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문제 정의
- 본 연구에서는 중대형 플라스틱 제품 열성형 공정 모사를 위한 3차원 진공 열성형 해석 기법, 열성형 재료 물성 도출 방법 및 비선형 유한요소법을 이용한 3차원 열성형 공정 해석 방법에 대하여 제안/고찰하고자 한다. 또한 2가지의 적용사례를 이용하여 제안된 진공 열성형 해석 기법의 타당성과 실용성을 고찰하고자 한다.
- 본 연구에서는 중대형 플라스틱 제품 열성형 공정 모사를 위한 3차원 진공 열성형 해석 기법, 열성형 재료 물성 도출 방법 및 비선형 유한요소법을 이용한 3차원 열성형 공정 해석 방법에 대하여 제안/고찰하고자 한다. 또한 2가지의 적용사례를 이용하여 제안된 진공 열성형 해석 기법의 타당성과 실용성을 고찰하고자 한다.
- 이 논문에서는 G’sell-Jonas 모델 이용한 진공 열성형 재료물성 도출 방법에 대하여 기술한다.
- 이 연구에서는 중대형 플라스틱 제품 열성형 공정 모사를 위한 3차원 진공 열성형 해석 기법과 절차를 다음과 같이 분석/고찰 하였다.
- 진공 열성형 해석 결과를 이용한 중대형 냉장고 내상 성형성 분석과 적합 성형 공정 선정 및 공정 조건 도출에 대한 연구를 수행하였다. Fig.
제안 방법
- 가열공정이 포함된 스트레칭 공정, 스탬핑 공정 및 진공 성형 공정의 3가지 세부 공정으로 전체 열성형 공정을 설계하였다.
- Fig. 7과 같은 1,450 mm (길이) × 1,310 mm (폭) × 95mm (높이) 의 진공 열성형 금형을 설계하였다.
- Fig. 9와 같은 1,130 mm (길이) × 1,900 mm (폭) × 700 mm (높이)의 진공 열성형 금형을 설계하였다.
- 둘째, 3차원 비선형 유한요소법을 이용한 진공 열성형 해석 절차와 해석 모델 개발 방법을 제안하였다. 최종적으로 3차원 진공 열성형 해석 기법을 2가지 실제 중대형 플라스틱 제품 열성형 공정에 적용하여 해석 기법의 타당성과 적용성을 확인하였다.
- 블로잉 공정 해석에서는 블로잉 높이에 따른 판재의 변형 형상 및 두께 분포 변화를 분석하였다. 또한, 블로잉 시간에 따른 블로잉 높이를 도출 하였다. 블로잉 공정과 스탬핑 공정의 연계 해석에서는 Fig.
- 스탬핑 공정 성형 해석에서는 스탬핑 공정 성형 후 제품 주요 형상들의 변형 형상 및 두께 분포를 분석하였다. 또한, 스탬핑 공정중 과도한 두께 감소 발생 영역을 도출하고, 금형 설계 및 블로잉 높이 변경을 수행하여 스탬핑 공정중 성형 제품의 두께가 과도하게 감소하지 않도록 하였다.
- 진공 성형 공정의 온도분포 해석 결과에서는 진공성형 공정의 성형 시간이 15초 이상 되어야 성형 판재가 판재의 유리 천이 온도보다 낮게 냉각됨을 알 수 있었다. 또한, 스프링 백, 수축 및 취출 후 변형을 최소화하기 위한 진공 성형 공정 성형 시간을 도출하였다. 중대형 평판형 광생물 반응기 케이스 성형성 분석에는 진공열성형 해석 프로그램인 PAM-FORM 2G를 사용하였다.
- 블로잉 공정 해석에서는 블로잉 높이에 따른 판재의 변형 형상 및 두께 분포 변화를 분석하였다. 또한, 블로잉 시간에 따른 블로잉 높이를 도출 하였다.
- 스탬핑 공정 성형 해석에서는 스탬핑 공정 성형 후 제품 주요 형상들의 변형 형상 및 두께 분포를 분석하였다. 또한, 스탬핑 공정중 과도한 두께 감소 발생 영역을 도출하고, 금형 설계 및 블로잉 높이 변경을 수행하여 스탬핑 공정중 성형 제품의 두께가 과도하게 감소하지 않도록 하였다.
- 스트레칭 공정 해석을 통하여 스트레칭 공정 성형시간에 따른 처짐, 변형량 및 성형 판재의 두께분포 변화를 분석하였다. 이 결과로부터 스트레칭 공정에서는 냉동실과 냉장실의 중앙부에서 최대 두께 감소율이 발생함을 알 수 있었다.
- 반복적인 스트레칭 및 스탬핑 공정에 대한 성형 해석을 통하여 스트레칭 공정에서 성형 판재가 175 mm 이상 스트레칭 되어야 스탬핑 공정에서 성형 판재가 국부적인 두께 감소 없이 성형됨을 알 수 있었다. 이 결과로부터 가열/스트레칭 공정 및 스탬핑 공정 성형시간을 각각 240초 및 5초로 결정하였다.
- 재료 물성 모델링은 3장에서 기술된 바와 같이 고온 인장 시험을 수행하고 고온 인장 시험 결과를 이용하여 G’sell-Jonas 모델에 적합한 재료 물성 모델을 도출한다.
- 9와 같은 1,130 mm (길이) × 1,900 mm (폭) × 700 mm (높이)의 진공 열성형 금형을 설계하였다. 중대형 냉장고 내상 진공 열성형 금형은 양각 금형으로 설계 하였다. 중대형 냉장고 내상의 진공 열성형 공정은 스트레칭 공정, 블로잉 공정, 스탬핑 공정 및 진공 성형 공정의 4가지 세부 공정으로 설계하였다.
- 중대형 냉장고 내상 진공 열성형 금형은 양각 금형으로 설계 하였다. 중대형 냉장고 내상의 진공 열성형 공정은 스트레칭 공정, 블로잉 공정, 스탬핑 공정 및 진공 성형 공정의 4가지 세부 공정으로 설계하였다. 성형재료는 두께 4.
- 7과 같은 1,450 mm (길이) × 1,310 mm (폭) × 95mm (높이) 의 진공 열성형 금형을 설계하였다. 중대형 평판형 광생물 반응기 케이스의 진공 열성형 금형은 성형 방향, 성형 깊이, 성형 공정 횟수, 제품 치수 정밀도, 생산 시간 및 제품 주요 형상의 위치 등을 고려하여 양각 금형으로 설계 되었다. 가열공정이 포함된 스트레칭 공정, 스탬핑 공정 및 진공 성형 공정의 3가지 세부 공정으로 전체 열성형 공정을 설계하였다.
- 진공 성형 공정 해석에서는 성형시간에 따른 성형 특성을 분석하였다. 그 결과 진공 성형 공정의 성형 시간이 1초 이상 되어야 보강재 형상을 제외한 대부분의 형상이 성형됨을 알 수 있었다.
- 진공 성형 공정에서는 성형 시간에 따른 제품의 변형형상 및 두께분포 변화를 분석하였다. 성형 시간 1초 이상일 때 제품의 주요 형상이 대부분 성형되는 것을 확인할 수 있었다.
- 기초 성형성 분석 단계에서는 도출된 제품/금형 설계안에 대하여 기초 열성형 특성을 분석하여 대상 제품의 진공 열성형 가능 여부 및 초기 판재 두께를 예측한다. 진공 열성형 금형의 기초 성형 특성은 면적 드로잉율 (Aerial draw ratio), 최대 선형 드로잉율 (Maximum linear draw ratio) 및 평균 두께 감소율 (Average reduction rate of thickness)을 도출하여 분석한다. 면적 드로잉율, 최대 선형 드로잉율 및 평균 두께 감소율은 각각 식(1), (2) 및 (3)과 같다.
- 진공 열성형 해석 결과를 이용한 중대형 평판형 광생물 반응기 케이스 성형성 분석, 적합 성형 공정 및 공정조건 도출에 대한 연구를 수행하였다. Fig.
- 진공 열성형 해석을 위한 플라스틱 재료의 점탄소성 거동이 고려된 G’sell Jonas 구성방정식의 재료 상수들을 산출하고, 이 데이터를 3차원 유한요소해석에 적용하는 방법에 대하여 고찰하였다.
- 첫째, 3차원 진공 열성형 해석을 위한 각 단계 별 주요 내용들을 제안 하였다. 진공 열성형 해석을 위한 플라스틱 재료의 점탄소성 거동이 고려된 G’sell Jonas 구성방정식의 재료 상수들을 산출하고, 이 데이터를 3차원 유한요소해석에 적용하는 방법에 대하여 고찰하였다.
- 최종적 해석모델에 대해 성형해석을 수행하고 해석결과로부터 제안된 열성형 공정의 제품 성형 특성을 분석/고찰하고 및 적합한 열성형 공정조건을 도출한다.
- 둘째, 3차원 비선형 유한요소법을 이용한 진공 열성형 해석 절차와 해석 모델 개발 방법을 제안하였다. 최종적으로 3차원 진공 열성형 해석 기법을 2가지 실제 중대형 플라스틱 제품 열성형 공정에 적용하여 해석 기법의 타당성과 적용성을 확인하였다.
- 제품 설계안을 이용하여 금형을 설계할 경우 너무 작거나 복잡하여 해석모델에 구현하기 어렵거나 해석에 불필요한 형상이 존재한다. 형상 간략화 단계를 통하여 해석에 불필요한 금형 형상을 제거 및 수정한다.
대상 데이터
- 가열공정이 포함된 스트레칭 공정, 스탬핑 공정 및 진공 성형 공정의 3가지 세부 공정으로 전체 열성형 공정을 설계하였다. 성형재료는 4.5 mm 폴리카보네이트 판재이다. 각각의 성형 공정에 대한 해석 결과는 Fig.
- 중대형 냉장고 내상의 진공 열성형 공정은 스트레칭 공정, 블로잉 공정, 스탬핑 공정 및 진공 성형 공정의 4가지 세부 공정으로 설계하였다. 성형재료는 두께 4.15 mm의 ABS 판재이다. Fig.
데이터처리
- 성형 시간 1초 이상일 때 제품의 주요 형상이 대부분 성형되는 것을 확인할 수 있었다. 중대형 냉장고 내상의 성형성 분석에는 진공열성형 해석 프로그램인 PAM-FORM 2G 를 사용하였다.
- 또한, 스프링 백, 수축 및 취출 후 변형을 최소화하기 위한 진공 성형 공정 성형 시간을 도출하였다. 중대형 평판형 광생물 반응기 케이스 성형성 분석에는 진공열성형 해석 프로그램인 PAM-FORM 2G를 사용하였다.
이론/모형
- 마지막 단계에서는 고온 인장시험 결과를 이용하여 G’sell-Jonas 모델 상수를 도출한다.
성능/효과
- 진공 성형 공정 해석에서는 성형시간에 따른 성형 특성을 분석하였다. 그 결과 진공 성형 공정의 성형 시간이 1초 이상 되어야 보강재 형상을 제외한 대부분의 형상이 성형됨을 알 수 있었다. 또한, 진공 성형 공정의 성형 시간이 10초 이상일 경우 더 이상 성형시간이 증가하더라도 제품 형상에 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다.
- 8과 같이 진공 열성형 실험 결과를 해석 결과와 비교하여 진공 열성형 해석 결과의 신뢰성과 적합성을 분석/고찰할 수 있었다. 또한, 열성형 해석을 통하여 취득된 성형 공정과 공정 조건에 의하여 중대형 평판형 광생물 반응기가 성형될 수 있음을 알 수 있었다.
- 그 결과 진공 성형 공정의 성형 시간이 1초 이상 되어야 보강재 형상을 제외한 대부분의 형상이 성형됨을 알 수 있었다. 또한, 진공 성형 공정의 성형 시간이 10초 이상일 경우 더 이상 성형시간이 증가하더라도 제품 형상에 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다. 진공 성형 공정의 온도분포 해석 결과에서는 진공성형 공정의 성형 시간이 15초 이상 되어야 성형 판재가 판재의 유리 천이 온도보다 낮게 냉각됨을 알 수 있었다.
- 반복적인 스트레칭 및 스탬핑 공정에 대한 성형 해석을 통하여 스트레칭 공정에서 성형 판재가 175 mm 이상 스트레칭 되어야 스탬핑 공정에서 성형 판재가 국부적인 두께 감소 없이 성형됨을 알 수 있었다. 이 결과로부터 가열/스트레칭 공정 및 스탬핑 공정 성형시간을 각각 240초 및 5초로 결정하였다.
- 진공 성형 공정에서는 성형 시간에 따른 제품의 변형형상 및 두께분포 변화를 분석하였다. 성형 시간 1초 이상일 때 제품의 주요 형상이 대부분 성형되는 것을 확인할 수 있었다. 중대형 냉장고 내상의 성형성 분석에는 진공열성형 해석 프로그램인 PAM-FORM 2G 를 사용하였다.
- 적합 진공 열성형 공정 및 조건을 도출하는 방법은 실험적 방법 및 해석적 방법이 있다. 실험적 방법은 현장 적용성 및 정확성이 높으나 다수의 시행착오 후에 결과가 도출됨으로 비용과 납기의 증가를 발생시킬 수 있다. 해석적 방법은 시행 착오를 감소시켜 비용 절감과 납기 단축을 시킬 수 있으나 정확한 해석모델을 구현 하지 못할 경우결과를 신뢰할 수 없을 뿐 아니라 현업에서 적용 하기 어렵다.
- 이 결과들로부터 중대형 평판형 광생물 반응기 케이스 성형성 분석을 수행하고 적합 성형 공정 및 공정 조건 도출 할 수 있었다. Fig.
- 스트레칭 공정 해석을 통하여 스트레칭 공정 성형시간에 따른 처짐, 변형량 및 성형 판재의 두께분포 변화를 분석하였다. 이 결과로부터 스트레칭 공정에서는 냉동실과 냉장실의 중앙부에서 최대 두께 감소율이 발생함을 알 수 있었다.
- 이 결과로부터 제안된 3차원 진공 열성형 해석 기법과 절차가 실제 중대형 플라스틱 제품 열성형 공정을 적절히 묘사할 수 있으며, 해석 결과에 의하여 도출된 세부 공정 설계와 각 공정별 공정 조건이 실제 제품 생산에 적용될 수 있음을 알 수 있었다.
- 또한, 진공 성형 공정의 성형 시간이 10초 이상일 경우 더 이상 성형시간이 증가하더라도 제품 형상에 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다. 진공 성형 공정의 온도분포 해석 결과에서는 진공성형 공정의 성형 시간이 15초 이상 되어야 성형 판재가 판재의 유리 천이 온도보다 낮게 냉각됨을 알 수 있었다. 또한, 스프링 백, 수축 및 취출 후 변형을 최소화하기 위한 진공 성형 공정 성형 시간을 도출하였다.
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