[논문]가변 금형온도 제어기법을 적용한 사출금형의 냉각성능 고찰

손동휘; 박근

doi:10.3795/ksme-b.2013.37.1.035

가변 금형온도 제어기법을 적용한 사출금형의 냉각성능 고찰
Investigation of Cooling Performance of Injection Molds Using Pulsed Mold Temperature Control 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.37 no.1 = no.328, 2013년, pp.35 - 41

손동휘 (LG 생산기술원 금형기술센터) , 박근 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과)

초록
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금형온도는 사출성형시 수지의 유동특성이나 성형품의 변형에 영향을 미치는 중요한 변수로서, 고온의 수지 주입과 냉각회로에 주입되는 냉각수의 영향을 받아 사출 사이클이 반복될수록 온도의 상승과 하강이 반복되는 주기적인 변화특성을 가지고 있다. 본 연구에서는 금형 냉각회로에 저온과 고온의 유체를 번갈아 주입하는 가변 금형온도 제어기법을 적용하여 성형전에는 금형온도를 높게 유지하고 성형후에는 낮게 유지함으로써 사출성형시 품질과 생산성을 동시에 높일 수 있는 연구를 수행하였다. 특히 열전달-유동해석을 연계한 다중사이클 사출성형 과도해석을 수행하여 수지와 금형, 냉각수간의 과도적인 온도변화를 수치적으로 고찰하였고, 기존 냉각방법과의 해석결과를 비교하여 제안된 가변 금형온도 제어기법의 가열 및 냉각과정에서의 효율성을 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In injection molding, the mold temperature is one of most important process parameters that affect the flow characteristics and part deformation. The mold temperature usually varies periodically owing to the effects of the hot polymer melt and the cold coolant as the molding cycle repeats. In this study, a pulsed mold temperature control was proposed to improve the part quality as well as the productivity by alternatively circulating hot water and cold water before and after the molding stage, respectively. Transient thermal-fluid coupled analyses were performed to investigate the heat transfer characteristics of the proposed pulsed mold heating and cooling system. The simulation results were then compared with those of the conventional mold cooling system in terms of the heating and cooling efficiencies of the proposed pulsed mold temperature control system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

(7) 본 연구에서는 가변 금형냉각을 적용한 경우의 금형온도 변화 특성을 기존의 온수를 순환시키는 일반 냉각방법(Conventional cooling)과의 비교를 통해 고찰하고자 한다.
특히 금형온도가 충전 단계에서 주입되는 고온의 수지에 의하여 상승하고 냉각 단계에서 냉각수에 의해 하강하는 주기적인 변화를 보이는 점을 감안하여 다중 사이클(Multi-cycle) 해석⁽⁸⁾을 적용하여 수지와 금형, 냉각수간의 과도적인 온도변화를 고려하였다. 또한 해석 결과를 기존의 단일 온수순환 냉각방식과 비교하여 제안된 가변 금형가열/냉각방법의 온도변화 특성을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 가변 금형온도 제어기법을 적용한 사출금형의 온도변화 특성을 수치적으로 고찰 하였고, 기존의 일반 냉각방식 대비 금형가열 및 냉각특성을 비교하였다. 이러한 결과를 항목별로 가변 금형온도 제어기법을 적용한 사출금형의 냉각성능 고찰 41요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 사출성형시 금형온도의 효율적인 관리를 위해 고온과 저온의 유체를 번갈아 주입하는 가변 금형가열/냉각(Pulsed mold heating and cooling)방식을 적용한 사출성형에 대해 고찰하고자 한다. 상기 방식은 성형전에는 온수를 주입하여 금형 냉각회로에 금형온도를 높게 유지하고 성형후에는 냉수를 주입하여 낮게 유지함으로써 사출성형시 품질과 생산성을 동시에 높일 수 있는 방법으로 단일 냉수 혹은 온수를 순환시키는 기존의 냉각방법에 비해 효율적인 금형온도의 제어가 가능하다.
본 연구에서는 유한요소법 기반 수치해석을 통해 상기 가변 금형온도 제어기법의 열전달 특성을 고찰하고자 한다. 특히 금형온도가 충전 단계에서 주입되는 고온의 수지에 의하여 상승하고 냉각 단계에서 냉각수에 의해 하강하는 주기적인 변화를 보이는 점을 감안하여 다중 사이클(Multi-cycle) 해석⁽⁸⁾을 적용하여 수지와 금형, 냉각수간의 과도적인 온도변화를 고려하였다.
본 연구에서는 전자부품 외관 형상의 사출성형 모델을 대상으로 금형 내부의 온도변화를 확인하기 위하여 사출성형 수치해석을 실시하였다. 사출성형품의 길이는 225 mm, 폭은 20 mm, 두께는 1.

제안 방법

(1) 전자부품 사출성형 모델을 대상으로 다중사이클을 고려한 사출성형의 과도해석을 실시하였으며, 60℃의 냉각수를 연속적으로 주입하는 일반 냉각방식과 40℃의 냉수와 80℃의 온수를 교대로 주입하는 가변 냉각방식에 대해 해석을 수행하였다.
3.2 절에 기술된 금형내부 온도분포의 변화에 대해 정량적인 비교를 위하여 성형부 금형표면 평균 온도 변화를 측정하여 일반 냉각방식과 가변 냉각 방식의 성형부 금형표면 가열 및 냉각효율을 비교 하였다. Fig.
가변 냉각방식의 경우 일반 냉각에 비하여 금형 표면 평균온도가 한 사이클 안에서 상대적으로 더많이 상승하고 하강하는 형태를 보이고 있으며, 보다 자세한 비교를 위해 Fig. 7 (b) 에 2 가지 방식에서의 최종 사이클 온도변화를 비교하였다. 최종 사이클을 비교한 결과 사이클 시작시 가변 냉각 방법의 금형표면 평균온도가 일반 냉각에 비해 3.
냉각수의 온도가 금형온도의 과도적인 변화에 미치는 영향을 고찰하기 위해 Fig. 2 의 금형에 주입된 냉각수 온도를 20℃(냉수 기준)와 90℃(온수 기준)로 변화시켜가며 사출성형 과도해석을 실시 하였다. 또한 냉각수 자체의 효과를 분석하기 위해 냉각수를 주입하지 않은 경우에 대해서도 추가 적으로 해석을 실시하였으며, 각각의 경우 총 15회에 걸친 다중사이클 해석을 실시하였다.
상기 2 가지 형태의 공정에서의 금형 및 성형부의 과도적인 온도변화를 고려하기 위하여 각각의 경우에 대해 다중사이클 해석을 적용하였다. 다중 사이클 해석 종료조건은 성형부 금형표면 평균온도 변화량이 1% 이내일 때로 설정하였고, 최대 15 회의 사이클 반복회수를 적용하였다.
2 의 금형에 주입된 냉각수 온도를 20℃(냉수 기준)와 90℃(온수 기준)로 변화시켜가며 사출성형 과도해석을 실시 하였다. 또한 냉각수 자체의 효과를 분석하기 위해 냉각수를 주입하지 않은 경우에 대해서도 추가 적으로 해석을 실시하였으며, 각각의 경우 총 15회에 걸친 다중사이클 해석을 실시하였다.
상기 2 가지 형태의 공정에서의 금형 및 성형부의 과도적인 온도변화를 고려하기 위하여 각각의 경우에 대해 다중사이클 해석을 적용하였다. 다중 사이클 해석 종료조건은 성형부 금형표면 평균온도 변화량이 1% 이내일 때로 설정하였고, 최대 15 회의 사이클 반복회수를 적용하였다.
앞절에서 기술한 금형온도의 변화가 수지온도에 미치는 영향을 분석하기 위해 사출성형품 내부의 특정위치에 대해 온도변화를 비교하였다. Fig.
앞절에서 설정한 성형조건으로 일반 냉각방식과 가변 냉각방식의 사출성형 해석을 수행하여 금형 내부의 온도분포를 비교하였다. Fig.
온도변화의 정량적인 비교를 위해 Fig. 9 와 같이 곡면 표면부에서 0.2 mm 간격으로 성형품 중심부까지의 위치를 P1, P2, P3, P4 로 설정하고 각 위치별로 시간대별 온도변화를 살펴보았다. Fig.
5 초 동안 주입하였다. 이후 사이클이 종료될 때까지 다음 사이클을 위하여 금형온도를 재상승 시키기 위하여 80℃의 온수를 재주입하는 조건으로 해석을 진행하였다. 이때 주변 대기와의 대류열전달 효과를 고려하였고, 대기의 온도는 25℃로 설정하였다.
본 연구에서는 유한요소법 기반 수치해석을 통해 상기 가변 금형온도 제어기법의 열전달 특성을 고찰하고자 한다. 특히 금형온도가 충전 단계에서 주입되는 고온의 수지에 의하여 상승하고 냉각 단계에서 냉각수에 의해 하강하는 주기적인 변화를 보이는 점을 감안하여 다중 사이클(Multi-cycle) 해석⁽⁸⁾을 적용하여 수지와 금형, 냉각수간의 과도적인 온도변화를 고려하였다. 또한 해석 결과를 기존의 단일 온수순환 냉각방식과 비교하여 제안된 가변 금형가열/냉각방법의 온도변화 특성을 평가하고자 한다.

대상 데이터

0 을 사용하였으며, ⁽⁹⁾과도적인 온도 변화를 살펴보기 위하여 다중 사이클(Multi-cycle) 해석을 적용하여 수행하였다. 사용된 고분자소재는 제일모직 NH-1000TG(PC/ABS), 사출금형의 재질은 NAK 80 의 물성을 적용하였다. 냉각회로는 성형부 상/하부에 각각 4 개씩 설치(직경 8mm)하였으며, Fig.
본 연구에서는 전자부품 외관 형상의 사출성형 모델을 대상으로 금형 내부의 온도변화를 확인하기 위하여 사출성형 수치해석을 실시하였다. 사출성형품의 길이는 225 mm, 폭은 20 mm, 두께는 1.2 mm 이며, Fig. 1 에 유동안내부를 포함한 사출성형 해석모델을 도시하였다. 사출성형의 수치해석은 Moldex-3DⓇ10.

이론/모형

1 에 유동안내부를 포함한 사출성형 해석모델을 도시하였다. 사출성형의 수치해석은 Moldex-3DⓇ10.0 을 사용하였으며, ⁽⁹⁾과도적인 온도 변화를 살펴보기 위하여 다중 사이클(Multi-cycle) 해석을 적용하여 수행하였다. 사용된 고분자소재는 제일모직 NH-1000TG(PC/ABS), 사출금형의 재질은 NAK 80 의 물성을 적용하였다.

성능/효과

사출성형시 성형제품의 품질 및 생산성 향상을 위해서는 유동안내부의 위치, 냉각회로의 위치 등의 금형설계 변수와 사출압, 사출온도, 금형온도, 보압 등의 성형공정 변수들에 대한 고찰이 필요하다. ⁽¹⁾상기 공정변수중 금형온도는 고분자 수지의 유동 특성 및 충전완료 후 금형 내부의 열전달 특성에 영향을 미치는 중요한 변수로서 제품의 유동성 및 품질, 생산성 등에 영향을 미치고 있다.⁽²⁾
(2) 사출성형 초기단계의 금형온도를 비교한 결과 가변 냉각방식이 일반 냉각방법에 비하여 초기 온도가 4.0℃ 높게 나타났고, 성형품 초기온도는 6.4℃ 높게 나타났다. 상기 결과는 성형과정의 유동성 및 성형품의 품질 관점에서 금형온도를 5℃이상 높게 설정한 효과를 갖는 것으로 평가된다.
(3) 냉각단계의 최종온도를 비교한 결과 금형온도는 가변냉각이 일반냉각보다 7.3℃ 정도 낮게 나타났고, 성형품 온도는 9.3℃ 낮게 나타났다. 상기 결과는 냉각시간 단축을 통한 생산성 향상의 관점에서 금형온도를 8℃ 이상 낮게 설정한 효과를 갖는 것으로 평가된다.
(4) 각각의 경우에 대해 냉각소요시간을 예측한 결과 가변 냉각을 적용한 경우 일반 냉각방식에 비해 4.75 초 단축시킬 수 있는 것으로 예측되었으며, 이는 전체 공정시간 기준으로 생산성을 20%이상 향상시킬 수 있는 것으로 분석되었다.
10에 전체 사이클동안 각 위치의 온도변화를 그래프로 도시하였다. 2 가지 결과 모두 성형물 표면부 (P1) 위치의 냉각속도가 가장 높고 중심부(P4) 위치의 냉각속도가 상대적으로 낮게 나타났으며, 중심에 위치한 P3 와 P4 위치의 온도변화 경향은 거의 동일한 것으로 확인되었다. 한편 일반 냉각 방식의 결과(Fig.
Table 2 에 사출 종료후 4 개 위치에서의 온도가 60℃에 도달하는데 소요되는 냉각시간을 비교하였다. 각 위치별로 비교해 본 결과 P1 위치에서 일반냉각의 경우 60℃에 도달하는 시간이 12.06 초로 예측된 반면 가변냉각의 경우 사이클 7.31 초 만에 도달하여 일반 냉각에 비하여 4.75 초 빨리 냉각되는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 냉각시간 단축 효과는 성형품 내부로 갈수록 점차적으로 증가하여 P4 에서는 냉각시간이 5.
59 초 단축되어 가변냉각 방법을 적용한 경우 사출성형품 냉각을 위해 소요되는 시간을 단축시킬 수 있음을 확인하였다. 금형표면에 해당하는 P1 지점을 기준으로 계산할 때 4.75 초의 냉각시간 단축은 금형 개폐시간을 포함한 21 초의 전체 사이클의 22.6%에 해당하며, 해당 비율만큼의 생산성을 향상시키는 효과를 확인할 수 있었다.
냉각단계(12 초 경과시)에서의 금형온도 변화를 비교해보면 가변 냉각의 경우 성형부 평균온도가 54.4℃, 일반 냉각의 경우 61.7℃로 가변 냉각의 경우가 일반 냉각의 경우에 비해서 상대적으로 7.3℃ 정도 온도가 더 하강함을 확인하였다. 이는 수지충전 후 0.
4℃ 정도 높은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 가변 냉각방식을 적용하였을 경우 일반 냉각방식의 경우에 비하여 더 높은 금형온도에서 사출이 가능하여 성형품의 품질을 향상시킬 수있음을 확인하였다.
5 초 경과시부터 온도 40℃의 냉수가 주입되기 때문에 금형표면 평균온도의 냉각속도가 일반 냉각방법보다 상대적으로 높기 때문으로 분석된다. 또한 사이클 종료시 성형부 평균온도는 가변 냉각의 경우 62.5℃, 일반 냉각이 경우 60.0℃ 로 측정되어 가변 냉각방법 적용시 금형표면 평균온도가 일반 냉각방법에 비해 2.5℃ 높게 상승하는 것을 확인할 수 있다. 이는 사이클 12초 이후에 주입된 온도 80℃의 온수의 영향으로 분석되며, 결과적으로 냉각단계에서의 냉각효율은 높이면서도 사출 시작단계에서의 금형온도는 상승 하는 효과를 보임을 알 수 있다.
3℃ 낮게 나타났다. 상기 결과는 냉각시간 단축을 통한 생산성 향상의 관점에서 금형온도를 8℃ 이상 낮게 설정한 효과를 갖는 것으로 평가된다.
4℃ 높게 나타났다. 상기 결과는 성형과정의 유동성 및 성형품의 품질 관점에서 금형온도를 5℃이상 높게 설정한 효과를 갖는 것으로 평가된다.
75 초 빨리 냉각되는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 냉각시간 단축 효과는 성형품 내부로 갈수록 점차적으로 증가하여 P4 에서는 냉각시간이 5.59 초 단축되어 가변냉각 방법을 적용한 경우 사출성형품 냉각을 위해 소요되는 시간을 단축시킬 수 있음을 확인하였다. 금형표면에 해당하는 P1 지점을 기준으로 계산할 때 4.
11 에 각 위치별 최종 사이클에서의 온도변화 그래프를 도시하였다. 최종 사이클 시작시 성형물 곡면부 표면위치(P1)의 초기온도를 비교하였을 때, 일반냉각의 경우 59.5℃, 가변냉각의 경우 65.9℃ 로 가변냉각의 경우가 일반냉각의 경우에 비하여 초기온도가 6.4℃ 정도 높은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 가변 냉각방식을 적용하였을 경우 일반 냉각방식의 경우에 비하여 더 높은 금형온도에서 사출이 가능하여 성형품의 품질을 향상시킬 수있음을 확인하였다.
7 (b) 에 2 가지 방식에서의 최종 사이클 온도변화를 비교하였다. 최종 사이클을 비교한 결과 사이클 시작시 가변 냉각 방법의 금형표면 평균온도가 일반 냉각에 비해 3.2℃ 높았고 수지충전 직후 가변 냉각의 경우 71.4℃, 일반 냉각의 경우 67.4℃로 가변 냉각의경우 일반 냉각방법에 비하여 4℃ 정도 높은 것을 확인하였다.
8(b)에 일반 냉각방법을 적용한 경우 사이클 5 초 경과시 성형품 내부의 온도분포를 도시하였다. 해석 결과를 보면 그림에서 표시된 성형품 곡면의 온도가 다른 위치에 비하여 상대적으로 약 30℃ 정도 높게 나타나 곡면부의 수지 냉각속도가 상대적으로 낮다는 것을 알 수 있다. 따라서 이 곡면부 위치의 냉각속도를 향상시키는 것이 냉각시간을 단축시킬수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	금형온도란 무엇인가?	금형온도는 사출성형시 수지의 유동특성이나 성형품의 변형에 영향을 미치는 중요한 변수로서, 고온의 수지 주입과 냉각회로에 주입되는 냉각수의 영향을 받아 사출 사이클이 반복될수록 온도의 상승과 하강이 반복되는 주기적인 변화특성을 가지고 있다. 본 연구에서는 금형 냉각회로에 저온과 고온의 유체를 번갈아 주입하는 가변 금형온도 제어기법을 적용하여 성형전에는 금형온도를 높게 유지하고 성형후에는 낮게 유지함으로써 사출성형시 품질과 생산성을 동시에 높일 수 있는 연구를 수행하였다.
	사출성형시 금형온도 조절을 위해 냉각회로를 사용한다면 어떠한 문제가 있는가?	사출성형시 금형온도 조절을 위해 일반적으로 냉각회로(Cooling channel)에 냉각수로 통칭되는 온도조절용 유체(냉수, 온수, 오일 등)를 주입하는 방식을 사용하고 있다. 냉각회로에 고온의 유체를 주입하여 금형의 온도를 상승시키면 수지의 성형성 향상으로 성형품의 품질향상을 기대할 수 있으나, 금형의 냉각시간 증가로 인하여 결과적으로 생산성 하락의 원인이 된다. 반대로 냉각회로에 저온의 유체를 주입하여 온도를 하강시키면 냉각 효율은 향상되나 수지의 성형성 하락으로 인한 미 성형 등의 문제가 발생될 수 있다.
	금형온도가 가지고 있는 특성은?	금형온도는 사출성형시 수지의 유동특성이나 성형품의 변형에 영향을 미치는 중요한 변수로서, 고온의 수지 주입과 냉각회로에 주입되는 냉각수의 영향을 받아 사출 사이클이 반복될수록 온도의 상승과 하강이 반복되는 주기적인 변화특성을 가지고 있다. 본 연구에서는 금형 냉각회로에 저온과 고온의 유체를 번갈아 주입하는 가변 금형온도 제어기법을 적용하여 성형전에는 금형온도를 높게 유지하고 성형후에는 낮게 유지함으로써 사출성형시 품질과 생산성을 동시에 높일 수 있는 연구를 수행하였다.

참고문헌 (10)

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Sohn, D. H., 2012, "Thermal-Fluid Coupled Analysis of Mold Filling Considering Heat Transfer Characteristics of Injection Molds," Master's Thesis, Seoul National University of Science and Technology.

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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