사출 성형 방법은 금형내부에 가소화된 수지를 높은 압력으로 사출한 후 경화시켜 제품을 만드는 방법으로 자유로운 형상제조가 가능하며 수 만개의 제품생간이 가능한 장점을 가지고 있다. 본 논문에서는 사출성형 해석을 통하여 차량용 도어래치 공정조건을 결정하는 것이다. 적합한 사출성형 공정의 사출 유량을 선정하기 위하여, 사출 시간, 압력, 유동 패턴, 고화영역, 전단응력, 전단률, 웰드라인을 비교한1차 해석과 금형 온도 안정화 및 보압과 냉각 공정 조건 결정을 위한 2차 해석을 진행하여, 사출성형 특성과 제품 품질에 미치는 영향을 고찰하였다. 이에 따라 선정된 사출 성형 공정 조건으로 금형을 설계하고, 제품을 생산하였을 때 성형품의 외관을 관찰한 결과 웰드라인과 기공들이 존재하지 않음을 알 수 있었고, 시제품과 변형량을 비교하였을 때 문제가 없음을 확인할 수 있었다. 따라서 선정된 조건으로 제품을 생산하였을 때 기존 제품에 비해 불량률을 줄일 수 있으며, 제품 생산 시간의 손실을 최소화 하여 경쟁력을 확보할 수 있을 것이라 판단된다.
사출 성형 방법은 금형내부에 가소화된 수지를 높은 압력으로 사출한 후 경화시켜 제품을 만드는 방법으로 자유로운 형상제조가 가능하며 수 만개의 제품생간이 가능한 장점을 가지고 있다. 본 논문에서는 사출성형 해석을 통하여 차량용 도어래치 공정조건을 결정하는 것이다. 적합한 사출성형 공정의 사출 유량을 선정하기 위하여, 사출 시간, 압력, 유동 패턴, 고화영역, 전단응력, 전단률, 웰드라인을 비교한1차 해석과 금형 온도 안정화 및 보압과 냉각 공정 조건 결정을 위한 2차 해석을 진행하여, 사출성형 특성과 제품 품질에 미치는 영향을 고찰하였다. 이에 따라 선정된 사출 성형 공정 조건으로 금형을 설계하고, 제품을 생산하였을 때 성형품의 외관을 관찰한 결과 웰드라인과 기공들이 존재하지 않음을 알 수 있었고, 시제품과 변형량을 비교하였을 때 문제가 없음을 확인할 수 있었다. 따라서 선정된 조건으로 제품을 생산하였을 때 기존 제품에 비해 불량률을 줄일 수 있으며, 제품 생산 시간의 손실을 최소화 하여 경쟁력을 확보할 수 있을 것이라 판단된다.
Injection molding is a method for manufacturing many products, wherein a plasticized resin is injected into a mold at high pressure and hardened. According to the method, the product can be manufactured into various forms, and the mass production of up to tens of thousands of products is possible. T...
Injection molding is a method for manufacturing many products, wherein a plasticized resin is injected into a mold at high pressure and hardened. According to the method, the product can be manufactured into various forms, and the mass production of up to tens of thousands of products is possible. The purpose of this study was to determine the process conditions for manufacturing a door latch for automobiles, through an analysis of the injection molding method. To calculate an appropriate injection flow for injection molding, a primary analysis for comparing the injection time, pressure, flow pattern, consolidation range, shear stress, shear rate, and weld line, as well as a secondary analysis for determining the conditions for stabilizing the molding temperature, holding pressure, and cooling process, were conducted. The characteristics of injection molding, and their influence on the product quality are discussed. No weld line and pores were observed on the products that had been manufactured based on the process conditions determined above. In addition, there were no flaws regarding the deformation compared to the prototype. Therefore, the manufacture of a product under the conditions determined in this study can reduce the defect rate compared to the existing production, and the process is also more competitive due to reduced production time.
Injection molding is a method for manufacturing many products, wherein a plasticized resin is injected into a mold at high pressure and hardened. According to the method, the product can be manufactured into various forms, and the mass production of up to tens of thousands of products is possible. The purpose of this study was to determine the process conditions for manufacturing a door latch for automobiles, through an analysis of the injection molding method. To calculate an appropriate injection flow for injection molding, a primary analysis for comparing the injection time, pressure, flow pattern, consolidation range, shear stress, shear rate, and weld line, as well as a secondary analysis for determining the conditions for stabilizing the molding temperature, holding pressure, and cooling process, were conducted. The characteristics of injection molding, and their influence on the product quality are discussed. No weld line and pores were observed on the products that had been manufactured based on the process conditions determined above. In addition, there were no flaws regarding the deformation compared to the prototype. Therefore, the manufacture of a product under the conditions determined in this study can reduce the defect rate compared to the existing production, and the process is also more competitive due to reduced production time.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 사출성형 해석 상용 소프트웨어인 SIGMA를 사용하여 자동차용 도어 래치 제품의 사출 유량(injection flow) 결정을 위해 사출 시간(injection time), 압력(pressure), 유동 패턴(flow pattern), 고화 영역, 전단응력(shear stress), 전단률(shear rate)을 비교한 1차 해석과 금형 온도 안정화 및 보압과 냉각 공정 조건 결정을 위한 2차 해석을 진행하여 사출성형 공정 조건을 결정하고자 한다.
본 연구에서는 3차원 사출성형해석을 통한 차량용 도어 래치 컨넥터의 사출성형 공정 조건 선정과 이 조건을 검증하기 위한 사출성형 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
가설 설정
1차 해석과 금형 모델링 및 물성 조건은 동일하지만 2차 해석에서는 금형 예열을 고려하는 조건과 열 계산공정 10사이클, 실제 사출 계산 공정 1사이클을 적용하였다. 따라서 총 11사이클로 해석을 진행하였고, 열 계산 공정은 사출이 되었다는 가정하에 열 적 특성만을 계산하는 사이클이다. 이에 따른 실제 사출 계산이 되는 11번째 사이클 공정 조건을 Table 4에 나타내었다.
제안 방법
1, 2차 사출성형을 통해 선정된 최적 공정 조건을 Table 6에 나타내었고, 본 사출성형 실험에서는 금형의 예열 시간, 금형 온도, 사출 유량, 사출 시간, 최대 사출압력, 보압 시간, 보압 크기, 냉각 시간을 2절과 3절에서 선정된 조건을 사용하였다.
1. 3차원 사출성형 해석을 통하여 1, 2차 성형 공정에서의 사출 유량, 사출시간, 최대 사출압력 및 보압시간이 사출성형 및 제품 특성에 미치는 영향을 분석 고찰하였다. 그 결과 1, 2차 성형 공정에 대한 사출 시간, 최대 사출압력 및 보압 시간을 예측하였다.
1차 사출 해석에서 사출 유량을 조건 B로 선정하였고, 금형 온도 안정화 및 보압 공정과 냉각 공정 최적화 조건을 검토하기 위해 2차 해석을 진행한다.
1차 해석과 금형 모델링 및 물성 조건은 동일하지만 2차 해석에서는 금형 예열을 고려하는 조건과 열 계산공정 10사이클, 실제 사출 계산 공정 1사이클을 적용하였다. 따라서 총 11사이클로 해석을 진행하였고, 열 계산 공정은 사출이 되었다는 가정하에 열 적 특성만을 계산하는 사이클이다.
4. 냉각 시간에 따른 변형량을 측정하였을 때 10초 이상 냉각 시간을 설정해도 변형량의 편차가 거의 발생하지 않았기 때문에 냉각 시간을 9초로 선정하였다.
3차원 사출성형 해석을 통하여 1, 2차 성형 공정에서의 사출 유량, 사출시간, 최대 사출압력 및 보압시간이 사출성형 및 제품 특성에 미치는 영향을 분석 고찰하였다. 그 결과 1, 2차 성형 공정에 대한 사출 시간, 최대 사출압력 및 보압 시간을 예측하였다.
기존의 사출 공정 조건이 최적 조건인지, 개선 여부가 있는지를 확인하기 위해 사출유량에 따른 A, B, C의 조건으로 사출 성형 해석을 하였고, 각 조건에 대하여 사출 시간, 사출 압력, 유동 패턴, 고화 영역, 전단응력, 전단률, 웰드라인을 비교하였다. 비교 결과 기존의 사출 공정조건인 B가 조건 A와 유사한 결과를 나타냈으며, 조건 C는 3가지 조건 중 사출 압력이 가장 낮았지만, 유동 패턴이 흐트려지면서 전단응력에 문제가 증가함을 확인하였다.
따라서 해석에서 보압 시간은 공정 조건 및 게이트 직경을 고려하여 5초 동안 유지하도록 설정하였으며, 압력은 최대사출압력의 85%를 적용하였다. 보압 절환 시점은 충전률 99%로 설정하였다.
또한 냉각 시간이 최적 조건인지를 확인하기 위해서 고정측 금형에서 제품이 분리되는 시간, 즉 냉각 시간을 공정 조건에서 설정한 5초 보다 긴 10초로 설정하였으며, 고정측 금형에서 제품이 분리되는 시간은 2초, 취출핀이 작동하는 시간은 0.5초로 설정하였다.
사출성형 해석을 통하여 선정된 조건의 타당성을 고찰하기 위하여, Fig. 16와 같은 금형을 제작하여 사출성형 실험을 수행하였다. 금형의 크기는 350×350×320mm로 턴테이블 형식으로 이루어져 있다.
실제 공정 조건에는 보압 공정이 따로 진행되지 않았으나 사출 시간에 보압 시간이 포함되어 있다고 판단하고, 정확한 보압 조건 판단이 어렵기 때문에 최적 조건을 찾기 위한 해석을 진행하였다.
1에 금형과 제품의 모델링 형상을 타나내었다. 유한요소 해석을 위하여 제품, 인서트, 게이트(gate), 런너(runner) 외 고정측 금형, 이동측 금형, 취출 핀(ejector pin), 냉각채널을 고려하여 금형을 모델링 하였다.
적절한 보압 시간과 냉각 시간을 결정하기 위해 보압과 냉각 단계에서 고화 패턴을 확인하였다. Fig.
사출 유량 최적화를 위한 공정 조건표를 Table 2에 나타내었다. 적절한 사출 유량을 찾기 위해 사출 유량에 따른 충진 시간, 보압, 수지의 유동 패턴 및 고화 시간, 전단응력과 전단률에 대한 해석을 진행하였다.
대상 데이터
사출 해석에 적용된 수지는 PP(polypropylene) 재질에 Long Glass Fiber 30%가 함유된 Hi PreneHLG73BL이고, 인서트 제품의 재질은 C2600이며, 금형의 재질은 X38CrMoV5이다. 그리고 냉각 채널은 물로 설정하였다.
성능/효과
2. 예열시간에 따른 금형온도를 측정하였을 때 45분에서 1시간으로 길어질 때 금형 표면 온도 상승폭이 줄어들며, 실제 공정과 비교하였을 때 약 15분의 예열시간을 단축시킬 수 있었다.
3. 적절한 사출 및 보압 시간에 따른 제품 중량 차이를 확인하기 위해 시사출 실험을 통해 제품을 생산하여 확인하였을 때 사출 1초, 보압 5초로 적용하였을 때와 중량이 유사하였다.
5. 선정된 조건으로 차량용 도어 래치의 금형 제작을 통한 시사출 실험을 진행하였고, 사출 시간, 보압시간, 냉각 시간을 변경하여 실험한 결과 선정된 조건을 적용할 때 제품의 변형량이 가장 적었다.
6. 이에 따라 선정된 사출 성형 공정 조건으로 금형을 설계하고, 제품을 생산하였을 때 기존 제품에 비해 불량률을 줄일 수 있으며, 제품 생산 시간의 손실을 최소화 하여 경쟁력을 확보할 수 있을 것이라 판단된다.
기존 공정으로 생산된 제품과 사출성형 해석을 통해 선정된 조건으로 제품을 생산하였을 때 웰드라인과 기공 등을 정성적으로 비교한 결과, 사출성형 해석을 통해 생산된 도어 래치 제품이 기존 제품보다 품질이 향상되고,제품 불량으로 인한 금형의 재수정, 제품 생산시간의 손실을 최소로 하여 생산성이 향상될 것으로 판단된다.
85% 고화가 되었다. 따라서 사출 시간 약 1초, 보압 시간 약 6초 일 때, 냉각 시간을 9초 이상 적용할 경우 전에 공정시간만 길어지게 된다고 판단하였다.
열 계산 공정 11번째 사이클의 사출 직전 금형 온도는 코어와 캐비티 표면 온도가 48~63℃로 분포하며, 사출 직후에 코어에 갇힌 열이 빠져 나간 것을 확인할 수 있다. 또한 사출 직전 이동측 금형의 온도가 고정측 금형 온도보다 3~4℃ 정도 높고, 내측이 외측보다 온도가 15℃ 정도 높은 것을 확인할 수 있다.
기존의 사출 공정 조건이 최적 조건인지, 개선 여부가 있는지를 확인하기 위해 사출유량에 따른 A, B, C의 조건으로 사출 성형 해석을 하였고, 각 조건에 대하여 사출 시간, 사출 압력, 유동 패턴, 고화 영역, 전단응력, 전단률, 웰드라인을 비교하였다. 비교 결과 기존의 사출 공정조건인 B가 조건 A와 유사한 결과를 나타냈으며, 조건 C는 3가지 조건 중 사출 압력이 가장 낮았지만, 유동 패턴이 흐트려지면서 전단응력에 문제가 증가함을 확인하였다.
25MPa 이다. 사출조건 C의 경우 최대 허용 전단응력 값 이상인 영역이 가장 많고, 사출조건 A가 허용치 이상인 영역이 가장 적게 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
사출 성형 공정은 어떠한 공정 사이클을 가지고 있는가?
사출성형의 장점으로는 복잡한 형상의 제품을 적은 비용으로 만들 수 있기에, 최근 사출 금형 산업은 빠른 속도로 시장에서 성장하고 있다. 사출 성형 공정은 용융된 고분자 수지가 금형내로 흘러들어가는 충전(filling)단계와 수축에 의한 체적감소를 보상하기 위하여 지속적인 압력을 가해주는 보압(packing) 단계, 취출 시 충분한 강도를 갖게 하는 냉각(cooling) 단계, 금형이 열리고 제품이 나오는 취출(ejecting) 단계로 이루어지는 사이클을 가지고 있다[1].
폴리머 속에 섬유기재를 혼입시킨 섬유 강화 복합재료는 어떠한 성형방법을 주로 이용하는가?
그 중 폴리머 속에 섬유기재를 혼입시킨 섬유 강화 복합재료(Fiber reinforced plastic : FRP)는 극한 부식 환경이나 경량화가 요구되는 곳에 금속을 대신하는 공업재료로서 사용되고 있다. 이런 섬유강화복합재의 성형방법은 사출방법을 주로 이용한다. 사출 성형 방법은 금형내부에 가소화된 수지를 높은 압력으로 사출한 후 경화시켜 제품을 만드는 방법으로 자유로운 형상제조가 가능하며 수 만개의 제품생산이 가능한 장점을 가지고 있다.
사출 성형 방법의 장점은 무엇인가?
이런 섬유강화복합재의 성형방법은 사출방법을 주로 이용한다. 사출 성형 방법은 금형내부에 가소화된 수지를 높은 압력으로 사출한 후 경화시켜 제품을 만드는 방법으로 자유로운 형상제조가 가능하며 수 만개의 제품생산이 가능한 장점을 가지고 있다.
참고문헌 (5)
S. H. Tang, "Design and thermal analysis of plastic injection mould", Journal of Materials Processing Technology, vol. 171, pp. 259-267, 2006. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2005.06.075
J. W. Kim, D. Y. Jung, J. H. Kim, C. I. Kim, T. J. Choi, Y. J. Kim, J. K. Em, "Study on Optimizing Mold Design Parameters for FRP specimens in Injection Molding using CAE analysis", Kor. Soc. of Mechanical Engin., pp. 343-348, 2012.
C. H. Park, B. G. Pyo, M. S. Gu, D. H. Choi, "Design Optimization of Injection Molding Parts for Minimizing Injection Pressure and Preventing Weldlines", KSAE, pp. 2553-2559, 2009.
M. R. Ryu, Y. H. Kim, K. H. Lee, H. S. Park, "Optimization of an Electric Microwave Oven window Using Taguchi Design", Kor. Soc. of Mechanical Engineering, pp. 1756-1761, 2005.
Y. S. Kwon, Y. S. Choi, B. G. Kim, B. H. Min, Y. D. Jeong, "Optimization of Injection Molding of Bobbin Part based on CAE", Journal of the Korean Society for Power System Engineering, pp. 68-72, 2002.
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