전열을 이용한 금형가열코어의 제작 및 이를 이용한 성형품의 제조와 평가 Fabrication of electrical heating mold core and evaluation of injection-molded parts by various mold heating methods원문보기
본 연구에서는 전열을 이용한 금형가열 장치를 설계 및 제작하였다. 서로 다른 가열원을 가진 세 가지 방법으로 제작을 하여 시간에 따른 온도 프로파일을 조사함으로써 그 성능을 평가하였고, 이를 이용하여 사출성형품을 제조하여 수축률, 밀도, 표면 거칠기, Weld line등을 측정하여 실용적인 적용 가능성을 조사 하였다. 가열시간($130^{\circ}C$도달시간 14초) 및 사이틀 타임(55초)은 실용화가 가능한 수준으로 나타났다. 일반 사출성형방식으로 성형한 제품과 비교했을 때 수축률은 전열을 이용한 가열방식으로 사출한 성형품이 5.1% 감소하였고, 밀도는 2.66% 증가하였다. 표면 거칠기는 3배 이상 향상 되었고, 일반 사출에서 나타나던 Weld line은 전열가열방식에서는 나타나지 않았다.
본 연구에서는 전열을 이용한 금형가열 장치를 설계 및 제작하였다. 서로 다른 가열원을 가진 세 가지 방법으로 제작을 하여 시간에 따른 온도 프로파일을 조사함으로써 그 성능을 평가하였고, 이를 이용하여 사출성형품을 제조하여 수축률, 밀도, 표면 거칠기, Weld line등을 측정하여 실용적인 적용 가능성을 조사 하였다. 가열시간($130^{\circ}C$ 도달시간 14초) 및 사이틀 타임(55초)은 실용화가 가능한 수준으로 나타났다. 일반 사출성형방식으로 성형한 제품과 비교했을 때 수축률은 전열을 이용한 가열방식으로 사출한 성형품이 5.1% 감소하였고, 밀도는 2.66% 증가하였다. 표면 거칠기는 3배 이상 향상 되었고, 일반 사출에서 나타나던 Weld line은 전열가열방식에서는 나타나지 않았다.
In this study we developed the electrical heating mold core by applying three different heating methods. In order to find out the optimal heating method, we observed the temperature profiles with time. We also injection-molded the parts by the heating methods and investigated the shrinkage ratio, de...
In this study we developed the electrical heating mold core by applying three different heating methods. In order to find out the optimal heating method, we observed the temperature profiles with time. We also injection-molded the parts by the heating methods and investigated the shrinkage ratio, density, surface roughness and weld-lines. The temperature rise time and cycle time showed the promising results for commercial applications(the rise time is $130^{\circ}C$/14sec, the cycle time is 55sec). By comparing with the conventional and gas flame heating method, the parts by this method were proven to have good qualities. The shrinkage ratio reduced by 5.1%, the density increase by 2.66%, the smoothness increased about 3 times, and the weld-line did not observed by naked eyes.
In this study we developed the electrical heating mold core by applying three different heating methods. In order to find out the optimal heating method, we observed the temperature profiles with time. We also injection-molded the parts by the heating methods and investigated the shrinkage ratio, density, surface roughness and weld-lines. The temperature rise time and cycle time showed the promising results for commercial applications(the rise time is $130^{\circ}C$/14sec, the cycle time is 55sec). By comparing with the conventional and gas flame heating method, the parts by this method were proven to have good qualities. The shrinkage ratio reduced by 5.1%, the density increase by 2.66%, the smoothness increased about 3 times, and the weld-line did not observed by naked eyes.
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문제 정의
또한 화염 을 사용하기 때문에 MEMS(Micro Electro Mechanical System)공정이나 반도체 공정 등 Clean 환경에서 사용하 기에 부적절 하다. 따라서 본 연구에서는 Clean 환경에서 사용하기에 적절한 전열식 금형가열 코어를 제작하였다. 또한 실용적 적용 가능성을 알아보기 위하여, 이를 이용 하여 성형품을 제조하고 외관품질을 측정해 보았다.
따라서 본 연구에서는 Clean 환경에서 사용하기에 적절한 전열식 금형가열 코어를 제작하였다. 또한 실용적 적용 가능성을 알아보기 위하여, 이를 이용 하여 성형품을 제조하고 외관품질을 측정해 보았다.
제안 방법
그림 2는 금속관에 MgO를 충전한 열선을 이용한 가 열코어의 개략도이다. 그림에서 보면 알 수 있듯이 금속 관에 열선을 삽입하고 금속관과 열선의 단락을 방지하기 위하여 빈 공간을 MgO로 충전하였다.
150°C도달 시간이 31초로 앞의 두 테스트 금형보다 가열시간이 월등히 나아졌고, 두 테스트 금형에서 발생하였던 문제점들이 발생하지 않았다. 따라 서 (c) MgO 충전 열선을 이용하여 사각시편금형을 제작 하여 사출성형품을 제조하여 외관품질을 관찰하였다.
그림 6은 설계한 전열식 금형가열장비를 시사출하기 전에 촬영한 것이다. 사진에서 볼 수 있듯이 금형의 뒷면 에 열선을 삽입하는 방식으로 제작하였다. 열선의 구조는 금속관에 열선을 삽입하고 전기적 단락을 막기 위하여 열선과 금속관 사이를 MgO로 충전하였다.
시편은 각각의 금형온도별로 정상적인 사출상태가 이 루어진 후 각 온도당 10개의 시편을 취출하여 표면 거칠 기, 밀도 수축률 등을 비교하였다. 표면 거칠기를 측정하 기 위한 도구로는 Lotus과학의 TR100 Surface Roughness Tester 기를 사용하였다.
사진에서 볼 수 있듯이 금형의 뒷면 에 열선을 삽입하는 방식으로 제작하였다. 열선의 구조는 금속관에 열선을 삽입하고 전기적 단락을 막기 위하여 열선과 금속관 사이를 MgO로 충전하였다. 또한 채널에 열선을 삽입하고서 남은 공간은 알루미늄으로 코팅하여 열선의 휨과 떨어짐 현상을 막았다.
실험에 사용한 사출성형기는 현대정공주식회사의 SPE250 으로 직압식 수평형 타입이다. 이 금형은 two cavity 형태로서 한쪽 캐비티(cavity)는 가로, 세로 모두 120 mm, 두께는 3 mm로 제작되었고, 다른 한쪽 캐비티 는 금형표면의 전사성을 알아보기 위하여 캐비티의 1/2 을 embossing 처리를 하였다.
최적의 전열식 금형 가열코어를 제작하기 위하여 3종 류의 금형을 제작하여 열전쌍을 이용한 시간에 따른 온 도 프로파일을 조사함으로써 그 성능을 평가하였다.
대상 데이터
실험에 사용된 수지는 Dow chemical의 HIPS 로서 흑 색 master batch를 2 phr를 혼합하였다. 금형온도를 제외 한 사출압력, 보압, 속도, 시간은 Table 1과 같이 설정하 였다.
실험에 사용한 사출성형기는 현대정공주식회사의 SPE250 으로 직압식 수평형 타입이다. 이 금형은 two cavity 형태로서 한쪽 캐비티(cavity)는 가로, 세로 모두 120 mm, 두께는 3 mm로 제작되었고, 다른 한쪽 캐비티 는 금형표면의 전사성을 알아보기 위하여 캐비티의 1/2 을 embossing 처리를 하였다.
이론/모형
시편은 각각의 금형온도별로 정상적인 사출상태가 이 루어진 후 각 온도당 10개의 시편을 취출하여 표면 거칠 기, 밀도 수축률 등을 비교하였다. 표면 거칠기를 측정하 기 위한 도구로는 Lotus과학의 TR100 Surface Roughness Tester 기를 사용하였다.
성능/효과
그림 3은 각각의 금형가열 코어별 온도프로파일을 나 타낸 것이다. (a) Kanthal Wire를 이용하여 제작한 테스트 금형에서는 150°C까지 도달 시간이 70초가 걸렸고, 반복 하여 실험을 하는 동안 코팅하였던 AI2O3가 떨어지는 현 상이 발생하였다. (b)운모코팅 열선의 경우 150°C도달 시 간이 60초로 Kanthal Wire 보다 10초 단축이 되었지만 온 도가 올라갈수록 열선의 휨이 발생하였고, 이로 인하여 금형과 열선이 벌어지는 현상이 발생하였다.
(a) Kanthal Wire를 이용하여 제작한 테스트 금형에서는 150°C까지 도달 시간이 70초가 걸렸고, 반복 하여 실험을 하는 동안 코팅하였던 AI2O3가 떨어지는 현 상이 발생하였다. (b)운모코팅 열선의 경우 150°C도달 시 간이 60초로 Kanthal Wire 보다 10초 단축이 되었지만 온 도가 올라갈수록 열선의 휨이 발생하였고, 이로 인하여 금형과 열선이 벌어지는 현상이 발생하였다. 또한 전기적 단락으로 인하여 열선이 끊어지는 현상도 발생하였다.
기존의 기체화염을 이용한 사출성형 방식의 경우 미세 먼지 등이 함유되고, 광학용 등 청정 환경이 필요한 성형 품의 경우 불꽃을 사용하는 방식으로 인하여 그 사용이 제한되었다. 그리하여 본 연구에서는 전열식 금형가열코 어를 설계하여 테스트한 결과 원하는 온도인 130°C까지 약 14초에 도달하는 것을 볼 수 있었고, 냉각 시간까지 고려한 1 cycle time을 볼 경우 55s 로서 충분히 상용성이 있는 것을 알 수 있었다. 또한 성형품의 수축률과 밀도, 표면거칠기 등 외관품질에서 보았을 때 기존의 금형가열 방식인 기체화염방식에 뒤떨어지지 않는 것을 알 수 있 었다.
그리하여 본 연구에서는 전열식 금형가열코 어를 설계하여 테스트한 결과 원하는 온도인 130°C까지 약 14초에 도달하는 것을 볼 수 있었고, 냉각 시간까지 고려한 1 cycle time을 볼 경우 55s 로서 충분히 상용성이 있는 것을 알 수 있었다. 또한 성형품의 수축률과 밀도, 표면거칠기 등 외관품질에서 보았을 때 기존의 금형가열 방식인 기체화염방식에 뒤떨어지지 않는 것을 알 수 있 었다. 이는 기존의 기체화염 방식과 비교했을 때 cycle time 에서만 약간의 차이가 있을 뿐 성형제품의 경우 거 칠기 및 수축률 밀도에서 기체화염과 동등한 제품을 얻 을 수 있는 것을 알 수 있었다.
또한 성형품의 수축률과 밀도, 표면거칠기 등 외관품질에서 보았을 때 기존의 금형가열 방식인 기체화염방식에 뒤떨어지지 않는 것을 알 수 있 었다. 이는 기존의 기체화염 방식과 비교했을 때 cycle time 에서만 약간의 차이가 있을 뿐 성형제품의 경우 거 칠기 및 수축률 밀도에서 기체화염과 동등한 제품을 얻 을 수 있는 것을 알 수 있었다. 따라서 전열식 가열 방식 은 청정 환경에 적합한 사출성형 기술이라고 볼 수 있다
그림 8은 성형방식에 따른 각각의 성형품의 수축률과 밀도를 비교한 것이다. 일반 사출성형품 보다 전열을 이 용한 금형가열 코어방식이 5.1%의 수축률 감소를 보인 것을 알 수 있다. 또한 밀도에서는 전열을 이용한 금형가 열 코어방식으로 사출한 성형품이 2.
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