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1 [ 논문 ] 한국소성가공학회지, 제 2 권제 1 호, 211 Transactions of Materials Processing, Vol.2, No.1, 211 OI :.228/KSTP 수치해석을통한 7 인치도광판사출압축성형공정범위예측 홍석관 1,2 민인기 2 강정진 1 윤경환 # Numerical Prediction of Process Window for Injection- Compression Molding of 7-inch LGP S. K. Hong, I. K. Min, J. J. Kang, K. H. Yoon (Received ecember 2, 2 / Revised January 3, 211 / Accepted January, 211) Abstract The main objective of the present study is to predict the process window of injection-compression molding corresponding to the capability of an injection machine for fabricating 7 inch LGP. The open distance and volume filled after injection stage were found to be two important factors that affect critical requirements such as flow length, injection pressure and clamping force for the process. Process window for the key factors was also predicted by response surface method. As a result, predicted process window for open distance and volume filled after injection stage satisfying the critical requirement with a given injection machine was in the range of 6 ~ 7%, and 4. ~ 4.2%, respectively. Key Words : Injection-Compression Molding, LGP(Light Guide Plate), Process Window, Simulation, Response Surface Method, esign of xperiments 1. 서론 현재지속적인시장확대가진행되고있는 LC TV 나광학제품에사용되는도광판은 LU (ack Light Unit) 의핵심부품으로서그표면에광로를조절하고제어하기위한마이크로미터스케일의광학패턴들이형성되어있어점광원 (L) 을균일한면광원으로만드는역할을한다. 이러한도광판은주로투명한플라스틱소재를사용하고있으며, 높은형상정밀도와광특성을요구한다. 이와같은요구조건에대응하기위해본연구에서는플라스틱성형공법중의하나인사출 / 압축성형을적용하였다. 플라스틱사출 / 압축성형은충전과정에서제품전면에걸쳐압축을하는기술로서, 도광판표면 의마이크로광학패턴의전사성을높이며, 충전시발생하는성형품내부의응력을낮추고, 고분자배향을경감시킴으로써제품의형상정밀도를확보하고, 광특성을향상시키는데효과가있다 [1~6]. 이러한사출 / 압축공법을만들고자하는대상에적용함에있어자신이소유한성형기가적합한지에대한검토는사용자가가장먼저해야할일일것이다. 이때단순히사출기의사출압과형체력만으로사출 / 압축공정범위 (process window) 를검토하는것이아니라, 제품의품질에영향을미치는인자들의영향도동시에고려하는것이바람직할것이다. 이를위해본연구에서는 CA tool 과통계적기법들을이용한다. 본연구에서는 Moldflow 를이용한사출 / 압축 CA 공정해석을 1. 한국생산기술연구원 2. 단국대학교대학원 # 교신저자 : 단국대학교, -mail: khyoon@dku.edu 한국소성가공학회지 / 제 2 권제 1 호, 211 년 /

홍석관 민인기 강정진 윤경환 통해실험계획법을수행하고, 도광판품질에영향을미치는주요사출 / 압축공정인자를도출한다. 이로부터도출된주요인자를바탕으로반응표면법을수행하여최종적으로 7 인치도광판의품질을고려한공정범위를예측한다. 2. 요인과반응 (a) 사출 / 압축성형대상은 Fig. 1(a) 에나타낸바와같이 7인치도광판으로가로 16.64mm, 세로 9.

2에나타낸것처럼사출전일정거리만큼금형을연상태에서일정량의수지를사출하고이어서금형을이동시켜수지를압축하는인젝션프레스방식 (injection press mode) 에해당된다. 이때 hot runner system의밸브게이트는압축과동시에닫혀서수지의역류를방지한다.

2 홍석관 민인기 강정진 윤경환 통해실험계획법을수행하고, 도광판품질에영향을미치는주요사출 / 압축공정인자를도출한다. 이로부터도출된주요인자를바탕으로반응표면법을수행하여최종적으로 7 인치도광판의품질을고려한공정범위를예측한다. 2. 요인과반응 (a) 사출 / 압축성형대상은 Fig. 1(a) 에나타낸바와같이 7인치도광판으로가로 16.64mm, 세로 9.86mm, 두께 1mm 크기이며, 두께 2mm의팬게이트 (fan gate) 를갖추고있다. 수지는미쯔비시레이온 (Mitsubishi Rayon) 사의 LC 도광판용 PMMA (TF8 grade) 이며, 성형해석을위한물성치정보는 Moldflow사에서제공하는데이터를사용하였다. 본연구에서적용하고있는사출 / 압축방식은 Fig. 2에나타낸것처럼사출전일정거리만큼금형을연상태에서일정량의수지를사출하고이어서금형을이동시켜수지를압축하는인젝션프레스방식 (injection press mode) 에해당된다. 이때 hot runner system의밸브게이트는압축과동시에닫혀서수지의역류를방지한다. 본해석에서고려된사출기는 LS엠트론사의 LG1이며주요사양은최대형체력 1tonne, 최대사출압 24MPa, 최대사출률 18cm 3 /sec, 최대스트로크 111mm, 최대압축속도 7mm/sec 이다. 본사출기는전동식제어시스템을갖추고있어, 사출및압축이서보모터에의해구동된다. 사출압축시뮬레이션은상용해석소프트웨어인 Moldflow를이용하였다. 이때해석모델은 Fig. 1(b) 에보이는것처럼 midplane으로가정하였다. 또한, 냉각채널에의한금형의온도분포는고려하지않았다. 따라서금형표면이균일한온도분포를갖는다고가정하였다. 사출 / 압축공정 CA 해석을이용한실험계획법 (O) 을수행하기위해서는공정인자도출과인자의수준범위를결정해야한다. 공정인자는 Fig. 3에보이는바와같이피시본다이어그램 (fishbone diagram) 을이용하여제품의품질에영향을미치는요소들을나열하였다. 이와같은인자들중에서 6개의인자를선별하였다. 또한, 이들인자들의수준범위는 Table 1에명시하였다. 적정사출 / 압축공정조건을찾는문제에서목표하는대상에따라서공정범위는다른결과를보일것이다. 본연구에서는미충전이없는범위에서 (b) Fig. 1 7inch LGP shape; (a) 3 part model and (b) finite-element model Fig. 2 Injection press mode Fig. 3 Fishbone diagram for quality of molded part 사출압과형체력 ( 또는압축력 ) 이제약조건을넘지않는범위뿐만아니라전단응력과휨변형과같은제품의품질도고려하여이들을동시에만족하는공정범위를찾을것이다. 따라서, Table 2에명시한바와같이주요요구사항 (critical requirement) 인충전률, 사출압, 형체력 6 / 한국소성가공학회지 / 제 2 권제 1 호, 211 년

3 수치해석을통한 7 인치도광판사출압축성형공정범위예측 Table 1 Level of process factors for simulation No. Uncoded parameter Levels remarks Low High 1 Mold temperature ( ) 7 Recommended 2 erature ( ) Recommended 3 Fill time (sec).2* 1.2** *227, **38 (mm/s) 4 Volume@V/P (%) melt temp. tance (%) * ** *.1, **1 (mm) 6 Press speed (%) * ** *.7, **7 (mm/s) Table 2 Constraints and responses Constraints No. Classification responses remarks Min. Max. 1 Volume filled (%) - Flow length Critical 2 Inj. pressure (MPa) - requirement 3 Press force (tone) - 1 q. Clamp force 4 Shear stress (MPa) -.4 Include gate Part quality Warpage (mm) Include gate 외에제품의품질과관련있는최대전단응력, 휨변형량을반응값으로고려하였다. 3. 반응의주효과 사출 / 압축성형공정에서어떤요인이결과에유의한영향을주고있는가를파악하기위해실험계획법 (O) 의 2 수준부분요인설계 (fractional factorial design) 를수행하였다. 충전률, 사출압, 형체력에대한정규확률도와주효과도를 Fig. 4 에각각나타내었다. 충전률에가장큰영향을미치는인자는 Fig. 4(a) 에서처럼형개거리와압축전충전량으로예측되었다. 압축전충전량이높은수준에서낮은수준으로이동할수록충전률이감소하는것을 Fig. 4(b) 의주효과도에서볼수있다. 이는 cavity 안으로밀어넣는수지의양이적을수록미충전이발생할확률이높은것을의미한다. 본연구에서압축전충전량의낮은수준을제품의부피만큼으로설정하였기때문에압축하는도중수지의수축정도에따라충전률이민감한반응을하게된다. 압축도중수축량이크면낮은수 준의압축전충전량일때는미성형이일어날확률이높게된다. 이와같은경우는형개거리가클수록나타나기쉽다. 형개거리가크면압축하는데소요되는시간이상대적으로길어지기때문에형이닫힐때까지수축량이늘어나기때문이다. 이와같은이유로형개거리가높은조건이면서동시에압축전충전량이낮은조건일때사출 / 압축성형해석결과모두미성형으로예측되었다. 사출압은 Fig. 4(c)(d) 에보이는바와같이형개거리에가장민감하게반응하였고, 형개거리가클수록사출압이작아지는경향을보였다. 이는형개거리가증가하면 cavity 의두께가커져서유동저항이감소하기때문이다. 형체력에대한주요인자는압축전충전량으로예측되었으며, 압축전충전량이증가할수록형체력이커지는경향을 Fig. 4(e)(f) 에서볼수있다. 이는압축전충전량이증가할수록압축되는수지의양이증가하여보압효과가커졌기때문이다. 반면, 형개거리가증가하면압축도중수축량이커지므로보압효과가작아지게되고형체력이감소하는경향을보이게된다. 한국소성가공학회지 / 제 2 권제 1 호, 211 년 /7

4 홍석관 민인기 강정진 윤경환 Normal Plot of the Standardized ffects (response is Volume filled, Alpha =.) Main ffects Plot for Volume filled ata Means 99 9 AF ffect Type Not Significant Significant. Percent Factor A C F Name Mold temp Fill time Press v Mean Standardized ffect (a) (b) Normal Plot of the Standardized ffects (response is Injection pressure, Alpha =.) Main ffects Plot for Injection pressure ata Means Percent A AF AC C ffect Type Not Significant Significant Factor Name A Mold temp C Fill time F Press v Mean Fill time Standardized ffect (c) (d) Normal Plot of the Standardized ffects (response is Press force, Alpha =.) Main ffects Plot for Press force ata Means 99 9 ffect Type Not Significant Significant 3 3 Percent F Factor A C F Name Mold temp Fill time Press v Mean Press v Standardized ffect 1 1 (e) (f) Fig. 4 Normal probability plot of effects for critical requirement; (a) volume filled, (c) injection pressure and (e) press force and main effect plot; (b) volume filled, (d) injection pressure and (f) press force 4. 공정범위예측 앞서부분요인배치법을통해사출 / 압축공정에서충전률, 사출압, 형체력 ( 주요요구사항 ) 에가장큰영향을미치는공정변수는압축전충전량 과형개거리였으며, 수지온도와압축속도도유의한인자임을알수있었다. 따라서초기에 6 개의공정인자를도출된 4 개의핵심인자로축소하고반응표면설계를통해공정범위를예측하였다. 등고선도는반응이동일한모든점을등고선으로 8 / 한국소성가공학회지 / 제 2 권제 1 호, 211 년

5 수치해석을통한 7 인치도광판사출압축성형공정범위예측 Contour Plot of volume filled, inj. Pressure, Press Force Press force Process window Volume filled (a) (b) Fig. Overlaid contour plot of (a) critical requirement (b) part quality 연결하여 2 차원으로표시한다. 중첩등고선도를사용하면모든요인수준조합에대한반응값의변화를볼수있다. 미성형없이형체력이 1tonne 을넘지않는범위는형개거리가 6~7%, 압축전충전량은 4. ~4.2% 수준내에서만족하는것을 Fig. (a) 으로부터알수있다. 하지만, 이와같은결과는주요요구사항만을고려한결과이다. 여기에제품의품질과관련있는전단응력과휨병형량이각각.4 MPa, 1.3mm 를넘지않는제약조건을추가하면, 압축전충전량은변동이미미한반면, 형개거리는약 6~6% 로그범위가더욱좁아지는것을 Fig. (b) 에서볼수있다.. 결론 4. Contour Plot of volume fille, inj. Pressur, Press Force,... Press force Shear stress Warpage Volume filled Process window 7 인치도광판을대상으로사출성형기의사양에 volume filled inj. Pressure 24 Press Force 1 Hold Values 2 Press v 19 volume filled inj. Pressure 24 Press Force 1 Shear stress.4 warpage 1.3 Hold Values 2 Press v 19 대응하는사출 / 압축공정범위를시뮬레이션과통계적기법을이용하여예측하였다. 본연구에서적용한사출 / 압축공정의주요요구사항인충전률, 사출압, 형체력에영향을미치는핵심인자는형개거리와압축전충전량으로도출되었다. 만약우리가최대 1 톤의형체력을갖는사출성형기로본연구에서적용한 7 인치도광판을사출 / 압축공정을통해제작하고자한다면, 형개거리와압축전충전량 ( 계량거리 ) 을다른인자들보다주의해서설정해야할것이다. 그이유는주요요구사항을만족시키기위해서는본사출성형기의최고형체력을모두발휘해야하기때문이다. 성형기의안전을고려한다면, 더큰용량을갖는성형기로선택하는것이바람직할것으로판단된다. 비록본연구결과는실험결과로부터검증하는일이숙제로남아있지만, 사출 / 압축성형과연관되는인자들에대한반응을이해하고실험전대략적인공정범위를가늠하는데도움이될것이다. 후기 본연구는 29 년도지식경제부의재원으로한국산업기술평가관리원 (KIT) 의지원을받은연구과제로수행되었습니다 (Project No. 337). 참고문헌 [1] H. Ito, H. Suzuki, 29, Micro-features formation in injection compression molding, J. of Solid Mech. Mater. ng. 63, Vol. 3, No 2, pp. 32~327. [2] S. ickerton, M. Z. Abdullah, 23, Modeling and evaluation of the filling stage of injectioncompression moulding, Compos. Sci. Technol. 63, pp. 139~137. [3] Y.. Lee, T. H. Kwon, K. H. Yoon, 22, Numerical prediction of residual stresses and birefringence in injection-compression molded Center-Gated isk. Part I: asic Modeling and Results for Injection Molding, Polym. ng. Sci., Vol. 42, No. 11, pp. 2246~2272. [4] Y.. Lee, T. H. Kwon, K. H. Yoon, 22, Numerical prediction of residual stresses and birefringence in injection-compression molded Center-Gated isk. Part II: ffects of processing conditions, Polym. ng. Sci., Vol. 42, No. 11, pp. 2273~2292. 한국소성가공학회지 / 제 2 권제 1 호, 211 년 /9

6 홍석관 민인기 강정진 윤경환 [] W.. Young, 2, ffect of process parameters on injection compression molding of pickup lens, Appl. Math. Modell. 29, pp. 9~971. [6] H. X. Huang, K. Li, S. Li, 29, Injectioncompression molded part shrinkage uniformity comparison between semicrystalline and amorphous plastics, Polym. Plast. Technol. ng. 48, pp. 64~68. [7] T. Lin,. Chananda, 23, Quality improvement of an injection-molded product using design of experiments: a case study, Qual. ng., Vol. 16, No. 1, pp. 99~4. [8]. Mathivanan, N. S. Parthasarathy, 29, Prediction of sink depths using nonlinear modeling of injection molding variables, Int. J. Adv. Manuf. Technol. 43, pp. 64~663. [9] W. C. Lo, K, M. Tsai, C. Y. Hsieh, 29, Six sigma approach to improve surface precision of optical lenses in the injection-molding process, Int. J. Adv. Manuf. Technol., Vol. 41, pp. 88~896. [] A. Kramschuster, R. Cavitt,. rmer, Z. Chen, L. S. Turug, 2, Quantitative study of shrinkage and warpage behavior for microcellular and conventional injection molding, Polym. ng. Sci., OI.2/pen.24, pp. 148~1418. / 한국소성가공학회지 / 제 2 권제 1 호, 211 년

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14.531~539(08-037).fm G Journal of the Korea Concrete Institute Vol. 20, No. 4, pp. 531~539, August, 2008 š x y w m š gj p { sƒ z 1) * 1) w w Evaluation of Flexural Strength for Normal and High Strength Concrete with Hooked