[논문]고주파 유도가열을 사용한 초박육 플라스틱 제품의 사출성형

박근; 최선; 이세직; 김영석

doi:10.3795/ksme-a.2008.32.6.481

고주파 유도가열을 사용한 초박육 플라스틱 제품의 사출성형
Injection Molding for a Ultra Thin-Wall Part using Induction Heating 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.32 no.6 = no.273, 2008년, pp.481 - 487

박근 (서울산업대학교 기계설계.자동화공학부) , 최선 (서울산업대학교 대학원 기계설계.자동화공학부) , 이세직 (서울산업대학교 대학원 기계설계.자동화공학부) , 김영석 (서울산업대학교 기계설계.자동화공학부)

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 material by means of an electric current that is caused to flow through the material or its container by electromagnetic induction. It has various applications such as heat treatment, brazing, welding, melting, and mold heating. The present study covers an experimental investigation of induction heating in order to rapidly raise the mold temperature. It is observed that the mold surface temperature is raised up to $200^{\circ}C$ in 2 seconds. This induction heating is applied to injection molding of a flexspline for a plastic harmonic drive, which has difficulty in cavity filling because its minimum thickness is only 0.35 mm. The induction heating is then successfully implemented on this ultra-thin wall molding by raising the mold surface temperature around the glass-transition temperature of the molding material.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 사출금형의 급속가열을 위한 고주파 유도가열 시스템을 구축하였다. 구성 요소를 살펴보면 고주파 가열기, 가열코일, 코일이 연결된 보조 컨트롤 박스, 냉각장치(냉각수 및 압축공기) 및 데이터 처리장치로 구성된다.
본 연구에서는 소형 플라스틱 하모닉 감속기용 플렉스플라인의 사출성형시 성형성을 향상시키기 위해 고주파 유도가열 기법을 적용하고자 한다. 하모닉 감속기의 원활한 구동을 위해서는 플렉스플라인의 반경방향의 유연성이 요구되는데, 이를 구현하기 위해 제품의 두께를 0.
또한 사용 수지가 난유동 수지이고 치형 끝단의 미성형 가능성이 높아 사출성형시 각별한 주의가 요구된다. 본 연구에서는 이러한 난성형 제품의 성형성을 향상시키기 위해 고주파 유도가열에 의한 급속 금형가열 기법을 적용하고자 한다.
본 연구에서는 하모닉 감속기의 경량화와 원가절감을 위해 기존에 금속으로 제작되던 주요 부품을 고강도 플라스틱으로 대체한 플라스틱 감속유닛을 구현하고자 한다. 이를 위해 강도 및 강성이 높고 충격강도가 우수한 Victrex 社의 150CA30 수지(PEEK 계열)를 사용하였다.

제안 방법

(1) 고주파 유도가열의 기본 원리를 고찰하고 사출금형의 급속 가열을 위한 고주파 유도가열 시스템을 구축하였다.
피가열체는 플렉스플라인 코어에 해당하며, 재질은 금형강(Stavax)을 사용하였고 이를 외경 8mm 의 구리 코일이 총 3회 권선되어 둘러싸고 있다. Table 2에 고주파 유도가열 해석을 위한 금형강 및 코일의 열적 및 전자기적 물성을 요약하였으며, 특히 급격한 온도변화가 예상되는 금형강의 경우 온도에 따른 물성변화를 고려하기 위해 비선형 해석을 실시하였다.
본 연구에서는 보다 효율적인 온도제어를 위해 고주파 유도가열 시스템을 사용하여 금형 표면만을 급속으로 가열하였다. 가열효율 제고를 위해 금형 온도조절기를 사용하여 금형의 온도를 100℃로 유지시켜준 상태에서 금형표면에 대해 고주파 가열을 수행하였다. 가열 온도는 금형표면의 산화가 발생하지 않도록 최대 190℃로 설정하였고, 가열후 자연대류 상태에서 금형온도가 100℃에 도달할때까지 냉각을 진행시켰다.
유도가열 과정을 해석하기 위한 경계 조건으로는 코일에 221A, 160kHz 의 고주파 전류를 3초간 인가하였다. 가열후에는 자연대류상태에서 4초간 냉각해석을 실시하였다.
고주파 유도가열 과정의 해석을 위해 해석영역을 2차원 축대칭 문제로 단순화시켜 유한요소 해석모델을 구성하였다. 이때 표피 효과를 고려하기 위해 식 (1)을 사용하여 침투 깊이를 계산한 뒤 해당 범위에 대해 4개의 유한요소층을 갖도록 요소망을 생성하였다.
금형 표면에 유도된 와전류에 의한 저항열 성분을 열원으로 하여 비정상상태 열전달 해석을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 난성형 제품인 하모닉 감속기용 플렉스플라인의 성형성 향상을 위해 고주파 유도 가열을 적용하였다. 이러한 연구내용을 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 보다 효율적인 온도제어를 위해 고주파 유도가열 시스템을 사용하여 금형 표면만을 급속으로 가열하였다. 가열효율 제고를 위해 금형 온도조절기를 사용하여 금형의 온도를 100℃로 유지시켜준 상태에서 금형표면에 대해 고주파 가열을 수행하였다.
가열 온도는 금형표면의 산화가 발생하지 않도록 최대 190℃로 설정하였고, 가열후 자연대류 상태에서 금형온도가 100℃에 도달할때까지 냉각을 진행시켰다. 실험을 통해 상기 조건을 만족시키는 조건을 결정하였으며, 이때의 가열시간은 1.5초, 냉각시간은 18초로 설정하였다. Fig.
2에 실험장치의 개략도를 도시하였다. 실험장치는 고주파가열기 및 보조 컨트롤 박스를 이동식 프레임에 장착하여 사출성형기에 삽입이 가능하도록 구성하였다.
5 참조)에서의 온도 변화 프로파일을 도시하였다. 열화상 카메라 시스템을 사용하여 측정된 해당 위치에서의 온도를 시간대별로 추출하여 변환함으로써 그래프로 작성하였다.
10에 고주파 유도가열 유무에 따른 플렉스플라인 치형부의 사진을 비교하였다. 우선 고주파가열을 사용하지 않고 금형 온도조절기를 사용하여 금형온도를 150℃로 유지시킨 상태에서 사출을 수행하였다. 이때 금형 코어부온도를 100℃에서 150℃까지 상승시키는데 30초 이상의 시간이 걸려 상대적으로 많은 시간이 소요되었다.
치형은 잇수 107, 모듈 0.3, 압력각 20o로 설계하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 사출금형의 급속가열을 위한 고주파 유도가열 시스템을 구축하였다. 구성 요소를 살펴보면 고주파 가열기, 가열코일, 코일이 연결된 보조 컨트롤 박스, 냉각장치(냉각수 및 압축공기) 및 데이터 처리장치로 구성된다. 실험에 사용된 고주파 가열기는 (주)백마고주파의 BMHF-P227 모델을 사용하였으며, 출력전력은 최대 15 kW 이다.
구성 요소를 살펴보면 고주파 가열기, 가열코일, 코일이 연결된 보조 컨트롤 박스, 냉각장치(냉각수 및 압축공기) 및 데이터 처리장치로 구성된다. 실험에 사용된 고주파 가열기는 (주)백마고주파의 BMHF-P227 모델을 사용하였으며, 출력전력은 최대 15 kW 이다. Fig.
이때 표피 효과를 고려하기 위해 식 (1)을 사용하여 침투 깊이를 계산한 뒤 해당 범위에 대해 4개의 유한요소층을 갖도록 요소망을 생성하였다. 유도가열 과정을 해석하기 위한 경계 조건으로는 코일에 221A, 160kHz 의 고주파 전류를 3초간 인가하였다. 가열후에는 자연대류상태에서 4초간 냉각해석을 실시하였다.
본 연구에서는 하모닉 감속기의 경량화와 원가절감을 위해 기존에 금속으로 제작되던 주요 부품을 고강도 플라스틱으로 대체한 플라스틱 감속유닛을 구현하고자 한다. 이를 위해 강도 및 강성이 높고 충격강도가 우수한 Victrex 社의 150CA30 수지(PEEK 계열)를 사용하였다. Table 1 에 재료의 주요 물성을 도시하였는데, 해당 수지는 인장강도가 224MPa 에 해당하는 고강도 플라스틱으로 주로 강도 및 고온특성이 요구되는 자동차 부품에 활용되고 있는 재료이다.
플렉스플라인 사출성형용 금형의 코어 플레이트를 대상으로 Fig. 7과 같이 고주파 유도가열 실험을 실시하였다. 실험조건은 해석 조건과 동일하에 설정하였으며, 고주파 가열기의 출력은 2.
5에 가열부의 개념도 및 주요 치수를 도시하였다. 피가열체는 플렉스플라인 코어에 해당하며, 재질은 금형강(Stavax)을 사용하였고 이를 외경 8mm 의 구리 코일이 총 3회 권선되어 둘러싸고 있다. Table 2에 고주파 유도가열 해석을 위한 금형강 및 코일의 열적 및 전자기적 물성을 요약하였으며, 특히 급격한 온도변화가 예상되는 금형강의 경우 온도에 따른 물성변화를 고려하기 위해 비선형 해석을 실시하였다.

이론/모형

상기 실험결과를 바탕으로 플렉스플라인 사출성형을 수행하였다. 본 연구에서 사용한 PEEK 150CA30 수지는 Table 1에 도시한 바와 같이 유리전이온도가 143℃ 이므로 금형온도를 150℃ 이상으로 유지하는 것이 바람직하다.

성능/효과

(2) 고주파 유도가열 과정의 이론적 분석을 위해 전자기-열 연성 유한요소법해석을 수행하였고, 해석 결과로부터 제안된 형태의 유도가열 코일을 사용하여 미성형이 예상되는 금형 코어 측면부의 표면에 온도상승이 집중됨을 확인하였다.
(3) 고주파 유도가열 실험을 실시하여 금형온도 100℃를 기준으로 최대 190℃로 가열하기 위한 시간이 1.5초, 냉각시간 20초 이내로 유지할 수 있음을 확인하였고, 결과적으로 생산성을 크게 저하시키지 않으면서도 효과적으로 성형성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
(4) 개발된 고주파 유도가열 시스템을 적용하여 기존의 금형 온도조절기를 사용하여 형판을 가열하는 방법으로는 성형이 어려웠던 박육 플렉스플라인의 미세 치형(최소두께 0.35mm, 이끝높이 0.3mm)을 치형부의 금형 표면을 급속으로 가열함으로써 성공적으로 성형할 수 있었다.
Fig. 10(a)의 성형품을 보면 치형부가 완전히 성형되지 않았고, 특히 끝단에서 미성형이 발생하여 제품의 동력전달 특성에 악영향을 미칠 것으로 판단된다. 반면 고주파 유도가열을 실시한 경우(Fig.
6(c)에 그래프로 도시하였다. 금형의 상측(P₁ 지점)을 제외한 나머지 3개 지점(P₂, P₃, P₄)에서는 가열시간동안 온도가 급격하게 상승하고 이후 빠른 속도로 감소함을 확인할 수 있었다. 특히 유도전류에 의한 자기장이 집중되는 P₃ 지점의 경우 3초간의 가열시간동안 최대 200℃ 이상 온도가 급격하게 상승하고 가열이 종료된 후 3초 이내에 100℃ 이하로 온도가 감소되었다.
3℃까지 상승되는 것으로 나타나 고분자 수지의 유리전이온도 이상으로 가열됨을 확인할 수 있었다. 반면에 코어의 중심부 온도는 50~80℃, 코일 하단에 위치한 평판의 표면부는 100℃이하로 나타나 금형 코어의 성형부 표면을 집중적으로 가열하고자 하는 의도에 부합함을 확인할 수 있었다.
8(a)에 가동측 금형의 고주파 가열시 열화상카메라로 측정한 온도분포를 도시하였다. 온도분포를 관찰하면 코일 내부의 코어 외측에서 온도상승이 두드러지게 발생함을 알 수 있는데, 이러한 결과로부터 금형 표면이 집중적으로 가열되는 점을 확인할 수 있었다.
6(b)에 가열 직후의 금형의 온도분포를 도시하였다. 온도분포를 살펴보면 금형 측면부 표면에서 최대 210.3℃까지 상승되는 것으로 나타나 고분자 수지의 유리전이온도 이상으로 가열됨을 확인할 수 있었다. 반면에 코어의 중심부 온도는 50~80℃, 코일 하단에 위치한 평판의 표면부는 100℃이하로 나타나 금형 코어의 성형부 표면을 집중적으로 가열하고자 하는 의도에 부합함을 확인할 수 있었다.
8(b)에 그래프로 도시하였다. 해석 결과와 비교하면 전반적인 온도변화 경향, 즉 가열 초기에 온도가 급격히 증가하다 점차적으로 완만하게 증가하고, 가열후 온도가 급격히 감소하다 서서히 평형상태에 이르는 경향이 유사하게 예측되었다. 최대온도는 역시 P₃ 지점인 것으로 나타났으며, 3초간의 가열시간동안 최대 210℃ 이상 온도가 급격하게 상승하고 가열이 종료된 후 3초 이내에 100℃ 이하로 온도가 감소되었음을 알 수 있다.

후속연구

상기 연구결과로부터 향후 초박육 사출성형, 초미세 사출성형 등의 고부가가치 성형기술에 고주파 유도가열을 적용하여 성형성을 향상시킬 수 있을 것으로 전망된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고주파 유도가열방식이란?	고주파 유도가열은 교번자계 내부에 놓여있는 도전성 물체 내에 발생하는 와전류손 또는 히스테리시스손을 이용하여 피가열체를 가열시키는 방식이다. 피가열체가 도체인 경우 고주파 유도가열에 의해 피가열체의 표면에 와전류(Eddy current)가 유도되고 이로 인한 저항 손실에 의해 표면에 열이 발생된다.
	근접효과를 이용하여 급속으로 금형을 가열함으로써 박육 사출성형의 유동특성을 개선하기 위한 실험적인 연구는 어떤 문제점을 개선하기위해서인가?	사출성형의 유동특성을 개선하기 위해 높은 사출압력 및 사출속도, 낮은 점성의 수지 사용, 강건한 구조의 금형 설계 등이 적용되고 있는데,(1) 이러한 특화된 공정조건은 사출성형기, 수지, 금형구조 등에 많은 제한점을 내포하고 있다. 그밖에 금형을 유리전이 온도 이상으로 가열하여 수지의 응고를 완화시킴으로써 유동특성을 개선하는 방법이 연구되었는데,(3,4) 이는 금형의 가열과 냉각에 소요되는 시간이 상대적으로 길어 생산성이 저하되는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 사출금형에 고주파 전류를 인가할 때 발생되는 근접효과(proximity effect)를 이용하여 급속으로 금형을 가열함으로써 박육 사출성형의 유동특성을 개선하기 위한 실험적인 연구가 수행되었다.
	사출성형의 유동특성을 개선하기 위해 적용되는 특성은?	사출성형의 유동특성을 개선하기 위해 높은 사출압력 및 사출속도, 낮은 점성의 수지 사용, 강건한 구조의 금형 설계 등이 적용되고 있는데,(1) 이러한 특화된 공정조건은 사출성형기, 수지, 금형구조 등에 많은 제한점을 내포하고 있다. 그밖에 금형을 유리전이 온도 이상으로 가열하여 수지의 응고를 완화시킴으로써 유동특성을 개선하는 방법이 연구되었는데,(3,4) 이는 금형의 가열과 냉각에 소요되는 시간이 상대적으로 길어 생산성이 저하되는 문제점이 있다.

참고문헌 (10)

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Kwon, O. K., Jeong, H. T., Yun, J. H. and Park, K., 2007, “A Study of Rapid Mold Heating System Using High-Frequency Induction Heating,” Trans. J. Kor. Soc. Mech. Engng. (A), Vol. 31, pp. 594-600

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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