선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본문에서는 상용유한요소해석 프로그램인 ABAQUS/Standari(1)를 이용하여 PET병 성형에 있어서 성형 후 두께분포에 영향을 주는 여러 변수들 중에서 플런저의 이동에 의한 영향에 대하여 고찰하였다. 두께 분포에 영향을 주는 다른 변수들은 고정하고, 즉 동일한 예비성형체의 형상 및 동일한 압력조건 하에서 플런저의 이동거리 및 이 동속도가 두께 분포에 미치는 영향을 고려하여 최적의 두께 분포를 위한 새로운 공정을 제시하였다.
가설 설정
- 예비성형체는 실제 성형 과정 동안에 온도의 변화를 보이나 본 연구에서는 성형 공정 동안 동일한 온도를 유지하며 동일한 온도분포를 가진다고 가정하였으며 고착 조건을 적용하기 위해 예비성형체와 다이그리고 예비성형체와 플런저 사이의 쿨롱 마찰계수는 1.0으로 처리되었다.
- 플런저에 의한 인장 공정은 1초 동안에 이루어지며 인장 공정동안 가 해지는 예비블로 압력은 인장에 의해 예비성형체의 내부 부피 증가로 인해 내부 압력이 일시적으로 저하하는 현상을 보이기 때문에 시간에 따른 압력을 측정하 기가 어렵다. 이 현상을 유한요소해석에 적용하기 위해 예비블로 압력은 서서히 증가해서 인장 공정의 끝에서 최대값인 LOMPa을 가진다고 가정하였다. 팽창 공정의 블로 압력은 예비블로 압력의 최대값인 LOMPa에서 0.
제안 방법
- PET병의 성형은 인장 블로 성형(stretch blow- molding) 공정에 의해 이루어지는데 이 공정은 사출 공정으로 성형된 예비성형체의 형상 및 두께 분포, 플런저(plunger)의 형상과 이동거리 및 이동속도, 성형 압력의 시간에 따른 구배 등의 많은 변수를 가진다. 최종 성형후 병의 최적의 두께 분포를 얻기 위해 현재까지 대부분의 경우 위에서 언급한 여러 변수들의 조합에 의한 실험적인 시행착오법에 의해 설계가 이루어졌다. 이는 많은 시간과 비용을 필요로 하며, 다른 형상이나 다른 두께 분포를 원하는 병에 적용하기가 비효율적이다.
- 본문에서는 상용유한요소해석 프로그램인 ABAQUS/Standari(1)를 이용하여 PET병 성형에 있어서 성형 후 두께분포에 영향을 주는 여러 변수들 중에서 플런저의 이동에 의한 영향에 대하여 고찰하였다. 두께 분포에 영향을 주는 다른 변수들은 고정하고, 즉 동일한 예비성형체의 형상 및 동일한 압력조건 하에서 플런저의 이동거리 및 이 동속도가 두께 분포에 미치는 영향을 고려하여 최적의 두께 분포를 위한 새로운 공정을 제시하였다. 본 연구에서의 최적의 두께 분포란 바닥부에서 내압에 견딜 수 있는 정도로 가능한 균일한 두께 분포를 갖는 것을 말한다.
- 우선 기하학적으로 축대칭 문제와 3차원 문제에서 동일한 조건을 가지는 골짜기 부분에 대하여 현 공정에 대한 축대칭 해석을 수행하여 현 공정(current process) 에서 성형된 병의 두께 분포와 해석 결과와의 비교를 통하여 유한 요소해석에 타당성을 부여하고 플런저 이동에 대한 새로운 공정을 제시하였다. 제시된 개선 공 정(modified process)에 대하여 3차원 해석을 수행하여 실제 형상에 대해 개선 여부를 확인하였다.
- 우선 기하학적으로 축대칭 문제와 3차원 문제에서 동일한 조건을 가지는 골짜기 부분에 대하여 현 공정에 대한 축대칭 해석을 수행하여 현 공정(current process) 에서 성형된 병의 두께 분포와 해석 결과와의 비교를 통하여 유한 요소해석에 타당성을 부여하고 플런저 이동에 대한 새로운 공정을 제시하였다. 제시된 개선 공 정(modified process)에 대하여 3차원 해석을 수행하여 실제 형상에 대해 개선 여부를 확인하였다.
- 현재의 공정에 대한 축대칭 유한 요소해석을 수행하여 현 공정에서 성형된 병에서의 두께 분포와 해석 결과와의 비교를 통해 해석에서의 해의 타당성을 검토하고 성형 후 두께 분포 개선을 위한 플런저 이동에 대한 개선 공정을 제시하였다.
- 5 H 인내압 PET병이다. 병이 축대칭형상이 아니므로 3차원 해석이 필요하나 계산의 효율을 위해 현 단계에서는 골짜기 부분에 대해서 축대칭 해석을 수행하였다. 골짜기 부분은 병의 기하학적 특성상 축대 칭 해석과 3차원 해석이 동일한 조건을 가지므로 실제 PET 병과 비교하여 해석 결과에 타당성을 부여할 수 있다.
- 이 현상을 유한요소해석에 적용하기 위해 예비블로 압력은 서서히 증가해서 인장 공정의 끝에서 최대값인 LOMPa을 가진다고 가정하였다. 팽창 공정의 블로 압력은 예비블로 압력의 최대값인 LOMPa에서 0.25초 동안 점차적으로 증가하여 최고값인 4.0MPa에 도달한 후 그 값을 유지하는 것으로 해석하였다.
- (2) 쿨롱 마찰계수를 1.0으로 정의함으로서 접촉문제, 즉 고착조건을 적용하였다. 그러나 유한요소해석에서는 예비성형체가 플런저와 접촉 후에도 유동이 발생하였다.
- 현 공정에 대한 해석을 바탕으로 플런저의 이동속도 와 이동거리에 대한 영향을 고려하기 위해 각각의 변 수를 조정하면서 해석을 수행하였다.
- 155m/s이다. 플런저의 이동 속도가 두 께분포에 미치는 영향을 검토하기 위해 인장 공정의 소요 시간이 0.5초인 A 경우와 2.0초인 B 경우에 대하여 해석을 수행하였으며 이때 각각의 플런저의 속도는 0.31m/s와 0.078m/s이다. 예비블로 압력은 서서히 증가 해 인장 공정의 끝에서 최대값을 가지므로 예비블로 소요 시간은 각각 0.
- 현 공정에서 플런저의 이 동거리는 155nim이며 이는 플런저의 이동이 끝났을 때 다이와 플런저 사이가 5mm가 되는 거리이다. 이에 대해 플런저의 이동거리가 150mm인 경우(C 경우)와 145mm인 경우(D 경우)에 대하여 해석을 수행하였다. 플런저의 이동 속도를 고정하였으므로 인장 공정에 소요되는 성 형시간은 각각 Q968초 와 0.
- 축대칭 유한요소해석에서 제시된 플런저 이동 공정 에 대한 개선 공정을 바탕으로 현재의 공정과 개선 공 정에 대한 3차원 유한요소해석을 수행하여 개선 공정 을 검증하였다.
- 예비성형체의 유한요소 모 델은 일반적인 쉘 요소이며 감차적분응 사용한 유한 박 막 변형률의 성질을 가지는 4절점 요소인 S4R, 2010개 와 3절점 요소인 S3R, 30개를 사용하였으며 두께방향으 로의 적분점은 S4R과 S3R이 동일하게 5개를 사용하였다. 각각의 유한요소 모델은 형상이 중심축에 대하여 대 칭이므로 1/2 형상만을 모델링하였다. 예비성형체의 물 성치, 온도, 그리고 마찰조건 등의 해석조건은 축대칭 해 석과 동일하게 해석을 수행하였다.
- 각각의 유한요소 모델은 형상이 중심축에 대하여 대 칭이므로 1/2 형상만을 모델링하였다. 예비성형체의 물 성치, 온도, 그리고 마찰조건 등의 해석조건은 축대칭 해 석과 동일하게 해석을 수행하였다.
- 플런저의 이동속도 0.155m/s, 이동거리 155mm의 현재 의 공정과 축대칭 해석에서 제시한 플런저의 이동속도 0.155Ws, 이동거리 150mm의 개선 공정에 대하여 해석을 수행하였다. Fig.
- PET병 성형 공정인 인장블로 성형 공정에 대하여 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS/ Standard을 이용하여 유한요소해석을 수행하였다. 성형공정동안 변 형 경화와 변형률속도 경화를 고려한 구성방정식으로 표현되는 PET의 거동은 ABAQUS 내에서 CREEP 사용자 서브루틴을 이용하여 적용하였으며 플런저의 이 동거리와 이동속도 등의 이동조건이 성형 후 두께분포 에 미치는 영향을 고려하여 플런저 이동 공정에 대하여 새로운 공정변수값을 제시하였다.
- 플런저의 이동거리가 성형 후 최종 두께분포에 주는 영향을 고려하기 위해 플런저의 이동속도를 현 공정에 서의 속도인 0.155m/s로 고정하고 이동거리를 조정하 면서 그 영향을 고려하였다. 현 공정에서 플런저의 이 동거리는 155nim이며 이는 플런저의 이동이 끝났을 때 다이와 플런저 사이가 5mm가 되는 거리이다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 바닥부가 꽃잎 모양인 일체형 병은 주로 탄산음료를 저장하는 용도로 쓰이는 용량이 1.5 H 인내압 PET병이다. 병이 축대칭형상이 아니므로 3차원 해석이 필요하나 계산의 효율을 위해 현 단계에서는 골짜기 부분에 대해서 축대칭 해석을 수행하였다.
- 4에도시되었다. 다이와플런저는 각각 2절 점 선형 축대칭 강체 요소인 RAX2를 이용하여 모델링하였으며 예비성형체는 2절 점 선형 축대칭쉘 요소인 SAX1 을 사용하였으며 사용된 요소의 수는 105개이고 두께 방향으로는 5개의 적분점을 사용하였다. 해석에 쓰인 PET의 물성치는 탄성계수 2.
- 다이와플런저는 각각 2절 점 선형 축대칭 강체 요소인 RAX2를 이용하여 모델링하였으며 예비성형체는 2절 점 선형 축대칭쉘 요소인 SAX1 을 사용하였으며 사용된 요소의 수는 105개이고 두께 방향으로는 5개의 적분점을 사용하였다. 해석에 쓰인 PET의 물성치는 탄성계수 2.7GPa, 포아송 비는 0.34를 사용하였다.
- 현재 공정의 변수는 (주)삼양사®에서 제공한 값을 사용하였으며 Fig. 5에서 보이고 있다. 플런저에 의한 인장 공정은 1초 동안에 이루어지며 인장 공정동안 가 해지는 예비블로 압력은 인장에 의해 예비성형체의 내부 부피 증가로 인해 내부 압력이 일시적으로 저하하는 현상을 보이기 때문에 시간에 따른 압력을 측정하 기가 어렵다.
- 다이의 유한요소 모델은 복잡한 형상을 가지는 바닥부에서는 3절점을 사용한 3차원 강체 삼각형 요소인 R3D3, 880개를 사용하였으며 나머지 부분에 대해서는 4 절점을 사용한 3차원 강체 사각형 요소인 R3D4, 459개 를 사용하였으며 플런저는 R3D3, 10개와 R3D4, 50개를 사용하여 모델을 작성하였다. 예비성형체의 유한요소 모 델은 일반적인 쉘 요소이며 감차적분응 사용한 유한 박 막 변형률의 성질을 가지는 4절점 요소인 S4R, 2010개 와 3절점 요소인 S3R, 30개를 사용하였으며 두께방향으 로의 적분점은 S4R과 S3R이 동일하게 5개를 사용하였다.
- 다이의 유한요소 모델은 복잡한 형상을 가지는 바닥부에서는 3절점을 사용한 3차원 강체 삼각형 요소인 R3D3, 880개를 사용하였으며 나머지 부분에 대해서는 4 절점을 사용한 3차원 강체 사각형 요소인 R3D4, 459개 를 사용하였으며 플런저는 R3D3, 10개와 R3D4, 50개를 사용하여 모델을 작성하였다. 예비성형체의 유한요소 모 델은 일반적인 쉘 요소이며 감차적분응 사용한 유한 박 막 변형률의 성질을 가지는 4절점 요소인 S4R, 2010개 와 3절점 요소인 S3R, 30개를 사용하였으며 두께방향으 로의 적분점은 S4R과 S3R이 동일하게 5개를 사용하였다. 각각의 유한요소 모델은 형상이 중심축에 대하여 대 칭이므로 1/2 형상만을 모델링하였다.
- 해석에 사용된 컴퓨터는 Pentium HI로서 CPU는 500MHz, 메모리는 512MB이며 해석시간(CPU time)은 현 공정과 개선 공정에서 비슷하게 298시간 정도가 소요 되었다.
데이터처리
- PET병 성형 공정인 인장블로 성형 공정에 대하여 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS/ Standard을 이용하여 유한요소해석을 수행하였다. 성형공정동안 변 형 경화와 변형률속도 경화를 고려한 구성방정식으로 표현되는 PET의 거동은 ABAQUS 내에서 CREEP 사용자 서브루틴을 이용하여 적용하였으며 플런저의 이 동거리와 이동속도 등의 이동조건이 성형 후 두께분포 에 미치는 영향을 고려하여 플런저 이동 공정에 대하여 새로운 공정변수값을 제시하였다.
이론/모형
- 많은 변수를 가지는 인장 블로성형 공정의 특성상 유한 요소해석에서도 마찬가지로 시행착오법을 시행한다. 만약 성형 후의 두께 분포가 만족스럽지 않다면 성형 공정의 변수를 수정한 후 다시 해석하는 방법으로 만족스러운 두께 분포를 얻을 때까지 반복할 수 있다.
- 본 연구에서의 최적의 두께 분포란 바닥부에서 내압에 견딜 수 있는 정도로 가능한 균일한 두께 분포를 갖는 것을 말한다. 성형시 변형경화와 변형률 속도 경화를 고려한 PET 거동의 구성 방정식의 적용은 CREEP 사용자 서 브루틴(user subroutine)(2)을 이용하였다.
- 성형 공정에서 PET의 거동을 표현하기 위한 식(1)의 구성 방정식을 적용하기 위해 ABAQUS/Stemdard에서는 CREEP 사용자 서브루틴을 이용하였다. CREEP 사용자 서브루틴은 변형률 속도에 영향을 받는 물질의 거동, 즉 점소성거동을 표현한다.
성능/효과
- 이는 많은 시간과 비용을 필요로 하며, 다른 형상이나 다른 두께 분포를 원하는 병에 적용하기가 비효율적이다. 따라서 유한 요소법 (finite element method : FEM)을 이용하여 성형 공정 해석을 대체함으로서 시간과 비용을 절약할 수 있으며 성형 공정의 이해에 도움을 얻을 수 있다. 즉 최종 두께 분포를 예측할 수 있으며 또한 각각의 물질 요소가 어떠한 경로로 변형하는지 알 수 있으며 이는 예비성형체의 특정 부분이 성형 후 어느 부분에 위치하는지를 보일 수 있다.
- (1) 유한요소해석에서는 예비성형체를 동일한 성형온 도라고 가정하였으나 실제 공정에서는 부분별로 다른 온도분포를 가지는 것을 들 수 있다. 실제 공정에서의 온도분포는 바닥부가 몸체부분에 비헤 상대적으로 낮은 온도분포를 가진다.
- (3) 해석에 사용된 구성방정식의 PET 물성치인 8와 m의 값은 87℃의 온도에서 변형률속도가 0.0025/s와 0.05/s 사이에서 측정한 것이나 실제 성형 공정에서는 약 100℃ 의 높은 온도, 0.01/s와 1/s 사이의 높은 변형 '률속도 상태에서 변형한다. 따라서 PET 거동에 대한 구성방정식의 적용에 있어서 오차가 발생한 것으로 예 상된다.
- 현 공정에 대한 해석을 바탕으로 플런저 이동에 대하여 제시된 새로운 공정은 현 공정에 비해 급격한 두 께의 변화없이 비교적 균일한 두께분포를 가졌다. 따라서 개선 공정은 바닥면에서의 크랙생성을 억제할 것으로 예상된다.
후속연구
- 지금까지의 연구와 PET의 정확한 물성 실험을 바탕으로 앞으로 고착조건의 보다 정확한 적용, 예비성형체 에서의 온도분포를 고려한 성형, 다른 성형 변수의 영향을 고려한 해석 등에 대하여 계속 연구가 수행되어 야 할 것이며, 본 연구에서 제안된 공정변수를 이용한 실험을 통한 검증이 시도될 것이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.