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문제 정의
- 본 연구는 자동굴절검사기(auto phoropter)에 사용되는 110mm 급 대형 원판형 기어의 성형 품질을 향상하기 위한 연구로서 다양한 연구 분야에서 실험 인자와 특성치의 상호관계를 효과적으로 분석하는 방법으로 널리 알려진 실험 계획법(Design of Experiments; DOE)을 적용하여 공정 조건이 기어의 평탄도에 미치는 영향을 살펴보았다.3,4,7
제안 방법
- 사출온도, 충진시간, 보압압력과 금형온도를 4 가지 주요 공정변수로 선택하고 직교 배열법을 적용하여 성형 해석을 수행하였으며, 성형해석으로 예측된 변형량 결과를 분석하였다. 그 결과 유리 강화 섬유가 포함된 원판형 플라스틱 기어의 성형에 있어 사출온도와 보압압력이 평탄도에 가장 많은 영향을 미치는 것을 알 수 있었으며, 이를 바탕으로 실제 개발 금형을 제작하여 제품생산에 적용하였다.
- 본 연구에서의 자동시력검사기는 Fig.2 와 같이 서로 다른 4 종류의 6 개 주 원판형 기어로 구성되는데, 광학 기기의 특성상 디스크의 휨(warpage)에 의해 렌즈 사이의 초점 거리가 달라질 경우 측정 시력이 달라지므로 렌즈가 삽입된 디스크의 평탄도가 중요한 품질관리 기준이 된다. 특히, 디스크 기어가 동일 축 상에 6 개 삽입되므로 각각의 변형량이 누적되어 제품 품질에 영향을 미치므로 사출품의 성형 공정 관리가 매우 중요하며, 해당 시스템에서 누적공차를 고려한 변형 허용치는 일반적으로 0.
- 본 연구에서는 대형 원판형 플라스틱 기어의 성형에 있어서 평탄도 향상을 위하여 실험계획법을 적용하여 변형량을 최소화하였으며, 4 종류의 주 원판형 기어 중 두께가 가장 얇아 변형에 취약할 것으로 예상되는 디스크 기어(#3, #4)를 대상으로 성형해석과 실험계획법을 기반으로 한 성형공정 최적화를 수행하였다.
- 4는 성형해석을 위한 유한요소와 유동 시스템, 냉각시스템의 모델링을 나타낸다. 대상물이 전체적으로 두께 변화가 적은 평판 구조의 형상을 지니는 점을 고려하여 퓨전 메쉬(fusion mesh)를 사용하였다. 해석모델은 39374개의 삼각형 메쉬와 19536 개의 노드(node)를 가지며 87.
- 사출성형품의 품질 특성치에는 치수, 강도 등 여러 가지가 있으나 본 연구에서는 사출 성형 후 Z 방향의 변형 량으로 정 하고, Table 2 와 같이 성 형 공정 변수 중 섬유 배향 및 수축으로 인한 기어의 변형에 가장 큰 영향을 미칠 것으로 예상되는 사출 온도(A), 사출시간(D), 보압압력 (C), 금형온도(D) 를 제어인자로 선정하였다. 각 인자에 대한 수준은 성형 한계 내에서 재료의 물성치와 생산성을 고려하여 다음과 같이 각각 3 수준으로 결정하였다.
- 제어 인자를 배치하기 위한 직교표는 L27(3°) 표로 선정하여 교락을 피하고 각인자의 주 효과만을 결과로 얻을 수 있도록 1 열 2 열, 5 열, 10 열에 각각 제어인자를 배 열하였다.
- 금형 온도는 타 제어 인자 대비 기여도가 작음을 알 수 있으며, 제어 인자 간의 교락은 없었으며 교호작용의 영향은 최적값 예측 시 풀링(pooling)하였다.
- 자동굴절검사기 개발을 위한 기타 주 디스크 기어에 대해서도 성형해석과 실험계획법을 통하여 변형을 최소화 하였으며, Fig. 10는 본 연구에서 제작된 자동굴절검사기용 대형 디스크 기어를 보여준다.
- 본 연구에서는 시력 측정장치인 자동굴절검사기에 사용되는 110mm 급 대형 디스크 기어에 대하여 성형해석과 실험계획법을 적용하여 성형조건 최적화를 수행하였다. 사출공정의 주요 공정변수를 사출온도, 충진시간과 보압압력, 금형온도로 정하고 다구치 방법에 의해 L27(34) 직교표에 배치하여 분석한 결과 사출온도와 보압압력이 본 연구의 품질 특성치에 가장 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
- 05mm 의 근소한 차이를 보였으나, 품질 기준치를 만족함을 알 수 있었다. 자동굴절검사기 개발을 위한 기타 주 디스크 기어에 대해서도 동일 한기 법을 통하여 변형을 최소화하여 제품생산에 적용하였다. 본 연구에서는 원판형 기어의 휨에 대해서만 성형공정 최적화를 수행하였으나, 정밀 플라스틱 기어를 생산하기 위해서는 기어 치형의 설계 및 금형의 정밀 제작, 성형, 측정 등을 고려해야 하며, 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
대상 데이터
- 대상물이 전체적으로 두께 변화가 적은 평판 구조의 형상을 지니는 점을 고려하여 퓨전 메쉬(fusion mesh)를 사용하였다. 해석모델은 39374개의 삼각형 메쉬와 19536 개의 노드(node)를 가지며 87.8%의 매칭률 (match percent)을 나타내었다.
- 8 은 자동시 력검사기용 디스크 기어의 사출성형을 위한 개발 금형을 보여준다. 개발 금형은 성형 해석 결과를 바탕으로 6 점 핀포인트 게이트를 가지는 3 매판 금형으로 제작되었으며, 일본 JSW 사의 형체력 85 톤 전동 사출기(J85ELII-K)를 이용하여 시작품을 제작하였다.
데이터처리
- 원판형 기어의 변형에 미치는 주인자와 2 인자 교호작용 별 영향력을 Table 4 의 분산분석 (ANOVA)을 통해 확인할 수 있으며, 가장 큰 영향을 미치는 요인은 사출온도로 분석되었고, 보압 압력, 충진시간의 순으로 기여도가 있었다. 금형 온도는 타 제어 인자 대비 기여도가 작음을 알 수 있으며, 제어 인자 간의 교락은 없었으며 교호작용의 영향은 최적값 예측 시 풀링(pooling)하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 디스크 기어의 변형량을 예측하기 위한 시뮬레이션 도구로 Autodesk 사의 Moldflow MPI v.2010 을 사용하여 소프트웨어로 모의 실험을 하였으며, 충진, 보압, 냉각과정의 해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 제품설계와 공정설계에서 유용하게 사용되는 다구찌 실험계획법의 하나인 파라메터 설계(parameter design)를 이용하였다:
- 최적화 목표치를 Z 방향 변형값으로 잡고 망소특성으로 진행하였으며, 분석 도구는 KAIST 산업공학과에서 개발된 다구치 해석용 소프트웨어인 KAISTAT version 1.3 을 사용하였다.
성능/효과
- 변형량 결과를 분석하였다. 그 결과 유리 강화 섬유가 포함된 원판형 플라스틱 기어의 성형에 있어 사출온도와 보압압력이 평탄도에 가장 많은 영향을 미치는 것을 알 수 있었으며, 이를 바탕으로 실제 개발 금형을 제작하여 제품생산에 적용하였다.
- 5는 신호 대 잡음 비의 분석결과를 보여준다. 분석결과에서 수지 온도가 높을수록, 보압이 클수록, 사출속도가 빠를수록 기어의 평탄도가 향상되었고, 최적 성형조건은 a3b1c3d1 으로예측되었다. 이때 통계적으로 예측된 Z 방향 변형량은 0.
- 성형해석의 예측 결과에서도 Z 방향의 변형량 중 섬유 배향에 의한 변형 이 약 0.119 mm 로 전체 Z 방향 변형량의 84.7%를 차지하였으며, 수축율 차이와 냉각에 의한 변형은 15.3%에 불과하였다.
- 9는 실제 사출품의 평탄도를 비접촉식 3 차원 즉정기 (OGP 사, Smartscope Flash)를 이용하여 측정한 결과를 보여준다. 최대 변형은 0.196mm 로예측 결과와 근소한 차이를 보였으나, 품질 기준치를 만족함을 알 수 있다.
- 수행하였다. 사출공정의 주요 공정변수를 사출온도, 충진시간과 보압압력, 금형온도로 정하고 다구치 방법에 의해 L27(34) 직교표에 배치하여 분석한 결과 사출온도와 보압압력이 본 연구의 품질 특성치에 가장 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 수지 온도가 높을수록, 보압이 클수록, 사출 속도가 빠를수록 유리 강화섬유가 포함된 원판형 플라스틱 기어의 평탄도가 향상되었다.
- 사출공정의 주요 공정변수를 사출온도, 충진시간과 보압압력, 금형온도로 정하고 다구치 방법에 의해 L27(34) 직교표에 배치하여 분석한 결과 사출온도와 보압압력이 본 연구의 품질 특성치에 가장 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 수지 온도가 높을수록, 보압이 클수록, 사출 속도가 빠를수록 유리 강화섬유가 포함된 원판형 플라스틱 기어의 평탄도가 향상되었다.
- 이를 바탕으로 실제 개발 금형과 시작품을 제작하여 변형량을 측정한 결과와 예측 값과 0.05mm 의 근소한 차이를 보였으나, 품질 기준치를 만족함을 알 수 있었다. 자동굴절검사기 개발을 위한 기타 주 디스크 기어에 대해서도 동일 한기 법을 통하여 변형을 최소화하여 제품생산에 적용하였다.
후속연구
- 자동굴절검사기 개발을 위한 기타 주 디스크 기어에 대해서도 동일 한기 법을 통하여 변형을 최소화하여 제품생산에 적용하였다. 본 연구에서는 원판형 기어의 휨에 대해서만 성형공정 최적화를 수행하였으나, 정밀 플라스틱 기어를 생산하기 위해서는 기어 치형의 설계 및 금형의 정밀 제작, 성형, 측정 등을 고려해야 하며, 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
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