The deformation of injection molding is seriously affected by injection molding conditions, such as melt and mold temperature and injection and holding pressure. In these conditions, the mold temperature is controlled by flowing coolant, which can be classified by the Reynolds number in the mold-coo...
The deformation of injection molding is seriously affected by injection molding conditions, such as melt and mold temperature and injection and holding pressure. In these conditions, the mold temperature is controlled by flowing coolant, which can be classified by the Reynolds number in the mold-cooling channel. In this study, the deformation of the automotive side molding according to the variation of the Reynolds number in the coolant was simulated by Moldflow. In the results, as the Reynolds number was increased, the mold cooling was also increased. However, when the Reynolds number exceeded a certain range, the mold cooling was not increased further. In addition to the Moldflow verification, the mold cooling by the coolant was simulated by CFX. The CFX results confirmed that the Reynolds number significantly influenced the mold cooling. The coolant, which has a high Reynolds number value, quickly cooled the mold. However, the coolant, which has a low Reynolds number value, such as 0 points, hardly cooled the mold. In an injection molding experiment, as the Reynolds number was high, the deformation of the moldings was reduced. The declining tendency of the deformation was similar to the Moldflow results.
The deformation of injection molding is seriously affected by injection molding conditions, such as melt and mold temperature and injection and holding pressure. In these conditions, the mold temperature is controlled by flowing coolant, which can be classified by the Reynolds number in the mold-cooling channel. In this study, the deformation of the automotive side molding according to the variation of the Reynolds number in the coolant was simulated by Moldflow. In the results, as the Reynolds number was increased, the mold cooling was also increased. However, when the Reynolds number exceeded a certain range, the mold cooling was not increased further. In addition to the Moldflow verification, the mold cooling by the coolant was simulated by CFX. The CFX results confirmed that the Reynolds number significantly influenced the mold cooling. The coolant, which has a high Reynolds number value, quickly cooled the mold. However, the coolant, which has a low Reynolds number value, such as 0 points, hardly cooled the mold. In an injection molding experiment, as the Reynolds number was high, the deformation of the moldings was reduced. The declining tendency of the deformation was similar to the Moldflow results.
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문제 정의
왜냐하면 냉각수의 유속, 온도, 유량 등에 의해서 금형에 대한 냉각 성능이 결정되기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 금형에 공급되는 냉각수의 냉각 성능과 밀접한 관련이 있으며, 냉각채널 내부에서 냉각수의 유동 패턴을 정의하는 레이놀즈 수(Reynolds number)의 변화가 성형품의 변형에 어떠한 영향을 미치는지에 관하여 사출성형 해석, 열유체 해석, 사출성형 실험을 통하여 연구하였다.
가설 설정
냉각채널의 직경이 Ø10으로 정해져 있으므로 레이놀즈 수가 증가한다는 뜻은 유속이 증가하는 것을 의미한다. 그리고 본 연구에는 냉각수의 유동 패턴에 영향을 미치는 냉각 채널의 표면 거칠기는 모든 채널에서 동일하다고 가정하였다.
8은 열유체 해석을 위한 금형과 냉각채널의 구성 및 열유체 해석을 위한 모델을 나타낸 것이다. 해석 모델에서는 직경 Ø10(mm)의 냉각채널이 40(가로)mm × 40(세로)mm × 300(폭)mm 크기의 형판 내부에 존재한다고 가정하였다. 해석 모델에서 요소 종류는 헥사(Hexagon)이며, 요소 개수는 421591개, 절점 개수는 402000개이다.
제안 방법
레이놀즈 수의 변화가 금형의 냉각에 미치는 영향을 조사하기 위하여 금형과 냉각수의 온도 변화를 열유체 해석을 통하여 알아보았다. 열유체 해석은 ANSYS CFX[12]를 이용하였다.
사출성형 해석 결과를 바탕으로 레이놀즈 수의 변화에 따른 냉각수의 온도 변화를 조사하였다. Fig.
사출금형의 냉각수는 난류 유동으로 흐를 때 금형의 냉각효과가 향상된다고 알려져 있다. 이와 관련하여 본 연구에서 자동차용 플라스틱 사이드몰딩 성형 시 냉각수의 유동 패턴을 정의하는 레이놀즈 수의 변화가 성형품의 변형에 미치는 영향을 사출 성형 해석, 열유체 해석, 그리고 실제 사출성형 실험을 통하여 연구하였다.
대상 데이터
본 연구에 적용된 사이드 몰딩 성형품은 국내 양산 준중형 차량에 장착되는 것이다. Fig. 3은 사이드 몰딩의 사출성형 해석을 위한 해석 모델을 나타낸 것이다.
본 연구의 대상 성형품은 자동차 도어에 조립되는 사이드 몰딩(side molding)이다. Fig.
사용되는 냉각수는 물이며, 물의 25℃에서의 밀도는 0.99708(g/mL), 비열은 0.999(kcal/kg℃), 열전달계수는 0.5245(kcal/mh℃)이다.
사이드 몰딩의 크기는 700(L) × 80(W) × 15(H) mm 이며, 사용된 플라스틱 수지는 폴리프로필렌(polypropylene)이다[11].
사출성형 해석 모델에서 냉각채널의 직경은 Ø10 mm이며, 채널간의 간격은 33 mm, 냉각채널의 폭은 300 mm, 냉각채널의 중심과 캐비티, 코어 벽면과의 간격은 약 20 mm이다. 냉각 채널은 고정측 형판과 가동측 형판에 각각 6개의 라인으로 구성되어 있다.
이론/모형
해석 모델에서 요소 종류는 헥사(Hexagon)이며, 요소 개수는 421591개, 절점 개수는 402000개이다. 난류모델은 k-epsilon 모델이 사용되었다.
3은 사이드 몰딩의 사출성형 해석을 위한 해석 모델을 나타낸 것이다. 사출성형 해석은 Autodesk사의 Moldflow Insight 2015[9,10]를 사용하였다.
레이놀즈 수의 변화가 금형의 냉각에 미치는 영향을 조사하기 위하여 금형과 냉각수의 온도 변화를 열유체 해석을 통하여 알아보았다. 열유체 해석은 ANSYS CFX[12]를 이용하였다.
성능/효과
65%의 변형이 감소하였다. 그러나 레이놀즈 수가 5000이상이면 성형품의 변형이 거의 변화가 없었다. 금형과 냉각수의 열전달 해석 결과에서는 레이놀즈 수가 0인 경우에는 금형 내부의 냉각은 거의 이루어지지 못하는 반면에 냉각수의 레이놀즈 수가 10000으로 난류 형태로 유동한다고 가정한 결과에서는 금형의 냉각이 약 15% 증가하는 결과를 보였다.
그러나 레이놀즈 수가 5000이상이면 성형품의 변형이 거의 변화가 없었다. 금형과 냉각수의 열전달 해석 결과에서는 레이놀즈 수가 0인 경우에는 금형 내부의 냉각은 거의 이루어지지 못하는 반면에 냉각수의 레이놀즈 수가 10000으로 난류 형태로 유동한다고 가정한 결과에서는 금형의 냉각이 약 15% 증가하는 결과를 보였다.
사출 성형 해석의 변형 해석 결과를 통하여 냉각수의 레이놀즈 수가 증가할수록 감소함을 확인하였다. 레이놀즈 수가 0일 경우와 비교하여 레이놀즈 수가 10000에서는 약 4.65%의 변형이 감소하였다. 그러나 레이놀즈 수가 5000이상이면 성형품의 변형이 거의 변화가 없었다.
사출 성형 실험에서의 변형량은 성형 해석의 변형량 결과 보다 약 0.2~0.8 mm 정도 작게 측정되었다. 이러한 차이는 실제 사출 성형에서 금형의 외부로 방출되는 열량이 성형 해석 시보다 많음에서 오는 것으로 사료되었다.
사출 성형 해석의 변형 해석 결과를 통하여 냉각수의 레이놀즈 수가 증가할수록 감소함을 확인하였다. 레이놀즈 수가 0일 경우와 비교하여 레이놀즈 수가 10000에서는 약 4.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
플라스틱 사출성형품의 정밀도에 영향을 주는 요소는 무엇이 있는가?
플라스틱 사출성형품의 정밀도는 여러가지 요소에 의해서 영향을 받는다. 플라스틱 수지의 종류와 물성, 금형의 가공 정밀도, 사출성형 기술 등이 그 요소에 속한다. 현재 플라스틱 재료의 물성과 금형 가공 정밀도는 일정 수준 이상 발전되어 있다.
레이놀즈 수를 증가시키기 위해서는 어떻게 해야하는가?
일반적으로 사출성형에서는 냉각수를 난류로 유동시키는 것이 효과적이라고 알려져 있다[8]. 레이놀즈 수를 증가시키기 위해서는 냉각 채널의 직경과 냉각수의 유속을 증가시켜야 한다. 그러나 냉각 채널의 경우 한번 가공되면 거의 변경하지 않는다.
레이놀즈 수에 따라 유동이 어떻게 구분되는가?
레이놀즈 수가 100 이하이면 정체 유동(stagnant flow), 1800 이하이면 층류 유동(laminar flow), 1800 이상 2300 이하이면 층류 유동과 난류 유동이 공존하는 천이 유동(transition flow), 2300 이상 4000 이하이면 난류 유동(turbulent flow)으로 구분 된다. 일반적으로 사출성형에서는 냉각수를 난류로 유동시키는 것이 효과적이라고 알려져 있다[8].
참고문헌 (13)
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Kwon, J. H., Rhee, B. O., Choi, J. H., Cho, M. S., Lee, J. H. and Tae, J. S., "A Cae Analysis for the Effect of Mold Temperature on Ultra-Thin Wall Injection Molding," Proc. of KSPE 2014 Spring Conference, pp. 496, May, 2014.
Sohn, D. H. and Park, K., "Investigation of Cooling Performance of Injection Molds Using Pulsed Mold Temperature Control," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 37, No. 1, pp. 35-41, 2013.
Cengel, Y. A., "Heat Transfer: a Practical Approch - 2nd edition," McGraw-Hill Korea, pp. 394-410, 2006.
Menges, G., Michaeli, W. and Mohren, P., "How to Make Injection Molds," Hanser, pp. 300-302, 2000.
Beaumont, J. P., "Runner and Gating Design Handbook," Hanser, pp. 5-6, 2004.
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Lee, S. K. and Kim, S. H., "Experimental Study on Implementation of Injection Molding Process for Speaker Frame in LED TV," J. of KSMPE, Vol. 12, No. 5, pp. 94-101, 2013.
Liu, Y. and Gehde, M., "Evaluation of Heat Transfer Coefficient Between Polymer and Cavity Wall for Improving Cooling and Crystallinity Results in Injection Molding simulation," Applied Thermal Engineering, Vol. 80, No. 5, pp. 238-246, 2015.
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