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문제 정의
- 본 연구에서는 부분적으로 후육부를 가지는 평판형 제품의 제작을 위한 사출 금형의 냉각 채널 설계에 관한 연구를 수행하였다. 부분적으로 후육부를 가지는 평판형 제품의 휨 변형을 감소시키기 위하여, 후육부 성형부에 형상적응형 냉각 채널을 적용하였다.
- 본 연구에서는 부분적으로 후육부를 가지는 평판형 제품의 제작을 위한 사출성형 금형의 냉각채널 설계에 관한 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
가설 설정
- 1 을 사용하였다. 상코어의 형상적응형 냉각채널을 가지는 부분과 추가적인 직선형 냉각채널을 가지는 부분의 P21 재료 물성을 부가하기 위하여 몰드 인서트로 가정 하였다.
제안 방법
- Fig. 3 과 같은 초기 냉각 채널 설계가 적용된 초기 금형 설계에 대하여 사출성형해석을 수행하였다. 그 후 제품의 수축과 휨변형이 크게 나타나고 제품 내부 온도 편차가 크게 나타나는 사출성형단계를 냉각 채널 설계 변경에 대한 적용 대상 사출성형 단계로 선정하였다.
- 3 과 같은 초기 냉각 채널 설계가 적용된 초기 금형 설계에 대하여 사출성형해석을 수행하였다. 그 후 제품의 수축과 휨변형이 크게 나타나고 제품 내부 온도 편차가 크게 나타나는 사출성형단계를 냉각 채널 설계 변경에 대한 적용 대상 사출성형 단계로 선정하였다.
- 사출성형해석 결과 이중 사출성형공정에서 본 연구 대상 공정인 1 차 성형공정이 2 차 성형공정보다 30 초 이상의 더 긴 사출성형시간 (Cycle time) 을 필요로 하였다. 그러므로 사출성형 실험에서는 1 차 성형공정의 최적화를 중심으로 연구를 수행하였다. 사출성형해석 결과 취득된 1 차 성형공정의 사출시간, 보압시간 및 취출시간을 포함한 냉각시간은 각각 2.
- 둘째, 후육부 부근에 직선형 냉각채널을 적용한 경우와 형상적응형 냉각채널을 적용한 경우에 대한 사출성형해석 결과를 비교/분석 하였다. 그 결과 형상적응형 냉각 채널을 적용할 경우가 직선형 냉각채널을 적용한 경우보다 균일/고속 냉각되는 것을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 부분적으로 후육부를 가지는 평판형 제품의 제작을 위한 사출 금형의 냉각 채널 설계에 관한 연구를 수행하였다. 부분적으로 후육부를 가지는 평판형 제품의 휨 변형을 감소시키기 위하여, 후육부 성형부에 형상적응형 냉각 채널을 적용하였다. 사출성형해석을 통하여 형상적응형 냉각 채널의 적절한 설계를 도출하였다.
- 12 와 같이 제작하였다. 사출성형 금형강인 KP4M 을 기계가공하여 기저부분 (Base part) 과 형상적응형 냉각채널을 제작하였다. 가공된 냉각채널 부분의 막힘을 제거하기위하여 동 파이프를 삽입 하였다.
- 사출성형해석을 통하여 형상적응형 냉각 채널의 적절한 설계를 도출하였다. 사출성형해석을 통하여 직선형 냉각 채널만으로 구성된 사출성형금형과 형상적응형 냉각채널과 직선형 냉각채널을 가지는 사출성형 금형으로 제작된 제품에 대한 제품의 온도/수축/휨변형 분포를 비교/분석하였다. 형상적응형 냉각 채널을 가지는 사출성형 금형을 제작한 후, 사출성형 실험을 수행하여 본 제안된 금형의 제품 제작성을 고찰하였다.
- 부분적으로 후육부를 가지는 평판형 제품의 휨 변형을 감소시키기 위하여, 후육부 성형부에 형상적응형 냉각 채널을 적용하였다. 사출성형해석을 통하여 형상적응형 냉각 채널의 적절한 설계를 도출하였다. 사출성형해석을 통하여 직선형 냉각 채널만으로 구성된 사출성형금형과 형상적응형 냉각채널과 직선형 냉각채널을 가지는 사출성형 금형으로 제작된 제품에 대한 제품의 온도/수축/휨변형 분포를 비교/분석하였다.
- 셋째, 형상적응형 냉각채널을 가진 부분 금형과 이중사출성형을 위한 전체 금형을 제작하여 사출성형 실험을 수행하였다. 형상적응형 냉각채널을 가진 부분 금형을 제작하기 위하여 DMT 공정과 기계가공공정을 이용한 하이브리드 쾌속생산공정을 이용하였다.
- 0 mm 인 테이퍼형 콜드 스프루를 사용하였다. 스프루와 연결되는 런너 (Runner) 들은 윗변, 높이 및 아랫변이 각각 8 mm, 8 mm 및 5 mm 를 가지는 사다리꼴 단면의 런너를 적용하였다. 런너와 게이트를 연결하는 2차 스프루는 초기직경과 최종직경이 각각 12.
- 형상적응형 냉각채널에 대한 9 가지 설계안에 대하여 사출성형해석을 수행하였다. 이 결과들을 이용하여 설계안들에 따른 온도 분포, 수축율 및 휨 변형량 분포들을 변화를 비교/분석 하였다. 최종적으로 수축율과 휨변형을 최소화 시키며, 냉각 특성을 개선할 수 있는 적절한 형상적응형 냉각채널 설계를 도출하였다.
- 3 초 였다. 이 결과를 이용하여 사출성형 실험에서는 냉각시간을 감소시키는 방법으로 실험을 수행하였다.
- 이중사출성형 실험을 통하여 Fig. 14 와 같은 부분적으로 후육부를 가지는 평판형 플라스틱 제품을 제작하였다. 1 차 성형제품에서는 수축이나 휨 변형을 확인하기 어려웠다.
- 초기 설계의 직선형 냉각 채널 배치에 후육부 후면에 형상적응형 냉각채널이 추가적으로 배치되도록 설계하였다. 적절한 형상적응형 냉각채널의 설계를 산출하기 위하여 형상적응형 냉각채널의 직경 및 형상적응형 냉각채널과 후육부간의 거리의 조합에 따라 9 가지 설계안을 도출하였다. 설계에 적용된 형상적응형 냉각 채널의 직경 (Π) 은 4 mm, 5 mm 및 6 mm 이다.
- 초기 설계의 직선형 냉각 채널 배치에 후육부 후면에 형상적응형 냉각채널이 추가적으로 배치되도록 설계하였다. 적절한 형상적응형 냉각채널의 설계를 산출하기 위하여 형상적응형 냉각채널의 직경 및 형상적응형 냉각채널과 후육부간의 거리의 조합에 따라 9 가지 설계안을 도출하였다.
- 17 DMT (Laseraided Direct Metal Tooling) 공정을 이용 하여 기저부분 위에 P21 금속 분말을 레이저로 용융시켜 연속적으로 적층함으로써 금형 외곽 형상을 제작하였다. 최종적으로 후가공을 수행하여 형상적응형 냉각채널을 가지는 부분의 금형을 제작하였다.
- 사출성형해석을 통하여 직선형 냉각 채널만으로 구성된 사출성형금형과 형상적응형 냉각채널과 직선형 냉각채널을 가지는 사출성형 금형으로 제작된 제품에 대한 제품의 온도/수축/휨변형 분포를 비교/분석하였다. 형상적응형 냉각 채널을 가지는 사출성형 금형을 제작한 후, 사출성형 실험을 수행하여 본 제안된 금형의 제품 제작성을 고찰하였다.
- 형상적응형 냉각채널과 직선형 냉각채널을 가진 사출성형금형으로 제작된 제품과 후육부에 직선형 냉각채널을 가지는 사출성형금형으로 제작된 제품의 온도 분포, 냉각 특성, 수축율 분포 및 휨 변형량 분포를 Fig. 11 과 같이 비교/분석하였다.
- 형상적응형 냉각채널에 대한 9 가지 설계안에 대하여 사출성형해석을 수행하였다. 이 결과들을 이용하여 설계안들에 따른 온도 분포, 수축율 및 휨 변형량 분포들을 변화를 비교/분석 하였다.
- 셋째, 형상적응형 냉각채널을 가진 부분 금형과 이중사출성형을 위한 전체 금형을 제작하여 사출성형 실험을 수행하였다. 형상적응형 냉각채널을 가진 부분 금형을 제작하기 위하여 DMT 공정과 기계가공공정을 이용한 하이브리드 쾌속생산공정을 이용하였다. 이 금형을 이용하여 이중사출성형 실험을 수행하여, 목적한 품질을 가지는 부분적으로 후육부를 가지는 평판형 제품을 제작할 수 있었다.
대상 데이터
- 2 는 이중 사출성형금형의 스프루/런너/게이트 설계를 나타낸다. 1, 2 단계의 스프루 (Sprue)는 초기 직경과 최종직경이 각각 5.5 mm 와 9.0 mm 인 테이퍼형 콜드 스프루를 사용하였다. 스프루와 연결되는 런너 (Runner) 들은 윗변, 높이 및 아랫변이 각각 8 mm, 8 mm 및 5 mm 를 가지는 사다리꼴 단면의 런너를 적용하였다.
- 가공된 냉각채널 부분의 막힘을 제거하기위하여 동 파이프를 삽입 하였다.17 DMT (Laseraided Direct Metal Tooling) 공정을 이용 하여 기저부분 위에 P21 금속 분말을 레이저로 용융시켜 연속적으로 적층함으로써 금형 외곽 형상을 제작하였다. 최종적으로 후가공을 수행하여 형상적응형 냉각채널을 가지는 부분의 금형을 제작하였다.
- 17 금형의 나머지 부분은 모두 가장 널리 사용되는 사출성형 금형강인 KP4M 으로 제작되도록 하였다.
- 2 mm 인 테이퍼형을 사용하였다. 게이트는 직경 1 mm 의 핀 포인트 게이트 (Pin point gate) 를 사용하였다. 이중사출성형 금형과 코어의 크기는 Fig.
- 또한 설계에 적용된 형상적응형 냉각채널과 후육부간의 거리 (ϖ) 는 6 mm, 11 mm 및 16 mm 이다.
- 스프루와 연결되는 런너 (Runner) 들은 윗변, 높이 및 아랫변이 각각 8 mm, 8 mm 및 5 mm 를 가지는 사다리꼴 단면의 런너를 적용하였다. 런너와 게이트를 연결하는 2차 스프루는 초기직경과 최종직경이 각각 12.3 mm와 2.2 mm 인 테이퍼형을 사용하였다. 게이트는 직경 1 mm 의 핀 포인트 게이트 (Pin point gate) 를 사용하였다.
- 본 연구의 대상 제품은 Fig. 1 과 같이 제품의 한쪽 끝부분에 후육부 (Thick volume) 를 가지는 평판형 제품이다. 본 제품의 크기는 170 mm × 150 mm × 20 mm 이다.
- 본 제품의 크기는 170 mm × 150 mm × 20 mm 이다.
- 설계에 적용된 형상적응형 냉각 채널의 직경 (Π) 은 4 mm, 5 mm 및 6 mm 이다.
- 위 결과들로부터 본 연구의 냉각 채널 설계 적용 대상 금형을 1 차 제품 사출성형 금형으로 선정하였다.
- 3 과 같이 직경 10 mm 와 6 mm 가 혼합된 직선형 냉각 채널들이 배열되었다. 이중 사출성형 금형의 재료는 사출성형 금형강으로 많이 활용되고 있는 KP4M 을 적용하였다.
- 형상적응형 냉각채널을 포함하는 부분은 하이브리드 직접식 금속쾌속툴링 공정 17 으로 제작되도록 설계되었다. 형상적응형 냉각채널을 포함하는 부분의 적층재료는 P21 로 선정하였다.17 금형의 나머지 부분은 모두 가장 널리 사용되는 사출성형 금형강인 KP4M 으로 제작되도록 하였다.
- 첫째, 9 가지 형상적응형 냉각채널 설계안에 대한 반복적인 사출성형해석을 수행하여 부분적으로 후육부를 가지는 평판형 제품의 균일/고속 냉각이 가능하고 및 수축과 휨 변형을 감소 시킬 수 있는 적절한 설계안을 도출할 수 있었다. 형상적응형 냉각채널의 직경 및 형상적응형 냉각채널과 후육부간의 거리가 각각 6 mm 와 6 mm 인 Design 7 을 바람직한 형상적응형 냉각채널을 가진 부분의 금형 설계로 선정할 수 있었다.
- 4 mm 이다. 후육부에 직선형 냉각채널을 포함하는 부분의 재료도 형상적응형 냉각채널을 가지는 경우와 동일하게 P21 재료를 적용하였다.17 금형의 다른 부분은 모두 KP4M 으로 제작되도록 하였다.
이론/모형
- 사출성형해석은 Moldflow MPI V6.1 을 사용하였다. 상코어의 형상적응형 냉각채널을 가지는 부분과 추가적인 직선형 냉각채널을 가지는 부분의 P21 재료 물성을 부가하기 위하여 몰드 인서트로 가정 하였다.
성능/효과
- 그러나 2 단계에서는 평판부 4 곳의 끝단부에서만 휨 변형이 발생하는 것을 알 수 있었다. 1 단계 사제품에서 2 단계 제품보다 훨씬 넓은 영역에 휨 변형이 크게 발생하는 것을 알 수 있었다. 또한, Fig.
- 1 차 성형제품에서는 수축이나 휨 변형을 확인하기 어려웠다. 2 차 성형제품에서는 평판부의 중앙 테두리부에 약 0.5 mm 이하의 매우 작은 휨 변형이 발생하는 것을 알 수 있었다. 이 결과로부터 Design 7 의 형상적응형 냉각채널 설계를 적용하면 부분적으로 후육부를 가지는 평판형 플라스틱제품의 제작이 가능함을 알 수 있었다.
- 9 가지의 형상적응형 냉각채널 설계안에 따른제품 내부의 온도 분포와 냉각 성능의 변화 및 제품의 수축율/휨 변형량 분포의 변화를 고찰한 결과, 형상적응형 냉각 채널의 직경이 6 mm 이고 형상적응형 냉각채널과 후육부와 거리가 6 mm 인 Design 7 설계안이 가장 적절한 형상적응형 냉각채널 설계임을 알 수 있었다.
- 그러나, 형상적응형 냉각채널과 후육부 간의 거리가 6 mm 일때는 최대 온도 발생부의 온도가 약 78 ℃ 이하로 나타났다. Fig. 8 에서 형상적응형 냉각채널과 후육부 간의 거리가 16 mm 에서 11 mm로 감소할 때의 최대 온도 감소율에 비하여, 형상적응형 냉각채널과 후육부 간의 거리가 11 mm 에서 6 mm 로 감소할 때의 최대 온도 감소율이 현저히 크게 나타남을 알 수 있었다. Fig.
- 둘째, 후육부 부근에 직선형 냉각채널을 적용한 경우와 형상적응형 냉각채널을 적용한 경우에 대한 사출성형해석 결과를 비교/분석 하였다. 그 결과 형상적응형 냉각 채널을 적용할 경우가 직선형 냉각채널을 적용한 경우보다 균일/고속 냉각되는 것을 알 수 있었다. 그러나 형상적응형 냉각채널을 적용하였을 때, 체적 수축율과 휨 변형량은 각각 6.
- 그 결과 형상적응형 냉각 채널을 적용할 경우가 직선형 냉각채널을 적용한 경우보다 균일/고속 냉각되는 것을 알 수 있었다. 그러나 형상적응형 냉각채널을 적용하였을 때, 체적 수축율과 휨 변형량은 각각 6.75 % 와 0.58 mm 이하로 개선됨을 알 수 있었다. 또한 형상적응형 냉각채널이 적용될 경우 수축과 휨 변형이 대칭형태에 가깝게 나타남을 알 수 있었다.
- 11 과 같이 형상적응형 냉각채널을 적용한 경우와 직선형 냉각채널을 적용한 경우가 거의 유사하게 나타났다. 그러나 후육부의 최대 온도 발생 영역에는 형상적응형 냉각채널을 적용한 경우가 직선형 냉각채널을 적용한 경우에 비하여 체적 수축율이 약 0.24 % 정도 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 제품 내부의 온도 분포를 고찰한 결과, 1 차 제품의 후육부 하단에서 가장 높은 온도 분포를 나타내었다. 또한 1 차 제품의 후육부와 평판부의 최대 온도차가 약 2 차 제품의 후육부와 평판부의 최대 온도차 보다 현저히 크게 나타남을 알 수 있었다. 이 결과로부터 1 차 제품의 수축율과 휨 변형이 2 차 제품 보다 크게 나타난 것은 1 차 제품의 후육부 체적이 2 차 제품의 후육부 체적보다 커서 냉각 지연에 의한 온도의 불균일 현상이 크게 발생하였기 때문으로 사료되었다.
- 사출성형 실험결과 1 차 공정의 냉각시간이 65 초임을 알 수 있었다. 또한 2 차 공정을 위한 금형 회전시간이 약 2 초 정도가 소요됨을 알 수 있었다. 그러므로 사출성형 실험결과 얻어진 1 차 제품의 총 냉각시간은 67 초임을 알 수 있었다.
- 63 mm 였다. 또한 Design 7 의 형상적응형 냉각채널을 가진 사출성형금형 제작된 초기 금형에서의 직선형 냉각채널을 가지는 금형을 제작된 제품보다 작고 대칭적인 휨변형이 발생하는 것을 알 수 있었다.
- 58 mm 이하로 개선됨을 알 수 있었다. 또한 형상적응형 냉각채널이 적용될 경우 수축과 휨 변형이 대칭형태에 가깝게 나타남을 알 수 있었다.
- 4 에서 1 단계 성형품의 후육부에서 수축율이 가장 크게 나타났다. 또한, 1 단계 사출성형 제품에서 평판부와 후육부의 수축율 차이가 2 단계 사출성형 제품보다 크게 나타나는 것을 알 수 있었다. 1단계와 2 단계 사출성형 제품들의 평균 수축율이 각각 4.
- 이 결과들로부터 제품내 최대 온도 분포에 가장 크게 영향을 미치는 설계 변수는 형상적응형 냉각채널과 후육부 간의 거리임을 알 수 있었다. 또한, 냉각채널과 후육부 간의 거리 및 냉각채널 직경이 각각 6 mm 와 6 mm 일때, 가장 낮고 균일한 온도 분포를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
- 사출성형 실험결과 1 차 공정의 냉각시간이 65 초임을 알 수 있었다. 또한 2 차 공정을 위한 금형 회전시간이 약 2 초 정도가 소요됨을 알 수 있었다.
- 2 ℃ 정도 감소하는 것을 알 수 있었다. 사출성형해석 결과 예측된 온도-시간 선도를 고찰한 결과, 형상적응형 냉각채널을 적용한 경우와 직선형 냉각채널을 적용한 경우의 취출 시간이 각각 81 초와 91 초로 예측되었다.
- 13 은 최종적으로 제작된 부분적으로 후육부를 가지는 평판형 제품 제작용 사출성형 금형과 이중 사출성형 공정이다. 사출성형해석 결과 이중 사출성형공정에서 본 연구 대상 공정인 1 차 성형공정이 2 차 성형공정보다 30 초 이상의 더 긴 사출성형시간 (Cycle time) 을 필요로 하였다. 그러므로 사출성형 실험에서는 1 차 성형공정의 최적화를 중심으로 연구를 수행하였다.
- 그러므로 사출성형 실험에서는 1 차 성형공정의 최적화를 중심으로 연구를 수행하였다. 사출성형해석 결과 취득된 1 차 성형공정의 사출시간, 보압시간 및 취출시간을 포함한 냉각시간은 각각 2.7 초, 10.0 초 및 70.3 초 였다. 이 결과를 이용하여 사출성형 실험에서는 냉각시간을 감소시키는 방법으로 실험을 수행하였다.
- 이 결과들로부터 제품내 최대 온도 분포에 가장 크게 영향을 미치는 설계 변수는 형상적응형 냉각채널과 후육부 간의 거리임을 알 수 있었다. 또한, 냉각채널과 후육부 간의 거리 및 냉각채널 직경이 각각 6 mm 와 6 mm 일때, 가장 낮고 균일한 온도 분포를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
- 93 % 정도였다. 이 결과로부터 1 단계 사출성형공정에서 2 단계 사출성형 공정보다 제품의 평균 수축율이 크게 발생하는 것을 알 수 있었다.
- 5 mm 이하의 매우 작은 휨 변형이 발생하는 것을 알 수 있었다. 이 결과로부터 Design 7 의 형상적응형 냉각채널 설계를 적용하면 부분적으로 후육부를 가지는 평판형 플라스틱제품의 제작이 가능함을 알 수 있었다.
- 33 % 였다. 이 결과로부터 Design 7 의 형상적응형 냉각채널을 적용할 경우 후육부의 최대 수축율이 0.55 % 정도 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 제품 내부의 온도 분포를 고찰한 결과, 1 차 제품의 후육부 하단에서 가장 높은 온도 분포를 나타내었다. 또한 1 차 제품의 후육부와 평판부의 최대 온도차가 약 2 차 제품의 후육부와 평판부의 최대 온도차 보다 현저히 크게 나타남을 알 수 있었다.
- 첫째, 9 가지 형상적응형 냉각채널 설계안에 대한 반복적인 사출성형해석을 수행하여 부분적으로 후육부를 가지는 평판형 제품의 균일/고속 냉각이 가능하고 및 수축과 휨 변형을 감소 시킬 수 있는 적절한 설계안을 도출할 수 있었다. 형상적응형 냉각채널의 직경 및 형상적응형 냉각채널과 후육부간의 거리가 각각 6 mm 와 6 mm 인 Design 7 을 바람직한 형상적응형 냉각채널을 가진 부분의 금형 설계로 선정할 수 있었다.
- 이 결과들을 이용하여 설계안들에 따른 온도 분포, 수축율 및 휨 변형량 분포들을 변화를 비교/분석 하였다. 최종적으로 수축율과 휨변형을 최소화 시키며, 냉각 특성을 개선할 수 있는 적절한 형상적응형 냉각채널 설계를 도출하였다.
- 특히 후육부에 발생하는 최대 온도 또한 형상적응형 냉각채널을 적용할 경우에 직선형 냉각채널을 적용한 경우보다 약 14.2 ℃ 정도 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 9 에서 냉각채널의 직경이 커질수록, 냉각채널과 후육부간의 거리가 가까울수록 체적 수축율이 감소하는 것을 알 수 있었다. 형상적응형 냉각채널 설계안들 중 냉각채널의 직경 및 냉각채널과 후육부간의 거리가 각각 6 mm 및 6 mm 인 Design 7 에서 최소 체적수축율이 나타났다. Design 7 에서 최대 수축율은 후육부 하단부에서 약 6.
후속연구
- 이 결과로부터 형상적응형 냉각채널을 적용할 경우 제품의 균일/고속 냉각, 생산성 향상 및 품질개선이 가능할 것으로 사료된다.
- 추후 2 차 성형공정의 균일냉각과 수축/휨변형 최소화를 위한 추가적인 냉각채널 설계와 사출성형해석 및 사출성형 실험을 수행할 예정이다.
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