전산모사 프로그램을 이용한 E-MOLD의 Heating Line 배치의 최적화 설계에 관한 연구 Development of simulation method for heating line optimization of E-Mold by using commercial CAE softwares원문보기
일반사출성형에서는 수지가 캐비티 내를 흐르면서 냉각으로 인한 점도의 상승으로 전사성이 급격히 나빠지기 때문에 미세패턴을 가진 성형품을 제작하는데 많은 어려움이 따른다. 이를 해결하는 방법으로 금형온도를 용융된 수지온도 수준까지 순간적으로 표면만을 가열하여 성형시킨 후 급속히 냉각하는 다양한 순간금형가열방식이 있고, 그 중 본 연구에서는 전열가열방식인 E-Mold을 채택하였다. 특히, 마이크/나노 부품 성형에 필수적인 E-Mold 금형설계에 있어 heating line의 배치는 금형의 온도 제어 및 균일한 온도 분포에 절대적인 영향을 미치므로 최적화된 heating line의 배치가 필수적이다. 본 연구에서는 사출공정의 사이클 타임을 최소화하면서 다양한 해석 프로그램을 사용하여 E-Mold의 최적화 설계를 전산모사 하였고, 이를 실험결과와 비교하였다. 먼저, 3D CAD 프로그램인 Pro-Engineer Wildfire 2.0 을 사용하여 E-Mold 금형을 설계하고, ANSYS사의 ICEMCFD 프로그램을 사용하여 MESH 생성하고, ANSYS사의 FLUENT 프로그램을 사용하여 금형의 초기온도 $60^{\circ}C$에서 $120^{\circ}C$와 $180^{\circ}C$까지 가열하는데 걸리는 시간과 냉각시키는데 걸리는 시간 등을 전산모사 하였다. 그리고 Polycarbonate를 이용하여 LGP 도광판을 실제 사출성형하여 얻은 데이터와 비교 분석을 하였다. 전산모사와 실제 사출결과에서 $3{\sim}4$초가량의 차이가 나타났지만 실제 사출시 고온의 용융된 플라스틱 수지에 따른 냉각시간의 오차를 생각한다면, 전산모사와 실힘결과는 거의 일치한다고 볼 수 있다. 따라서 본 체계적인 전산모사방법을 통해 E-Mold의 Heating Line 최적화 설계가 가능하다는 것을 확인하였다.
일반사출성형에서는 수지가 캐비티 내를 흐르면서 냉각으로 인한 점도의 상승으로 전사성이 급격히 나빠지기 때문에 미세패턴을 가진 성형품을 제작하는데 많은 어려움이 따른다. 이를 해결하는 방법으로 금형온도를 용융된 수지온도 수준까지 순간적으로 표면만을 가열하여 성형시킨 후 급속히 냉각하는 다양한 순간금형가열방식이 있고, 그 중 본 연구에서는 전열가열방식인 E-Mold을 채택하였다. 특히, 마이크/나노 부품 성형에 필수적인 E-Mold 금형설계에 있어 heating line의 배치는 금형의 온도 제어 및 균일한 온도 분포에 절대적인 영향을 미치므로 최적화된 heating line의 배치가 필수적이다. 본 연구에서는 사출공정의 사이클 타임을 최소화하면서 다양한 해석 프로그램을 사용하여 E-Mold의 최적화 설계를 전산모사 하였고, 이를 실험결과와 비교하였다. 먼저, 3D CAD 프로그램인 Pro-Engineer Wildfire 2.0 을 사용하여 E-Mold 금형을 설계하고, ANSYS사의 ICEMCFD 프로그램을 사용하여 MESH 생성하고, ANSYS사의 FLUENT 프로그램을 사용하여 금형의 초기온도 $60^{\circ}C$에서 $120^{\circ}C$와 $180^{\circ}C$까지 가열하는데 걸리는 시간과 냉각시키는데 걸리는 시간 등을 전산모사 하였다. 그리고 Polycarbonate를 이용하여 LGP 도광판을 실제 사출성형하여 얻은 데이터와 비교 분석을 하였다. 전산모사와 실제 사출결과에서 $3{\sim}4$초가량의 차이가 나타났지만 실제 사출시 고온의 용융된 플라스틱 수지에 따른 냉각시간의 오차를 생각한다면, 전산모사와 실힘결과는 거의 일치한다고 볼 수 있다. 따라서 본 체계적인 전산모사방법을 통해 E-Mold의 Heating Line 최적화 설계가 가능하다는 것을 확인하였다.
To produce plastic parts that have fine pattern through conventional injection molding, a lot of difficulties follow. Therefore, rapid heating and cooling methods are good candidates for manufacturing injection-molded parts with micro/nano patterns. In this study, we adopted the E-Mold patent techno...
To produce plastic parts that have fine pattern through conventional injection molding, a lot of difficulties follow. Therefore, rapid heating and cooling methods are good candidates for manufacturing injection-molded parts with micro/nano patterns. In this study, we adopted the E-Mold patent technology. The mold for E-Mold technology has a separate heated core with micro heaters. It is very important to optimize the lay-out of the heaters in heated core because it influences both control and distribution of mold temperature. We developed a optimization method of heating line lay-out by using commercial softwares and compared the output with the experimental results. We used Pro-Engineer Wildfire 2.0 for the mold design, ICEMCFD for mesh generation, and FLUENT for heat transfer simulation. The simulation results showed the temperature profile from $60^{\circ}C$ to $120^{\circ}C$ or $180^{\circ}C$ during heating and cooling process which were compared with the injection molding experiments. We concluded that the simulation could well explain the experimental results. It was shown that the E-Mold optimization design for heater lay-out could be available through the simulation.
To produce plastic parts that have fine pattern through conventional injection molding, a lot of difficulties follow. Therefore, rapid heating and cooling methods are good candidates for manufacturing injection-molded parts with micro/nano patterns. In this study, we adopted the E-Mold patent technology. The mold for E-Mold technology has a separate heated core with micro heaters. It is very important to optimize the lay-out of the heaters in heated core because it influences both control and distribution of mold temperature. We developed a optimization method of heating line lay-out by using commercial softwares and compared the output with the experimental results. We used Pro-Engineer Wildfire 2.0 for the mold design, ICEMCFD for mesh generation, and FLUENT for heat transfer simulation. The simulation results showed the temperature profile from $60^{\circ}C$ to $120^{\circ}C$ or $180^{\circ}C$ during heating and cooling process which were compared with the injection molding experiments. We concluded that the simulation could well explain the experimental results. It was shown that the E-Mold optimization design for heater lay-out could be available through the simulation.
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문제 정의
본 연구에서는 E-MOLD 금형의 Simulation을 위해 E-MOLD형 금형을 제작하였다. E-MOLD형 금형은 금형의 상측 가열코어에 Micro Heater와 Sensor를 설치하여 금형 표면을 가열하고 시간에 따른 온도DATA를 얻는다.
제안 방법
1) E-Mold 공정의 핵심인 금형 내 히터라인을 최적화하기 위한 체계적인 알고리즘을 개발하였다. 이는 상용화 Software인 Pro-Engineer Wildfire 2.
2) 전산모사 결과의 타당성을 검증하기 위하여 실제 금형을 이용한 사출성형 실험결과를 구하였고 이를 전산모사와 비교하였다. 이 결과에 의하면, 냉각시간의 3~4 초의 편차를 제외하고는 전산모사가 실험결과와 일치함을 확인하였다.
CASE.1의 경우 초기 금형온도 60。<0에서 12*까지 가열하는데 소요되는 시간과 다시 초기 온도로 냉각까지 소요되는 시간을 Simulation 하여 DATA를 얻었고, CASE.2 의 경우 초기 금형온도 60P에서 180P까지 가열하는데 소요되는 시간과 다시 초기 온도로 냉각까지 소요되는 시간을 Simulation 하여 DATA를 얻었다. Mesh 생성 시 설정했던 Target-Surface 부분의 시간에 따른 온도변화를 FLUENT 프로그램에서 DATA로 기록 및 저장한다.
E-MOLD형 금형은 금형의 상측 가열코어에 Micro Heater와 Sensor를 설치하여 금형 표면을 가열하고 시간에 따른 온도DATA를 얻는다. E-MOLD 금형 설계가 완료되면 Simulation을 위해 3D CAD Program을 이용하여 Model을 Design 한다. 그림 2 는 Pro-Engineer Wildfire 2.
Mesh생성 후 변환 저장되어진 파일을 ANSYS사의 Fluent 프로그램에서 Import 하여 Heat&Cool Simulation 실험을 하였다 Simulatione 두 가지 CASE로 실시하였다. CASE.
또 가열부분인 가열코어의 폭은 140mm 이고 높이는 210mm, 두께는 15mm이다. 금형부에 직경 8mm 로 Cooling Line을 설계하고, 가열 코어 내에 직경 5mm인 Heating Line 4개를 설계하였다
E-MOLD 공정의 가장 중요한 조건은 원하는 금형표면의 고른 온도분포를 갖는 Heating Line 설계가 중요하다. 따라서 알고리즘을 통하여 Target Surface의 온도분포가 고르게 가열되고, Cycle Time이 원하는 범위 내에 포함되는 Heating-Line & Cooling-Line의 최적화설계 System을 구축하였다.
본 연구는 미세패턴 사출성형이 가능한 전열가열방식 (E-MOLD)의 금형설계 최적화 기법을 개발하는 것으로써, 먼저 상업화된 Software를 이용하여 금형과 Heating-Line과 Cooling-Line 배치에 대한 3D CAD Modeling을 하여 Mesh를 생성한 후, 열 유체 해석 Program을 통해 금형 내의 위치 및 시간에 따른 온도변화를 전산모사 함으로써 최적의 Heating-Line 과 Cooling-Line 설계를 구현하였다. 한편, 이러한 전산모사의 타당성을 검증하기 위하여 실제 E-MOLD금형을 이용하여 사출성형 실험결과를 구하여 이를 전산모사 결과와 비교/분석하였다.
알고리즘을 통해 Heating-Line과 Cooling-Line을 설계하고 3D CAD Design 후, Mesh를 생성하고, 열유체 해석프로그램을 통하여 Heat&Cool 해석을 하여 최적화 조건에 부합되는지 평가한다. 일반적으로 Cooling-Line은 제품 형상에 따라 설계를 하며, 스프루나 게이트 등 금형 온도가 제일 높은 곳에 냉매가 우선 유입되도록 설계를 하고, 가장 단순한 설계로 최고의 효율을 낼 수 있는 Cooling-Line 설계가 필요하다.
위한 체계적인 알고리즘을 개발하였다. 이는 상용화 Software인 Pro-Engineer Wildfire 2.0, ANSYS사의 ICEMCFD와 FLUENT 등을 상호 활용하여 구현하였다.
대상 데이터
0 을 이용하여 E-MOLD 금형의 가열과 냉각 Simulation을 위한 상측 부분을 Modeling 한 것이다. 금형 전체 폭은 300mm 이고 높이는 과00mm, 두께는 100mm이다. 또 가열부분인 가열코어의 폭은 140mm 이고 높이는 210mm, 두께는 15mm이다.
고속정밀 사출기이다. 사용수지는 폴리카보네이트 (PC) 수지를 사용하였다. 표 1은 성형조건으로 금형 온도를 제외한 다른 인자인 사출압력, 보압, 속도, 위치, 시간 (가열 및 냉각), 냉각수 온도는 일정하게 하였다.
실험에 사용한 사출성형기는 S이ex S-50으로 토 글 타입의 고속정밀 사출기이다. 사용수지는 폴리카보네이트 (PC) 수지를 사용하였다.
데이터처리
설계를 구현하였다. 한편, 이러한 전산모사의 타당성을 검증하기 위하여 실제 E-MOLD금형을 이용하여 사출성형 실험결과를 구하여 이를 전산모사 결과와 비교/분석하였다.
성능/효과
비교하였다. 이 결과에 의하면, 냉각시간의 3~4 초의 편차를 제외하고는 전산모사가 실험결과와 일치함을 확인하였다. 이러한 냉각시간의 차이는 사출 시 고온의 용융수지에 의해 온도 상승효과로 추정된다.
후속연구
3) 본 연구에서 개발한 전산모사를 이용한 금형의 최적화 설계기법은 타당성이 증명되었기에 앞으로 금형 가열방식을 이용한 성형가공분야에서의 산업적인 활용이 기대된다.
참고문헌 (9)
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