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문제 정의
- 이러한 캐비티간 충전 불균형은 캐비티 간 압력의 불균형을 일으키고 이는 품질의 편차를 유발한다. 본 논문에서는 캐비티간 충전 불균형을 개선하기 위해 새로운 런너 타입을 고안하였으며 이의 유용성을 실험과 해석을 통해 검증하였다. 새롭게 고안한 스크류 형상의 런너에서는 수지가 흘러가면서 스크류의 채널을 따라 런너의 단면에서 회전운동을 한다.
- 본 연구에서는 다수 캐비티 금형에서 캐비티의 충전균형을 위해 새로운 런너를 고안하였다. 런너의 단면에서 온도가 균일해야 충전 균형을 만족시키므로 런너의 단면에서 균일한 온도를 확보하기 위해 스크류 런너 또는 헬리컬 런너를 채용한 새로운 런너 시스템을 제시하였다.
- 본 연구에서는 이러한 다수개 캐비티에서 충전균형 실험을 위해 새로운 런너를 고안하였다. Figure 2는 본 연구에서 고안한 스크류 형상의 런너 및 캐비티 형상을 보여주고 있다.
제안 방법
- 일반적인 원형 런너의 경우 단면의 코어부분과 스킨부분의 온도가 균일하지 않아 캐비티 간 충전의 편차가 생긴다.3 그래서, 런너의 단면에서 수지가 잘 섞이어 온도가 균일하게 되도록 하기 위해 스크류 런너를 고안하였다 스크류 형상의 통로에서는 회전유동이 생기어 믹싱을 잘 해주기 때문이다 스크류 형상의 설계는 회전운동의 양에 영향을 주는 나선의 감긴 수와 회전하는 통로의 단면 크기에 영향을 주는 나사산 높이를 변수로 하여 각각 두 가지로 총 네 가지의 스크류 형상을 설계하였다. 이러한스크류 런너 금형은 방전가공으로 쉽게 가공할 수 있고 성형 후 제품과 런너가 금형에서 쉽게 분리되는 것이 장점이다.
- 사용한 수지는 비결정성 수지로 LG화학의 ABS(HF380-저점도 그레이드 HI100-고점도 그레이드) 와 결정성 수지로 삼양사의 PBT (Tribit 1500-저점도 그레이드, Tribit 1700S-고점도 그레이드) 를사용하였다. 결정성 수지와 비결정 수지의 흐름특성을 비교하고, 또한 각각의 수지에서 유동성이 큰 경우와 작은 경우의 흐름의 균형을 파악할 수 있도록 수지를 선정하였다.
- 런너를 고안하였다. 런너의 단면에서 온도가 균일해야 충전 균형을 만족시키므로 런너의 단면에서 균일한 온도를 확보하기 위해 스크류 런너 또는 헬리컬 런너를 채용한 새로운 런너 시스템을 제시하였다. 스크류 런너의 나사산 높이와 감은 수를 변경하여 네 가지 타입의 스크류 런너를 설계하였다.
- 스크류 런너의 나사산 높이와 감은 수를 변경하여 네 가지 타입의 스크류 런너를 설계하였다. 비결정성 수지인 ABS, 결정성 수지인 PBT 에서 각각 고점도 저점도 수지를 선정하여 새롭게 고안한 스크류 런너에서 충전실험을 수행하였다. 컴퓨터해석을 통해 충전실험과 비교 검토하였으며 충전균형이 이루어지는 현상과 이유를 분석하였다
- ABS와 PBT의 사출온도를 각각 240 C와 220 ℃로 하였고,금형의 온도는 공히 50 ℃로 하였다. 사출속도는 50, 150 그리고 250 mm/sec로 다양하게 하여 실험하였다. 사출속도에 따른 캐비티 간 충전균형을 관찰하기 위해서 속도변화를 크게하여 실험하였다.
- 사출속도는 50, 150 그리고 250 mm/sec로 다양하게 하여 실험하였다. 사출속도에 따른 캐비티 간 충전균형을 관찰하기 위해서 속도변화를 크게하여 실험하였다.
- 충전 불균형을 해소하기 위해 다수 캐비티 사출금형에서 스크류 형상의 런너를 적용하여 사출 성형 실험을 수행하였다. 수지의 종류와 스크류 런너의 타입에 따라서 충전에 미치는 영향을 관찰하였다.
- 스크류 런너의 이러한 기능 때문에 스크류 런너를 가진 캐비티에서는 온도가 균일하다. 스크류 런너를 통과하면서 온도가 균일해지는 현상을 파악하기 위해 Figure 9와 같이 런너를 지나면서 각 런너 단면에서의 온도 분포를 조사하였다. Figure 9는 스크류 런너 타입 B 에서 원형 형상의 런너와 스크류 런너 단면의 온도분포를 나타내고 있다.
- 런너의 단면에서 온도가 균일해야 충전 균형을 만족시키므로 런너의 단면에서 균일한 온도를 확보하기 위해 스크류 런너 또는 헬리컬 런너를 채용한 새로운 런너 시스템을 제시하였다. 스크류 런너의 나사산 높이와 감은 수를 변경하여 네 가지 타입의 스크류 런너를 설계하였다. 비결정성 수지인 ABS, 결정성 수지인 PBT 에서 각각 고점도 저점도 수지를 선정하여 새롭게 고안한 스크류 런너에서 충전실험을 수행하였다.
- 실험조건 및 성형해석. 각 수지에 따른 성형조건은 Table 1에 나타나 있다.
- 스크류 런너의 타입에 따른 충전현상. 충전 불균형을 해소하기 위해 다수 캐비티 사출금형에서 스크류 형상의 런너를 적용하여 사출 성형 실험을 수행하였다. 수지의 종류와 스크류 런너의 타입에 따라서 충전에 미치는 영향을 관찰하였다.
- 비결정성 수지인 ABS, 결정성 수지인 PBT 에서 각각 고점도 저점도 수지를 선정하여 새롭게 고안한 스크류 런너에서 충전실험을 수행하였다. 컴퓨터해석을 통해 충전실험과 비교 검토하였으며 충전균형이 이루어지는 현상과 이유를 분석하였다
- Figure 3은 해석을 위한 메 쉬를 보여주고 있다. 헥사와 테트라의 복합메쉬 형태의 3차원 요소로 해석을 하였으며 해석 조건은 사출실험의 조건과 동일하게 적용하였다.
대상 데이터
- 캐비티의 두께는 2 mm이고 폭은 20 mm, 길이는 50 mm이다. 각 캐비티에서 게이트의 크기는 폭 12 mm, 두께 0.8 mm, 그리고 랜드 길이는 5 mm 이다. Figure 2(c) 에 나타난 스크류 런너 타입은 총 네 가지로 나사산 높이와 스크류 감긴 수가 다른 형태이다.
- 실험장비 및 재료. 본 연구에서 사용한 사출기는 (주)우진세렉스의 SELEX NA110로 형체력은 110 ton, 최대 사출압은 2610 kg/cm2, 최대 사출속도는 300 mm/sec, 그리고 스크류 지름은 28 mm이다. 사용한 수지는 비결정성 수지로 LG화학의 ABS(HF380-저점도 그레이드 HI100-고점도 그레이드) 와 결정성 수지로 삼양사의 PBT (Tribit 1500-저점도 그레이드, Tribit 1700S-고점도 그레이드) 를사용하였다.
- 본 연구에서 사용한 사출기는 (주)우진세렉스의 SELEX NA110로 형체력은 110 ton, 최대 사출압은 2610 kg/cm2, 최대 사출속도는 300 mm/sec, 그리고 스크류 지름은 28 mm이다. 사용한 수지는 비결정성 수지로 LG화학의 ABS(HF380-저점도 그레이드 HI100-고점도 그레이드) 와 결정성 수지로 삼양사의 PBT (Tribit 1500-저점도 그레이드, Tribit 1700S-고점도 그레이드) 를사용하였다. 결정성 수지와 비결정 수지의 흐름특성을 비교하고, 또한 각각의 수지에서 유동성이 큰 경우와 작은 경우의 흐름의 균형을 파악할 수 있도록 수지를 선정하였다.
- 수 았도록 하였다 2차 런너의 지름은 7 mm이다. 캐비티의 두께는 2 mm이고 폭은 20 mm, 길이는 50 mm이다. 각 캐비티에서 게이트의 크기는 폭 12 mm, 두께 0.
이론/모형
- 각 캐비티에서의 충전현상을 모사하기 위해 사출성형해석 전용 프로그램인 Moldex3D를 사용하였다. Figure 3은 해석을 위한 메 쉬를 보여주고 있다.
성능/효과
- 수지에 따른 충전 현상. 결정성 수지인 PBT와 비결정성 수지인 ABS 에서 고점도와 저점도 수지를 이용하여 충전의 특성을 살펴보았는데 다양한 형태의 스크류 런너에서 수지에 따른 흐름특성의 차이가 다소 나타났으나 모든 수지에서 충전균형이 잘 이루어 졌다 원형 런너에서는 심한 충전 불균형이 관찰되었다 ABS와 PBT수지를 비교해 볼 때 PBT수지가 스크류 런너를 지나면서 충전균형이 더욱 잘 이루어졌다 이는 결정성 수지와 비결정성 수지의 차이 때문이 아니라 두 수지의 유동성의 차이 때문에 나타나는 현상이라 판단된다. 스크류 런너의 타입에 따라 수지간 흐름균형에 악간의 차이는 있지만 차이가 너무 작아 경향성을 가리기는 어려워 보였다
- 실험결과 둥근 형상의 2차 런너를 통과하는 캐비티에서는 스프루에 가까운 중앙부분 캐비티(#2)가 바깥 부분 캐비티보다 먼저 채워지는 캐비티간 충전 불균형을 보였다. 반면 스크류 형상의 런너 (윗쪽의 우측 런너)를 통과한 캐비티에서는 안쪽 캐비티와 바깥쪽 캐비티가 둥근 형상의 런너에 비해 균일하게 충전됨을 확인할 수 있었다 그러나, 스크류 런너의 타입에 따라 즉 나사산의 높이와 감긴 수에 따라 충전 패턴이 다소 차이가 났다.
- 이러한 회전 운동은 런너 단면에서 수지의 온도를 균일하게 믹싱해주는 역할을 한다. 스크류 런너 단면에서의 회전운동은 스크류의 타입, 즉 나선의 감긴 수와 스크류 나선의 깊이에 따라 다소 차이가 있으나 수지가 나선을 따라 약 3바퀴 정도 회전하면 온도가 전 단면에서 균일해 짐을 확인할 수 있었다. 이러한 온도의 균일성 때문에 스크류 타입의 런너가 원형 런너에 비해 매우 뛰어난 캐비티간 균형있는 흐름을 보여주었다 수지의 종류와 수지의 흐름성의 차이 그리고 사출 속도에 따라 여러 스크류 런너 타입에서 다소 충전균형이 다르게 나타났지만 일반적으로 쓰이는 원형 런너에 비해 매우 뛰어난 캐비티간 흐름의 균형을 얻을 수 있음을 실험과 해석을 통해 확인할 수 있었다 ABS수지보다는 PBT수지가 스크류 런너에서 캐비티간 흐름균형이 더 뛰어 났으며, 같은 PBT 수지에서도 흐름성이 낮은 PBT (Tribit 1700S) 가 흐름성이 좋은 PBT (Tribit 1500)보다 다양한 속도에서도 스크류 런너에서 충전균형이 잘 이루어 졌다.
- 성형조건은 Table 1과 같으며 사출속도는 150 mm/sec 이었다. 실험결과 둥근 형상의 2차 런너를 통과하는 캐비티에서는 스프루에 가까운 중앙부분 캐비티(#2)가 바깥 부분 캐비티보다 먼저 채워지는 캐비티간 충전 불균형을 보였다. 반면 스크류 형상의 런너 (윗쪽의 우측 런너)를 통과한 캐비티에서는 안쪽 캐비티와 바깥쪽 캐비티가 둥근 형상의 런너에 비해 균일하게 충전됨을 확인할 수 있었다 그러나, 스크류 런너의 타입에 따라 즉 나사산의 높이와 감긴 수에 따라 충전 패턴이 다소 차이가 났다.
- 스크류 런너 단면에서의 회전운동은 스크류의 타입, 즉 나선의 감긴 수와 스크류 나선의 깊이에 따라 다소 차이가 있으나 수지가 나선을 따라 약 3바퀴 정도 회전하면 온도가 전 단면에서 균일해 짐을 확인할 수 있었다. 이러한 온도의 균일성 때문에 스크류 타입의 런너가 원형 런너에 비해 매우 뛰어난 캐비티간 균형있는 흐름을 보여주었다 수지의 종류와 수지의 흐름성의 차이 그리고 사출 속도에 따라 여러 스크류 런너 타입에서 다소 충전균형이 다르게 나타났지만 일반적으로 쓰이는 원형 런너에 비해 매우 뛰어난 캐비티간 흐름의 균형을 얻을 수 있음을 실험과 해석을 통해 확인할 수 있었다 ABS수지보다는 PBT수지가 스크류 런너에서 캐비티간 흐름균형이 더 뛰어 났으며, 같은 PBT 수지에서도 흐름성이 낮은 PBT (Tribit 1700S) 가 흐름성이 좋은 PBT (Tribit 1500)보다 다양한 속도에서도 스크류 런너에서 충전균형이 잘 이루어 졌다. 향후 더 다양한 수지의 종류와 여러 스크류 런너 타입에서 캐비티 간 균형 실험을 통하여 보다 엄밀한 스크류 런너의 설계가 필요하다고 판단된다.
후속연구
- 향후 더 다양한 수지의 종류와 여러 스크류 런너 타입에서 캐비티 간 균형 실험을 통하여 보다 엄밀한 스크류 런너의 설계가 필요하다고 판단된다. 또한, 캐비티간 충전균형의 정도에 따라 어느 정도 품질의 균형이 이루어 지는지를 제품의 치수나 물성즉정을 통해 확인하는 연구가 더 진행되어야 할 것으로 본다.
- 이러한 온도의 균일성 때문에 스크류 타입의 런너가 원형 런너에 비해 매우 뛰어난 캐비티간 균형있는 흐름을 보여주었다 수지의 종류와 수지의 흐름성의 차이 그리고 사출 속도에 따라 여러 스크류 런너 타입에서 다소 충전균형이 다르게 나타났지만 일반적으로 쓰이는 원형 런너에 비해 매우 뛰어난 캐비티간 흐름의 균형을 얻을 수 있음을 실험과 해석을 통해 확인할 수 있었다 ABS수지보다는 PBT수지가 스크류 런너에서 캐비티간 흐름균형이 더 뛰어 났으며, 같은 PBT 수지에서도 흐름성이 낮은 PBT (Tribit 1700S) 가 흐름성이 좋은 PBT (Tribit 1500)보다 다양한 속도에서도 스크류 런너에서 충전균형이 잘 이루어 졌다. 향후 더 다양한 수지의 종류와 여러 스크류 런너 타입에서 캐비티 간 균형 실험을 통하여 보다 엄밀한 스크류 런너의 설계가 필요하다고 판단된다. 또한, 캐비티간 충전균형의 정도에 따라 어느 정도 품질의 균형이 이루어 지는지를 제품의 치수나 물성즉정을 통해 확인하는 연구가 더 진행되어야 할 것으로 본다.
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