[논문]사출금형 버 발생 방지를 위한 형합면압 측정에 관한 연구

최재혁; 최순호; 태준성; 박형필; 이병옥

doi:10.5228/kstp.2011.20.1.73

사출금형 버 발생 방지를 위한 형합면압 측정에 관한 연구
Study on the Pressure Measurement at Parting Surface to Prevent Flashing in Injection Molds 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.20 no.1, 2011년, pp.73 - 78

최재혁 (아주대학교 기계공학과) , 최순호 (아주대학교 기계공학과) , 태준성 (아주대학교 기계공학과) , 박형필 (한국생산기술연구원) , 이병옥 (아주대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The flashing reduces the part quality and the productivity of the molding process. We developed a contact pressure sensor to detect the flashing immediately. The performance of the sensor was analyzed in a simple 2D simulation. The sensor was applied to an automotive bumper mold with cavity pressure sensors. It showed sensitive output signal for the mold response by the cavity pressure change. It was confirmed that the flashing at the gate area occurred in the filling stage by the pressure increase due to growth of the melt flow length. The sensor output was correlated with the cavity pressure sensor output.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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가설 설정

또한 상부의 형판은 가동측을 가정하고 압력을 부여하여 형체결력을 가하였으며 하측 형판에 표시된 2점 쇄선은 고정측으로 가정하여 y축 고정조건을 부여하였다. 고정측과 가동측이 맞닿는 부분인 점선으로 표시한 선은 접촉조건을 부여하여 단순 접촉이 발생하는 것만 가정하였다. 해석에 사용된 구조해석 프로그램은 ABAQUS이다.
5는 2차원 해석에 사용된 경계 조건을 나타낸 그림이고 또한 해석을 위해 실제 사용된 형상의 그림이기도 하다. 금형의 단면을 2차원으로 가정하여 나타내었기 때문에 실선으로 표시한 우측 부분은 축대칭 조건이며 내부는 내압이 발생하는 상황을 가정하여 압력하중조건을 부여하였다. 또한 상부의 형판은 가동측을 가정하고 압력을 부여하여 형체결력을 가하였으며 하측 형판에 표시된 2점 쇄선은 고정측으로 가정하여 y축 고정조건을 부여하였다.
금형의 단면을 2차원으로 가정하여 나타내었기 때문에 실선으로 표시한 우측 부분은 축대칭 조건이며 내부는 내압이 발생하는 상황을 가정하여 압력하중조건을 부여하였다. 또한 상부의 형판은 가동측을 가정하고 압력을 부여하여 형체결력을 가하였으며 하측 형판에 표시된 2점 쇄선은 고정측으로 가정하여 y축 고정조건을 부여하였다. 고정측과 가동측이 맞닿는 부분인 점선으로 표시한 선은 접촉조건을 부여하여 단순 접촉이 발생하는 것만 가정하였다.

제안 방법

실제 형합면압센서를 설치하여 실험한 금형과 제품은 해당 업체의 보안을 위해 상세하게 밝히지 않았다. 금형 내압과 형합면압의 변화를 비교 분석하기 위해 동일한 금형에 금형 내압 측정을 위해 총 4개의 금형 내압센서를 설치하였다. 1번 내압센서는 중앙부 게이트 가까운 곳에 설치하고 2번 센서는 이로부터 약 40~50cm 정도 떨어진 위치에 설치하였다.
그에 비해 응력이나 변형율을 측정하는 방법은 미세한 변화까지도 쉽게 저렴한 비용으로 측정할 수 있는 상황이다. 따라서 본 연구에서는 형합면압의 측정을 위해 변형율을 측정하는 센서를 활용하였다[5].
형합면압센서의 설계를 위해 설치 위치에 따른 민감도 분석을 수치해석을 통해 실시하였다. 또한 사출성형 공정관리를 위해 일반적으로 사용하고 있는 금형 내압센서의 측정값과 비교 분석을 통해 관련성을 조사하였다.
본 연구에서는 버 발생을 현장에서 즉각적으로 판단하기 위해 형합면압센서를 사용하였으며 이를 금형에 직접 적용하여 형합면압의 변화를 측정하였다. 형합면압센서의 설계를 위해 설치 위치에 따른 민감도 분석을 수치해석을 통해 실시하였다.
본 연구에서는 변형율 센서를 이용하여 형합면압의 변화를 측정하였다. 변형율이 측정되면 재료의 탄성계수를 이용하여 응력 값을 계산할 수 있다.
사출성형에서 발생하는 버 발생을 현장에서 즉각적으로 판단하기 위하여 형합면압센서를 사용하였고 2차원 구조해석을 통하여 그 개념을 검증하였다. 자동차 범퍼용 금형에 면압센서를 설치한 후 형합면의 변형율 변화와 그에 따른 버 발생 상황을 측정함으로써 버 발생 상황을 민감하게 판단할 수 있음을 확인하였다.
수지는 제일모직사의 HF-1023IM을 사용하였으며 기준 성형조건은 Table 1에 나타냈다. 제품성형 시 사용된 게이트는 총 6개이지만 중심부 게이트 2개를 제외한 나머지 4개 게이트는 2개씩 동일한 오픈 시간을 가지고 있으므로 2개를 하나의 그룹으로 간주하여 2개의 그룹으로 표시를 하였다. 1^st/G가 중심부 게이트 2개, 2^nd/G가 두 번째 그룹의 게이트 2개, 마지막 게이트 2개를 3^rd/G로 정의하였다.
위치 B는 실제 형합면압센서가 설치된 위치에 가까운 위치를 선정하였다. 형체력은 3000ton 사출기의 형체결력을 기준으로 계산하여 60Mpa 적용하였으며 내압은 30, 70, 110Mpa 3단계로 증가시켜 A와 B영역에서의 Y축 응력 값을 표시하였다.
형합면압센서가 없을 때 내압센서만으로도 버가 발생하는 현상을 예측할 수 있도록 하기 위해 형합면압센서와 내압센서와의 연관성을 조사하였다. 내압센서에서 측정된 압력값을 적분한 값(Pressure Integral)과 게이트 부근에 설치된 형합면압센서에서 측정된 최대값과 형합면압이 최소값을 보인 이후에 나타나는 최대값의 차이를 잔여 변형율(Residual Strain at Center)로 정의하였다.
본 연구에서는 버 발생을 현장에서 즉각적으로 판단하기 위해 형합면압센서를 사용하였으며 이를 금형에 직접 적용하여 형합면압의 변화를 측정하였다. 형합면압센서의 설계를 위해 설치 위치에 따른 민감도 분석을 수치해석을 통해 실시하였다. 또한 사출성형 공정관리를 위해 일반적으로 사용하고 있는 금형 내압센서의 측정값과 비교 분석을 통해 관련성을 조사하였다.

대상 데이터

변형율이 측정되면 재료의 탄성계수를 이용하여 응력 값을 계산할 수 있다. 사용된 변형률 센서는 Kistler사의 9247A이며 세부 치수는 Fig. 2에 나타내었다.
실험에 사용된 금형은 자동차 범퍼 금형이었으며 3,000ton Battenfeld 유압식 사출기를 사용하였다. 수지는 제일모직사의 HF-1023IM을 사용하였으며 기준 성형조건은 Table 1에 나타냈다. 제품성형 시 사용된 게이트는 총 6개이지만 중심부 게이트 2개를 제외한 나머지 4개 게이트는 2개씩 동일한 오픈 시간을 가지고 있으므로 2개를 하나의 그룹으로 간주하여 2개의 그룹으로 표시를 하였다.
실험에 사용된 금형은 자동차 범퍼 금형이었으며 3,000ton Battenfeld 유압식 사출기를 사용하였다. 수지는 제일모직사의 HF-1023IM을 사용하였으며 기준 성형조건은 Table 1에 나타냈다.

데이터처리

고정측과 가동측이 맞닿는 부분인 점선으로 표시한 선은 접촉조건을 부여하여 단순 접촉이 발생하는 것만 가정하였다. 해석에 사용된 구조해석 프로그램은 ABAQUS이다.

성능/효과

Fig. 7에서 보는 바와 같이 변형율이 거의 0으로 감소하였는데 이 경우 제품에는 이미 가느다란 버가 발생함을 확인함으로써 버 발생에 대해 형합면압센서의 신뢰도가 높음을 확인하였다. 시점 분석을 통해 변형율이 0에 가깝게 감소한 시점이 보압절환점 이전임을 알 수 있었다.
시점 분석을 통해 변형율이 0에 가깝게 감소한 시점이 보압절환점 이전임을 알 수 있었다. 보압절환점 이전에 길어진 수지의 유동길이에 의해 증가된 금형 내압이 형체결력을 감소하여 버를 발생하고 있음을 알 수 있었다. Fig.
본 연구에서 적용한 형합면압센서는 버 발생을 현장에서 즉각적으로 판단할 수 있는 새로운 센서로서 충분한 민감도와 신뢰도를 보여 주었다. 이후 필요한 연구 주제로서 형합면압센서를 이용하였을 때 버 발생 상황을 정량적으로 판단하기 위한 연구가 필요하다.
수지 상태 변화를 측정하기 위해 사용되는 금형 내압센서와 함께 실험을 진행하여 내압센서 결과와의 상관도를 검토한 결과 형합면압센서에서 측정된 잔류변형율이 내압 적분값과 가장 높은 상관도를 나타내었다.
7에서 보는 바와 같이 변형율이 거의 0으로 감소하였는데 이 경우 제품에는 이미 가느다란 버가 발생함을 확인함으로써 버 발생에 대해 형합면압센서의 신뢰도가 높음을 확인하였다. 시점 분석을 통해 변형율이 0에 가깝게 감소한 시점이 보압절환점 이전임을 알 수 있었다. 보압절환점 이전에 길어진 수지의 유동길이에 의해 증가된 금형 내압이 형체결력을 감소하여 버를 발생하고 있음을 알 수 있었다.
사출성형에서 발생하는 버 발생을 현장에서 즉각적으로 판단하기 위하여 형합면압센서를 사용하였고 2차원 구조해석을 통하여 그 개념을 검증하였다. 자동차 범퍼용 금형에 면압센서를 설치한 후 형합면의 변형율 변화와 그에 따른 버 발생 상황을 측정함으로써 버 발생 상황을 민감하게 판단할 수 있음을 확인하였다.

후속연구

본 연구에서 적용한 형합면압센서는 버 발생을 현장에서 즉각적으로 판단할 수 있는 새로운 센서로서 충분한 민감도와 신뢰도를 보여 주었다. 이후 필요한 연구 주제로서 형합면압센서를 이용하였을 때 버 발생 상황을 정량적으로 판단하기 위한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	버 발생 원인은 무엇 때문인가?	첫 번째는 사출성형 공정변수 설정 오류에 의한 것이다. 사출성형 공정변수를 잘못 설정함으로써 버가 발생하는 경우 크게 2가지 유형으로 발생한다. 첫 번째 유형으로서 용융 수지가 주입되는 첫번째 게이트 주변에 발생하는 버다. 대형 제품의 경우 중앙부에 게이트를 설치한 경우 중앙부를 통해 유입된 수지의 유동길이가 과다해지며 압력이 지나치게 상승한다. 과다한 금형 내압은 주변의 형합면압을 감소시키며 형체결 기능을 없앤다. 형체결 기능이 없어진 부위는 자연히 버가 발생한다. 게이트 주변은 항상 새로운 용융 수지가 고속으로 주입되며 고화층이 매우 얇아 버가 쉽게 발생할 수 있는 조건을 가지고 있다. 초기 게이트 주변에서 발생하는 버는 이와 같은 원인에서 발생한다고 판단된다. 두 번째 유형은 충전 말단부에서 발생하는 버이다. 금형에 주입된 용융 수지는 가장 마지막으로 충전 말단부에 도달한다. 정확한 충전 완료 시점을 찾아 보압절환이 이루어지면 문제가 없겠으나 만약 실제적으로 충전이 완료되었지만 아직 보압절환점에 이르지 못하여 스크루가 속도를 유지하고 있는 상태라면 금형 내부의 압력은 매우 높은 속도로 증가할 것이다. 빠른 속도로 증가한 금형 내압은 아직 용융 상태에 있는 충전 말단부의 압력을 높이고 이렇게 높아진 금형 내압은 주변의 형합면의 형체결력을 저하시키면서 버를 발생한다. 빠른 속도로 금형 내압이 상승하여도 충전 말단부 이전의 위치에서는 이미 형합면에 닿아 있는 수지가 고화가 진행되어 버를 발생하기 어려운 상태에 있어 버 발생 확률이 낮아진다.
	사출성형은 어떤 장점이 있는가?	사출성형은 금형을 이용하여 플라스틱 성형품을 짧은 시간 내에 대량으로 생산하는 데 적합한 공정으로 제품의 생산 단가를 낮출 수 있는 공정의 장점이 있다. 그러나 이러한 장점은 제품 생산 과정에 결함으로 인한 불량이 없다는 전제하에 얻을 수 있다.
	금형 내압센서는 어떤 목적으로 사용되어 왔는가?	사출성형 공정에서 발생하는 다양한 결함을 즉각적으로 판단하고 장기적인 공정 변수 변화를 측정하여 생산성을 증가하려는 목적으로 금형 내압센서가 널리 사용되어 왔다. 금형 내압센서를 통해 수지의 변화를 민감하게 측정하고 관리할 수 있지만, 버 발생과 같은 결함은 수지의 변화만을 측정하여 판단할 수 없는 문제가 있다.

참고문헌 (5)

Zhongbao Chen, A. Jeffrey Giacomin, Lih-Sheng Turng, 2006, Flash, Polymer Eng. and Sci., Vol. 19, pp. 241-247.
Hareem Tariq, Akiteru Takamori, et al., 2002, The Linear Variable Differential Transformer (LVDT) Position Sensor for Gravitational Wave Interferometer Low- Frequency Controls, Nucl. Instrum. Methods. Phys. Res., Sect. A, Vol. 21, pp. 570-576.
Sun-Ho Kim, 2010, Ultra Miniature Eddy Current Sensor with 3 Axes for On-Machine-Measurement, J. Kor. Soc. For Precision Eng., Vol. 27, No. 3, pp. 27-32.
Toshihiko Yoshino, M. Nara, et al., 1987, Laser Diode Feedback Interferometer for Stabilization and Displacement Measurements, Appl. Opt., Vol. 26, Issue 5, pp. 892-897.

상세보기
M. R. Kamal, W. I. Patterson, et al., 2004, Dynamics and Control of Pressure in the Injection Molding of Thermoplastics, Polymer Eng. and Sci. Vol. 27, Issue 18, pp. 1403-1410.

저자의 다른 논문 :

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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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