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문제 정의
- 본 논문에서는 기하학적으로 균형 잡힌 러너시스템을 가진 다수 캐비티 사출금형에서 발생하는 충전 불균형 현상에 대해 그 원인을 구체적으로 규명하고, 충전 불균형에 영향을 주는 외부요인 중의 하나인 러너시스템 형상에 따른 균형 충전을 중점으로 연구하였으며, 점도가 다른 두 재료에서 사출 속도에 따른 충전 불균형 현상의 관찰 및 원인을 고찰하였다. 충전 불균형을 최소화하기 위한 새로운 러너 시스템을 제시하고 충전 균형을 확인 하였다.
- 본 연구는 다수 캐비티 금형에서 충전 불균형 현상에 대한 원인을 검토하고 사출성형해서 소프트웨어를 이용 하여 시뮬레이션을 하여 충전 패턴을 예측 하였고 점도및 물성이 다른 PC, PP에 대한 사출속도에 따른 충전현상을 알아보기 위해 사출성형 실험과 성형해석을 수행하였다.
제안 방법
- PC와 PP 두 재료에 대하여 여러 사출속도에서 충전에 미치는 영향을 관찰하였다. PC에서 사출속도에 따른 충전현상을 그림 4에 나타내었다.
- 사출속도가 각 캐비티의 충전에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위해 표 1에 나타난 성형 조건으로 사출성형 실험을 수행하였다. PC와 PP는 각각 휴대폰 카메라 모듈과 하우징과 배럴 등에 사용되는 수지로써, 재료의 금형온도는 실제 양산시 사용되는 온도를 적용하였다. 사출 성형 실험에서 최초 정상 사출 상태에 이르기까지 약 50shot 이상을 수행하고 각 조건별 시편을 얻기 위해 약 30shot 수행 후 5개의 시편을 얻어 측정하였다.
- 각 캐비티에서의 충전 불균형을 모사하기 위해 Autodesk사의 Moldflow을 사용하였다. Moldflow는 사출 성형 해석 전용 프로그램으로서 2차원 해석뿐 아니라 관성 및 비등온 유동과 같은 실제적인 3차원 해석을 지원한다.
- PC와 PP는 각각 휴대폰 카메라 모듈과 하우징과 배럴 등에 사용되는 수지로써, 재료의 금형온도는 실제 양산시 사용되는 온도를 적용하였다. 사출 성형 실험에서 최초 정상 사출 상태에 이르기까지 약 50shot 이상을 수행하고 각 조건별 시편을 얻기 위해 약 30shot 수행 후 5개의 시편을 얻어 측정하였다. 시편의 무게는 평균값을 이용하여 분석하였다.
- Moldflow는 사출 성형 해석 전용 프로그램으로서 2차원 해석뿐 아니라 관성 및 비등온 유동과 같은 실제적인 3차원 해석을 지원한다. 사출성형 과정에서 충전, 보압, 냉각 해석 및 사출성형 후 제품의 수축 및 휨 현상도 예측할 수 있으며 각 과정의 마지막에서의 수지의 유동, 온도, 압력, 전단응력 등을 예측한다, 또한 압력이나 형체력 및 웰드라인, 에어트랩의 발생 가능한 위치도 해석으로 예측 가능하다.
- 각 수지의 건조 조건은 PC는 110℃에서 10시간, PP는 100℃에서 6시간 이다. 사출속도가 각 캐비티의 충전에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위해 표 1에 나타난 성형 조건으로 사출성형 실험을 수행하였다. PC와 PP는 각각 휴대폰 카메라 모듈과 하우징과 배럴 등에 사용되는 수지로써, 재료의 금형온도는 실제 양산시 사용되는 온도를 적용하였다.
- 볼륨 러너 단면의 온도분포를 보면 A의 러너 단면의 온도분포는 스프루와 가까운 벽면의 온도분포가 높게 나타나는 온도 불균일을 보이나 볼륨 러너 B, C, D, E를 용융수지가 흘러가며 F에서 온도가 균일해 짐을 알 수 있다. 새로운 러너 시스템인 볼륨 러너는 러너 벽면부와 러너 중심부의 용융수지의 전단율의 차이를 개선하기 위하여 상대적으로 전단율이 큰 유동선단을 감소시킬 수 있도록 함으로써 유동선단의 전단율을 균일하게 하여 내측 캐비티와 외측 캐비티가 동시에 충전할 수 있도록 하였고 러너 벽면 간 온도편차는 0.4℃의 온도편차를 나타내었다.
- 본 논문에서는 기하학적으로 균형 잡힌 러너시스템을 가진 다수 캐비티 사출금형에서 발생하는 충전 불균형 현상에 대해 그 원인을 구체적으로 규명하고, 충전 불균형에 영향을 주는 외부요인 중의 하나인 러너시스템 형상에 따른 균형 충전을 중점으로 연구하였으며, 점도가 다른 두 재료에서 사출 속도에 따른 충전 불균형 현상의 관찰 및 원인을 고찰하였다. 충전 불균형을 최소화하기 위한 새로운 러너 시스템을 제시하고 충전 균형을 확인 하였다.
- 절점에는 수많은 방정식이 포함되어 있으며 유한요소법에서는 조합된 방정식을 풀기 때문에 이러한 절점들은 인접한 요소에 있는 절점들과 반드시 공유되어 있어야 한다. 해석 모델에서는 캐비티 뿐 아니라 delivery system 전체에서 흐름을 잘 관찰하기 위하여 테트라 형태의 3차원 요소로 해석을 하였으며 해석 조건은 사출 성형실험의 조건과 동일하게 적용하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 사출기는 우진 세렉스 사출기 (NE220 A)이며 형체력 220ton, 최대 사출압은 2117kg/cm2 최대사출속도는 91mm/sec, 스크류 지름은 50mm이다. 수지는 제일모직의 PC(SC-1620) 와 삼성토탈의 PP(HJ-700)를 사용하였다.
- 최대사출속도는 91mm/sec, 스크류 지름은 50mm이다. 수지는 제일모직의 PC(SC-1620) 와 삼성토탈의 PP(HJ-700)를 사용하였다. 각 수지의 건조 조건은 PC는 110℃에서 10시간, PP는 100℃에서 6시간 이다.
- DFI는 0% 일 때 완전한 균형 충전을 의미한다. 시편중량 측정을 위해 Precisa의 XB-220A 전자저울(0.001g 정밀도)을 사용하여 시편 중량을 측정하였다.
- 스프루에서 각 캐비티 간 거리는 모두 같은 기하학적으로 균형 있게 설계되어 있다. 캐비티의 두께는 2.5mm, 폭은 40mm, 길이는 50mm 이다.
데이터처리
- 사출 성형 실험에서 최초 정상 사출 상태에 이르기까지 약 50shot 이상을 수행하고 각 조건별 시편을 얻기 위해 약 30shot 수행 후 5개의 시편을 얻어 측정하였다. 시편의 무게는 평균값을 이용하여 분석하였다.
이론/모형
- 충전량이 큰 내측 캐비티와 충전량이 작은 외측 캐비티 사이에서 발생하는 충전 불균형 현상을 정량적으로 나타내기 위해 시편중량을 측정하여 충전 불균형도(DFI; Degree of Filling Imbalance)을 사용하였다[23]. DFI는 0% 일 때 완전한 균형 충전을 의미한다.
성능/효과
- 사출속도에 따른 PC, PP의 충전 불균형도 값의 변화를 그림 13에 나타내었다. DFI는 0%에 가까울수록 균형 충전에 가까워지며 사출속도 증가에 따라 각 충전 불균형도는 증가되는 경향을 보였다.
- PC에서 사출속도에 따른 충전현상을 그림 4에 나타내었다. 본 연구에서 관찰하고자하는 캐비티 충전의 차이는 관찰할 수 있었다. 충전 현상은 사출속도를 조절하며 미성형 실험을 수행한 것이다.
- 러너의 캐비티 압력분포는 그림 23와 같다. 볼륨 러너 부의 내측과 외측 캐비티 압력분포는 균일한 반면 기본 러너의 캐비티 압력 분포는 불균일한 분포를 보였는데 먼저 채워지는 내측 캐비티의 압력이 외측 캐비티의 압력보다 높게 나타났다.
- 사출속도에 따른 볼륨 러너의 PC, PP의 충전 불균형도 값의 변화를 그림 24에 나타내었다. 볼륨 러너 시스템은 기본 형태의 러너의 비해 충전 균형은 PC의 경우 최대 약 4배, PP의 경우 최대 약 5배 향상 되었고 사출속도 증가에 따라 각 충전 불균형도는 증가되는 경향을 보였다. 볼륨 러너에서 DFI 값이 2~4%인 이유는 이론적으로 러너의 효과를 보기위해 미성형 사출성형 실험을 하였고 완전한 충전과 보압 과정을 통해 제품을 성형했다면 중량 편차가 적은 제품을 얻었을 것이다.
- 그림 10은 PP의 사출속도에 따른 충전현상이다. 사출 속도를 50, 70, 90mm/sec로 변경시켜 미성형 실험한 결과 모든 조건에서 충전 불균형이 나타났고 속도가 증가할수록 충전 불균형이 컸다.
- 사출속도가 증가 할수록 PC, PP의 충전 불균형도는 증가하는 것을 관찰 할 수 있었다. 이러한 현상은 수지간의 열 발생이 다르기 때문이며 이것은 점도 차이에 기인된다.
- 다수 캐비티 사출 금형에서 충전 불균형도는 각 수지마다 다르게 나타났으며 러너 내부에서의 불균일한 전단열의 차이로 인해 온도분포가 다르게 나타나기 때문이다. 사출속도가 증가함에 따라 충전 불균형도가 증가하는 것을 확인 할 수있었고 PC는 PP보다 높은 점도를 가지고 있기 때문에 동일한 사출 속도에서 열 발생이 크게 나타난다. 따라서 온도발생이 크고 유동채널 내 벽면부 온도가 더 높게 나타나고 온도불균형이 심화되어 충전 불균형이 더욱 심하게 나타나게 되는 것이다.
- 충전 현상은 사출속도를 조절하며 미성형 실험을 수행한 것이다. 사출속도를 50, 70, 90 mm/sec로 변경시켜 미성형 실험한 결과 모든 조건에서 충전 불균형이 나타났다. 속도가 낮은 50 mm/sec일 때 보다 속도가 높은 90 mm/sec에서 충전 불균형이 컸다.
- 충전 불균형 현상은 러너 내부의 불균일한 전단분포에 의해 발생되며, CAE 해석을 통해 각 수지마다 사출속도에 따른 충전 패턴 경향과 온도분포를 예측 할 수 있었고, 사출성형 실험과 일치함을 알 수 있었다. 다수 캐비티 사출 금형에서 충전 불균형도는 각 수지마다 다르게 나타났으며 러너 내부에서의 불균일한 전단열의 차이로 인해 온도분포가 다르게 나타나기 때문이다.
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