[논문]국부 금형가열에 조건에 따른 사출성형품 웰드라인의 강도 고찰

박근; 손동휘; 서영수

문제 정의

Tomari 등 3은 웰드부위에서 발생되는 자 형태의 노치가 인장강도에 미치는 영향을 분석하였으며, 사출압 및 보압의 증가가 웰드라인의 강도를 증가시킴을 확인하였다. 또한 사출성형시 발생되는 웰드라인의 개선을 위해 사출성형 해석과 최적화 기법을 연계하여 웰드라인을 최소화시킬 수 있는 게이트의 위치와 개수를 선정하기 위한 연구가 수행되었다.
본 연구에서는 고주파 유도가열을 적용하였을경우 웰드라인의 형상 및 강도의 변화를 고찰하고자 한다. 이를 위해 Fig.
본 연구에서는 고주파 유도에 의한 금형 가열 효과를 고찰하기 위해 고주파 유도가열 과정의 유한요소 해석을 실시하였다. 유도가열 과정을 해석하기 위해서는 일차적으로 유도전류에 의한 전자기장(Electromagnetic field)을 계산하고, 피가열 체 내부에 발생하는 저항열을 계산한 후 이를 이용하여 열전달 해석을 수행하는 전자기-열 연계 해석을 실시해야 한다.
본 연구에서는 사출금형의 급속가열을 위한 고주파 유도가열 시스템을 구축하였다. 구성 요소를 살펴보면 고주파 가열기, 가열코일, 코일이 연결된 보조 컨트롤 박스, 냉각장치 및 데이터 처리 장치로 구성된다” 실험에 사용된 고주파 가열기는 (주)백마고주파의 BMHF-P227 모델을 사용하였으며, 출력전력은 최대 15 kW 이다.
본 연구에서는 이러한 문제점을 극복하기 위해 고주파 유도가열(High-frequency induction heating)을사용하여 금형온도를 증가시킴으로써 웰드라인을 개선하는 방안에 대해 연구하고자 한다. 고주파유도가열은 사출금형에 고주파 전류를 인가할 때 금형 표면에 전류가 집중되는 표피효과(skin effect) 를 이용하여 금형표면을 급속으로 가열하는 기법으로, 최근들어 박육 사출성형 9 및 마이크로 형상의 성형성 향상, 웰드라인 향상, " 사출성형 품의 기계적 물성 향상¹²등에 응용되고 있다.
고주파유도가열은 사출금형에 고주파 전류를 인가할 때 금형 표면에 전류가 집중되는 표피효과(skin effect) 를 이용하여 금형표면을 급속으로 가열하는 기법으로, 최근들어 박육 사출성형 9 및 마이크로 형상의 성형성 향상, 웰드라인 향상, " 사출성형 품의 기계적 물성 향상¹²등에 응용되고 있다. 본 연구에서는 인장시편 형태의 사출금형에 고주파 유도가열 기법을 적용하여 웰드라인 생성부를 국부적으로 가열하고, 가열조건에 따른 성형품의 웰드라인 형상 및 강도 특성을 고찰해보고자 한다.
이상으로 본 연구에서는 고주파 유도가열에 의한 급속 금형가열을 적용하여 사출성형품 웰드라인의 외관 및 강도를 향상시키기 위한 연구를 진행하였다. 이러한 연구결과를 요약하여 정리하면 다음과 같다.

제안 방법

제작하였다. 3.2 절에 기술된 바와 같이 가동 측만을 가열한 경우(단면가열)와 고정측과 가동측 모두를 가열한 경우(양면가열)로 구분하여 인장시험을 실시하였다. 우선 단면가열을 실시한 경우 인장강도가 539.
요약하였다. 가열방법은 금형이 열린 상태에서 가동측만을 가열한 경우(단면가열)와 코일을 삽입한 상태에서 금형의 형개량을 조절하여 고정 측과 가동 측 모두를 가열한 경우(양면가열)로 구분하여 실시하였다. 이때 금형면과 코일간의 간격은 2mm 이하로 조절하였다.
수지는 유리섬유를 30% 함유한 Polycarbonate(제일모직 EH-3300)를 사용하였으며, 사출온도는 290℃, 사출시간은 1 초로 설정하였다. 게이트는 양쪽 모두를 사용하여 중앙부에서 웰드라인이 발생하도록 하였으며, 고주파 가열실험 조건은 3 장과 동일하게 설정하였다. 또한 웰드라인의 발생으로 인한 강도저하 정도를 분석하기 위해 1 점 게이트만을 사용하여 시사출을 실시하였다.
고주파 가열에 따른 웰드라인의 감소를 정량적으로 고찰하기 위해 웰드라인 발생부위에 대한 표면 조도를 측정하였다. 표면조도 측정에는 TESA 의 RugoSurf 90G(분해능 0.
코일에서발생된 자기장이 상대적으로 투자율이 높은 금형을 투과하지 못하고 표면에 흡수됨을 알 수 있는데, 흡수된 교변자장은 결과적으로 표면부위에 와전류를 형성하여 표면의 온도 상승을 유발하게 된다. 금형 표면에 유도된 와전류에 의한 저항열 성분을 열원으로 하여 비정상상태 열전달 해석을 수행하였다. Fig.
유도가열 과정을 해석하기 위한 경계 조건으로는 코일에 221A, 160kHz 의 고주파 전류를 3 초간 인가하였다. 금형의 초기온도는 70℃로 설정하였고, 가열 후에는 자연대류 상태에서 4 초간 냉각해석을 실시하였다.
다음으로는 고주파 유도가열을 적용한 상태에서 2 점 게이트로 사출성형을 수행하여 인장 시편을 제작하였다. 3.
게이트는 양쪽 모두를 사용하여 중앙부에서 웰드라인이 발생하도록 하였으며, 고주파 가열실험 조건은 3 장과 동일하게 설정하였다. 또한 웰드라인의 발생으로 인한 강도저하 정도를 분석하기 위해 1 점 게이트만을 사용하여 시사출을 실시하였다. Fig.
이때 웰드라인의 유/무에 따른 강도 비교를 위해 게이트를 한쪽/양쪽으로 변경할 수 있도록 금형을 제작하였다. 또한 유동의 균형을 위해 반대즉에서 동일한 부피를 갖는 사각 바(bar) 형태의 시편을 추가하였다.
유도가열 과정을 해석하기 위해서는 일차적으로 유도전류에 의한 전자기장(Electromagnetic field)을 계산하고, 피가열 체 내부에 발생하는 저항열을 계산한 후 이를 이용하여 열전달 해석을 수행하는 전자기-열 연계 해석을 실시해야 한다. 본 연구에서는 상용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS™ < 사용하여 전자기장 해석과 열전달 해석을 연계하여 수행하였다.
이때 금형면과 코일간의 간격은 2mm 이하로 조절하였다. 성형품의 상측(고정측 성형부)과 하측(가동측 성형부)에 대해 웰드부의 표면 조도를 측정하였다.
가열을 실시하며, 가열이 완료된 후 코일을 제거하고 금형을 닫은 후 사출을 실시한다. 실험장치는 고주파가열기 및 보조 컨트롤 박스를 이동식 프레임에 장착하여 사출성형기에 삽입이 가능하도록 구성하였다.
앞절에서 기술된 다양한 가열조건에서 성형된 인장 시편을 사용하여 인장시험을 실시하였다. 인장시험은 Instron 8516 장비(최대하중 10ton)를 사용하여 상온에서 실시하였다.
인장시험 속도는 3mm/min 로 설정하였으며, 조건별 5 회씩 실험을 실시하였다. 우선적으로 웰드라인의 발생으로 인한 강도저하 정도를 분석하기 위해 1 점 게이트일 때(웰드라인 미발생)와 2 점 게이트일 때(시편 중앙부 웰드라인 발생)의 인장강도 결과를 비교하였다. 1 점 게이트의 경우 인장강도가 546.
이를 보다 심도있게 고찰하기 위해 인장 시편 사출성형과정의 충전과정에 대한 유동해석을 실시하였다. 해석은 Moldflow Plastic Insight5.
9 참조), 이는 3 장에서 기술된 바와 같이 일반 수지의 경우 고주파가열에 의해 웰드부의 인장강도가 대폭 증가한 사실과 상반되는 결과이다. 이에 대한 정성적인 고찰을 위해 고주파가열을 실시한 경우와 그렇지 않은 경우 웰드부에서의 조직사진을 비교해보았다. Fig.
인장시편 사출품의 웰드라인 발생부위 관찰을 위해 온수를 사용하여 3 장과 동일한 금형을 사용하여 사출을 실시하였다. 수지는 유리섬유를 30% 함유한 Polycarbonate(제일모직 EH-3300)를 사용하였으며, 사출온도는 290℃, 사출시간은 1 초로 설정하였다.
인장시편 사출품의 웰드라인 발생부위 관찰을 위해 온수를 사용하여 금형온도를 100℃로 유지한 상태에서 시사출을 실시하였다(Fig. 6 참조). 수지는 PC(제일모직 EH-1050)를 사용하였으며, 사출 온도는 280'C, 사출시간은 1 초로 설정하였다.
인장시험은 Instron 8516 장비(최대하중 10ton)를 사용하여 상온에서 실시하였다. 인장시험 속도는 3mm/min 로 설정하였으며, 조건별 5 회씩 실험을 실시하였다. 우선적으로 웰드라인의 발생으로 인한 강도저하 정도를 분석하기 위해 1 점 게이트일 때(웰드라인 미발생)와 2 점 게이트일 때(시편 중앙부 웰드라인 발생)의 인장강도 결과를 비교하였다.

대상 데이터

유도가열 시스템을 구축하였다. 구성 요소를 살펴보면 고주파 가열기, 가열코일, 코일이 연결된 보조 컨트롤 박스, 냉각장치 및 데이터 처리 장치로 구성된다” 실험에 사용된 고주파 가열기는 (주)백마고주파의 BMHF-P227 모델을 사용하였으며, 출력전력은 최대 15 kW 이다. Fig.
6 참조). 수지는 PC(제일모직 EH-1050)를 사용하였으며, 사출 온도는 280'C, 사출시간은 1 초로 설정하였다. 게이트는 양쪽 모두를 사용하여 중앙부에서 웰드라인이 발생하도록 하였다.
사출을 실시하였다. 수지는 유리섬유를 30% 함유한 Polycarbonate(제일모직 EH-3300)를 사용하였으며, 사출온도는 290℃, 사출시간은 1 초로 설정하였다. 게이트는 양쪽 모두를 사용하여 중앙부에서 웰드라인이 발생하도록 하였으며, 고주파 가열실험 조건은 3 장과 동일하게 설정하였다.
Table 1에 고주파 유도가열 해석을 위한 금형강 및 코일의 열적 및 전자기적 물성을 요약하였다. 유도가열 과정을 해석하기 위한 경계 조건으로는 코일에 221A, 160kHz 의 고주파 전류를 3 초간 인가하였다. 금형의 초기온도는 70℃로 설정하였고, 가열 후에는 자연대류 상태에서 4 초간 냉각해석을 실시하였다.
한다. 이를 위해 Fig. 5 와 같이 인장시 편(ASTM D608 규격)을 성형할 수 있는 사출금형을 제작하였다. 이때 웰드라인의 유/무에 따른 강도 비교를 위해 게이트를 한쪽/양쪽으로 변경할 수 있도록 금형을 제작하였다.
측정하였다. 표면조도 측정에는 TESA 의 RugoSurf 90G(분해능 0.001㎛)를 사용하였다. Fig.
2에 가열부의 개념도 및 주요 치수를 도시하였다. 피가열체는 금형 평판에 해당하며, 재질은 금형 강(NAK50)을 사용하였고 이를 외경 8mm 의구리 코일이 총 6 회 권선되어 둘러싸고 있다. Table 1에 고주파 유도가열 해석을 위한 금형강 및 코일의 열적 및 전자기적 물성을 요약하였다.

이론/모형

해석은 Moldflow Plastic Insight5.0을 사용하였으며, 박막요소(shell element)로 격자를 구성하여 진행하였다. Fig.

성능/효과

(1) 고주파 유도가열을 사용하여 금형 표면을 가열한 결과 3 초간의 가열시 금형표면의 온도가 최대 166.5℃까지 상승되는 반면 금형의 하단 및 측면부 온도는 80*C 이하로 나타나 금형의 성형부 표면을 집중적으로 가열할 수 있음을 확인하였다.
(2) 고주파 유도가열을 인장시편 금형의 사출성형에 적용한 결과(사용수지: 일반 Polycarbonate 수지) 기존에 2.27 였던 웰드라인의 깊이가 최대 0.27gm로 획기적으로 감소하여 결과적으로 성형품의 외관품질을 개선할 수 있었다.
(3) 2 점의 게이트를 사용하여 인위적으로 웰드라인을 발생시킨 경우 인장시험을 실시한 결과 1 점의 게이트를 사용한 경우에 비해 21.66kgf/mm²만큼의 강도저하가 발생되었으며, 양면 고주파가열을 실시한 경우 17.11kgf7mm²만큼 인장 강도가 향상되어 웰드라인에 의한 강도저하가 대부분 보완됨을 확인할 수 있었다.
(4) 유리섬유를 함유한 고분자수지에 대해 동일한 실험을 진행한 결과 고주파가열 적용시 오히려 인장강도가 소폭 감소하는 경향을 보였으며, 이는 웰드부의 국부적인 온도상승에 의해 유리섬유의 밀도가 저하되는 경향을 보여 응력집중 완화 효과와 복합적으로 작용하기 때문으로 분석된다.
4.1 절에서 기술한 바와 같이 유리섬유를 함유한 수지의 경우 웰드라인에 의한 강도저하(21.6%) 가 일반 수지의 경우(4.0%)에 비해 크게 나타났다. 이러한 차이는 일반 수지의 경우 웰드부에서의 강도 저하의 주 원인이, v, 자 형태의 노치에서 발생되는 응력집중인 반면, 유리섬유 함유 수지의 경우 응력집중과 섬유배향 효과가 복합적으로 작용하기 때문인 것으로 분석된다.
3(c)에 그래프로 도시하였다. 그래프를 보면 코일과 인접한 P2(x = 10mm) 및 P3(x = 20mm) 지점에서는 가열시간동안 온도가 급격하게 상승하고 이후 빠른 속도로 감소함을 확인할 수 있었다. 한편 중앙부(0)의 경우 가열시간 동안의 온도상승폭이 상대적으로 적었으나, 가열직후 냉각 역시 더디게 진행됨을 알 수 있다.
3(b)에 3 초 경과시, 즉 가열 직후의 금형의 온도분포를 도시하였다. 온도분포를 살펴보면 금형 상측 표면에서 최대 166.5℃까지 상승되는 것으로 나타나는 반면 금형의 하단 및 측면부 온도는 80℃ 이하로 나타나 금형 코어의 성형부 표면을 집중적으로 가열하고자 하는 의도에 부합함을 확인할 수 있었다. Fig.
2 절에 기술된 바와 같이 가동 측만을 가열한 경우(단면가열)와 고정측과 가동측 모두를 가열한 경우(양면가열)로 구분하여 인장시험을 실시하였다. 우선 단면가열을 실시한 경우 인장강도가 539.34kgmm²로 측정되어 고주파가열을 실시하지 않은 경우에 비해 14.15kg#mm² 만큼의 강도 향상을 확인할 수 있었다. 한편 양면 가열의 경우 542.
96 kgemn?)으로 강도가 증가되 었음을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 고주파 유도를 사용한 국부 금형가열이 웰드라인의 외관 향상은 물론 웰드부의 응력집중을 완화시켜 성형품의 강도를 향상시킴을 확인할 수 있었다.
측정결과를 보면 고주파가열을 실시하지 않은 경우 상측과 하측 모두 웰드라인의 깊이는 Igm, 폭은 lern 이상임을 알 수 있다. 단면가열의 경우 금형 가열이 실시된 하측의 경우 깊이가 0.

후속연구

향후에는 상기 연구결과를 토대로 플라스틱 사출성형품의 외관품질 개선 및 강도 향상에 활용할 수 있을 것으로 전망된다.

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