[논문]사출금형의 러너시스템 형상에 따른 균형 충전도

한동엽; 정영득

사출금형의 러너시스템 형상에 따른 균형 충전도
Degree of Filling Balance according to Runner Shapes in Injection Mold 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.25 no.10 = no.211, 2008년, pp.144 - 149

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Configuration of filling imbalance which is originated from imbalanced share rate of melt on runner is changed by runner layout, runner shape, material property, injection pressure, injection speed, melt temperature and mold temperature. In this paper, we conducted a study of runner layout and shape that are main factors of filling imbalance. Other factors such as the sharp corner effect and the groove corner effect are recently released were also considered. The results of study are showed that filling rate of between inside and outside cavity was influenced on shape of runner. Especially, this study suggests a new runner system for filling balance by adapting the two effects of unary branch type runner at multi cavity mold and theoretical investigated flow in the sharp corner type runner.

주제어

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문제 정의

본 논문은 편측 분기형 다수캐비티 금형 에서충전 불균형에 영향을 주는 외부 요인중의 하나인러너시스템 형상에 따른 충전 균형도에 대해 연구하였다. 최근 Beaumont와 McKee and Hoover 에 의해 발표된 러너의 Reverse Corner(Sharp Comer) 효과 4,5 와 부경대학교 정밀성형실험실에 의해 발표된 Cold Slug Well(Groove Corner) 효과 6 에 따르면러너 형상에 따라 내측 캐비티와 외측 캐비티 간의 충전도가 달라지는 것을 알 수 있었으며, 이런결과를 기반으로하여 균형 충전을 위한 가변형 러너코어를 적용한 하나의 새로운 러너시스템을 제안하였다.
본 연구에서는 기하학적 균형을 갖춘 편측 분기형러너시스템을 갖는 사출금형에서 러너 형상에 따른 충전 균형도를 분석하고, 균형 충전을 이룰 수있는 러너시스템 모델을 제안하기 위한 실험적 연구로서 다음과 같은 주요 결과를 얻을 수 있었다.

제안 방법

최근 Beaumont와 McKee and Hoover 에 의해 발표된 러너의 Reverse Corner(Sharp Comer) 효과 4,5 와 부경대학교 정밀성형실험실에 의해 발표된 Cold Slug Well(Groove Corner) 효과 6 에 따르면러너 형상에 따라 내측 캐비티와 외측 캐비티 간의 충전도가 달라지는 것을 알 수 있었으며, 이런결과를 기반으로하여 균형 충전을 위한 가변형 러너코어를 적용한 하나의 새로운 러너시스템을 제안하였다. 또한, Sharp Comer 러너 형상에서의 충전 불균형을 설명할 수 있는 도식적 모델을 제시하였다. 본 연구의 결과는 다수캐비티를 갖는 정밀성형용 사출금형의 설계와 이를 이용한 성형공정에 활용할 수 있는 기초자료에 사용될 것으로기대한다.
본 실험에서는 Fig. 6 과 같이 가변형 코어를적 용하여러 너 형 상을 3가지로 분류하였다. Fig.
본 연구에서는 최적의 성형조건을 고려하여 Table 2와 같이 수지온도를 수지별 적정 용융온도로 선정 하였으며, 사출압력 50%, 사출속도 50%, 금형온도 40℃, 사출시간 1.5 초, 냉각시간 20 초의동일조건으로 하여 실험하였다.
스프루에서 가까운 캐비티를 내측 캐비티 (inside cavity), 먼 캐비티를 외즉 캐비티(outside cavity)로 설정하였으며, 캐비티 간 충전 균형도 (DFB ; Degree of Filling Balance) 값을 측정 키 위 해캐비티간 충전 균형도를 식 (3)과 같이 정의하였다.
실험 오차를 최소화하기 위해 각 수지별, 러너형상별로 10 개씩 미성형 사출하여, DFB 값이 가장 큰 시편과 가장 작은 시편을 3 개씩 제외한 4 개 시편의 평균값을 구하였다.
최근 Beaumont와 McKee and Hoover 에 의해 발표된 러너의 Reverse Corner(Sharp Comer) 효과 4,5 와 부경대학교 정밀성형실험실에 의해 발표된 Cold Slug Well(Groove Corner) 효과 6 에 따르면러너 형상에 따라 내측 캐비티와 외측 캐비티 간의 충전도가 달라지는 것을 알 수 있었으며, 이런결과를 기반으로하여 균형 충전을 위한 가변형 러너코어를 적용한 하나의 새로운 러너시스템을 제안하였다. 또한, Sharp Comer 러너 형상에서의 충전 불균형을 설명할 수 있는 도식적 모델을 제시하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 사출성형기는 LG 전선에서제작된 형체력 140ton 직 압식 사출성형기 (IDE- 140EN)이며, 실험 금형은 편측분기형 다수 캐비티를 갖춘 2 매 구성형 금형으로 Fig. 4 와 같이 Sharp Comner 와 Groove Comer 효과에 대한 실험이 가능한 가변형 러너코어를 가지는 금형을 고안하여 제작하였다. 가변형 러너코어는 90° 방향전환이 이루어지는 러너의 첫 번째 코너부와 두 번째 코너부에 위치하며, Fig.
본 연구에서는 Table 1 과 같이 열가소성 수지중 결정성 수지 PA6(polyamide), PP(polypropylene) 와 비 결정 성 수지 ABS(acrlonitrile butadiene styrene), PC(polycarbonate)를 실험 재료로 사용하였다.

성능/효과

(1) Groove Comer 와 Sharp Conner를 동시에 취하는 러너시스템에서 98% 이상의 양호한 균형충 전도를 나타내어 그 실효성을 검증할 수 있었다.
(2) 온도 민감도에 따라 러너시스템별 DFB 값의 차이는 PC, ABS, PA6, PP 순으로 크게 나타났다.
(3) Sharp Corner의 러너시스템에서 중전 불균형을 설명할 수 있는 도식적 모델을 제시하였으며, Sharp Corner 효과에 의해 외측 캐비티가 먼저 충전되는 원인을 설명하였다.
0%로 약 25%의 차이를 나타내어 비결정성 수지의 경우 PC 가 ABS 보다 더 큰 DFB 의차이가 있는 것으로 나타났다. 결과적으로 Groove Comer 와 Sharp Corner 일때 DFB 값의 차이는 PC, ABS, PA6, PP 순으로 크게 나타났다. 이러한 결과는 각 수지가 가지고 있는 고유의 물성치인 온도민감도(temperature sensitivity)& 와의 관계를 통해 설명할 수 있다.
결정성 수지인 PA6의 경우 Groove Corner 일때 91.1%, Sharp Comer 일 때 109.6%로 러너 형상에 따라 최대 18%의 차이를 나타내었으며, PP 의경우 각각 95.0%, 105.3%로 약 10%의 차이를 나타내어 러너 형상변화에 따라 결정성 수지의 경우 PA6 가 PP 보다 더 큰 DFB 차이값을 가지는 것으로 나타났다. 비결정성 수지인 PC의 경우 Groove Comer 일 때 75.
하지만 수지별 DFB 값의 차이는 1~2% 정도이므로 한가지 형상만을 취하는 러너 시스템과 비교해 볼 때 균형충전을 이룬다고 볼 수 있다. 따라서 가변형 러너코어 를 적용하여 Groove Comer 와 Sharp Corner 를동시에 취하게 했을 때 양호한 균형 충전도를 갖는 사출 성형품을 얻을 수 있었다.
미소한 차이지만 Groove Comer 와 Sharp Comer 2 가지 형상을 동시에 취할 때의 DFB 값도 PC, ABS, PA6, PP 순으로 크게 나타났다. 하지만 수지별 DFB 값의 차이는 1~2% 정도이므로 한가지 형상만을 취하는 러너 시스템과 비교해 볼 때 균형충전을 이룬다고 볼 수 있다.
3%로 약 10%의 차이를 나타내어 러너 형상변화에 따라 결정성 수지의 경우 PA6 가 PP 보다 더 큰 DFB 차이값을 가지는 것으로 나타났다. 비결정성 수지인 PC의 경우 Groove Comer 일 때 75.8%, Sharp Corner일 때 124.7%로약 49%의 차이를 나타내었고, ABS의 경우 각각 88.4%, 113.0%로 약 25%의 차이를 나타내어 비결정성 수지의 경우 PC 가 ABS 보다 더 큰 DFB 의차이가 있는 것으로 나타났다. 결과적으로 Groove Comer 와 Sharp Corner 일때 DFB 값의 차이는 PC, ABS, PA6, PP 순으로 크게 나타났다.

후속연구

또한, Sharp Comer 러너 형상에서의 충전 불균형을 설명할 수 있는 도식적 모델을 제시하였다. 본 연구의 결과는 다수캐비티를 갖는 정밀성형용 사출금형의 설계와 이를 이용한 성형공정에 활용할 수 있는 기초자료에 사용될 것으로기대한다.

참고문헌 (12)

Jeong, Y. D., Park, T.W. and Kong, H. P., "Easy mold design for plastic injection molding," INTERVISION, pp. 224-227, 2003
Young, J. H. and Beaumont, J. P., "Mold Filling Imbalances in Geometrically Balanced Runner System," Journal of Injection Molding Technology, Vol. 1, No. 3, pp. 133-143, 1997
Beamont, J. P., Young, J. H. and Jawoski, M.J., "Solving Mold Filling Imbalance in Multi-Cavity Injection Molds," Journal of Injection Molding Technology, Vol. 2, No. 2, pp. 47-58, 1998
Beamont, A. I., "Investigation of Reversed Shear Induced Melt Imbalances in Injection Molds," ANTEC, pp. 1112-1116, 2007
McKee, R. W. and Hoover, J.A., "The Effect of Sharp Corners and Runner Length on Melt Flow Imbalances," ANTEC, pp. 2868-2872, 2006
Je, D. K., "A Study on the Filling Imbalance in Multi-Cavity Injection Molds," Department of Mechanical Engineering Graduate School of Pukyong National University, pp. 40-50, 2006
Kang, C. M. and Jeong, Y. D., "Effects of Glass Fiber on the Filling imbalance in Multi-Cavity Injection Mold," Spring conference KSME, pp. 120-123, 2004
Auell, P. and Bailey, M., "Effect Thermoplastic Material Properties on Mold Filling Imbalances," ANTEC, pp. 3495-3499, 2002
Beaumont, J. P., Nagel, R. and Sherman, R., "Successful Injection Molding," HANSER, pp. 36-37, 2002
Han, S. R., Kang, C. M., Han, K. T. and Jeong, Y. D., "A Study on the Filling Imbalances between Multi-Cavity in Hot-Runner Mold," Journal of the Korean Society of Precision Engineering, Vol. 22, No. 9, pp. 174-175, 2005
Je, D. K. and Jeong, Y. D., "Filling Imbalance in 3Plate Type Injection Molds with Multi-Cavity," Spring conference KSPE, pp. 300-301, 2000
Han, D. Y., Kwon, Y. S., No, B. S. and Jeong, Y. D., "Filling Imbalance of Elastomer TPVs in Injection Mold with Multi-Cavity," Journal of the Korean Society of Precision Engineering, Vol. 24, No. 2, pp. 41-43, 2007

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