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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 비결정 성 플라스틱 재료인 HIPS(High Impact Polystyrene)에 대한 사출성형공정의 변화에 따른 성형품의 수축율의 변화를 관찰하기 위하여 등간격의 격자를 가진 bar 형상 의 제품을 사용하여 각각의 공정조건에 따른 성형품 내에서 흐름 방향과 흐름 직각 방향에 따른 수축량 및 게이트와의 거리에 따른 수축량을 측정하고 분석하였다.
- 본 연구에서는 사출성형 조건에 따른 수축율 영향을 범용수지인 HIPS 에 대한 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 금형 온도의 변화가 성형품 수축에 미치는 영향을 보기 위하여 금형 온도 63 ℃, 75 ℃에 대한 수축율을 비교하였다. Fig.
- Ltd, Korea)를 사용하였으며, 금형 온도 조절을 위해서 부여템프콘사의 BYTC-101S(semi mold type) 금형 온도조절기를 사용하였다. 금형 온도조절기의 냉각수 입구 및 출구에 K-type 의 온도센서를 설치하였고, 금형의 가동 측에도 K-type 의 온도센서를 설치하여 Testo 925(Germany)로 금형 온도를 측정하였다.
- 또한, 캐비티 내부의 수지 흐름을 균일하고 일정하게 하기 위하여 팬 게이트(fan gate) 형식으로 수지 흐름을 유도하였으며 성형품 구간에서는 제팅 (jetting)을 방지하기 위해 오버랩 게이트(overlap gate) 를 설치하였다. 금형내의 압력 및 온도를 측정하기 위하여 Priamus 사의 압력(Type 600IB) 및 온도(Type 4003A) 센서를 금형의 고정 측에 설치하였다. 금형내부의 센서 설치 위치는 Fig.
- 36 sec 였다. 또한 보압절환 (V-P switchover)시의 위치 및 시간을 설정하기 위해서 성형품의 길이 방향으로 제품 길이의 95% 위치에 설치되어 있는 Fig. 2의 온도센서(T2)를 통하여 보압절환의 위치를 판단하였다. 온도센서를 사용한 이유는 온도센서 가 4 ~ 10 ms 의 응답속도 를 가지고 감지하기 때문에 압력센서에 의한 응답 속도보다 빨라보다 정확한 보압절환 위치의 판단이 가능하며, 동일 위치의 압력센서 감지시간과의 비교를 통하여 압력센서의 반응시간을 체크 할 수 있기 때문이다.
- 그 결과 최대 사출속도 70%에 사출 압력 70bar의 성형 조건을 찾을 수 있었다. 또한, 사출 속도를 최대로 높여 줄수록 최대 사출 압력이 증가하여 성형품에 플래쉬(flash) 발생 가능성이 높아지므로, 70%의 사출 속도를 최대 사출 속도로 설정하였다. 이때의 사출시간은 0.
- 캐비티 내부에는 성형수축량을 측정하기 위하여 15X 19mm의 격자를 금형의 부식 처리를 통하여 형성하였다. 또한, 캐비티 내부의 수지 흐름을 균일하고 일정하게 하기 위하여 팬 게이트(fan gate) 형식으로 수지 흐름을 유도하였으며 성형품 구간에서는 제팅 (jetting)을 방지하기 위해 오버랩 게이트(overlap gate) 를 설치하였다. 금형내의 압력 및 온도를 측정하기 위하여 Priamus 사의 압력(Type 600IB) 및 온도(Type 4003A) 센서를 금형의 고정 측에 설치하였다.
- 보압이 수축율에 미치는 영향을 확인하기 위하여 보압의 크기를 35.3MPa, 40.6 MPa, 47.66 MPa,52.96 MPa 로 변화시켜 가면서 수축율의 변화를 보았다. Fig.
- 본 실험에 앞서 사출 속도 변화에 따른 수축율의 변화를 예측하기 위해서 사출유량 (injection rate)이 일정하게 제어되도록 사출 압력을 증가시켜 가면서 실제 사출되는 시간이 일정해지는 조건을 찾아 사출 압력으로 설정하였다. 그 결과 최대 사출속도 70%에 사출 압력 70bar의 성형 조건을 찾을 수 있었다.
- 사출 속도가 수축율에 미치는 영향을 확인하기 위하여성형품의 표면에 싱크마크(sink mark)가 발 생하지 않는 최소보압으로 보압을 설정한 후, 사출 속도를 30%, 42%, 50%, 58%, 70%로 변화시켜 가면서 사출 속도가 성형품 수축율에 미치는 영향에 대해서 측정을 통하여 분석하였다. Fig.
- 성형온도가 수축율에 미치는 영향을 확인하기 위하여 성형온도를 195℃, 215℃, 235℃로 변화 하 였을 때의 수축율 변화를 고찰하였다. Fig.
- 성형품의 냉각시간이 수축율에 미치는 영향을 확인하기 위하여 냉각시간을 20초, 30초, 40초 로 변화시켜가며 수축율의 변화를 보았다. Fig.
- 각 실험조건에서 5개의 제품을 생산한 뒤에 그 중 4번째 시편을 측정하였다. 측정위치는 Fig. 2와 같이 게이트 근처의 A 구역, 제품의 말단 부위 B 구역으로 나누어 수지 흐름 방향 (flow direction)과 흐름 직 각방향(transverse direction)의 수축량을 측정하였으며, 게이트와의 거리 차이에 따른 흐름 방향 수축량도 측정하도록 하였다. Fig.
대상 데이터
- 성형품의 수축량을 측정하기 위하여 3차원 비접촉식 광학 측정기(ROI DATA STAR)를 이용하였다. 각 실험조건에서 5개의 제품을 생산한 뒤에 그 중 4번째 시편을 측정하였다. 측정위치는 Fig.
- 사줄성형 실험에서 사용된 사줄 성형기는 최대사출 압력 2, 520 kg/ctf, 사출률 75 cnf/sec, 형체력 50 ton 인 우진 SELEX-S50(Woojin Selex co. Ltd, Korea)를 사용하였으며, 금형 온도 조절을 위해서 부여템프콘사의 BYTC-101S(semi mold type) 금형 온도조절기를 사용하였다. 금형 온도조절기의 냉각수 입구 및 출구에 K-type 의 온도센서를 설치하였고, 금형의 가동 측에도 K-type 의 온도센서를 설치하여 Testo 925(Germany)로 금형 온도를 측정하였다.
- 실험에 사용된 금형은 200X40X2 mm 의 bar type single cavity 금형을 사용하였다. 캐비티 내부에는 성형수축량을 측정하기 위하여 15X 19mm의 격자를 금형의 부식 처리를 통하여 형성하였다.
- 실험에 사용된 수지는 Cheil Industries Inc. 에서 생산된 초고유동수지 Starex HIPS HF-1690 를 사용하였다. 실험에 사용한 성형조건은 Table 1과 같으 며, 보압시간은 13 초로 각 실험조건에 동일하게 적용하였다.
이론/모형
- 성형품의 수축량을 측정하기 위하여 3차원 비접촉식 광학 측정기(ROI DATA STAR)를 이용하였다. 각 실험조건에서 5개의 제품을 생산한 뒤에 그 중 4번째 시편을 측정하였다.
성능/효과
- (1) 사출성형 조건 중에 보압이 수축율 변화에 가장 큰 영향을 주고 있음을 알았다.
- (2) 사출 속도가 증가할수록 성형품에 고른 온도 및 압력 분포로 충전 후의 보압이 원활히 작용하여 수축율이 작아 짐을 알 수 있다.
- (3) 냉각시간을 길게 할수록 금형 내에서 성형품이 충분히 고화된 뒤에 취출되기 때문에 열수 축이 작아져 수축율이 작아 짐을 알 수 있다.
- 본 실험에 앞서 사출 속도 변화에 따른 수축율의 변화를 예측하기 위해서 사출유량 (injection rate)이 일정하게 제어되도록 사출 압력을 증가시켜 가면서 실제 사출되는 시간이 일정해지는 조건을 찾아 사출 압력으로 설정하였다. 그 결과 최대 사출속도 70%에 사출 압력 70bar의 성형 조건을 찾을 수 있었다. 또한, 사출 속도를 최대로 높여 줄수록 최대 사출 압력이 증가하여 성형품에 플래쉬(flash) 발생 가능성이 높아지므로, 70%의 사출 속도를 최대 사출 속도로 설정하였다.
후속연구
- 하지만 금형설계에 있어서 설계자들이 수지회사에서 제공하는 수죽율을 전체 제품에 동일하게 적용하기 때문에 요구되는 치수정밀도를 가지는 제품 생산에 어려움이 있다. 특히 사출성형의 공정조건인 성형온도, 사출 속도, 보압, 금형온도 등의 변화에 따라 성형품의 수축이 다양하게 나타나며, 또한 성형품 생산에 있어 압력전달이 용이한 게이트 근처와 상대적으로 압력전달 효과가 크지 않은 제품 말단 부위에서는 수축율이 다르게 나타나기 때문에 금형설계에 있어 이를 고려한 설계가 이루어져야 요구되는 치 수 정밀도를 가지는 성형품의 생산이 가능해질 것이다.
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