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문제 정의
- 메타크릴 수지(PMMA, polymethyl methacrylate)를 사용하는 자동차 후방 램프(Rear Lamp)의 바깥렌즈(Outer Lens)가 기준 이상의 변형이 발생하면 하우징과 결합하는 과정에서 불량을 초래한다. 본 연구에서는 바깥 렌즈의 변형을 최소화하기 위해 금형 설계과정에서의 게이트 직경과 냉각라인 거리가 변형에 미치는 영향을 사출성형해석(CAE)을 통해 검토하였다. 이를 통해 변형을 고려한 최적의 게이트 직경과 냉각라인 거리를 선정하였으며 이러한 조건의 금형을 제작하여 사출성형에서 제품의 변형을 최소로 하는 금형온도를 도출하여 사출성형 해석결과와 비교하였다.
제안 방법
- 게이트 해석에서 제품 표면에 적용된 메인 게이트의 최적 직경을 선정하기 위해 ∅1.0~∅3.5mm까지 ∅0.5mm 단위로 Table 1의 공정 조건을 적용하여 성형해석을 수행하였다.
- 성형성을 좋게 하기 위해 제품상부 표면으로 수지가 주입되는 부분을 메인 게이트(Main Gate)로 사용하였다. 그리고 하단부의 미성형 부분 발생을 억제하기 위해 측면 게이트(Side Gate)를 추가하여 사출 시 최고 압력을 낮출 수 있도록 하였다. 또한 밸브에 의한 게이트의 열림과 닫힘 시간 조절로 웰드라인(Weld Line) 발생 위치의 제어가 가능하도록 하였다[6].
- 따라서 냉각수 온도가 제품에 미치는 영향 부분을 Fig. 7과 같이 나타내었으며 이때 조건은 사출성형에 대한 해석결과(게이트 직경 ∅3.0mm, 냉각수 라인 거리 60 mm)를 적용하였다 그리고 순수한 물을 기준으로 55~95℃ 사이 값으로 10℃씩 차이를 두고 Table 3의 공정 조건을 적용하여 성형해석을 수행하였다.
- 10(b)와 같이 수축(Sink)이 발생하여 사용이 곤란하였다. 따라서 이와 같이 사출불량이 발생하는 냉각수 온도를 제외하고 측정을 진행하였다. 바깥 렌즈의 변형을 측정하기 위해 제품의 외곽 테두리를 대상으로 Fig.
- 따라서 이와 같이 사출불량이 발생하는 냉각수 온도를 제외하고 측정을 진행하였다. 바깥 렌즈의 변형을 측정하기 위해 제품의 외곽 테두리를 대상으로 Fig. 11과 같이 측정 지점 (총 15 Points)을 지정하였으며, 3차원 측정기를 사용하여 변형이 발생하는 높이 방향 Z축 변형을 측정하였다. 냉각수 온도가 후방 램프의 바깥 렌즈 사출 변형에 미치는 변형량을 Fig.
- 사출성형의 게이트 직경(∅3.0mm)에 대한 해석결과를 적용하였으며 냉각라인 거리와 효율의 관계를 알아보기 위해 제품과 냉각라인의 거리를 최대 60mm까지 10mm 단위로 Table 2의 공정 조건을 적용하여 성형해석을 수행하였다.
- 사출성형의 게이트 직경과 냉각수 라인 거리에 대한 해석결과 게이트 직경 (∅3.0mm, 냉각수 라인거리 60 mm)를 적용하여 금형을 제작하였다.
- 4에 나타낸 바와 같이 냉각라인을 구성하였으며 이러한 냉각라인은 금형 구조에 영향을 받는다. 상부측 금형의 경우 일체형 소재를 사용하였으며 게이트부의 냉각 효율을 높이기 위해 원판 냉각라인과 게이트 냉각라인을 별도로 구성하였다. 하부측 금형의 경우 코아를 적용하여 원판 냉각라인과 코아 냉각라인을 따로 연결하였다.
- 본 연구에서는 바깥 렌즈의 변형을 최소화하기 위해 금형 설계과정에서의 게이트 직경과 냉각라인 거리가 변형에 미치는 영향을 사출성형해석(CAE)을 통해 검토하였다. 이를 통해 변형을 고려한 최적의 게이트 직경과 냉각라인 거리를 선정하였으며 이러한 조건의 금형을 제작하여 사출성형에서 제품의 변형을 최소로 하는 금형온도를 도출하여 사출성형 해석결과와 비교하였다.
- 0mm, 냉각수 라인거리 60 mm)를 적용하여 금형을 제작하였다. 후방 램프의 바깥 렌즈는 2개 색상이며 다색 사출이 가능한 사출기에서 PMMA LG Chem IH830C를 사용하여 사출성형을 실시하였다[7-8]. 사출성형 결과 냉각수 온도가 50℃(금형표면 측정온도 38℃) 이하에서는 Fig.
대상 데이터
- 메타크릴 수지를 사용하는 자동차 후방 램프의 바깥 렌즈의 변형을 최소화하기 위한 사출성형 파라미터를 선정하였다. 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 메타크릴 수지를 사용하는 후방 램프의 바깥 렌즈는 길이 320mm, 높이 38mm, 폭 130mm, 두께 3mm이며 투명 렌즈 (Clear Lens)는 길이 246mm, 높이 27mm, 폭 56mm, 두께 3mm인 두개의 렌즈가 결합하는 2색 구조이다. 성형성을 좋게 하기 위해 제품상부 표면으로 수지가 주입되는 부분을 메인 게이트(Main Gate)로 사용하였다.
- 메타크릴 수지를 사용하는 후방 램프의 바깥 렌즈는 길이 320mm, 높이 38mm, 폭 130mm, 두께 3mm이며 투명 렌즈 (Clear Lens)는 길이 246mm, 높이 27mm, 폭 56mm, 두께 3mm인 두개의 렌즈가 결합하는 2색 구조이다. 성형성을 좋게 하기 위해 제품상부 표면으로 수지가 주입되는 부분을 메인 게이트(Main Gate)로 사용하였다. 그리고 하단부의 미성형 부분 발생을 억제하기 위해 측면 게이트(Side Gate)를 추가하여 사출 시 최고 압력을 낮출 수 있도록 하였다.
- 최적의 게이트 직경을 도출하기 위해 Autodesk Moldflow Insight(AMI) 성형해석 소프트웨어를 사용하였으며 바깥 렌즈는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 3D Mesh로 요소를 분할하였고 요소 수는 497,472개이다. 게이트 해석에서 제품 표면에 적용된 메인 게이트의 최적 직경을 선정하기 위해 ∅1.
성능/효과
- 1. 사출시간과 충전완료 시 압력 및 변형을 고려하였을 때 최적의 게이트의 직경은 ∅3.0mm이고, 냉각라인 거리는 50~60mm이다.
- 2. 변형을 최소화하기 위한 냉각수 온도는 60~80℃(금형표면 측정온도 48~67℃)로 나타났으며 이는 시험과 해석에서 유사한 경향을 나타내고 있다.
- 3. 냉각수 온도가 높을 경우에는 변형이 낮아질 수 있으나 수축이 발생하여 사용이 곤란하다.
- 따라서 냉각라인과 제품의 최적 냉각라인 거리는 사출시간과 충전 시 압력 및 변형의 효과를 고려하였을 때 50~60mm 구간임을 알 수 있다.
- 따라서 사출시간 충전완료 시 압력 제품변형을 고려하였을 때, 게이트 직경은 ∅3.0mm가 최적으로 확인되었다.
- 6과 같이 나타내었다 냉각라인 거리 변화에 따라 사출시간은 약간의 편차를 보였으며 냉각라인 거리가 40~50mm에서 사출시간이 최대값을 나타내었다. 충전완료 시 압력은 노즐부분이 가장 높게 나타났으며 냉각라인 거리가 짧을수록 큰 값을 나타내었다. 또한 냉각라인 거리가 20~30mm에서는 다소 변화가 없었으며, 냉각라인 거리가 30mm이상에서는 냉각라인 거리가 증가할수록 성형시 냉각라인이 수지 유동에 미치는 영향이 작아지므로 충전 시 압력이 낮아지고 있다.
- 충전완료 시 압력은 노즐부분이 높게 나타났으며 게이트직경이 클수록 압력이 내려가지만, ∅3.0mm에서 39.65MPa까지 낮아지다가 게이트 직경이 커질수록 게이트부의 고화가 늦어 압력이 다시 상승하였다.
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