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문제 정의
- 그러므로 휨과 변형 및 웰드라인 등과 같은 성형 불량 현상이 나타나면 좋지 않으며, 경제적인 측면에서 볼 때 냉각시간을 최소화할 수 있는 것이 좋다. 그러므로 본 연구에서는 휨 및 변형을 최소화하고 성형시간을 최소화할 수 있는 최적화된 금형설계 및 성형 조건을 찾는 것이 목적이다. 그래서 이러한 조건을 최적화 대상으로 선정하고 변형량을 목표 특성치로 선정하였다.
- 본 연구에서는 다 구찌 방법을 이용하여 사출성형품의 변형량에 영향을 주는 인자를 선정하고 실험계획법을 수립하여 사출성형유한요소 프로그 램을 이용한 CAE 성형 해석과 사출성형 실험을 병행하였다. 따라서 본 연구에서는 이러한 프로세스를 이용하여 휨 및 변형을 최소화하고 사이클타 임을 최소화할 수 있는 최적화된 금형설계 및 성형 조건을 찾고, 그 결과를 제작된 금형에 적용하여 최적의 성형을 하는데 그 목적이 있다.
- 본 연구에서는 최종적으로 제품의 변형량 및 수축률에 영향을 주는 요인들을 알아보기 위하여 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 사출기는 시 험사출기로 운용 중인 220톤 엥겔사출기를 사용 하였다(Fig.
제안 방법
- Table 1에 제시된 성형인자와 수준이 충전 패 턴에 미치는 영향을 알아보기 위해 사출성형해석 과 사출실험을 수행하였으며 사출성형 전용 유한 요소 해석 프로그램에서 지원하는 해석 모델 (mid plane, fusion, 3D)과 실제의사출성형품을 비교 분 석 하였다. Fig.
- 제어인자로는 금형설계에 관 련된 변수 및 공정에 관련된 공정변수로 구분 하 였다. 공정변수로는 사출 시간, 보압, 보압시간, 금 형온도 및 용융수지 온도로 선정하였다. 그리고 제어인자의 수준은 재료를 공급하는 업체에서 제공되는 재료의 물성치를 바탕으로 성형범위의 한계 내에서 설정하였다.
- 그러므로 본 연구에서는 휨 및 변형을 최소화하고 성형시간을 최소화할 수 있는 최적화된 금형설계 및 성형 조건을 찾는 것이 목적이다. 그래서 이러한 조건을 최적화 대상으로 선정하고 변형량을 목표 특성치로 선정하였다. 변형량을 목표 특성치로 선정하고 변형량의 결과에 영향을 미치는 요소(인자)와 실험이나 해석에 사용되는 변수값의 수(수준)을 결정하기 위하여 생산 및 공정을 담당하는 현장기술자의 의견을 수렴하여 결정하였다.
- 공정변수로는 사출 시간, 보압, 보압시간, 금 형온도 및 용융수지 온도로 선정하였다. 그리고 제어인자의 수준은 재료를 공급하는 업체에서 제공되는 재료의 물성치를 바탕으로 성형범위의 한계 내에서 설정하였다. Table 1은 사출성형 시험조건에서 설정한 성형인자와 수준을 나타낸다.
- 1은 핸드폰 후면 커버의 제품 형상, 유한요소 모델 및 러너시스템을 나타낸 그림이다. 금형설계 과정에서 외관상의 성형불량을 최소화하기 위하여 사이드 게이트를 적용하였다. 여기에 서 게이트와 러너의 크기 및 위치의 설계에 따라 유동 패턴(충전성) 및 웰드라인의 차이가 발생하며, 이러한 결과는 성형성 및 제품의 품질에 직접적인 영향을 미치게 된다.
- 성형해석을 위해 해석모델을 Shell 요소를 사용한 mid-plane 과 fusion 모델 Solid 요소를 사용한 3D(Tetrahedral) 모델을 준비하였다. 냉각 해석, 유동해석, 보압해석, 휨해석을 통한 사출성형품의 충전 패턴과 변위와 변형을 측정하였다.
- 그래서 이러한 조건을 최적화 대상으로 선정하고 변형량을 목표 특성치로 선정하였다. 변형량을 목표 특성치로 선정하고 변형량의 결과에 영향을 미치는 요소(인자)와 실험이나 해석에 사용되는 변수값의 수(수준)을 결정하기 위하여 생산 및 공정을 담당하는 현장기술자의 의견을 수렴하여 결정하였다. 제어인자로는 금형설계에 관 련된 변수 및 공정에 관련된 공정변수로 구분 하 였다.
- 본 연구에서는 다 구찌 방법을 이용하여 사출성형품의 변형량에 영향을 주는 인자를 선정하고 실험계획법을 수립하여 사출성형유한요소 프로그 램을 이용한 CAE 성형 해석과 사출성형 실험을 병행하였다. 따라서 본 연구에서는 이러한 프로세스를 이용하여 휨 및 변형을 최소화하고 사이클타 임을 최소화할 수 있는 최적화된 금형설계 및 성형 조건을 찾고, 그 결과를 제작된 금형에 적용하여 최적의 성형을 하는데 그 목적이 있다.
- 제어인 자 배치는 직교배열표를 이용하여 배치를 하며, 잡음인자를 고려하지 않으면 직교배열표만으로 실험을 할 수가 있다. 본 연구에서도 잡음인 자는 고려하지 않았으며, 제어인자를 이용하여 직교배열표를 할당하였다. 본 연구에서는 L8(27)^ 직교배 열표을 사용한 실험 배치를 하였다.
- 본 연구에서는 플라스틱 제품 개발에서 시행착오를 최소화하며, 사출성형의 과정에서 생산성과 품질 향상을 위해 실험계획법인 다구찌 방법을 활용하였다. 사출성형 해석과 실험 결과를 비교, 분석함으로써 대표적 성형불량 중 하나인 휨을 최소화할 수 있는 금형을 설계, 가공, 제작하였고, 주어진 범위에서 최적의 사출성형 조건을 도출하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 여러 설계사항에 대해 모든 금형을 제작하는 것은 현실적으로 어려우므로 금형설계 조건의 선정은 수치 해석을 통하여 접근하였다. 수치 해석 에서 얻어진 결과를 분석하여 최적의 금형설계 변수를 도출한 뒤 이를 토대로 금형을 제작하였다. 실험용 금형 180mm X 180mm X 200mm의 크기를 가지는 2단 금형이며, 금형재질은 일반 탄소강 S45C 을 사용하였다.
- 여러 설계사항에 대해 모든 금형을 제작하는 것은 현실적으로 어려우므로 금형설계 조건의 선정은 수치 해석을 통하여 접근하였다. 수치 해석 에서 얻어진 결과를 분석하여 최적의 금형설계 변수를 도출한 뒤 이를 토대로 금형을 제작하였다.
- 재료의 수분 흡수로 인해 변형량에 영향을 주지 않기 위하여 열풍 건조기로 4시간 건조한 후 실험을 수행하였으며, 변화된 성형조건어j대해 10개의 제품을 사출한 후 샘플성형품으로 취득하였다. 연속된 사출 작업으로 설정된 금형온도 보다 상승하지 않도록 시간적 여유를 두고 사출실험을 하였으며 취출된 사출성형품은 일정 시간 이 지난 후 3차원 측정기(CMM)를 이용하여 휨을 측정하였다.
- 해석 모델 간의 비교를 통하여 midplane 모델이 실제 사출 경향을 잘 묘사함을 토대로 성형품의 변형량에 가장 큰 영향을 주는 인자에 대하여 계산해 보았다. Fig.
- 휨 및 변형을 최소화하고 성형시간을 최소화 할 수 있는 최적화된 금형설계 및 성형 조건을 찾기 위해 Table 1에 제시된 성형인자와 수준으로 사출성형 전용 유한요소 해석 프로그램을 사용하여 성형 해석을 수행하였다. 성형해석을 위해 해석모델을 Shell 요소를 사용한 mid-plane 과 fusion 모델 Solid 요소를 사용한 3D(Tetrahedral) 모델을 준비하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 선정된 모델은 모바일폰의 백커버이다. 이러한 제품은 사출성형에 의해 제작되며 후면에 부착되어 외관상 눈에 잘 부각되는 제품이다.
- 본 연구에서도 잡음인 자는 고려하지 않았으며, 제어인자를 이용하여 직교배열표를 할당하였다. 본 연구에서는 L8(27)^ 직교배 열표을 사용한 실험 배치를 하였다.
- 실험용 금형 180mm X 180mm X 200mm의 크기를 가지는 2단 금형이며, 금형재질은 일반 탄소강 S45C 을 사용하였다. 사이드 게이트에 의해 성형이 이루어지며, 실험에 사용된 수지는 ABS(LG Caltex HF380)이며 열풍 건조기에서 4시 간의 건조 과정을 거친 후 실험을 수행하였다. Fig.
- 4). 성 형조건의 구성요소 중 Table 1에 제시된 성형인자와 수준으로 성형실험을 하였으며 성형에 사용된 수지는 ABS(LG Caltex HF380)이다. 재료의 수분 흡수로 인해 변형량에 영향을 주지 않기 위하여 열풍 건조기로 4시간 건조한 후 실험을 수행하였으며, 변화된 성형조건어j대해 10개의 제품을 사출한 후 샘플성형품으로 취득하였다.
- 본 연구에서는 최종적으로 제품의 변형량 및 수축률에 영향을 주는 요인들을 알아보기 위하여 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 사출기는 시 험사출기로 운용 중인 220톤 엥겔사출기를 사용 하였다(Fig. 4). 성 형조건의 구성요소 중 Table 1에 제시된 성형인자와 수준으로 성형실험을 하였으며 성형에 사용된 수지는 ABS(LG Caltex HF380)이다.
- 수치 해석 에서 얻어진 결과를 분석하여 최적의 금형설계 변수를 도출한 뒤 이를 토대로 금형을 제작하였다. 실험용 금형 180mm X 180mm X 200mm의 크기를 가지는 2단 금형이며, 금형재질은 일반 탄소강 S45C 을 사용하였다. 사이드 게이트에 의해 성형이 이루어지며, 실험에 사용된 수지는 ABS(LG Caltex HF380)이며 열풍 건조기에서 4시 간의 건조 과정을 거친 후 실험을 수행하였다.
- 성 형조건의 구성요소 중 Table 1에 제시된 성형인자와 수준으로 성형실험을 하였으며 성형에 사용된 수지는 ABS(LG Caltex HF380)이다. 재료의 수분 흡수로 인해 변형량에 영향을 주지 않기 위하여 열풍 건조기로 4시간 건조한 후 실험을 수행하였으며, 변화된 성형조건어j대해 10개의 제품을 사출한 후 샘플성형품으로 취득하였다. 연속된 사출 작업으로 설정된 금형온도 보다 상승하지 않도록 시간적 여유를 두고 사출실험을 하였으며 취출된 사출성형품은 일정 시간 이 지난 후 3차원 측정기(CMM)를 이용하여 휨을 측정하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 플라스틱 제품 개발에서 시행착오를 최소화하며, 사출성형의 과정에서 생산성과 품질 향상을 위해 실험계획법인 다구찌 방법을 활용하였다. 사출성형 해석과 실험 결과를 비교, 분석함으로써 대표적 성형불량 중 하나인 휨을 최소화할 수 있는 금형을 설계, 가공, 제작하였고, 주어진 범위에서 최적의 사출성형 조건을 도출하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 휨 및 변형을 최소화하고 성형시간을 최소화 할 수 있는 최적화된 금형설계 및 성형 조건을 찾기 위해 Table 1에 제시된 성형인자와 수준으로 사출성형 전용 유한요소 해석 프로그램을 사용하여 성형 해석을 수행하였다. 성형해석을 위해 해석모델을 Shell 요소를 사용한 mid-plane 과 fusion 모델 Solid 요소를 사용한 3D(Tetrahedral) 모델을 준비하였다. 냉각 해석, 유동해석, 보압해석, 휨해석을 통한 사출성형품의 충전 패턴과 변위와 변형을 측정하였다.
성능/효과
- 1) Midplane 의 성형해석 결과에서 다른 성형 조 건에 비해서 금형 온도와 보압이 성형품의 변형량에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 2) 성형 실험에서 최대 변형량에 대한 성형 조건 인자들의 기여도를 계산한 결과 금형온도가 가장 높은 50.9%의 영향을 미쳤고, 상대적으로 mid plane 성형해석 결과에 비해 보압시간이 0.4%로 낮은 영향율 미친 것으로 나타났다.
- 즉, 최소의 실험 또는 해석으로 어떤 인자가 어느 정도의 영향을 미치고 이러한 인자들의 최적 조건을 선정, 확인하는 데 사용된다. 결과적으로 이를 통해 목표로 하는 결과 즉 목표 특성치에 대한 인자들의 영향력을 파악하고 최적 조건을 만족하는 인자들의 값 및 수준을 결정할 수가 있다. Fig.
- 그러나 충전이 완료된 시점에서는 midplane 모 델 과 fusion 모 델 은 중전이 완료된 반면 3D 모델은 아직 미성형된 것으로 계산된다. 이러한 결과를 토대로 본 연구와 같은 거의 균일한 모델에서는 3D 모델보다는 midplane 모델이 좀 더 실제 사출 경향을 잘 묘사해 주고 있음을 알 수가 있다.
- 이와 같이 실험계획법을 이용한 성형 해석과 사출성형 실험을 통해서 제시된 모델의 경우 사출성형 공정변수 중에서 온도가 압력에 비해서 변형량 더 크게 영향을 주는 것을 알 수가 있었다.
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