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문제 정의
- 본 논문에서는 사출압축성형을 적용하여 3 차원 입체패턴을 갖는 필름의 인서트 성형에 대하여 연구하였다. 사출압축성형은 기존 사출성형과 압축성형의 장점을 조합한 공법이다.
- 본 논문에서는 자동차용 도어그립을 대상으로 하여 3 차원 엠보 패턴이 인쇄된 필름이 적용된 필름인서트성형을 구현하기 위하여 사출압축성형에 대하여 연구하였으며, 다음의 결론을 도출하였다.
- 또한 필름 인서트 사출성형의 최적조건을 도출하기 위하여 PRIAMUS 장비를 사용하여 캐비티 압력을 모니터링 하였다. 사출압축성형 공정에 대하여 압축스트로크 및 토글속도의 변화에 따른 실험을 수행하고 캐비티 압력을 최소화 시킬 수 있는 공정조건을 도출하고자 하였다.
- 이번 연구에서는 자동차용 도어그립을 적용대상으로 3 차원 엠보패턴을 갖는 필름 인서트 성형을 구현하고자 하였다. 도어그립의 3 차원 곡면형상을 만족하는 필름성형을 위하여 진공금형을 제작하고, 사출압축 방식의 금형을 개발하였다.
제안 방법
- 1 차로 수지를 사출한 이후 압축단계에서 수지의 역류를 방지하고, 최종적으로 성형품만 취출할 수 있도록 2 개의 밸브게이트를 갖는 핫러너 시스템을 고정측 금형에 설계하였다. 또한 사출성형 냉각단계에서 제품의 불균일한 온도분포로 인한 휨 변형을 줄이기 위하여 상측과 하측에 각각 4 개의 직선형 냉각채널을 구성하고, 냉각효과를 높이기 위하여 성형품 주변을 따라 냉각채널을 추가하여 설계하였다.
- 또한 압축스트로크에 따라 스크류의 압축전환 위치를 미세 조정하면서 성형품의 중량이 항상 일정하도록 하였다. 그리고 토글속도를 변경하면서 금형의 압축속도가 캐비티 압력 및 엠보 패턴의 높이에 미치는 영향을 고찰하였다.
- 금형을 일정거리만큼 개방한 상태에서 1 차 사출을 하고, 이어서 금형을 압축할 수 있도록 하였으며, 이때 Fig. 1 과 같이 금형을 일정거리 만큼 개방한 상태에서 밀폐구조가 유지되도록 설계하였다. 특히, 최대 3mm 범위에서 금형을 개방하고 사출할 때 수지의 누설이 발생하지 않도록 스프링을 사용하여 캐비티를 둘러싼 가동측 평판(core B)이 고정측 평판(cavity plate)에 완전히 접촉되도록 하였다.
- 도어그립 표면과 일치하는 3 차원 곡면형상을 갖도록 필름을 성형하기 위하여, 진공성형 금형을 제작하였다. 또한 열진공성형 해석을 수행하여 필름의 두께변화를 예측하고 실험결과와 비교하였으며, 관련된 자세한 내용은 참고문헌(16)에 나타나있다.
- 이번 연구에서는 자동차용 도어그립을 적용대상으로 3 차원 엠보패턴을 갖는 필름 인서트 성형을 구현하고자 하였다. 도어그립의 3 차원 곡면형상을 만족하는 필름성형을 위하여 진공금형을 제작하고, 사출압축 방식의 금형을 개발하였다. 엠보패턴을 갖는 필름을 진공성형한 후에, 트리밍된 필름을 사출압축금형의 고정측 캐비티에 설치하였으며, 최종적으로 사출압축성형 실험을 수행하였다.
- 1 차로 수지를 사출한 이후 압축단계에서 수지의 역류를 방지하고, 최종적으로 성형품만 취출할 수 있도록 2 개의 밸브게이트를 갖는 핫러너 시스템을 고정측 금형에 설계하였다. 또한 사출성형 냉각단계에서 제품의 불균일한 온도분포로 인한 휨 변형을 줄이기 위하여 상측과 하측에 각각 4 개의 직선형 냉각채널을 구성하고, 냉각효과를 높이기 위하여 성형품 주변을 따라 냉각채널을 추가하여 설계하였다.
- 실험에 적용된 기본적인 공정조건은 Table 1 과 같다. 또한 압축스트로크에 따라 스크류의 압축전환 위치를 미세 조정하면서 성형품의 중량이 항상 일정하도록 하였다. 그리고 토글속도를 변경하면서 금형의 압축속도가 캐비티 압력 및 엠보 패턴의 높이에 미치는 영향을 고찰하였다.
- 도어그립 표면과 일치하는 3 차원 곡면형상을 갖도록 필름을 성형하기 위하여, 진공성형 금형을 제작하였다. 또한 열진공성형 해석을 수행하여 필름의 두께변화를 예측하고 실험결과와 비교하였으며, 관련된 자세한 내용은 참고문헌(16)에 나타나있다.
- 사출압축성형 실험을 위하여 Engel 사에서 제조한 180 톤 전동식 사출성형기(e-max180)를 사용하였다. 또한 필름 인서트 사출성형의 최적조건을 도출하기 위하여 PRIAMUS 장비를 사용하여 캐비티 압력을 모니터링 하였다. 사출압축성형 공정에 대하여 압축스트로크 및 토글속도의 변화에 따른 실험을 수행하고 캐비티 압력을 최소화 시킬 수 있는 공정조건을 도출하고자 하였다.
- 그들은 사출속도, 보압크기 뿐만 아니라 압축속도가 중요 한 공정조건임을 보고하였다. 본 연구진(15)은 13메가급 고해상도 스마트폰 렌즈를 개발하기 위하여 사출압축성형을 적용하였으며, 기존 사출성형에서 발생하는 웰드라인을 제거하고 복굴절을 크게 감소시킬 수 있었다.
- 최종적으로 성형품의 엠보 높이를 측정하기 위하여 일본의 Kosaka Laboratory 에서 제작한 ET3000i 모델인 표면프로파일러를 이용하였다. 사출 성형을 위하여 ABS(LG Chemical HF-380) 수지를 사용하였으며, 유동지수(Melt Flow Index)는 35 g/10min 이다. 실험에 적용된 기본적인 공정조건은 Table 1 과 같다.
- 사출성형 및 압축성형의 조건 변화에 따른 금형 캐비티 압력 및 온도를 측정하기 위하여 금형에 3 개의 압력센서(Priamus 6003A)와 2 개의 온도센서(Priamus 6581A)를 설치하였다. Fig.
- 사출압축성형에서 압축속도에 의한 영향을 고찰하기 위하여 3mm/sec 부터 12mm/sec 까지 3mm/sec 간격으로 토글속도를 변화시키면서 실험을 수행하였다. 이때 압축스트로크는 0.
- 사출압축성형에서 압축스트로크가 캐비티 압력에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 0.3mm 부터 1.2mm 까지 0.3mm 간격으로 압축스트로크를 변화시켰으며, 이때 토글속도를 3mm/sec 로 고정하였다. Fig.
- 성형조건에 따른 엠보의 유지율을 고찰하기 위하여 필름 인서트 성형 이후 표면프로파일러(Surface Profiler)를 이용하여 엠보 패턴의 높이를 측정하였다. 압축스트로크 및 토글속도의 변화에 따라 사출압축성형한 이후 P3 지점에서 측정한 엠보패턴의 형상이 Fig.
- 특히, 최대 3mm 범위에서 금형을 개방하고 사출할 때 수지의 누설이 발생하지 않도록 스프링을 사용하여 캐비티를 둘러싼 가동측 평판(core B)이 고정측 평판(cavity plate)에 완전히 접촉되도록 하였다. 수지의 충전이 완료되면 가동측 평판(core B)이 사전에 설정된 토글속도로 후진하면서 수지 압축이 이루어지도록 하였다. 금형이 완전히 닫히게 되면 유압유니트의 신호에 의해 양단의 박형실린더에 압력이 가해지고 Fig.
- 도어그립의 3 차원 곡면형상을 만족하는 필름성형을 위하여 진공금형을 제작하고, 사출압축 방식의 금형을 개발하였다. 엠보패턴을 갖는 필름을 진공성형한 후에, 트리밍된 필름을 사출압축금형의 고정측 캐비티에 설치하였으며, 최종적으로 사출압축성형 실험을 수행하였다. 특히, 압축 스트로크와 토글속도가 캐비티 압력 및 엠보패턴의 높이에 미치는 영향을 고찰하였으며, 기존 사출성형에 의한 결과와 비교하였다.
- 5mm 의 적층필름이며, ABS 백킹시트와 PUR 코팅층으로 구성되어 있다. 일본 주조화학에서 생산하는 UV 경화형 잉크(RC47)를 적용한 스크린 인쇄 방법을 통하여 필름 표면에 60 ㎛ 높이를 갖는 엠보 패턴을 생성하였다.
- 캐비티에서 좌, 우 동시 충전조건을 만족시키기 위하여 Fig. 2 에서 표시된 2 번 밸브 게이트(Gate 2)에 1.15sec 의 지연시간을 적용하여 일반적인 사출성형실험을 수행하였다.
- 엠보패턴을 갖는 필름을 진공성형한 후에, 트리밍된 필름을 사출압축금형의 고정측 캐비티에 설치하였으며, 최종적으로 사출압축성형 실험을 수행하였다. 특히, 압축 스트로크와 토글속도가 캐비티 압력 및 엠보패턴의 높이에 미치는 영향을 고찰하였으며, 기존 사출성형에 의한 결과와 비교하였다.
- 1 과 같이 금형을 일정거리 만큼 개방한 상태에서 밀폐구조가 유지되도록 설계하였다. 특히, 최대 3mm 범위에서 금형을 개방하고 사출할 때 수지의 누설이 발생하지 않도록 스프링을 사용하여 캐비티를 둘러싼 가동측 평판(core B)이 고정측 평판(cavity plate)에 완전히 접촉되도록 하였다. 수지의 충전이 완료되면 가동측 평판(core B)이 사전에 설정된 토글속도로 후진하면서 수지 압축이 이루어지도록 하였다.
- 한편 선행연구(17)를 통해 고찰한 바와 같이 캐비티 압력의 시간에 따른 적분값은 성형 후 필름의 엠보 형상 유지에 중요한 영향을 미친다. 필름에 인쇄된 엠보 형상의 유지율을 최대화하기 위하여 캐비티 압력 적분값이 가장 작은 압축스트로크 0.9mm 를 최적의 성형조건으로 선정하였다.
대상 데이터
- 한편 토글속도가 빠를수록 캐비티 압력은 크게 발생하지만, 금형압축이 이루어지는 시간이 짧기 때문에 캐비티 압력이 유지되는 시간이 짧아지게 되고, 결국 캐비티 압력의 시간에 따른 적분값이 증가하는 기울기는 캐비티 압력의 기울기에 비하여 작은 것으로 판단된다. 본 연구에서는 엠보 형상 유지율을 높이기 위한 토글속도로서 3mm/sec 를 선정하였다.
- 사출압축성형 실험을 위하여 Engel 사에서 제조한 180 톤 전동식 사출성형기(e-max180)를 사용하였다. 또한 필름 인서트 사출성형의 최적조건을 도출하기 위하여 PRIAMUS 장비를 사용하여 캐비티 압력을 모니터링 하였다.
이론/모형
- 최종적으로 성형품의 엠보 높이를 측정하기 위하여 일본의 Kosaka Laboratory 에서 제작한 ET3000i 모델인 표면프로파일러를 이용하였다. 사출 성형을 위하여 ABS(LG Chemical HF-380) 수지를 사용하였으며, 유동지수(Melt Flow Index)는 35 g/10min 이다.
성능/효과
- (1) 사출압축금형 개발 및 실험을 통해 압축스트로크가 증가할수록 캐비티 압력이 감소하며, 압축스크로크 0.9mm 이상에서는 반대로 압력이 증가하고 있음을 알 수 있었다. 또한 금형을 압축하는 단계에서 토글속도가 증가함에 따라 캐비티 압력은 지속적으로 증가하였다.
- (2) 사출압축성형을 적용하여 기존 사출성형에서 발생하는 캐비티 압력의 크기를 30%수준으로 크게 낮출 수 있었다.
- (3) 엠보 패턴의 높이를 가장 크게 유지할 수 있도록 하는 사출압축성형 조건은 캐비티 압력을 시간에 따라 적분한 값이 최소화되는 공정조건과 일치하였다.
- (4) 기존 사출성형을 적용할 경우 엠보유지율이 50~55%이었으나, 사출압축성형을 적용할 경우에는 80~91% 수준으로 엠보유지율을 크게 높일 수 있었다.
- 반면에 사출압축성형을 적용한 경우 P1, P2, P3 지점에서의 엠보높이는 각각 48, 52, 55 ㎛ 이었으며, 엠보 형상 유지율은 각각 80, 86, 91%인 것으로 나타났다. 결국 기존 사출성형을 적용할 경우 엠보유지율이 50~55% 범위였으나, 사출압축성형을 적용하여 80~91% 수준으로 엠보 유지율을 크게 높일 수 있었다.
- 2 의 P3 지점에서 기존 사출성형과 사출압축성형에 의한 엠보패턴 형상을 측정하여 100 배로 확대한 사진이다. 기존 사출성형에 비하여 사출압축성형의 적용을 통해 3 차원 엠보 형상이 크게 유지되고 있음을 확인할 수 있다.
- 기존 사출성형의 경우 P1, P2, P3 지점에서의 엠보 높이는 각각 30, 33, 32 ㎛이었으며, 성형 이전의 엠보높이 60μm 를 기준으로 엠보형상 유지율을 계산하면, 각각 50, 55, 53%인 것으로 나타났다. 반면에 사출압축성형을 적용한 경우 P1, P2, P3 지점에서의 엠보높이는 각각 48, 52, 55 ㎛ 이었으며, 엠보 형상 유지율은 각각 80, 86, 91%인 것으로 나타났다. 결국 기존 사출성형을 적용할 경우 엠보유지율이 50~55% 범위였으나, 사출압축성형을 적용하여 80~91% 수준으로 엠보 유지율을 크게 높일 수 있었다.
- 8 에 나타나 있다. 압축스트로크 0.9mm 에서 엠보높이가 가장 높고, 토글속도가 느릴수록 엠보높이가 가장 높음을 알 수 있다. 특히, 엠보패턴이 가장 높은 공정조건은 Fig.
- 6 은 토글속도에 따른 캐비티 압력 최대값과 캐비티 압력의 시간에 따른 적분값을 나타낸 것이다. 토글속도가 빠를수록 최대 캐비티 압력이 급격하게 증가하고 있으며, 반면에 캐비티 압력의 적분값은 상대적으로 완만하게 증가하고 있음을 볼 수 있다. 토글속도가 빠를수록 2 차 압축단계에 서 압축력이 크게 증가하기 때문에 캐비티에서 받는 압력이 급격히 증가하게 되는 것으로 판단된다.
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