본 연구는 플라스틱 부품의 체결에 널리 활용되고 있는 스냅핏의 설계에 관하여 연구하였다. 이탈방지 기능이 우수한 이탈방지 스냅핏은 형상과 체결 메카니즘이 복잡하여 기존의 이론식에 기반한 체결력과 이탈력을 해석적으로 구할 수가 없다. 따라서 본 연구에서는 이탈방지 스냅핏에 대하여 체결 메커니즘을 분석하고, 실험계획법에 기반하여 체결력 및 이탈력을 측정하고, 분산분석을 통하여 회귀식을 도출하였다. 실험계획은 중심합성계획을 사용하였다. Polybutylene terephthalate를 이용하여 시편을 제작하여 미소인장시험기를 이용하여 체결력과 이탈력을 측정하였다. 설계인자는 Length, Width, Thickness, Interference 등 4개를 선정하였으며, 2차 회귀모형을 이용하여 체결력과 이탈력에 대한 회귀식을 도출하였다. Length와 Width가 증가할수록 체결력은 낮아졌으며, Thickness와 Interference는 증가할수록 체결력이 증가하였다. 이탈력은 체결력과 반대의 결과를 나타내었다. 유한요소법을 이용하여 체결 역학에 대하여 분석하였다. Width는 체결단계에서 단면관성모멘트의 증가를 통한 보의 강성 증가 효과 보다는, 오히려 길이 증가에 따른 연성증대로 인하여 체결력을 감소시키는 것으로 나타났다. 낮은 체결력과 높은 이탈력을 위한 인자들의 영향도는 서로 상반되는 것으로 나타났다. 적정 수준의 이탈력을 유지하면서 체결력을 최소화하는 설계가 필요한 것으로 나타났다.
본 연구는 플라스틱 부품의 체결에 널리 활용되고 있는 스냅핏의 설계에 관하여 연구하였다. 이탈방지 기능이 우수한 이탈방지 스냅핏은 형상과 체결 메카니즘이 복잡하여 기존의 이론식에 기반한 체결력과 이탈력을 해석적으로 구할 수가 없다. 따라서 본 연구에서는 이탈방지 스냅핏에 대하여 체결 메커니즘을 분석하고, 실험계획법에 기반하여 체결력 및 이탈력을 측정하고, 분산분석을 통하여 회귀식을 도출하였다. 실험계획은 중심합성계획을 사용하였다. Polybutylene terephthalate를 이용하여 시편을 제작하여 미소인장시험기를 이용하여 체결력과 이탈력을 측정하였다. 설계인자는 Length, Width, Thickness, Interference 등 4개를 선정하였으며, 2차 회귀모형을 이용하여 체결력과 이탈력에 대한 회귀식을 도출하였다. Length와 Width가 증가할수록 체결력은 낮아졌으며, Thickness와 Interference는 증가할수록 체결력이 증가하였다. 이탈력은 체결력과 반대의 결과를 나타내었다. 유한요소법을 이용하여 체결 역학에 대하여 분석하였다. Width는 체결단계에서 단면관성모멘트의 증가를 통한 보의 강성 증가 효과 보다는, 오히려 길이 증가에 따른 연성증대로 인하여 체결력을 감소시키는 것으로 나타났다. 낮은 체결력과 높은 이탈력을 위한 인자들의 영향도는 서로 상반되는 것으로 나타났다. 적정 수준의 이탈력을 유지하면서 체결력을 최소화하는 설계가 필요한 것으로 나타났다.
This study investigated the design of a snap fit, which is widely used for fastening plastic parts. We analyzed the assembly mechanism of a lock snapfit, measured the assembly force and separation force based on the design of experiments, and derived a regression equation through an analysis of vari...
This study investigated the design of a snap fit, which is widely used for fastening plastic parts. We analyzed the assembly mechanism of a lock snapfit, measured the assembly force and separation force based on the design of experiments, and derived a regression equation through an analysis of variance. The response surface methodology was also used. Polybutylene terephthalate was used to fabricate specimens, and the assembly force and separation force were measured using a micro-tensile tester. The length, width, thickness, and interference were considered as factors. A second-order regression model was used to derive the regression equation. The assembly force decreased with increasing length and width, but it increased with increasing thickness and interference. The finite element method was used to analyze the assembly mechanics. The width decreased the assembly force by increasing the ductility. The influences of the factors for low assembly force and high release force were shown to be opposite to each other. It was necessary to design a structure that minimized the assembly force while maintaining an appropriate level of separation force.
This study investigated the design of a snap fit, which is widely used for fastening plastic parts. We analyzed the assembly mechanism of a lock snapfit, measured the assembly force and separation force based on the design of experiments, and derived a regression equation through an analysis of variance. The response surface methodology was also used. Polybutylene terephthalate was used to fabricate specimens, and the assembly force and separation force were measured using a micro-tensile tester. The length, width, thickness, and interference were considered as factors. A second-order regression model was used to derive the regression equation. The assembly force decreased with increasing length and width, but it increased with increasing thickness and interference. The finite element method was used to analyze the assembly mechanics. The width decreased the assembly force by increasing the ductility. The influences of the factors for low assembly force and high release force were shown to be opposite to each other. It was necessary to design a structure that minimized the assembly force while maintaining an appropriate level of separation force.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
기존의 cantilever hook타입의 이탈력을 개선시킨 post & dome 형태의 스냅핏에 대한 연구를 진행하였다[5].
체결/이탈 과정에서 Mate의 걸림부는 과대한 변형이 발생하는 것이 확인 되었다. 따라서 체결 과정 중에 소성 변형이 발생하여 이탈력을 저하시킬 수 있는지 평가가 필요하였다. 동일한 시편에 체결 이탈을 반복하여 반복 회수에 따라 하중에 변화가 있는지를 검사함으로써 소성 변형의 영향을 간접적인 방법으로 검증하였다.
실험계획법과 유한요소해석법은 이론적으로 특성값을 예측하기 어려운 분야에 많이 활용되고 있다 [11, 12]. 본 연구에서는 이탈방지 스냅핏의 체결/이탈 특성을 실험계획법을 이용하여 연구하여 스냅핏의 설계를 최적화 하고자 한다.
제안 방법
(b) horizontal sliding status 스냅핏의 Width 의 영향을 검증하기 위하여, Width 를 2 ∼ 4mm 까지 0.5mm 단위로 바꾸어 주면서 체결력 에 대한 해석을 진행하였다.
2에는 제작된 시편의 일부를 나타내었다. Beam 부와 Mate부로 되어 있으며 각 부품들을 잘라서 필요로 하는 조합을 선택하여 체결 시험을 시행할 수 있도록 하였다.
사용된 총 요수의 수는 1220개이다. Mate부의 하부 뒷면 (점선 원)은 고정 (encastre)하였으며, Beam의 체결부는 multi-point constraint (MPC)기능을 이용하여 체결/이탈에 필요한 거리 만큼의 변위 조건을 적용하였다. Fig.
따라서 체결 과정 중에 소성 변형이 발생하여 이탈력을 저하시킬 수 있는지 평가가 필요하였다. 동일한 시편에 체결 이탈을 반복하여 반복 회수에 따라 하중에 변화가 있는지를 검사함으로써 소성 변형의 영향을 간접적인 방법으로 검증하였다. Fig.
반응표면분석 (Response Surface Analysis)을 위하여 주요 변수 4개에 대한 실험 계획을 수립하였다. 실험 계획은 Minitab (Minitab Inc.
본 연구에서는 이탈방지 스냅핏의 체결 메커니즘을 분석하고, PBT시편을 제작하여 체결력과 이탈력을 측정하여, 회귀식을 도출하였다. 적정 이탈력을 유지하면서 체결력은 최소화할 수 있는 설계 조건을 찾을 수 있도록 하였다.
수립된 실험계획법에 따라서 스냅핏의 형상을 설계한 후 금형을 제작하고 트랜스퍼몰딩 (transfer molding)을 이용하여 시편을 제작하였다. 제작에 사용된 재료는 polybutylene terephthalate (PBT)이다.
기존의 cantilever hook타입의 이탈력을 개선시킨 post & dome 형태의 스냅핏에 대한 연구를 진행하였다[5]. 스냅핏 형상에 따른 체결 및 체결유지에 관한 모델링과 분석을 실시하였다. ABS 사출 성형 샘플을 이용한 실험을 진행하였고, 접촉면의 모서리부의 조건의 변화에 따라 최대 체결력 및 유지력이 큰 변화를 나타나는 것을 확인하였다[6].
스냅핏의 특성에 관한 연구는 다양하게 진행되어왔다. 스냅핏을 조립과 분해가 가능한 체결 형상을 분류하여 신속제작 (Rapid Prototyping) 공법으로 만든 시편을 이용하여 실험과 시뮬레이션을 통해 인장실험과 실제 적용 가능 여부에 대한 연구를 진행하였다[4]. 기존의 cantilever hook타입의 이탈력을 개선시킨 post & dome 형태의 스냅핏에 대한 연구를 진행하였다[5].
스냅핏의 거동을 분석하기 위하여 유한요소 해석을 수행하였다. Fig.
스냅핏의 이탈력 및 체결력 측정을 위하여, 다양한 형태의 시편을 설계 후 제작하였고, 이를 측정하기 위한 시험기를 구축하였다.
스냅핏의 이탈력 및 체결력을 측정하기 위해서 Fig. 3 와 같이 미소인장시험기를 구축하였다. 시험기에 스텝모 터를 장착한 후, 제어기를 통하여 모터를 제어하였다.
본 연구에서는 이탈방지 스냅핏의 체결 메커니즘을 분석하고, PBT시편을 제작하여 체결력과 이탈력을 측정하여, 회귀식을 도출하였다. 적정 이탈력을 유지하면서 체결력은 최소화할 수 있는 설계 조건을 찾을 수 있도록 하였다. 스냅핏의 최적 설계를 위하여 반응표면분석법 (RSM) 을 이용하였다.
대상 데이터
제작에 사용된 재료는 polybutylene terephthalate (PBT)이다. Table 2에서 총 실험 회수는 31회이고, 중심점에서의 반복횟수 6회를 고려하여 실제 샘플은 26종을 제작하였다. Fig.
해의 정확성을 위하여 접촉부를 포함한 대부분의 영역에는 육면체요소를 사용하였으며, 형태가 복잡한 일부 영역에는 사면체 요소를 사용하였다. 사용된 총 요수의 수는 1220개이다. Mate부의 하부 뒷면 (점선 원)은 고정 (encastre)하였으며, Beam의 체결부는 multi-point constraint (MPC)기능을 이용하여 체결/이탈에 필요한 거리 만큼의 변위 조건을 적용하였다.
중심합성계획으로 설계된 4개의 요인변수는 Length(a), Width(c), Thickness(e), Interference(f) 이다. 실험계획에 의한 실험 수는 31구간 으로 설정하여 실험을 실시하였다. 회귀 방정식은 다음과 같다.
5 mm/sec의 속도로 제어하였다. 정격하중 10.0 kgf의 로드셀(Dacell Co.) 을 장착하여 시편에 가해지는 하중데이터를 수집하였고 거리센서(Kaman Corp.)를 통 해 시편의 변위 데이터를 수집하였다. 체결 시 위치 조정 을 위하여 2대의 CCD 카메라를 장착하였으며 Fig.
수립된 실험계획법에 따라서 스냅핏의 형상을 설계한 후 금형을 제작하고 트랜스퍼몰딩 (transfer molding)을 이용하여 시편을 제작하였다. 제작에 사용된 재료는 polybutylene terephthalate (PBT)이다. Table 2에서 총 실험 회수는 31회이고, 중심점에서의 반복횟수 6회를 고려하여 실제 샘플은 26종을 제작하였다.
이론/모형
적정 이탈력을 유지하면서 체결력은 최소화할 수 있는 설계 조건을 찾을 수 있도록 하였다. 스냅핏의 최적 설계를 위하여 반응표면분석법 (RSM) 을 이용하였다. 체결력/이탈력에 대한 실험계획은 중심 합성계획을 사용하였다.
성능/효과
하부의 걸림부는 Fig. 12 (a) 대비 원래의 자리로 돌아와 있으며, 가로방향 보는 단순 굽힘의 형태를 가지면서 Beam과 Mate는 마찰 력으로 인한 반력 정도의 체결력이 필요함을 알 수 있다. (a) (b) Fig.
Typical displacement – load curves during assembly and separation process Fig. 5에서 체결 및 이탈 시 하중 선도가 특정 기울기 를 가지는 것은, 1) Beam의 횡방향 부재의 굽힘 변형, 2) Mate의 걸림부 부분의 굽힘, 3) 걸림부를 지지하고 있는 기저부의 뒤로 밀림 현상, 및 4) 기타 부분의 탄성 변형 에 기인하는 것으로 나타났다. 자세한 사항은 제 4장 유 한요소 해석에서 상세 설명하였다.
Length 가 길수록, Width가 넓을수록 체결력이 감소하 였다. 반면에 Thickness가 두꺼울수록, Interference가 클 수록 체결력이 증가하였다. Length의 길이는 가로방향 보의 굽힘 변형에 대하여 유연하게 한다.
이탈력에 대한 회귀방정식을 다음과 같이 얻었다. 이 때 R2값은 82.63 %로써 체결력 회귀식 대비 다소 낮은 수순이었으나, 회귀식의 정확도는 비교적 우수한 것을 확인할 수 있다. 이탈력 = -21.
Width 증가에 따라 체결력이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 Width 가 단면관성모멘트 증가에 따른 스냅핏의 강성증가에 미치는 영향 보다, Beam 부의 전체길이 증가로 인한 연성 증가로 인하여 결과적으로 체결력이 감소하는 것으로 나타났다.
13과 같다. 제 3 장에서의 실험 결과와 같이 Width의 값이 증가 할수록 체결력이 작아지는 것을 확인할 수 있다. 2.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이탈방지 스냅핏의 제약점은 무엇인가?
또한 체결후에도 견고한 체결력으로 인하여 진동/충격으로 인한 손상이 감소하는 장점이 있다. 그런데 이러한 이탈방지 스냅핏은 형상이 비교적 복잡하여, 기존의 보이론(beam theory)에 기반한 체결력 계산 이론해와 경험식 등을 활용할 수 없는 제약이 있다. 이에 따라 설계 시에는 주로 제품 설계자의 경험과 직관에 의지하여 설계되거나, 복잡한 수치해석을 수행하여야 하는 등의 어려움이 있다 [9, 10].
이탈방지 스냅핏의 장점은 무엇인가?
최근 자동차용 플라스틱 제품의 경우 내충격/내진동 특성 향상을 위하여 이탈 방지 스냅핏이 많이 요구되고 있다[7, 8]. 이러한 이탈방지 스냅핏은 기존의 일반적인 hook type 스냅핏과 비교하여 체결력은 유사한 수준이지만, 이탈력이 커서 체결신뢰성이 매우 높은 장점이 있다. 또한 체결후에도 견고한 체결력으로 인하여 진동/충격으로 인한 손상이 감소하는 장점이 있다. 그런데 이러한 이탈방지 스냅핏은 형상이 비교적 복잡하여, 기존의 보이론(beam theory)에 기반한 체결력 계산 이론해와 경험식 등을 활용할 수 없는 제약이 있다.
이탈방지 스냅핏의 보이론에 기반한 체결력과 이탈력을 해석적으로 구할 수 없어 발생하는 문제점은 무엇인가?
그런데 이러한 이탈방지 스냅핏은 형상이 비교적 복잡하여, 기존의 보이론(beam theory)에 기반한 체결력 계산 이론해와 경험식 등을 활용할 수 없는 제약이 있다. 이에 따라 설계 시에는 주로 제품 설계자의 경험과 직관에 의지하여 설계되거나, 복잡한 수치해석을 수행하여야 하는 등의 어려움이 있다 [9, 10]. 실험계획법과 유한요소해석법은 이론적으로 특성값을 예측하기 어려운 분야에 많이 활용되고 있다 [11, 12].
참고문헌 (12)
P. R. Bonenberger, The First Snap-Fit Handbook 2nd edition, Hanser Gardner Publications, 2006.
G. Erhard, Designing with plastics, Hanser Gardner Publications, 2006. DOI: https://doi.org/10.3139/9783446412828
S. N. Kang, Y. J. Huh, "A study on the Snap-fit Design System in Injection Molding", Journal of the Korea Academia-industrial cooperation Society, pp. 1-5, 2001.
B. S. Park, M. S. Hong, "Intensity Analysis and Application of Integral Attachment in Snap-Fit" Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers, pp. 44-49, 2006.
D. A. Nichols, A. F. Luscher, "Numerical Modeling of a Post & Dome Snap-Fit Feature" Research in English Design, pp. 103-111, 2000.
G. Suri, "A fundamental Investigation of Retention Phenomena in Snap-fit Features" The Ohio State University thesis for a degree, 2002.
S. S. Lee, T. H. Kim, S. J. Hu, W. W. Cai, J. A. Abell, "Joining Technologies for Automotive Lithium-Ion Battery Manufacturing: A Review", Proc. of ASME 2010 International Manufacturing Science and Engineering Conference, October, 2010. DOI: https://doi.org/10.1115/MSEC2010-34168
L. Amelia, D.A. Wahab, A. R. Ismail, C. H. C. Haron, "Disassembly time evaluation for enhancing the reusability of automotive components", IEEE International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management, pp. 115-119, Dec. 2009. DOI: https://doi.org/10.1109/IEEM.2009.5373411
B. Willems, W. Dewulf, J. R. Duflou, "Active snap-fit development using topology optimization", International Journal of Production Research, vol. 45, no. 18-19, pp. 4163-4187, 2007. DOI: https://doi.org/10.1080/00207540701440311
M. K. Billal, B. V. Moorthy, D. Aquilina, S. Schenten, "CAE Applications and Techniques used in Calculating the Snaps Insertions and Retentions Efforts in Automotive Trims", SAE Int. J. Passeng. Cars - Mech. Syst, vol. 7, no. 2, pp. 829-837, 2014.
S. J. Ha, Y. K. Cho, M. W. Cho, K. C. Lee,, W. H. Choi, "Process Capability Optimization of a LED Die Bonding Using Response Surface Analysis", Journal of the Korea Academia-industrial cooperation Society, pp. 4378-4384, 2012. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2017.18.4.175
D. K. Shin, H. C. Kim, J. J. Lee, "Numerical analysis of the damage behavior of an aluminum/CFRP hybrid beam under three point bending", Composites: Part B, 56, pp. 397-407, 2014. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2013.08.030
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.