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문제 정의
- 본 연구에서는 사출성형 조건이 제품의 후변형 특성에 미치는 영향을 보다 체계적으로 분석하기 위해 실험계획법과 CAE 해석을 연계하여 진행하였다. 실험계획법 적용을 위해 사출온도, 금형온도, 보압시간 및 냉각시간의 4 가지 성형조건을 인자 (A~D)로 선정하였다.
- 플라스틱 나사는 경량성, 내식성, 전기절연성 등이 우수하여 디스플레이 장치, 이동통신기기, 차세대 정보저장장치 등에 수요가 점차적으로 증가되고 있다. 본 연구에서는 사출성형(Injection molding)을 이용한 정밀 플라스틱 나사 개발에 관한 연구를 진행하고자 한다. 사출성형은 고분자재료를 용융시켜 액상에서 고압, 고속으로 금형 캐비티를 충전시켜 성형하는 기술로서 고분자재료의 응고과정에서 수축에 의한 부피변화가 발생한다.
- 이상으로 본 연구에서는 정밀 플라스틱 나사의 개발과정에서 형상정밀도를 향상시키기 위한 연구를 수행하였다. 세부적인 연구내용을 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- (1) 사출성형 공정의 수치해석을 통해 성형과정에서의 유동특성 및 온도변화 특성을 고려하여 성형조건 범위를 설정하였다.
- 실험계획법 적용을 위해 사출온도, 금형온도, 보압시간 및 냉각시간의 4 가지 성형조건을 인자 (A~D)로 선정하였다. 1 차 실험계획은 4 가지 인자에 대해 2 수준으로 실험계획을 수립하였으며(Table 3 참조), 부분요인 실험계획을 적용하여 8회의 실험(분석도 IV)을 수행하였다.
- 2 가지 인자에 대해 중간값(사출온도 280°C, 보압시간 1.0 초)을 추가하여3 수준 완전요인 실험계획을 적용하여 9 회의 실험 (분석도 V)을 수행하였다.
- 냉각시간(D)의 경우 냉각시간이 짧을수록 변형량이 감소하는 경향을 보이며, 동시에 생산성 측면에서도 유리한 점을 감안하여 최소조건인 5초로 설정하였다. 2 차 실험계획에서는 상기 2 개의 인자를 제거하고 사출온도(A)와 보압시간(C)만을 설계인자로 선정하였다. 2 가지 인자에 대해 중간값(사출온도 280°C, 보압시간 1.
- 게이트 형태에 따른 사출성형시 유동특성을 고찰하기 위해 Fig. 6 에 원형 게이트(Type 1)와 쐐기형 게이트(Type 2)의 경우에 대해 시간에 따른 노즐 끝단에서의 최대사출압 변화 그래프를 비교하였다. 원형 게이트의 경우 최대사출압이 15.
- 나사 사출성형 실험을 위해 3.1절에서 언급한 사출성형 해석결과를 토대로 금형을 설계하여 제작 하였다. 사출성형기는 25ton 사출기를 사용하였으며, 온수조절기를 사용하여 금형온도를 조절해주었다.
- 플라스틱 나사는 측면부에 나사산이 가공되어 있고, 머리부에 십자 홈이 형성되어 있는 관계로 사출성형시 게이트가 바닥면에 위치하도록 금형을 설계해주어야 한다. 따라서 바닥면에 핀포인트 게이트가 삽입되고 머리부에 이젝터핀이 위치하는 구조로 설계하였다. 이때 바닥면에 게이트 제거 후 흔적이 남으면 제품으로 사용시 문제가 발생할 여지가 있기 때문에 바닥면에 도피부를 추가하여 제품 설계를 수정하였고, 도피부 중앙에 핀포인트 게이트가 위치하도록 하였다(Fig.
- 금형은 3 단 금형 구조를 채택하였고, 가로 200mm, 세로 180mm, 높이 175mm 인 몰드베이스를 선정하였다. 또한 나사부 치형에 대해 슬라이드 코어 형태로 금형을 제작하여 언더컷 처리를 용이하게 할 수 있도록 금형을 설계하였다.
- 512초로 예측되었다. 보압은 2단계로 부여하였으며, 1차 0.5초간 50MP, 2차 0.5초간 45MPa 의 압력을 부여하였다. 최종적으로 성형되는 부분은 나사 머리부의 외측면으로 확인되었으며, 전체적으로 미성형은 발생되지 않고 나사의 미세 치형이 모두 성형되는 것으로 확인되었다.
- 본 연구에서는 사출성형 조건이 성형품의 형상 정밀도에 미치는 영향을 분석하여 최적의 조건을 찾기 위해 사출성형의 유동해석과 후변형해석을 연계하여 적용하였다. 이때 소형 정밀 나사의 입체적인 형상특성을 효과적으로 고려하기 위해 3차원 입체요소(Solid element)에 기반한 해석(7)을 진행하였다.
- 본 절에서는 사출성형 조건에 따른 나사의 변형량 예측을 위해 사출성형 해석과 연계한 후변형 해석을 실시하였다. 앞절의 해석결과를 토대로 게이트는 쐐기형 게이트로 최종 선정하였다.
- 2절에서 선정한 최적 조건을 사용하였고, 성형품의 형상정밀도 분석을 위해 나사부의 외경을 측정하였다. 사출성형으로 제작되는 플라스틱 나사의 경우 나사부 위치에 따른 외경의 차이가 발생하여 Fig. 10과 같이 상부(Top)/중부(Middle)/하부(Bottom)로 구분하여 외경을 측정하였다. 외경은 버어니어캘리퍼스를 사용하여 5개의 샘플에 대해 3회씩 반복측정하여 평균값을 산출하였으며, Fig.
- 상기 2가지 형태의 게이트를 사용하여 사출성형을 실시한 경우의 유동특성 비교를 위해 사출성형의 CAE 해석을 실시하였다. 해석은 Moldflow Plastic InsightsⓇ 5.
- 상기 조건을 토대로 후변형량 감소를 목적으로 사출성형 조건 최적화를 위한 2 차 실험계획을 진행하였다. 우선적으로 1 차 실험계획법 적용 결과에서 영향이 미미한 것으로 나타난 금형온도(B)를 상대적으로 변형량이 적게 나타난 80℃로 고정시켰다.
- 사출성형기는 25ton 사출기를 사용하였으며, 온수조절기를 사용하여 금형온도를 조절해주었다. 성형조건은 3.2절에서 선정한 최적 조건을 사용하였고, 성형품의 형상정밀도 분석을 위해 나사부의 외경을 측정하였다. 사출성형으로 제작되는 플라스틱 나사의 경우 나사부 위치에 따른 외경의 차이가 발생하여 Fig.
- 본 연구에서는 사출성형 조건이 제품의 후변형 특성에 미치는 영향을 보다 체계적으로 분석하기 위해 실험계획법과 CAE 해석을 연계하여 진행하였다. 실험계획법 적용을 위해 사출온도, 금형온도, 보압시간 및 냉각시간의 4 가지 성형조건을 인자 (A~D)로 선정하였다. 1 차 실험계획은 4 가지 인자에 대해 2 수준으로 실험계획을 수립하였으며(Table 3 참조), 부분요인 실험계획을 적용하여 8회의 실험(분석도 IV)을 수행하였다.
- 3 에 도시된 바와 같이 원형 게이트(Type 1)과 쐐기형 게이트(Type 2)의 2 가지 형태의 게이트를 적용하였다. 쐐기형 게이트는 게이트 끝단 직경을 0.5mm 로 유지한 채 역구배를 부여하여 게이트 부위에서의 압력강하를 감소시킬 수 있도록 설계하였다.
- 따라서 바닥면에 핀포인트 게이트가 삽입되고 머리부에 이젝터핀이 위치하는 구조로 설계하였다. 이때 바닥면에 게이트 제거 후 흔적이 남으면 제품으로 사용시 문제가 발생할 여지가 있기 때문에 바닥면에 도피부를 추가하여 제품 설계를 수정하였고, 도피부 중앙에 핀포인트 게이트가 위치하도록 하였다(Fig. 3 참조).
- 본 연구에서는 사출성형 조건이 성형품의 형상 정밀도에 미치는 영향을 분석하여 최적의 조건을 찾기 위해 사출성형의 유동해석과 후변형해석을 연계하여 적용하였다. 이때 소형 정밀 나사의 입체적인 형상특성을 효과적으로 고려하기 위해 3차원 입체요소(Solid element)에 기반한 해석(7)을 진행하였다. 또한 해석 및 실험계획의 체계적인 수립 및 결과의 통계적인 분석을 위해 실험계획법을 적용하였다.
- 제작된 나사부의 나사산간 피치정밀도를 고찰하기 위해 3 차원 표면측정기를 사용하여 나사산 프로파일을 측정하였다. 측정장비는 (재)서울테크노 파크 MSP 기술지원센터에서 보유하고 있는 미국 Dektek 社의 3D-Profiler 를 사용하였다.
- 상기 2가지 형태의 게이트를 사용하여 사출성형을 실시한 경우의 유동특성 비교를 위해 사출성형의 CAE 해석을 실시하였다. 해석은 Moldflow Plastic InsightsⓇ 5.0을 사용하였으며, 3차원 사면체 요소(tetrahedral element)를 사용하여 요소망을 구성 하였다. Table 2에 해석시 사용한 사출성형 조건을 요약하였다.
대상 데이터
- 2 에 M3 나사 사출성형을 위한 금형의 주요형상을 도시하였다. 금형은 3 단 금형 구조를 채택하였고, 가로 200mm, 세로 180mm, 높이 175mm 인 몰드베이스를 선정하였다. 또한 나사부 치형에 대해 슬라이드 코어 형태로 금형을 제작하여 언더컷 처리를 용이하게 할 수 있도록 금형을 설계하였다.
- 그러나 게이트 크기가 너무 작은 경우 게이트 부위에서 압력강하가 증가 하여 유동특성이 저하되고 사출압이 증가할 것으로 예상된다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 3 에 도시된 바와 같이 원형 게이트(Type 1)과 쐐기형 게이트(Type 2)의 2 가지 형태의 게이트를 적용하였다. 쐐기형 게이트는 게이트 끝단 직경을 0.
- 본 연구에서 개발하고자 하는 플라스틱 나사는 정밀 전자부품에 많이 사용되는 M3(외경 3.0mm, 길이 6.0mm, 피치 0.5mm) 나사로 선정하였다. Fig.
- 본 절에서는 사출성형 조건에 따른 나사의 변형량 예측을 위해 사출성형 해석과 연계한 후변형 해석을 실시하였다. 앞절의 해석결과를 토대로 게이트는 쐐기형 게이트로 최종 선정하였다. Fig.
- 정밀나사 제작용 플라스틱 재료는 엔지니어링 플라스틱인 Solutia 社의 Vudyne 21SPA (PA66) 수지를 사용하였다. Table 1 에 해당 수지의 주요 물성을 요약하였다.
- 제작된 나사부의 나사산간 피치정밀도를 고찰하기 위해 3 차원 표면측정기를 사용하여 나사산 프로파일을 측정하였다. 측정장비는 (재)서울테크노 파크 MSP 기술지원센터에서 보유하고 있는 미국 Dektek 社의 3D-Profiler 를 사용하였다. Fig.
데이터처리
- 10과 같이 상부(Top)/중부(Middle)/하부(Bottom)로 구분하여 외경을 측정하였다. 외경은 버어니어캘리퍼스를 사용하여 5개의 샘플에 대해 3회씩 반복측정하여 평균값을 산출하였으며, Fig. 11에 부위별 측정결과를 Box plot 형태로 비교하였다. 그래프에 점선형태로 1급 나사의 허용치수(2.
이론/모형
- 이때 소형 정밀 나사의 입체적인 형상특성을 효과적으로 고려하기 위해 3차원 입체요소(Solid element)에 기반한 해석(7)을 진행하였다. 또한 해석 및 실험계획의 체계적인 수립 및 결과의 통계적인 분석을 위해 실험계획법을 적용하였다.(8)
성능/효과
- (2) 사출성형품의 후변형해석을 통해 제품의 변형량을 예측하였고, 실험계획법과 연계하여 변형량을 최소화시키기 위한 최적의 조건(사출온도 280°C, 금형온도 80°C, 보압시간 1 초, 냉각시간 5초)을 도출하였다.
- (3) 상기 조건을 적용하여 제작된 성형품의 형상을 측정하여 1급 나사의 기준(제품 외경 기준 2.967±0.033mm, 피치 기준 0.490±0.010mm)을 만족함을 확인하였다.
- 9(a)에 해석 결과로부터 얻어진 외경 변형량에 대한 주효과 그래프(Main effect plot)를 도시하였다. 4 가지의 인자중 사출온도가 가장 큰 영향을 보인 반면 금형온도에 따른 영향이 가장 작은 것으로 분석되었다. 인자별 영향을 살펴보면 사출온도가 낮을수록, 보압시간이 길수록, 냉각시간이 짧을수록 외경의 수축량이 감소함을 알 수 있다.
- 나사 프로파일을 측정한 결과 10 개의 나사산간 피치는 484.6~495.2µm 사이의 결과를 보이며, 공차범위를 고려한 설계치수(0.490mm) 대비 +5.2µm, -5.4µm 이내의 분포를 보여 1급 나사 기준 목표치인 0.490±0.010mm 를 달성함을 확인할 수 있었다.
- 51초)의 경우 금형과 인접한 표면부의 온도가 80℃인 반면 중앙부의 온도가 300℃이상의 분포를 보임을 알수 있다. 또한 보압이 종료된 1.5초가 경과한 경우 내부의 온도가 급격히 저하됨을 알 수 있으며, 나사부에 비해 머리부의 온도가 상대적으로 빨리 저하됨을 알 수 있다. 특히 2.
- 원형 게이트의 경우 보압이 종료되는 시점에서 급격하게 온도가 감소한 반면 쐐기형 게이트의 경우 온도감속 속도가 다소 완화되어 게이트 응고가 지연되고 결과적으로 성형품 내부로의 보압전달이 용이할 것으로 판단된다. 상기 결과를 종합해볼 때 원통형 게이트보다는 쐐기형 게이트가 최대사출압은 저감시키면서도 압력전달 특성이 우수함을 확인할 수 있었다.
- 7 에 2 가지 형태의 게이트에 대해 냉각시간에 따른 게이트 끝단에서의 온도변화 그래프를 비교하였다. 원형 게이트의 경우 보압이 종료되는 시점에서 급격하게 온도가 감소한 반면 쐐기형 게이트의 경우 온도감속 속도가 다소 완화되어 게이트 응고가 지연되고 결과적으로 성형품 내부로의 보압전달이 용이할 것으로 판단된다. 상기 결과를 종합해볼 때 원통형 게이트보다는 쐐기형 게이트가 최대사출압은 저감시키면서도 압력전달 특성이 우수함을 확인할 수 있었다.
- 4 가지의 인자중 사출온도가 가장 큰 영향을 보인 반면 금형온도에 따른 영향이 가장 작은 것으로 분석되었다. 인자별 영향을 살펴보면 사출온도가 낮을수록, 보압시간이 길수록, 냉각시간이 짧을수록 외경의 수축량이 감소함을 알 수 있다.
- 8에 해석 결과로부터 얻어진 제품의 반경방향 변형량을 도시하였다. 전체적으로 수축이 발생하여 외경기준 수축량은 위치에 따라 0.1105~0.1110mm 의 분포를 보임을 확인할 수 있었다.
- 5초간 45MPa 의 압력을 부여하였다. 최종적으로 성형되는 부분은 나사 머리부의 외측면으로 확인되었으며, 전체적으로 미성형은 발생되지 않고 나사의 미세 치형이 모두 성형되는 것으로 확인되었다.
- 측정결과를 보면 5개 샘플의 평균치가 상부 2.973mm, 중부 2.955mm, 하부 2.970mm 로 측정되어 중부의 외경 치수가 상대적으로 낮게 나타났다. 제품간의 산포를 고려하여 분석해보면 측정한 5개의 시편중 상부 외경이 가장 크게 측정된 경우가 2.
- 5초가 경과한 경우 내부의 온도가 급격히 저하됨을 알 수 있으며, 나사부에 비해 머리부의 온도가 상대적으로 빨리 저하됨을 알 수 있다. 특히 2.77초 경과시 나사부의 온도가 150℃ 이하로 떨어져 고화가 발생됨을 예측할 수 있는데, 이러한 결과로부터 현재 5초로 설정한 냉각시간이 성형부의 고화 측면에서는 충분함을 알 수 있다.
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