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문제 정의
- 사출성형 시의 공정조건 변화는 용융소재의 유동 및 보압, 냉각 과정에 복합적인 영향을 미치며 결과적으로 성형품 내부에 미세한 차이를 발생시킨다. 본 연구에서는 공정조건 변화에 따른 수치해석 결과를 비교/분석하여 균열 발생에 가장 큰 영향을 미치는 요소을 분석해 보았다. 수치해석에는 Autodesk 사의 Moldflow MPI 6.
- 본 연구에서는 사출성형의 공정조건이 내환경응력균열성에 미치는 영향을 실험을 통하여 살펴보고, 이러한 현상이 발생하는 원인을 수치해석을 통해 분석하였다. 이러한 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- (1) 실험계획법을 이용한 내환경응력균열성 시험을 통하여 사출성형의 각 공정조건이 환경응력균열에 미치는 기여도를 분석하였다.
- 다양한 성형조건으로 성형된 시편을 지그에 고정시켜 일정 변형률을 가한 상태로 화학용제에 일정시간 침지시키고, 이것을 꺼낸 후 다시 100°C 의 환경챔버에 일정 시간 동안 넣어두고 이때 발생하는 환경응력균열을 분석하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 실험계획법(design of experiments: DOE)을 이용하여[9] 사출속도, 보압, 배럴온도의 세 가지 공정조건에 대한 ABS(acrylonitrile butadiene styrene) 수지의 내환경응력균열 특성을 고찰하였으며, 분산분석(analysis of variance: ANOVA)을 통하여 공정조건의 최적화를 수행하였다. 또한, 설정된 사출조건에 대한 수치해석을 통하여 내환경응력균열에 주요한 영향을 미치는 것으로 알려져 있는 잔류응력의 효과를 고찰하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 실험계획법(design of experiments: DOE)을 이용하여[9] 사출속도, 보압, 배럴온도의 세 가지 공정조건에 대한 ABS(acrylonitrile butadiene styrene) 수지의 내환경응력균열 특성을 고찰하였으며, 분산분석(analysis of variance: ANOVA)을 통하여 공정조건의 최적화를 수행하였다. 또한, 설정된 사출조건에 대한 수치해석을 통하여 내환경응력균열에 주요한 영향을 미치는 것으로 알려져 있는 잔류응력의 효과를 고찰하였다.
- 사출성형에서의 다양한 성형조건을 선정하기 위하여 다구찌 실험계획법의 파라메터 설계(parameter design)를 이용하였다. 먼저 일반적인 사출성형 시 중요 공정조건인 사출속도(A), 보압(B), 배럴온도(C)를 제어인자로 선정하였다. 각 인자에 대한 수준은 성형 한계 내에서 Table 1과 같이 3 수준으로 설정하였다.
- 성형 조건에 따른 환경응력균열의 발생 정도를 비교하기 위해 본 연구에서는 Fig. 5 에 나타낸 바와 같이 균열의 양태와 전파 범위에 따라 발생된 균열을 4 단계로 구분하였다. 첫번째 단계는 미세한 크레이즈(craze)가 발생한 단계이고, 2 단계는 작은 균열이 발생한 단계, 3 단계는 균열이 시편의 폭 방향으로 완전히 전파된 단계, 4 단계는 시편이 파단된 단계로 구분하였으며, 각 단계에 1~4 의 값을 부여하였다.
- 성형된 시편에 일정한 변형률을 발생시키기 위하여 본 연구에서는 시편을 원통 형상을 갖는 지그표면에 고정시키는 방법을 사용하였다. 지그의 표면은 Fig.
- 1 에 나타낸 바와 같이 시편을 상온(18°C)에서 지그에 고정시킨 상태로 용제에 일정 시간 침지시켰다. 이 때 침지시간은 3 초와 5 초의 두 가지 경우로 나누어 실험하였다.
- 5 에 나타낸 바와 같이 균열의 양태와 전파 범위에 따라 발생된 균열을 4 단계로 구분하였다. 첫번째 단계는 미세한 크레이즈(craze)가 발생한 단계이고, 2 단계는 작은 균열이 발생한 단계, 3 단계는 균열이 시편의 폭 방향으로 완전히 전파된 단계, 4 단계는 시편이 파단된 단계로 구분하였으며, 각 단계에 1~4 의 값을 부여하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 지그의 표면반지름 R 은 123.5mm 이고 시편의 두께 t 는 3.17mm 이므로 발생되는 변형률은 0.012 이다. 따라서 시편을 지그에 고정시키면 시편 표면에는 1.
- 성형에 사용된 장비는 ENGEL 150ton 직압식 사출기이다. 성형된 시편은 상온에서 24시간 방치한 후 실험에 사용하였다.
- 시험에 사용된 화학용제는 톨루엔 (toluene)과 이소프로필알콜 (isopropyl alcohol)을 1:3 의 부피비로 혼합한 용제로서, 냉장고와 같은 가전제품의 내환경응력균열성 시험에 많이 사용되는 용제이다. Fig.
데이터처리
- 따라서 각 공정조건별로 시편 중심부에서의 평균잔류응력을 계산하여 이를 Table 5에 나타내고, 이 결과를 이용해 망소특성으로 분산분석(ANOVA)을 수행하여 결과를 Table 6에 나타내었다. 분석 결과 중심부 표면 잔류응력의 크기에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 사출속도이고, 보압과 배럴온도는 거의 기여도가 없는 것으로 분석되었다.
- 파라메터 설계를 위한 최적화 목표값은 3초 침지의 결과값과 5초 침지 결과값을 각각 더한 값으로 설정하였다. 이를 이용해 망소특성으로 분산분석(ANOVA)을 수행하였고, 결과를 Table 4에 나타내었다.
이론/모형
- 사출성형에서의 다양한 성형조건을 선정하기 위하여 다구찌 실험계획법의 파라메터 설계(parameter design)를 이용하였다. 먼저 일반적인 사출성형 시 중요 공정조건인 사출속도(A), 보압(B), 배럴온도(C)를 제어인자로 선정하였다.
성능/효과
- (2) 분산분석을 통하여 공정조건의 영향을 고찰하였고, 사출속도가 낮을수록 환경응력균열의 발생이 억제되는 것을 확인할 수 있었다.
- (3) 수치해석을 통하여 환경응력균열의 발생과 사출성형품 표면의 잔류응력의 크기과 연관이 있음을 확인하였다.
- 수치해석상에서 잔류응력의 정확한 예측은 어려우나, 공정조건에 따른 상대비교는 참고할만한 결과라 판단된다. 따라서 환경응력균열의 발생을 억제시키기 위해서는 성형품 표면 잔류응력의 최소화가 중요하고, 이를 위해서는 사출속도의 감소가 효과적이라는 결론을 얻을 수 있다.
- 8 에 Table 1, 2 에 나타낸 공정조건으로 성형된 시편 표면에서의 잔류응력 분포를 Mises-Hencky 응력값으로 나타내었다. 모든 경우에 잔류응력은 게이트에서 멀어질수록 점차 증가하는 경향을 보였다. 또한, 각 사출조건에서의 잔류응력 분포 특성을 살펴보면, case 1, 2, 3 의 경우 시편 끝부분에 높은 응력이 집중되어 있으나, case 8, 9 의 경우에는 시편 중심부부터 끝단까지의 넓은 면적에 높은 응력이 분포함을 알 수 있다.
- 4 (a)에 나타낸 바와 같이 시편표면에 백화현상이 나타나며 균열이 발생한 것을 확인할 수 있었다. 모든 시편에서 균열이 관측되었고, 균열의 발생 정도는 시편마다 차이를 보였다. 침지시간 5초의 경우 Fig.
- 7 에 해석모델을 나타내었다. 분석 결과 성형품 표면에 발생하는 잔류응력(residual stress)의 크기가 균열 발생과 가장 큰 연관이 있는 것으로 판단하였다.
- 따라서 각 공정조건별로 시편 중심부에서의 평균잔류응력을 계산하여 이를 Table 5에 나타내고, 이 결과를 이용해 망소특성으로 분산분석(ANOVA)을 수행하여 결과를 Table 6에 나타내었다. 분석 결과 중심부 표면 잔류응력의 크기에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 사출속도이고, 보압과 배럴온도는 거의 기여도가 없는 것으로 분석되었다. Fig.
- 분석 결과 환경응력균열에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 사출속도이고, 보압과 배럴온도는 사출속도에 비하여 큰 기여도를 보이지 않는 것으로 분석되었다.
- 9는 신호 대 잡음 비의 분석결과를 나타낸다. 분석결과에서 사출속도가 느릴수록 표면 잔류응력 발생이 감소하였고, 보압과 배럴온도는 표면 잔류응력에 거의 연관성을 보이지 않았다. 이러한 결과는 실험에서 분석된 환경응력균열과 사출 공정조건 사이의 관계와 일치한다.
- 6 은 신호 대 잡음 비의 분석결과를 나타낸다. 분석결과에서 사출속도가 느릴수록, 환경응력균열 발생이 감소하였고, 보압과 배럴온도는 환경응력균열 발생에 뚜렷한 연관성을 보이지 않았다. 최적공정조건은 A1B2C3로 예측되었다.
- 전절의 실험결과에서 고찰한 바와 같이 동일한 소재와 용제, 환경조건이라 할지라도 사출조건에 따라 상이한 균열 양상을 보임을 알 수 있었다. 사출성형 시의 공정조건 변화는 용융소재의 유동 및 보압, 냉각 과정에 복합적인 영향을 미치며 결과적으로 성형품 내부에 미세한 차이를 발생시킨다.
후속연구
- (4) 본 연구에서의 얻어진 사출성형 공정조건과 환경응력균열 발생 사이의 연관관계는 높은 내환경응력균열성이 요구되는 제품의 생산에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 표면부의 냉각으로 인한 잔류응력 크기는 금형온도와 배럴온도에 큰 영향을 받을 것이다. 본 연구에서는 금형온도를 제어인자로 선정하지 않았으므로 이에 대한 영향도를 파악하지 못하였고, 따라서 향후 연구에서는 반드시 금형온도를 제어인자에 포함시켜야 할 것으로 보인다.
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