[논문]사출공정에서 휨 변형을 최소로 하는 호퍼 설계 연구

김영석; 이의주; 손재환

doi:10.5762/kais.2015.16.1.35

사출공정에서 휨 변형을 최소로 하는 호퍼 설계 연구
A Study on Hopper Design for Minimizing the Wrapage Deformation at Injection Molding Processes 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.1, 2015년, pp.35 - 42

김영석 (경북대학교 기계공학부) , 이의주 (경북대학교 대학원) , 손재환 (대구기계부품연구원)

초록
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사출성형은 플라스틱 제품의 대량생산에 적합한 제조기술이지만 사출성형공정에서 사출품의 휨 변형이 항상 문제가 되고 있다. 본 연구에서는 전자동 정제분류 포장시스템의 호퍼 제품을 기존의 ABS 수지에서 PP 수지로 변경하는 경우에 생기는 사출품의 휨 변형을 최소로 하는 것을 목적으로 하였다. Moldflow 소프트웨어를 이용하여 호퍼의 사출성형 공정을 해석하여 호퍼의 휨 변형을 최소로 하기위한 게이트의 형상과 리브 형상을 결정하였으며 실 제품의 사출성형을 통해 사출성형 해석결과의 타당성을 입증하였다. 결정성 수지인 PP 재료의 사출성형 시에는 유동선단의 면적이 넒은 경우가 유리하며 리브를 보강하는 것이 휨 변형을 줄일 수 있다는 것을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Injection molding is a high efficient manufacturing technology for producing plastic parts. On the other hand, the warpage of molded plastic parts is an ubiquitous problem in the injection molding process. The main objective of this study was to minimize the amount of warpage occurring in the injection molding process of a hopper of ATDPS made of crystalline polymer (PP) instead of amorphous polymer (ABS). The moldflow CAE simulation was conducted for the molding process of the hopper to clarify the injection moldability, shear rate, shear stress, warpage by changing the gate shape and the number of ribs installed on the top of the hopper flange. The wide gate shape of runner system and multiple rib installation were found to be useful for minimizing the warpage of the hopper. The validity of the CAE simulations was supported by the injection molding experiment for the optimized design case.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 성형해석을 통한 전자동 정제분류 포장시스템 장비의 호퍼의 사출 성형품 개발을 목표로, ATDPS의 호퍼 제품의 사출공정에 대한 Moldflow 해석을 통하여 PP 재질의 호퍼 사출성형 공정에서 수지의 유동성, 전단률, 전단응력, 휨 변형 등을 해석하였다. 구체적으로는 사출공정의 성형해석을 통해 호퍼의 휨 변형을 최소로 하기위한 게이트의 형상과 리브 형상을 결정하였고, 실 제품의 사출성형을 통해 사출성형 해석결과의 타당성을 입증하였다.
본 연구에서는 먼저 게이트(사이드 게이트) 형상의 변화에 따른 수지의 충진과정에서의 유동성(전단변형률과 전단변형률 분포)를 분석하여 적정한 게이트 형상을 결정한 후, 동일한 사출성형 조건에서의 리브 형상을 변경하여 Z축 방향의 변형량을 최소로 하는 리브 형상을 찾고자 하였다.
사출제품의 휨 변형을 억제하기 위한 수단으로 적정한 위치의 벽 두께를 보강하는 방법이 일반적으로 사용되고 있다. 본 연구에서는 앞에서 선정된 게이트 형상 및 사출조건에 대한 해석결과를 바탕으로 호퍼 상면부의 휨 변형을 억제하기 위해 Figure 6과 같이 리브를 보강하는 방법에 대해서 검토하였다. Figure 6에 추가된 리브 형상구조가 서로 다른 4가지 형상을 나타내었고 Table 5에 케이스 별 간격 및 리브의 개수를 나타내었다.
본 연구에서는 전자동 정제분류 포장시스템(Automatic Tablet Dispensing & Packaging System, ATDPS) 장비 하단부에 위치하며 정제약을 한 곳으로 모아주는 역할을 하는 사각컵 형태의 호퍼를 대상으로,기존의 비결정 수지인 ABS 재질의 진공성형품을 결정성 수지인 PP 재질의 사출성형품으로 제작 시 발생하는 휨 변형량을 최소화하기 위한 방안을 강구하였다.

제안 방법

Moldflow 성형해석 프로그램을 통해 게이트 형상의 변화에 따른 해석결과를 토대로 게이트 유동선단의 폭이 넓은 게이트 2를 선정하였다. 이를 바탕으로 호퍼 제품의 상면부의 변형을 최소화하기 위한 리브 모델을 결정하였으며 사출금형을 제작 후 실제 호퍼를 시험 사출하였다.
각 경우에 기본조건을 적용하여 충전시간과 최대 사출압력에 대해서 해석을 진행하였다. Figure 7에 대표적인 경우로 케이스 1에 대해서 충전시간 및 최대 추출압력을 나타내었다.
본 논문에서는 성형해석을 통한 전자동 정제분류 포장시스템 장비의 호퍼의 사출 성형품 개발을 목표로, ATDPS의 호퍼 제품의 사출공정에 대한 Moldflow 해석을 통하여 PP 재질의 호퍼 사출성형 공정에서 수지의 유동성, 전단률, 전단응력, 휨 변형 등을 해석하였다. 구체적으로는 사출공정의 성형해석을 통해 호퍼의 휨 변형을 최소로 하기위한 게이트의 형상과 리브 형상을 결정하였고, 실 제품의 사출성형을 통해 사출성형 해석결과의 타당성을 입증하였다.
다음으로 휨의 평가로 Z축의 변형량에 대해 해석을 진행하였다. Table 7에 케이스 1, 2, 3 과 4의 경우에 대한 해석결과를 정리하였다.
압력값의 상승은 리브의 형상 추가에 따른 것이라 사료된다. 또한 동일 조건에서의 형체결력과 체적 수축률에 대한 해석을 진행하였다.
본 연구에서는 사출성형해석용 소프트웨어인 Moldflow[4]를 이용하여 PP 재질의 호퍼 사출공정을 해석하여 게이트 형상을 선정하고, 휨 발생(z-axis deflection)을 최소로 하는 리브(rib) 형상 및 구조를 결정하였다. 또한 그 결과에 따른 최적의 조건으로 실제 금형을 제작하여 제품을 제작하여 사출성형품의 휨 발생이 품질 합격기준 내에 있음을 확인하였다.
사출성형 해석에는 Moldflow [4]를 이용하였으며 냉각(Cool)→충전(Fill)→보압(Pack)→변형(Warp) 모듈을 이용하여 사출공정의 전 과정에 대해 해석을 진행하였다.
사출성형 해석조건으로는 사출시간 3초, 수지온도 220℃, 금형온도 50℃, 냉각시간 22초, 보압(Pack/holding control)은 3초간 35MPa 로 설정하였다.
Moldflow 성형해석 프로그램을 통해 게이트 형상의 변화에 따른 해석결과를 토대로 게이트 유동선단의 폭이 넓은 게이트 2를 선정하였다. 이를 바탕으로 호퍼 제품의 상면부의 변형을 최소화하기 위한 리브 모델을 결정하였으며 사출금형을 제작 후 실제 호퍼를 시험 사출하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 대상으로 하는 전자동정제분류포장시스템의 호퍼의 형상은 Figure 1과 같이 가로, 세로, 높이가 (550*338.5*198)mm 이며 전체적인 두께는 3mm이다.
사출성형 해석에 사용된 격자(mesh)는 형상 변경이 필요 없는 모든 요소의 두께가 자동으로 계산되는 Dual-domain 으로 생성하였으며 생성된 격자의 수는 78,969 개이다.

이론/모형

과거에는 이들 성형불량을 줄이기 위해 주요 설계변수들 -살 두께, 게이트의 위치와 종류, 수지종류, 제품형상, 사출조건 등 - 을 제품설계자의 경험에 의해 결정하는 시행착오(try-and-error) 방식에 의존하였다. 그러나 최근에는 사출해석전용소프트웨어를 이용한 컴퓨터응용해석 (computer aided analysis, CAE)을 통하여 수지의 충진과정->냉각과정->보압과정->휨 변형해석과정에서 성형불량을 사전에 예측하고 성형불량이 최소화된 최적의 설계안및 공정조건을 도출하고 제품설계-금형설계-양산화로 이어지는 제품개발기간을 단축하고 있다.

성능/효과

결정성 수지인 PP 재료의 호퍼 사출성형시에 유동선단 면적이 넓은 경우(GATE 2)가 호퍼의 벽 부위에서의 전단률과 전단응력이 허용범위 내에 있음을 확인하였다. 또한 수직방향으로 2개, 수평방향으로 10개의 리브를 설정한 케이스 3의 경우가 충진압력, 사출압력, 형체결력, 휨 변형 상태 등을 고려하였을 때 가장 이상적인 제품형상인 것으로 판단하였다.
호퍼 제품의 상면부 휨의 휨 변형을 억제하기 위해 많은 수의 리브를 설정하면 추출 시 제품의 수축에 따라 금형에서 제품이 빠지지 않는 경우를 발생 시킬 수 있으며 금형비용 및 제작일정의 상승을 동반한다. 따라서 본 해석결과, 가장 이상적인 리브모델은 케이스 3 이라는 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 사출성형해석용 소프트웨어인 Moldflow[4]를 이용하여 PP 재질의 호퍼 사출공정을 해석하여 게이트 형상을 선정하고, 휨 발생(z-axis deflection)을 최소로 하는 리브(rib) 형상 및 구조를 결정하였다. 또한 그 결과에 따른 최적의 조건으로 실제 금형을 제작하여 제품을 제작하여 사출성형품의 휨 발생이 품질 합격기준 내에 있음을 확인하였다.
이로 인하여 조립시 세팅시간이 줄어들고 생산효율이 증가하였으며 원가절감으로 반영이 되어 기존 제품대비 1/10로 원가절감이 되는 결과를 얻었다. 또한 호퍼에서는 구조 및 재질의 변경으로 기존 1,152g에서 1,016g으로 10%의 무게 경량화를 달성하였다.
본 연구를 통해 호퍼의 구조를 단순화 하여 호퍼 및 호퍼주위 부품들을 기존 7가지에서 4가지로 줄였다. 이로 인하여 조립시 세팅시간이 줄어들고 생산효율이 증가하였으며 원가절감으로 반영이 되어 기존 제품대비 1/10로 원가절감이 되는 결과를 얻었다.
본 연구에서 사용한 PP 수지의 허용 최대 전단률은 100,000 [1/s], 최대 전단응력은 0.25MPa이기 때문에 Table 4로부터 유동선단 면적이 좁은 게이트 1은 PP 수지의 사용가능한 범위를 넘어서기 때문에 유동선단 면적이 넓은 게이트 2만이 사용가능함을 알 수 있다.
사출성형품에 대해서 블록게이지(Block Gauge)로 호퍼의 상부면과 기준면 사이간격을 측정한 결과 케이스 1과 케이스 2는 모두 품질기준인 2.0mm의 평면도를 만족하지 못하였으면 오직 케이스 3만이 품질기준을 만족하였다.
유동해석결과, 케이스 1, 2, 3 및 4의 경우에 충전시간은 3.48, 3.49, 3.47, 3.48초 이었으며, 사출압력은 62.11, 62.25, 62.50, 62.56 MPa 이었다.
이 결과로 부터 리브의 추가에 따른 충전시간의 차이는 거의 없으나 보압 전환 압력값이 케이스 순서별로 조금씩 높아지는 것을 알 수 있다. 압력값의 상승은 리브의 형상 추가에 따른 것이라 사료된다.
본 연구를 통해 호퍼의 구조를 단순화 하여 호퍼 및 호퍼주위 부품들을 기존 7가지에서 4가지로 줄였다. 이로 인하여 조립시 세팅시간이 줄어들고 생산효율이 증가하였으며 원가절감으로 반영이 되어 기존 제품대비 1/10로 원가절감이 되는 결과를 얻었다. 또한 호퍼에서는 구조 및 재질의 변경으로 기존 1,152g에서 1,016g으로 10%의 무게 경량화를 달성하였다.
해석결과, 게이트 1에서는 충진과정 중에 최대 전단률이 약 115,200 [1/s]으로 게이트 2에 비해 두배 이상 높은 값을 나타내고 있으며, 전단응력에서도 게이트 1에서는 0.290MPa로 게이트 2보다 높은 값을 나타내고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플라스틱 사출성형공정에서 문제가 되는 것은?	사출성형은 플라스틱 제품의 대량생산에 적합한 제조기술이지만 사출성형공정에서 사출품의 휨 변형이 항상 문제가 되고 있다. 본 연구에서는 전자동 정제분류 포장시스템의 호퍼 제품을 기존의 ABS 수지에서 PP 수지로 변경하는 경우에 생기는 사출품의 휨 변형을 최소로 하는 것을 목적으로 하였다.
	플라스틱 사출성형 시, 발생하는 성형불량을 줄이기 위해 과거와 현재에는 어떤 방식을 이용하는가?	과거에는 이들 성형불량을 줄이기 위해 주요 설계변수들 -살 두께, 게이트의 위치와 종류, 수지종류, 제품형상, 사출조건 등 - 을 제품설계자의 경험에 의해 결정하는 시행착오(try-and-error) 방식에 의존하였다. 그러나 최근에는 사출해석전용소프트웨어를 이용한 컴퓨터응용해석 (computer aided analysis, CAE)을 통하여 수지의 충진과정->냉각과정->보압과정->휨 변형해석과정에서 성형불량을 사전에 예측하고 성형불량이 최소화된 최적의 설계안및 공정조건을 도출하고 제품설계-금형설계-양산화로 이어지는 제품개발기간을 단축하고 있다. [2, 3, 4]
	플라스틱 사출성형이란?	일상 생활용품, 전기전자 제품, 자동차, 항공기 부품 등 여러 분야에서 널리 이용되고 있는 플라스틱 제품의 대부분은 사출성형(injection molding)으로 생산된다. 플라스틱 사출성형은 용융된 고분자 수지(polymer)을 금형 안으로 충진시킨 후 냉각시켜 제품을 만드는 가공공정이다. 이때 사용된 고분자 수지, 금형형상, 사출조건 등과 관련된 설계변수들에 의해 사출성형된 제품에 다양한 성형불량 -휨(warpage), 뒤틀림(twist), 웰드라인(weld line)이나 과도한 수축(shrinkage) 등 - 이 발생하거나 제품의 품질이 결정된다.

참고문헌 (13)

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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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