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문제 정의
- 본 연구에서는 형상 적응형 냉각수로를 가진 고속 냉각 사출성형 금형 코어 제작 방법에 개발을 수행하고자 한다. 금형 설계를 위한 냉각수로 위치의 사출 성형 특성 영향성에 대한 해석적 고찰을 수행하였다.
- 본 논문에서는 진공 청소기 커버 제작용 형상 적응형 냉각수로를 가진 고속 냉각 사줄성형 금형 코어 개발을 위한 금형 설계/제작 방법에 대하여 연구를 수행하였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 수행하고자 한다. 금형 설계를 위한 냉각수로 위치의 사출 성형 특성 영향성에 대한 해석적 고찰을 수행하였다. 또한, 설계된 사출 성형 금형을 제작하기 위하여 하이브리드 쾌속툴링 방법을 활용하였다.
- 또한, 설계된 사출 성형 금형을 제작하기 위하여 하이브리드 쾌속툴링 방법을 활용하였다.제작된 금형을 이용하여 시사출 실험과 제품 평가를 수행하여 개발된 금형의 효율성과 실용성을 검증하였다.
- 설계된 제품의 충진/제품제작 특성 분석과 초기사출압력/충진시간/형 체력 결정 및 금형면과 냉각 채널 사이의 거리(&)를 결정하기 위하여 사출성형해석을 수행하였다. 사출성형 해석은 Moldflow MPIV6.
- 사출성형해석에 사용된 절점과 격자 개수는 각각 40, 896개와 26, 710 개 이다. 사출성형 재료는 ABS 수지를 사용하였다. 사출 해석에 사용된 금형면과 냉각 채널 사이의 거리는 각각 3.
- 분리가 필요하다. 본 연구에서는 Fig. 5 와 같이 금형 형상 분리면은 냉각수로의 절곡이 발생하는부분 중 금형면에 가장 가까운 면으로써, 냉각수로 삽입 후 레이저를 이용한 금형강 적층시 레이저와 냉각수로의 간섭이 발생하지 않는 면을 선택하였다.
- DMT 쾌속툴링 공정으로 적층하여 생성하는 부분은 적층후 금형면 정밀도 향상을 위하여 수행하는 후가공 깊이를 고려하여 금형면을 수직 방향으로 1mm 오프셋 시켜 설계하였다. 또한, 오프셋 된 금형면 생성시 중첩이 발생하고 쾌속툴링공정으로 정확한 형상이 구현되기 어려운 두께 1mm 이하의 수직형 리브 부분은 쾌속툴링용 CAD 데이터에서는 제외하고, 후가공 공정에서 구현되도록 설계를 하였다.
- 1mm 오프셋 시켜 설계하였다. 또한, 오프셋 된 금형면 생성시 중첩이 발생하고 쾌속툴링공정으로 정확한 형상이 구현되기 어려운 두께 1mm 이하의 수직형 리브 부분은 쾌속툴링용 CAD 데이터에서는 제외하고, 후가공 공정에서 구현되도록 설계를 하였다. 금형 제작 순서는 냉각 수로를 가진 금형 구조부를 기계가공으로 제작한 후, 냉각 수로용 동 파이프를 삽입하고 최종적으로 DMT 공정으로 금형 형상부를 생성하도록 하였다.
- 또한, 오프셋 된 금형면 생성시 중첩이 발생하고 쾌속툴링공정으로 정확한 형상이 구현되기 어려운 두께 1mm 이하의 수직형 리브 부분은 쾌속툴링용 CAD 데이터에서는 제외하고, 후가공 공정에서 구현되도록 설계를 하였다. 금형 제작 순서는 냉각 수로를 가진 금형 구조부를 기계가공으로 제작한 후, 냉각 수로용 동 파이프를 삽입하고 최종적으로 DMT 공정으로 금형 형상부를 생성하도록 하였다. 기계가 공부의 금형 재료는 NAC 계열의 KP4M 재료를 선정하였으며, 쾌속툴링부는 KP4M 과 성분비가 유사하며 쾌속 툴링시 경계면의 결합이 매우 우수한 P21 재료를 사용하였다.
- 후처리 되지 않은 1차 형상 금형은 Fig. 6(a)와같이 금형 구조부를 기계가공으로 제작하고 동파이프로 된 냉각수로를 삽입한 후, 그 위에 레이저 적층 경로에 따라 P21 재료를 DMT 공정으로 적층하여 제작하였다. 금형 제작 시간은 약 56 시간이 소요되었다.
- 1차 형상 금형의 표면 조도 향상과 1mm 이하의 두께를 가지는 수직 리브의 형상 구현을 위하여 고속가공과 방전가공 및 래핑의 후처리 공정을 수행하였다. 후처리 공정에서는 1차 형상 금형 제작시 반영된 적층 후 가공량 1.
- 기계가공부와 DMT 적층부의 결합 특성을 고찰하기 위하여 이용하여 Fig. 7과 같이 전자현미경으로 결합부 미세조직을 고찰하였다. 미세 조직 고찰 결과 기계가공부와 P21 재료가 금속학적으로 완전히 결합되었음을 알 수 있었다.
- 본 연구에서 제작된 금형의 냉각 특성과 제품 생산성을 확인하기 위하여 사출성형 실험을 수행하였다. 사출성형 실험은 사출 성형 해석 결과를 활용하여 250ton급 사출 성형기(Mitusbish사 450 MN-60 모델)를 사용하였다.
- 사출성형 실험 재료는 ABS를 사용하였다. 사출 성형 실험은 사전 실험과 본 실험 2 단계로 수행하였다. 사전 실험으로 초기 제품 형상이 제작되는 사출 압력, 보압시간 및 사출 시간을 선정하였다.
- 사전 실험으로 초기 제품 형상이 제작되는 사출 압력, 보압시간 및 사출 시간을 선정하였다. 본 실험에서는 사전 실험에서 정해진 사출 압력과 사출 시간에 대하여 냉각시간을 감소시키면서 수행하였다. 냉각시간은 3-15초 사이로 변화시키면서 실험을 수행하였다.
- 사출성형 실험으로 취득된 냉각시간별 제품에 대한 제품 제작성, 제품 정밀도 및 제품 투명도 분석을 통하여 금형의 냉각시간과 제품 제작 시간을 도출하였다. 제품 정밀도는 접촉식 3차원 측정기 (Renishaw 사, Cyclon series II)를 이용한 제품 위치 에러 및 제품 두께 변화를 측정하였다.
- 도출하였다. 제품 정밀도는 접촉식 3차원 측정기 (Renishaw 사, Cyclon series II)를 이용한 제품 위치 에러 및 제품 두께 변화를 측정하였다. 제품 투명도를 간접적으로 분석하기 위하여 탁도(HAZE) 즉정기 (Denshouku 사, NDH-300A) 를 이용하여 제품의 탁도를 측정하였다.
- 제품 정밀도는 접촉식 3차원 측정기 (Renishaw 사, Cyclon series II)를 이용한 제품 위치 에러 및 제품 두께 변화를 측정하였다. 제품 투명도를 간접적으로 분석하기 위하여 탁도(HAZE) 즉정기 (Denshouku 사, NDH-300A) 를 이용하여 제품의 탁도를 측정하였다.
- 사전 실험에 도출된 사출 성형 조건에서 냉각시간을 15초로부터 3초까지 감소시키면서 냉각 특성 실험을 수행하였다. 실험 결과 Fig.
- 3차원 측정기로 각 실험조건에 따라 제작된 제품의 CAD 데이터 대비 위치 정밀도를 측정하였다. 그 결과 Fig.
대상 데이터
- 본 연구의 대상 금형은 Fig. 1과 같이 lllmmx 128mmx94mm의 크기 를. 가지 며 , 총 6개로 구성 된 분할식 금형으로 설계된 소형 청소기 커버 제작용 사출성형 금형이다.
- 본 금형의 스프루는 초기 직경이 4mm인 원형 단면의 테이퍼형을 선정하였다. 러너는 직경 8mm 인 콜드 러너를 사용하였으며, 게이트는 5.
- 테이퍼형을 선정하였다. 러너는 직경 8mm 인 콜드 러너를 사용하였으며, 게이트는 5.95mmx L63mm의 면적을 가진 에지(Edge) 게이트로 설계하였다. 사출성형 해석을 위한 해석 격자와 채널 거리의 정의는 Fig.
- 2와 같다. 사출성형해석에 사용된 절점과 격자 개수는 각각 40, 896개와 26, 710 개 이다. 사출성형 재료는 ABS 수지를 사용하였다.
- 사출성형 재료는 ABS 수지를 사용하였다. 사출 해석에 사용된 금형면과 냉각 채널 사이의 거리는 각각 3.5mm, 18.5mm, 33.5mm 및 48.5mm이다.
- 대상 금형 의 6개 세부 금형중 직 선형 냉각수로를 가지는 1개의 금형은 기계가공으로만 제작하였으며, 5개의 3차원 형상적응형 냉각채널을 가진 금형은 Fig. 5와 같이 DMT 직접식 쾌속 툴링 공정과 기계가공공정을 혼합한 하이브리드 쾌속 툴링 (Hybrid rapid tooling) 공정 [11]을 활용하여 제작하였다. 금형 내부에 생성되는 냉각수로의 경우 냉각수 유동시 쾌속툴링으로 제작된 내부 금형면의 침식에 의한 냉각수로 막힘 현상을 제거하기 위하여 냉각수로 형성부에 동 파이프를 삽입하도록 하였다.
- 금형 제작 순서는 냉각 수로를 가진 금형 구조부를 기계가공으로 제작한 후, 냉각 수로용 동 파이프를 삽입하고 최종적으로 DMT 공정으로 금형 형상부를 생성하도록 하였다. 기계가 공부의 금형 재료는 NAC 계열의 KP4M 재료를 선정하였으며, 쾌속툴링부는 KP4M 과 성분비가 유사하며 쾌속 툴링시 경계면의 결합이 매우 우수한 P21 재료를 사용하였다.
- 사출성형 실험은 사출 성형 해석 결과를 활용하여 250ton급 사출 성형기(Mitusbish사 450 MN-60 모델)를 사용하였다. 사출성형 실험 재료는 ABS를 사용하였다.
- 사출성형 실험은 사출 성형 해석 결과를 활용하여 250ton급 사출 성형기(Mitusbish사 450 MN-60 모델)를 사용하였다. 사출성형 실험 재료는 ABS를 사용하였다. 사출 성형 실험은 사전 실험과 본 실험 2 단계로 수행하였다.
- 사출 성형 실험은 사전 실험과 본 실험 2 단계로 수행하였다. 사전 실험으로 초기 제품 형상이 제작되는 사출 압력, 보압시간 및 사출 시간을 선정하였다. 본 실험에서는 사전 실험에서 정해진 사출 압력과 사출 시간에 대하여 냉각시간을 감소시키면서 수행하였다.
이론/모형
- 금형 설계를 위한 냉각수로 위치의 사출 성형 특성 영향성에 대한 해석적 고찰을 수행하였다. 또한, 설계된 사출 성형 금형을 제작하기 위하여 하이브리드 쾌속툴링 방법을 활용하였다.제작된 금형을 이용하여 시사출 실험과 제품 평가를 수행하여 개발된 금형의 효율성과 실용성을 검증하였다.
- 수행하였다. 사출성형 해석은 Moldflow MPIV6.1 를 사용하였다.
성능/효과
- 3은 형상 적응형 냉각수로를 가진 소형 청소기 커버 금형에 대한 사출성형 해석 결과이다. 본 해석 결과 Table 1 및 Fig. 3과 같이 사출 시간 2.0초에서 금형내 수지의 완전 충진이 일어남을 알 수 있었다.Table 1의 결과에서 금형면과 냉각 채널 사이의 거리가 가까워질수록 제품의 냉각시간이 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 금형 제작 시간은 약 56 시간이 소요되었다. DMT 공정의 제작된 금형의 표면 조도를 측정한 결과 DMT 공정으로 적층된 부위의 평균 최대 조도(Rg)가 약 186㎛로 거친 표면을 나타내었다.
- 이 결과로부터 최종 형상 금형 제작을 위하여 총 131시간이 소요됨을 알 수 있었다. 최종 금형에 대한표면 조도 측정 결과 평균 최대조도가 상면 3.8μm, 측면 9.1㎛ 로 향상됨을 알 수 있었다.
- 7과 같이 전자현미경으로 결합부 미세조직을 고찰하였다. 미세 조직 고찰 결과 기계가공부와 P21 재료가 금속학적으로 완전히 결합되었음을 알 수 있었다.
- 본 대상 금형에 대한 사전 사출성형 실험을 통하여 제품 형상이 구현되는 사출 성형 조건이 사출압력, 사출 시간 및 보압 시간이 각각 88.4MPa, 2초 및 2초 임을 알 수 있었다.
- 실험을 수행하였다. 실험 결과 Fig. 8과 같이 냉각시간을 3초까지 감소시켜도 외관상 제품에 결함이 없는 제품 성형할 수 있었다. 제품 성형을 위하여 소요되는 금형 개폐시간, 사출 재료 계량 시간 및 제품 추출 시간 등의 운용시간이 18초 정도 소요되었다.
- 8과 같이 냉각시간을 3초까지 감소시켜도 외관상 제품에 결함이 없는 제품 성형할 수 있었다. 제품 성형을 위하여 소요되는 금형 개폐시간, 사출 재료 계량 시간 및 제품 추출 시간 등의 운용시간이 18초 정도 소요되었다.
- 그 결과 Fig. 9와 같이 냉각시간 3초 일때의 0.1mm의 평균 위치를 오차를 나타내며, 즉 정점들 중 98.1%가 0.5mm의 위치 오차 범위내에 있음을 알 수 있었다. 그러나 냉각시간 6초의 경우 0.
- 18mm 범위를 벗어나지 않음을 알 수 있었다. 냉각시간이 10초 이하에서는 냉각시간이 감소할수록 설계 두께 대비 제품 두께 차이가 미세하게 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한, 냉각시간 3초의 경우 설계된.
- 또한, 냉각시간이 5초 이하가 되면 10-11% 대로 현저히 감소된 탁도를 지속적으로 나타낸다. 특히, 냉각시간 5초전후로 제품 탁도를 비교해 보면, 냉각시간 5초 이하인 경우가 냉각시간 6초 이상인 경우보다 1~ 6% 정도 탁도가 감소함을 알 수 있었다. 이 결과로부터 냉각시간이 5초 이하일 경우 투명도가 높은 제품을 제작할 수 있음을 알 수 있었다.
- 특히, 냉각시간 5초전후로 제품 탁도를 비교해 보면, 냉각시간 5초 이하인 경우가 냉각시간 6초 이상인 경우보다 1~ 6% 정도 탁도가 감소함을 알 수 있었다. 이 결과로부터 냉각시간이 5초 이하일 경우 투명도가 높은 제품을 제작할 수 있음을 알 수 있었다.
- 위 분석 결과들로부터 본 연구에서 설계된 금형을 진공 청소기 커버 제품 사줄 성형 공정에 적용할 경우 냉각시간 3초 및 제품 제작 시간 21초의 고속 냉각 사출성형 금형을 제작할 수 있음을 알 수 있었다.
- 첫째, 사출 성형 해석을 이용하여 금형의 냉각성능이 향상되는 형상적응형 냉각채널의 금형 내부 위치 및 배치를 결정할 수 있었다.
- 둘째, 금형 형상 분리 설계 기법과 하이브리드쾌속 툴링 공정을 본 대상 금형 개발에 적용함으로써 냉각성능이 현저히 향상되는 형상적응형 냉각수로를 내부가 형성된 사출 성형 금형을 구현할 수 있었으며, 금형 제작 효율을 향상 시킬 수 있었다. 또한, 제작된 금형에 대한 쾌속 툴링과 기계가공 경계영역의 미세 조직 분석을 통하여 경계영역의 결합 특성을 검증할 수 있었다.
- 또한, 제작된 금형에 대한 쾌속 툴링과 기계가공 경계영역의 미세 조직 분석을 통하여 경계영역의 결합 특성을 검증할 수 있었다.
- 셋째, 본 연구에서 제작된 금형을 활용하여 사출 성형 실험과 제품 특성 평가를 수행한 결과, 형상 적응형 냉각수로를 가진 사출 성형 금형을 청소기 커버 제품 제작에 적용할 경우 냉각시간 및 제품 제작 시간이 각각 3초 및 21초까지 단축될 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 냉각시간이 3초인 경우 제품의 평균 위치 오차, 격벽부 두께 오차 범위 및제품의 탁도가 각각 0.
- 알 수 있었다. 또한, 냉각시간이 3초인 경우 제품의 평균 위치 오차, 격벽부 두께 오차 범위 및제품의 탁도가 각각 0.1mm, -0.06~0.08mm 및 11%인양호한 제품이 제작됨을 알 수 있었다.
- 금형면과 냉각채널 사이의 거리 변화에 의하여 사출압력과 형체력 이 각각 IMPa 및 4ton 내의 매우 작은 변화만이 발생함을 알 수 있었다. 제품의 체적 수죽율은 Table 1 및 Fig.
- 전체 후가공 시간은 약 75시간이 소요되었다. 이 결과로부터 최종 형상 금형 제작을 위하여 총 131시간이 소요됨을 알 수 있었다. 최종 금형에 대한표면 조도 측정 결과 평균 최대조도가 상면 3.
후속연구
- 추후 추가적인 금형 내부 열전달 해석 및 사출성형 공정중 금형 내부 온도 변화 분석을 수행하여, 금형의 냉각특성 향상에 대한 정량적 분석을 수행할 예정이다.
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