[논문]고주파 유도가열을 사용한 급속 금형가열에 관한 연구

정희택; 윤재호; 박근; 권오경

doi:10.3795/ksme-a.2007.31.5.594

고주파 유도가열을 사용한 급속 금형가열에 관한 연구
A Study on Rapid Mold Heating System using High-Frequency Induction Heating 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.31 no.5 = no.260, 2007년, pp.594 - 600

정희택 (한국생산기술연구원 열유체시스템팀) , 윤재호 (한국생산기술연구원 열유체시스템팀) , 박근 (서울산업대학교 기계설계.자동화공학부) , 권오경 (한국생산기술연구원 열유체시스템팀)

Abstract ▼ AI-Helper

Rapid mold heating has been recent issue to enable the injection molding of thin-walled parts or micro/nano structures. Induction heating is an efficient way to heat a conductive workpiece by means of high-frequency electric current caused by electromagnetic induction. Because the induction heating is a convenient and efficient way of indirect heating, it has various applications such as heat treatment, brazing, welding, melting, and mold heating. The present study covers an experimental investigation on the rapid heating using the induction heating and rapid cooling using a vortex tube in order to eliminate an excessive cycle time increase. Experiments are performed in the case of a steel cup mold core with various heating and cooling conditions. Temperature is measured during heating and cooling time, from which appropriate mold heating and cooling conditions can be obtained.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그밖에 금형을 유리전이 온도 이상으로 가열하여 수지의 응고를 완화시킴으로써 유동특성을 개선하는 방법이 연구되었는데, °令 이는 금형의 가열과 냉각에 소요되는 시간이 상대적으로 길어 생산성이 저하되는 문제점이 있다. Yao와 Kime 이러한 문제점을 극복하기 위해 1초에 100℃ 이상의 속도로 금형을 가열하는 급속 가열 사출성형(Rapid thermal response molding; RTR molding) 공정을 개발하였으며, (5, 6)이를 적용하여 박육 사출 성형의 유동특성을 개선하기 위한 실험적인 연구를 수행하였다. 또한 박육 사출성형에서의 유동 특성을 수치적으로 묘사하기 위한 연구 등이 진행되고 있으며, a8)최근들어 고주파 유도가열 (Eduction heating)을 사용하여 사출금형의 표면만을 급속으로 가열함흐로써 성형성을 향상시키기 위한 연구도 진행되고 있다.
본 연구에서는 박육제품의 사출성형시 생산성을 향상시키기 위해서 급속가열 및 급속냉각방식을 적용하여 컵형상의 금형코어 형태에 실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 복잡한 금형형상에 적용하기에 앞서 컵형상의 금형코어를 제작하고 실험을 통하여 급속 가열 기법으로 고주파 유도가열기를 사용하고 급속 냉각 기법으로 자연대류, 압축공기 및 볼텍스 튜브를 사용하여 금형코어의 온도 특성을 파악하고자 한다.

제안 방법

Table 2는 냉각조건을 나타낸 것이다. 금형코어 표면 냉각시에 분사되는 유속이 20, 40, 60 m/s가 되도록 조절하여 냉각실험을 수행하였으며, 금형코어 표면에 분사되는 튜브의 직경은 8 mm이다.
급속냉각 방법에는 7 kg/crW으로 불어지는 압축공기, 볼텍스튜브(Exair 3215)를 사용하여 그 결과를 비교하고자 하였으며, 데이터 처리장치는 일본 Yokogawa사의 MV200을 사용하여 데이터를 취득하였다.
본 연구에서는 고주파 유도가열 과정의 해석을 위해 상용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 사용하여 전자기장 해석과 열전달 해석을 연계하여 수행하였다. Fig.
실험조건으로는 가열조건과 냉각조건을 분리하였으며 가열조건은 Table 1에 나타낸바와 같이 고주파 유도 가열기에서 전류는 100, 200, 300, 400A로 조절하였으며, 주파수는 30 kHz, 가열 시간은 4 sec로 고정시켰다. 고주파유도코일 내로 흐르는 냉각수의 온도는 18℃로 일정하게 유지하였으며 대기온도는 29℃이고 금형코어 표면의 초기온도는 29℃이다.
실험에 사용된 고주파 가열기는 (주)피에스텍 PSIH-15MF모델을 사용하였으며 출력전력 15 kW이며 수냉식이다. 테스트 섹션 부는 외경 42.3 mm의 금형코어 중앙위치 표면에 90° 간격으로 4개의 K-type 열전대(Thermocouple) 를 홈을 파서 고정되도록 설치하여 온도를 측정하였다. 결과에 사용된 온도값은 4점 의 평 균값을 사용하였다.

대상 데이터

수행하였다. Fig. 5에 도시 된 해석영역을 2차원 죽대칭 문제로 단순화시켜 유한요소 해석모델을 구성하였다. 경계 조건으로는 코일에 400 A, 30 kHz의 고주파 전류를 인가하였다.
결과에 사용된 온도값은 4점 의 평 균값을 사용하였다. 금형의 코어 플레이트는 탄소강으로 제작하였으며 그 크기는 가로 150mm, 세로 llOnun, 높이 20 mm이다. 또한 컵형상의 금형코어 주위에는 유도가열 코일을 설치하였다.
실험장치는 크게 고주파 가열기, 테스트섹션, 냉각장치(압축공기, 볼텍스튜브) 및 데이터 처리 장치로 구성된다. 실험에 사용된 고주파 가열기는 (주)피에스텍 PSIH-15MF모델을 사용하였으며 출력전력 15 kW이며 수냉식이다. 테스트 섹션 부는 외경 42.
4는 테스트섹션부를 나타낸 것이다. 실험장치는 크게 고주파 가열기, 테스트섹션, 냉각장치(압축공기, 볼텍스튜브) 및 데이터 처리 장치로 구성된다. 실험에 사용된 고주파 가열기는 (주)피에스텍 PSIH-15MF모델을 사용하였으며 출력전력 15 kW이며 수냉식이다.
또한 컵형상의 금형코어 주위에는 유도가열 코일을 설치하였다. 유도가열 코일은 직경 8 mm의 타프피치동으로 제작되었으며 내경 70 mm의 원으로 6 권 감겨있다.

데이터처리

반면에 코어의 중심부 온도는 40~90℃로 나타나 금형의 표면부에 온도상승이 집중됨을 알 수 있다. 해석의 신뢰성을 검증하기 위해 금형코어 중앙부(Fig. 5 참조)에서의 시간대별 온도변화를 실험결과와 비교하였다.

성능/효과

(1) 고주파 유도가열 과정의 해석을 전자기장해석과 열전달 해석을 연계하여 수행한 결과 해석과 실험결과가 온도의 상승 경향은 물론 정량적으로도 잘 일치함을 확인할 수 있었다.
(2) 4 sec간의 급속가열시 금형코어 표면의 온도는 400>300>200>100 A 순으로 전류가 높을수록 크게 나타났으며, 특히 400 A의 경우를 급속냉각하는 경우에는 볼텍스 튜브로 냉각하는 경우 자연대류냉각에 비해 약 37.8배의 냉각시간이, 압축공기와 비교해서는 약 4.4배 냉각시간이 단축되어 금형냉각에 효과적임을 확인하였다.
(3) 금형코어 온도를 급속가열한 경우 몇 회의 실험 시에도 전류별로 일정한 온도대가 형성되어 실험의 반복성이 확인되었으며, 급속냉각 시에는 볼 텍스 튜브, 압축공기, 자연대류 순으로, 유속에 따라서는 60, 20 m/s 순으로 금형코어의 표면 온도가 낮아짐을 알 수 있었다.
(4) 금형표면 목표온도를 180℃로 가열할 경우 최적의 조건으로는 200 A 전류로는 4 sec, 300 A 에서는 3 sec, 400 A에선 2.5 sec로 가열할 때 180℃에 도달 가능한 최적 시간임을 알 수 있었다.
11은 고주파 유도가열기를 사용하여 100 A 로 급속가열하고 자연대류, 압축공기, 볼텍스 튜브로 냉각을 하였을 때 금형코어의 온도변화를 나타낸 것이다. 100 A로 급속가열시에 최대 온도 점은 Fig. 8, 9 및 10의 경우처럼 95 ℃ 전후에서 형성되어 실험의 반복성이 확인되었으며, 금형 코어 온도가 냉각되는 시간은 볼텍스튜브, 압축공기, 자연대류 순으로, 유속에 따라서는 60, 20 m/s 순으로 예측가능한 결과를 얻을 수 있었다.
9는 냉각방법으로 60 m/s의 유속을 가지는 7 kg/cK의 압축공기를 사용했을 때 시간에 대한금형 코어 표면의 온도변화를 나타낸 그래프이다. 고주파 유도가열기를 사용하여 급속가열하는 경우 각 전류별로 온도상승경향은 Fig. 8과 비슷하였으며, 400 A로 가열한 금형코어를 29℃로 냉각시키는 데 걸리는 시간은 387 sec로서 Fig. 8의 자연대류 냉각시와 비교했을 때, 약 6.2배 크게 단축되는 것을 확인할 수 있었다.
10은 냉각방법으로 60 m/s의 유속을 가지는 1 kg/cn?의 볼텍스튜브를 사용하였을 때, 온도변화를 측정한 그래프이다. 금형코어 표면의 온도변화는 Fig. 9와 Fig. 10의 경향에서처럼 전류가 높을수록 크게 나타났으며, 400 A에서 냉각에 소요되는 시간은 72 sec가 소요되었다. Fig.
11~14의 결과를 정리해볼 때 만일 사출 성형할 수지가 PC(Polycarbonate)라면 유리 전이온도는 150℃이고 코일을 이동시켜 금형을 닫을 동안 자연대류로 냉각되는 손실을 감안한다면 목표 가열온도는 180笆정도가 된다. 본 논문에서의 실험 결과에 의하면 180℃까지 가열하기 위한 최적의 조건으로는 200 A 전류로는 4 sec, 300 A에서는 3 sec, 400 A에선 2.5 sec 가열 했을때 180℃에 도달 가능한 최적 시간임을 알 수 있다.
6에 4초 후의 금형의 온도분포를 도시하였다. 온도분포를 살펴보면 금형 측면부 표면에서 최대 166.7 ℃ 까지 상승되는 것으로 나타나 일반적인 고분자 수지의 유리전이온도 이상으로 가열됨을 확인할 수 있었다. 반면에 코어의 중심부 온도는 40~90℃로 나타나 금형의 표면부에 온도상승이 집중됨을 알 수 있다.

참고문헌 (12)

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