[논문]고무사출성형의 적정설계

이은주; 임광희; 부타이지양

doi:10.9713/kcer.2011.49.1.047

고무사출성형의 적정설계
Optimum Design of Rubber Injection Molding Process 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.49 no.1, 2011년, pp.47 - 55

이은주 (경북대학교 화학공학과) , 임광희 (대구대학교 화학공학과) , 부타이지양 (대구대학교 화학공학과)

초록
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K사의 고무 사출성형에 있어서 애로사항인 등속조인트 부트(boots)의 크 (crack) 발생 등의 문제점을 해결하기 위하여, 상용 CAE 프로그램인 MOLDFLOW(Ver. 5.2)를 이용한 전산모사를 수행하여 적정금형설계를 도출하고 적정작업조건을 구축하였다. 그 결과 크 의 발생 원인은 크 이 발생하는 위치에 형성되는 weld 및 meld line의 형성 때문이고, 또한 크 이 발생하는 위치에서의 가류(curing)가 불완전한 것이 확인되었다. 이와 같은 weld 및 meld line의 형성을 방지하기 위해서 게이트(gate)의 위치를 변경하고 최적위치에 설계함으로써, 유동선단(melt front)의 충돌 또는 수지흐름의 만남을 최소화하는 충전패턴(fill pattern)을 형성하고 부트 안쪽 하단의 크 발생을 방지하였다. Weld 및 meld line과 에어트랩(air trap) 불량이 가장 큰 게이트 위치는 각각 최적 게이트위치를 기준으로 서로 정반대 방향임이 관찰 되었다. 한편 몰드(mold)의 온도를 $170^{\circ}C$로 유지하게 함으로써 크 이 발생했던 위치에 가류조건을 만족시켰다.

Abstract ▼ AI-Helper

The optimum mold design and the optimum process condition were constructed upon executing process simulation of rubber injection molding with the commercial CAE program of MOLDFLOW (Ver. 5.2) in order to solve the process-problems of K company relating to cracks, which occurs at the inner cavity wall of C. V. joint boots. As a result it was confirmed that the real cracks occurs at the exactly same position of the cavity as exhibits the defects of weld and meld line and unsatisfactory curing according to the result of simulation. In order to prevent the occurrence of weld and meld line at the defect-position, the location of gate was altered to the optimum position of the cavity. Consequently the filling pattern was established to minimize the degree of the melt-fronts confronting or the melt-flows melding to prevent the occurrence of weld and meld line at the defect-position. It was observed that both gate-positions to maximize the degree of the formation of weld and meld line and air traps are located, respectively, in opposite direction each other with reference to the optimum gate position. In addition, the temperature of mold was raised by $10^{\circ}C$ and maintained at $170^{\circ}C$ for satisfactory curing.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

K사에서 제조되는 부트의 크미 발생위치 및 발생원인 규명 및 크기I 제거를 위한 문제해결 (trouble shooting)올 하고자한다. MOLDFLOW (Ver.
8에서와 같이, 부트의 크기 0] 발생하는 위치에서 가류 층 비율이 약 60% 정도 밖에 되지 않음이 확인되었다. 따라서 몰드 온도를 올림으로써 부트의 크미이 발생하는 위치에서 100%의 가류 층 비율을 이루고자 하였다.

제안 방법

7 및 8과 같이 각각 수행하였다. Fig. 7의 도시된 타원 내의 충전 패턴과 같이, 부트하부에서 상부로 진행하는 수지흐름과 부트 측면에서좌우로 회전하는 흐름의 충돌 패턴이 확인되었고 이러한 충돌 패턴으로 인하여 weld 및 meld line 형성 가능성이 크기 때문에 흐름충돌이 없는 충전패턴의 형성을 위해서 각각 다른 게이트 위치의 경우에 따른 사출성형 모사 및 해석을 수행하였다. 한편 가류증 비율 (cured layer fraction) 분석에서는, Fig.
MOLDFLOW (Ver. 5.0)의 MPI/reactive molding 모듈을 사용하여 K사 공정조건과 같은 8개의 캐비티, 스프루 (sprue), 런너 및 게이트를 포함한, K사에서 생산하고 있는 부트의 fusion 모델링을 Fig. 3과 같이 수행하였고 적용되는 공정조건은 Table 1과 같다. K사의 부트 사출성형재료로서 주로 클로로프렌 고무 또는 천연고무를 사용하는데, 카본블랙을 혼합하여 경도(IRHD)가 78이고 용융점이 85인 천연고무를 가황시키는 가류공정에서 가황고무의 점도를 예측하는 반응점도식의 모델 계수인 ag, n, t*, B, Tb, c1 및 c2의 값들은 각각 0.
2) 의 MPI/reactive molding 모듈을 사용하여 부트 형태를 갖춘 fusion 모델링을 수행하였다. Table 1과 같은 사출온도(성형온도), 금형온도, 사출시간 및 가류 (curing) 시간 등의 주어진 충전 및 가교과정을 포함한 사출성형 공정조건 하에서, MOLDFLOW(Ver. 5.2)의 데이터뱅크로부터 입력되는 금형 캐비티 내로 충전되는 충전물의 물성 데이터와 런너 배치 (configuration) 또는 게이트 및 에어벤트 구의 위치 선정 등을 가지고 고무 사출 성형 의전 산모 사를 수행하였다. 그 결과 부트의 사출성형을 위한 적정금형 설계를 수행하고 고무사출성형 공정의 적정 작업 조건을 구축하였다.
2)의 데이터뱅크로부터 입력되는 금형 캐비티 내로 충전되는 충전물의 물성 데이터와 런너 배치 (configuration) 또는 게이트 및 에어벤트 구의 위치 선정 등을 가지고 고무 사출 성형 의전 산모 사를 수행하였다. 그 결과 부트의 사출성형을 위한 적정금형 설계를 수행하고 고무사출성형 공정의 적정 작업 조건을 구축하였다.
2)의 MPI/reactive molding 모듈을 사용하여 모사하고 그 유동해석 결과를 실제 K사의 고무사출성형 결과와 비교하였다. 그러한 결과 비교를 통하여 부트의 적정 금형설계 및 작업조건을 제시하였다.
본 연구에서는 등속조인트 부트(이하 부트) 제작을 위한 K사의 고무 사출성형공정을 상용 소프트웨어 패키지 인 MOLDFLOW (Ver. 5.2)의 MPI/reactive molding 모듈을 사용하여 모사하고 그 유동해석 결과를 실제 K사의 고무사출성형 결과와 비교하였다. 그러한 결과 비교를 통하여 부트의 적정 금형설계 및 작업조건을 제시하였다.
본 연구의 방법으로는 부트의 사출성형을 위하여 상용 소프트웨어 패키지인 MOLDFLOW(Ver. 5.2) 의 MPI/reactive molding 모듈을 사용하여 부트 형태를 갖춘 fusion 모델링을 수행하였다. Table 1과 같은 사출온도(성형온도), 금형온도, 사출시간 및 가류 (curing) 시간 등의 주어진 충전 및 가교과정을 포함한 사출성형 공정조건 하에서, MOLDFLOW(Ver.
5의 범위에서 설정하였다. 이러한 요소분할 (meshing) 조건에 맞게 형성한 표면 (surface) 에 스프루, 런너, 게이트 등을 모델링하였다.
이와 같은 weld 및 meld line 형성의 추이를 관찰하기 위하여 K사의 사출조건으로 부트의 사출성형모사에서 충전시간 (fill-time) 분석 및 가류증 비율 (cured layer fraction) 분석을 Figs. 7 및 8과 같이 각각 수행하였다.
현재 K사에서 채택하고 있는 게이트 위치를 변경하여 Fig. 9와 같은 5개의 서로 다른 게이트 위치에서 각각 모사 및 해석을 수행하여, weld 및 meld line과 에어트랩의 생성패턴을 Fig. 10과 11과 같이 각각 관찰하였다(선정된 위치에 게이트를 설치함에 있어서, 실제 사출성형에 있어서 코아 (core) 금형의 내부로 게이트를 설치하는 것은 기술적 및 경제적으로 어려운 점이 있어서 캐비티 바깥 금형에 게이트 설치하는 것이 선호된다). Fig.

대상 데이터

FEM 법에서의 요소 (element)는 일반적으로 사용되는 삼각형 요소 형태의 shell mesh를 사용하였고, 각 요소의 aspect ratio는 1.3~1.5의 범위에서 설정하였다. 이러한 요소분할 (meshing) 조건에 맞게 형성한 표면 (surface) 에 스프루, 런너, 게이트 등을 모델링하였다.

이론/모형

Chiang et al.[1이과 Turng과 Wang[11]의 것과 유사하며 압축성유체의 continuity식을 적용하였다.
가류가 진행된다. 가교가 진행되면서 가교도 (a)가 커지며 변화하는 점도를 예즉하기 위하여 다음과 같은 reactive viscosity 모델이 사용되었다.
본 연구의 금형 충전모델은 일반화된 Hele-Shaw 모델[기을 활용하고, 수치 해석은 hybrid FEM/FDM법을 기본으로 하였다. FEM 법에서의 요소 (element)는 일반적으로 사용되는 삼각형 요소 형태의 shell mesh를 사용하였고, 각 요소의 aspect ratio는 1.

성능/효과

5.2)의 MPI/reactive molding 모듈에서 reactive molding 공정모델링은 MPI 열가소성수지 사출성형모델링과 1) 모델 및 메쉬 요구조건이 동일하며, 2) 금형과 수지와의 열전달이 존재하고, 3) 대부분의 수지가 shear thinning 거동을 보이는 점에서 공통점이 있다. 그러나 열경화성수지는 열가소성수지와 다르게 처리해야하는 특성이 있으므로, 1) 게이트 입구에서 수지 용융점은 금형 벽 온도보다 낮으며, 2) 금형 벽으로부터 처음에는 수지로 열전달이 이루어지고, 3) 수지온도가 기준점에 도달하면 가교 반응이 시작되고, 4)가교반응열이 발생하여 수지 온도는 금형 벽 온도를 초과할 수 있으며, 5) 점도는 온도, 전단율 (shear rate) 뿐만 아니라 가교정도에 대한 함수인 점에서 MPI 열기소성수지 사출성형모델링과 다르다.
2)의 MPI/reactive molding 모듈에서 reactive molding 공정모델링은 MPI 열가소성수지 사출성형모델링과 1) 모델 및 메쉬 요구조건이 동일하며, 2) 금형과 수지와의 열전달이 존재하고, 3) 대부분의 수지가 shear thinning 거동을 보이는 점에서 공통점이 있다. 그러나 열경화성수지는 열가소성수지와 다르게 처리해야하는 특성이 있으므로, 1) 게이트 입구에서 수지 용융점은 금형 벽 온도보다 낮으며, 2) 금형 벽으로부터 처음에는 수지로 열전달이 이루어지고, 3) 수지온도가 기준점에 도달하면 가교 반응이 시작되고, 4)가교반응열이 발생하여 수지 온도는 금형 벽 온도를 초과할 수 있으며, 5) 점도는 온도, 전단율 (shear rate) 뿐만 아니라 가교정도에 대한 함수인 점에서 MPI 열기소성수지 사출성형모델링과 다르다.
K사 부트의 결함인 크미의 실제 발생위치와, K사의 부트 사출성형 공정조건 하에서 MPI/reactive molding 모듈을 사용하여 수행된 전산모사 결과에서 보여주는 주요 weld 및 meld line 생성위치가 일치하였음이 관찰되었다. 한편 가류층 비율분석에서는 부트의 크미이발생하는 위치에서 가류층 비율이 약 60% 정도 밖에 되지 않음을 보여주었다.
이에 따라서 K사에서 적용하고 있는 게이트 위치를 전산모사 결과에서 제시하는 최적 게이트 위치로 변경하여 유동선단의 충돌 또는 흐름의 만남이 최소화된 충전패턴을 형성함으로써, K사 부트의 결함인 부트 안쪽 하단의 크計 생성을 방지하였다. 게이트의 최적 위치를 기점으로 한쪽 방향 (K사 게이트 위치)에서는 K사의 부트 결함과 일치하는 심각한 weld 및 meld line과 미미한 에어트랩이 나타났고, 반대 방향으로는 보통수준의 weld 및 meld line과 심각한 수준의 에어 트랩 불량이 나타났다. 따라서 weld 및 meld line과 에어트랩(air trap) 불량이 가장 큰 게이트 위치는 각각 최적 게이트위치를 기준으로 서로 정반대 방향임이 관찰되었다.
12와 같이 게이트의 최적위치를 기준점으로 오른쪽 방향 (K사 게이트 위치)으로는 K사의 부트 결함과 일치하는 심각한 weld 및 meld line과 미미한 에어트랩이 나타났고, 왼쪽방향으로는 보통수준의 weld 및 meld line과 심각한 수준의 에어 트랩이 나타났다. 따라서 weld 및 meld line과 에어트랩(air trap) 불량이 가장 큰 게이트 위치는 각각 최적 게이트위치를 기준으로 서로 정반대 방향임이 관찰되었다.
따라서 K사 부트 크기] 의 발생원인은 weld 및 meld line의 생성에 기인한다고 간주되었고, 몰드 온도를 올림으로써 부트의 크믹이 발생하는 위치에서 100%의 가류층 비율을 달성코자 하였다. 이에 따라서 K사에서 적용하고 있는 게이트 위치를 전산모사 결과에서 제시하는 최적 게이트 위치로 변경하여 유동선단의 충돌 또는 흐름의 만남이 최소화된 충전패턴을 형성함으로써, K사 부트의 결함인 부트 안쪽 하단의 크計 생성을 방지하였다. 게이트의 최적 위치를 기점으로 한쪽 방향 (K사 게이트 위치)에서는 K사의 부트 결함과 일치하는 심각한 weld 및 meld line과 미미한 에어트랩이 나타났고, 반대 방향으로는 보통수준의 weld 및 meld line과 심각한 수준의 에어 트랩 불량이 나타났다.
13 및 14와 같이 각각 구하였다. 충전시간 (fill time) 패턴에서, K사 경우 (KH)는 하부에서 상부로, 휘감아 올라가는 모습의 패턴을 보였고, case 1, 2 및 3은 중부에서 상하부로 진행하는 패턴으로, 마지막 충전단계에서 급속히 빠른 진행을 보이는 case 3에 비해, case 1 및 2는 전체적으로 안정된 패턴을 보였다. 이와 같이 case 1 및 2 에서의 게이트 위치의 최적화로 인한 개선된 충전패턴으로 weld 및 meld line 및 에어트랩의 문제를 해결하였다.

참고문헌 (11)

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Turng, L. S. and Wang, V. W., "On the Simulation of Microelectric Encapsulation with Epoxy Molding Compound," J. Reinf. Plast. Compos., 12, 506(1993).

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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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