따라서 소품종 대량생산에 최적화되어 있던 기존의 금형산업은 다품종 소량생산의 제조트렌드에 대응하기 위하여 사출금형기술의 양산성에 3D 프린 팅의 맞춤형 제조 기술을 융합시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 기존 금속의 제조방식과 3D 프린팅의 적층제조방식의 차이로 인하여 금형제 작 비용 및 사전 준비 기간을 50%이상 감소시키는 장점이 혁신적이다. 그러나 폴리머 사출금형코어는 일반적인 금속 사출금형코어에 비하여 기계적강도가 취약하기 때문에 사출압력 및 보압력에 의해 발생되는 응력을 고려하여 목표 수량(100~1000개 수준)을 만족할 수 있는 설계가 뒷받침되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 고강도, 내열성 소재인 PA2200로 제작된 폴리머 사출금형코어 의 피로특성을 확인하기 위하여 인장시험 및 피로시험을 수행하였다. 다만 사 출성형공정의 특성상 사용수지의 용융온도, 취출온도 등의 다양성에 따라 사 출시간, 보압시간, 냉각시간이 다르기 때문에 금형코어에 작용하는 온도를 특 정하기 어렵다. 따라서 피로시험은 온도에 따른 영향을 최소화하였다. 그 결과 로 소결된 PA2200 소재는 상온상태에서 ~5x회의 수명으로 금속소재에 적용 되는 Basquin’s S-N equation에 적용되는 것을 알아내었다. 또한 소결된 PA2200 의 응력-변형률 이력(Stress-strain hysteresis)을 확인하였을 때, 응력수준에 따라서 Elastic shakedown, Plastic shakedown, Racheting의 금속소재의 피로거동 특성과 동일하게 나타나는 것을 확인하였다. 주사전자현미경을 통하여 소결된 PA2200의 파단면을 분석한 결과는 반복 하중의 수준에 따라서 반복 하중이 클수록 반복 횟 수가 적을수록 취성 파단면의 영역이 넓으며, 반복 하중이 작을수록 반복 횟수가 많을수록 크레이징 파단면의 영역이 넓은 것을 확인하였다. 이러한 소결된 PA2200의 파단면 형성 메커니즘은 금속 소재의 파단면 형성 메커니즘과 같은 경 향성을 갖고 있다는 것을 통하여 피로시험결과의 타당성을 확인하였다. 따라서 사 출성형공정 중 용융수지의 사출압력 및 보압력에 의해 폴리머 사출금형코어에 작 용하는 3차원 응력을 von-Mises 등가응력 접근법과 소결된 PA2200의 피로수명곡 선 관계식을 이용하여 폴리머 사출금형코어가 파손될 때까지의 수명을 해석적 방법을 통하여 예측하였다.
Recently, the manufacturing trend has been changing from traditional small-scale mass-production to multi-product small-volume production methods as consumers increasingly want customized products. A typical example of multi-product small-volume production methods is 3D printing techn...
Recently, the manufacturing trend has been changing from traditional small-scale mass-production to multi-product small-volume production methods as consumers increasingly want customized products. A typical example of multi-product small-volume production methods is 3D printing technology, which is used to manufacture dozens of products such as artificial organs, dental implants, accessories, and etc. Therefore, traditional mold industry, which was optimized for small-scale mass-production, is actively researched to integrate the custom manufacturing technology of 3D printing in order to cope with the manufacturing trend of multi product small-volume production. In addition, the difference between the conventional metal manufacturing method and the 3D printing laminate manufacturing method has the advantage of reducing the mold manufacturing cost and preliminary preparation time by more than 50%. However, since the core of the polymer injection mold has a weaker mechanical strength than the ordinary metal injection mold core, it is necessary to support a design that can meet the target amount (100 to 1000 levels). In this study, tensile and fatigue tests were performed to confirm the fatigue properties of polymer injection mold cores made of sintered PA2200. Due to the nature of the injection molding process, it is difficult to specify the temperature acting on the mold core because the injection time, packing time, and cooling time vary depending on the variety of melting temperature, extraction temperature, etc. of the resin used. Therefore, the fatigue test minimized the effect of temperature. As a result, the sintered PA2200 material was found to be applied to the Basquin's S-N equation which is applied to metal materials with a lifetime of 10 to 50000 at room temperature. In addition, the stress-strain hysteresis of the sintered PA2200 was confirmed to be the same as the fatigue behavior of the metal materials of elastic shakedown, plastic shakedown, and racheting depending on the stress level. SEM images of the fracture surface was obtained to analyze the relationship between the characteristics of the fracture surface and the number of repetitions until failure. Brittle fracture, crazing fracture, grain melting, and porous fracture surface were observed. It was shown that the larger the area of crazing damage, the longer the number of repetitions until fracture. The fracture surface formation mechanism of the sintered PA2200 has the same tendency as the fracture surface formation mechanism of the metal material. Using the fatigue test results, the life-time to failure of the polymer injection mold core due to the injection pressure and the packing pressure was predicted by simulation-based approach.
Recently, the manufacturing trend has been changing from traditional small-scale mass-production to multi-product small-volume production methods as consumers increasingly want customized products. A typical example of multi-product small-volume production methods is 3D printing technology, which is used to manufacture dozens of products such as artificial organs, dental implants, accessories, and etc. Therefore, traditional mold industry, which was optimized for small-scale mass-production, is actively researched to integrate the custom manufacturing technology of 3D printing in order to cope with the manufacturing trend of multi product small-volume production. In addition, the difference between the conventional metal manufacturing method and the 3D printing laminate manufacturing method has the advantage of reducing the mold manufacturing cost and preliminary preparation time by more than 50%. However, since the core of the polymer injection mold has a weaker mechanical strength than the ordinary metal injection mold core, it is necessary to support a design that can meet the target amount (100 to 1000 levels). In this study, tensile and fatigue tests were performed to confirm the fatigue properties of polymer injection mold cores made of sintered PA2200. Due to the nature of the injection molding process, it is difficult to specify the temperature acting on the mold core because the injection time, packing time, and cooling time vary depending on the variety of melting temperature, extraction temperature, etc. of the resin used. Therefore, the fatigue test minimized the effect of temperature. As a result, the sintered PA2200 material was found to be applied to the Basquin's S-N equation which is applied to metal materials with a lifetime of 10 to 50000 at room temperature. In addition, the stress-strain hysteresis of the sintered PA2200 was confirmed to be the same as the fatigue behavior of the metal materials of elastic shakedown, plastic shakedown, and racheting depending on the stress level. SEM images of the fracture surface was obtained to analyze the relationship between the characteristics of the fracture surface and the number of repetitions until failure. Brittle fracture, crazing fracture, grain melting, and porous fracture surface were observed. It was shown that the larger the area of crazing damage, the longer the number of repetitions until fracture. The fracture surface formation mechanism of the sintered PA2200 has the same tendency as the fracture surface formation mechanism of the metal material. Using the fatigue test results, the life-time to failure of the polymer injection mold core due to the injection pressure and the packing pressure was predicted by simulation-based approach.
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