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문제 정의
- IML 사출 제품의 열 충격 실험 후 변형 및 필름박리현상의 가능성을 예측하기 위하여 IML 사출공정을 마친 사출 제품 내에 내포하는 잔류응력의 영향에 관한 해석을 선행하였다. 잔류응력이 열 변형 시 미치는 영향을 파악하기 위하여 IML 사출성형 해석을 통해 사출성형 후 잔류응력분포를 얻었으며, 연구의 신뢰성을 높이기 위하여 실제 IML 사출공정에 사용하는 필름과 수지의 정보를 이용하였고, 이를 Table.
- 본 논문은 IML 사출성형을 통하여 실제적으로 생산되는 A 사의 제품을 이용하여 IML 사출성형 전반의 공정에서 제품에 발생하는 필름박리 현상 및 변형현상을 연구하고, 예측하여 제품의 생산효율성과 경제성을 높이려 하였다. 또한 공정 이후 열에 의한 일상적인 사용을 재현하기 위한 열 충격 실험을 고려하였다.
- 2 에서 확인 할 수 있다. 본 연구에서는 Fig. 3 에서 볼 수 있듯이 수치해석에 의해 예측되는 변형량과 실험에 의해 측정한 변형량을 비교함으로써 본 연구에서 개발한 수치해석방법의 신뢰성을 검증하고자 하였다.
제안 방법
- 또한 적분변수 t 와 변수 τ 는 시간의 변화와 전단응력을 나타내고 있다. ABAQUS 를 이용한 변형 해석의 경우 사출성형품의 열에 따른 후 변형 예측을 위하여, 열에 의한 잔류응력을 고려하였다. τ 의 경우 함수의 형태로 수식화 하면 다음과 같은 식을 구할 수 있다.
- ABAQUS 를 이용한 열 충격 해석의 경우 IML 사출성형 공정이 끝난 후 사출 제품을 Fig. 5 의 열 충격 실험조건과 같이 상온상태로 이형 하는 과정과 고온, 저온의 급격한 온도변화, 그리고 다시 상온상태로 돌아오는 과정으로 변화시켰고, 그에 따른 최종 제품 형상의 변형 및 응력분포를 구하였다. 각 단계의 시간은 실제 열 충격 실험을 실시할 때와 동일한 시간으로, 단계 별로 1800 초 씩 설정하였으며, 각 단계에서의 온도 변화에 따른 다양한 변형 현상을 Fig.
- 4 와 같이 IML 사출성형 공정해석을 실시한 후 잔류응력의 유무에 따라 Case1 과 Case2 의 서로 다른 두 가지의 해석을 진행하였다. Case1 의 경우 열 충격 해석 시 IML 사출성형 해석과정에서 발생하는 잔류응력을 초기응력분포로 하였고, Case2 는 잔류응력을 고려하지 않고 열 충격 해석을 실시하였다.
- 두 가지의 해석결과 중 보다 정확한 해석결과를 바탕으로 최종형상에 발생할 수 있는 변형현상 및 필름박리 현상을 예측하였다. IML 사출공정 해석 및 열 충격 실험해석에는 A 사에서 현재 생산하고 있는 핸드폰 형상과 공정조건을 적용하였으며, Fig. 1 에서 보이는 바와 같이 수지와 필름의 격자를 3 차원 4 면체 요소로 구성하여 해석을 진행 하였다.
- 최종 사출 제품에 영향을 미치는 여러 가지 원인들 중 잔류응력 및 변형에 관한 이전 연구들을 보면 Jacques(6)는 사출성형 공정 시 평판의 불규칙한 냉각과정에 따른 평판의 변형을 연구하였고, Choi(7) 등은 사출공정 시 사출온도와 재료의 사출속도에 따른 잔류응력 및 수축현상을 연구하였으며, Jansen(8) 등은 사출과정 중 압력에 따른 잔류응력 분포 및 변형을, Chiang(9) 등은 보압에 의한 잔류응력의 발생 등을 예측한 연구 내용들을 발표하였다. Patcharaphum(10) 등의 경우 사출성형 해석 프로그램인 Moldflow 을 이용하여 sandwich 사출성형 공정과정을 해석하고, 해석결과를 실험과 비교 하였으며, Kim(11,12)과 Park(13) 등의 경우 Moldflow 와 ABAQUS 를 연동 해석하여 이형 후 변형량을 예측하였다. 이 밖에도 사출공정 시 결정하게 되는 사출시간, 냉각온도 등과 같은 다양한 공정 조건들 역시 최종제품에 영향을 미친다는 연구들이 발표되고 있다.
- 특히 IML 사출성형 공정 중에 발생하는 잔류응력이 열 충격 실험에 미치는 영향을 파악하기 위하여 특정 핸드폰 형상에 대하여 잔류응력을 포함한 경우와 포함하지 않는 두 가지 경우에 대하여 열 변형 해석을 실시하여, 잔류응력이 열 충격 실험 이후 최종상태에서 필름박리 현상에 미치는 영향을 확인하였다. 두 가지의 해석결과 중 보다 정확한 해석결과를 바탕으로 최종형상에 발생할 수 있는 변형현상 및 필름박리 현상을 예측하였다. IML 사출공정 해석 및 열 충격 실험해석에는 A 사에서 현재 생산하고 있는 핸드폰 형상과 공정조건을 적용하였으며, Fig.
- 본 논문은 IML 사출성형을 통하여 실제적으로 생산되는 A 사의 제품을 이용하여 IML 사출성형 전반의 공정에서 제품에 발생하는 필름박리 현상 및 변형현상을 연구하고, 예측하여 제품의 생산효율성과 경제성을 높이려 하였다. 또한 공정 이후 열에 의한 일상적인 사용을 재현하기 위한 열 충격 실험을 고려하였다. 이를 위해 IML 사출성형공정과 열 충격 실험을 연동 해석하는 방법을 개발하였고, 연구의 신뢰성을 높이기 위하여 실제 실험과 비교, 분석하였다.
- 무작위로 선택된 4 가지 실제모델에 대하여 실험을 통해 측정한 변형량을 전술한 바와 같이 해석에 의해 예측된 변형량과 비교해 보았다. Fig.
- 10 은 본 연구에서 적용된 모델의 변형량 측정과정을 보여주고 있다. 변형량 측정의 경우 형상의 양끝 부분인 N1 과 N9 를 초기 CAD 데이터와 일치 시킨 후, 나머지 부분의 변형량을 측정하였으며, N10-N15, N16-N21 또한 동일한 방법을 통하여 변형량을 정리하였다.
- 본 연구에서는 IML 사출공정 및 열 충격 실험을 통하여 얻은 실험 값과 연동해석을 통한 수치해석결과를 비교하였다. CAE 해석은 실제공정과 동일한 조건으로 실시하였으며, 실험 값과 비슷한 경향 및 값을 가지는 것을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 IML 사출성형 과정 중 수지가 충진되는 과정을 해석한 결과를 보여주고 있는 Fig. 4 와 같이 IML 사출성형 공정해석을 실시한 후 잔류응력의 유무에 따라 Case1 과 Case2 의 서로 다른 두 가지의 해석을 진행하였다. Case1 의 경우 열 충격 해석 시 IML 사출성형 해석과정에서 발생하는 잔류응력을 초기응력분포로 하였고, Case2 는 잔류응력을 고려하지 않고 열 충격 해석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 앞서 언급한 바와 같이 Moldflow 내에서 IML 사출성형 공정과정을 해석한 후, 그 해석결과를 초기 값으로 입력 받아 ABAQUS 내에서 상온상태 및 고온, 저온에서 열 변형 해석을 실시하였다. 특히 IML 사출성형 공정 중에 발생하는 잔류응력이 열 충격 실험에 미치는 영향을 파악하기 위하여 특정 핸드폰 형상에 대하여 잔류응력을 포함한 경우와 포함하지 않는 두 가지 경우에 대하여 열 변형 해석을 실시하여, 잔류응력이 열 충격 실험 이후 최종상태에서 필름박리 현상에 미치는 영향을 확인하였다.
- 본 연구의 실험은 핸드폰 모델에 실제 IML 사출성형 공정을 실시하였으며 실험의 신뢰성을 높이기 위하여 IML 사출성형 공정을 마친 제품에서 임의로 다수의 샘플을 추출하여 열 충격 실험을 실시하였다. 실험 결과값은 IML 사출성형 공정을 마친 변형 형상과 열 충격 실험에 의한 제품의 변형 형상을 3D 스캐너를 이용하여 측정한 후 초기 형상의 좌표값과 비교하여 IML 사출성형 공정 이후의 변형량과 열 충격 실험 이후의 변형량을 정량화 하였으며, 실험에서 측정한 지점을 Fig.
- 플라스틱 수지의 IML 과정에서 고분자 사출해석은 Moldflow 를 이용하여 해석하였으며, 수정된 Cross 점성 모델과 WLF 법칙의 함수 형태를 이용하였다. 사출 후 열에 의한 변형해석을 수행하기 위하여 Moldflow 의 계산결과에서 형상정보 및 잔류응력 분포, 재료의 정보를 출력 받아 ABAQUS Implicit / Explicit 의 수치계산에 초기 입력 값으로 사용하였으며, Moldflow 에서의 금형 온도를 제품의 초기 온도로 설정하여 해석을 진행하였다.
- 또한 공정 이후 열에 의한 일상적인 사용을 재현하기 위한 열 충격 실험을 고려하였다. 이를 위해 IML 사출성형공정과 열 충격 실험을 연동 해석하는 방법을 개발하였고, 연구의 신뢰성을 높이기 위하여 실제 실험과 비교, 분석하였다.
- IML 사출 제품의 열 충격 실험 후 변형 및 필름박리현상의 가능성을 예측하기 위하여 IML 사출공정을 마친 사출 제품 내에 내포하는 잔류응력의 영향에 관한 해석을 선행하였다. 잔류응력이 열 변형 시 미치는 영향을 파악하기 위하여 IML 사출성형 해석을 통해 사출성형 후 잔류응력분포를 얻었으며, 연구의 신뢰성을 높이기 위하여 실제 IML 사출공정에 사용하는 필름과 수지의 정보를 이용하였고, 이를 Table. 1 과 Table.
- 본 연구에서는 앞서 언급한 바와 같이 Moldflow 내에서 IML 사출성형 공정과정을 해석한 후, 그 해석결과를 초기 값으로 입력 받아 ABAQUS 내에서 상온상태 및 고온, 저온에서 열 변형 해석을 실시하였다. 특히 IML 사출성형 공정 중에 발생하는 잔류응력이 열 충격 실험에 미치는 영향을 파악하기 위하여 특정 핸드폰 형상에 대하여 잔류응력을 포함한 경우와 포함하지 않는 두 가지 경우에 대하여 열 변형 해석을 실시하여, 잔류응력이 열 충격 실험 이후 최종상태에서 필름박리 현상에 미치는 영향을 확인하였다. 두 가지의 해석결과 중 보다 정확한 해석결과를 바탕으로 최종형상에 발생할 수 있는 변형현상 및 필름박리 현상을 예측하였다.
이론/모형
- 고분자 유동은 일반적으로 변형과 응력의 관계가 비선형을 취하고 전단속도와 온도, 압력에 따라 점성이 변하는 비뉴턴성 유체로 알려져 있다. 본 연구에서 비뉴턴성 유체의 점성계수에 관한 유동을 수치적으로 계산하기 위하여 수정된 Cross 점성 모델을 사용 하였으며 다음과 같이 표현된다.
- 즉 온도의 변화에 따른 점도의 변화를 충분히 반영하고 있다고 할 수 있다. 플라스틱 수지의 IML 과정에서 고분자 사출해석은 Moldflow 를 이용하여 해석하였으며, 수정된 Cross 점성 모델과 WLF 법칙의 함수 형태를 이용하였다. 사출 후 열에 의한 변형해석을 수행하기 위하여 Moldflow 의 계산결과에서 형상정보 및 잔류응력 분포, 재료의 정보를 출력 받아 ABAQUS Implicit / Explicit 의 수치계산에 초기 입력 값으로 사용하였으며, Moldflow 에서의 금형 온도를 제품의 초기 온도로 설정하여 해석을 진행하였다.
성능/효과
- (1) IML 사출공정 중 발생하는 잔류응력은 사출제품의 변형 및 필름박리 현상 등에 중요한 영향을 미치며, IML 사출공정 이후 열 변형에도 중요한 영향을 미치는 것을 확인 하였다.
- (2) IML 사출공정 해석 및 열 충격 해석 이후 필름 의 안쪽 면(Face1)과 수지의 바깥 면(Face2)의 응력 분포차이를 통하여 필름박리 현상을 일정부분 예측할 수 있는 것을 알 수 있었다.
- (3) 본 연구에서 개발한 연동해석을 이용하여 IML 사출 성형 공정 및 열 충격 실험 이후 변형량 과 변형 경향을 비교적 잘 예측할 수 있음을 확인 하였다.
- 본 연구에서는 IML 사출공정 및 열 충격 실험을 통하여 얻은 실험 값과 연동해석을 통한 수치해석결과를 비교하였다. CAE 해석은 실제공정과 동일한 조건으로 실시하였으며, 실험 값과 비슷한 경향 및 값을 가지는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 IML 사출 제품 생산에 있어 사출제품 공정 전 사출공정 해석뿐만 아니라, 이후 의 열 변형 해석 또한 중요하게 고려 되어져야 하는 것을 확인할 수 있었다.
- 이러한 결과를 바탕으로 IML 사출 제품 생산에 있어 사출제품 공정 전 사출공정 해석뿐만 아니라, 이후 의 열 변형 해석 또한 중요하게 고려 되어져야 하는 것을 확인할 수 있었다. IML 사출성형 공정의 경우 서로 다른 이형물질인 필름과 고분자 수지를 사용한다는 점에서 사출 이후에 두 물질 사이에 서로 다른 응력분포를 형성하는 것을 확인하였고, 그에 따른 변형량 또한 부분적으로 다르게 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 잔류응력의 경우 사출 이후의 변형량뿐만 아니라 일상생활 속에서 발생하는 온도변화에 의한 변형에도 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
- 이러한 응력분포 차이는 두 물질 간 변 형량 차이를 초래할 수 있으며, 최종 형상에서 필름박리 현상이 발생할 가능성이 다른 부분에 비해 높을 것으로 예상할 수 있다. 그 결과 형상이 끝나는 곡면의 끝부분과 윈도우 및 카메라 렌즈가 설치되는 부분에서 발생 가능성이 높을 것으로 예측된다. 반면 잔류 응력을 포함 하지 않은 열 충격 해석의 경우 필름과 수지 사이의 응력차이가 최대 22Mpa 로 비교적 적으며, 응력차이 또한 전체적으로 19Mpa 의 일정한 값을 가지는 것을 알 수 있었다.
- 그림에서 볼 수 있듯이 본 연구에서 수행한 연동해석 결과의 경우 변형량뿐만 아니라 변형 경향 예측도 실제 실험 결과와 비교적 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
- 11 은 측정라인으로부터의 최대 변형량과 최소 변형량을 다수의 실험을 통하여 구한 결과를 수치해석결과와 비교한 것이다. 그림에서 볼 수 있듯이 수치해석결과가 실험을 통해 측정한 변형량의 범위 안에 포함되는 것을 확인할 수 있었으며, 이로부터 본 연구에서 사용한 연동해석 방법이 실제 변형량을 잘 예측할 수 있음을 확인할 수 있었다. Fig.
- IML 사출성형 공정의 경우 서로 다른 이형물질인 필름과 고분자 수지를 사용한다는 점에서 사출 이후에 두 물질 사이에 서로 다른 응력분포를 형성하는 것을 확인하였고, 그에 따른 변형량 또한 부분적으로 다르게 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 잔류응력의 경우 사출 이후의 변형량뿐만 아니라 일상생활 속에서 발생하는 온도변화에 의한 변형에도 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 연구 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 그 결과 형상이 끝나는 곡면의 끝부분과 윈도우 및 카메라 렌즈가 설치되는 부분에서 발생 가능성이 높을 것으로 예측된다. 반면 잔류 응력을 포함 하지 않은 열 충격 해석의 경우 필름과 수지 사이의 응력차이가 최대 22Mpa 로 비교적 적으며, 응력차이 또한 전체적으로 19Mpa 의 일정한 값을 가지는 것을 알 수 있었다. 이로부터 IML 사출공정 중에 발생하는 잔류응력을 열 충격 해석 시 고려해야 한다는 것을 확인할 수 있었다.
- 6 에서 자세하게 확인할 수 있다. 본 연구를 통해 개발한 연동해석 방법을 이용하여 IML 사출공정 이후 금형 온도에서의 제품내부 잔류응력 분포, 즉 ABAQUS 를 이용한 변형해석에 사용되는 초기 응력 분포를 Fig. 7 에서 보여주고 있으며, 잔류응력의 유무에 따른 최종 열 충격 해석 이후의 응력분포를 Fig. 8 과 Fig. 9 에서 확인 할 수 있다.
- CAE 해석은 실제공정과 동일한 조건으로 실시하였으며, 실험 값과 비슷한 경향 및 값을 가지는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 IML 사출 제품 생산에 있어 사출제품 공정 전 사출공정 해석뿐만 아니라, 이후 의 열 변형 해석 또한 중요하게 고려 되어져야 하는 것을 확인할 수 있었다. IML 사출성형 공정의 경우 서로 다른 이형물질인 필름과 고분자 수지를 사용한다는 점에서 사출 이후에 두 물질 사이에 서로 다른 응력분포를 형성하는 것을 확인하였고, 그에 따른 변형량 또한 부분적으로 다르게 발생하는 것을 관찰할 수 있었다.
- 반면 잔류 응력을 포함 하지 않은 열 충격 해석의 경우 필름과 수지 사이의 응력차이가 최대 22Mpa 로 비교적 적으며, 응력차이 또한 전체적으로 19Mpa 의 일정한 값을 가지는 것을 알 수 있었다. 이로부터 IML 사출공정 중에 발생하는 잔류응력을 열 충격 해석 시 고려해야 한다는 것을 확인할 수 있었다.
- 12 의 IML 사출공정 이후 상온상태에서의 변형 형상을 보면 형상의 끝부분인 N1 지점에서 윈도우가 삽입되는 부분까지 변형량이 일정 부분 증가하다 N5 지점 이후 감소하는 것을 확인할 수 있는데, 열 충격 실험 이후 부분적인 변형량의 차이는 있으나, 전체적 인 변형 경향은 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 특히 IML 사출성형 공정 이후 다 곡면의 형상에서 비교적 편평한 형상으로 변하는 N3-N5 의 경우 다른지점에 비해 비교적 적은 변형량의 차이를 보이고 있으나, 열 충격 실험 이후 그 값은 다른 지점에 비해 큰 증가를 보이고 있는 것을 확인할 수 있었다.
- 9 는 잔류응력을 포함하지 않은 경우의 응력분포를 나타내고 있다. 해석결과를 비교해보면 잔류응력을 포함한 열 변형 해석 결과의 경우 잔류응력을 포함하지 않은 경우에 비해 측정지점에서 0.8Mpa 부터 26Mpa 까지의 다양한 응력분포의 차이를 보이며, 필름의 안쪽 면인 Face1 과 수지의 바깥 면인 Face2 사이에 응력차이가 부분적으로 크게 발생하는 것을 알 수 있었다. 이러한 응력분포 차이는 두 물질 간 변 형량 차이를 초래할 수 있으며, 최종 형상에서 필름박리 현상이 발생할 가능성이 다른 부분에 비해 높을 것으로 예상할 수 있다.
후속연구
- 10 의 그래프를 보면 윈도우와 카메라 렌즈가 삽입되는 N1-N9 부분의 경우 다 곡면의 복잡한 형상을 가지고 있으며, 좌우 부분인 N10-N21 에 비해 많은 변형이 발생하는 것을 알 수 있다. 또한 열 충격 실험 후 N10-N21 에 비해 추가적으로 많은 변형이 발생하는 것을 확인할 수 있는데, 이러한 내용을 바탕으로 사출 제품 내에서 변형 경향을 가장 잘 확인할 수 있는 N1-N9 부분의 변형량을 좀 더 자세하게 확인할 필요가 있으며, N1-N9 의 각 부분에 따른 변형량을 Fig. 12 에 보였다.
- 이러한 연구결과를 바탕으로 IML 사출성형 공정 시 본 연구에서 사용한 연동해석 방법을 통해 초기 제품 설계의 참고사항으로 활용 가능할 것이라 기대한다.
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