[논문]회전성형 제품의 성능 개선

이형민; 김현주; 이정기

문제 정의

본 연구에서는 회전성형 제품의 효율적인 품질개선을 도모하기 위하여, 초음파 탐상법을 이용하여, 비파괴적으로 회전성형 제품에서의 두께를 측정하여 실제 두께와 비교해 보았으며, 회전 성형기 오븐 내에서 가열공기의 원활한 공기 유동을 유도하고, 경제적인 효율을 높이며 또한 완전한 성형물의 사출을 얻기 위하여, 회전성형기 오븐 내에서 가열공기의 온도분포 및 속도분포에 관한 열 유동 해 석^(6~8)을 수행 하였으며 , 그 결과를 바탕으로 현재의 회전성형기의 오븐 및 흡입구의 구조변경을 꾀하였다.

가설 설정

금형은위치에 따라 열원에 대한 근접 정도와 공기 이동의 차이가 달라지게 된다. 따라서, 본 연구에서는, 금형의 크기와 위치를 크기가0.6m×0.6m×0.6m 인 금형 4개가 서로 0.4m 씩 떨어져 있는 경우로 가정하였다.

제안 방법

본 연구에서는 매개체의 온도 및 속도를 제외한 경계조건은 고정하고(Table 2), 회전성 형기의 오븐 및 흡입구의 구조를 개선하여 오븐 내에서의 가열공기의 온도분포 및 속도분포에 관한 열 유동 해석을, 상용 유동해석 프로그램인 FLUENT 6.0⁽¹²⁾과 한국과학기술정보연구원의 슈퍼컴퓨터⁽¹³⁾를 이용하여, 분석하였다.
본 연구에서는 향상된 회전성형품을 사출하고, 경제적인 효율을 증대시킬 수 있는 회전성 형기를 설계하기 위해서, 초음파 탐상법을 이용하여 회전성형 제품의 두께를 측정하고, 실제 제품의 두께와 비교해 보았으며, 전산유체역학 전처리기(CFD Preprocessor) GAMBIT 2.0(15)과 상용 유동해석 프로그램인 FLUENT 6.0(12)을 사용하여 오븐 내 열 유동을 분석하여, 다음과 같은 결론을 얻었다.
초음파 탐상법 A(Method A)에서는, 미리 버니어 캘리퍼스로 실제 두께를 측정한 뒤 이 두께에 맞는 회전성형 제품으로 만든 시험편에서의 초음파 속도를 찾아내는 방법을 이용하였다.(10) 이때의 속도는 1, 725m/s이고, 탐촉자 내부에 있는 진동자와 탐상면까지의 거리는 1.
5525mm 였다. 초음파 탐상법 B(Method B)에서는, 표준규격시편인 STB-A1에서의 초음파 고유 속도를 통해서 얻은 속도를 이용하여 회전성형 제품으로 만든 시험편에서의 두께를 측정하는 방법을 이용하였다. 이때, 회전성형 제품에서의 속도는 2, 150m/s, 진동자와 탐상면까지의 거리는 1.
파괴하지 않고 회전성형 완제품의 두께를 효과적으로 측정하기 위해서 초음파 탐상을 이용하였다. 플라스틱 제품의 두께는 재료에서의 초음파의 속도와 탐촉자의 진동자와 탐상면까지의 거리에 의해 정해진다.

대상 데이터

9). 또한, 개선 후 모델은 1, 337, 182의 요소와 242, 827의 절점이 사용되었다.
0(15)을 이용하였다. 모델링에는 4개의 절점 (node) 으로 이루어진 tetrahedral 요소(element)가 사용되었으며, 개선 전 모델은 827, 406의 요소와 151, 522의 절점이 사용되었다(Fig. 9). 또한, 개선 후 모델은 1, 337, 182의 요소와 242, 827의 절점이 사용되었다.
사용된 초음파 탐상장치는 A-Scan 장비인 Krautkramer USN 52R이며, 사용된 탐촉자는 직경 SlOmm이며, 15 ~700mm 의 두께를 측정할 수 있는 측정범위를 갖고 있으며, 주파수가 2MHz인 MK2S 수직 탐촉자이다.(Figs.

이론/모형

(1) 회전성형 제품의 품질 관리를 효율적으로 하기 위하여, 회전성형 제품의 두께를 초음파 탐상법을 이용하여 측정하였다. 제품을 파괴하지 않고 비파괴적으로 측정한 회전성형 제품의 두께와 실제의 두께를 비교했을 때, 표준규격시편 STB-A1 을 이용하여 초음파 탐상법을 수행한 측정 결과가 정확하였음을 알 수 있었다.
격자계 모델링은 전산유체역학 전처리기 (CFDPreprocessor) GAMBIT 2.0(15)을 이용하였다. 모델링에는 4개의 절점 (node) 으로 이루어진 tetrahedral 요소(element)가 사용되었으며, 개선 전 모델은 827, 406의 요소와 151, 522의 절점이 사용되었다(Fig.

성능/효과

(2) 흡입구로부터 확산되는 가열공기의 속도분포를 보면 개선 전보다 개선 후의 속도분포가 더 완만함을 알 수 있다. 유입되는 가열공기의 확산범위가 넓어짐에 따라 오븐 상단에서 병목현상이 없어졌기 때문으로 사료된다.
개선 전보다 개선 후에, 상단 금형 표면에서의 온도가 상승하고(개선 후 개선 전보다 최대 7.5% 상승), 속도가 빨라졌음(개선 후 개선 전보다 최대12.5% 빨라짐)을 알 수 있다. 결과적으로, 개선 후에 회전성형기의 성능이 향상되었음을 알 수 있다.
5% 빨라짐)을 알 수 있다. 결과적으로, 개선 후에 회전성형기의 성능이 향상되었음을 알 수 있다. Figs.
따라서, 회전 성형제품에서의 속도를 찾기 위해, 임의의 초음파속도를 사용하여 회전성형 제품으로 만든 시험편에 대한 두께측정(Method A)과 표준규격시편인 STB-A1에서의 속도를 이용하여 구한 속도를 사용한 시험편에서의 두께측정(Method B)을 비교함으로서, 회전성형 제품에서의 정확한 속도를 구하고, 제품을 파괴하지 않고 제품의 두께를 정확히 측정할 수 있었다. 결과적으로, 회전성형 제품에 대한 효과적인 품질 관리가 가능하게 되었다.
즉, 회전성형 제품에 쓰인 중밀도 폴리에틸렌 재료에서의 초음파의 속도를 찾아야 한다. 따라서, 회전 성형제품에서의 속도를 찾기 위해, 임의의 초음파속도를 사용하여 회전성형 제품으로 만든 시험편에 대한 두께측정(Method A)과 표준규격시편인 STB-A1에서의 속도를 이용하여 구한 속도를 사용한 시험편에서의 두께측정(Method B)을 비교함으로서, 회전성형 제품에서의 정확한 속도를 구하고, 제품을 파괴하지 않고 제품의 두께를 정확히 측정할 수 있었다. 결과적으로, 회전성형 제품에 대한 효과적인 품질 관리가 가능하게 되었다.
Iwakura(11)는 가열기의 위치가 금형 예열 및 가열공기의 광범위한 유입에 영향을 끼치게 된다는 결과를 발표하였다. 또한, Nugent는 열 이동 매개체, 금형의 재질, 배기구 팬 수용력, 금형 회전속도, 매개체 온도, 매개체의 속도 등도 금형 예열 및 가열공기의 광범위한 유입에 영향을 끼친다는 사실을 밝혀 냈다.(3)
고정된 경계조건에서, 개선 후의 상단 금형 표면에서의 접촉온도가 개선 전보다 상승되었음을 알 수 있다. 또한, 개선 후에 오븐의 형상이 굴곡형으로 바뀜에 따라, 수력도약이 일어나는 지역의 범위가 개선 전보다 줄어들었다. 즉, 오븐 형상을 개선함에 따라, 오븐의 성능이 향상되었다.
이용하여 측정하였다. 제품을 파괴하지 않고 비파괴적으로 측정한 회전성형 제품의 두께와 실제의 두께를 비교했을 때, 표준규격시편 STB-A1 을 이용하여 초음파 탐상법을 수행한 측정 결과가 정확하였음을 알 수 있었다. 또한, 회전성형 제품의 전반적인 품질상태를 확인할 수 있었으며, 부분적으로 제품의 두께에 차이가 나는 것은 금형 외면에서의 고르지 못한 온도분배에 의해 발생된 것으로 사료된다.
또한, 개선 후에 오븐의 형상이 굴곡형으로 바뀜에 따라, 수력도약이 일어나는 지역의 범위가 개선 전보다 줄어들었다. 즉, 오븐 형상을 개선함에 따라, 오븐의 성능이 향상되었다. 또, 흡입구에 장착한 깃에 의해 가열공기의 유입방향이 달라졌다.

후속연구

판단된다. 결과적으로, 로모테크(주)에서 생산하는 회전성형품의 품질 개선을 도모할 수 있을 것이다.
또, 흡입구에 장착한 깃에 의해 가열공기의 유입방향이 달라졌다. 따라서, 깃의 방향을 수정함에 따라, 가열 공기의 유입 방향을 최적화할 수 있을 것으로 사료된다.
본 연구에서 얻어진 연구결과를 바탕으로, 회전 성형기 오븐의 형상 및 흡입구의 구조를 개선하면, 전반적인 성형 사이클을 단축시킬 수 있고, 여러 가지 결함의 원인분석을 통해서 좀 더 완전한 성형품을 제작할 수 있을 것으로 판단된다. 결과적으로, 로모테크(주)에서 생산하는 회전성형품의 품질 개선을 도모할 수 있을 것이다.

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