KIAT-0490.HWP

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1 고분자플라스틱부품의고품위친환경외관성형이가능한인서트필름사출성형기술지원 지원기관 : 한국생산기술연구원지원기업 : ( 주 ) 세지솔로텍 지식경제부

2 제출문 산업자원부장관 귀하 본보고서를 고분자플라스틱부품의고품위친환경외관성형이가능한인서트필 름사출성형기술지원 ( 지원기간 : ~ ) 과제의기술지원성과보고 서로제출합니다 지원기관 지원기업 : 한국생산기술연구원 : ( 주 ) 세지솔로텍 ( 대표자 ) 나경환 ( 인 ) ( 대표자 ) 최기환 ( 인 ) 지원책임자 : 참여연구원 : 참여연구원 : 참여연구원 : 참여연구원 : 참여연구원 : 이성희고영배 ( 지원기관 ) 이종원 ( 지원기관 ) 김백진 ( 지원기관 ) 강효명 ( 지원기업 ) 윤근호 ( 지원기업 ) - 2 -

3 목 차 제 1 장사업의개요제 1 절기술지원필요성제 2 절기술지원목표제 3 절기술지원내용 제 2 장국내외기술현황 제 3 장기술지원수행내용및결과 3-1 인서트필름사출성형공정 (Insert film Injection Molding Process) 기술지원 3-2 인서트필름진공열금형 (Insert Film Vacuum-assisted thermoforming Mold) 설계및제작기술지원 3-3 인서트필름사출성형해석 (Insert Film Injection Molding Anavsis) 기술지원가 ) 고분자플라스틱 Resin 특성 (Characteristics of Plastic Resin) 나 ) 유한요소모델링 (FE Modeling) 다 ) 충전특성및냉각특성분석라 ) 금형온도가사출성형압력에미치는영향마 ) 인서트필름두께를고려한정밀사출성형해석 3-4 인서트필름사출금형설계및제작 (Insert Film Injection Mold) 기술지원 3-5 인서트필름사출성형부품의사출성형후표면특성측정및분석 3-6 인서트필름사출성형부품의성형불량원인분석기술지원 3-7 인서트필름사출성형부품의필름표면성형불량원인분석기술지원 제 4 장결론 참고문헌 부록 1 금형표면급속가열기술 2 Mucell 사출성형기술 - 3 -

4 3 해외출장보고서 -4M 학회 4 국내학술대회발표논문 5 국외학술대회발표논문 6 국내출장일지 7 기술지원업로드내용 - 4 -

5 제 1 장사업의개요 제 1 절기술지원필요성 자동차산업은국가기술경쟁력을이끌어가는대표적기간산업이며, 한나라의 경제력과기술수준을가늠하는척도가될뿐만아니라, 철강, 전기전자, 비철금속, 유리, 플라스틱, 고무, 합성수지등이산업과 2 만여개의부품들을조립, 생산하는 부품업체들이연계되어있어고용유발효과가크고, 국내경제에대한직접적인전 후방산업연관효과가매우큰산업이다. Fig. 1 Insert Film 을이용한자동차부품의성형공법개요및적용예 자동차용인서트필름성형공법은자동차내장/ 외장사출제품표면품질의고급 화를위해우드그레인(Woodgrain) 및 Metal 계통으로장식적용해오던기존의수 압전사및페인트도장방식이아닌최첨단필름엔지니어링으로개발된 Dry Painted Decorative Insert Film * 을진공성형기에장착된진공성형금형을이용하여 진공성형이가능하도록히터구간을통과시킨휴진공금형에서흡착성형을한뒤 성형된필름형상중필요한부분만을프레스절단(Trimming) 한후, 최종적으로사 출금형에성형필름을금형에안착시켜사출성형완제품을생산하는공법이다

6 - * plastic sheet 에미리원하는패턴(Woodgrain, Metal, Geographic, Organic 등 의다양한패턴) 으로그레뷰어(Gravure) 인쇄를하여만든포일(Foil) 을 ABS, TPO, PC 등의 Film 에고온/ 고압을가하여원하는크기의롤및 Sheet 형태로생산하는 필름 Fig. 2 Insert Film 적용예및필름의구조 현재자동차플라스틱부품의미려한외관품질표현을위해서는수압전사또는도장공법이사용되고있으나, 생산과환경측면에서많은문제점들이부각되고있는실정이다. Fig. 3 기존도금, 도장및수압전사공정 - 6 -

7 이러한단점을극복하기위해인서트필름공법이점차적으로확대적용되고있 으며, 계속적으로연구개발이진행되고있다. 하지만현장경험에의존한기술개발 로인해많은문제점이반복되고있다. 따라서고분자플라스틱부품의고품위외관제조를위한인서트필름사출성형의정밀사출금형설계, 평가및성형기술에대한전문가의기술지원이필요하다. 현재기술지원요청기업에서생산중인이 Insert Film 성형공법의필요성은기존 수압전사및도장등의표면처리공법보다월등한품질로플라스틱표면처리고 급화추세에부응하는공법으로 물론이고전세계적으로도고급 리어감각상승과소비자의요구가급증함에 필요한추세이다. Recycle이가능한최첨단친환경공법이며국내는 Metallic Color & Woodgrain Pattern에대한인테 Insert Film 성형공법의확대적용이 가. 인서트필름성형공법의장점 기존의수압전사방식에비하여품질면에서월등함. 즉, 수압전사방식제품의경 우무늬패턴이늘어나서일그러지고, 심할경우무늬가깨어져서백화현상이발생 하거나색상변화가심한문제가있으나 결할수있는최첨단/ 고품질의인서트필름임. Insert Film의경우이러한문제를말끔히해 2 차도장공정과휘발성유기화합물의배출이없음. 이는전세계적으로추진 하고있는환경오염문제해결에획기적으로대처할수있는공법임. Paint-Sludge ( 페인트침전물) 에대한염려가없음. Color & Pattern Change 가용이하고시간소모가적음. 광택유지비가우수하며, 내후성(Weatherability) 이우수함. 기존 Paint Spray에서나타나는 Orange Peel 발생을제거할수있어, 표면이 부드럽고사출수지의노출을은폐시킬수있음. 재활용된수지의사출표면흔적을없앨수있으며, 색의번짐이나얼룩이없어 균일한색상을얻을수있음. Paint 소모가없어지므로자체원가절감과아울러사출수지의용제에대한저 항성을고려하지않아도되며, 이에따른수지원가절감도가능함. 고광택에서저광택까지공급범위가넓으며, Metalic에서 Solid Color에이르 기까지다양한색상의적용이가능함. 기존의수압전사방식보다사출완제품의가격이경쟁력에서우위를점하고있 음. - 국내에서독점적으로적용/ 공급해오던수압전사방식제품가격은당사의 Insert Film 출현으로기존가격고수정책을바꾸어가격인하를실시하고있음

8 Paint Film 은생산공정이수압전사보다월등하게줄어들며, 자동화가가능함. 수압전사공법은대부분이수작업으로이루어지며, 작업자들의기능숙련도정도에 따라품질에서심각한차이가나는만큼일정수준품질유지가불가능함. 또한공정 자체가많은관계로거의대부분인건비에의존하다보니향후인건비상승및환경 오염부대처리비용증가등을예상하면 로예상하고있음. Insert Film과는경쟁자체가될수없을것으 품질및상품성측면에서 Film 쪽이월등하며, 3D 표현도가능하여뛰어난상품 성을발휘함. 수압전사의경우동일한사람이작업을하더라도품질차이가많이 나는만큼품질안정도편차가심하며특히 무늘어나서패턴표현자체가표현불가능한것도많이있음. Insert Film은 Recycling 3D곡면부에서는박막의전사필름이너 제품으로무공해산업인만큼각종산업폐수발생및 환경오염부담의염려가없는환경친화제품임. Insert Film자체가 ABS 또는 TPO Film으로구성된탓에생산전후제품은100% Recycling 이가능한환경보호제품임. 세계 BIG 3 자동차업계에서이미품질인증을받고 20여년이상적용해오고 있는제품임. 아울러다가오는 2000 년대에는한국/ 일본/ 아시아시장을무대로주목 받을차세대자동차내장/ 외장재필수품의하나임. 자동차부품환경시험에서전부문에걸쳐미국 Big 3(Fork/GM/Chrysler) 의승 인을획득한제품으로내열성시험에서는 130도-5 시간( 최대 20 시간) 정도에서도 색상및형상변화가없는제품임. 수압전사의경우필름인쇄를특수잉크로하기 때문에고열시험에서색상변화등을일으킬수있으나 Avery사에서는페인트를사 용하여인쇄하는까닭에내열및내구성이수압전사제품에비해뛰어남. 특히, 자동차내장/ 외장공히세계적으로자동차업계에서사용인증을받은업 체의제품은 Avery Dennison 사의 Decorative Dry Painted Insert Film 뿐임 나. 지원기업의현황및애로기술 현재자동차플라스틱부품의미려한외관품질표현을위해서는수압전사또는 도장공법이사용되고있으나, 생산과환경측면에서많은문제점들이부각되고있는 실정임. 이러한단점을극복하기위해인서트필름공법이점차적으로확대적용되고있 으며, 계속적으로연구개발이진행되고있다. 하지만현장경험에의존한기술개발 로인해많은문제점이반복되고있음. 따라서고분자플라스틱부품의고품위외관제조를위한인서트필름사출성형 의정밀사출금형설계, 평가및성형기술에대한전문가의기술지원이필요함. 지원요청기업의경우인서트필름사출성형 (IFIM: Insert Film Injection Molding) 용금형기술지원 - IFIM 용사출금형설계기술지원 - IFIM 용사출성형해석기술지원 - 8 -

9 인서트필름정밀사출성형(IFIM) 을위한고분자성형기술지원 - IFIM 캐비티압력및온도측정분석기술지원 - IFIM 최적화사출성형기술지원 정밀사출성형시뮬레이션실무교육지원이요구되고있으며, 상기의내용이애로기술항목이다. 제 2 절기술지원목표 본기술지원사업에서는 자동차용내외장고분자플라스틱부품의고품위친환 경외관성형이가능한인서트필름사출성형 (IFIM: Insert Film Injection Molding) 기술지원을목표로함. 본기술은자동차내장/ 외장사출제품표면품질의고급화를 위해우드그레인(Woodgrain) 및 Metal 계통으로장식적용해오던기존의수압전 사및페인트도장방식이아닌최첨단필름엔지니어링으로개발된 Dry Painted Decorative Insert Film * 을진공성형기에장착된진공성형금형을이용하여진공성 형이가능하도록히터구간을통과시킨휴진공금형에서흡착성형을한뒤성형된 필름형상중필요한부분만을프레스절단(Trimming) 한후, 최종적으로사출금형 에성형필름을금형에안착시켜사출성형완제품을생산하는공법으로최종부 품의품질을좌우하는가장중요한프로세스는마지막에이루어지는인서트필름 사출성형공정이다. 성공적인기술지원을위해최종목표는크게인서트필름사출성 형 (IFIM: Insert Film Injection Molding) 용금형기술지원, 인서트필름정밀사출성 형 (IFIM) 을위한고분자성형기술지원및인서트필름정밀사출성형 (IFIM) 해석실 무교육지원의세부목표로구성하였음. 제 3 절기술지원내용 인서트필름사출성형(IFIM: Insert Film Injection Molding) 용금형기술 IFIM용사출금형설계기술 - Delivery system 금형설계기술 - Cooling Layout 금형설계기술 - Film Support 금형설계기술 IFIM용사출공정해석기술 - 고분자수지변화에따른유동특성분석기술 - Insert Film사용에따른사출성형과정에서의유동및열전달특성분석기술 - 공정조건의변화에따른압력변화및잔류응력변화특성분석기술 - 9 -

10 인서트필름정밀사출성형(IFIM) 을위한고분자성형기술 IFIM 캐비티압력및온도측정분석기술 - 캐비티압력및온도센서설치를위한정보기술 - 캐비티압력및온도센서측정결과와성형성과의상관관계분석기술 - 캐비티압력및온도센서측정결과를활용한공정제어방법에대한기술 IFIM 최적화사출성형기술 - 최적사출압력발생을위한공정조건최적화기술 - 균일충전성(flow Balance) 확보를위한사출성형기술 - Insert Film의접힘방지를위한사출공정최적화기술 인서트필름정밀사출성형(IFIM) 해석실무교육 IFIM의정밀사출유동해석교육 - 유동해석을위한삼차원모델링분석기술(neutral format 특성파악및활용) - 유동해석을위한삼차원유한요소모델링교육 - 유동, 냉각및변형특성분석을위한해석교육 기술지원의목표기술지원의내용기술지원범위 인서트필름 사출성형 (IFIM: Insert Film Injection Molding) 용 금형기술지원 인서트필름정밀 사출성형(IFIM) 을위한 고분자성형기술지원 인서트필름정밀 사출성형(IFIM) 해석 실무교육지원 IFIM 용 사출금형설계기술지원 IFIM 용 사출공정해석기술지원 IFIM 캐비티압력및 온도측정분석기술 IFIM 최적화 사출성형기술 IFIM 의 정밀사출유동해석 교육지원(5 회, 2 인/ 회) Delivery System Cooling Film Support Layout 설계기술지원 설계기술지원 금형설계기술지원 금형강도평가해석기술지원 유동특성분석기술지원 열전달특성분석기술지원 압력특성및잔류응력분석기술 캐비티압력측정기술 캐비티온도센서장착기술 캐비티온도측정평가기술 온도, 압력, 성형성의상관관계분 석기술 공정제어방법 유동밸런스 저압사출성형기술 Insert film 접힘방지기술지원 삼차원모델링분석교육 삼차원유한요소생성교육 냉각, 충전, 보압및휨해석

11 Fig. 4 기술지원내용의전체적인흐름도 제 2 장국내외기술현황 (1) 세계적수준 개념정립단계기업화단계 기술안정화단계 이미구미선진국에서는약 오고있는최첨단필름인서트성형공법으로미국 에서는 Instrument Panel/Door Console등에일찍부터 공법이적용되어오고있는상황임. 20여년전부터개발되어대부분의차량에적용되어 BIG3 업체(GM/FORD/Chrysler) Avery Dennison Insert Film (2) 국내수준 국내에서는약 5~6년전부터본격적으로소개되기시작했으나금형의국산화 개발이안된상태에서단순한첨단공법소개로만인식되어오던중 1998 년 ( 주) 세 지상공의적극적인국산금형개발프로젝트추진결과, 마침내금형의국산화를정 착시켰으며, 이에따라미국 Avery Insert Film의한국독점공급및국내최초로첨 단 Insert Film 성형공법정착의기틀을마련하는계기가되었음

12 한편국내수준의경우플라스틱제품의외관을장식하기위한방법으로크게 2 가지의방법을사용하고있음. 첫번째로는패턴이없는제품을사출한후 spry 방식으로후처리하여외관을 장식하는방법으로후가공이추가되어양산에있어비효율적이며환경적으로도많 은문제점을가지고있어점점지양되고있음. 3D 두번째로는본요청기업이보유하고있는 입체형태의패턴의 자동차시장의 FIM기술로다양한패턴과최근에는 Film을이용하여사출성형하는방법으로요청기업이국내 90% 이상의점유율을가지고있는독보적인기업임. 현재는몇몇업체에서시장의성장성을예측하여새롭게사업을시작하고있으 나아직까지는금형설계및성형에있어 음. Know-how의부족으로어려움을겪고있 (3) 국내ㆍ외의연구현황 연구수행기관 연구개발의내용 연구개발성과의활용현황 Daihatsu Motor, Kyoto Institute of Technology, Yamagata University Bayer material Science 서울대 FIM을이용한제품의접착계면의평가기술연구 Film Insert Molding용필름의개발및적용사례에대한연구점탄성효과를고려한인서트필름사출성형해서기술 산ㆍ학ㆍ연의공동연구를통해 FIM 을이용한자동차 부품평가에적용. 적용범위의한계성극복및 확대적용 정확한후변형예측을위한 프로그램개발중

13 Fig. 3 자동차분야에서 Insert Film 성형공법적용사례및비율

14 제 3 장기술지원수행내용및결과 3-1 인서트필름사출성형공정 (Insert Film Injection Molding Process) 기술지원 인서트필름사출성형공정은 Fig 3.1.1에서와같이미려한외관표현이가능한필 름으로진공열성형(Vacuum-Assisted Thermal Forming) 을수행하여삼차원형상을 구현한후불필요한부분은트리밍(Trimming) 공정에의해제거한후삼차원형상으 로만들어진인서트필름을사출금형에안착시킨후고분자수지를주입함으로써 표면이미려한플라스틱부품을제조하는방법이다. 이러한공법에의해제조될수 있는부품의종류는매우많으며, 자동차, 가전, 모바일, 건축등여러산업제품군 에적용가능하다. Fig 인서트필름사출성형공정개략도

15 Fig 인서트사출공정적용제품사례 Fig 일반적인인서트필름의적층구조

16 3-2 인서트필름진공열금형 (Insert Film Vacuum-assisted thermo-forming Mold) 설계및제작기술지원 성공적인인서트필름의사출성형기술지원을위해서는 한진공열금형의기술지원이선행되어야한다. Fig (a) 의형상에대 그림에서제시된모델은자동차의 그립부분으로써, 비록형상은단순해보이나상부에일정간격을갖는패턴을성형 하고자할때는연선이제어되어야한다. 만약진공성형과정에서연선이제어되지 않게되면하부대비상부에서큰연선이발생되어패턴이일그러지게되어미려한 외관형상을갖는제품을성형할수없게된다. 사용된필름의표면에는아크릴보 호층이존재하며, 하부에는사출성형시사용되는수지와의결합성을고려해 ABS수 지로구성되어있다. 일반적으로이러한복합적층필름은점탄성특성을보이며, 실 제인장압축실험을수행하면 Fig (b) 에서와같은응력변형율거동을보인 다. 이러한변형거동은온도와연선속도에따라변하게된다. 본지원사업에서는 Fig 의형상모델을한번에 4개성형할수있는금형구조 에대해기술지원을수행하였다. 진공열성형금형의설계, 제작및성형을위한전체 적인흐름도는 Fig 에제시하였다. 흐름도에서보듯이일차적으로레이아웃 설계가진행되어야한다. (a) (b) Fig Pin door grip 의삼차원 CAD model 과비선형재료특성

17 Fig Pin door grip 인서트필름성형을위한진공열성형금형의 개발지원흐름도 앞에서제시된 Pin door grip 모델을동시에 4개성형할수있는금형구조를 Fig 에제시하였다. 그림에서보듯이부품의특성상 LR의대칭구조로형상을설계 하였으며, 금형표면이항상일정온도를유지할수있도록금형내히트파이프롤및 냉각구조를설계하였다. 또한하부에서는진공을작용시킬수있도록금형구조를 설계하였으며, 형상부금형코어의삼차원형상을 Fig (b) 에제시하였다. (a) (b) Fig Pin door grip 진공열성형금형구조

18 일반적인진공열성형공정은필름공급, 필름가열, 금형이동, 공압적용, 냉각및탈형 으로이루어지게된다. Fig 의진공열성형금형설계에있어가장중요한조건 중에하나는금형표면의온도가가능한한항상일정하게유지되어야하는것이다. 만약온도가일정하게유지되지않는다면온도편차에의해진공열성형시각위치 별연선률에차이가발생하여결과적으로원하는형상의진공열성형이불가능하게 된다. Fig 에서는두께 0.5mm의 ABS 필름을금형온도가 80 로일정하다고 가정하고열성형한수의필름두께분포및변형량분포결과를보여주고있으며, 결과에서보듯이제품형상에서상부부분에서상당히많은연선및결과적으로얇 은두께가형성됨을볼수있다. 따라서이러한결과는주위온도의변화에대해서 상당히민감하게반응할수있으므로, 항상일정한금형표면온도관리가필요하다. 이를위해본지원사업에서는설계된금형에대한열구조해석기술지원을수행하 였다. (a) Fig ABS (b) 필름의진공열성형결과예 열구조해석을수행하기위해서는솔리드삼차원 그러나지원당시지원요청기업에서는표면형상가공을위한 CAD 데이터가확보되어야한다. CAM 데이터만이존 재하여이를삼차원솔리드데이터로변환하는작업이필요하였다. 일반적으로 CAM을위한 CAD 데이터는구조보다는공구의이동(tool path) 을위한표면형상만 이중요시되므로통상적으로 Fig 에서와같은형상을포함하게된다. 즉, 면 과면이만나는부분에서의정확한곡률표현을위해붙이기형태의작업이진행되 게된다. 이렇게형성된 CAD 데이터는곧바로 3D 솔리드작업이불가능하므로, 면 을트리밍한후연결하는작업이필요하게된다. 이러한작업은매우많은시간이 걸릴수있으므로, 본지원사업을통해업체에항상 3D 솔리드데이터로모델을 향후관리할수있도록요청하였다. 만약솔리드모델로관리가되면, 본데이터는 바로설계데이터로, 가공데이터로그리고해석을위한데이터로사용이가능하게 되어시간및비용이절약되게된다

19 Fig 의 CAM형상데이터를수정하여솔리드화한 CAD데이터를 Fig 에 제시하였다. 그림에서보듯이모델의중간부분을절단한결과내부가채워진솔리 드모델임을확인할수있다. 이러한모델은바로열구조해석을위한전처리모 델로사용이가능하게된다. Fig CAM 데이터생성을위한일반적인 3D CAD 의형상표현예 Fig 기존 CAM surface 데이터를삼차원솔리드화한결과 전체금형의열구조해석전에금형코어및베이스부분에열해석을수행하였으며, 해석에사용된모델을 Fig (a) 에서보여주고있다. 일차적으로직경 15mm 의열파이프를두개배치하여모델링을수행하였으며, 그결과를 Fig (b) 에 제시하였다

20 (a) 코어와베이스모델 (b) 히트파이프설계 Fig 열전달해석을위한모델및히트파이프설계 Fig 의모델에대한정적열해석을수행하였으며그결과를 Fig 에제 시하였다. 해석에사용된유한요소해석프로그램은 ANSYS 이다. 결과에서보듯이 설계된열원의위치에대해금형표면의온도분포는약 루어지고있음을확인하였다. 10도씨이내에서분포가이 Fig 정적열전달해석결과 (Material: steel, 열원 : 파이프온도 100, 바닦면외모든면 : 대류경계조건 ) 한편보다정밀한해석을위해서는실제금형에대한삼차원솔리드모델링이수행 되어야하며, 본지원사업에서는설계된도면을기준으로삼차원솔리드모델링을 수행하였으며, 그결과를 Fig 에제시하였다

21 또한금형의구성및재질에대한정보를 Fig 에제시하였다. Fig 인서트필름의진공열성형을위한금형의삼차원모델결과 Fig 인서트필름진공열성형용금형의열구조해석을위한 기계적물성및경계조건

22 이때사용된히트카트리지(heat cartridge) 는 640W 이며, 접촉되는부위의면적은 삼차원 CAD모델로부터확인한결과 m 2 이다. 따라서열유속(heat flux) 은 약 46,912W/m 2 이다. 앞의정적해석(steady-state analysis) 은주어진조건에대해 계가평형에수렴한경우에대한결과를제시하므로, 실제설정온도까지도달되는 데소요되는시간을알수는없다. 따라서본지원사업에서는제시된모델에대해 과도열전달해석(transient thermal analysis) 을수행하였으며, 그결과를 Fig 에제시하였다. 결과에서 probe 1~4 는모델의상단부의동일위치를의미하며, 설 정목표온도까지도달되는데설계된시스템에대해서는약 1시간이필요함을알수 있다. 일반적으로현장의작업의경우작업이시작되기전에미리예열하는공정이 있으므로, 이러한시간은상대적인개념이된다. 본지원업체의경우도일단작업이 시작되기한시간전부터예열하는공정을거치고있었다. 한편설계된인서트필 름성형용진공금형의제작을수행하였으며, 그결과를 Fig 에서보여주고 있다. Fig 인서트필름진공열성형용금형의과도열전달해석결과

23 Fig 인서트필름진공열성형용금형 Fig 에제시된금형의온도균일도를확인하기위해온도측정실험을수행 하였다. 실험방법에대한개략도는 Fig 에서와같다. 접촉식온도측정기의 경우는특정포인트에대한온도정보만을제공함으로본지원사업에서는열화상카 메라를이용하여온도측정을수행하였다. 열화상카메라를활용함으로써일정영역 에대한과도온도분포결과를획득할수있으며, 이러한결과는본지원사업에서 목표로하고있는금형온도표면균일도확보에매우중요하다. Fig 에서는 캐비티의길이방향에대한온도분포결과를보여주고있으며, 결과에서보듯이전 체적으로 10 이내에서온도변화가있음을확인할수있었다. Fig 제작된인서트필름진공열성형용금형의표면온도측정방법

24 Fig 제작된인서트필름진공열성형용금형의캐비티별표면온도측정결과 Fig 인서트필름진공열성형용금형의가열에사용된 heat cartridge 의온도측정결과

25 이러한온도편차는목표대비만족스러운결과를제공하고있으나, 좀더정밀한 필름의성형을위해서는이러한오차에대한면밀한분석이필요하였다. 일차적으 로는금형의가공정도를확인하였으며, 확인결과 heat cartridge 홀의가공정밀도에 오차가있음을확인하고수정하도록지도하였다. 또한제공된 heat cartridge의온 도정밀도를확인하였으며, 그결과를 Fig 에제시하였다. 결과에서보듯이 단일카트리지에대해서는길이방향에대해포물선형으로가운데서가장높은온도 를보였으며, 두개의카트리지에대해동일위치에대해서도온도차이가발생되고 있음을확인하였다. 따라서정밀한온도제어를위해서는정밀한 heat cartridge를 사용토록지도하였다. 지금까지의설계및제작된인서트필름용진공열성형금형의 캐비티온도균일도를확보하기위해서는모니터링및제어시스템기술지원이요구 되었다. Fig 인서트필름진공열성형용금형의표면온도균일화를위한제어 시스템구축개략도 (referred from Fig 에서는열경화성수지에적용되고있는금형온도균일제어시스템을보 여주고있다. 이러한시스템구축에서가장중요한부분중에하나는앞에서제시되 었던 heat cartridge 의설계기술이다. 즉, 어떤용량의카트리지를어떤위치에몇 개를설치하느냐하는것이다

26 본지원사업에서는앞서지원된설계및해석결과와 Fig 의시스템개념도 를접목하여캐비티금형온도균일제어가가능한시스템구축기술지원을수행하 였으며그결과를 Fig 에제시하였다. Fig (a) 는캐비티내설치된온 도센서의위치및카트리지위치를보여주고있으며, 이러한캐비티금형과제어시 스템이연결되어구축된시스템을 Fig (b) 에서보여주고있다. 이러한제어 시스템은동일하게사출금형에적용가능하다. 온도균일제어를통해측정된온도 결과를 Fig (c) 에제시하였으며, 결과에서보듯이기존 10도의온도편차가 시스템적용후 2 도이내의온도편차로향상되었음을확인할수있었다. 결과적으로 이러한시스템을적용할경우설계단계에서부터정밀한카트리지배치설계및제 어기술을접목함으로써역으로온도편차를발생시켜인서트필름의변형제어를 수행할수있음을알수있다

27 (a) 센서및카트리지설치위치 (b) 시스템구축 (c) 시스템적용온도측정결과 Fig 인서트필름진공열성형용금형의표면온도균일화를위한제어 시스템구축결과및온도측정결과

28 Fig 인서트필름진공열성형용금형의표면온도균일화를위해구축된 시스템에의해측정된과도온도측정결과

29 Fig 인서트필름진공열성형용금형의표면온도균일화를위해구축된 시스템의전체구성도

30 Fig 인서트필름진공열성형을위한예열과정에서의구축된시스템을이용한온도측정과비접촉신온도측정기를이용한온도측정결과비교 ( 진공금형예열 40 분 )

31 진공성형시작 (0~30 분) 진공성형시작 (30 분~60 분)

32 진공성형시작 (60 분~90 분) 진공성형시작 (90 분~120 분)

33 진공성형시작 (120 분~150 분) Fig 인서트필름진공열성형용금형의예열및진공성형과정에서의 온도측정결과

34 3-3 인서트필름사출성형해석 (Insert Film Injection Molding Anaysis) 기술지원 가 ) 고분자플라스틱 Resin 특성 (Characteristics of Plastic Resin) 본지원사업에사용된박육사출성형을위한수지는 LG Chemical의 ABS XR 404 수지로써수지가가지는점도특성과 PVT 특성은 Fig. IMA-1 과같다. 점도특성결 과에서보듯이수지는높은전달률영역에서는 Power Law 거동을보인다. 또한전 형적인비결정성주지의 PVT 곡선을보임을알수있다. 각각의결과는실험을통해 얻어진결과를 curve fitting 의작업을수행하여얻어진결과로써, curve fitting에 사용된수식은각각 Cross-WLF와 Tait Formula 이다. 얇은삼차원캐비티내에서 용융고분자수지의흐름에대해 Hele-Shaw 유동모델은비교적정확한결과를 제시하여왔다. 즉, 비탄성, 비등은비뉴턴유체유동가정이적용된일반사출성형에 대한지배방정식은다음과같다 [1~3]. (a) 점도

35 (b) PVT Fig. IMA-1 ABS 수지의점도와 PVT 특성 여기서 φ, Cp, k, ü, Ű 는밀도, 비열, 열전도도, 점성, 전달률을의미하며, p, T, u 는압력, 속도를각각의미한다. 용융고분자수지점도의비뉴턴특성은다음과같이 수정크로스모델에의해표시될수있다 [2]. 여기서 n은 Power-law 지수이고, * 는 Power-law와뉴톤유동사이의근사천이영 역에서의응력레벨이고, ű 0 "T, p - 는유효전달률이영일때의점도를의미한다. ű 0 의가장단순한형태는 Arrhenius 형태로다음과같다. 넓은온도영역에서사용가능한또다른형태는 형태로다음과같다. WLF(Williams, Landel and Ferry) 의 여기서 T*(p)ÂD 2, D 3 p 이다. 따라서식 (4) 와식(6) 은 7 개의상수를포함하며, 본지 원사업에사용된 ABS 고분자수지의각상수값은 Table 1 에제시하였다

36 Table 1 Constants of viscosity model for ABS resin 한편사용된 ABS 수지의 PVT 모델의계수, 비열및열전도계수는다음과같다

37 한편적용된수지의전이온도(glass transition temperature) 는 도이며, 기계적 물성및수축과관계된물성은다음과같다

38 >>>>>>>>>> SUMMARY - THEORY<<<<<<<<<< 나 ) 유한요소모델링 (FE Modeling) 일반적으로사출성형해석은대상모델이정해지면, 대상모델에대한삼차원모델을 가지고직접유한요소생성작업을수행하게된다. 이때 delivery system(sprue, runner, gate) 은 1D beam element 로모델링하는것이일반적이다. 사출성형해석 을위한유한요소생성결과를 Fig. IMA-2 에제시하였다

39 Fig. IMA-2 지원대상모델의유한요소생성결과및공정조건 (Part & delivery system) 다 ) 충전특성및냉각특성분석 일반적으로충전결과는사출성형공정의 70% 정도의결과를제시할정도로매우중 요하다. 특히충전시유동선단의전진형태는제품의성형성및성형후변형형태를 간접적으로예측할수있을정도로매우중요한정보를제공한다. 본지원사업에서 일차적으로요청된신규수출모델에대한 2캐비티금형의충전해석을수행한결과 최대사출압력은해석상 49.70MPa, 형체력은 43.83tonf 로발생되었다. 사출압력측 면에서는일반적인산출성형일경우매우양호한낮은압력결과를발생시켰으며, 결과적으로형체력또한낮게계산되었다. 해석된결과의충전패턴결과를 Fig. IMA-3 에제시하였으며, 결과에서보듯이일차적으로수지는중앙부에서점점양 끝단으로진전을하게되고동시에런너를통해이차적으로진행된수지는이차게 이트를통해중앙에서진행된수지와만나게된다. 전체적으로는양단이동시에찰 수있는매우잘설계된런너구조임을알수있다. 이러한런너구조에대해제품 의생산성및품질을최적화하기위한냉각해석을수행하였으며, 보고해석을위한 모델을 Fig. IMA-4 에제시하였다. 그림에서보듯이기존에는금형가공공수및비 용을고려하여 Fig. IMA-4(b) 와같은줄냉각구조를사용해왔다. 본지원사업에서 는비교적간단하나추가냉각회로수정작업을통해실제제품의온도분포균일도 에냉각회로가미치는영향을해석적으로살펴기술지원을수행하였다. 냉각해석 결과는 Fig. IMA-5 에제시하였으며, Fig. IMA-5(a) 는상측의 Fig. IMA-5(b) 는하측 의온도분포결과를보여주고있다

40 전체적인온도분포범위는 40~70 도범위에서출력하여상호비교하였으며, 그림 에서보듯이 Fig. IMA-5(b) 의경우는제품의길이방향에대해매우불균일한온도 분포를보이고있으며, 더욱이하측에는상대적으로 hot spot이형성되어있음을 볼수있다. 결과적으로 Fig. IMA-5(a) 가보다양호한온도분포결과를제시함을 볼수있다. 이러한해석기술지원은그동안지원업체에서간과되었던냉각채널설 계의중요성을직접적으로보여주는사례가되었으며, 최종적으로양질및고생산 확보를위해서는냉각회로설계가매우중요함을상기시키는계기가되었다. t= t= t= t= t= t= t=1.056 t=1.366 Fig. IMA-3 설계된 delivery system 에대한충전패턴결과

41 (a) (b) Fig. IMA-4 지원대상모델의냉각해석을위한유한요소생성결과

42 (a) 상측(Range 40~74 ) (b) 하측(Range 40~74 ) Fig. IMA-5 지원대상모델의냉각해석결과비교 라 ) 금형온도가사출성형압력에미치는영향 일반적인플라스틱의사출성형공정과는달리인서트필름이사출성형공정에서는압 력이매우중요한인자이다. 왜냐하면인서트필름의경우그두께는 500μm 이하 인반면실제사출성형공정에의해충전되는플라스틱의두께는 4배이상이므로사 출성형공정과정에서과도하게발생된압력은필름을접히게하거나최종적으로필 름에악영향을미쳐성형불량이발생되게하기때문이다

43 따라서이러한사출성형압력을최소화하는작업이필요하며, 지원업체의요청에의 해금형온도의변화가사출압력에미치는영향을살펴보았다. 본해석에서는자동해석조건에서충전, 휨해석만을수행하면서금형온도를 10, 25, 60 도로변화시키고, 얻어진결과로부터금형온도 60도일때계산된충전시간결과 (1.5 초) 를위세가지경우에적용하여재해석을수행하였다. ( 보압절환조건은 99% 로함) 마지막으로 2번해석조건에대해냉각해석을추가하여수행하였으며이때 냉각수온도는 25 도로균일하게하였다. Table IMA-1 금형온도변화에따른최대사출압력의변화 일단자동해석조건의경우금형온도의상승은최종충전시간을변화시키므로금형온도와최대사출압의관계는주어진결과에서는무엇이라언급할수는없으나금형온도를상승시키면압력은강하시킬수있음을볼수있다. 일정한충전조건에대해금형온도의상승은최대압력을감소시키는역할을하나주어진모델의경우는그영향성이미비함을확인하였다. 또한냉각수온도를일정하게한경우는온도에매우민감하게반응하여압력결과가거의일정하게발생됨을알수있었다. 전체적으로주어진조건의변화에대해큰영향성을발생시키는조건을찾지는못하였으나, 본해석이인서트필름의두께를파트로인식하고해석한결과이므로실제파트의두께로해석을수행할경우그차이는상대적으로크게발생될것으로판단되었다. 마 ) 인서트필름두께를고려한정밀사출성형해석 일반적인인서트필름사출성형해석에서 Fusion mesh를이용한해석을수행할경 우인서트필름의두께를고려한유동해석을수행하는것은매우어려운작업이된 다. 일차적으로모델링자체에서필름의두께를제거한삼차원 CAD모델을생성해 야하며, 생성된필름에대해필름의속성을부여한해석을수행해야하기때문이다. 만약모델자체가미드로생성된경우는두께의변화가상대적으로용이하나, 미드 모델자체를생성하는데매우많은시간이요구되게된다

44 본해석에서는이러한인서트필름을영향성을고려한사출유동해석을수행하였으 며그결과를 Fig. IMA-7 에제시하였다. 그림에서보듯이인서트필름두께가제거 된모델에대해인서트필름이있는경우와없는경우는충전시간이크게차이가 없음을볼수있다. 그러나인서트필름부를제거하지않은모델의경우상대적으 로부피가증대되어충전시간이다소길게계산되었음을볼수있다. 그러나충전 패턴자체는크게영향을받지않음을볼수있다. 그러나압력변화결과(Fig. IMA-8) 에서는충전결과때와는달리최대압력발생에큰영향을미침을확인할수 있다. 따라서정밀한유동해석을위해서는비록인서트필름의두께가얇더라도이 를고려한유동해석이진행되어야함을알수있었다. Fig. IMA-6 지원대상모델의인서트필름두께대비사출성형두께 Fig. IMA-7 인서트필름두께가충전과정에서유동특성에미치는영향

45 Fig. IMA-8 인서트필름두께가충전과정에서최대사출압력 발생에미치는영향

46 3-4 인서트필름사출금형설계및제작 (Insert film Injection Mold) 기술지원 지금까지의유동해석결과를기초로하여금형을설계제작하였으며, 설계된사출금 형을 Fig. MD-1 에제시하였다. 금형은이단금형구조로하였으며, 앞절에서제시 된해석결과를기초로하여 delivery system 및 cooling layout 이설계되었다. Fig. MD-1 인서트필름사출금형설계결과 Fig. MD-1 에제시된설계도면은일반적인사출금형의도면과큰차이는없다. 본지원사업에서는지원요청업체에서그동안시도되지않았던멀티캐비티인서트필름사출금형을제안하였으며, 이때가장중요한유동밸런스를확보하기위한캐이티모니터링기술을제안하였다. 캐비티모니터링기술은일차적으로사출금형캐비티내에압력및온도센서를장착하여고분자수지의충전과정에서의압력및온도데이터를획득하고이를제품의품질과연관시키는기술이다

47 Fig. MD-2 멀티캐비티인서트필름사출금형의압력및온도모니터링을위한개념도및센서설치시금형단면형상예 (referred from 기존의단일캐비티금형시스템의생산성을보완하여캐비티수를 2 개로함으로써, 기본적으로생산성을 100% 향상시키는금형구조이다. 일반적으로멀티캐비티금형 은아무리각캐비티를동일하게제작한다하여도사출성형과정에서 unbalance & imbalance 가발생되기쉽다. Fig. MD-3에서는다수캐비티금형의불균일충전에 대한사출성형예를보여주고있다. Fig. MD-3 다수캐비티금형에서의불균일충전예 (referred from

48 비록설계상으로는아무리동일한형상및구조로금형을설계하여도, 금형의가공및조립과정에서오차가발생될수있으며, 이러한이유로금형의불균형충전이발생하기도한다. 이러한불균일충전을확인하기위해서는사출금형의캐비티온도센서와압력센서의설치를통해고분자수지의충전과정에서발생하는온도및압력이력을분석할필요가있다. 이러한분석을통해실제불균일충전에대한원인을좀더과학적으로평가할수있게된다. 이러한캐비티모니터링을위한센서의장착에서가장중요한부분중에하나는바로압력센서와온도센서의설치위치결정이다. 압력센서와온도센서는제품형상에따라설치위치가변하게되므로이에대한기준이필요하며, 가장추천되는방법은압력센서의경우압력이가장크게발생되는제품에서의위치, 온도센서의경우는충전이완료되는시점에센서를설치하는것이추천된다. 본지원사업에서는실제금형을제작하여사출성형하기전에사출성형해석을수행하였으므로, 해석결과를참조하여각각의센서위치를결정하였다. Fig. MD-4에서와같이중심게이트위치에가까운부분에압력센서를그리고충전의말단에온도센서를설치하도록하였다. Fig. MD-4 유동해석결과를이용한멀티캐비티인서트필름사출금형의압력및 온도모니터링을위한센서설치위치결정 Fig. MD-2에서와같이사출성형충전과정에서실제금형면과센서면의불일치로인해사출성형완료후센서홀자국이발생될수있으므로, 가능한한센서는제품이상측보다는하측에장착하는것이바람직하다. 물론정밀한가공및조립을통해이러한표면불량을최소화할수도있으며, 현재금형면에서일정간격떨어진위치에센서를설치하여기존의측정결과와유사한결과를도출할수있는센서가이미개발된것으로보고되고있다

49 본지원사업에서도이러한점을고려하여센서를금형의하측에설치하였으며, 그 결과를 Fig. MD-5 에제시하였다. 결과에서보듯이압력센서는중심게이트부근에 온도센서는제품측면에서하부에각각 2 개씩설치하였다. 이러한센서를설치하기 위해서는금형의배면에선들을외부로뺄수있는추가적인홈가공이필요하며 가공된홈형상을보여주고있다. Fig. MD-6 에서는멀티캐비티인서트필름사출금형의캐비티압력및온도센서를 외부 edaq 와연결하기위한커넥터부분을보여주고있다. 보호케이스는금형의 특성상반드시필요하다. 왜냐하면금형은주기적으로필요에따라사출기에장착 되기도하고, 내리기도하므로이러한과정에서부주의한작업으로고가의센서선 에이상이발생될수있기때문이다. 실제로금형의장착및이동과정에서많이발 생되는문제이다. Fig. MD-7에서는본지원사업에서구축된멀티캐비티인서트필 름사출금형용모니터링시스템을보여주고있다. 본시스템을통해사출성형공정 과정중에발생되는금형내압력및온도에대한거동특성분석이가능하게된다. 측정된결과중대표적인온도및압력측정결과를 Fig. MD-8 에제시하였다. 측정 결과에서보듯이압력은이상적인곡선을보이고있으나, 온도는피크치를발생된 후갑자기온도가내려간후다시상승되는현상을보이고있다. 물론이러한측정 결과는실제크게문제가되지는않는다. 왜냐하면온도센서의경우는충전밸런스 및자동보압절환제어에많이사용되며, 가장중요한값이 peak 치이기때문이다. 본 실험에서발생된문제는추후금형에온도센서의장착에문제가있었음을확인하였 으며, 현재는수정된상태이다. Fig. MD-9에서는온도측정데이터만을제시하였으 며, 그림에서확인할수있듯이제품이 LR이고동일한위치에온도센서를설치하였 으므로, 만약이상정이균일충전이발생하였다면두그래프는일치하게나타날것 이다. 약간의차이는있는결과를얻었으나, 이러한결과는거의동일충전으로볼 수있는결과이다. 따라서균일충전이진행되고있음을확인할수있다. Fig. MD-10 에서는캐비티압력결과비교를보여주고있으며, 거의동일한결과가발생되 고있음을볼수있다. 이러한결과는온도측정결과와함께설명가능하며, 만약불 균일충전이발생되었다면, 본그래프또한상이한결과를발생했을것이다. 이러한 캐비티압력측정결과는기본적인최대압력을확인하고, 제품이성형성을간접적 으로평가하는데적용되며, 예를들어성형공정조건에이상이있는경우 Fig. MD-11 에서와같이충전이완료된후보압작용결과에서계속적인압력이발생되 는경우가많이발생되는데이러한압력을과충전과보압이라볼수있다. 과충전 은보압등을적정압보다더증가시켜수지주입을하는경우발생하며다음과같 은문제가발생될수있다. 1. 금형약화 2. Burr [Flash] 3. 장시간사용후금형부품파손 4. 금형수리횟수증가

50 5. 수지사용량증가 6. 제품후변형따라서이러한캐비티압력측정을통해금형의내구성및제품의신뢰성확보가가능하게된다. 센서설치전 센서설치후 Fig. MD-5 멀티캐비티인서트필름사출금형내압력및온도모니터링을위한센서설치

51 Fig. MD-6 멀티캐비티인서트필름사출금형내압력및온도모니터링을위한센서설치후커넥터연결결과

52 Fig. MD-7 멀티캐비티인서트필름사출금형내압력및온도모니터링을전체시스템구성도및구축결과

53 Fig. MD-8 멀티캐비티인서트필름사출성형용금형의캐비티온도및압력 측정결과

54 Fig. MD-9 멀티캐비티인서트필름사출성형용금형의캐비티온도측정결과 비교및균일충전확인을위한수지도달시간

55 Fig. MD-10 멀티캐비티인서트필름사출성형용금형의최적화된캐비티압력측정결과

56 Fig. MD-1 멀티캐비티인서트필름사출성형용금형의과충전이발생된경우의캐비티압력측정결과예

57 - 57 -

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59 Fig. MD-12 멀티캐비티인서트필름사출성형해석결과와사출성형실험결과의충전패턴비교

60 Fig. MD-13 멀티캐비티인서트필름사출성형공정에서보압조건변화에따른 중량편차차비교결과 ( 보압조건 : )

61 Fig. MD-14 멀티캐비티인서트필름사출성형공정에서보압조건변화에따른 중량편차차비교결과 ( 보압조건 : )

62 Fig. MD-15 멀티캐비티인서트필름사출성형공정에서보압조건변화에따른 중량편차차비교결과 ( 보압조건 : )

63 3-5 인서트필름사출성형부품의사출성형후표면특성측정및분석 - 감성성인서트필름의사출성형후표면변형측정분석 감성인서트필름은자동차부품의외장을고급스럽게만드는최첨단필름이다. 필름에는각종미세패턴(Fig 하단) 또는나무의질감(Fig 상단) 을표 현하는미세요철이새겨져있다. 현재미세직교패턴(Fig 하단) 의경우초기 필름상에서는산의높이약 50μm를유지하나사출성형이완료된후는패턴이함 몰되는결과를얻었으며, 손으로도함몰된질감을얻을수있었다. 이러한결과는 우드형에서도동일하게발생되어이를좀더정량적으로확인하기위해일차적으로 는면의삼차원측정(ROI Machine) 을수행하였으며, Fig 의그림에서와같이 원형부근에서화살표방향으로프로파일을측정하여상호비교분석하였다. 본 Fig 감성인서트필름및사출성형결과 ( 상단 : 우드패턴, 하단 : 직물패턴 ) A) Textile Pattern Case 직물패턴에대해사출성형전과사출성형후의직물의패턴에대해삼차원측정을 통해패턴의형상을비교분석하였다. 그결과를 Fig 에제시하였으며, 그림 에서상측은사출성형되기전의인서트필름을, 하측은사출성형된후의인서트필 름을의미한다. 또한사출성형되기전의인서트필름에대한측정결과중오른쪽측 정결과는필름을 30도경사를갖는지그위에안착시키고측정한결과를보여주고 있다. 마찬가지로하부도같은방법으로측정하였다. TOP VIEW 결과에서볼수있 듯이사출성형되기전의인서트필름과사출성형된후의인서트필름의패턴측정 결과에는이미지상으로사출성형된후패턴이상당히뭉그러져있음을볼수있 다

64 이러한결과를좀더세밀히확인하기위해각패턴을경사지게한후측정한결과 를 Fig 의오른쪽결과에서확인할수있다. 결과에서보듯이패턴의상부에 지가인서트사출되지전필름에서보다뚜렷이살아있음을볼수있다. Fig 직물인서트필름의사출성형전후의패턴형태비교 Fig 의측정결과를좀더정량적으로확인하기위해비접촉삼차원프로파일 측정을수행하였다. 그결과비교를마찬가지로 Fig 에제시하였다. 일단상 대적인비교를위해기준은각시편의중심부를선정하였으며지지방법에따른시 편의평탄도변화는무시하였다. 결과적으로안착된위치에서ㅓ일정거리(17.5mm) 를스캔한결과를상호비교하였다. 아래의그림에서보듯이사출성형되기전인서 트필름의경우패턴이측정방향에대해수직인경우깊이에해당되는값이약 50μ m 로형성되어있음을볼수있다. 하지만사출성형된시편의경우는약 25μm로 패턴의높이가감소되어있음을볼수있다. 한편사출성형된필름의측정결과에서 전체적으로측정이진행되면서값이감소되는것은사출성형된시편자체가굴곡이 있기때문이다. 결과적으로는사출성형되기전인서트필름에비해약 50% 정도패 턴의높이가감소되어있음을확인할수있다. 이러한경향은시편의여러부분에 대해측정한결과에서도동일하게확인되었다. 미세패턴이함몰되었음을확인할수있었다. 따라서사출성형후인서트필름의

65 Fig 직물인서트필름의사출성형전후의패턴프로파일결과비교 나 ) Wood Pattern Case 우두패턴에대해사출성형전과사출성형후의직물이패턴에대해삼차원측정을 통해패턴의형상을비교분석하였다. 그결과를 Fig 에제시하였으며, 그림 에서상측은사출성형되기전의인서트필름을, 하측은사출성형된후의인서트필 름을의미한다. 또한사출성형되기전의인서트필름에대한측정결과중맨오른 쪽측정결과는필름을 30도경사를갖는지그위에안착시키고측정한결과를보여 주고있다. 마찬가지로하부도같은방법으로측정하였다. TOP VIEW 및 ZOOM 측 정결과에서볼수있듯이사출성형되기전의인서트필름과사출성형된후의인서 트필름의패턴측정결과에는이미지상으로사출성형된후패턴이사출되기전에 비해음영이상대적으로감소되었음을볼수있다. 마찬가지로이러한결과를좀 더세밀히확인하기위해각패턴을경사지게한후측정한결과비교를 Fig 의오른쪽결과에서확인할수있다

66 결과에서보듯이사출되기전의측정결과는요철부분이매우많음을볼수있으나, 사출성형된후필름의경우는매우매끈한형태를보이고있음을알수있다. Fig 우드인서트필름의사출성형전후의패턴형태비교 Fig 의측정결과를좀더정량적으로확인하기위해비접촉삼차원프로파일 측정을수행하였다. 그결과비교를마찬가지로 Fig 에제시하였다. 일단상대 적인비교를위해기준은각시편의중심부를선정하였으며지지방법에따른시편 의평탄도변화는무시하였다. 결과적으로안착된위치에서일정거리(17.5mm) 를 스캔한결과를상호비교하였다. 아래의그림에서보듯이사출성형되기전인서트 필름의경우는나무의질감을표현하기위한요철이랜덤하게형성되어있음을볼 수있으며, 측정결과중최대 100μm 정도의홈도발견되었다. 하지만이러한수치 는좀더면밀한검토가필요할것으로사료된다. 반면사출성형된인서트필름의 경우는거의요철이없는것처럼측정결과를보이고있다. 물론측정결과가전체적 으로감소되는것은앞에서와마찬가지로측정방향에대해사출성형된시편자체가 굴곡이있기때문이다. 전체적으로많은미소홈이없어짐을확인할수있었으며, 이 러한경향은시편의여러부분에대해측정한결과에서도동일하게확인되었다. 따 라서사출성형후인서트필름의미세패턴이함몰되었음을확인할수있었다

67 Fig 우드인서트필름의사출성형전후의패턴프로파일결과비교 따라서이러한삼차원질감을갖는고감성인서트필름의사출성형후문제점을해 결하기위해서는일차적으로사출압력의변화에따른미세패턴의함몰특성에대해 연구가필요하며, 이를위해서는일차적으로필름자체의기계적물성및복원특성, 사출압변화에따른패턴의변화특성에대한연구가필요하다. 특히사출성형과연 계하기위해서는 Fig 에서와같은실험을통해압력변화에따른미세패턴의 거동및함몰정도를통계적으로살펴볼필요가있다

68 Fig 압력변화에따른미세패턴의거동분석을위해지원요청기업에 제안한실험장치및실험개념도

69 3-6 인서트필름사출성형부품의성형불량원인분석기술지원 인서트필름적용사출성형기술은그동안현장경험적인방법에의해금형설계, 금형제작및사출성형이진행되어왔다. 지원요청기업은비록국내최고의필름인서트사출성형전문업체이지만, 사출성형해석의어려움및인력부족으로인해그필요성은인식을하면서도적용이불가능하였다. 본지원사업에서는이러한한계성을극복하고자사출성형해석을위한기본교육과병행해서실제개발모델에대한사출성형불량원인분석을엔지니어링해석기법을적용하여지원하였다. 일차적으로는충전과정에서성형불량이발생되고있는 CTR-Facia모델에대한 원인분석및해결책을제안하고, 이차적으로는충전자체가문제가되고있는 CSL 모델에대한유동해석을수행하여미충전의원인분석에대해기술지원을수행하여 엔지니어링해석의중요성을지도하였다. 먼저자동차용인서트필름성형제품인 CTR-Facia 모델의경우는이미기초적인사출성형해석을통해게이트최적화가진행된후금형이제작되어사출성형이진행되고있는모델이었다. 그러나기술지원을통해설계당시사용된사출성형해석과정이문제가있음을확인하였으며, 이를해결하기위해정밀해석지원을수행하였다. 기본적으로제공된모델에대한분석, 좌표축의변환, 금형설계인자의반영및 충전특성분석, 필름인서트사출성형의특성상압력을최소화하기위한공정조건의 도출을진행하였다. 일단설계된모델에대한 CATIA CAD 모델과 AutoCAD 금형조립도모델의중심 이일치하지않음을확인하였다. 즉, CATIA CAD 모델의경우자동차조립전체모 델이중심을기준으로모델링이된것으로보이므로, 몰드베이스상의배치와일치 하지않아서제공된 CATIA 모델파일의중심및 XYZ방향이가능하면금형조립도 상의모델의배치와일치하도록 CATIA 모델파일의좌표축변환이필요하였다. 이 러한좌표축의변환에서는기준이중요하므로, 해석의범위에따라세심한처리가 필요하였다. CAD 모델상에서좌표축을회전하게되더라도정확하게금형조립도와 일치하지않을수있으므로, 정확한형체력의계산등정밀한데이터확보를위해 서는정확한기준이요구되므로, 이러한점을지원요청기업에지도하여추후진행 되는모델의경우금형설계시모델회전값을정확히확보토록하였다

70 Fig. CFCS-1에서는실제삼차원 CAD 모델상의좌표축과금형조립도상의좌표축이일치하고있지않음을보여주고있다. 따라서본지원사업에서는삼차원 CAD모델을프로그램내에서금형조립도의축에기준하여회전시키고한요소를생성시켰다. export하여유 Fig. CFCS-1 삼차원 CF CAD 모델과금형조립도와의축의불일치

71 CENTER FACIA 모델의경우요청한제품에대한 HAC 8270의수지정보가없 어서가정유사한 PC/ABS 동일수지업체의 HAC 8265 를사용하였다. 수지의추천 금형온도는 50 도, 수지의추천용융온도는 250 도이며, 자세한성형공정조건관련 자료는 Fig. CFCS-2 에제시하였다. 또한적용된수지의점도및 PVT특성데이터 를 Fig. CFCS-3 에제시하였다. 그림에서보듯이점도특성은고속에서낮은점도 특성을보이고있으며, PVT전형적인비결정성수지의특성을보이고있음을알수 있다. Fig. CFCS-2 금호화학 HAC 8265 ABS+PC 수지의사출성형공정조건 기존지원업체에서의성형공정조건의문제점을살펴보기우해지원요청업체에서 현재사용중인공정조건을적용하여사출성형해석을진행하였다. 경우현재성형공정에사용하고있는금형온도 지원요청업체의 20 & 35도는상대적으로낮은온도 였으며, 충전시간이 3~3.5 초로되어있는데, 이는상대적으로낮은사출속도로판 단되었다. 결과적으로고압사출성형이발생될것으로사료되었다. 보압조건이언급은되어있으나, 매우긴시간이어결과적으로금형에무리가가하는성형공정조건이어서케이트고화시간을고려한고압시간프로파일이필요함을지도하였다. Fig. CFCS-1에서는실제삼차원 CAD 모델상의좌표축과금형조립도상의좌표축이일치하고있지않음을보여주고있다. 따라서본지원사업에서는삼차원 CAD모델을프로그램내에서금형조립도의축에기준하여회전시키고한요소를생성시켰다. export하여유

72 Fig. CFCS-4 에서는지원요청기업에서그동안적용되었던사출성형공정조건을 적용하고게이트의크기만 1mm와 2mm로변화시켜해석을수행한결과중충전패 턴을보여주고있다. 해석결과에서보듯이두경우모두다리브부분에서미충전 이발생되고있음을확인할수있다. 그러나게이트크기변화가충전패턴자체에 는크게영향을미치고있지않음을볼수있다. 그러나보압전환시점에서의압력 결과비교인 Fig. CFCS-5에서는게이트의크기변화에따라게이트크기를 2mm로 한경우가사출압력이낮게형성됨을보여주고있다. 이러한압력강하는실제필름 인서트사출성형시중요하게된다. 그러나압력의강하는약 6MPa정도이어서효 과가생각보다는크지않음을알수있다. 그러나다른공정조건의최적화와결합 되면큰효과를불것으로판단된다. Fig. CFCS-6 에서는충전과중중에발생되는유동선단의온도분포결과를보여주 고있으며, 제품이비교적유동이원활한두께를갖는부품이어서큰온도상승이 발생되고있지않음을볼수있다. 하지만고속사출이진행되면국부적으로얇은 두께를갖는부분에서급격한온도상승이발생될수있을것으로판단된다. 한편 형체력결과를 Fig. CFCS-7에서보여주고있으며최대형체력이 400톤이상발생 되고있어만약 400톤사출성형기를사용하게되는경우는금형이벌어져플래쉬 와같은문제가발생될수있어, 사출기의용량이충분한사출성형기를사용하던지, 아니면성형공정최적화를통해최대사출압력을낮춰결과적으로형체력을낮출필 요가있다. 이러한문제는후반부에서다시언급하도록한다. 마지막으로웰드라인 분포결과와변형결과를 Fig. CFCS-8&9 에제시하였다. 웰드라인문제의경우는 인서트필름사출성형공정의특성상표면을가릴수있는성형공법이므로큰문제가 되지않는다. 그러나변형의경우는일반적인사출성형공정과달리금형의상측이 열전도가낮은필름으로대체되어제품의열전달이두께방향으로일정하지않고 하측으로많이발생되므로결과적으로하측이먼저고화된후인서트필름이존재하 는부분에서수축이발생되어변형이발생될수있는구조이므로변형제어를위해 서는이러한금형온도의영향이고려되어야하며, 이를위해서는앞절에서언급한 인서트필름이고려된정밀유동해석이진행되어야한다

73 (a) Viscosity (b) PVT Fig. CFCS-3 금호화학 HAC 8265 ABS+PC 수지의점도및 PVT 특성

74 (a) Gate Size = 1mm (b) Gate Size = 2mm Fig. CFCS-4 CF 모델의게이트크기기변경에따른유동패턴결과비교

75 (a) Gate Size = 1mm(103 MPa) (b) Gate Size = 2mm(96.22MPa) Fig. CFCS-5 CF 모델의게이트크기기변경에따른보압전환시점에서의 압력변환비교

76 (a) Gate Size = 1mm (b) Gate Size = 2mm Fig. CFCS-6 CF 모델의케이트크기기변경에따른유동선단온도 (temperature at flow front) 결과의비교

77 (a) Gate Size = 1mm (b) Gate Size = 2mm Fig. CFCS-7 CF 모델의게이트크기기변경에따른유동선단온도 (temperature at flow front) 결과의비교

78 (a) Gate Size = 1mm (b) Gate Size = 2mm Fig. CFCS-8 CF 모델의게이트크기기변경에따른웰드라인분포특성비교

79 (a) Gate Size = 1mm (b) Gate Size = 2mm Fig. CFCS-9 CF 모델의게이트크기기변경에따른변형결과비교

80 CTR-FACIA 에대한일차기본사출성형해석결과를요약하면케이트크기변화 에의한해석결과는큰차이를보이지않으나, 게이트가 2mm인경우가약간양호 한성형및변형결과를보였다. 그러나성형조건상으로는미충전결과를보이고있 다. 이는세밀유한요소의사용및공정조건을최적화함으로써해결가능하다. 이러 한원인은현재지원요청기업에서사출성형시추천되는온도보다낮은금형온도또 는수지온도, 그리고느린사출에기인된것으로판단된다. 해석상기본조건( 추천금 형온도, 수지온도, 자동충전시간( 약1~2 초) 으로해석을수행했을경우모두완전충 전이된결과를얻을수있었다. 앞에서와같은일차기본해석및미팅을통해현장에서의성형불량사례및문 제점을숙지하였으며, 현재 CTR-FATIA의경우가스사출이병행되고있는모델이 었다. 금형온도를낮게설정한것은높은온도에서의필름의열팽창으로인한최 종유동선단에서의접힘이문제를해결하기위해적용하고있음을확인하였다. 낮 은수지온도로빠른수지속도로사출할경우 race tracking에의한성형불량이발 생되고있었다. 보압은유압설정값임을확인하였으며, 노즐부압력은 10배이상 이되어성형조건표를기준으로한다면 1200kgf/cm 2 이되는것을확인하였다. 따라서보다정밀한사출성형해석지원이요청되었으며, 이를위해서는우선적 으로정밀메쉬(fine mesh) 의생성이필요하였다. 또한충전속도에대한최적압력 곡선확보를위한사출유동해석이필요하여, 사출시간을 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 7, 10s 로변화시켜가면서해석을수행하였다. 또한지원요청기업에유동해석을위해 서는모델의좌표축과유동해석용좌표축의일치가필수적임을지도하였다

81 (a) 일차기본해석에사용된유한요소모델 (No. of Element: 36,046, Max. Aspect Ratio: 47) (b) 일차기본해석에사용된유한요소모델 (No. of Element: 46,290, Max. Aspect Ratio: 15) Fig. CFCS-10 정밀유동해석을위한 CF 모델생성결과

82 Fig. CFCS-11 유한요소메쉬메쉬의의정밀도에따른충전특성및압력변화 보다정밀한해석지원을위해세밀한요소분할이된유한요소메쉬를생성하였 으며, 그결과를 Fig. CFCS-10 에제시하였다. 주어진메쉬와기존의적용메쉬에 대해사출시간변화에따른유동해석을통해압력결과를구하였으며, 비교결과를 Fig. CFCS-11 에제시하였다. 그림에서 Rough Mesh는 MPA에의해수행된결과이 며, 본해석의경우는사용자가메쉬의정밀도를조절할수없고, 메쉬의형상을직 접적으로확인하기힘들다. 그러나설계자의경우삼차원 CAD모델만있으면간단 한작업으로충전결과를얻을수있어사용되고있으나, 사용상에매우주의를요 하게된다. 즉모델형상에따라결과가실제와크게다를수있으므로, 이에대한 장단점을사전에숙지할필요가있다. 그림에서 Fine mesh의경우는금형온도변 화에따른압력변화비교를보여주고있으며, 충전속도가낮은경우, 즉지원요청기 업에서와같이느린사출속도를사용하는경우는매우큰압력차이를발생시키며, 결과적으로형체력을변화시킬수있음을알수있다. 그러나사출속도를빠르게 할경우금형온도에대해덜민감한압력결과를발생시키고있음을알수있다

83 그러나빠른수지속도의경우진단발열과필름의변형이문제가될수있으므로이 러한점에주의해야한다. Fig. CFCS-12 최적화사출성형공정조건을적용하여제작된 CTR-FATIA 부품 한편지금까지지원된모델의경우는초기유동해석을통해게이트의위치가선 정된부품에대한성형문제를정밀유동해석을통해지원한경우이며, 현재지원요 청기업에서개발중인신규인서트필름적용모델에대한일차성형의문제점을해 석을통해비교분석하고해결방안에대해지원을수행하였다. 즉, CSL 모델의경 우는유동밸런스가확보되지않은상태에서금형이설계되고제작되어결과적으로 유동밸런스가확보되지못하였다. 게이트위치의재설계가필요한상황이었으며, 기 존 short shot결과와해석결과의비교가필요하여이를위한해석지원을수행하였 다. CSL 모델에적용된수지는 LG Chemical의 XR 404 ABS 수지이다. 앞의모델과마찬가지로 CAD모델과금형조립도간의좌표축불이치현상이있었 으며(Fig. CFCS-13), 유한요소해석을수행하기위해해석을위한좌표축을수정하 였다

84 Fig. CFCS-13 삼차원 CS CAD 모델과금형조립도와의축의불일치 수지의추천금형온도는 60 도, 수지의추천용융온도는 250 도이며, 자세한성형 공정조건관련자료는 Fig. CFCS-14 에제시하였다. 또한적용된수지의점도및 PVT특성데이터를 Fig. CFCS-15 에제시하였다. 그림에서보듯이점도특성은고 속에서낮은점도특성을보이고있으며, PVT전형적인비결정성수지의특성을보 이고있음을알수있다

85 Fig. CFCS-14 LG Chemical ABS 수지의사출성형공정조건 (a) Viscosity

86 (b) PVT Fig. CFCS-15 LG Chemical ABS 수지의점도및 PVT 특성 한편 CONSOLE 모델의경우는금형설계및제작단계에서면밀한검토가수행 되지못한관계로사출성형결과 flow balance 가확보되지못한상태였다. Fig. CFCS-16 에서보듯이중앙부홈을기준으로상하로게이트를설계하여사출한결 과그림의왼쪽에서보듯이상부쪽이하부쪽보다많은충전이발생되었음을볼수 있다

87 Fig. CFCS-16 CLS C 모델의 flow balance 가확보되지못한한사출성형해석결과

88 결과적으로유동해석결과게이트및런너의설계가정밀하게설계되지않았음을확인할수있었으며, 만약게이트의위치변경이불가능한경우상측과하측의게이트의크기를조절하는작업이필요함을알수있다. Fig. CFCS-17에서는시금형을통과한미충전결과와해석결과의비교를보여주고있으며, 결과에서보듯이기존에매우낮은속도의사출성형이진행되고있었으며그결과오른쪽하측부에서의유동정체가매우심하게발생되고있음을볼수있다. 따라서만약충전시간을짧게하면, 즉유동속도를증가시키면이러한유동정체현상은다소해소됨을볼수있다. 앞절의경우와마찬가지로충전시간의변화에따른압력변화특성을살펴보았 으며그결과를 Fig. CFCS-18 에제시하였다. 본모델의경우최적의사출성형시간 은약 3 초대임을확인할수있었다. 결과적으로충전시간이 10초인경우사출압력 보다 25% 이상감소시킬수있음을볼수있다. 한편지금까지언급된내용에대한기업에서의설명내용중대표적인내용에대 한판서내용을 Fig. CFCS-19 에제시하였다. Fig. CFCS-17 CSL 모델의미충전결과와해석결과의비교

89 Fig. CFCS-18 Console 모델의충전시간변화에다른사출압력변화및충전시간을 3초로설정한경우의충전패턴결과

90 Fig. CFCS-19 필름인서트사출성형해석을위한기초적인모델링준비방법및 공정조건의최적화개념설명

91 3-7 인서트필름사출성형부품의필름표면성형불량원인분석기술지원 - 기존의 Part 모델에인서트필름이변경된상태에서그동안사출성형된조건을 그대로적용함( 가스사출적용모델임). -> 결과적으로게이트부탄화현상이발 생하고있는실정이었음 (Fig ). - 게이트(eject pin 부) 의크기를변경하고사출성형을진행한결과많이개선된결 과를얻을수있었음. 그러나불량원인에대한정확한원인파악이불가능한실정 이었음. - 따라서이러한표면불량에대한원인분석기술지원을위해정밀측정분석기술을 지원하였으며, 소재의변경에따른물성변화와인서트필름사출성형특성을연계하 여기술지원을수행함으로써불량을원천적으로해결할수있었다. - 업체에지원된정밀측정분석결과는아래와같이파워포인트자료로제시하였다. Fig 게이트부압력에의한인서트필름성형불량사례

92 Sample 사진 FT-IR 결과 (Sample 1)

93 FT-IR 결과 (1-1) FT-IR 분석결과 (1-1)

94 FT-IR 결과 (1-2) FT-IR 분석결과 (1-2)

95 FT-IR 결과 (1-3) FT-IR 분석결과 (1-3)

96 FT-IR 결과 (Sample 3) FT-IR 결과 (3-1)

97 FT-IR 분석결과 (3-1) FT-IR 결과 (3-2)

98 FT-IR 분석결과 (3-2) FT-IR 결과 (Sample 4)

99 FT-IR 결과 (4-1) FT-IR 분석결과 (4-1)

100 FT-IR 결과 (4-2) FT-IR 분석결과 (4-2)

101 FTIR 분석결과 TGA 분석결과 [Sample 1]

102 TGA 분석결과 [Sample 3] 3 TGA 분석결과 [Sample 4]

103 TGA 분석결과

104 DSC 분석결과

105 제 4 장결론 본기술지원사업에서는 인서트필름사출성형(IFIM: Insert Film Injection Molding) 용금형기술지원, 인서트필름정밀사출성형(IFIM) 을위한고분자성형 기술지원, 인서트필름정밀사출성형(IFIM) 해석실무교육지원, 의목표를정하고 12 개월동안업체에기술지원을수행하였으며, 다. 기술지원수행결과는다음과같 기술지원의목표기술지원의내용기술지원범위지원수행실적 인서트필름 사출성형 (IFIM: Insert Film Injection Molding) 용 금형기술지원 인서트필름정밀 사출성형(IFIM) 을 위한고분자 성형기술지원 인서트필름정밀 사출성형(IFIM) 해석 실무교육지원 IFIM 용 사출금형설계기술 지원 IFIM 용 사출공정해석기술 지원 IFIM 압력및 캐비티 온도측정분석기술 IFIM 출성형기술 IFIM 의 최적화사 정밀사출유동해석 교육지원(5 회, 2 인/ 회) Delivery System 설계기술지원 Cooling Layout 설계기술지원 Film Support 원 금형설계기술지 금형강도평가해석기술지원 유동특성분석기술지원 열전달특성분석기술지원 압력특성및잔류응력분석기술 캐비티압력측정기술 캐비티온도센서장착기술 캐비티온도측정평가기술 온도, 압력, 성형성의상관관 계분석기술 공정제어방법유동밸런스 저압사출성형기술 Insert film 접힘방지기술지원 삼차원모델링분석교육 삼차원유한요소생성교육 냉각, 충전, 보압및휨해석 저압성형이가능한 금형설계기술지원, 필름지지금형구조 지원 인서트필름을 고려한저압사출성형 공정최적화 기술지원 캐미티온도및 압력센서활용및 성형불량과의 상관관계기술지원 최적화사출성형기술 지원 삼차원유동해석기술 지원수행-업체 관계자현재 기초활용가능

106 참고문헌 [1] A. I. Isayev and R. K. Upadhyay, 1987, Injection and Compression Molding Fundamentals, Marcel Dekker Inc., New York. [2] C. C. Lee, and J. M. Castro, 1989, Fundamentals of Computer Modeling for Ploymer Processing, Tucker III, C. L. (ed.), Hanser Publisher, New York. [3] K. H. Huebner and E. A. Thronton, 1982, The finite element method for engineers, Chap. 4 & 5, John wiley & Sons, New York. [4] A. I. Isayev, C. A. Hieber, 1980, "Toward a viscoelastic modeling of the injection molding of polymer," Rheol. Acta. Vol. 19, pp. 168~

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