선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 2(c)에 본 연구에서 제안한 다공성 박판형 러너(Type 3)를 도시하였다. 다공성 박판형 러너는 기존 박판형 러너에 개취수만큼 원형 구멍을 추가하여 러너부의 체적을 감소시킨 형태로, 박판형 러너의 유동특성을 개선하기 위한 목적으로 시도되었다. 원형 구멍은 중심부로부터 11.
- 이를 위해 다양한 형상의 구멍을 설계하고, 사출성형의 CAE 해석을 통해 최적의 유동특성과 냉각특성 획득을 위한 설계안을 결정하고자 한다. 또한 해당 설계안을 적용하여 사출금형을 제작하고 성형실험을 수행하여 성형품의 품질과 생산성 변화를 고찰하고자 한다.
- 본 연구에서는 박판형 러너에 다수개의 관통 구멍(Multi-hole)을 추가하도록 설계하여 러너부의 재료사용량을 절감하고 유동특성을 개선하기 위한 연구를 수행하였다. 이를 위해 다양한 형상의 구멍을 설계하고, 사출성형의 CAE 해석을 통해 최적의 유동특성과 냉각특성 획득을 위한 설계안을 결정하고자 한다.
- 본 연구에서는 초소형 렌즈 사출성형시 냉각성능을 향상시키면서도 유동특성을 저하를 방지하기 위해 다공성 박판형 러너를 개발하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 2장의 결과에서 박판형 러너에 구멍을 추가한 경우 유동특성과 냉각특성 모두 개선효과가 있는 것으로 분석되었다. 특히 구멍부에서의 유속 증가로 인해 유동특성이 개선되는 점에 착안하여 본 연구에서는 구멍의 형상을 변화시켜가며 성형해석을 수행하였다. Fig.
제안 방법
- Fig. 2(b)에 박판형 러너(Type 2)를 도시하였으며, 스프루 끝단에서부터 일정한 두께(1.3 mm)로 방사형으로 퍼져나가며 분기되는 구조로 설계하였다.13 Fig.
- 3가지 러너구조의 냉각특성을 비교하기 위해 냉각해석을 실시하였다. 해석은 Moldex3D®를 사용하였다.
- 8에 기존의 원형 구멍을 변형한 3가지 구멍 형태(직사각형, 삼각형, 마름모)를 도시하였다. 각각의 경우 구멍의 위치와 면적은 원형 구멍의 경우와 동일하도록 설계하였고, 결과적으로 러너부의 체적이 동일하도록 설계하였다.
- 냉각시간 3초 적용시 렌즈의 형상정밀도 고찰을 위해 성형된 렌즈의 표면형상을 측정하였다. 측정은 접촉식 표면측정장비인 Form Talysurf PGI 840(Taylor Hobson社)를 사용하여 수행하였고, 렌즈의 입사면에 대해 수지 흐름방향(0o)과 수직방향(90o)에 대해 측정을 실시하였다.
- 냉각시간이 렌즈면 형상정밀도에 미치는 영향을 고찰하기 위해 냉각시간을 1, 3, 5, 7초로 변화시켜가며 추가적인 성형실험을 실시하였다. Fig.
- 마름모형 다공성 러너에 대해 냉각해석을 실시하였다. Figs.
- 상기 3가지 구멍의 박판형 러너에 대한 충전해석을 실시하였다. 해석은 Moldex3D®를 사용하였으며, 해석조건은 원형 구멍의 경우와 동일하게 설정하였다.
- 상기 3가지 러너구조에 대한 유동특성을 비교하기 위해 충전해석(Filling analysis)을 수행하였다. 해석은 Moldex3D®를 사용하였으며, 러너의 대칭성을 고려하여 1/12영역(원통형 러너의 경우 1/6 영역)을 대상으로 수행하였다.
- 상기 해석결과를 종합하여 마름모형 다공성 박판형 러너를 최종 설계안으로 확정하고, 이를 토대로 사출금형을 제작하였다. 사출금형 제작시 비구면 렌즈용 핀코어(Pin core)는 비구면 가공기(Diamond turning machine; DTM)를 사용하여 별도로 제작하고 금형에 삽입하여 조립하였다.
- 본 연구에서는 박판형 러너에 다수개의 관통 구멍(Multi-hole)을 추가하도록 설계하여 러너부의 재료사용량을 절감하고 유동특성을 개선하기 위한 연구를 수행하였다. 이를 위해 다양한 형상의 구멍을 설계하고, 사출성형의 CAE 해석을 통해 최적의 유동특성과 냉각특성 획득을 위한 설계안을 결정하고자 한다. 또한 해당 설계안을 적용하여 사출금형을 제작하고 성형실험을 수행하여 성형품의 품질과 생산성 변화를 고찰하고자 한다.
- 이를 위해 본 연구자의 선행연구로서 기존의 원통형 러너(Cylindrical runner)에서 탈피한 박판형 러너(Shell runner)를 제안하였고, CAE 해석을 통해 러너부의 냉각시간을 1/2 이하로 감소시킬 수 있음을 확인하였다.13 상기 연구에서 박판형 러너가 기존의 원통형 러너에 비해 냉각성능을 대폭 향상시킬 수 있는 것으로 확인된 반면, 유로의 감소로 인해 유동특성이 저하되는 것으로 나타났다.
- 냉각시간 3초 적용시 렌즈의 형상정밀도 고찰을 위해 성형된 렌즈의 표면형상을 측정하였다. 측정은 접촉식 표면측정장비인 Form Talysurf PGI 840(Taylor Hobson社)를 사용하여 수행하였고, 렌즈의 입사면에 대해 수지 흐름방향(0o)과 수직방향(90o)에 대해 측정을 실시하였다.
대상 데이터
- Fig. 1에 본 연구에서 개발하고자 하는 초소형렌즈의 단면형상 및 치수를 도시하였으며, 외경 3.6 mm, 두께 0.4 mm로 설계되었다. 크기로 입사면은 볼록하고(곡률반경: 1.
- 유동안내부는 12개취수 금형을 기준으로 설계하였으며, 스프루와 게이트는 공통 사양을 적용하고 러너부 설계만 차별화하였다. 게이트는 4각 단면의 측면 게이트(Side gate)를 사용하였고, 게이트의 폭과 두께는 각각 0.9, 0.35 mm로 설계하였다. 스프루 직경은 2.
- 35 mm로 설계하였다. 스프루 직경은 2.5 mm, 길이는 45 mm로 설계하였다.
- 사출금형 제작시 비구면 렌즈용 핀코어(Pin core)는 비구면 가공기(Diamond turning machine; DTM)를 사용하여 별도로 제작하고 금형에 삽입하여 조립하였다. 제작된 금형을 사출성형기(Sumitomo SE50DU, 50 ton)에 장착하여 사출성형 실험을 수행하였다(Fig. 11 참조). 성형조건은 Table 1의 조건과 동일하게 설정하였다.
- 4 mm로 설계되었다. 크기로 입사면은 볼록하고(곡률반경: 1.1 mm) 출사면은 오목한 형상(곡률반경: 0.8 mm)으로 설계되었다. 입사면과 출사면간 곡률반경의 차이로 인해 렌즈의 중심쪽으로 갈수록 두께가 점차적으로 감소하는 형상으로 표현되며, 중심부에서의 최소두께는 0.
- 해석은 Moldex3D®를 사용하였으며, 러너의 대칭성을 고려하여 1/12영역(원통형 러너의 경우 1/6 영역)을 대상으로 수행하였다. 해석시 고분자수지는 Mitsui Chemical社의 APELTM APL5514ML(Cyclo Olefin Copolymer; COC)의 물성을 사용하였다. Table 1에 사출성형 조건을 요약하였다.
- 해석은 Moldex3D®를 사용하였으며, 러너의 대칭성을 고려하여 1/12영역(원통형 러너의 경우 1/6 영역)을 대상으로 수행하였다.
- 해석은 Moldex3D®를 사용하였으며, 해석조건은 원형 구멍의 경우와 동일하게 설정하였다.
데이터처리
- Fig. 12(a)에 실험을 통해 얻어진 성형단계별 유동패턴을 충전해석 결과와 비교하였다. 유동패턴은 마름모형 구멍 하단에서 분기된 유동이 상단에 모여 웰드라인을 형성하고, 이후 게이트를 통과하여 캐비티 내부를 채워나가는 형상으로 나타났고, 이는 해석결과와 유사하게 나타났음을 알 수 있다.
이론/모형
- 초소형 렌즈 사출성형시 통상적으로 생산성 향상을 위해 다개취수(Multi-cavity) 성형을 실시한다. 다개취수 성형시 캐비티별 균형충전을 위해 H-분 기형 러너구조가 널리 사용되며,9 10 캐비티 이상의 다개취수 성형시 유동균형 및 러너소재 절감 등을 목적으로 방사형(Radial) 러너구조도 사용되고 있다.
성능/효과
- (1) 직경 3.6 mm, 두께 0.4 mm(중심두께 0.3 mm)의 초소형 렌즈 성형을 위한 다공성 박판형 러너를 제안하였고, 충전해석을 실시한 결과 다공성 박판형 러너가 일반 박판형 러너에 비해 캐비티 내 압력강하를 6% 정도 개선시킬 수 있음을 확인하였다.
- (2) 다공성 박판형 러너의 냉각해석을 실시한 결과 냉각시간 3초 경과시 러너부 전체의 온도가 고화온도 이하로 냉각되는 점을 확인하였고, 결과적으로 기존의 원통형 러너(10초 이상)에 비해 냉각시간을 1/3 이하로 절감할 수 있었다.
- (3) 다공성 러너에서 다양한 구멍 형상에 대해 유동해석을 실시한 결과 마름모 형상의 구멍을 적용한 경우가 가장 좋은 유동특성을 보였고, 적정 냉각시간도 3.04초로 예측되어 최종 설계안으로 확정하였다.
- (4) 최종 설계안을 적용하여 금형을 제작하고 성형실험을 수행한 결과 3초 냉각만으로 원활하게 취출이 가능함을 확인하였다. 또한 성형품 측정 결과 렌즈면 형상오차가 0.
- Fig. 12(b)에 냉각시간 3초 적용 시 최종적으로 성형된 러너부 및 렌즈 사출성형품 형상을 도시하였으며, 러너부가 충분히 고화되어 후변형 없이 취출됨을 확인할 수 있었다.
- 2장의 결과에서 박판형 러너에 구멍을 추가한 경우 유동특성과 냉각특성 모두 개선효과가 있는 것으로 분석되었다. 특히 구멍부에서의 유속 증가로 인해 유동특성이 개선되는 점에 착안하여 본 연구에서는 구멍의 형상을 변화시켜가며 성형해석을 수행하였다.
- Table 3에 구멍의 형상에 따른 유동해석 결과를 비교하였다. 4가지 설계안중 마름모 형상의 경우가 최대사출압이 가장 낮게 나타났고(23.65 MPa) 압력구배 역시 7.64 MPa로 낮은 수준으로 나타나 종합적으로 가장 좋은 유통특성을 보임을 알 수 있으며, 이러한 결과를 토대로 마름모 형상으로 다공성 박판형 러너를 설계하였다.
- 10(a)와 10(b)에 일반 박판형 러너와 마름모형 다공성 박판형 러너의 냉각시간 경과에 따른 온도분포를 도시하였다. 결과를 비교하면 마름모형 구멍부에서 금형과의 접촉을 통한 열전도에 의해 온도저하가 더 빨리 진행됨을 알 수 있으며, 결과적으로 3초 냉각 후에는 러너부 온도가 취출 온도 이하로 떨어져 취출이 가능함을 알 수 있다.
- 4에 시간대별 사출압 변화를 도시하였다. 그래프를 보면 3가지 러너(Type i) 모두 게이트를 통과한 이후 사출압이 급증함을 알 수 있으며, 특히 모든 경우의 게이트 통과시점(Bi)부터 렌즈면 종료시점(Ai) 사이의 압력구배(Pressure difference)가 전체 사출압의 1/3 이상임을 확인할 수 있다. 따라서 렌즈면에 발생되는 표면결함을 해소하기 위해서는 Ai - Bi 구간에서의 압력구배(ΔPi)를 감소시켜야 한다.
- 반면 압력구배의 감소는 러너부 유로감소로 인해 유속이 증가하여 결과적으로 게이트 통과 이후의 압력강하가 감소되기 때문으로 분석된다. 실제 렌즈면의 표면불량이 게이트 통과 이후 렌즈 부위 성형단계의 압력구배에 영향을 받는 점을 감안할 때,15 러너부의 구멍이 최대사출압은 소폭 증가시킬 수 있으나 렌즈 성형부에서의 압력강하를 감소시켜 유동특성을 개선하는 것으로 판단된다.
- 7에 각 러너부의 최고온도 발생지점에서의 냉각시간에 따른 온도변화를 비교하였다. 원통형 러너(Type 1)의 경우 보압종료 이후 취출온도(145 ℃)에 도달하는데 걸리는 순수 냉각시간이 10.15 s로 예측된 반면 Type 2 경우 각각 3.25 s로 나타나 1/3 수준으로 감소됨을 확인하였다. Type 3의 경우는 3.
- 3가지 러너의 체적 차이로 인해 충진 완료시간이 비례하여 변화함을 알 수 있으며, 이는 3가지 경우에 대해 동일한 충전율(Injection rate)를 부여했기 때문이다. 최대사출압의 크기는 Type 3의 경우 23.78 MPa로 나타나 Type 2(22.86 MPa)에 비해 0.92 MPa(4.0% 해당) 증가한 반면, 압력구배는 0.49 MPa(6.1% 해당) 만큼 감소됨을 알 수 있다. 이러한 상반되는 결과는 다음과 같이 설명될 수 있는데, 우선 최대사출압의 증가는 러너부의 구멍으로 인해 해당 위치에서의 유로가 좁아져 압력강하가 발생하기 때문으로 판단된다.
후속연구
- 3 mm의 직경으로 설계하였으며, 러너의 체적이 15% 정도 절감되는 효과가 있다. 또한 구멍 주변부에서 유속이 증가될 것으로 예상되어 결과적으로 유동특성을 개선시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 또한 성형품 측정 결과 렌즈면 형상오차가 0.6 µm 이하로 나타나 품질 측면에서도 문제가 없는 것으로 확인되었으며, 결과적으로 양질의 제품을 높은 생산성으로 제작할 수 있을 것으로 기대된다.
- 상기 연구결과를 토대로 향후 카메라용 초소형 비구면 렌즈의 생산성을 향상시킬 수 있을 것으로 전망되며, 성형된 렌즈의 복굴절 저감 등의 광학적 특성평가에 대한 연구도 추가적으로 필요한 것으로 사료된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.