[논문]고무 성형 공정에서 금형 형상에 따른 고무 흐름의 컴퓨터 모사

이단비; 이민아; 최성현; 류민영

doi:10.7473/ec.2014.49.3.220

고무 성형 공정에서 금형 형상에 따른 고무 흐름의 컴퓨터 모사
Computer Simulation of Rubber Flow for Mold Profile in Rubber Shaping Process 원문보기

Elastomers and composites = 엘라스토머 및 콤포지트, v.49 no.3, 2014년, pp.220 - 224

이단비 (서울과학기술대학교 대학원 제품설계금형공학과) , 이민아 (서울과학기술대학교 대학원 제품설계금형공학과) , 최성현 (한국타이어 중앙연구소) , 류민영 (서울과학기술대학교 대학원 제품설계금형공학과)

초록
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자동차 타이어의 트레드는 노면과 직접적으로 접촉하며 제동력, 구동력, 소음 등 중요한 역할을 한다. 트레드는 많은 그루브로 이루어져 있는데 고무의 형상을 형성하는 가류 공정에서 불량이 발생하게 되면 트레드의 기능이 저하되어 자동차 성능의 문제로 이어지게 된다. 본 논문은 CAE 해석을 통하여 가류 공정 중 구체적인 고무의 흐름을 분석하였다. 트레드 형상에 따라 고무 흐름의 편차가 발생하기 때문에 형상에 따른 트레드의 고무가 금형에 접촉되는 순서와 속도 그리고 고무의 흐름을 관찰하였다. 트레드의 형상에 따라서 고무가 금형에 안착되는 양상이 다르게 나타났으며 고무의 흐름에 큰 변화를 주는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The tire tread is contacted with road surface directly. It gives significant effect on the breaking conditions, traction, noise and so on. The tread having grooves with complex geometry is molded by shaping process. The flow behavior of tread rubber in a mold affects the quality of the tread and it leads to the running performance of automobile. In this study, the flow behavior of rubber in shaping process has been investigated by computer simulation. The objective of flow simulation is the design of tread shape based on the contact of rubber on the mold surface and flow behavior of rubber. Different sequences of contact of rubber on the mold surface and flow behavior of rubber are observed according to the shape of tread on the mold surface. It was verified that the shape of tread gives significant effect on the flow behavior of rubber. Different flow behaviors of rubber and sequential contact of rubber to the mold surface were observed according to the shape of tread on the mold surface. Therefore, we have identified that the shape of tread give a change in the flow behavior of rubber.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 타이어 제조 공정 중 트레드를 형성하는 가류 공정에서 고무가 금형에 안착 시 고무의 흐름에 대해 연구하였다. 해석을 통하여 고무가 금형에 안착되는 현상을 모사하였으며 고무의 흐름 현상에 대한 관찰을 통하여 고무의 미 충전 및 Air trap의 설치 위치를 예측할 수 있었다.
본 논문에서는 타이어의 제조 공정 중 최종 공정인 가류 공정에서 트레드의 형상에 따른 고무 흐름 현상을 분석하였다. 일반적으로 컴퓨터 해석을 통해 자동차 타이어의 기능에 맞게 트레드를 설계하고 이의 형상 따라 고무를 성형하기 때문에 본 연구에서 수행한 결과는 성형성을 고려한 트레드의 형상 설계에 중요한 정보를 제공해 줄 것으로 판단된다.

제안 방법

Table 1은 각 층별 점도를 나타내고 있다. RPA를 이용하여 전단변형률에 따른 점도를 측정한 후 영 전단점도를 구하였다. 가장 바깥쪽 트레드는 1번 층이다.
가류 공정 시 자동차용 타이어의 트레드 형상에 따른 영향도를 분석 하기 위하여 주어진 금형의 형상에서 트레드 형상이 평평한 Flat 형상, V 모양인 V-Groove 형상 그리고 U 모양인 U-Groove 형상으로 변경하여 해석을 진행하였다. Figure 5에 트레드의 형상에 따른 모델이 나타나있다.
Figure 5에 트레드의 형상에 따른 모델이 나타나있다. 고무의 흐름을 상세하게 관찰하기 위하여 Figure 5에 나타난 것처럼 트레드 고무의 groove에 기준선을 삽입하여 기준선의 이동을 관찰하였다. 형상별 트레드의 각 Block의 볼륨은 동일하다.
Blow 공정을 마치면 타이어의 성형이 완료되어 취출된다. 이러한 가류 공정을 모사하기 위하여 블래더에 2차 압이 가해지는 Blow 공정 시점에서 모델링을 하고 경계조건을 설정하였다.
경계조건은 Figure 4에 나타나있으며, 자유표면에서 금형과 접촉하는 최외곽 면은 Contact 조건을 부여하였다. 층간의 경계 면에는 Moving interface를 적용하였다. 맨 안쪽 면에는 압력이 작용되므로 압력조건을 현장에서 사용하는 25kgf/cm²로 적용하였다.
가류 공정에서 시간에 따른 고무의 흐름 및 타이어 형상 변화를 분석하기 위하여 Time-de- pendent problem 해석을 수행하였다. 해석 모델링은 타이어의 다양한 반제품들을 고려하여 모델링을 하였다. 타이어의 반제품들을 총 11개의 층으로 하여 모델링을 하였다.
본 논문에서는 타이어 제조 공정 중 트레드를 형성하는 가류 공정에서 고무가 금형에 안착 시 고무의 흐름에 대해 연구하였다. 해석을 통하여 고무가 금형에 안착되는 현상을 모사하였으며 고무의 흐름 현상에 대한 관찰을 통하여 고무의 미 충전 및 Air trap의 설치 위치를 예측할 수 있었다.

대상 데이터

자동차용 타이어는 트레드, 사이드월, 컴포시트 등 10개 이상의 층으로 구성되어 있다. 그 중 트레드는 노면과 접촉하는 중요한 부분이며 큰 홈의 메인 그루브(Main groove), 서브 그루브(Sub groove), 얇은 홈의 커프(Kerf) 등 많은 그루브로 이루어져 복잡한 형상의 무늬를 가지고 있다.
해석 모델링은 타이어의 다양한 반제품들을 고려하여 모델링을 하였다. 타이어의 반제품들을 총 11개의 층으로 하여 모델링을 하였다.

이론/모형

Figure 3은 Mesh의 형성을 보여주고 있으며, 해석에 적용된 Viscosity model은 Bird-Carreau law를 적용하였다. Table 1은 각 층별 점도를 나타내고 있다.
해석에 적용한 타이어 모델은 Figure 2에 나타나 있으며, 축대칭으로 해석을 진행하였다. 가류 공정에서 시간에 따른 고무의 흐름 및 타이어 형상 변화를 분석하기 위하여 Time-de- pendent problem 해석을 수행하였다. 해석 모델링은 타이어의 다양한 반제품들을 고려하여 모델링을 하였다.
해석소프트웨어는 고분자 및 고무 등 Non-newtonian 유체와 관련된 분야에서 사용되는 Fluent사의 CFD (Computational Fluid Dynamics) 프로그램인 Polyflow를 사용하였다.

성능/효과

고무가 금형에 안착되는 순서, 속도 등 트레드 형상에 따라 금형에 고무가 안착되는 현상이 달랐으며, 금형의 모양에 따라 적합한 트레드 형상이 존재하는 것을 확인하였다.
Figure 6의 모든 형상에서 트레드의 Block 1, 2와 Block 6, 7사이의 기준선 변화가 큼에 따라 고무가 금형에 안착 시 흐름이 클 것으로 판단된다. 또한 Flat 형상에서 기준선의 변화가 가장 크며, V-Groove 형상, U-Groove 형상 순으로 변화가 작아지는 것으로 나타났다. U-Groove 형상의 고무가 금형에 빠르게 안착되고, 고무의 흐름 변화가 적은데 U-Groove 형상과 금형의 형상이 서로 유사하여 U-Groove 형상에서 고무의 안착속도가 빠르고 흐름의 변화가 적은 것으로 나타났다고 판단된다.
또한 트레드의 Flat 형상, V-Groove 형상, U-Groove 형상에 따른 고무의 흐름 해석한 결과 고무의 흐름이 Flat 형상, V-Groove 형상 그리고 U-Groove 형상 순으로 고무 흐름이 크게 일어나는 것으로 나타났다.

후속연구

본 연구는 가류 공정 중 고무 흐름을 이해할 수 있었으며 연구에서 수행한 컴퓨터 모사 방법은 향후 트레드 형상 설계와 금형 설계에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
본 논문에서는 타이어의 제조 공정 중 최종 공정인 가류 공정에서 트레드의 형상에 따른 고무 흐름 현상을 분석하였다. 일반적으로 컴퓨터 해석을 통해 자동차 타이어의 기능에 맞게 트레드를 설계하고 이의 형상 따라 고무를 성형하기 때문에 본 연구에서 수행한 결과는 성형성을 고려한 트레드의 형상 설계에 중요한 정보를 제공해 줄 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차 타이어의 트레드의 역할은 무엇인가?	자동차 타이어의 트레드는 노면과 직접적으로 접촉하며 제동력, 구동력, 소음 등 중요한 역할을 한다. 트레드는 많은 그루브로 이루어져 있는데 고무의 형상을 형성하는 가류 공정에서 불량이 발생하게 되면 트레드의 기능이 저하되어 자동차 성능의 문제로 이어지게 된다.
	가류 공정에서 불량이 발생하게 되면 어떻게 되는가?	자동차 타이어의 트레드는 노면과 직접적으로 접촉하며 제동력, 구동력, 소음 등 중요한 역할을 한다. 트레드는 많은 그루브로 이루어져 있는데 고무의 형상을 형성하는 가류 공정에서 불량이 발생하게 되면 트레드의 기능이 저하되어 자동차 성능의 문제로 이어지게 된다. 본 논문은 CAE 해석을 통하여 가류 공정 중 구체적인 고무의 흐름을 분석하였다.
	타이어의 역할은 무엇인가?	자동차의 타이어는 자동차 부품 중 지면과 직접적으로 접촉하는 유일한 부품이다. 자동차의 하중을 지지하고 노면에서 발생하는 충격을 완화하며 엔진의 동력, 제동력 등을 노면에 전달하여 자동차의 진행방향 및 전환유지 등 자동차의 운동을 유지하는 작용을 한다. 타이어 표면의 형상은 노면의 상태에 따라 다양하며 매우 복잡하여 타이어 성형 시 많은 불량이 생기게 된다.

참고문헌 (10)

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M.-Y. Lyu, D. M. Park, H. J. Kim and J. R. Yoon "Computer Simulation of Viscoelastic Flow in a Capillary Die for Rubber Compounds", Elastomers, 41, 223 (2006).
K. W. Kim, H. S. Jeong, J.-R. Cho and Y. S. Yang, "Finite Element Analysis on Residual Aligning Torque and Frictional Energy of a Tire with Detailed Tread Blocks", Trans. Korean Soc. Autom. Eng., 12, 173 (2004).
Y. Jin, "Characteristics of Vehicle Tire Tread Pattern and its Application in Forensic Science", Adv. Mater. Res., 706/ 708, 1241 (2013).

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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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