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문제 정의
- 냉각에 의해 액체 상태의 수지는 고체 상태로 상변화가 일어나며, 이에 따라 해석 대상의 물성치가 변화하도록 하였다. 이 연구의 목적은 직육면체의 제품에 대하여 냉각 채널의 위치 변화에 따른 열전달 현상과 온도분포를 확인하고, 냉각효과를 평가하는 것이다. 고온의 액체 상태 수지가 캐비티(cavity)에 충전되며, 보압, 냉각과정까지의 해석을 수행 하였다.
제안 방법
- 이 연구의 목적은 직육면체의 제품에 대하여 냉각 채널의 위치 변화에 따른 열전달 현상과 온도분포를 확인하고, 냉각효과를 평가하는 것이다. 고온의 액체 상태 수지가 캐비티(cavity)에 충전되며, 보압, 냉각과정까지의 해석을 수행 하였다.
- 본 연구는 직육면체 형태의 제품을 대상으로 하였으며, 고온의 액체 상태 수지가 캐비티(cavity)에 충전되어있는 상황을 고려하였다. 냉각에 의해 액체 상태의 수지는 고체 상태로 상변화가 일어나며, 이에 따라 해석 대상의 물성치가 변화하도록 하였다. 이 연구의 목적은 직육면체의 제품에 대하여 냉각 채널의 위치 변화에 따른 열전달 현상과 온도분포를 확인하고, 냉각효과를 평가하는 것이다.
- Tang외 4인[1]은 임의의 형상에 대하여 균일하지 않은 온도분포에 따른 형상의 뒤틀림을 수치해석을 통해 예측하였으며, Qiao[2]는 계산 방법을 비교 검증하여 2차원 형상에서 냉각 단계만을 고려하였다. 동일 냉각수 유량 조건하 냉각 채널의 위치에 따른 제품의 온도 분포를 각각의 계산 방법에 대하여 비교하였다. Guilong외 3인[3]은 냉각채널의 위치변화에 따른 급속 금형 가열 공정에서 가열 및 냉각 시스템의 최적화를 연구하였다.
- 유동이 대칭적으로 발생되도록 제품의 중앙에 게이트를 위치하도록 하였으며, 종류는 핀 포인트 게이트로서 1 mm의 끝지름을 적용하였다. 러너 시스템(runner system)은 콜드 러너를 적용하였으며, 스프루(sprue)의 시작지름은 2 mm, 끝 지름은 4 mm이며, 러너의 길이는 60 mm이다. 제품의 주위로 4개의 냉각채널이 존재하며 채널의 직경은 8 mm이다.
- 해당 이론으로 이론적으로 예측 가능한 모델에 대하여 수치해석을 수행하였으며, 이를 이론 계산결과와 비교를 통해 검증하였다. 비교 검증 후 직육면체 형상을 일부 변형시킨 모델에 대하여 해석을 수행하였으며, 이때 정사각형, 직사각형, 원형의 단면을 갖는 냉각 채널을 설계하여 단면 형상 차이에 따른 냉각효과를 분석하였다. 온도 분포 및 최고 온도, 상변화 완료시간을 비교 기준으로 하여 형상에 따른 장단점을 분석하였다.
- 비교 검증 후 직육면체 형상을 일부 변형시킨 모델에 대하여 해석을 수행하였으며, 이때 정사각형, 직사각형, 원형의 단면을 갖는 냉각 채널을 설계하여 단면 형상 차이에 따른 냉각효과를 분석하였다. 온도 분포 및 최고 온도, 상변화 완료시간을 비교 기준으로 하여 형상에 따른 장단점을 분석하였다.
- 유동이 대칭적으로 발생되도록 제품의 중앙에 게이트를 위치하도록 하였으며, 종류는 핀 포인트 게이트로서 1 mm의 끝지름을 적용하였다. 러너 시스템(runner system)은 콜드 러너를 적용하였으며, 스프루(sprue)의 시작지름은 2 mm, 끝 지름은 4 mm이며, 러너의 길이는 60 mm이다.
대상 데이터
- Fig. 2는 생성된 Mesh로서 Moldflow Plastics Insight 6.1에서 제공하는 Fusion mesh를 적용하였으며, 노드의 개수는 2491개이며, 평균 aspect ratio가 1.5인 mesh로 구성되어 있다.
- 본 연구는 직육면체 형태의 제품을 대상으로 하였으며, 고온의 액체 상태 수지가 캐비티(cavity)에 충전되어있는 상황을 고려하였다. 냉각에 의해 액체 상태의 수지는 고체 상태로 상변화가 일어나며, 이에 따라 해석 대상의 물성치가 변화하도록 하였다.
- 1은 길이방향으로 제품의 중앙인 z=0 mm에서 3차원 해석 모델의 단면을 보여주고 있다. 제품의 제원은 두께 2 mm, 폭 100 mm, 길이 200 mm이다.
- 러너 시스템(runner system)은 콜드 러너를 적용하였으며, 스프루(sprue)의 시작지름은 2 mm, 끝 지름은 4 mm이며, 러너의 길이는 60 mm이다. 제품의 주위로 4개의 냉각채널이 존재하며 채널의 직경은 8 mm이다. 각각의 냉각채널의 위치는 변수 X, Y에 의해 결정되며, X는 x=0으로부터 10 mm, 20 mm, 30 mm의 값을, Y는 Y=0으로부터 8 mm, 16 mm, 24 mm의 값을 갖게 된다.
데이터처리
- Hassan외 3인[4]은 3차원 형상에서 충전과 보압, 냉각과 취출 과정에서의 밀도 변화와 열전달을 모두 고려하여 이론적으로 접근하였다. 해당 이론으로 이론적으로 예측 가능한 모델에 대하여 수치해석을 수행하였으며, 이를 이론 계산결과와 비교를 통해 검증하였다. 비교 검증 후 직육면체 형상을 일부 변형시킨 모델에 대하여 해석을 수행하였으며, 이때 정사각형, 직사각형, 원형의 단면을 갖는 냉각 채널을 설계하여 단면 형상 차이에 따른 냉각효과를 분석하였다.
성능/효과
- 1) 충전단계 완료 시점, 즉 냉각단계의 초기 온도분포는 짧은 시간동안 수지와 금형의 열전달로 인해 제품 중앙과 끝부분에서 27℃의 비교적 큰 온도 차이를 보이며, 이러한 제품의 온도 차이가 냉각채널의 위치 선정에 영향을 주는 요인임을 확인할 수 있다.
- 2) 제품의 끝단이 게이트로부터 충분히 먼 경우 해당 부분의 냉각을 위한 냉각채널의 설치보다는 게이트 부근의 냉각이 집중되어야함을 알 수 있다.
- 3) 냉각단계 종료 시 제품의 낮은 온도 형성은 취출시 변형의 영향을 더 적게 하나 그 한계가 있으며, 이로부터 게이트 부근의 냉각집중이 중요함을 알 수 있다.
- 4) 제품의 형상에 따라 게이트 위치, 개수, 냉각 채널의 지름과 유량을 조정하여 보다 효과적인 변형억제를 예상할 수 있다.
- 이 외의 온도분포가 Case 1과 유사한 경향을 보이나, 전반적으로 낮은 온도를 보이며 끝단에서의 변형은 Case 7에서 보다 적은 변형을 보이고 있다. 그래프 상에서 끝단의 변형량이 게이트 부근보다 많은 것으로 보이나, 실제적인 차이는 0.001 mm 차이로 1%의 차이를 보이게 되며, 변형량을 전체 두께에 대하여 표시하였을 때 5% 이내의 변형을 보여 비교적 변형이 적은 것을 알 수 있다.
- 마지막에 주입되는 중앙부분에 비해 초기에 금형 표면을 따라 제품의 끝단으로 채워지는 수지는 금형과의 열전달로 인해 제품 끝에서의 온도가 대략 20℃ 정도 낮은 상태에서 냉각과정이 시작된다. 이로 인해 해석 결과 전반에서 냉각과정 종료 후 제품 끝에서의 온도가 낮음을 확인할 수 있다.
- 최소온도의 영향을 확인하기 위하여 각 해석에 대하여 냉각시간을 추가하여 제품전체에서 최고 온도가 30℃이하일 때 제품의 변형량을 확인하였으나 제품 전체의 온도가 낮아져도 변형량에는 차이가 없음을 확인 할 수 있었다. 이로부터 단순히 제품 전반의 온도를 낮추는 것이 제품의 변형에 영향이 없음을 알 수 있으며, 적절한 냉각채널 추가를 통한 변형감소가 필요함을 예상해 볼 수 있다.
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