[논문]Mahalanobis Taguchi System을 이용한 사출 공정의 최적설계

김경모; 박종천

doi:10.14775/ksmpe.2016.16.1.001

[국내논문] Mahalanobis Taguchi System을 이용한 사출 공정의 최적설계
Optimal Design of Injection Molding Process using the Mahalanobis Taguchi System 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.16 no.1, 2017년, pp.1 - 8

김경모 (금오공과대학교 산업공학부) , 박종천 (금오공과대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Warpage is a major defect frequently found in the injection molding process, and the reduction of warpage is a very challenging problem because of the uncontrollable factors, such as variations in the process parameters. Without any countermeasure against these noises, attempts to reduce the defects often lead to failure. In this research, a new robust design methodology, based on the Mahalanobis Taguchi System (MTS) to reduce warpage, is presented. The MTS performs the orthogonal array experiments and uses the signal-to-noise (SN) ratio of the Mahalanobis distance as a performance metric. The validity of the proposed method is illustrated through an optimal design of the injection molding process of a CPU base plate.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 사출성형의 공정변수들은 초기에 설정된 값을 공정이 진행되는 과정중에 정확하게 유지하기 힘들기 때문에, 설계과정에서 이러한 변동을 고려하는 것이 필요하다^[10]. 따라서 본 사례의 설계목표는 잡음이 존재하는 사출성형 공정에서 휨의 크기를 안정적으로 최소화시키는 것이다.
사출성형은 공정조건의 변동이 심하기 때문에 이에 대한 설계대응이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 MTS를 사용한 사출성형 공정의 강건 설계 방법을 제시하고 그 유용성을 확인하였다.
본 연구에서는 공정조건에 변동이 존재하는 상황에서 다수의 휨 사이에 존재하는 상관관계를 고려하여 휨을 안정적으로 최소화시킬 수 있는 강건설계 방법을 제시하고자 한다. 또한 컴퓨터 중앙처리장치의 베이스 플레이트(CPU base plate) 성형을 위한 사출공정 설계문제에 적용하여 제시한 강건 설계 방법이 설계자의 설계 의도에 따라 특정한 위치의 휨을 통제할 수 있음을 보이고자 한다.

가설 설정

공정조건의 최적화 실험에 사용된 고분자 수지는 Generic ABS(Stylac ABS 121)이며, 냉각은 균일하게 이루어진다고 가정하였다. Table 3의 y_i(i=1,2,.
설계속성 데이터와 각 설계속성의 목표치 간의 차이는 설계목표에서 벗어난 편차(deviation)를 나타내며, 강건 설계에서 설계자는 최적화 과정을 통해서 잡음 하에서 이러한 편차를 최소화시키는 설계조건을 찾는다^[4]. 본 연구에서는 정상집단의 설계속성은 설계 목표치를 중심으로 정규분포를 한다고 가정한다. 품질관리에서 제품 속성의 분포는 일반적으로 정규분포로 가정하는 것을 고려할때 이러한 전제는 현실적인 것으로 판단된다.

제안 방법

직교배열의 1~3열에 알파벳 순서로 배치하였다. 내측배열 L₁₈과 외측배열 L₄를 이용한 교적실험에서 사출성형 해석소프트웨어인 Moldflow^[11]를 이용하여 휨의 크기를 계산하였다. 본 연구에서는 제품이 박막의 평판 형상임을 고려해서 중립면(mid-plane) 방식으로 메쉬 모델을 생성하여 휨 해석을 수행하였다.
그러나 MTS를 통해 결정되는 최적 설계조건은 정상집단에 의해 큰 영향을 받기 때문에, 설계자의 설계 의도에 따라 결정되는 설계속성의 상대적 중요도를 고려하여 정상집단을 결정하는 체계적 절차가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 다음과 같은 정상집단의 생성 방법을 제안하고, 이러한 방법을 이용하여 사출성형 사례연구를 실시하였다.
을 제시하였다. 또한 최적조건에서의 휨에 대한 SN비와 목표치로부터의 편차의 평균도 제시하였다. 정상집단이 최적조건에 미치는 영향을 분석하기 위하여, Fig.
본 연구에서는 공정조건에 변동이 존재하는 상황에서 다수의 휨 사이에 존재하는 상관관계를 고려하여 휨을 안정적으로 최소화시킬 수 있는 강건설계 방법을 제시하고자 한다. 또한 컴퓨터 중앙처리장치의 베이스 플레이트(CPU base plate) 성형을 위한 사출공정 설계문제에 적용하여 제시한 강건 설계 방법이 설계자의 설계 의도에 따라 특정한 위치의 휨을 통제할 수 있음을 보이고자 한다.
본 연구에서 제안한 사출성형 공정조건에 대한 강건 설계 방법의 유용성을 보이기 위해 현행조건 A2B2C2D2E2F2G2 과 3가지 설계 의도를 반영하여 결정한 최적조건을 비교하였다.
내측배열 L₁₈과 외측배열 L₄를 이용한 교적실험에서 사출성형 해석소프트웨어인 Moldflow^[11]를 이용하여 휨의 크기를 계산하였다. 본 연구에서는 제품이 박막의 평판 형상임을 고려해서 중립면(mid-plane) 방식으로 메쉬 모델을 생성하여 휨 해석을 수행하였다. 해석에 사용된 삼각형 요소의 개수는 763개이며 절점의 수는 417개이다.
실험적 설계 최적화에서는 설계공간을 대표하는 실험점을 선택하고, 각 실험점에서 다수의 설계속성들에 대해서 데이터를 측정한다. 강건 설계에서는 내측 및 외측배열로 구성된 직교배열의 실험점이 설계공간을 대표한다.
정상집단이 최적조건에 미치는 영향을 분석하기 위하여, Fig. 2의 1~4번 위치에서 측정된 휨(y1~y4)은 상대적 중요도가 작은 속성으로 간주하여 w1=w2=w3=w4=30% 로 설정하고, Fig. 2의 5~6번 위치에서 측정된 휨(y5 와 y6 )은 상대적 중요도가 큰 속성으로 간주하여 w5=w6=30%, w5=w6=20%, w5=w6=10% 로 변경하면서 결과를 구하였다.
2에 표시된 각 측정위치에서의 휨에 대한 상대적 중요도를 부여하는 것으로써 반영된다. 즉 설계자의 설계 의도에 따라 부여된 w_i를 이용하여 정상집단을 생성하고, 이로부터 휨에 대한 MD를 계산한다.
휨은 각 측정위치의 기하학적 조건에 따라 서로 영향을 주기 때문에 이들 간에는 특정한 상관관계가 존재하며, 본 연구의 2절에서 제안한 방법으로 정상집단을 구성하여 휨에 대한 MD를 계산할 수 있다. MD에 대한 SN비의 평균분석을 통해 잡음하에서 휨을 안정적으로 최소화시키는 최적조건을 결정할 수 있다.

대상 데이터

여기서 w는 해당 설계속성에 대해 정상적인 속성범위를 고려하여 설계자가 선택한다. 각 설계속성에 대해 30개(일반적인 통계분석에서 사용하는 데이터의 크기)의 데이터를 생성하여 정상집단을 결정한다.
본 연구에서는 Fig. 2에 제시된 컴퓨터 중앙처리장치의 베이스 플레이트를 제품 모델로 사용하였다. 이것을 최소최대 육면체(minmax box)로 근사화 하면 209.
본 연구에서는 제품이 박막의 평판 형상임을 고려해서 중립면(mid-plane) 방식으로 메쉬 모델을 생성하여 휨 해석을 수행하였다. 해석에 사용된 삼각형 요소의 개수는 763개이며 절점의 수는 417개이다.

성능/효과

이것은 특정 위치에서의 휨에 대한 설계 의도가 설계에 반영된 결과라고 해석할 수 있다. 넷째, 다수의 w_i가 작아지면 해당 휨이 작아지나, 나머지 휨 중에서 일부는 설계자가 기대한 대로 커지나 일부는 오히려 작아질 수도 있다. 이것은 작은 w_i 값으로 지정된 휨과 양의 상관관계가 있는 휨에서 이러한 상황이 발생할 수 있다.
현행조건의 휨에 대한 SN비와 MTS를 이용하여 구한 최적조건의 휨에 대한 SN비를 비교해보면, 강건 설계를 통하여 휨에 대한 강건성이 증가함을 확인할 수 있다. 둘째, w_i가 작아지면, 최적조건에서의 휨에 대한 SN비는 커진다. 휨에 대한 요구가 엄격할수록 최적조건에서 휨에 대한 SN비는 커진다.
휨에 대한 요구가 엄격할수록 최적조건에서 휨에 대한 SN비는 커진다. 셋째, w_i가 작아지면, 최적조건에서 해당 휨이 작아진다. w₅와 w₆가 30% , 20% , 10% 로 작아질 때, y₅와 y₆가 작아짐을 알 수 있다.
Table 4와 5로부터 다음의 결론을 얻을 수 있다. 첫째, 사출공정의 설계에는 강건 설계가 유용하다. 현행조건의 휨에 대한 SN비와 MTS를 이용하여 구한 최적조건의 휨에 대한 SN비를 비교해보면, 강건 설계를 통하여 휨에 대한 강건성이 증가함을 확인할 수 있다.
컴퓨터 중앙처리장치의 베이스 플레이트 사출성형 사례연구를 통하여 본 연구에서 제시한 정상집단 생성방법은 설계자의 설계 의도를 설계과정에 반영할 수 있는 수단이 될 수 있음을 확인하였다. 또한 MTS의 설계평가에 사용하는 MD는 설계속 성간의 상관관계를 고려하기 때문에 다변량 측정데이터에 대한 정확한 평가가 가능하다.
첫째, 사출공정의 설계에는 강건 설계가 유용하다. 현행조건의 휨에 대한 SN비와 MTS를 이용하여 구한 최적조건의 휨에 대한 SN비를 비교해보면, 강건 설계를 통하여 휨에 대한 강건성이 증가함을 확인할 수 있다. 둘째, w_i가 작아지면, 최적조건에서의 휨에 대한 SN비는 커진다.

후속연구

또한 MTS의 설계평가에 사용하는 MD는 설계속 성간의 상관관계를 고려하기 때문에 다변량 측정데이터에 대한 정확한 평가가 가능하다. 따라서 다양한 기계 가공 공정에 대해 MTS를 이용한 설계 최적화 연구가 지속적으로 수행되어야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MTS(Mahalanobis Taguchi System)가 사용되는 분야는 무엇인가?	MTS는 반도체 공정의 최적화 등 다양한 설계최적화 문제에 사용되어 왔다[4]. MTS에서는 정상집단(normal group)으로부터 다차원의 기준 공간(Mahalanobis space)을 정의하고, 임의의 다변량 측정치가 기준 공간의 원점에서 얼마나 떨어져 있는가를 Mahalanobis 거리(이하 MD)로 나타낸다.
	사출제품의 속성은 어떤 요소에 의해서 결정되는가?	이것은 복잡한 형상의 제품뿐만 아니라 고정밀도를 갖는 제품까지 저렴한 비용으로 가공할 수 있어서 다양한 분야에서 폭넓게 이용되고 있다. 사출제품의 속성은 사용한 고분자 수지, 제품형상, 제품 치수, 금형, 사출 공정조건 등에 의해 결정되며, 휨(warpage)은 사출성형에서 발생하는 대표적인 불량으로서 설계한도를 벗어나면 치수정밀도에 문제가 발생한다[1-3].
	플라스틱 사출성형은 어떤 분야에서 이용되고 있는가?	플라스틱 사출성형은 용융된 고분자 수지를 고압으로 금형에 주입하고 냉각시켜 제품을 생산한다. 이것은 복잡한 형상의 제품뿐만 아니라 고정밀도를 갖는 제품까지 저렴한 비용으로 가공할 수 있어서 다양한 분야에서 폭넓게 이용되고 있다. 사출제품의 속성은 사용한 고분자 수지, 제품형상, 제품 치수, 금형, 사출 공정조건 등에 의해 결정되며, 휨(warpage)은 사출성형에서 발생하는 대표적인 불량으로서 설계한도를 벗어나면 치수정밀도에 문제가 발생한다[1-3].

참고문헌 (11)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
ED&C, Autodesk Moldflow Insight: The 4th edition of AMI Korean Manual, ED&C Inc., 2009.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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