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실험계획법을 이용한 이탈방지 스냅핏의 최적설계
Optimum Design of Lock Snap-fit Using Design of Experiment 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.8, 2017년, pp.378 - 385  

손인서 (영남대학교 대학원 기계공학과) ,  신동길 (영남대학교 기계공학부)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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].
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참고문헌 (12)

  1. P. R. Bonenberger, The First Snap-Fit Handbook 2nd edition, Hanser Gardner Publications, 2006. 

  2. G. Erhard, Designing with plastics, Hanser Gardner Publications, 2006. DOI: https://doi.org/10.3139/9783446412828 

  3. 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. 

  4. 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. 

  5. D. A. Nichols, A. F. Luscher, "Numerical Modeling of a Post & Dome Snap-Fit Feature" Research in English Design, pp. 103-111, 2000. 

  6. G. Suri, "A fundamental Investigation of Retention Phenomena in Snap-fit Features" The Ohio State University thesis for a degree, 2002. 

  7. 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 

  8. 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 

  9. 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 

  10. 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. 

  11. 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 

  12. 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 

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