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문제 정의
- 그리고 본 연구에서는 자동차 내장부품인 재털이 덮개를 역설계로 모델링하고, Moldflow를 통한 플라스틱 수지의 거동에 대한 전반적인 해석으로 품질이 떨어지거나 제작에 있어 발생되는 이상의 여부에 대한 확인을 하고 계속적인 공정개선을 통해 실패 및 시행착오에 대한 손실을 줄이고 양질의 시제품을 확보하고자 하였으며, 특히 최종적으로 완성된 시제품의 내구성 시험을 통해 뛰어난 외양과 내구성을 가진 높은 품질의 시제품을 개발하여 자동차 내장재 제작에 알루미늄인서트 사출성형 공법을 적용코자 하였다.
제안 방법
- Fig. 1은 3D 스캐너를 활용하여 획득되어진 재떨이 덮개의 모델링 결과를 나타낸 것으로서 알루미늄인서트 사출성형 제품의 구조를 쉽게 알 수 있도록 플라스틱 수지와 알루미늄시트 부분을 구분하였다. 상부는 플라스틱 수지로 성형되는 부분이며, 하부는 그 위에 플라스틱 수지가 성형될 수 있도록 프레스 블랭킹 및 포밍 공정에 의해 제작된 알루미늄 시트이다.
- 또한 Kim and Lho?는 재털이덮개를 대상으로 역설계로 모델링하여 Moldflow 를 플라스틱 수지의 수축 및 온도 분포에 대하여만 간단하게 해석을 수행하고 시제품을 제작하여 외관상으로만 그 가능성을 판단하였다.
- 이러한 두 소재를 활용한 알루미늄인서트 플라스틱사출성형 공법의 개발을 위해 Moldflow를 이용하여 사출성형 현상을 분석하고, 또한 분석된 데이터를 기반으로 하여 실제로 최적의 작업조건으로 사출성형기에서 시제품을 사출 성형하여 열, 충격, 마모 등 각종 내 구성 시험을 한 결과 이 알루미늄인서트 사출성형 공법으로 양산을 해도 좋은 아주 만족할 만한 결과를 얻었다. 또한 통상의 수직방향의 사출기와는 달리 수지의 주입방향이 가로가 되는 수평 방향의 사출기를 활용하였고. 하자가 없는 제품 생산을 통해 수평 사출기의 공정 및 제품 완성도가 수직 사출기의 그것과 다르지 않음을 확인할 수 있었다.
- 본 시제품 제작을 위해 사출성형기의 작업 조건은 수지 주입 시간은 3.5sec, 온도설정은 250℃, 사출압력은 90MPa로 설정하였으며 보압 (packing pressure)이 없이 한 번의 알루미늄 인서트 사출성형으로 시제품 Fig. 17과 같이 제작하였다.
- 본 연구에서는 충진시간 (fill time), 클램프력 (clamp force), 응고시간(time-to-freeze), 응고증 (frozen layer fraction), 싱크계수(sink index), 유동온도 (temperature-at-flow), 체 적 수축률 (volumetric shrinkage), 기포생성(air trap), 웰드라인 (weld line) 등 사출성형의 다양한 기능을 시뮬레이션하고, 사용되는 사출 성형기의 최적의 작업조건을 도출하기 위하여 Moldflow를 사용하였으며, 실제 재떨이 덮개의 재료인 LG-XR 404 플라스틱 수지를 채택하였다. E
- 2는 알루미늄인서트 사출성형 공정을 통해 성형된 제품을 시뮬레이션하기 위하여 역설계를 통해 획득한 모델링 데이터를 메쉬로 형성한 것으로서 한쪽면에 금형 대신 금형에 부착된 알루미늄 시트(접착제 도포)로 구성된 캐비티 에서의 플라스틱 수지의 거동은 거의 동일하므로 실제 제품의 바깥면을 형성하는 포밍된. 알루미늄 시트 부분은 고려되지 않았으며, 이 모델 하부의 금형에 장착된 알루미늄 시트와 상부의 금형 속에 플라스틱 수지로 구성되어 두께 방향의 유동이 고려되어 Moldflow로서 플라스틱 수지의 3차원 유동을 해석할 수 있도록 하였다.
- 알루미늄 시트를 프레스 블랭킹 및 포밍 공정으로 재털이 덮개의 외관형상을 우선 제작한 후, 접착제를 도포하고 포밍된 알루미늄 시트와 사출 금형 내에서 한 번의 알루미늄인서트 사출성형 공정으로서 일체형의 원하는 시제품을 제작하고자 한다.
- 앞에서 해석한 재떨이 덮개를 알루미늄 인서트 사출 성형 공정을 통하여 시제품을 제작을 진행하였다. 알루미늄 시트를 프레스 블랭킹 및 포밍 공정으로 재털이 덮개의 외관형상을 우선 제작한 후, 접착제를 도포하고 포밍된 알루미늄 시트와 사출 금형 내에서 한 번의 알루미늄인서트 사출성형 공정으로서 일체형의 원하는 시제품을 제작하고자 한다.
대상 데이터
- 알루미늄인서트 사출성형 제품의 연구를 위해서는 알루미늄인서트 사출성형 모델이 정확히 표현되어야 하므로 제작된 사출성형 제품인 재떨이 덮개를 대상으로 3차원 이동형 광학식 스캐너(장비명: Comet4)를 이용하여 역설계 모델링 데이터를 획득하였다.
성능/효과
- Fig. 4에서 보는 바와 같이 플라스틱 수지가 사출 성형되는 동안 캐비티 내부에서 발생하는 압력에 의하여 금형을 밀어내려는 클램프력은 길이 방향보다 먼저 충진이 완료되는 폭 방향의 양쪽으로 발생되는 것을 확인할 수 있으며, 그 힘은 충진이 완료되는 시점인 4.23초에서도 더욱 크게 증가하며 약 10초 정도의 시간 동안 다시 급격히 감소하여 충진 완료 시간의 약 3배 이상의 시간인 15초 정도의 시간이 경과되어야 완전히 소멸되는것을 그래프를 통해 확인할 수 있다.
- Fig. 5에서 보는 바와 같이 사출성형 제품의 충 진이 완료된 시점부터 제품을 취출(ejection) 가능한 온도까지 냉각되는데 필요한 응고시간은 거의 의 값으로 나타나며, 즉 본 재떨이 덮개는 충진완료되는 즉시 전체적인 부분이 취출 가능하다는 것을 확인할 수 있다. 통상적으로 크기가 작고 형체가 균일한 제품은 이러한 결과가 대부분이며 알루미늄인서트 공정으로 제작된 본 제품도 그와 같은 결과를 보인다.
- 주입시의 온도는 약 240℃ 정도에서 충진 완료 지점인 외곽 부위에서는 약 200℃ 정도로 온도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 본 사출성형 해석에서의 온도조건은 실제 사출 성형기에서의 작업 조건과 동일하게 250℃의 주입 온도를 설정하였으나 금형의 초기 온도는 상온으로 설정 되어져 있으므로 그림에서의 결과와 같이 주입과 동시에 온도가 약간 떨어지므로 최초 주입이 시작되는 게이트 입구 부분은 240℃의 온도를 가지고 충진을 시작하게 됨을 알 수 있다.
- 시제품의 사진에서 확인할 수 있듯이 알루미늄인서트 사출제품은 통상적인 플라스틱 제품과는 달리 매우 고급스럽고 유려한 외관을 가질 수 있으며 알루미늄의 소재 특성으로 인해 단순한 플라스틱 수지 사출제품에 비해 더욱 뛰어난 내구성과 강도를 확보할 수가 있다. 그러나 한번의 수지주입과 제품의 취출로 성형 가능한 일반적인 사출과는 달리 알루미늄 시트를 소재로 하여 수지 제품의 외형과 일치하도록 프레스 블랭킹과 포밍의 공정이 필요하게 되므로 공정의 성형성은 조금 떨어지는 것은 단점이라 할 수 있*" 다.
- 18은 완성된 시제품의 품질을 검증하기 위해 한국화학시험연구원에 의뢰하여 확인한 본 시제품의 시험성적서이다. 시험을 위한 제시규격은 일반 자동차 회사에서 제공하는 MS210-05로서 7시간 120℃ 내열시험, 6시간 -30℃ 내한성시험, 10시간 50t:, 90%RH 내습성시험으로 구성된 총 3사이클 내열사이클성 시험과, 70℃ 분위기에서 500시간 방치하는 내열노화성, 내약품성, 내마모성, 내충격성, 내포깅(fogging)성 등에 대해 시험한 결과, 본 시제품으로서 내구성에 이상 없음을 확인할 수 있었다. 본 공정은 재떨이 덮개뿐만 아니라 팔걸이, 도어록 커버 등 모든 자동차의 내장재 부품에 적용이 가능한 공법이며 프레스와 알루미늄인서트 사출성형을 일원화하여 내장 부품을 단순한 공정으로 생산할 수 있는 특징을 가진다.
- 16은 사출성형 제품의 외관을 형성하게 될포밍된 알루미늄 시트를 수평사출 방식 사출성형기의 금형 내부에 안착시킨 것으로서 금형의 내부와 닿게 되는 시트의 외부 표면에는 금형 내부의 고온 또는 금형과의 접촉으로 인한 제품 손상이 발생하지 않도록 보호용 테이프가 감싸져 있으며 내부 표면은 본드 도포 작업이 완료된 상태이다. 이 러한 알루미늄인서트 사출성형 에는 수직 사출 방식이 일반적으로 사용되나, 여기에서는 수평 사출성형 방식도 가능함을 확인하였다.
- 특성이 우수한 소재들이다. 이러한 두 소재를 활용한 알루미늄인서트 플라스틱사출성형 공법의 개발을 위해 Moldflow를 이용하여 사출성형 현상을 분석하고, 또한 분석된 데이터를 기반으로 하여 실제로 최적의 작업조건으로 사출성형기에서 시제품을 사출 성형하여 열, 충격, 마모 등 각종 내 구성 시험을 한 결과 이 알루미늄인서트 사출성형 공법으로 양산을 해도 좋은 아주 만족할 만한 결과를 얻었다. 또한 통상의 수직방향의 사출기와는 달리 수지의 주입방향이 가로가 되는 수평 방향의 사출기를 활용하였고.
- 3은 제품의 충진 시간을 나타내고 있으며, 게이트 입구의 위치가 중앙이므로 폭이 좁은쪽이 먼저 충진이 된 후 길이 방향으로 충진된다. 제품 전체에 대해 균일한 충진이 완료되는 것을 확인할 수 있으며 약 4.23초 정도의 시간이 소요된다.
- 8의 유동온도(temperature-at-flow)는 제품의 충진이 완료되기까지 수지의 온도를 나타내고 있다. 주입시의 온도는 약 240℃ 정도에서 충진 완료 지점인 외곽 부위에서는 약 200℃ 정도로 온도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 본 사출성형 해석에서의 온도조건은 실제 사출 성형기에서의 작업 조건과 동일하게 250℃의 주입 온도를 설정하였으나 금형의 초기 온도는 상온으로 설정 되어져 있으므로 그림에서의 결과와 같이 주입과 동시에 온도가 약간 떨어지므로 최초 주입이 시작되는 게이트 입구 부분은 240℃의 온도를 가지고 충진을 시작하게 됨을 알 수 있다.
- 플라스틱 수지는 한 군데의 게이트(gate)를 통해서 사출금형으로 들어가도록 설정하였으며, 재떨이 덮개의 경우는 형상의 단순함으로 인해 게이트를 중간에 한 곳만 두더라도 충전에 문제가 없으며 제품의 전체적인 균일성을 높일 수가 있었다.
- 또한 통상의 수직방향의 사출기와는 달리 수지의 주입방향이 가로가 되는 수평 방향의 사출기를 활용하였고. 하자가 없는 제품 생산을 통해 수평 사출기의 공정 및 제품 완성도가 수직 사출기의 그것과 다르지 않음을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 본 연구를 통하여 플라스틱 수지로 성형되는 제품의 형상에 맞도록 알루미늄 시트를 프레스 블랭킹, 포밍 공정으로 형상화하여 접착제로 도포한 후에 사출성형 금형 내부에 알루미늄 시트를 안착시킨 뒤 수평형 사출성형기를 통하여 수지를 사출성형을 하면 미리 도포된 접착제가 금형 내의 고온에 의해 용융되어 최종적인 알루미늄인서트 플라스틱 사출성형하는 공정을 개발하였으며, 자동차산업의 내장부품 고급화 및 생산단가 저감에 대하여 기여할 것으로 기대된다.
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