본 연구에서는 사출성형 충전공정 중 금형의 변형을 예측하기 위하여 비뉴턴 유동, 열전달, 구조해석이 함께 고려된 수치해석 연구를 수행하였다. 정밀 사출성형 금형을 설계/제작하기 위해서는 충전공정 중에 발생하는 금형의 변형을 정확하게 예측하는 것이 중요하다. 이와 같은 금형의 국부적인 변형은 다양한 요인에 의해 발생할 수 있으나, 용융된 고분자 수지의 유동에 의한 압력이 가장 큰 원인 중의 하나로 여겨지고 있다. 따라서, 본 연구에서는 2 차원 축대칭 형상의 단순 원형 디스크 제품의 금형을 모델링하고 이에 대한 수치해석을 수행하였다. 이를 바탕으로 금형 내부의 고분자 수지의 유동 특성과 금형 변형량, 온도 분포에 대한 분석을 수행하였다. 또한 다구치 방법을 기반으로 한 실험계획법을 도입하여 유동 속도, 금형 온도, 고분자 수지의 온도가 금형 변형에 미치는 영향을 파악하였다.
본 연구에서는 사출성형 충전공정 중 금형의 변형을 예측하기 위하여 비뉴턴 유동, 열전달, 구조해석이 함께 고려된 수치해석 연구를 수행하였다. 정밀 사출성형 금형을 설계/제작하기 위해서는 충전공정 중에 발생하는 금형의 변형을 정확하게 예측하는 것이 중요하다. 이와 같은 금형의 국부적인 변형은 다양한 요인에 의해 발생할 수 있으나, 용융된 고분자 수지의 유동에 의한 압력이 가장 큰 원인 중의 하나로 여겨지고 있다. 따라서, 본 연구에서는 2 차원 축대칭 형상의 단순 원형 디스크 제품의 금형을 모델링하고 이에 대한 수치해석을 수행하였다. 이를 바탕으로 금형 내부의 고분자 수지의 유동 특성과 금형 변형량, 온도 분포에 대한 분석을 수행하였다. 또한 다구치 방법을 기반으로 한 실험계획법을 도입하여 유동 속도, 금형 온도, 고분자 수지의 온도가 금형 변형에 미치는 영향을 파악하였다.
In the present study, a numerical analysis of an injection molding process was conducted for predicting the mold deformation considering non-Newtonian flow, heat transfer, and structural behavior. The accurate prediction of mold deformation during the filling stage is important to successfully desig...
In the present study, a numerical analysis of an injection molding process was conducted for predicting the mold deformation considering non-Newtonian flow, heat transfer, and structural behavior. The accurate prediction of mold deformation during the filling stage is important to successfully design and manufacture a precision injection mold. While the local mold deformation can be caused by various factors, a pressure induced by the polymer melt is considered to be one of the most significant ones. In this regard, the numerical simulation considering both the melt filling and the mold deformation was carried out. A mold core for a 2D axisymmetric center-gated disk was used for the demonstration of the present study. The flow behavior inside the mold cavity and temperature distribution were analyzed along with the core displacement. Also, a Taguchi method was employed to investigate the influence of the relevant parameters including flow velocity, mold core temperature, and melt temperature.
In the present study, a numerical analysis of an injection molding process was conducted for predicting the mold deformation considering non-Newtonian flow, heat transfer, and structural behavior. The accurate prediction of mold deformation during the filling stage is important to successfully design and manufacture a precision injection mold. While the local mold deformation can be caused by various factors, a pressure induced by the polymer melt is considered to be one of the most significant ones. In this regard, the numerical simulation considering both the melt filling and the mold deformation was carried out. A mold core for a 2D axisymmetric center-gated disk was used for the demonstration of the present study. The flow behavior inside the mold cavity and temperature distribution were analyzed along with the core displacement. Also, a Taguchi method was employed to investigate the influence of the relevant parameters including flow velocity, mold core temperature, and melt temperature.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 사출성형 충전공정 중의 고분자 수지 압력이 금형의 변형에 미치는 영향을 확인하기 위하여 고분자 수지의 유동, 금형 변형, 및 온도 분포에 대한 연계해석을 수행하였다. 이를 통하여 금형 내부에서의 고분자 수지의 유동 및 온도 특성과 금형의 변형 거동을 확인하였다.
따라서, 본 연구에서는 실험계획법의 하나인 다구치 방법을 이용하여 충전공정에서의 주요 공정변수가 고분자 수지의 유동 압력 및 금형의 변형에 미치는 영향을 분석하였다. 여러 공정변수 중에서 고분자 수지의 온도, 금형 온도 그리고 입구에서의 유동 속도를 주요 변수들로 설정하였고, Table 5와 같은 직교배열표(orthogonal array)를 이용한 망소특성의 S/N비 분석을 통해 각 변수들의 영향력을 확인하였다.
본 연구에서는 수치해석을 통하여 먼저 사출성형 공정 중 고분자 수지의 유동 특성을 확인해 보았다. Fig.
가설 설정
본 수치해석은 충전공정 중 캐비티의 98% 충전으로 설정된 V/P 전환 시점(V/P switchover)을 정상 상태로 가정하여 수행되었으며, 캐비티의 충전 완료 시간이 1 초가 되는 유동 속도(Uinlet)를 입구에서의 속도 경계조건으로 적용하였다. 본 연구의 사출성형 공정해석은 상용 해석 소프트웨어인 COMSOL Multiphysics 4.
제안 방법
(1) 유체-구조 연성해석 기법을 이용하여 사출성형 충전공정 중 고분자 수지의 유동과 금형의 변형을 동시에 고려하는 수치해석 모델을 성공적으로 수립하였다.
또한 두께 방향(z-direction)으로의 유동 특성을 확인하기 위하여 유동길이 방향(r-direction)으로 5개의 대표 지점을 설정(Fig. 2(a))하였으며, 각 지점에서의 두께 방향으로의 온도, 속도 및 점도의 분포를 Fig.
이를 통하여 금형 내부에서의 고분자 수지의 유동 및 온도 특성과 금형의 변형 거동을 확인하였다. 또한, 다구치 방법(Taguchi method)을 이용하여 주요 공정변수들이 유동의 최대 압력과 금형 변형에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 사출성형 충전공정에서의 고분자 수지의 유동, 수지와 금형의 온도 분포, 그리고 금형 변형에 대한 연계해석을 수행하였으며, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
)를 입구에서의 속도 경계조건으로 적용하였다. 본 연구의 사출성형 공정해석은 상용 해석 소프트웨어인 COMSOL Multiphysics 4.2(COMSOL, Inc.)를 기반으로 수행되었으며, 전체 해석 영역을 207,322 개의 4 절점 직사각형 요소(linear quadrilateral element)로 분할하였다.
따라서, 본 연구에서는 실험계획법의 하나인 다구치 방법을 이용하여 충전공정에서의 주요 공정변수가 고분자 수지의 유동 압력 및 금형의 변형에 미치는 영향을 분석하였다. 여러 공정변수 중에서 고분자 수지의 온도, 금형 온도 그리고 입구에서의 유동 속도를 주요 변수들로 설정하였고, Table 5와 같은 직교배열표(orthogonal array)를 이용한 망소특성의 S/N비 분석을 통해 각 변수들의 영향력을 확인하였다. 네 변수에 대한세 수준(level)의 적용이 가능한 L9(34)직교배열표를 이용하였으며, 수지의 온도와 금형 온도의 교호작용(interaction)을 확인하기 위하여 Table 6과 같이 변수를 할당하고 각 변수에 대한세 수준의 공정 조건을 설정하였다.
따라서 본 연구에서는 사출성형 충전공정 중의 고분자 수지 압력이 금형의 변형에 미치는 영향을 확인하기 위하여 고분자 수지의 유동, 금형 변형, 및 온도 분포에 대한 연계해석을 수행하였다. 이를 통하여 금형 내부에서의 고분자 수지의 유동 및 온도 특성과 금형의 변형 거동을 확인하였다. 또한, 다구치 방법(Taguchi method)을 이용하여 주요 공정변수들이 유동의 최대 압력과 금형 변형에 미치는 영향을 분석하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 Fig. 2(a)와 같은 단순한 원형 디스크 제품의 금형을 대상으로 수치해석을 수행하였다. Fig.
Table 2는 본 연구의 해석모델의 치수와 주요 공정조건을 보여준다. 금형 코어의 재료와 고분자 수지는 각각 HP4MA와 PMMA(LG MMA IF 850)을 사용하였으며, 두 재료의 주요 물성치는 Table 3 과 4 에 나타내었다.
이론/모형
여러 공정변수 중에서 고분자 수지의 온도, 금형 온도 그리고 입구에서의 유동 속도를 주요 변수들로 설정하였고, Table 5와 같은 직교배열표(orthogonal array)를 이용한 망소특성의 S/N비 분석을 통해 각 변수들의 영향력을 확인하였다. 네 변수에 대한세 수준(level)의 적용이 가능한 L9(34)직교배열표를 이용하였으며, 수지의 온도와 금형 온도의 교호작용(interaction)을 확인하기 위하여 Table 6과 같이 변수를 할당하고 각 변수에 대한세 수준의 공정 조건을 설정하였다. A는 고분자 수지 온도(Tmelt), B는 금형 온도(Tmold), 그리고 C는 입구에서의 유동 속도(Uinlet)를 나타낸다.
따라서, 본 연구에서는 용융된 고분자 수지의 점도를 정확히 나타내기 위하여 7 개의 상수( n , τ* , A1 , #, D1 , D2 , D3 )를 가지는 WLF-type Cross 모델을 적용하였으며,(8) 이와 같은 점도 모델은 다음과 같이 표현된다.
점성을 가진 유체의 유동은 나비어-스톡스 방정식(Navier-Stokes equation)으로 기술될 수 있으며, 고체 경계면에서 가해지는 힘은 유체가 가하는 힘의 반력으로 볼 수 있다. 유체-고체 경계면에서 Arbitrary Lagrangian-Eulerian(ALE) 방법을 도입하여 Eulerian description 에 의해 기술되는 유체 거동과 Lagrangian description 에 의해 기술되는 구조체의 거동을 결합시켰다. 정상 상태(steady state)의 유체 속도장과 고체 응력장은 다음과 같은 조건을 만족한다.
성능/효과
(2) 고분자 수지의 충전이 진행됨에 따라 유동 속도와 온도는 감소하는 반면, 점도가 증가하여 유동성이 급격히 감소하는 영역인 고화층의 두께가 두꺼워진다.
(3) 상대적으로 낮은 금형 온도는 수지의 충전을 지연시키며, 높은 온도의 용융된 수지에 의해 금형 코어의 국부 가열이 발생한다.
(4) 사출성형 충전공정에서 주요 공정변수들이 수지의 유동 압력과 금형 변형에 미치는 영향을 직교배열표 기반의 다구치 방법으로 분석하였으며, 입구에서의 유동 속도가 가장 큰 영향을 주는 것으로 나타났다.
이와 같은 점도의 증가로 인하여 고분자 수지의 유동성은 현저히 감소하게 되고 수지가 더 이상 흐르지 못하는 고화층을 형성하게 된다. 반면에 상대적으로 전단 변형률은 증가하게 되며, 결과적으로 벽면에서의 최대 점도 값은 감소하는 것으로 나타났다.
6 은 직교배열표와 다구치 방법을 이용하여 구한 최대 압력과 최대 금형 변형에 대한 S/N 비 분석 결과를 보여 준다. 본 연구에서 설정한 주요 공정변수의 범위에서는 세 공정변수 모두 그 크기가 증가할수록 최대 사출압력과 최대 금형 변형을 감소시키는 것으로 나타났다. 높은 수지의 온도와 높은 금형 온도는 고분자 수지의 점도를 낮게 유지시킴으로써 수지가 높은 유동성을 가질 수 있게 되어 이와 같은 결과를 보이게 된다.
본 연구에서 적용한 공정조건의 경우, 금형의 최대 변형은 게이트 부근에서 약 7µm 로 나타났다.
세 주요 공정변수들의 기여도 분석 결과는 수지의 유동 속도가 압력과 금형 변형에 가장 큰 영향을 주는 변수로 확인되었다. 하지만, 수지 온도와 금형 온도 사이에 교호작용은 거의 없는 것으로 나타났다.
이와 같은 공정변수의 범위에서는 유동 압력과 금형 변형의 측면에서 가장 유리한 조합이 세 공정변수들이 모두 3 수준인 경우이며, 이때의 최대 유동 압력과 최대 금형 변형은 각각 47.57MPa와 4.76µm 로 나타났다.
후속연구
본 연구는 사출성형 공정의 특성을 분석하는데 있어 유용한 방법이 될 수 있으며, 이를 바탕으로 향후 보다 복잡하고 실제적인 형상 해석에 적용할 예정이다.
금형의 온도는 충전공정 중에는 고분자 수지의 유동성 향상을 위해서 비교적 높은 온도가 유리하지만, 성형 후 제품의 이형(demolding)을 위해서는 적정한 냉각 온도가 요구된다.이와 같은 금형 온도 분포에 대한 해석 결과는 향후 열응력 및 열변형의 예측에 활용될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
사출성형이란 무엇인가
사출성형(injection molding)은 고분자 수지를 고온에서 용융시켜 금형 내부로 빠르게 주입하고 냉각하여 제품을 생산하는 공정이다. 일반적인 플라스틱 제품에서 마이크로 기어 같은 미세 기계 요소,(1) 광학 렌즈 같은 기능성 제품(2)까지 다양한 산업 분야에서 사출성형 공정이 이용되고 있으며, 이에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
사출성형 공정의 성형품의 품질을 향상하기 위하여 필요한 것은 무엇인가
일반적인 플라스틱 제품에서 마이크로 기어 같은 미세 기계 요소,(1) 광학 렌즈 같은 기능성 제품(2)까지 다양한 산업 분야에서 사출성형 공정이 이용되고 있으며, 이에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 성형품의 품질 향상을 위해서는 사출속도 및 압력, 고분자 수지 온도 및 금형 온도, 보압 압력 등의 주요 공정변수들에 대한 고찰이 필요하다.(3)이와 같은 공정변수 중 사출 속도 및 수지 온도, 금형 온도는 용융된 수지의 유동 특성과 금형 내부의 온도 분포 특성에 영향을 미치는 중요한 변수로 성형품의 치수 정밀도, 기계적 특성에 많은 영향을 미친다.
사출성형 공정은 어디에서 사용되고 있는가
사출성형(injection molding)은 고분자 수지를 고온에서 용융시켜 금형 내부로 빠르게 주입하고 냉각하여 제품을 생산하는 공정이다. 일반적인 플라스틱 제품에서 마이크로 기어 같은 미세 기계 요소,(1) 광학 렌즈 같은 기능성 제품(2)까지 다양한 산업 분야에서 사출성형 공정이 이용되고 있으며, 이에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 성형품의 품질 향상을 위해서는 사출속도 및 압력, 고분자 수지 온도 및 금형 온도, 보압 압력 등의 주요 공정변수들에 대한 고찰이 필요하다.
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