[논문]고주파 가열조건에 따른 플라스틱 사출성형품의 표면특성 고찰

손동휘; 서영수; 박근; 이광우

고주파 가열조건에 따른 플라스틱 사출성형품의 표면특성 고찰
An Investigation of Surface Appearance of an Injection-Molded Plastic Part with Various Induction Heating Conditions 원문보기

Elastomers and composites = 엘라스토머 및 콤포지트, v.44 no.4, 2009년, pp.358 - 365

손동휘 (서울산업대학교 기계설계자동화공학부) , 서영수 (서울산업대학교 기계설계자동화공학부) , 박근 (서울산업대학교 기계설계자동화공학부) , 이광우 ((주)모베이스)

초록
AI-Helper

고주파 유도가열은 전자기 유도현상을 이용하여 금형표면을 비접촉 형태로 급속 가열할 수 있는 기술이다. 본 연구에서는 고주파 유도가열을 사용하여 사출금형의 표면을 급속으로 가열함으로써 휴대폰 사출성형품의 웰드라인을 제거하기 위한 연구를 수행하였다. 고주파 유도가열 실험을 통해 3초간의 가열로 금형 표면온도를 $143^{\circ}C$까지 가열함으로써 고분자수지의 유리전이온도 이상으로 급속 가열할 수 있음을 확인하였으며, 상기 고주파 유도가열을 적용하여 휴대폰 외장부의 사출성형을 실시하여 기존에 발생되었던 웰드라인을 성공적으로 제거할 수 있었다. 또한 유도가열시 가열조건(고주파 유도가열기 출력 및 가열시간)의 변화에 따른 웰드부 표면특성의 변화를 고찰하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

High-frequency induction is an efficient way to rapidly heat mold surface by electromagnetic induction. In the present work, high-frequency induction heating is applied to injection molding of a mobile phone cover in order to eliminate weldlines by efficiently raising the mold temperature. Through the induction heating experiments, the maximum temperature of $143^{\circ}C$ is obtained on the mold surface in 3s of heating, which is higher than the glass transition temperature of the resin material. An injection molding experiment is then performed with the aid of induction heating, from which we can successfully remove all the weldlines of the mobile phone cover. The effect of induction heating conditions such as the heating power and the heating time on the surface appearance is experimentally investigated.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

또한 본 연구자의 선행연구로서 휴대폰 성형품의 웰드라인 개선에 고주파 유도가열을 적용한 바 있다.⁹ 본 연구에서는 상기 선행연구를 토대로 고주파 유도가열 조건에 따른 금형표면의 급속가열효과 및 성형품의 웰드라인 형상특성의 변화를 고찰해보고자 한다.
본 연구에서는 고주파 유도가열기법을 적용하여 사출금형을 급속으로 가열함으로써 휴대폰 제품의 웰드라인을 개선하기 위한 연구를 수행하였다. 성형품의 형상을 고려하여 타원형 코일을 사용하여 휴대폰 금형의 유도가열을 실시한 결과 최대 40 ℃/s의 가열효율을 얻을 수 있었으며, 가열 직후 자연 대류 상태에서 최대 20 ℃/s의 온도감소가 발생하여 금형표면의 급속가열 및 냉각이 가능함을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 사출금형의 급속가열을 위한 고주파 가열 시스템을 구축하였다. 구성 요소를 살펴보면 고주파 가열기, 가열코일, 코일이 연결된 보조 컨트롤 박스, 냉각장치 및 데이터 처리장치로 구성된다.
본 연구에서는 이러한 문제점을 극복하기 위해 고주파 유도 가열 (High-frequency Induction Heating)을 사용하여 금형온도를 증가시킴으로써 웰드라인을 개선하는 방안에 대해 연구하고자 한다. 고주파 유도가열은 사출금형에 고주파 전류를 인가할 때 금형표면에 전류가 집중되는 표피효과 (Skin Effect)를 이용하여 금형표면을 급속으로 가열하는 기법으로, 최근들어 박육 사출성형⁵ 및 마이크로 형상의 성형성 향상,⁶ 웰드라인 향상,⁷ 사출성형품의 기계적 물성 향상⁸ 등에 응용되고 있다.
본 연구에서는 휴대폰 제품의 사출성형시 웰드라인을 제거함으로써 표면특성을 개선하기 위한 기술을 개발하고자 한다. 휴대폰 제품은 구조가 비교적 복잡하고 두께편차가 크며 특히 국부적으로 두께가 얇은 (0.
본 절에서는 고주파 유도가열 조건에 따른 웰드라인의 특성을 고찰하였다. 우선 고주파 유도가열의 출력을 변화시켜가며 사출성형 실험을 실시하고, 각각의 경우에 대한 따른 웰드라인의 크기를 비교하였다.

제안 방법

Table 1에 보다 정량적인 비교를 위해 주요 측정부위 (Figure 2에 표시된 6곳의 위치)의 고주파가열시 최대온도 및 가열효율 (Heating Rate)을 비교하였다. 여기서 가열효율은 부위별로 단위시간당 온도상승 비율로써 정의하였다.
Figure 2에 타원형 코일과 금형 캐비티간의 배치 형태를 도시하였다. 가열시 금형표면의 온도분포는 열화상 카메라를 사용하여 측정하였으며, 이를 위해 금형 표면을 흑색 페인트로 도포한 후 실험을 수행하였다. 또한 웰드라인 발생 부에서의 온도상승 효과를 분석하기 위해 6곳 (Figure 2의 1~6번 위치)에서의 온도변화를 고찰하였다.
금형온도에 따른 웰드라인의 크기를 비교하기 위해 금형온도를 110 ℃, 120 ℃로 변화시켜가며 사출성형을 실시하여 동일한 위치에서의 웰드라인을 측정하였다. Figure 6 (a)와 (b)에 각각 금형온도에 따른 웰드라인의 깊이 및 폭의 변화를 도시하였다.
이러한 결과로부터 고주파 유도가열 적용시 가열기의 출력과 가열시간의 증가에 따라 금형의 온도상승이 증가하여 결과적으로 웰드부 형상을 개선할 수 있을 것으로 판단된다. 단, 지나친 가열시간의 증가는 생산성을 저하시키게 되므로 적정한 가열시간의 설정이 필요하며, 본 연구에서는 가열시간을 3초로, 출력을 2.5 kW로 최종 설정하였다. Figure 12에 상기 조건을 적용한 경우 고주파 유도가열 전후의 웰드부의 형상을 주사전자현미경으로 촬영 (배율: 10000배)하여 비교하였다.
또한 고주파 유도가열시간을 변화시켜가며 사출성형 실험을 실시하여 각각의 경우에 대한 따른 웰드라인의 크기를 비교하였다. 이때 고주파 유도가열기의 출력은 2.
가열시 금형표면의 온도분포는 열화상 카메라를 사용하여 측정하였으며, 이를 위해 금형 표면을 흑색 페인트로 도포한 후 실험을 수행하였다. 또한 웰드라인 발생 부에서의 온도상승 효과를 분석하기 위해 6곳 (Figure 2의 1~6번 위치)에서의 온도변화를 고찰하였다.
웰드부 형상은 광학현미경(배율: 30배)으로 측정하였으며, 웰드라인의 형상이 선명하게 나타나 제품 표면의 외관을 저해함을 알 수 있다. 또한 웰드부의 정량적인 비교를 위해 웰드부에 대한 표면조도를 측정하였다. 표면조도는 RugoSurf 90G (분해능: 0.
상기 제품의 웰드라인을 개선하기 위해 고주파 가열을 적용하여 사출성형을 실시하였다. Figure 7에 고주파 유도가열기와 일체화된 사출성형 시스템을 도시하였다.
실험에 사용된 고주파 가열기는 (주)백마고주파의 BMHF-P227 모델을 사용하였으며, 출력전력은 최대 15 kW이다. 실험장치는 고주파가열기 및 보조 컨트롤 박스를 이동식 프레임에 장착하여 사출성형기에 삽입이 가능하도록 구성하였다. Figure 1에 사출금형 가열을 위한 고주파 유도가열 장치를 도시하였다.
본 절에서는 고주파 유도가열 조건에 따른 웰드라인의 특성을 고찰하였다. 우선 고주파 유도가열의 출력을 변화시켜가며 사출성형 실험을 실시하고, 각각의 경우에 대한 따른 웰드라인의 크기를 비교하였다. 이때 가열시간은 3초로 고정시켜주 었고, 출력을 각각 2.
우선 고주파 유도가열의 출력을 변화시켜가며 사출성형 실험을 실시하고, 각각의 경우에 대한 따른 웰드라인의 크기를 비교하였다. 이때 가열시간은 3초로 고정시켜주 었고, 출력을 각각 2.0 ㎾, 2.5 ㎾, 3.0 ㎾로 변화시켜가며 실험을 실시하였다. Figure 10에 고주파 유도가열기의 출력 변화에 따른 웰드부의 치수 변화를 비교하였다.
또한 고주파 유도가열시간을 변화시켜가며 사출성형 실험을 실시하여 각각의 경우에 대한 따른 웰드라인의 크기를 비교하였다. 이때 고주파 유도가열기의 출력은 2.5 kW로 고정시킨 후 가열시간을 3, 4, 5초로 증가시켜가며 실험을 실시하였다. 가열시간에 따른 웰드라인 특성의 변화를 Figure 11에 도시하였다.
Figure 10에 고주파 유도가열기의 출력 변화에 따른 웰드부의 치수 변화를 비교하였다. 이때 유도가열의 효과를 고찰하기 위해 유도가열을 적용하지 않은 상태에서 온수 온도를 100 ~ 120 ℃로 변화시키며 사출성형을 실시한 경우 (Figure 6 참조)도 함께 비교하였다. 우선 웰드라인의 깊이를 보면 (Figure 10 (a) 참조) 유도가열을 실시한 경우 웰드부의 깊이가 크게 감소되며, 특히 이러한 현상은 1번 웰드부에서 가장 두드러짐을 확인할 수 있었다.
휴대폰 금형의 웰드라인 발생부를 효과적으로 가열하기 위해 타원형태로 코일을 제작하여 휴대폰 금형의 가열실험을 실시하였다.
휴대폰 사출품의 웰드라인 발생부위 관찰을 위해 고주파 유도가열을 적용하지 않은 상태에서 시사출을 실시하였다. 수지는 PC (Starex HF-1023I, Cheil Industries Inc.

대상 데이터

휴대폰 사출품의 웰드라인 발생부위 관찰을 위해 고주파 유도가열을 적용하지 않은 상태에서 시사출을 실시하였다. 수지는 PC (Starex HF-1023I, Cheil Industries Inc.)를 사용하였으며, 사출온도는 310 ℃, 금형온도는 100 ℃, 사출시간은 1초로 설정하였다. Figure 5에 시사출된 휴대폰 제품의 웰드라인 형상을 부위별로 확대하여 도시하였다.
구성 요소를 살펴보면 고주파 가열기, 가열코일, 코일이 연결된 보조 컨트롤 박스, 냉각장치 및 데이터 처리장치로 구성된다. 실험에 사용된 고주파 가열기는 (주)백마고주파의 BMHF-P227 모델을 사용하였으며, 출력전력은 최대 15 kW이다. 실험장치는 고주파가열기 및 보조 컨트롤 박스를 이동식 프레임에 장착하여 사출성형기에 삽입이 가능하도록 구성하였다.
또한 웰드부의 정량적인 비교를 위해 웰드부에 대한 표면조도를 측정하였다. 표면조도는 RugoSurf 90G (분해능: 0.001 ㎛)를 사용하였다. 표면조도 측정 결과 1번 부위 웰드부의 깊이는 2.

성능/효과

Figure 6 (a)와 (b)에 각각 금형온도에 따른 웰드라인의 깊이 및 폭의 변화를 도시하였다. 웰드라인 깊이의 경우 (Figure 6 (a) 참조) 1번 위치에서의 값이 두드러지게 나타나기는 하였으나, 전반적으로 금형 온도 증가에 따라 선형적으로 감소하는 경향을 보였다. 반면 웰드라인 폭의 경우 (Figure 6 (b) 참조) 전반적으로 금형온도 증가에 따라 선형적으로 감소하는 경향을 보임은 유사하며, 1번 위치에서 가장 큰 값을 보이기는 하나 위치별 편차는 상대적으로 작은 것으로 분석되었다.
웰드라인 깊이의 경우 (Figure 6 (a) 참조) 1번 위치에서의 값이 두드러지게 나타나기는 하였으나, 전반적으로 금형 온도 증가에 따라 선형적으로 감소하는 경향을 보였다. 반면 웰드라인 폭의 경우 (Figure 6 (b) 참조) 전반적으로 금형온도 증가에 따라 선형적으로 감소하는 경향을 보임은 유사하며, 1번 위치에서 가장 큰 값을 보이기는 하나 위치별 편차는 상대적으로 작은 것으로 분석되었다.
02 ㎛에 해당한다. 3개의 결과를 비교하면 1번의 경우가 타 경우에 비해 폭과 깊이가 크게 나타나 웰드라인이 상대적으로 크게 발생하였음을 알 수 있다.
가열효율은 금형면과의 거리가 상대적으로 가까운 1번 및 6번 위치에서의 값이 가장 크게 나타난 반면 코일로부터의 거리가 떨어져 있는 3, 5번에서의 값이 낮게 나타남을 알 수 있다. 가열 과정에서 최대 140 ℃ 이상의 온도상승이 발생하여 1초당 40 ℃ 정도의 온도상승이 발생하였음을 알 수 있으며, 가열 직후 자연대류 상태에서 최대 1초당 20 ℃ 정도의 온도감소가 발생하여 금형 표면의 급속가열 및 냉각이 가능함을 확인할 수 있었다.
웰드라인의 깊이를 보면 (Figure 11 (a) 참조) 유도가열을 실시한 경우 웰드부의 깊이가 크게 감소되며, Figure 10 (a)와 유사하게 1번 웰드부에서 가장 두드러짐을 확인할 수 있었다. 또한 가열시간이 증가함에 따라 웰드부의 깊이가 적어져 웰드라인이 개선됨을 알 수 있었다. 한편 웰드부 폭의 경우 역시 유도가열 출력의 증가에 따라 서서히 감소되나 그 감소폭이 깊이에 비해 상대적으로 적게 나타남을 알 수 있었다.
우선 웰드라인의 깊이를 보면 (Figure 10 (a) 참조) 유도가열을 실시한 경우 웰드부의 깊이가 크게 감소되며, 특히 이러한 현상은 1번 웰드부에서 가장 두드러짐을 확인할 수 있었다. 또한 출력이 증가함에 따라 웰드부의 깊이가 감소되어 웰드라인이 개선됨을 알 수 있었다. 반면 웰드부 폭의 경우 역시 유도가열 출력의 증가에 따라 서서히 감소되나 그 감소폭이 깊이에 비해 상대적으로 작음을 알 수 있다.
성형품의 형상을 고려하여 타원형 코일을 사용하여 휴대폰 금형의 유도가열을 실시한 결과 최대 40 ℃/s의 가열효율을 얻을 수 있었으며, 가열 직후 자연 대류 상태에서 최대 20 ℃/s의 온도감소가 발생하여 금형표면의 급속가열 및 냉각이 가능함을 확인할 수 있었다. 상기 고주파가열을 휴대폰 사출성형에 적용하여 3초간의 가열로 금형 온도를 고분자수지의 유리전이온도인 140 ℃이상으로 증가시킬 수 있었고, 결과적으로 기존에 발생되었던 웰드라인을 육안으로 확인이 되지 않을 정도로 감소시킴으로써 생산성을 크게 저하시키지 않으면서도 성형품의 외관을 개선할 수 있는 것으로 확인되었다.
본 연구에서는 고주파 유도가열기법을 적용하여 사출금형을 급속으로 가열함으로써 휴대폰 제품의 웰드라인을 개선하기 위한 연구를 수행하였다. 성형품의 형상을 고려하여 타원형 코일을 사용하여 휴대폰 금형의 유도가열을 실시한 결과 최대 40 ℃/s의 가열효율을 얻을 수 있었으며, 가열 직후 자연 대류 상태에서 최대 20 ℃/s의 온도감소가 발생하여 금형표면의 급속가열 및 냉각이 가능함을 확인할 수 있었다. 상기 고주파가열을 휴대폰 사출성형에 적용하여 3초간의 가열로 금형 온도를 고분자수지의 유리전이온도인 140 ℃이상으로 증가시킬 수 있었고, 결과적으로 기존에 발생되었던 웰드라인을 육안으로 확인이 되지 않을 정도로 감소시킴으로써 생산성을 크게 저하시키지 않으면서도 성형품의 외관을 개선할 수 있는 것으로 확인되었다.
이러한 결과로부터 고주파 유도가열 적용시 가열기의 출력과 가열시간의 증가에 따라 금형의 온도상승이 증가하여 결과적으로 웰드부 형상을 개선할 수 있을 것으로 판단된다. 단, 지나친 가열시간의 증가는 생산성을 저하시키게 되므로 적정한 가열시간의 설정이 필요하며, 본 연구에서는 가열시간을 3초로, 출력을 2.
299 ㎛로 감소율을 보였다. 이러한 웰드라인 개선 정도는 고주파 유도가열의 적용에 따라 최소 40%에서 많게는 90%이상의 감소율을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

유도가열 미적용시 웰드부에서 선명하게 나타났던 ‘V'자 형태의 노치가 유도가열 적용으로 인해 거의 제거되어 성형품의 표면특성 향상뿐 아니라 기계적 물성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	웰드라인 발생부위에 발생하는 노치는 어떤 문제가 있는가?	특히 휴대폰 제품의 특성상 다수의 구멍이 존재하고 다점게이트를 사용하면서 웰드라인이 발생하게 되어 도장 등의 후공정을 통해 웰드라인을 보이지 않도록 처리해주어야 하는데, 이러한 과정에서 부가적인 경비와 시간이 소요되는 단점이 있다. 또한 웰드라인 발생 부위에서는 웰드부에서의 ‘V’자 형태의 노치 (Notch)가 발생하며, 이러한 취약부위는 제품의 기계적 특성 저하는 물론 증착, 도장, 도금 등 후공정에 여러가지 문제를 유발하게 된다.1
	사출성형품의 웰드라인을 개선하기 위한 성형조건으로 어떤 방법이 있는가?	사출성형품의 웰드라인을 개선하기 위한 성형조건의 고찰에 관한 연구가 수행되었는데, 일반적으로 수지온도 및 금형 온도를 증가시켜 웰드 발생위치에서의 유동선단의 온도를 높이는 방안이나 사출압 및 사출속도를 높여 웰드 생성부에서의 유동 선단간의 결합력을 증가시키는 방법이 있다.2,3 이중 금형을 유리전이온도 이상으로 가열하는 방법이 소형 제품의 웰드 라인 감소에 가장 효과적인 것으로 알려져 있으나, 4 금형의가열과 냉각에 소요되는 시간이 상대적으로 길어 생산성이 저하되는 문제점이 있다.
	고주파 유도가열기법을 적용하여 사출금형을 급속으로 가열함으로써 휴대폰 제품의 웰드라인을 개선하기 위한 연구결과는 어떠했는가?	본 연구에서는 고주파 유도가열기법을 적용하여 사출금형을 급속으로 가열함으로써 휴대폰 제품의 웰드라인을 개선하기 위한 연구를 수행하였다. 성형품의 형상을 고려하여 타원형 코일을 사용하여 휴대폰 금형의 유도가열을 실시한 결과 최대 40 ℃/s의 가열효율을 얻을 수 있었으며, 가열 직후 자연 대류 상태에서 최대 20 ℃/s의 온도감소가 발생하여 금형표면의 급속가열 및 냉각이 가능함을 확인할 수 있었다. 상기 고주파가열을 휴대폰 사출성형에 적용하여 3초간의 가열로 금형 온도를 고분자수지의 유리전이온도인 140 ℃이상으로 증가시킬 수 있었고, 결과적으로 기존에 발생되었던 웰드라인을 육안으로 확인이 되지 않을 정도로 감소시킴으로써 생산성을 크게 저하시키지 않으면서도 성형품의 외관을 개선할 수 있는 것으로 확인되었다.

참고문헌 (10)

K. Tomari, S. Tonogai, T. Harada, H. Hamada, K. Lee, T. Morii, and Z. Maekawa, 'The V-notch at weld lines in polystylene injection molding', Polym. Eng. Sci., 30, 931 (1990)

상세보기
R. Selden, 'Effect on processing on weld line strength in five thermoplastics,' Polym. Eng. Sci., 37, 205 (1997)

상세보기
J. K. Kim, J. H, Song, S. T. Chung, and T. H. Kwon, 'Morphology and mechanical properties of injection molded articles with weld lines', Polym. Eng. Sci., 37, 1202 (1997)

상세보기
G. Tosello, A. Gava, H. N. Hansen, G. Lucchetta, and F. Marinello, 'Characterization and analysis of weld lines on micro- injection moulded parts using atomic force microscopy (AFM)', Wear, 266, 534 (2009)

상세보기
S. C. Chen, W. R. Jong, Y. J. Chang, J. A, Chang, and J. C. Cin, 'Rapid mold temperature variation for assisting the micro injection of high aspect ratio micro-feature parts using induction heating technology', J. Micromech, Microeng., 16, 1783 (2006)

상세보기
S. Kim, C. S. Shiau, B. Kim, and D. Yao, 'Injection molding nanoscale features with the aid of induction heating', Polym. Plast. Tech. Eng., 46, 1031 (2007)

상세보기
S. C. Chen, W. R. Jong, and J. A. Chang, 'Dynamic mold surface temperature control using induction heating and its effects on the surface appearance on weld line', J. Appl. Polym. Sci., 101, 1174 (2006)

상세보기
K. Park and Y. S. Kim, 'Effect of mold temperature on mechanical properties of an injection-molded part with microfeatures', J. Polym. Engng., 29, 135 (2009)
K. Park, D. H. Sohn, and K. H. Cho, 'Eliminating weldlines of an injection molded part with the aid of high-frequency induction heating', J. Mech. Sci. Technol. (in press)

원문보기 상세보기
K. Park, S. Choi, S. J. Lee, and Y. S. Kim, 'Injection molding for a ultra thin-wall part using induction heating', Trans. J. Kor. Soc. Mech. Engng. (A), 31, 594 (2007)

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증