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문제 정의
- 본 연구에서는 사출성형 금형의 냉각 특성 향상과 쾌속 툴링 공정을 이용한 금형 제작시 제작 시간 감소를 위하여 직접식 쾌속 툴링 방법인 DMT (Laser-aided Direct Metal Tooling) 공정 [10]과 기계가공공정을 혼합하여 3차원 형상적응형 냉각 채널을 가진 사출성형 금형을 제작하는 하이브리드 쾌속생산공정 활용 금형 제작 방법에 대하여 연구하였다. 또한, 제작된 금형의 적용성을 검토하기 위하여 금형 및 시사출 제품 특성을 분석/고찰 하였다.
- 본 연구에서는 하이브리드 쾌속생산공정을 이용한 고속 냉각 및 고 생산성 금형 제작 방법에 대하여 연구하였다. 본 연구 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 7 mm 의 파이프 형태로 설계하였다. 그 위에 금형 형상부를 적층하여 생성하도록 설계하였다.
- 7 mm 의 동 파이프를 설계된 3차원 형상적응형 냉각수로에 형상에 맞도록 성형 하여 삽입하였다. 그 후 DMT 공정으로 P21 재료를 적층하여 금형 형상부를 생성하였다. 최종적 으로 코어부는 방전가공을 수행하고 케비티부는 고속가공을 수행하여 금형면 표면조도 향상과 보강재 부분 생성을 하였다.
- 본 실험에서 쾌속툴링 완료시점까지의 제작시간은 약 56 시간이 소요되었다. 그 후 제품의 보강재 생성부를 방전가공한 후, 적층부를 설계된 오프셋량 만큼 고속가공으로 후처리하였다. 최종적으로 래핑을 수행하여 표면 조도를 향상시켰다.
- 금형 외부 특성은 금형중 기능 분리면을 광학 현미경으로 측정하여 적층부와 기계가공부의 표면 특성을 분석하였다. 그 결과 Fig.
- 기계가공부와 쾌속 툴링부의 분리 경계면은 냉각수로의 절곡 발생부분으로 냉각수로 삽입후 레이저를 이용한 금속 적층시 레이저와 냉각수로의 간섭이 발생하지 않는 최대 두께면을 선정하였다.
- 냉각수로내의 기밀 실험으로 금형 내부 결함 분석을 수행하였다. 냉각수로내에 24 시간동안 냉각수를 삽입시킨 후 금형 내/외부의 누수 특성을 고찰하였다. 그 결과 금형 내/외부에 누수 현상이 나타나지 않음을 알 수 있었다.
- 냉각수로내의 기밀 실험으로 금형 내부 결함 분석을 수행하였다. 냉각수로내에 24 시간동안 냉각수를 삽입시킨 후 금형 내/외부의 누수 특성을 고찰하였다.
- 본 연구에서는 사출성형 금형의 냉각 특성 향상과 쾌속 툴링 공정을 이용한 금형 제작시 제작 시간 감소를 위하여 직접식 쾌속 툴링 방법인 DMT (Laser-aided Direct Metal Tooling) 공정 [10]과 기계가공공정을 혼합하여 3차원 형상적응형 냉각 채널을 가진 사출성형 금형을 제작하는 하이브리드 쾌속생산공정 활용 금형 제작 방법에 대하여 연구하였다. 또한, 제작된 금형의 적용성을 검토하기 위하여 금형 및 시사출 제품 특성을 분석/고찰 하였다.
- 본 금형 제작시 구조부 외곽을 기계가공으로 생성한 후, 냉각수로 삽입부를 드릴가공 하여 완성된 구조부를 생성하였다. 금형 구조부는 사출 성형 금형강인 KP4M 재료를 사용하였다.
- 5(a) 와 같은 3차원 냉각수로를 생성하였다. 본 대상 금형은 코어부 로써 자체 공기 통로를 가지도록 6 개 부분으로 나누어 제작되도록 설계하였다. Fig.
- 본 청소기 커버 제작용 3차원 냉각채널을 가진 사출성형 금형의 냉각 특성과 생산성을 분석하기 위하여 제작된 금형을 이용하여 시사출 실험을 수행하였다. 사출 시험을 250 ton 급 Mitsubish 사의 450 MN-60 사출기를 이용하였다.
- 4 MPa, 60 m/sec 및 4초 임을 알 수 있었다. 이 조건에서 냉각시간을 15초에서 3초로 감소시키면서 사출 시험을 수행하였다. 사출 시험 결과 Fig.
- 그 후 제품의 보강재 생성부를 방전가공한 후, 적층부를 설계된 오프셋량 만큼 고속가공으로 후처리하였다. 최종적으로 래핑을 수행하여 표면 조도를 향상시켰다. 전체 후가공 시간은 약 75 시간 소요되었다
- 동 파이프로 냉각수로를 생성한 이유는 쾌속 툴링으로 냉각수로를 생성할 때, 냉각수로가 원형 단면을 가지기 때문에 상부 돌출부의 단면 생성이 정확하게 되지 않는 것과 냉각수로로 냉각수 통과시 거친 표면조도와 낮은 재료 표면 경도 때문에 표면 재료가 탈락되어 냉각수로 막히는 현상을 최소화하기 위함이다. 코어부 제작에서는 2개의 냉각수로를 생성하기 위하여 구조부 기계가공 후 1차 냉각수로를 삽입하고, 그 위에 DMT 공정으로 P21 재료를 적층하여 2차냉각수로 삽입을 위한 구조부를 생성하였다. 그후 2차 냉각수로를 삽입한 후 다시 P21 재료를 적층하여 금형 형상부를 생성하였다.
- 하이브리드 쾌속 생산 방법을 이용하여 제작된 3차원 냉각수로를 가진 버튼 제작용 사출성형 금형의 특성 평가는 금형의 내/외부의 결함 및 형상부의 표면 경도 측정/분석으로 수행하였다.
- 하이브리드 쾌속생산방법을 적용하기 위하여 Fig. 3 과 같이 금형 설계시 금형의 바닥면부터 냉각수로의 수직 방향 중심선까지는 기계가공을 수행하는 구조부로 정의 하였으며, 그 위에 내부 직경 3 mm 이고 두께 0.7 mm 인 파이프를 설계 하였고 나머지 부분을 금형 표면부로 정의하여 쾌속 툴링으로 제작할 수 있도록 하였다. 냉각수 로의 경우 코어에 2개, 케비티에 1개를 생성하였다.
- 하이브리드 쾌속생산방법의 금형 제작성 고찰을 위하여 Fig. 2 와 3차원 형상적응형 냉각수로를 가진 자동차 창문제어용 버튼 사출 성형 금형을 설계/제작 하였다. 금형 내부의 냉각수로의 직경은 3 mm 이다.
대상 데이터
- 기계가공부와 쾌속 툴링부의 분리 경계면은 냉각수로의 절곡 발생부분으로 냉각수로 삽입후 레이저를 이용한 금속 적층시 레이저와 냉각수로의 간섭이 발생하지 않는 최대 두께면을 선정하였다. 1차 금형면 설계 후 후가공을 위한 0.5 mm 두께의 오프셋 된 쾌속 툴링용 CAD 데이터를 생성하였다.
- 5(b) 와 같이 구조부는 기계가공 하도록 설계 하였으며, 구조 부내에 냉각채널이 삽입될 수 있도록 냉각삽입 통로를 생성하였다. 3차원 형상 적응형 냉각수로는 직경 8 mm, 두께 0.7 mm 의 파이프 형태로 설계하였다. 그 위에 금형 형상부를 적층하여 생성하도록 설계하였다.
- 본 금형 제작시 구조부 외곽을 기계가공으로 생성한 후, 냉각수로 삽입부를 드릴가공 하여 완성된 구조부를 생성하였다. 금형 구조부는 사출 성형 금형강인 KP4M 재료를 사용하였다. 그 후 설계된 치수와 동일한 동 파이프를 굽힘 성형하여 삽입하여 냉각수로를 생성하였다.
- 본 금형 제작용 재료는 P21 사출성형 금형강으로 선택하였다. 금형의 구조부는 Fig.
- 본 청소기 커버 제작용 3차원 냉각채널을 가진 사출성형 금형의 냉각 특성과 생산성을 분석하기 위하여 제작된 금형을 이용하여 시사출 실험을 수행하였다. 사출 시험을 250 ton 급 Mitsubish 사의 450 MN-60 사출기를 이용하였다. 사출 재료는 ABS 재료이다.
- 사출 시험을 250 ton 급 Mitsubish 사의 450 MN-60 사출기를 이용하였다. 사출 재료는 ABS 재료이다.
성능/효과
- 2 HRC 정도를 나타내었다. 기계가공된 부분 과 쾌속툴링된 부분을 비교한 결과 쾌속툴링된 부분의 경도가 약 5-8 HRC 정도 높게 나타났다. 이 현상은 레이저 재료 용착시 용융풀의 급냉으로 인한 적층부 경도 증가 일어났기 때문으로 사료된다.
- 넷째, 본 공정으로 제작된 청소기 케이스 사출 성형 금형을 이용한 시사출 실험을 통하여 본 공정으로 제작된 금형이 제품 냉각에 미치는 영향에 대하여 정량적으로 평가할 수 있었다. 또한, 본 공정으로 제작된 3차원 형상적응형 냉각채널을 가진 금형의 경우 전통적인 직선형 냉각채널을 가진 금형에 비하여 냉각시간과 제품제작시간이 각각 80 % 와 60 % 정도 향상됨을 알 수 있었다.
- 둘째, 하이브리드 쾌속생산공정을 자동차용 버튼 제작 사출성형 금형과 청소기 케이스 생산용 사출성형 금형에 적용함으로써 본 공정의 적용성과 구현가능성 검증할 수 있었다.
- 12 m 정도로 거의 유사한 정밀도를 나타냄을 알 수 있었다. 또한 탁도의 경우 냉각시간이 5초이하인 영역에서 11 % 이하로 형성되며, 5초 이상의 냉각시간을 가진 제품과 비교하여 평균 2 % 이하의 낮은 탁도를 나타냄을 알 수 있었다. 그러므로 본 공정으로 제작된 금형의 냉각시간을 3초로 결정할 수 있었다.
- 넷째, 본 공정으로 제작된 청소기 케이스 사출 성형 금형을 이용한 시사출 실험을 통하여 본 공정으로 제작된 금형이 제품 냉각에 미치는 영향에 대하여 정량적으로 평가할 수 있었다. 또한, 본 공정으로 제작된 3차원 형상적응형 냉각채널을 가진 금형의 경우 전통적인 직선형 냉각채널을 가진 금형에 비하여 냉각시간과 제품제작시간이 각각 80 % 와 60 % 정도 향상됨을 알 수 있었다.
- 본 공정으로 제작된 금형의 평균 경도는 Fig.7(b) 와 같이 적층 재료인 P21 재료 경도와 유사한 34.2 HRC 정도를 나타내었다. 기계가공된 부분 과 쾌속툴링된 부분을 비교한 결과 쾌속툴링된 부분의 경도가 약 5-8 HRC 정도 높게 나타났다.
- 본 실험에서 쾌속툴링 완료시점까지의 제작시간은 약 56 시간이 소요되었다. 그 후 제품의 보강재 생성부를 방전가공한 후, 적층부를 설계된 오프셋량 만큼 고속가공으로 후처리하였다.
- 이 조건에서 냉각시간을 15초에서 3초로 감소시키면서 사출 시험을 수행하였다. 사출 시험 결과 Fig. 8 과 같이 냉각 시간이 3초로 감소하여도 외관 형상이 동일한 청소기 케이스가 제작됨을 알 수 있었다.
- 셋째, 본 공정으로 제작된 자동차용 버튼 사출 성형 금형의 특성 분석을 통하여 제작된 금형의 결함 발생 및 경도 변화 특성을 고찰할 수 있었다.
- 이 결과로부터 기존의 동일 금형에서 냉각시간과 제품 제작시간이 각 15초와 41초가 소요된 것에 비하여 냉각시과 제품 생산시간이 각각 약 80 % 와 60 % 정도 감소될 수 있음을 알 수 있었다. Table 1 은 3차원 형상적응형 냉각수로를 가진 금형을 사용한 경우와 기존 직선형 냉각수로를 가진 금형의 사출 성형 시간 비교 결과이다.
- 첫째, 하이브리드 쾌속생산공정을 이용한 3차원 형상적응형 냉각채널을 가진 고생산성 사출성형 금형 설계 및 제작방법을 수립할 수 있었다.
- 10 은 냉각 시간에 따른 제품의 치수 오차와 탁도를 측정한 결과이다. 청소기 케이스의 치수오차와 탁도는 냉각시간이 5 초에서 감소하기 시작함을 알 수 있었다. 치수오차의 경우 냉각 시간 3초 및 6초 일때 각각 0.
- 초기 사출 시험을 통하여 제품 형상이 구현되는 사출압력, 사출속력 및 사출시간이 각각 88.4 MPa, 60 m/sec 및 4초 임을 알 수 있었다. 이 조건에서 냉각시간을 15초에서 3초로 감소시키면서 사출 시험을 수행하였다.
- 그 후 DMT 공정으로 P21 재료를 적층하여 금형 형상부를 생성하였다. 최종적 으로 코어부는 방전가공을 수행하고 케비티부는 고속가공을 수행하여 금형면 표면조도 향상과 보강재 부분 생성을 하였다. 이때 가공량은 설계시 반영된 오프셋 두께 1 mm 로 하였다.
후속연구
- 추후, 추가적인 금형에 대한 본 공정 적용과 제작된 금형을 이용한 시사출 실험을 통하여 본공정의 실용성 및 특성을 정량적으로 고찰할 예정이다.
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