[논문]유동방향과 밀도이방성 분석을 위한 세라믹 분말사출성형 해석

곽태수; 서원선

doi:10.4191/kcers.2009.46.3.229

[국내논문] 유동방향과 밀도이방성 분석을 위한 세라믹 분말사출성형 해석
Simulation of Ceramic Powder Injection Molding Process to Clarify the Change of Sintering Shrinkage Depending on Flow Direction 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.46 no.3 = no.322, 2009년, pp.229 - 233

곽태수 (국립진주산업대학교 기계공학과) , 서원선 (요업(세라믹)기술원 그린세라믹본부)

Abstract ▼ AI-Helper

This study has focused on manufacturing technique of powder injection molding of watch case made from zirconia powder. A series of computer simulation process was applied to prediction of the flow pattern in the inside of the mould to clarifying the change of sintering shrinkage depended on flow direction. The material properties of melted feedstock inclusive of the PVT graph and thermal viscosity flowage properties were measured for obtaining the input data in computer simulation. Also, molding experiment was conducted and the results of experiment showed that good agreement with simulation results for flow pattern and weld line location. On the other hand, gravity and inertia effect have an influence on velocity of melt front because of high density of ceramic powder particles in powder injection molding against the polymer injection molding process. In the experiment, the position of melt front was compared with upper gate and lower gate position. The gravity and inertia effect could be confirmed in the experimental results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 시계케이스의 분말사출 성형에 있어서 성형품의 치수정밀도, 잔류응력 및 기계적 특성에 가장 직결되는 사출공정을 상용화된 유동해석 프로그램을 이용하여 사출과정 중 발생하는 유동특성과 웰드라인 결함의 위치 예측 등, 용융상태의 재료거동을 가시화하여 금형의 구조설계를 위한 데이터와 최적 성형조건을 위한 데이터를 확보한다. 또한 해석결과와 비교하기 위해 금형을 제작하고 사출성형 실험을 통해 성형품의 유동 패턴과 웰드 라인의 위치 등을 비교 분석하여 시뮬레이션 결과의 신뢰성을 부여하였다.
본 연구는 지르코니아 분말사출성형에 있어서 시뮬레이션을 활용하여 금형 설계 및 성형조건을 예측하고 실험을 통해 재료의 유변학적 특성을 검증하므로서 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 절에서는 시뮬레이션과 실험에 의한 유동패턴의 일치 여부, 웰드 결함 및 전단응력 분포 등을 예측하고 유동실험 결과에 대해서 비교하는 한편, 게이트의 상/하 위치에 따라 유동 선단에 미치는 중력의 영향에 대해 실험을 통해 확인한다.

제안 방법

본 연구는 시계케이스의 분말사출 성형에 있어서 성형품의 치수정밀도, 잔류응력 및 기계적 특성에 가장 직결되는 사출공정을 상용화된 유동해석 프로그램을 이용하여 사출과정 중 발생하는 유동특성과 웰드라인 결함의 위치 예측 등, 용융상태의 재료거동을 가시화하여 금형의 구조설계를 위한 데이터와 최적 성형조건을 위한 데이터를 확보한다. 또한 해석결과와 비교하기 위해 금형을 제작하고 사출성형 실험을 통해 성형품의 유동 패턴과 웰드 라인의 위치 등을 비교 분석하여 시뮬레이션 결과의 신뢰성을 부여하였다. 또한, 분말사출 성형시 유동방향에 따라 재료는 방향성을 가지게 되므로 소결공정 전후의 기준 치수를 측정 함으로서 유동방향에 따른 소결 수축량 의 변화를 정량화하였다.
또한 해석결과와 비교하기 위해 금형을 제작하고 사출성형 실험을 통해 성형품의 유동 패턴과 웰드 라인의 위치 등을 비교 분석하여 시뮬레이션 결과의 신뢰성을 부여하였다. 또한, 분말사출 성형시 유동방향에 따라 재료는 방향성을 가지게 되므로 소결공정 전후의 기준 치수를 측정 함으로서 유동방향에 따른 소결 수축량 의 변화를 정량화하였다.
이러한 과정들을 통하여 유동패턴과 보압/냉각공정에서의 수축, 변형 등의 사출공정 중 발생하는 성형 특성을 예측할 수 있다. 본 연구에서는 사출과정 중 가장 큰 영향을 미치는 충전과정을 중심으로 해석된 결과와 성형품 을 비교 분석한다.
세라믹 분말사출성형은 성형조건에 따른 영향 외에 고밀도의 금속 또는 세라믹 입자로 인해 성형 재료의 금형 내 주입 시 중력 및 관성력의 영향이 상대적으로 크다. 본 절에서는 게이트의 위치를 상하로 전환시켜 유동선단을 계측하고 비교 함으로서 가압 주입 시 성형재료의 충전과정 가시화를 통해 그 효과를 확인하고 수치모사를 통한 유동해석 결과와 비교하였다.
시뮬레이션 결과를 검증하기 위해 금형내 지르코니아 혼합체의 유동패턴을 시뮬레이션하고 실험과 비교하였다. 실험에서는 사출성형기에서 충전완료 시간을 체크하고 속도/압력 전환 위치를 변경하여 사출 시간을 단계별로 조정할 수 있었다.
본 연구에서는 사출성형 시뮬레이션을 수행하기 위해서 상용 프로그램인 Toray사의 3D-TIMON을 사용하였다. 요소생성 프로그램을 통해 육면체 형태의 Hexa Mesh를 작성하고 물성실험을 통해 얻은 입력 값을 이용하여 유동패턴과 보압/냉각, 뒤틀림해석 등을 수행하였다. 본 프로그램의 해석방정식은 (1)~(4)와 같이 일반적인 유체역학 기초식을 기초로 하고 있으며 지배방정식으로서 연속식, 운동방정식, 에너지방정식을 사용한다.
금형내의 충전 과정을 관찰하는 것은 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해 필요한 과정이다. 충전과정을 관찰하기 위한 실험에서는 충전시간에 변화를 주어 케비티 내의 혼합체가 주입되는 과정을 단계별로 가시화할 수 있으며 웰드 결함의 위치를 실험으로 확인하고자 한다. Fig.

대상 데이터

지르코니아 분말로 사출 성형되는 시계케이스는 외관 불량과 함께 일정한 치수정밀도가 요구되는 한편, 3차원 형상을 가지고 있으므로 금형 내의 다양한 유변학적 특성을 볼 수 있는 부품이다. 실험에서 사용된 사출성형기는 세라믹 또는 금속 분말을 이용한 혼합체를 전용으로 사용가능한 장비로서 스크류와 실린더는 내마모, 내식 특성을 강화한 NISSEI사의 NEX500으로 형체력 490 kN, 최대 사출압력 255 MPa이다. 사출성형 실험을 위한 성형조건은 시뮬레이션 결과와 비교할 수 있도록 Table 1과 같이 선정되었다.

데이터처리

시뮬레이션 결과를 검증하기 위해 금형내 지르코니아 혼합체의 유동패턴을 시뮬레이션하고 실험과 비교하였다.
시뮬레이션 결과를 확인하기 위해서 시계의 시침과 날짜를 조정하는 핀이 삽입되는 홀 부위에 대해서 실험 결과와 비교하였다. 실험 및 시뮬레이션 결과에 따르면 핀 주위를 돌아서 합류할 때 하부의 폭이 좁은 곳에서 유동이 늦고 상대적으로 상부는 유량이 많고 유동선단의 진행이 빠른 것을 확인할 수 있었다(Figs.

이론/모형

본 연구에서는 사출성형 시뮬레이션을 수행하기 위해서 상용 프로그램인 Toray사의 3D-TIMON을 사용하였다. 요소생성 프로그램을 통해 육면체 형태의 Hexa Mesh를 작성하고 물성실험을 통해 얻은 입력 값을 이용하여 유동패턴과 보압/냉각, 뒤틀림해석 등을 수행하였다.
요소생성 프로그램을 통해 육면체 형태의 Hexa Mesh를 작성하고 물성실험을 통해 얻은 입력 값을 이용하여 유동패턴과 보압/냉각, 뒤틀림해석 등을 수행하였다. 본 프로그램의 해석방정식은 (1)~(4)와 같이 일반적인 유체역학 기초식을 기초로 하고 있으며 지배방정식으로서 연속식, 운동방정식, 에너지방정식을 사용한다. 또한 압축항, 관성항, 중력항을 생략하고 정상 상태로 가정하고 있으며 유속의 각 성분은 압력 구배에 비례한다는 포텐셜 유동을 적용하고 있다.
또한 압축항, 관성항, 중력항을 생략하고 정상 상태로 가정하고 있으며 유속의 각 성분은 압력 구배에 비례한다는 포텐셜 유동을 적용하고 있다. 수치 모사에서 사용되는 점도 관련 수식은 (5)의 6 정수 모델을 사용한다.

성능/효과

1) 지르코니아 혼합체의 사출성형 공정을 시뮬레이션 하기 위해 재료의 물성실험을 수행하고 시뮬레이션과 실험결과를 비교한 결과, 금형 내 주입시 재료의 유동선단은 시뮬레이션과 잘 일치하였다.
2) 시뮬레이션을 통해 웰드 결함 발생이 예상되는 위치를 계산하고 실험을 통해 검증 함으로서 결함 부위를 정확하게 계산이 가능함을 알 수 있었다.
3) 분말사출성형에 있어서 중력항의 영향을 확인하기 위해 게이트의 위치를 상하로 전환시켜 실험한 결과, 지르코니아 분말과 같이 고밀도의 재료는 중력항을 고려할 필요가 있음을 확인하였다.
4) 소결 수축율은 금형 내부의 유동과정에서 발생한 밀도 이방성에 의해 두께방향과 사출성형시 혼합체가 흘러들어가는 유동방향 간에 약 1%의 차이가 나타났다.
본 연구에서 확보한 재료 물성으로 시뮬레이션을 수행한 결과는 비교적 실험 결과와 잘 일치하였다. 이러한 재료 물성은 제품의 결함 부위를 예측하고 금형의 구조설계 및 성형조건을 선정하기 위한 시뮬레이션 기술을 적용하는데 있어서 유용하게 활용될 수 있다.
11은 소결전후의 수축율을 비교 측정한 것이다. 수축율은 시계케이스의 두께방향과 사출성형시 혼합체가 흘러들어가는 유동방향 간에 약 1%의 차이가 생기는 것으로 나타났다. 사출성형 시 유동 실험 및 시뮬레이션 결과(Fig.
시뮬레이션 결과를 확인하기 위해서 시계의 시침과 날짜를 조정하는 핀이 삽입되는 홀 부위에 대해서 실험 결과와 비교하였다. 실험 및 시뮬레이션 결과에 따르면 핀 주위를 돌아서 합류할 때 하부의 폭이 좁은 곳에서 유동이 늦고 상대적으로 상부는 유량이 많고 유동선단의 진행이 빠른 것을 확인할 수 있었다(Figs. 6, 7).

후속연구

실험에서 게이트의 위치에 따라 유동 선단의 속도에 차이가 나타나는 것을 볼 수 있는데 이것은 유동방향으로 중력의 영향이 있음을 의미한다. 따라서, 시뮬레이션에서 예측한 웰드 라인의 위치는 비교적 실험 결과와 잘 일치하고 있으나, 세라믹 분말 사출성형을 시뮬레이션 하는데 있어서는 중력의 영향을 고려하는 것이 더욱 정확한 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
하부 게이트에서 상부로 충전되는 경우 유동 선단은 상부 게이트에 비해 느리게 진행되는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 사용한 프로그램은 중력과 관성력항을 무시하고 있으므로 게이트 위치에 따른 유동선단을 예측하는데 한계가 있었다. 웰드의 위치는 게이트의 위치와 관계없이 시뮬레이션 결과와 잘 일치하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	분말사출성형이란?	분말사출성형은 금속이나 세라믹 분말에 적절한 고분자 결합제를 혼합하여 유동성과 성형성을 부여하고, 사출 성형공정을 거쳐 원하는 부품형상을 만드는 제조법이다. 고분자 결합제는 열 용매 그리고 모세관 추출법에 기초한 몇 가지 방법을 통하여 성형품의 내부로부터 제거되며, 결합제가 제거된 반제품은 소결 공정을 거쳐 완성 부품이 된다.
	고분자 결합제는 어떤 과정을 거쳐 완성 부품이 되는가?	분말사출성형은 금속이나 세라믹 분말에 적절한 고분자 결합제를 혼합하여 유동성과 성형성을 부여하고, 사출 성형공정을 거쳐 원하는 부품형상을 만드는 제조법이다. 고분자 결합제는 열 용매 그리고 모세관 추출법에 기초한 몇 가지 방법을 통하여 성형품의 내부로부터 제거되며, 결합제가 제거된 반제품은 소결 공정을 거쳐 완성 부품이 된다. 분말사출성형은 난가공성 재료나 주조로는 불가능한 합금 부품을 제조할 수 있으며, 우수한 정밀도를 갖는 3차원 복잡형상을 대량으로 생산이 가능한 장점이 있다.
	사출 성형공정을 거치는 분말사출성형은 어떠한 장점이 있는가?	고분자 결합제는 열 용매 그리고 모세관 추출법에 기초한 몇 가지 방법을 통하여 성형품의 내부로부터 제거되며, 결합제가 제거된 반제품은 소결 공정을 거쳐 완성 부품이 된다. 분말사출성형은 난가공성 재료나 주조로는 불가능한 합금 부품을 제조할 수 있으며, 우수한 정밀도를 갖는 3차원 복잡형상을 대량으로 생산이 가능한 장점이 있다. 분말사출성형 공정은 고분자 재료의 사출성형에 비해 제팅 또는 웰드와 같은 고점도로 인한 결함이 발생하기 쉽다.

참고문헌 (4)

T. K. Ha, H.-J. Sung, S. Ahn, and Y. W. Chang, 'Powder Injection Molding Technology,' Transactions of Materials Processing, 12[6] 521-28 (2003)

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T. G. Kang and T. H. Kwon, 'Modeling of Numerical Simulation in Powder Injection Molding Filling Process,' J. Kor. Powder Metallurgy Institute, 9[4] 245-50 (2002)

원문보기 상세보기
H. P. Kim and Y. J. Kim, 'Flow Analysis for an Effective Weld Line Control in Injection Molding,' Transaction of the Korean Society of Machine Tool Engineers, 10[2] 64-72 (2001)
S. H. Chae, J. H. Eom, Y. W. Kim, I. H. Song, H. D. Kim, J. S. Bae, S. M. Na, and S. I. Kim, 'Porosity Control of Porous Zirconia Ceramics,' J. Kor. Ceram. Soc, 45[1] 65-8 (2008)

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저자의 다른 논문 :

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].

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