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문제 정의
- 1에 제품을 나타내었다. 현재 생산되고 있는 드레인 펜은 다수의 부품을 일체화하여 살 두께를 변경하고 HIPS와 ABS 소재를 사용한 사출성형을 통해 풍량과 소음 특성, 사출팽창음 문제의 개선을 꾀하였으나, 수지 변경에 따른 원가 상승 등으로 인해 제품 경쟁력 확보에 한계점이 노출되어 본 연구에서는 화학적 초미세 발포 사출을 제품 생산 공정에 적용하여 생산원가 감소와 함께 신기술 적용으로 인한 기능개선 효과를 얻음과 동시에 공정 최적화를 통한 제품 품질 개선 활동을 진행하였다.
제안 방법
- 공정의 최적 수준인 수지온도 250℃, 고정측 금형 온도 20℃, 가동측 금형온도 40℃와 고정 요인으로 설정한 Long G/F 첨가제와 발포 스크류를 실제 공정에 적용하여 제품의 중량과 변형에 대해 개선능력 올 확인하였다. Fig.
- 공정조건인 수지온도, 금형온도, 사출속도 냉각 시간은 제품의 변형에 대해 실험계획법을 실시하여 영향을 분석하였다. 4인자 2수준으로 L8 배열로 평가를 진행하였으며 Table 1에 제어인자와 수준을 나타내었으며 Table 2에 L8 배열에 대한 실험계획법을 나타내었다.
- 000으로 유의수준보다 작은 수준이었다 따라서 첨가제 종류에 따라 제품의 중량과 변형은 치명인자로 선택하기에 층분한 유의차를 보였다. 그러나 첨가제 종류는 2가지 중 한가지를 선택해야 하는 요소로 중량과 변형 감소에 큰 효과를 보인 Long GF를 선택하여 연구를 진행하였다. Fig.
- 따라서 공정 최적화를 위해 초미세 발포 성형 공정과 관련된 인자들 중 변형량과 중량에 관계된 인자들을 Fig. 5의 특성요인도를 이용하여 잠재인자로 분류하고 나열하였다.
- 그리고 발포제 가스량의 경우, 가스량이 중가할수록 중량이 감소하다가 60 ml 이상에서는 감소율이 미미하였다. 따라서 본 연구에서 첨가제 종류는 Long G/F, 스크류 형상은 발포 스크류로 선정하고 발포제 가스량은 60i꾀로 하였으며 수지온도와 금형온도는 반응표면분석법으로 춰적 조건을 탐색하여 수지온도 250℃, 고정측 금형 온도 20G 가동측 금형온도 40P 일 때를 최적 조건으로 선정하였다.
- 11에 나타낸 수지 온도에 따른 중량 변화를 보면 수지온도가 높을수록 중량이 감소하는 것을 확인하였다. 따라서, 제품의 양산장비와 수지 물성을 고려하여 수지 온도를 250℃로 정하였다.
- 발포제 가스량은 평판 시험 샘플을 대상으로 발포제 함량에 따른 무게를 평가하여 분석하였다. 사용한 무기화학 발포제는 Uni-cell C850MT이며 가스 발생량은 1Wt%당 20ml이다.
- 2에 드레인 펜 공기 가이드의 변형평가 지점을 나타내었다. 변형량 측정에는 0.5/zm 의 분해능을 가지는 3차원 접촉식 측정기를 사용하였다.
- 본 연구에서는 기존 사출성형 공정으로 생산한 드레인 펜의 기능 개선 활동의 한계인 수지 변경에 따른 원가 상승과 사출팽창음을 해결하기 위해 화학적 초미세 발포 성형을 공정에 적용하였다 그리고 6 시그마 기법과 반옹표면분석법을 사용하여 화학적 초미세 발포 성형 공정에서 제품의 중량과 변형이 최소가 되는 공정 조건을 도출하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 시스템 에어컨의 드레인 펜(drain pan) 생산 공정에 화학적 초미세 발포 성형 기술을 적용하여 기존 사출성형 공정에서 부품 경쟁력확보 등으로 인한 개선 한계점들을 해결하고 6 시그마 프로세스와 반응표면분석법(response surface method)를 이용하여 제품의 중량과 변형에 대한 최적화된 공정 조건을 탐색하였다.
- 98 수준으로 전체적으로 안정적인 상태로 분석되었다. 본 연구에서는 화학적 초미세 발포성형으로 제품의 중량을 감소시키는 단계도 주된 목표이므로 1.53 kg을 성과 기준으로 정하여 최적화를 진행하였다.
- 분류된 잠재인자들을 대상으로 로직 트리(logic tree) 기법을 사용하여 변형과 중량에 관련된 가인 자로 선정하였다. Fig.
- 05보다 작은 값이 도출되었으며 스크류 형상에 따라 제품의 중량에 유의미한 변화가 있다는 것을 확인하였다. 사출기스크류의 경우 분석에 사용한 두 가기 중 한 가지를 선택하여 연구를 진행해야하므로 중량 감소율이 상대적으로 더 높은 발포 스크류를 사용하기로 정하였다.
- 4인자 2수준으로 L8 배열로 평가를 진행하였으며 Table 1에 제어인자와 수준을 나타내었으며 Table 2에 L8 배열에 대한 실험계획법을 나타내었다. 사출속도의 경우 사출시간으로 대체하여 실시하였다.
- 스크류 형상이 있다. 선정된 가인자들을 실험계획법과 유의차 검증 등의 방법을 이용하여 변형 및 중량 감소에 미치는 영향을 평가하였으며 그 중에서 치명인자들을 선정하였다.
- 수지 온도는 적용 수지의 용융온도를 반영하여 225℃에서 245℃ 사이로 수준을 설정하였으며 금형온도는 고정측 온도와 가동측 온도로 구분하여 양산 설비로 조절 가능한 온도 편차를 고려하여 25℃에서 45℃ 사이로 정하였다. Table 3에 반응표면분석법에 대한 실험계획법이 명시되어 있으며 각각에 대한 중량과 변형을 표시하였다.
- 스크류 형상은 일반적인 사출기 스크류와 자체 개발한 발포 스크류로 구분하여 평가하였으며 발생가스량은 70 ml로 고정하였다. ANOVA 분석 결과, P-값이 0.
- 제품의 변형량과 더불어 제품의 가격 경쟁력에 영향을 미치는 중량에 대해서도 현 공정 수준에서 분석을 실시하였다. Fig.
- 최종적으로 가인자 분석을 통해 선정한 치명 인자는 수지온도와 금형온도이며 첨가제 종류와 스크류형상은 제품의 중량 감소와 변형 감소에 유의미한인자이나 본 실험에서는 각각 Long GZF와 발포 스크류로 선정하여 진행하기로 하였다.
- 특성요인도와 로직 트리로 선정한 가인자는 크게 소재, 공정조건, 사출기로 분류하였으며 소재에는 첨가제 종류과 발포제 가스량, 공정조건에는 수지 온도, 금형온도, 사출속, 냉각시간이 있으며 사출기에는 스크류 형상이 있다. 선정된 가인자들을 실험계획법과 유의차 검증 등의 방법을 이용하여 변형 및 중량 감소에 미치는 영향을 평가하였으며 그 중에서 치명인자들을 선정하였다.
- 현 공정 수준을 평가하기 위해 총 5주에 걸쳐 양산 제품을 5개 군으로 분류하여 군 별로 10개의 샘플을 수집하였으며 총 50개의 드레인 펜의 변형량에 대해 고정분석을 실시하였다. 현 공정 수준에서 평균 변형량은 2.
- 현 생산 공정에서 드레인 펜의 변형량과 중량을 감소 시켜 목표치를 달성하기 위해 기존의 사출성형을 화학적 초미세 발포 성형으로 변경하였다. 따라서 공정 최적화를 위해 초미세 발포 성형 공정과 관련된 인자들 중 변형량과 중량에 관계된 인자들을 Fig.
대상 데이터
- 본 논문에서는 시스템 에어컨의 드레인 펜을 대상 제품으로 선정하였으며 Fig. 1에 제품을 나타내었다. 현재 생산되고 있는 드레인 펜은 다수의 부품을 일체화하여 살 두께를 변경하고 HIPS와 ABS 소재를 사용한 사출성형을 통해 풍량과 소음 특성, 사출팽창음 문제의 개선을 꾀하였으나, 수지 변경에 따른 원가 상승 등으로 인해 제품 경쟁력 확보에 한계점이 노출되어 본 연구에서는 화학적 초미세 발포 사출을 제품 생산 공정에 적용하여 생산원가 감소와 함께 신기술 적용으로 인한 기능개선 효과를 얻음과 동시에 공정 최적화를 통한 제품 품질 개선 활동을 진행하였다.
- 사용한 무기화학 발포제는 Uni-cell C850MT이며 가스 발생량은 1Wt%당 20ml이다. 분석 결과, 무게 감량한계가 3Wt%임을 확인하였으며 가스량 60ml 이상은 중량 감소율이 미미하다는 것을 알 수 있다.
데이터처리
- 따라서 결론적으로 제품의 변형에 영향을 끼치는 치명인자는 금형 온도라고 할 수 있다. 그리고 공정조건에 따른 중량감 소치 명인 자를 도출하기 위해서 23FD 기법을 사용하여 유의차 검증을 실시하였으며 수지온도의 P.값이 0.
- 사출기 스크류의 경우 1-way AN0VA를 이용하여 스크류 형상이 중량에 미치는 영향을 검토하였으며 Fig. 10은 스크류 형태에 따른 중량감소율 변화에 대한 ANOVA 결과를 나타내었다.
- 선정된 치명인자에 대해 중량 감소와 변형 감소에 대한 최적 조건을 도출하기 위해 반응표면분석법을 사용하여 실험설계를 진행하였다. 수지 온도는 적용 수지의 용융온도를 반영하여 225℃에서 245℃ 사이로 수준을 설정하였으며 금형온도는 고정측 온도와 가동측 온도로 구분하여 양산 설비로 조절 가능한 온도 편차를 고려하여 25℃에서 45℃ 사이로 정하였다.
- 첨가제 종류는 1-way ANOVA를 사용하여 HIPS 수축률과 동일한 4.5/1,000의 수축률을 가지는 PP+shot G/F 30%, PP+Long G/F 15%일 때의 유의차검증을 실시하였다. 중량에 대한 ANOVA 분석 결과, P-값이 0.
성능/효과
- 70 ml로 고정하였다. ANOVA 분석 결과, P-값이 0.000으로 유의수준인 0.05보다 작은 값이 도출되었으며 스크류 형상에 따라 제품의 중량에 유의미한 변화가 있다는 것을 확인하였다. 사출기스크류의 경우 분석에 사용한 두 가기 중 한 가지를 선택하여 연구를 진행해야하므로 중량 감소율이 상대적으로 더 높은 발포 스크류를 사용하기로 정하였다.
- 실시하였다. Fig. 4는 제품의 중량에 대한 현 수준의 공정능력을 나타내었으며 평균 중량은 1.75 kg이고 산포는 Cp가 2.98 수준으로 전체적으로 안정적인 상태로 분석되었다. 본 연구에서는 화학적 초미세 발포성형으로 제품의 중량을 감소시키는 단계도 주된 목표이므로 1.
- 16은 변형에 대한 개선 후 공정능력 분석을 나타내었다. 개선 후 변형에 대한 단기공정능력은 6.60으로 기존 공정에서의 2.73 보다 증가하였으며 이는 초기에 목표하였던 단기공정능력 수준인 6.0보다 높은 값으로 기술적, 관리적 능력이 기존에 비해 현저하게 향상되었다는 것을 의미한다. 따라서 이와 같은 결과들을 바탕으로 본 연구에서 적용한 화학적 초미세 발포 성형 기술과 반 옹 표면 분석법으로 도출한 최적조건이 드레인 펜의 중량 감소와 변형감소에 큰 효과가 있다는 것을 확인하였다.
- 기존 공정에서 제품의 평균 중량은 1, 750g이었으나 개선 후 공정에서는 1, 412 g으로 19% 감소한 것을 확인할 수 있다. 그리고 표준편차는 기존 양상 공정이 1.88 g, 개선 후 공정이 1.70 g으로 중량 산포가 모두 양호한 수준인 것을 확인하였다.
- 15은 기존 공정과 최적 조건을 적용한 개 선후 공정의 변형에 대한 비교를 나타내었다. 기존 공정에서 제품의 변형량이 2.1672mm로 나타났으나 개선 후 공정에서는 0.9237mm로 57% 감소하였다. 또한 기존 공정에서 변형의 표준편차가 0.
- 14는 드레인 펜의 기존 공정과 개선 후 공정에서의 중량 비교를 나타내었다. 기존 공정에서 제품의 평균 중량은 1, 750g이었으나 개선 후 공정에서는 1, 412 g으로 19% 감소한 것을 확인할 수 있다. 그리고 표준편차는 기존 양상 공정이 1.
- 그러나 금형온도를 제외하고 수지 온도 사출속도 냉각시간의 경우 수준에 따라 변형량의 변화가 매우 미미하였다. 따라서 결론적으로 제품의 변형에 영향을 끼치는 치명인자는 금형 온도라고 할 수 있다. 그리고 공정조건에 따른 중량감 소치 명인 자를 도출하기 위해서 23FD 기법을 사용하여 유의차 검증을 실시하였으며 수지온도의 P.
- 따라서 본 연구에서 적용한 화학적 초미세 발포 성형의 공정 기술과 6 시그마 프로세스, 반응표면분석법 등과 같은 공학적, 통계적 도구를 생산공정에 적용하였을 때 시스템 에어컨 드레인 펜의 기능을 개선 시킴과 동시에 중량과 변형의 최적화 활동에 매우 효과적이라는 것을 실험적으로 확인하였다.
- 12로 크게 나타났다. 따라서 본 연구에서는 목표 수준을 1.5 mm 로 하여 단기공정능력 Zst가 6.0이 되도록 기술적 능력과 관리적 능력의 개선을 도모하였다. Fig.
- 000으로 유의수준 내에 값이 포함되었다. 따라서 수지온도 금형온도에 따라 변형에 유의미한 변화가 생기는 것을 확인할 수 있으며, Fig. 12의 금형 온도 수지온도에 대한 변형의 둥고선도를 보면 수지 온도와 가동측 금형온도가 높을수록, 고정측 금형 온도가 낮을수록 변형이 감소하는 것을 알 수 있고 가동측과 고정측 금형온도의 차이가 클수록 변형이 감소하였다.
- 0보다 높은 값으로 기술적, 관리적 능력이 기존에 비해 현저하게 향상되었다는 것을 의미한다. 따라서 이와 같은 결과들을 바탕으로 본 연구에서 적용한 화학적 초미세 발포 성형 기술과 반 옹 표면 분석법으로 도출한 최적조건이 드레인 펜의 중량 감소와 변형감소에 큰 효과가 있다는 것을 확인하였다.
- 000으로 유의 수준 내에 포함되었다. 따라서 제품의 중량 감소와 관련하여 치명인자 중 수지 온도만 유의미한 결과를 보였으며 Fig. 11에 나타낸 수지 온도에 따른 중량 변화를 보면 수지온도가 높을수록 중량이 감소하는 것을 확인하였다. 따라서, 제품의 양산장비와 수지 물성을 고려하여 수지 온도를 250℃로 정하였다.
- 1398 mm로 감소하여 산포치가 개선된 것을 확인하였다. 또한 개선 전과 개선 후의 변형에 대한 단기공정능력을 비교한 결과, 기존의 2.73에서 6.60으로 증가하였으며 이는 목표 수준 6.0보다 높은 값으로 우수한 기술적, 관리적 능력을 나타내었다.
- 9237mm로 57% 감소하였다. 또한 기존 공정에서 변형의 표준편차가 0.3298mm 이고 개선 후 공정에서는 표준편차가 0.1398 mm로 나타났으며 변형의 산포가 개선된 것을 알 수 있다.
- 000으로 유의수준보다 작게 분석되었다. 반면 다른 공정조건들은 P-값이 유의수준 0.05보다 크게 분석되었으며, 이러한 결과를 바탕으로 제품의 중량감소에 영향을 미치는 치명인자는 수지온도라는 것을 알 수 있다.
- 13는 반응표면분석법에서 중량과 변형에 대한 결과를 토대로 최적화 도구를 이용하여 산출한 최적 조건을 나타내었다. 반응표면분석법을 토대로 Fig. 13에서 최적조건은 수지온도 250P, 고정측 금형 온도 201:, 가동측 금형온도 40℃ 로 나타났으며 이 때의 결과값은 중량이 1, 408.1807 g, 변형이 0.8950 nml로 산출되었다.
- 변형 감소에 대해 분석을 진행한 결과, 수지 온도고정 측 금형온도, 가동측 금형온도 모두 변형에 대해 P-값이 0.000으로 유의수준 내에 값이 포함되었다. 따라서 수지온도 금형온도에 따라 변형에 유의미한 변화가 생기는 것을 확인할 수 있으며, Fig.
- 사용한 무기화학 발포제는 Uni-cell C850MT이며 가스 발생량은 1Wt%당 20ml이다. 분석 결과, 무게 감량한계가 3Wt%임을 확인하였으며 가스량 60ml 이상은 중량 감소율이 미미하다는 것을 알 수 있다. 따라서 발포제 가스량은 중량 감소 한계인 60ml로 선정하였다.
- 분석 결과, 중량 감소에 대한 고정측 금형 온도의 P-값은 0.504, 이동측 금형온도의 P-값은 0.443으로 유의 수준 5% 이보다 큰 값이 도출되었다. 반면 수지 온도의 경우, 중량 감소에 대한 유의차 검증 결과 P-값이 0.
- 9은 공기 흡입부의 변형에 대한 주효 과도를 나타내었다. 분석 결과를 보면 금형온도가 제품의 변형에 가장 큰 영향을 끼쳤으며 냉각시간이 가장 작은 영향을 미쳤다. 그러나 금형온도를 제외하고 수지 온도 사출속도 냉각시간의 경우 수준에 따라 변형량의 변화가 매우 미미하였다.
- 첨가제 종류는 중량과 변형에 대해 모두 유의차를 가지며 Shot G/F보다 Long G/F가 더 큰 개선 효과를 보였다. 사출기스크류 형상의 경우, 일반 사출 스크류를 사용하는 것보다 화학적 초미세 발포 성형을 적용하기 위해 개발된 발포 스크류를 사용하였을 때 중량 감소율이 큰 것을 확인하였다. 그리고 발포제 가스량의 경우, 가스량이 중가할수록 중량이 감소하다가 60 ml 이상에서는 감소율이 미미하였다.
- 실험계획법과 ANOVA 등을 이용하여 가인자 분석을 진행한 결과, 첨가제 종류, 수지온도, 금형 온도, 사출기 스크류 형상이 제품의 중량과 변형에 유의차를 가지는 것을 확인하였다. 첨가제 종류는 중량과 변형에 대해 모두 유의차를 가지며 Shot G/F보다 Long G/F가 더 큰 개선 효과를 보였다.
- 이러한 연구결과를 바탕으로 선정된 최적 요인들을 시스템 에어컨 드레인 펜의 생산 공정에 적용한 결과, 제품의 중량 평균은 기존 공정의 1, 750 g에서 1, 420 g으로 19% 감소하였으며 변형 평균은 2.1672mm에서 0.9237mm로 57% 감소하여 현저한 개선을 보였다. 중량의 표준편차는 개선 전과 개선 후가 모두 비슷한 수준으로 양호한 산포치를 보였으며 변형의 표준편차는 기존의 0.
- 9237mm로 57% 감소하여 현저한 개선을 보였다. 중량의 표준편차는 개선 전과 개선 후가 모두 비슷한 수준으로 양호한 산포치를 보였으며 변형의 표준편차는 기존의 0.3298 mm에서 0.1398 mm로 감소하여 산포치가 개선된 것을 확인하였다. 또한 개선 전과 개선 후의 변형에 대한 단기공정능력을 비교한 결과, 기존의 2.
- 가지는 것을 확인하였다. 첨가제 종류는 중량과 변형에 대해 모두 유의차를 가지며 Shot G/F보다 Long G/F가 더 큰 개선 효과를 보였다. 사출기스크류 형상의 경우, 일반 사출 스크류를 사용하는 것보다 화학적 초미세 발포 성형을 적용하기 위해 개발된 발포 스크류를 사용하였을 때 중량 감소율이 큰 것을 확인하였다.
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