[논문]선택적 유도가열을 사용한 사출금형의 국부가열기술

도범석; 박정민; 엄혜주; 박근

선택적 유도가열을 사용한 사출금형의 국부가열기술
Local Heating of an Injection Mold using Selective Induction Heating 원문보기

도범석 (서울산업대학교 기계설계.자동화공학부) , 박정민 (서울산업대학교 기계설계.자동화공학부) , 엄혜주 (서울산업대학교 에너지환경경대학원) , 박근 (서울산업대학교 기계설계.자동화공학부)

High-frequency induction is an efficient way to heat mold surface by electromagnetic induction in a noncontact procedure. It has been recently applied to the injection molding of thin-walled parts or micro/nano structures. Though the induction heating has an advantage in terms of its rapid-heating capacity on the mold surface, it still has difficulty in efficient mold temperature control due to the restriction of an induction coil design suitable for the given mold shape. The present study proposed a localized mold heating method by means of selective use of mold material. For localized induction heating, an injection mold composed of ferromagnetic material and paramagnetic material is used. The electromagnetic induction concentrates on the ferromagnetic material, from which we can selectively heat for the local mold elements. The feasibility of the proposed heating method is investigated through an experimental measurement in terms of the heating efficiency on the localized mold surface.

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문제 정의

본 연구에서는 사출금형의 급속가열을 위한 고주파 가열 시스템을 구축하였다. 구성 요소를 살펴보면 고주파 가열기, 가열코일, 코일이 연결된 보조 컨트롤 박스, 냉각장치 및 데이터 처리장치로 구성된다.
본 연구에서는 상기 특성을 이용하여 재료를 선택적으로 사용함으로써 금형을 국부적으로 가열할 수 있는 선택적 유도가열 기법을 개발하였다. Fig.
본 연구에서는 이종재료를 사용한 선택적 유도가열 기법을 적용하여 사출금형의 국부가열 기술을 개발하였다. 이러한 연구내용을 요약하면 다음과 같다.
고주파 유도가열은 가열코일 및 피가열체인 금형의 형상에 따라 가열부위의 범위가 결정되는데, 일반적으로 금형 표면 전역의 온도가 상승하게 되어 가열효율이 저하되고, 결과적으로 전력소모에 의한 생산비가 증가하는 단점이 있다. 본 연구에서는 전술한 단점을 개선하기 위해 재료의 선택적 사용에 의한 금형의 국부가열기법을 개발함으로써 가열효율을 제고하고자 한다.

가설 설정

반면에 AL7075 금형의 경우(Fig. 2 (b)) 코일에서 발생된 자기장이 금형표면에 흡수되지 못함을 알 수 있다.

제안 방법

(2) 해석결과를 바탕으로 유도가열 효과가 높은 탄소강을 알루미늄합금 형판에 삽입하여 국부적인 유도가열이 가능한 선택적 금형가열 구조를 제시하였다.
코일 단면의 외경은 8mm 이며, 총 6회 권선되어 있다. 경계 조건으로는 코일에 400A, 30kHz 의 고주파 전류를 4초간 인가하였다.
5와 같이 고주파 유도가열 실험을 실시하였다. 고주파 가열기의 출력은 2.5kW로 설정하였고, 160kHz의 주파수로 3초동안 7회에 걸쳐 가열하였다. Fig.
실험장치는 고주파가열기 및 보조 컨트롤 박스를 이동식 프레임에 장착하여 사출성형기에 삽입이 가능하도록 구성하였다. Fig.
재료물성에 따른 유도가열의 특성을 비교하기 위해 강자성재료인 탄소강(S45C)과 상자성재료인 알루미늄 합금(AL7075)에 대한 유도가열 해석을 실시하였다. Table 1에 재료의 열-전자기적 물성을 비교하였다.
재료의 선택적 사용을 통한 국부가열의 효과를 고찰하기 위해 Fig. 7에 가열방법(전체가열 및 국부가열)에 따른 금형 중앙부 표면에서의 온도 프로파일을 비교하였다. 전체가열의 경우 탄소강으로 제작된 평판을 대상으로 가열을 실시하였고, 코일 주변의 온도가 최대 90℃까지 상승하였음을 알 수 있다.
해석은 ANSYS™를 사용하여 전자기장 해석과 열전달 해석을 연계하여 수행하였다.

대상 데이터

4에 선택적 유도가열기법의 개념도를 도시하였다. 금형 형판은 상대투자율이 1에 가까운 알루미늄 합금을 사용하였고, 가열부위에 상대투자율이 200인 탄소강을 사용하여 인서트물을 삽입하였다. 2.
구성 요소를 살펴보면 고주파 가열기, 가열코일, 코일이 연결된 보조 컨트롤 박스, 냉각장치 및 데이터 처리장치로 구성된다. 실험에 사용된 고주파 가열기는 (주)백마고주파의 BMHF-P227 모델을 사용하였으며, 출력전력은 최대 15 kW 이다.
앞절에서 기술한 바와 같이 이종재료로 구성된 사출금형의 코어 플레이트를 대상으로 Fig. 5와 같이 고주파 유도가열 실험을 실시하였다. 고주파 가열기의 출력은 2.
피가열체는 직경 30mm, 높이 50mm 의 원통형 금형이며, 이를 직경 70mm 로 권선된 구리 코일이 둘러싸고 있다. 코일 단면의 외경은 8mm 이며, 총 6회 권선되어 있다.

성능/효과

(1) 전자기-열 연계 유한요소해석을 사용하여 고주파 유도가열 해석을 수행하였고, 해석 결과로부터 상자성재료인 알루미늄 합금에 비해 강자성재료인 탄소강의 가열효과가 확연히 높음을 확인하였다.
(3) 이종재료를 사용한 금형을 사용하여 선택적 유도가열 실험을 실시한 결과 단일 재료를 사용한경우에 비하여 동일한 가열조건에서 최대온도가 2배 이상 상승하는 효과를 보임을 확인하였다.
S45C 금형의 경우(Fig. 3 (a)) 금형 측면부 표면에서 최대 158.7℃까지 상승되는 것으로 나타나 일반적인 고분자 수지의 유리전이온도 이상으로 가열됨을 확인할 수 있었다. 반면에 AL7075 금형의 경우(Fig.
S45C 금형의 경우(Fig. 2 (a)) 코일에서 발생된 자기장이 금형 표면에 흡수됨을 알 수 있는데, 흡수된 교변자장은 결과적으로 표면부위에 와전류를 형성하여 표면의 온도 상승을 유발하게 된다. 반면에 AL7075 금형의 경우(Fig.
반면에 AL7075 금형의 경우(Fig. 3 (b)) 코일에서 발생된 자기장이 금형표면에 흡수되지 못함에 따라 온도상승이 최대 26.6도로 저조하여, 유도가열의 효과가 미미함을 확인할 수 있었다.
금형 형판은 상대투자율이 1에 가까운 알루미늄 합금을 사용하였고, 가열부위에 상대투자율이 200인 탄소강을 사용하여 인서트물을 삽입하였다. 2.3절에서 고찰한 바와 같이 투자율이 높은 탄소강이 알루미늄 합금에 비해 유도가열 효과가 월등히 높아 결과적으로 탄소강 인서트부위에 유도전류가 집중되어 금형표면의 국부적인 가열이 가능하다.
6에 금형의 고주파가열 직후에 열화상카메라로 측정한 온도분포를 도시하였다. 온도분포를 관찰하면 상대적으로 투자율이 높은 S45C 주변에서 온도상승이 집중되어 국부가열의 효과를 확인할 수 있었다.

후속연구

상기 연구결과로부터 향후 초박육 사출성형, 초미세 사출성형 등의 고부가가치 성형기술에 선택적 유도가열 을 적용하여 성형성을 향상시킬 수 있을 것으로 전망된다.

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