인서트사출 성형은 용융 플라스틱을 인서트가 삽입된 금형에 주입하는 공정이다. 사출 과정 중에 인서트는 용융 플라스틱이 가하는 압력에 의해 변형될 수 있다. 인서트의 변형은 인서트 주변의 유로 폭을 변화시키고, 이것은 미성형이나 성형품의 뒤틀림 같은 심각한 결함을 야기시킬 수 있다. 인서트의 변형을 감소시키기 위해서는 게이트 시스템, 인서트 형상, 성형 조건 등을 성공적으로 설계해야 한다. 본 연구에서는 BLDC 모터고정자의 사출 성형 시 발행하는 인서트의 변형을 수치해석을 통하여 분석하였다. 인서트 변형을 감소시키기 위하여 게이트 위치와 인서트 형상을 수정하였다. 마지막으로, 수정된 설계로 사출 성형을 수행하고, 변형이 감소되었음을 확인하였다.
인서트 사출 성형은 용융 플라스틱을 인서트가 삽입된 금형에 주입하는 공정이다. 사출 과정 중에 인서트는 용융 플라스틱이 가하는 압력에 의해 변형될 수 있다. 인서트의 변형은 인서트 주변의 유로 폭을 변화시키고, 이것은 미성형이나 성형품의 뒤틀림 같은 심각한 결함을 야기시킬 수 있다. 인서트의 변형을 감소시키기 위해서는 게이트 시스템, 인서트 형상, 성형 조건 등을 성공적으로 설계해야 한다. 본 연구에서는 BLDC 모터 고정자의 사출 성형 시 발행하는 인서트의 변형을 수치해석을 통하여 분석하였다. 인서트 변형을 감소시키기 위하여 게이트 위치와 인서트 형상을 수정하였다. 마지막으로, 수정된 설계로 사출 성형을 수행하고, 변형이 감소되었음을 확인하였다.
Insert injection molding is a process in which molten plastic is injected into a mold that contains a pre-placed insert. During the injection stage, the insert can be deformed by the pressure applied by the polymer melts. The deformation of the insert changes the width of the flow path around the in...
Insert injection molding is a process in which molten plastic is injected into a mold that contains a pre-placed insert. During the injection stage, the insert can be deformed by the pressure applied by the polymer melts. The deformation of the insert changes the width of the flow path around the insert, which can cause several defects such as short shots or warpages of the parts. In order to reduce the deformation of the insert, it is important to achieve successful design of gating system, insert geometry, and molding conditions. In the present study, the insert deformations that occured during the injection molding of the BLDC motor stator were investigated by numerical analyses. The gate location and the insert shape were modified to reduce the insert deformation. Finally, the injection molding with the modified designs was carried out, and it was confirmed that the insert deformation was reduced.
Insert injection molding is a process in which molten plastic is injected into a mold that contains a pre-placed insert. During the injection stage, the insert can be deformed by the pressure applied by the polymer melts. The deformation of the insert changes the width of the flow path around the insert, which can cause several defects such as short shots or warpages of the parts. In order to reduce the deformation of the insert, it is important to achieve successful design of gating system, insert geometry, and molding conditions. In the present study, the insert deformations that occured during the injection molding of the BLDC motor stator were investigated by numerical analyses. The gate location and the insert shape were modified to reduce the insert deformation. Finally, the injection molding with the modified designs was carried out, and it was confirmed that the insert deformation was reduced.
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문제 정의
본 연구에서는 BLDC 모터의 인서트 사출 성형 에 대하여 수치해석 및 실험을 수행하였다. 이러한 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
1) 인서트의 변형을 고려한 3차원 유동해석을 통하여 사출 시 발생하는 문제점의 원인을 분석하였다.
2) 성형 시 발생하는 문제점인 인서트의 변형과 이로 인한 미성형 불량을 해결하기 위하여 유동의 분산을 유도하는 게이트 시스템을 재설계하였고, 인서트 위아래의 유동균형을 맞추기 위하여 인서트에 구멍을 가공하여 양쪽간의 유로를 확보하였다.
8과 같이 게이트 시스템의 설계를 개선하였다. 게이트 위치를 그림상의 오른쪽으로 이동시켰고, 유동이 인서트의 위아래 방향으로 고르게 분산되도록 하기 위하여 게이트의 크기를 두께방향으로 15 mm로 증가시켰다.
본 연구에서는 BLDC 모터 고정자의 인서트 사출 성형 공정 시에 발생하는 인서트의 변형을 예측하기 위하여 상용 해석 프로그램인 Moldflow를 이용하여 3차원 해석[4]을 수행하였다. 해석 결과를 토대로 인서트 사출 성형 공정 시에 발생할 수 있는 문제점을 예측하였고, 이를 개선하기 위한 게이트 설계, 인서트 형상설계를 개선하였다.
인서트의 위쪽 영역에서 발생하는 미성형 문제를 해결하기 위해서는 유동이 위쪽 영역으로 유입될 수 있는 추가적인 유동 경로가 필요하다. 본 연구에서는 인서트의 전자회로기판에 구멍을 가공하여 이러한 추가적인 유동 경로를 생성시켰다. 이러한 구멍은 인서트의 위쪽 영역과 아래쪽 영역을 연결하는 직접적인 유동 경로로써 작용할 뿐만 아니라, 압력을 받는 면적을 감소시켜 주는 역할도 수행하므로 인서트의 변형 감소에도 도움을 줄 수 있다.
사출 성형 조건은 수지 용융 온도 230 °C, 금형 온도 30 °C, 사출 시간 3 sec로 설정하였다.
성형조건은 해석에서의 조건과 동일한 용융수지 온도 230 °C, 금형 온도 30 °C, 사출 시간 3 sec로 설정하였다.
수치 해석 결과를 확인하기 위하여 인서트 사출 성형 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 사출기는 고려정밀 (주)의 75 ton 사출기인 KCA-75 가 사용되었다.
본 연구에서는 BLDC 모터 고정자의 인서트 사출 성형 공정 시에 발생하는 인서트의 변형을 예측하기 위하여 상용 해석 프로그램인 Moldflow를 이용하여 3차원 해석[4]을 수행하였다. 해석 결과를 토대로 인서트 사출 성형 공정 시에 발생할 수 있는 문제점을 예측하였고, 이를 개선하기 위한 게이트 설계, 인서트 형상설계를 개선하였다. 또한, 개선된 설계안을 적용한 사출성형 실험을 수행하고, 이러한 문제점이 해결된 것을 확인하였다.
대상 데이터
2 와 같이 모델링되었다. 사출에 사용된 수지는 폴리프로필렌(polypropylene, PP)이며, 수지의 점성 모델과 PVT 모델에 사용된 계수들은 Table 1과 2에 나타내었다.
수치 해석 결과를 확인하기 위하여 인서트 사출 성형 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 사출기는 고려정밀 (주)의 75 ton 사출기인 KCA-75 가 사용되었다. 성형조건은 해석에서의 조건과 동일한 용융수지 온도 230 °C, 금형 온도 30 °C, 사출 시간 3 sec로 설정하였다.
4는 게이트 시스템의 초기 설계안을 보여준다. 폭 17 mm, 두께 1 mm의 사이드 게이트가 1개 적용되었다. 사출 성형 조건은 수지 용융 온도 230 °C, 금형 온도 30 °C, 사출 시간 3 sec로 설정하였다.
데이터처리
주어진 게이트 시스템과 성형조건을 적용하여 상용 해석 소프트웨어인 Moldflow를 사용한 3차원 성형해석을 수행하였다[4]. 해석 결과 얻어진 충전 패턴과 인서트 물의 변형을 Fig.
성능/효과
3) 개선된 설계안을 적용한 인서트 사출 성형의 수치 해석을 통하여, 인서트물의 변형 및 미성형 문제가 해결되었음을 확인하였다.
4) 설계 개선 전과 후의 사출 성형 실험을 수행하여, 제안된 설계 개선안이 사출 불량 해소에 매우 효과적임을 확인하였다.
12는 해석 결과 중 유동 패턴을 나타낸다. 결과 에서 알 수 있듯이 구멍을 통한 유동으로 인해 인서트물의 위쪽 영역과 아래쪽 영역이 거의 균일하게 충전되고, 미 성형이 발생하지 않음을 알 수 있다.
각 경우의 충전양상이 수치해석 결과와 잘 일치하고 있다. 두 경우 모두 인서트의 위쪽 영역에서 미 성형이 발생하였고, 인서트의 왼쪽 영역이 위쪽으로 휘어지는 변형이 발생함을 확인하였다.
해석 결과를 토대로 인서트 사출 성형 공정 시에 발생할 수 있는 문제점을 예측하였고, 이를 개선하기 위한 게이트 설계, 인서트 형상설계를 개선하였다. 또한, 개선된 설계안을 적용한 사출성형 실험을 수행하고, 이러한 문제점이 해결된 것을 확인하였다.
16은 개선된 게이트 시스템과 구멍이 가공된 인서트를 삽입하여 성형하였을 경우의 최종 성형품을 나타낸다. 모든 영역에 수지가 잘 충전되었고, 미성형 등의 불량이 발생하지 않음을 확인할 수 있다.
이러한 사출 성형 실험 결과로부터 수치해석 결과가 인서트 사출 성형에서 발생하는 불량을 잘 예측하고 있으며, 개선된 게이트 시스템과 인서트 형상 개선이 사출 불량 해소에 매우 효과적임을 확인하였다.
이러한 수치해석 결과로부터, 전자회로 기판에 구멍을 내어 인서트물의 위쪽 영역과 아래쪽 영역을 연결해준 것이 유동의 균형을 맞추어, 인서트물의 변형을 방지 하고 미 성형 문제를 해결하는데 매우 효과적임을 확인하였다.
후속연구
5) 본 연구에서 수행된 수치해석과 설계 개선안은 여러 가지 인서트 사출 성형 시 발생가능한 문제점을 예상하고 해결안을 찾는데 도움이 될 것으로 기대 된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
인서트 사출 성형이란 무슨 공정인가?
인서트 사출 성형은 용융 플라스틱을 인서트가 삽입된 금형에 주입하는 공정이다. 사출 과정 중에 인서트는 용융 플라스틱이 가하는 압력에 의해 변형될 수 있다.
인서트의 변형의 문제점은?
사출 과정 중에 인서트는 용융 플라스틱이 가하는 압력에 의해 변형될 수 있다. 인서트의 변형은 인서트 주변의 유로 폭을 변화시키고, 이것은 미성형이나 성형품의 뒤틀림 같은 심각한 결함을 야기시킬 수 있다. 인서트의 변형을 감소시키기 위해서는 게이트 시스템, 인서트 형상, 성형 조건 등을 성공적으로 설계해야 한다.
BLDC 모터는 무엇으로 구성되는가?
BLDC 모터 (brushless DC motor)는 DC 모터에서 브러쉬, 정류자 등 기계적인 접촉부를 없애고 이것을 전자적인 정류 기구로 대신한 DC 모터이다. 이것은 보통 전자석으로 구성된 고정자, 영구자석으로 구성된 회전자, 회전 시 전류의 방향을 제어하는 전자 제어부의 세 가지로 구성된다. 기계적 브러쉬 대신 전자적 제어 시스템을 사용하므로, 브러쉬의 마모나 마멸이 없고, 스파크 나 전기노이즈 등이 적다는 장점이 있다.
참고문헌 (4)
T. J. Lho, K. S. Kim, "A Study on Implementation of Al-Inserted Plastic Injection Molding Process for Automobile Interior-Parts," Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 25, No. 5, pp. 43-51, 2008.
H. L. Chen, S. C. Chen, W. H. Liao, R. D. Chien, Y. T. Lin, "Effects of insert film on asymmetric mold temperature and associated part warpage during in-mold decoration injection molding of PP parts," International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 41, pp. 34-40, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2012.11.002
D. G. Ahn, D. W. Kim, "Injection Molding Analysis of Battery case considering the Insert Deformation," Proc. of the KSME Autumn, pp. 1107-1112, November, 2008.
Matt Jaworski, Simulation of Core Shift and Injection Molding Machine Clamp Over - Tonnage Using Moldflow Plastic Insight, Moldflow Pty. Ltd., pp.2-12, 2005.
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