[논문]유한요소법과 최적설계 기법을 이용한 고무 사출 금형 히터 배치

김명훈; 한정영; 최은호; 배원병; 강성수

유한요소법과 최적설계 기법을 이용한 고무 사출 금형 히터 배치
The Arrangement of Heaters for Rubber Injection Molds using FEM and Optimal Design Method 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.20 no.1, 2011년, pp.34 - 39

김명훈 (부산대학교 대학원 정밀기계공학과) , 한정영 (부산대학교 대학원 정밀기계공학과) , 최은호 (부산대학교 대학원 정밀기계공학과) , 배원병 (부산대학교 기계공학부) , 강성수 (전주대학교 기계자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Temperature control of a rubber injection mold is important for the dimensional accuracy of product. The main objective of this paper is to optimize the arrangement of heaters by FEM and optimal design method. Firstly, 3-dimensional transient heat transfer analysis was carried out for a square specimen mold. Results of FE analysis are a good agreement with the experimental results, showing about 1.22~7.22% error in temperature distribution. Secondly, we suggested the optimal method about an arrangement of heaters of rubber injection mold by using the optimal design technique. Distances between heater's center and the contact surface of mold, distances between heater's center and symmetric surface were considered as design variables. And the variances between the temperatures of cavity surfaces and their average temperature were used as the objective functions. Applying the optimal solution, the temperature variation was improved about 52.9~88.1 % compared to the existing mold. As a result of sensitivity analysis for design variables, design variables parallel to the direction of the split plane in mold affect the largest on the surface temperature variation in mold cavity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고무 사출 금형 캐비티 표면의 온도 편차를 최소화하기 위해 유한요소법과 최적설계 기법을 이용하여 사각 시편 금형의 히터 배치를 최적화하였으며 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구의 목적은 유한요소법과 최적설계 기법을 적용하여 고무 사출 금형의 히터 배치를 최적화하는 것이다. 먼저 사각 시편 모양의 금형에 대한 3차원 과도 열전달 해석을 수행하고 실험을 통해 검증하였다.
본 장에서는 상용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 사용하여 기존의 비교적 단순한 형상인 사각 시편 금형의 3차원 과도 열전달 해석을 수행하여 정상 상태일 때의 금형 캐비티 내부의 표면 온도 분포를 얻고자 하였다

제안 방법

사용된 요소는 Solid70(8 node thermal solid)이며요소의 개수는 11,600개이다. 경계 조건은 실제 사출기를 모사하기 위해 온도 제어 센서의 온도에 따라 열유속을 제어하는방식으로 수행하였으며, ANSYS의 APDL(ANSYS Parametric Design Language) 명령어를 사용하여 온도 경계 조건을 제어하였다.
먼저 사각 시편 모양의 금형에 대한 3차원 과도 열전달 해석을 수행하고 실험을 통해 검증하였다. 또한 최적설계 기법을 이용하여 히터의 위치를 설계변수로 선정하고 금형 캐비티(Cavity) 표면의 온도 편차를 목적함수로 정하여 히터의 최적 위치를 획득하였다.
사출 금형의 히터 배치를 최적화하는 것이다. 먼저 사각 시편 모양의 금형에 대한 3차원 과도 열전달 해석을 수행하고 실험을 통해 검증하였다. 또한 최적설계 기법을 이용하여 히터의 위치를 설계변수로 선정하고 금형 캐비티(Cavity) 표면의 온도 편차를 목적함수로 정하여 히터의 최적 위치를 획득하였다.
목표 온도 150℃까지 가열한 후 2초 단위로 실제 사출 기의 온도 제어 센서의 위치에서 온도를 계산하여 기준온도 i5(rc보다 높을 경우 하중을 해제하고 낮을 경우 다시 하중을 부가하는 방법으로 온도 제어를 하여 1, 800초 까지 유지하였다. Table 1에는 경계 조건을 나타내고 있으며, Fig.
사각 시편 금형은 대칭 형상이므로 전체 형상의 1/4을 모델링하였다. 사용된 요소는 Solid70(8 node thermal solid)이며요소의 개수는 11,600개이다.
상태 변수는 금형 캐비티 표면 절점들의 평균온도로 설정하였으며 목적 함수는 캐비티 표면 절점의 온도의 분산 값으로 정하였다. 이에 따른 히터 배치의 최적 설계를 정식화하면 다음과 같다.
5에 나타내었으며 설계 변수의 초기 값과 상하한 값을 Table 3에 나타내었다. 설계 변수의 초기 값은 설계변경 전의 값을 입력하였으며 설계 변수의 상하한 값은 히터의 위치가 금형 내에서 최대한 자유롭게 이동이 가능하도록 설정하였다.
설계 변수인 히터들의 수평 및 수직 위치를 계속 변화시켜가면서 유한요소해석을 수행하여 목적함수인 금형 캐비티 표면의 평균온도가 최소가 되는 히터의 위치를 탐색하였다.
측정하였다. 온도 센서는 K 타입 열전대를 이용하였고 데이터 수집 장치로 Agilent사의 34970A를 이용하여 1초 간격으로 측정하였다. 사출 실험 조건은 Table 2에 나타내었다.
온도 측정은 1/4 대칭인 시편 형상을 고려하여 각 고정 측 및 이동 측 금형에 각각 6개씩 12개의 온도 센서를 캐비티 표면에서 Imm 깊이에 설치하여 히터 가열에 따른 캐비티 표면의 온도를 측정하였다. 온도 센서는 K 타입 열전대를 이용하였고 데이터 수집 장치로 Agilent사의 34970A를 이용하여 1초 간격으로 측정하였다.
열전달 해석을 수행하였다(1)). 주요 연구 내용으로 금형의 분할 면과 히터 사이의 거리를 설계 변수로 선정하고 금형 표면의 온도 편차를 목적함수로 지정하여 히터의 최적 위치를 선정하였다. 또한 Park 등은 자동차용 안개등 커버의 사출 압력과 휨 변형을 최소화함으로써 사출 성형 품질 향상을 위한 설계 최적화에 대해 연구하였다(12).

대상 데이터

2에 나타내었다. 사각 시편 금형의 재질은 SS400이며, 전도도는 45.0 W/m . K이고, 비 열은 434J/kg .
사각 시편 금형은 대칭 형상이므로 전체 형상의 1/4을 모델링하였다. 사용된 요소는 Solid70(8 node thermal solid)이며요소의 개수는 11,600개이다. 경계 조건은 실제 사출기를 모사하기 위해 온도 제어 센서의 온도에 따라 열유속을 제어하는방식으로 수행하였으며, ANSYS의 APDL(ANSYS Parametric Design Language) 명령어를 사용하여 온도 경계 조건을 제어하였다.

데이터처리

해를 구하였다. 최적화 프로그램으로 상용유한요소 해석 툴인 ANSYS를 사용하였다

이론/모형

유한요소법과 최적화 기법을 이용하여 히터 배치에 관한 최적 해를 구하였다. 최적화 프로그램으로 상용유한요소 해석 툴인 ANSYS를 사용하였다

성능/효과

(1) 사각 시편 금형의 3차원 과도 열전달 해석을 수행하였으며 실제 실험으로 검증한 결과 온도 분포는 약 L22~7.22% 의 오차를 보이며 잘 일치하였다.
(2) 유한요소법과 최적설계 기법을 적용하여 히터의 위치와 관련된 8개의 설계변수를 선정하고 금형 캐비티 표면의 온도 편차를 목적함수로 하여 최적화 해석을 수행하였으며 히터의 위치 변수에 대한 최적 해를 적용한 금형은 기존 금형보다 온도 편차가 52.9~88.1% 개선되었음을 알 수 있었다.
(3) 히터 배치의 설계변수에 대한 민감도 분석 결과, 금형의 분할 면과 평행한 방향의 설계 변수가 금형 캐비티 표면 온도 편차에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
6에 나타내었다. 유한요소해석과 실험에 의한 12개의 센서의 온도 값은 유사한 경향을 보이고, 약 1.22~7.22%의 오차를 보이며 대체로 잘 일치하였다. 그러나 센서 5, 6, 11, 12에서는 비교적 큰 온도 차이를 보였는데, 이곳들은 두 개의 금형이 만나는 부위이며 금형 사이의 열 접촉 저항을 고려하지 않아서 발생한 것으로 간주된다.

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저자의 다른 논문 :

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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