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문제 정의
- 본 연구에서는 단섬유 보강 사출성형품의 휨 감소를 위하여 게이트 위치 설겨】, 공정조건 선정 및 제품 구조변경을 수행하고, 수치해석을 통하여 이를 검증하였다. 이러한 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 단섬유 보강 사출성형품의 휨 감소를 위한 게이트 위치설계, 성형 조건 및 제품구조 설계를 수행하고, 수치해석을 통해 이를 검토하였다.
제안 방법
- (1) 세가지 게이트 시스템을 설계하고 수치해석을 통하여 휨을 최소화하는 게이트 위치를 찾고, 그 원인을 분석하였다.
- Case 3 는 결과 비교를 목적으로 실제로는 게이트를 위치시킬 수 없는 곳에 위치시킨 후 해석을 수행하였다. 게이트의 직경은 1.0mm, 러너 직경은 빼기 구배를 적용하여 2.5~4.0mm 로 설계하였다.
- 공정 조건 개선의 두번째로는 보압 제어를 검토하였다. 사출의 보압 단계는 고화에 따른 수지의 수축을 보상해주기 위하여 설정된 압력으로 수지를 계속 밀어넣는 과정이다.
- 최근 휴대폰 디자인의 슬림화 경향으로 인하여 휴대폰의 두께가 얇아지는 추세이며, 이에 따라 휴대폰하우징의 두께도 얇아지고 있다. 그러나 두께가 얇아지더라도 제품에 요구되는 강성과 강도를 만족시켜야 하므로 단섬유 보강 소재의 사용이 점차적으로 증가되고 있고, 주로 PC(polycarbonate) 나 PA(polyamide)에 유리섬유(glass fiber)를 첨가한 소재들이 많이 사용되고 있으며, 본 연구에서는 PA 에 60%의 유리섬유가 함유된 소재에 대하여 Moldflow [5]를 사용하여 수치해석을 수행하였다.
- 따라서 거리에 따른 수축률 편차를 감소시키기 위하여 Fig. 7 과 같이 일정 보압 조건을 다단보압으로 변경하여 거리에 따른 캐비티(Cavity) 내부압력의 편차를 줄이도록 하였다.
- 본 연구에서는 Fig. 2에 나타낸 세가지 게이트시스템에 대하여 수치해석을 실시하고 유동 특성과 변형양상을 살펴보았다. 휴대폰 하우징 부품은 제품의 외장으로, 일반적으로 표면에 드러나는 외관 영 역에는 게이트를 위치시키지 않는다.
- 설계자는 이러한 상용 프로그램을 이용하여 결과를 분석하고, 새로운 설계를 도출하여 다시 해석을 수행하는 식으로 설계를 수행할 수 있게 되었다. 또한 이러한 과정까지도 컴퓨터를 이용하여 최적화 프로그램을 수행하도록 하기 위한 연구도 진행되고 있다[1~4].
대상 데이터
- 본 연구의 대상 성형품은 Fig. 1에 나타낸 휴대폰 하우징 부품으로, 길이 95mm, 폭 50mm 의 크기에 0.7~1.0mm 의 두께분포를 가지고 있다. 최근 휴대폰 디자인의 슬림화 경향으로 인하여 휴대폰의 두께가 얇아지는 추세이며, 이에 따라 휴대폰하우징의 두께도 얇아지고 있다.
- 수지의 점성모델 및 상태방정식의 계수는 Solvay 社의 Ixef 1032/9008 의 데이터를 참조하였고, Table 1 과 Table 2에 나타내었다. 소재의 기계적 물성은 Table 3에 나타내었고, 이때 아래첨자는 재료의 주 방향 (principal direction)을 의미 한다.
- 해석에 사용된 성형조건은 수지온도 280℃, 금형 온도 130℃, 사출시간 Isec, 보압 lOOMPa, 보압시 간 6sec 이다.
성능/효과
- (2) 섬유배향의 원인이 되는 유동 중의 전단응력을 감소시키기 위해 금형온도와 수지온도를 증가 시키 는 것이 반드시 휨 량을 감소시 키 는 것 이 아님을 확인하였다.
- (3) 보압 다단 제어를 통하여 제품의 휨 량을 5.3 % 감소시 켰다.
- (4) 특정 부분에 집중된 휨을 제품 구조 변경으로 크게(61.5%) 개선 가능함을 확인하였다.
- CAE 기술의 발전을 통한 많은 해석 프로그램의 등장으로 금형 설계의 시행착오가 줄어들고, 이로 인하여 많은 비용의 절감 효과도 얻게 되었다. 설계자는 이러한 상용 프로그램을 이용하여 결과를 분석하고, 새로운 설계를 도출하여 다시 해석을 수행하는 식으로 설계를 수행할 수 있게 되었다.
- 4에 각 case 의 제품의 수직방향(z 방향) 변형량 분포를 나타내었다. 결과를 살펴보면 세가지 case 모두 제품의 중앙 부분이 -z 축 방향으로 가라앉고, 네 모서리 부분, 특히 좌측 모서리 부분은 +z 축 방향으로 들리는 양상을 나타내었다. 또한, 일반적으로 게이트 수가 많아질수록, 압력 전달이 잘 되어 변형량이 적어지는 것과는 반대로, 게이트 수가 가장 적은 Case 1의 변형량이 0.
- 결과를 살펴보면 예상과는 다르게 수지온도, 금형 온도를 상승시킨 경우 휨이 더 크게 발생하였다. 원인을 살펴보기 위하여 Fig.
- 10 에 나타내었다. 결과를 살펴보면 전체 휨 량은 0.2172mm 로 61.5% 감소하고, 모서리 부분에 집중된 휨이 상당부분 개선되었음을 확인할 수 있다.
- 다단보압조건으로 수치해석을 실시한 결과 휨량은 0.5646mm 으로 5.3% 감소하는 것을 확인하였고, 그 결과를 Fig. 8 에 나타내었다.
- 따라서 단섬유 보강 소재의 사출 시, 섬유 배향 편심 지역을 균형있게 배치하는 것이 제품의 휨 감소에 효과적이라는 결론을 얻을 수 있다.
- 결과를 살펴보면 세가지 case 모두 제품의 중앙 부분이 -z 축 방향으로 가라앉고, 네 모서리 부분, 특히 좌측 모서리 부분은 +z 축 방향으로 들리는 양상을 나타내었다. 또한, 일반적으로 게이트 수가 많아질수록, 압력 전달이 잘 되어 변형량이 적어지는 것과는 반대로, 게이트 수가 가장 적은 Case 1의 변형량이 0.5957mm 로 가장 적은 것으로 나타났다. 이것은 섬유배향분포와 관련해 다음과 같이 해석할 수 있.
- 따라서 개별적 원인으로 인한 휨이 더 적더라도 그것이 중첩된 실제 변형에서는 휨이 더 크게 나타난 것이다. 이러한 현상은 제품 형상이나 냉각 채널 위치, 수지특성 등 여러 요인에 의해 달라질 수 있으나, 섬유배향의 편심정도를 감소시키기 위해 수지온도, 금형온도를 상승시키는 것이 반드시 제품의 변형을 감소시키지는 않는다는 결론을 얻을 수 있다.
후속연구
- 또한 휨을 최소화하는 온도조건은 ①번 조건이나 금형 및 수지온도의 감소는 사출압 증가, 제품표면 불량, 웰드라인 등의 불량이 발생할 수 있으므로 이러한 요인들을 종합적으로 고려하여 결정되어야 할 것이다.
- 본 연구에서의 게이트 위치에 따른 유동특성, 공정조건, 제품 구조 등이 변형에 끼치는 영향의 분석 결과는 향후 단섬유 보강 사출성형을 위한 금형 및 제품설계, 공정조건 선정에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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