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Pick-the-Winner법과 공간축소법에 기반한 플라스틱 사출성형품의 휨 최소화

Minimization of Warpage in Plastic Injection-Molded Parts Based on the ‘Pick-the-Winner' Rule and Design Space Reduction Method

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.11 no.4, 2010년, pp.1171 - 1177  

박종천 (금오공과대학교 기계공학부) ,  김경모 (금오공과대학교 산업시스템공학부) ,  김광호 (금오공과대학교 기계공학부)

초록
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본 논문은 직교배열실험에 기반한 'Pick-the-Winner'법과 설계공간축소법에 기초하여 사출성형 제품의 휨을 잡음(noise)의 존재 하에서도 최소화할 수 있는 강건설계 절차를 제시한다. 강건설계는 현실적 요구를 반영하여 두 단계의 이원적 최적화 과정, 즉 제품 형상에 대한 강건설계와 공정조건에 대한 강건설계로 이루어진다. 제안한 강건설계 절차를 사각형 박막 제품의 설계에 적용한 결과, 본 강건설계법이 현실적 효용성이 있음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents a robust design procedure for minimizing warpage in plastic injection-molded products, where the Pick-the-Winner rule based on Taguchi's Orthogonal Array experiments and the Design Space Reduction Method are integrated for optimization. Two-step optimization approach is applied t...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 개발된 최적 설계방법의 효용성을 보이기 위해 벽 두께가 얇은 박스 형태의 제품에 대해 휨을 최소화하는 문제에 적용해 보았다. 최적설계 결과 단계별로 설계조건의 강건성이 개선되는 것을 알 수 있었고 휨에 대한 강건성이 충분한 설계조건을 얻을 수 있음을 확인하였다.
  • 본 연구에서는 두 단계의 최적화 과정을 통해 설계목표를 이루고자 하였다. 첫 번째 단계에서는 제품의 벽면 두께와 리브형상 최적화를 통해 제품의 강성을 확보하면서 동시에 휨을 일차적으로 줄이고, 두 번째 단계에서는 최적화된 제품형상에 대해 공정조건을 최적화함으로써 휨을 추가적으로 줄여 최소화한다.
  • S/N비는 품질특성치의 산포를 평가하기 위한 강건성의 척도이다. 본 연구에서는 설계조건의 강건성 평가와 이에 기초한 최적해 탐색을 위해서 직교배열을 이용하여 설계변수와 잡음변수를 각각 배치하는 내측배열과 외측배열을 직교시키는 형태의 실험계획을 수립하였다. 여기에서 내측 배열의 각 행(row)은 설계변수들의 서로 다른 수준조합을 갖는 설계대안(design alternative)에 해당한다.
  • 본 연구에서는 직교배열 실험에 기반한 'Pick-theWinner'법과 설계공간축소법에 따라 사출성형품의 휨을 강건하게 최소화하는 절차를 제시하고 최적설계 모델에 적용하여 그 효용성을 보였다.
  • 본 연구의 목적은 공정조건의 변동에도 불구하고 사출성형품에 발생하는 휨을 안정적으로 최소화하는 강건설계(robust design) 방법을 제안하고 최적화 모델에 적용하여 그 실용성을 확인하는데 있다. 강건설계는 제어가 곤란한 공정변동의 원인, 즉 잡음(noise)의 존재에도 불구하고 품질특성의 변동을 작게 하기 위한 설계이다.
  • 5(㎜) 이다. 설계목표는 모델의 벽면에 리브(rib)를 설계하여 제품의 강도를 유지하면서 네 벽면에 발생할 수 있는 휨을 최소화하는 것이다. 일반적으로 리브의 위치와 높이 및 두께에 따라 제품의 강도가 변할 뿐만 아니라 제품에 대한 수지의 유동 및 냉각 특성이 변하게 되고 이것은 불균일한 수축에 따른 잔류응력에 의한 휨 발생의 원인으로 작용한다[8].
  • 일반적으로 리브의 위치와 높이 및 두께에 따라 제품의 강도가 변할 뿐만 아니라 제품에 대한 수지의 유동 및 냉각 특성이 변하게 되고 이것은 불균일한 수축에 따른 잔류응력에 의한 휨 발생의 원인으로 작용한다[8]. 여기에서 리브에 대한 최적설계를 수행함에 있어서 제품 강도보다 휨의 안정적 최소화를 최우선 설계목표로 하였다. 따라서 설계자가 제품 강도를 만족시킬 수 있는 리브변수들의 설계범위를 설정하고, 이 범위 내에서 휨이 최소화되는 최적의 리브를 설계함으로써 벽면의 휨 최소화와 제품 강도를 근사적으로 모두 만족하도록 하였다.

가설 설정

  • 각 설계변수의 1수준값과 2수준값은 설계범위의 하한과 상한에 각각 해당된다. 여기서 리브변수들의 설계 범위 내에서 결정되는 리브의 최종 형상은 제품 강도를 만족시킨다고 가정한다. 또한 잡음변수로 사출온도 (Tmelt), 금형온도(Tmold), 사출시간(tfill)을 선택하였다.
  • 최적화된 제품형상에 대해 공정조건을 최적화하기위해 충전과정과 보압과정에 관련된 주요 공정조건들을 설계변수로 선정하였다. 여기에서 불균일한 냉각분포에 의한 휨 발생은 고려하지 않았으며 따라서 냉각은 제품 전체에서 균일하게 이루어진다고 가정하였다. 표 5는 선정된 설계변수, 즉 보압시간(tpack), 보압 프로파일(%) (ppack), 후충전시간(tpost - fill), 사출시간(tfill), 금형온도(Tmold), 사출온도(Tmelt)와 2 수준값이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
플라스틱 제품에서 발생하는 휨이란 무엇인가? 플라스틱 제품에 발생하는 휨(warpage)은 성형품이 설계형상을 벗어나 변형되어 나타나는 불량 현상이다[8]. 성형품 내의 불균일한 잔류응력이 휨의 주요 원인이 되는데, 치수 정밀도와 외관이 중시되는 제품에서는 휨을 최소화하는 것이 중요하다.
사출성형 공정에서 품질편차가 불가피한 이유는? 한편 사출성형 공정은 제품의 품질편차가 불가피하게 발생하는 단점이 있다. 이것은 사출기에 내재된 한계 요인들로 인해 초기 공정 조건값들이 연속된 성형작업 과정에서 변동이 일어나기 때문이다. 따라서 휨에 대한 품질산포가 작은 고품질의 성형품들을 얻기 위해서는 사출기의 품질변동 요인에도 불구하고 휨을 강건하게 최소화할 수 있는 설계가 요구된다.
강건설계를 통해 구한 설계조건의 장점은? 강건설계는 제어가 곤란한 공정변동의 원인, 즉 잡음(noise)의 존재에도 불구하고 품질특성의 변동을 작게 하기 위한 설계이다. 강건설계를 통해 구한 설계조건은 하류 재현성이 좋아서 설계 과정에서 구한 최적조건이 실제 제조나 사용 환경에서도 최적조건이 된다.
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참고문헌 (15)

  1. Dillman, S.H., Howe, D. and Robar, H.,"Optimization of the Injection Molding Process", SPE ANTEC Tech. Papers, 1, pp.754-757, 1996. 

  2. I. Pandelidis, and Q. Zou, "Optimization of Injection MoldingDesign, PartII: Molding Condition Optimization", Polymer Engineering and Science, Vol.30, No.15, pp.883-892, 1990. 

  3. Lee, B.H. and Kim, B.H., "Optimization of Part Wall Thickness to Reduce Part Warpage Based on the Modified Complex Method", Polym.-Plast. Tech. Eng., Vol.34, No.5, pp.793-811, 1995. 

  4. Kevin, A. and Kamal, M.R., "A robust optimization of injection molding runner balancing", Computers and Chemical Engineering, Vol.29, pp.1934-1944, 2005. 

  5. Chen, M., Yao, D., and Kim, B.H., "Optimization of process conditions in gas-assisted injection molding," Polym.-Plast. Tech. Eng., Vol.40, No.4, pp.479-489, 2001. 

  6. 오정열, 허용정, "CAE와 실험계획법을 연계한 사출성형 시스템 최적화에 관한 연구", 한국산학기술학회논문지, Vol.7, No.3, pp.271-277, 2006. 

  7. 정재엽, 김동학, "플라스틱 DVD-Tray의 박막 사출성형을 위한 최적화 설계 Simulation에 관한 연구", 한국산학기술학회논문지, Vol.9, No.6, pp.1726 -1732, 2008. 

  8. 권태헌 외, 사출성형 CAE 설계지침, 문운당, pp.125-151, 2001. 

  9. Phadke, M.S., Quality Engineering using Robust Design, AT&T Bell Laboratories, pp.1-182, 1992. 

  10. Schmidt, S.R. and Launsby, R.G., Understanding Industrial Designed Experiments, Air Academy Press, pp.6-1-6-28, 1997. 

  11. Kota, S. and Chiou, S.J., "Use of orthogonal arrays in mechanical synthesis", Mechanism and Machine Theory, Vol.28, No.6, pp.777-794, 1993. 

  12. 박종천, 김경모, 이종찬, 구본흥, "리브 형상과 공정 조건의 최적설계에 의한 사출제품 휨의 안정적 최소화에 관한 연구", 한국기계가공학회지, 제8권, 제3호, pp.90-97, 2009. 

  13. Steinbichler, G., "Trends in Process Optimization", Kunststoffe German Plastics, Vol.82, No.10, pp.13-17, 1992. 

  14. VMTech, Computer Aided Plastics Application -CAPA Tutorial, 2004. 

  15. Fowlkes, W.Y. and Creveling, C.M., Engineering Methods for Robust Product Design, Addison-Wesley, New York, pp.230-231, 1995. 

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