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문제 정의
- Lee 등[7, 8] 은 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 시트에 대하여 유변학적인 물성 및 마찰계수를 측정하고, K-BKZ 점탄성 모델을 사용하여 열성형 공정을 해석하였다. 특히, 물성 및 공정조건이 시트의 거품형상 및 두께변화에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 또한 본 연구진[9]에서는 열진공성형 공정에서 필름가열시간, 플러그 깊이 및 속도, 진공지연 시간 등이 적층필름의 두께분포에 미치는 영향에 대하여 실험적으로 고찰하였다.
가설 설정
- 해석을 위하여 초기 필름온도 188℃, 금형온도 50℃, 진공압력 10KPa, 필름과 금형사이의 스트로크 360mm, 금형 이동속도 300mm/sec을 적용하였으며, 마찰계수는 0.6 으로 가정하였다. 또한 필름의 점탄성을 고려하기 위하여 Table 2 의 물성 값을 사용하였다.
제안 방법
- (3) K-BKZ 점탄성 모델에 따른 응력-변형율을 도출하고, 열성형해석을 수행하였으며, 열진공성형 실험을 통해 해석결과와 비교하였다. 실험 대비 해석의 오차는 약 8%로 나타났으며, 해석에 의한 필름 두께분포는 실험에 의한 측정결과와 잘 일치하였다.
- ABS 적층필름에 대하여 온도와 연신속도의 변화에 따른 단축인장실험을 수행하고, G'Sell 및 K-BKZ 점탄성 모델을 적용한 응력-변형율 관계를 도출하였다.
- 가열챔버 안에서 필름의 온도를 각각 90, 110, 130, 150℃로 유지하였으며, 크로스헤드의 속도가 50, 250, 500mm/min인 경우에 대하여 각각 하중(P)과 변위(δ)관계를 측정하였다.
- 그리고 G’Sell 모델로부터 변형율 속도가 각각 0.1, 0.5, 1.0s-1인 경우에 대하여 응력변형율 곡선을 계산하고, 이를 적용하여 K-BKZ 점탄성모델에 대한 물성 파라미터를 도출하였다.
- 신효산업(주)에서 제작하고 150mm깊이까지 성형 가능한 진공성형기( 400mm x 400mm )를 사용하였으며, 필름을 베이스 플레이트 위에 위치시키고 스파이크(spike)를 사용하여 필름을 고정할 수 있도록 클램핑 지그를 제작하였다. 그리고 앞에서 언급된 해석과 동일한 조건을 유지한 상태에서 성형실험을 수행하였다.
- K-BKZ 비선형 점탄성 모델에 대한 물성 파라미터를 구하기 위하여, G'Sell 의 변형 모델에서 얻은 Table 1 의 파라미터 k, w, m, h 를 일정한 변형율 속도를 제어하는 조건으로 표현된 식(3)에 대입하였다. 그리고 필름온도 110, 130, 150℃인 각각의 경우에 대하여 변형율 속도가 0.1, 0.5, 1.0s-1일 때 응력 및 변형율을 계산하였다.
- 따라서 본 논문에서는 참고문헌[6]에서 제안한 변형된 G’Sell 모델식을 사용하여 일정한 크로스헤드 속도조건에서 측정한 인장시험 결과를 기반으로 물성 파라미터를 구하고, 이를 다시 일정한 변형율 속도로 표현된 원래의 G’Sell 모델에 대입하였다.
- 본 논문에서는 필름인서트 성형을 위하여 제조된 ABS 적층필름을 대상으로 단축인장실험을 통해 온도와 연신속도에 따른 응력 및 변형율을 측정하고, G'Sell[10~12] 및 K-BKZ[13] 점탄성 모델 각각에 대한 물성 파라미터를 계산하였다.
- 시험편을 가열챔버 내부의 고정척에 장착한 이후 20분 동안 목표 온도로 가열/유지 시킨 후에 단축 인장시험을 수행하였다. 실험에 사용된 장비는 Korea-Tech사에서 제작한 인장시험기(K&T-50TC) 로서 가열챔버를 구비하고 있으며, AC 서보 모터를 사용하여 1~600mm/min 범위에서 크로스헤드 (Crosshead)의 속도를 가변시킬 수 있도록 하였다.
- 해석 모델과 동일한 자동차 도어 그립 커버에 대하여 열진공성형 실험을 수행하였다. 이를 위하여 2개의 가로형 히터와 성형품의 끝단 및 연신이 깊은 부분에 3개의 세로형 히터가 설치된 진공금형을 제작하였으며, Fig. 8과 같다.
- 본 논문에서는 필름인서트 성형을 위하여 제조된 ABS 적층필름을 대상으로 단축인장실험을 통해 온도와 연신속도에 따른 응력 및 변형율을 측정하고, G'Sell[10~12] 및 K-BKZ[13] 점탄성 모델 각각에 대한 물성 파라미터를 계산하였다. 자동차용 도어 그립 커버에 대한 열진공성형 해석을 통하여 필름의 두께변화를 예측하였으며, 또한 진공 금형 개발 및 열진공성형 실험을 수행하고, 해석 결과와 비교하였다.
- ABS 적층필름에 대하여 온도와 연신속도의 변화에 따른 단축인장실험을 수행하고, G'Sell 및 K-BKZ 점탄성 모델을 적용한 응력-변형율 관계를 도출하였다. 자동차용 도어 그립커버에 대한 열진공성형 해석을 수행하고 실험과 비교하였으며, 이를 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.
- 5mm의 적층필름(ALUFIN®)을 사용하였으며, 필름은 ABS를 베이스로 하고 그 위에 장식층과 PUR(Polyurethane) 코팅층으로 구성되어 있다. 적층필름에 대하여 온도와 연신속도의 변화에 따른 응력과 변형 거동을 각각 측정하였다. 이때 필름의 신장률이 매우 크고, 실험용 가열챔버의 크기가 제한되어 있기 때문에, 단축인장시험을 위하여 표점거리 및 시험편 전체길이가 축소된 Fig.
- 자동차 내장 도어용 그립 커버에 대하여 T-SIM 을 사용한 열진공성형 해석을 수행하였다. 진공금형은 Fig. 5와 같이 히터카트리지와 냉각채널을 갖는 양각 금형으로 설계하였으며, 28,514개의 삼각형 요소를 갖는 메쉬를 생성하였다. Fig.
- 6은 해석에 적용된 모델과 경계조건을 나타낸다. 필름의 가장자리에 고정 경계조건을 적용하였고, 진공채널이 설치된 라인 밖의 영역에서는 압력이 발생하지 않도록 경계조건을 설정하였다.
- 해석 모델과 동일한 자동차 도어 그립 커버에 대하여 열진공성형 실험을 수행하였다. 이를 위하여 2개의 가로형 히터와 성형품의 끝단 및 연신이 깊은 부분에 3개의 세로형 히터가 설치된 진공금형을 제작하였으며, Fig.
대상 데이터
- 독일의 Kurz에서 제조한 두께 0.5mm의 적층필름(ALUFIN®)을 사용하였으며, 필름은 ABS를 베이스로 하고 그 위에 장식층과 PUR(Polyurethane) 코팅층으로 구성되어 있다.
- 신효산업(주)에서 제작하고 150mm깊이까지 성형 가능한 진공성형기( 400mm x 400mm )를 사용하였으며, 필름을 베이스 플레이트 위에 위치시키고 스파이크(spike)를 사용하여 필름을 고정할 수 있도록 클램핑 지그를 제작하였다. 그리고 앞에서 언급된 해석과 동일한 조건을 유지한 상태에서 성형실험을 수행하였다.
- 실험과 해석을 비교하기 위하여 Fig. 9와 같이 11개 지점을 두께 측정 위치로 선정하였다. 각각의 지점에 대해 해석에 의한 필름두께와 마이크로미터를 사용하여 측정한 실험값은 Table 3과 같다.
- 실험에 사용된 장비는 Korea-Tech사에서 제작한 인장시험기(K&T-50TC) 로서 가열챔버를 구비하고 있으며, AC 서보 모터를 사용하여 1~600mm/min 범위에서 크로스헤드 (Crosshead)의 속도를 가변시킬 수 있도록 하였다.
- 적층필름에 대하여 온도와 연신속도의 변화에 따른 응력과 변형 거동을 각각 측정하였다. 이때 필름의 신장률이 매우 크고, 실험용 가열챔버의 크기가 제한되어 있기 때문에, 단축인장시험을 위하여 표점거리 및 시험편 전체길이가 축소된 Fig. 1과 같이 KS M 6518모델을 축소한 시험편을 사용하였다.
데이터처리
- 4는 대표적으로 필름온도 110℃인 경우에 대한 응력-변형율 관계를 나타낸다. 3 가지 조건의 변형율 속도에 대하여 계산된 응력-변형율 데이터를 적용하고, T-SIM 과 연계된 프로그램인 T-SIMFIT[14]를 사용하여 K-BKZ 점탄성 모델에 대한 물성 파라미터를 계산하였다. Table 2는 K-BKZ 적분형 점탄성모델에서 정의된 이완시간과 응력이완계수를 도출한 결과를 나타낸다.
- 한편 단층필름을 사용한 기존 대부분의 연구와는 달리 Kim[6]은 적층필름을 사용하였다. 여기서 단축인장실험을 통해 응력-변형율 관계를 도출하고, PAM-FORM 을 사용하여 두께 및 패턴변화를 예측하였으며, 실험결과와 비교하였다. Lee 등[7, 8] 은 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 시트에 대하여 유변학적인 물성 및 마찰계수를 측정하고, K-BKZ 점탄성 모델을 사용하여 열성형 공정을 해석하였다.
- 온도 및 속도별 단축 인장실험 결과를 기초로 Simplex 알고리즘을 사용 하여 G’Sell 파라미터인 k, w, m, h 를 계산하였으며, 결과는 Table 1 과 같다.
이론/모형
- 본 논문에서는 열진공성형 공정에서 적층필름의 변형거동을 해석하기 위하여 열성형 해석 전용으로 개발되어 있는 T-SIM[14]을 사용하였다. T-SIM은 K-BKZ 비선형 점탄성 모델을 사용하고 있으며, 이는 변형율 속도를 일정하게 제어하는 조건에서 만들어진 구성방정식이다.
- 열성형공정에서 온도에 따른 유변학적인 거동을 표현하기 위하여 WLF 표현식을 사용하였다. K-BKZ 비선형 점탄성 모델에 대한 물성 파라미터를 구하기 위하여, G'Sell 의 변형 모델에서 얻은 Table 1 의 파라미터 k, w, m, h 를 일정한 변형율 속도를 제어하는 조건으로 표현된 식(3)에 대입하였다.
- 자동차 내장 도어용 그립 커버에 대하여 T-SIM 을 사용한 열진공성형 해석을 수행하였다. 진공금형은 Fig.
성능/효과
- (1) 필름온도 90℃에서는 뚜렷한 항복응력이 나타났으며, 필름온도가 증가할수록 연신속도의 영향이 크게 나타났다. 특히, 연신속도가 빠를수록 응력곡선이 높게 나타났으며, 필름 강성이 증가하는 점탄성 거동을 관찰할 수 있었다.
- (2) G’Sell 모델은 필름의 항복거동을 표현하기에는 한계가 있었으나, 열성형이 이루어지는 필름 온도 110℃이상에서는 측정결과를 정확하게 표현하고 있음을 알 수 있었다.
- 필름온도 90℃에서는 뚜렷한 항복응력이 나타나고 있으며, ABS 의 유리전이온도인 110℃이상에서는 항복 거동이 발생하지 않고 있음을 볼 수 있다. 또한 온도가 증가함에 따라 낮은 응력에서 변형율이 크게 발생하고 있으며, 필름온도가 낮은 90℃에서는 연신속도에 따라 응력-변형율 곡선의 변화가 작지만, 온도가 증가할수록 연신속도의 영향이 크게 나타남을 볼 수 있다. 특히 연신속도가 빠를수록 응력곡선이 높게 나타나고 있으며, 결과적으로 연신속도에 따라서 필름의 강성이 증가하고 있음을 알 수 있다.
- (3) K-BKZ 점탄성 모델에 따른 응력-변형율을 도출하고, 열성형해석을 수행하였으며, 열진공성형 실험을 통해 해석결과와 비교하였다. 실험 대비 해석의 오차는 약 8%로 나타났으며, 해석에 의한 필름 두께분포는 실험에 의한 측정결과와 잘 일치하였다.
- 또한 온도가 증가함에 따라 낮은 응력에서 변형율이 크게 발생하고 있으며, 필름온도가 낮은 90℃에서는 연신속도에 따라 응력-변형율 곡선의 변화가 작지만, 온도가 증가할수록 연신속도의 영향이 크게 나타남을 볼 수 있다. 특히 연신속도가 빠를수록 응력곡선이 높게 나타나고 있으며, 결과적으로 연신속도에 따라서 필름의 강성이 증가하고 있음을 알 수 있다. 이러한 거동은 필름의 점탄성 특성에서 기인한 것으로 판단된다.
- (1) 필름온도 90℃에서는 뚜렷한 항복응력이 나타났으며, 필름온도가 증가할수록 연신속도의 영향이 크게 나타났다. 특히, 연신속도가 빠를수록 응력곡선이 높게 나타났으며, 필름 강성이 증가하는 점탄성 거동을 관찰할 수 있었다.
- 필름 온도가 90℃ 일 때 나타나는 항복현상을 G’Sell 모델로 표현하기에는 한계가 있으나, 열성형이 이루어지는 필름온도 110℃이상에서는 G’Sell 모델이 ABS 필름의 응력과 변형거동을 잘 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
- 038mm이며, 실험결과 대비 해석의 오차는 약8%로 나타났다. 해석과 실제 성형품의 측정값 모두 동일한 위치인 1번 지점에서 최소값을 갖고 있음을 볼 수 있으며, 전체적으로 해석결과는 실험과 잘 일치하고 있음을 알 수 있다.
- 각각의 지점에 대해 해석에 의한 필름두께와 마이크로미터를 사용하여 측정한 실험값은 Table 3과 같다. 해석과 실험의 최대 차이는 0.038mm이며, 실험결과 대비 해석의 오차는 약8%로 나타났다. 해석과 실제 성형품의 측정값 모두 동일한 위치인 1번 지점에서 최소값을 갖고 있음을 볼 수 있으며, 전체적으로 해석결과는 실험과 잘 일치하고 있음을 알 수 있다.
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