[논문]곡선형 형상적응형 냉각채널을 갖는 금형 코어 제작을 위한 DMT 공정개발

한지수; 유만준; 이민규; 이윤선; 김우성; 이호진; 김다혜; 성지현; 차경제

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.11.103

곡선형 형상적응형 냉각채널을 갖는 금형 코어 제작을 위한 DMT 공정개발
Development of Direct Metal Tooling (DMT) Process for Injection Mold Core with Curved Conformal Cooling Channel 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.18 no.11, 2019년, pp.103 - 108

Abstract ▼ AI-Helper

The cooling rate and the uniformity of mold temperature, in the injection molding process, possess great influences on the productivity and quality of replications. The conformal cooling channel, which is of a uniform spacing from the mold cavity by the metal additive manufacturing process, receives much attention recently. The purpose of this study is to develop a mold core with a curved conformal cooling channel for a pottery-shaped thick-wall cosmetic container through the hybrid method of direct metal tooling (DMT) process. In this study, we design a mold core that contains the curved cooling channel for the container. A method that divides the cavity is proposed and the DMT process is carried out to form the curved cooling channel. The test mold core, with the curved conformal cooling channel, has been fabricated by the proposed method to confirm the feasibility of the design concept. We show that no leakage is observed for the additive manufactured test mold core, and its physical properties demonstrate that it can be sufficiently used as the injection mold core.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 DMT공정을 이용한 후육 화장품 용기용 곡선형 형상적응형 냉각채널이 포함된 금형 코어 개발을 위한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 곡선형 형상적응형 냉각채널을 포함하는 금형 코어 제작하기 위한 DMT(Direct Metal Tooling) 공정에 대한 연구를 수행하였다 이를 위해 곡선형 냉각채널이 포함된 대상 금형을 설계하고 공정을 통해 대상 금형을 구현하기 위해서 DMT 분할 코어 방식을 고안하였다 고안한 방법의 가능성을 확인하기 위한 테스트 금형 코어를 제작한 후 누수와 표면 경도를 평가하였다.
본 연구에서는 실제 대상 금형 중 개의 캐비티를 유사한 형상으로 설계하여 앞서 구상한 분할 적층 방식의 구현 가능성 및 이를 구현하기 위한 적층 공정에 대한 연구를 수행하였다. 대상 금형의 캐비티 형상과 곡선형 냉각채널을 갖는 분리된 테스트 금형 코어와 함께 냉각 채널을 덮을 수 있는 4개의 쿠폰을 설계하였다(Fig.

제안 방법

공정 중 노즐 간섭으로 인한 적층가공의 한계를 캐비티를 분할 적층 방법을 통하여 적층 및 결합함으로써 곡선형 형상적응형 냉각채널이 포함된 테스트 금형 코어를 구현할 수 있었다. 또한, 이렇게 완성된 테스트 금형 코어는 누수가 없음을 확인하였고 표면경도를 분석하여 금형 코어로 활용 가능한 것을 확인 할 수 있었다.
본 연구에서는 실제 대상 금형 중 개의 캐비티를 유사한 형상으로 설계하여 앞서 구상한 분할 적층 방식의 구현 가능성 및 이를 구현하기 위한 적층 공정에 대한 연구를 수행하였다. 대상 금형의 캐비티 형상과 곡선형 냉각채널을 갖는 분리된 테스트 금형 코어와 함께 냉각 채널을 덮을 수 있는 4개의 쿠폰을 설계하였다(Fig. 6). 그리고 적층 공정중에 발생할 수 있는 변형 등의 문제점들을 고려하여 적층 공정 순서를 Fig.
대상 제품의 생산성 향상을 위한 냉각채널을 설계하고 이를 구현하기 위한 DMT 공정 방법을 제안하였다.
Fig 9은 적층공정 과정의 테스트 금형 코어를 보여준다 앞서 설계한 공정 순서대로 적층을 수행하였으며, 적층 후 금형 표면부 가공의 가공 여유를 고려하여 약 두께로 적층하였다. 분리된 테스트 금형 코어를 각각 적층한 다음 결합하여 결합부 및 측면을 적층하여 하나의 금형 코어를 제작하였다(Fig. 9(a) and (b)).
이에 노즐의 간섭 없이 캐비티를 모두 적층하기 위해서 슬라이드 코어 금형을 캐비티 중심부에서 분할하여 적층하는 방식을 구상하였다.
이에 대상금형을 캐비티 슬라이드 금형으로 설계하고 금형 코어 내부 냉각수로를 제품의 표면에 4mm만큼 일정한 거리를 두고 둘레를 따라 5번 왕복하는 곡선형 냉각채널을 설계하였다 (Fig. 4).
적층 가공된 금형 코어는 내부 응력으로 인한 미세 균열이 발생할 수 있다 이에 냉각채널의 미세 균열 및 누수 여부를 확인하기 위해 코어 내부의 형성된 냉각채널에 약 0.7 MPa 의 공압을 가해 공압이 유지되는지를 확인하였다(Fig. 11).
적층에 앞서 설계한 곡선형 냉각채널이 포함되어 있는 분할된 테스트 금형 코어와 4개의 쿠폰을 기계가공을 통해 제작하였다.
화장품의 용기의 경면성을 확보하기 위해 스테인리스 금형공구강의 일종인 STAVAX ESR 소재를 사용할 계획이며, 본 연구에서도 이와 동일하게 STAVAX소재로 테스트 금형 코어 및 쿠폰을 제작하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 대상 금형의 소재 (STAVAX)와 같은 계열의 고경도 스테인리스 분말인 Sandvik Osprey의 SUS420J2 분말을 사용하여 적층 공정을 수행하였다.
본 연구의 대상 제품은 과 같이 지름 85mm, 60mm 높이 크기의 화장품 용기이며, 제품의 최대 두께는 10mm로 두께 차이가 큰 사출성형품이다.

성능/효과

그 결과 10분이 지남에도 압력을 유지하는 것을 확인하였으며 이를 통해 코어 내부에 형성된 곡선형 냉각채널이 누수 없이 성공적으로 제작되었음을 확인할 수 있었다.
기계 가공된 테스트 금형 코어와 쿠폰을 열박음을 통해 조립하여 냉각수의 누수 가능성을 최소화 하였다 (Fig 8
공정 중 노즐 간섭으로 인한 적층가공의 한계를 캐비티를 분할 적층 방법을 통하여 적층 및 결합함으로써 곡선형 형상적응형 냉각채널이 포함된 테스트 금형 코어를 구현할 수 있었다. 또한, 이렇게 완성된 테스트 금형 코어는 누수가 없음을 확인하였고 표면경도를 분석하여 금형 코어로 활용 가능한 것을 확인 할 수 있었다.

후속연구

추후 본 연구를 통해 개발된 방법을 통해 대상 금형의 슬라이드 코어를 제작하고, 그 밖에 금형 파트를 제작을 완료하여 곡선형 형상적응형 냉각채널이 포함된 적층 금형의 특성 분석 및 생산성에 대한 연구가 진행되어야 될 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	사출성형공정에서 전체 사이클 중 가장 큰 부분을 차지하는 과정은?	사출성형은 충진, 보압, 냉각, 이형의 순서로 이루어지며, 각 과정의 공정 조 건은 사출품의 외관, 품질, 치수정밀도, 생산성 등에 직접적인 영향을 준다. 특히, 사출성형공정에서 냉 각과정은 전체 사출 사이클의 약 70~80%를 차지하며 금형과 수지의 온도 변화는 사출품의 치수 정밀 , 도와 변형에 가장 큰 영향을 주기 때문에 냉각 시스템에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있다[1~3] .
	사출성형공정이란?	사출성형공정은 용융된 플라스틱 수지를 금형에 고압으로 채운 후 냉각시켜 원하는 형상의 성형품을 만드는 기술이며, 치수 정밀도가 우수하고 복잡 한 형상의 제품을 한번에 제조할 수 있어 대량생산 에 적합한 공정기술이다. 사출성형은 충진, 보압, 냉각, 이형의 순서로 이루어지며, 각 과정의 공정 조 건은 사출품의 외관, 품질, 치수정밀도, 생산성 등에 직접적인 영향을 준다.
	사출금형에서 생산성과 경제성을 향상시키기 위해 적용되는 적층 가공(Additive manufacturing)기술은?	적층가공기술은 기존의 절삭가공공정과 달리 한층 씩 형상을 적층하여 제품을 제작하는 공정으로 최근 적층가공기술을 사출금형 산업분야에 적용하기 위한 많은 노력들이 이루어지고 있다 [4] . 금형의 완성품 표면과 일정한 거리를 유지하여 효과적으로 금형의 온도를 제어하는 형상적응형 냉각채널(Conformal Cooling Channel) 기술이 대표적인 예이며 이를 통해 사출품의 품질 뿐만 아니라 생산성과 경제성을 향상시킬 수 있다[5~6] .

참고문헌 (12)

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Park, S. J. and Kwon, T. H., "Optimal Cooling System Design for the Injection Molding Process," Polymer Engineering and Science, Vol. 38, pp. 1450-1462, 1998.

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Sachs, E., Wylonis, E., Allen, S., Cima, M. and Guo, H., “Production of Injection Molding Tooling with Conformal Cooling Channels using the Three Dimensional Printing Process,” Polymer Engineering and Science, Vol. 40, No. 5, pp. 1232-1247, 2000.

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Jahan, S. A. and El-Mounayri, H., "Optimal Conformal Cooling Channels in 3D Printed Dies for Plastic Injection Molding," Procedia Manufacturing, Vol. 5, pp. 888-900, 2016.

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Park, H. S. and Dang, X. P., "Development of a Smart Plastic Injection Mold with Conformal Cooling Channels," Procedia Manufacturing 10, pp. 48-59, 2017.

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Ahn, D. G., Park, S. H. and Kim, H. S., “Manufacturing of an Injection Mould with Rapid and Uniform Cooling Characteristics for the Fan Parts using a DMT Process,” International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 11, No. 6, pp. 915-924, 2010.

원문보기 상세보기
Kim, W. S., Hong, M. P., Park, J. S., Lee, Y. S. and Cha, K. J., "Case Studies on Applications of Conformal Cooling Channel Based on DMT Technology," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, pp. 9-14, 2015.
Hong, M. P., Kim, W. S., Sung, J. H., Kim, D. H., Bae, K. M. and Kim, Y. S., “High-performance Eco-friendly Trimming Die Manufacturing using Heterogeneous Material Additive Manufacturing Technologies,” International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-green Technology, Vol. 5, No. 1, pp. 133-142, 2018.

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Available on http://www.tokkin.com/materials/stainless_steel/martensite.

저자의 다른 논문 :

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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