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종옥 양
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1 Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers 23:6 (2014) 561~568 J. Korean Soc. Manuf. Technol. Eng. ISSN (Online) / ISSN (Print) 냉장고용선반패밀리금형의유동밸런스와클램프힘개선에관한연구 박제홍 a, 윤경원 b, 고창오 b, 서상원 a, 김수진 a* Study on Improving Flow Balance and Clamp Force of Family Mold for Refrigerator Shelf Je-Hong Park a, Kyeong-Won Yoon b, Chang-Oh Ko b, Sang-Won Seo a, Su-Jin Kim a* b a Department of Mechanical Engineering, Gyeongsang National University, 501 Jinjudae-ro, Jinju-si, Gyeongsangnam-do, , Korea Taesung Precision Co.,LDT, Byeongdong-ri, Gimhae-si, Gyeongsangnam-do, , Korea ARTICLE INFO Article history: Received 12 September 2014 Revised 3 November 2014 Accepted 4 November 2014 Keywords: Family mold Flow balance Mold flow Clamp force Injection pressure CAE ABSTRACT Injection molding industries realize the necessity of developing family molds to improve competitiveness. One of the primary causes of manufacturing defective products is the imbalance of flow in a family mold. In this study, the family mold of a shelf for refrigerators is analyzed by using CAE software. First, the flow balance, clamping force, and injection pressure are analyzed for different gate diameters of two cavities. Second, the flow balance, clamping force, and injection pressure are improved when the two gate valves are open at different times. Finally, the results of filling analysis are compared with the test injection product. 1. 서론사출금형은제품의배치및방식에따라싱글캐비티 (Single cavity), 멀티캐비티 (Multi cavity), 그리고패밀리금형 (Family mold) 방식으로나뉘며, 일반적으로는싱글캐비티와멀티캐비티금형이많이사용되고있다. [1] 현재국내사출제품및사출금형생산업체들의경우, 현재까지하나의금형에서한개의제품 ( 성형품 ) 을만드는싱글캐비티또는멀티캐비티를제작하여사출성형기한대에서하나의제품을성형하는금형을제작및양산하고있다. 그러나최근세계적으로사출제품및사출금형시장의생산성, 품질, 가격경쟁이치열해지고있어패밀리금형개발을통해생산효율향상및원가절감을통한제품경쟁력을향상의필요성이제기되고있다. [2] 패밀리금형이란일반적으로서로다른형상의제품을하나의금형에서동시에사출성형하는것을말하며서로다른체적, 수지의유동거리에의해서유동밸런스 (Flow balance) 의불균형으로인해과도한사출압력및잔류응력이발생하여제품의결함이발생하게된다. 유동밸런스는용융수지가게이트 (gate) 로부터제품캐비티를충전하는동안에특정한말단영역을먼저채우지않고말단영역들을동시에채우는것을말한다. 만약제품캐비티의충진과정에서유동밸런스가부족하게되면수지가먼저 * Corresponding author. Tel.: Fax: address: sujinkim@gnu.ac.kr (Su-Jin Kim). 561

Je-Hong Park et al. 채워지는말단부위들에서과도한수지충전으로인해서성형후에큰수축편차가발생하게되고이것이제품의휨을초래하게된다. [3] 유동밸런스조절을위해게이트의위치, 러너 (Runner) 의형상을변화시키는방법과오버플로우 (Overflow) 를설치하는등의방법이이용된다.

[5] 냉장고용선반은유리를금형사이에삽입해사출하는유리인서트 (insert) 금형으로금형의클램프힘 (Clamp force) 이과도하면유리가파손될가능성이높아짐으로클램프힘과사출압력 (Injection force) 을줄이는사출방법이필요하다. 밸브게이트 (Valve gate) 가열리는순간압력강하가발생하므로이를조절해사출압력과클램프힘을줄인연구가있다.

동시에몰드플로우 (Mold flow) 를이용해유동밸런스와클램프힘을예측하고시험사출에서숏샷 (Short shot) 과비교해검증하였다. Fig. 1 Refrigerator shelf Fig. 2 Cross section of shelf 2. 복합사출금형구조설계 2.1 패밀리금형을위한제품설계 Fig. 1은개발대상제품인냉장고용선반이다.

2 Je-Hong Park et al. 채워지는말단부위들에서과도한수지충전으로인해서성형후에큰수축편차가발생하게되고이것이제품의휨을초래하게된다. [3] 유동밸런스조절을위해게이트의위치, 러너 (Runner) 의형상을변화시키는방법과오버플로우 (Overflow) 를설치하는등의방법이이용된다. [4] 기존에는러너의직경을조절하여같은시간에충진이완료되도록유동밸런스를조절하는방법이사용되었지만, 러너의직경선정과정이복잡하고해석과시험사출결과가일치하지않을경우수정이어려웠다. [5] 냉장고용선반은유리를금형사이에삽입해사출하는유리인서트 (insert) 금형으로금형의클램프힘 (Clamp force) 이과도하면유리가파손될가능성이높아짐으로클램프힘과사출압력 (Injection force) 을줄이는사출방법이필요하다. 밸브게이트 (Valve gate) 가열리는순간압력강하가발생하므로이를조절해사출압력과클램프힘을줄인연구가있다. [6] 본연구에서는형상과크기가다른두제품을하나의금형에서사출함으로유동불균형의해결이어렵고유리를삽입해사출함으로낮은사출압력을필요로하는냉장고용선반패밀리금형을개발하고자한다. 구체적으로첫단계로밸브게이트의직경을달리하여대략적인유동밸런스를맞추고두번째단계로시퀀스 (Sequence) 밸브의시간차를이용해높은유동밸런스를확보하며사출압력과클램프힘을감소시키고자한다. 동시에몰드플로우 (Mold flow) 를이용해유동밸런스와클램프힘을예측하고시험사출에서숏샷 (Short shot) 과비교해검증하였다. Fig. 1 Refrigerator shelf Fig. 2 Cross section of shelf 2. 복합사출금형구조설계 2.1 패밀리금형을위한제품설계 Fig. 1은개발대상제품인냉장고용선반이다. 냉장고용선반이란냉장고의수납함에들어가는칸막이를말한다. 선반은뒤 (Back) 와앞 (Front) 으로나뉘며중간에강화유리가삽입된구조이다. 냉장고용 Shelf 설계시최우선고려사항은첫번째로유리를금형에삽입하여플라스틱과일체형으로생산가능한제품을만드는것이다. 두번째로캐비티설계시생산균형일치및양산성을확보생산함을최우선적으로고려한설계이다. 세번째로형상이다른캐비티를원활하게생산하기위해밸브게이트를사용하여유리면위에서사출하는방법을채택하여미성형및유리파손방지를위해갭 (Gap) 과경사면을주었다. 이를나타낸것이 Fig. 2 이다. 패밀리금형설계시선반뒤예상제품중량은 269 g, 선반앞예상중량 70 g으로제품의중량의차이가크게발생하였다. 이는유동밸런스문제를발생시킬수있기때문에 Fig. 3과같이해결방 Fig. 3 Valve position of family mold 법을제시하였다. 첫번째로선반앞의경우 Φ2.5 밸브를두군데적용하였고선반뒤의경우 Φ3.5 밸브를적용하여용융플라스틱의주입량을조절하였다. 또한양산성을증가시키기위해밸브게이트를제품의측면이아닌유리면윗부분에적용하였다. 선반뒤의경우측면에홈을파기위해이젝터블록 (Ejector Block) 을사용하였다. 금형설계시각기다른형상의제품을동시사출하기때문에취출성의불균형이예상된다. 원활한양산성을고려한취출성의불균형을해결하기위해 Fig. 4와같이선반앞의경우 Φ6.0의 12개의밀핀 (Ejector pin) 을적용하였고선반뒤의경우 Φ10.0의 10개 562

Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers 23:6 (2014) 561~568 Table 1 Analysis conditions Material PP Mold temperature 40 C Resine temperature 230 C Valve diameter

1 CAE 해석을위한선반의제원복합사출금형의 CAE 해석을위한선반의제원은 Table 1과같다. 소재는폴리프로필렌 (PP) 을사용하였다. 금형의온도는 40 C 이고용융수지온도는 230 C이다. 게이트는선반뒤, 앞을각각 Φ 3.5, Φ2.5 밸브를사용하여직경만달리하였다.

5 The analysis of flow balance 3.1.1 밸브의직경만달리한유동밸런스해석유동밸런스의해석결과는 Fig. 5와같다. 가장짙은파란색이 0 초부터시작해서가장짙은빨간색이 3.1초에이르는것을볼수있다. Fig. 5에서볼수있듯이선반앞의경우 2.3초에용융수지가모두차는것을알수있으나선반뒤의경우이로부터약 1초뒤인 3.

3 Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers 23:6 (2014) 561~568 Table 1 Analysis conditions Material PP Mold temperature 40 C Resine temperature 230 C Valve diameter Φ3.5, Φ2.5 Aspect ratio 30 Number of mesh 110,000 Software Mold flow Fig. 4 Ejector position of family mold 의밀핀을적용하였다. 그리고강화유리를고정하기위해선반앞과뒤에각각흡착기를두개씩부착하였다. 3. 패밀리금형의 CAE 해석 3.1 CAE 해석을위한선반의제원복합사출금형의 CAE 해석을위한선반의제원은 Table 1과같다. 소재는폴리프로필렌 (PP) 을사용하였다. 금형의온도는 40 C 이고용융수지온도는 230 C이다. 게이트는선반뒤, 앞을각각 Φ 3.5, Φ2.5 밸브를사용하여직경만달리하였다. 해석을위해요소망 (Mesh) 의종횡비 (Aspect ratio) 는몰드플로우에서일반적으로 6으로할것을추천하지만수정시간및해석단축을위해 30으로설정하였고약 11만개의요소가생성되었다. 밸브의직경만달리한경우와직경을달리할뿐만아니라시간차사출을한경우두가지에대하여해석후이를비교하였다. 해석은몰드플로우를이용하여수행하였다. Fig. 5 The analysis of flow balance 밸브의직경만달리한유동밸런스해석유동밸런스의해석결과는 Fig. 5와같다. 가장짙은파란색이 0 초부터시작해서가장짙은빨간색이 3.1초에이르는것을볼수있다. Fig. 5에서볼수있듯이선반앞의경우 2.3초에용융수지가모두차는것을알수있으나선반뒤의경우이로부터약 1초뒤인 3.1초에용융수지가가득차는것을볼수있다 시간차사출유동밸런스해석밸브의직경만달리한해석결과에서유동밸런스의문제로인해선반앞의충진이완료되고도선반뒤에미충진이일어나는것을확인할수있다. 이를개선하기위해선반뒤와선반앞에 1.7초의시간차를두고밸브게이트를열고해석하였다. 유동밸런스의재해석결과는 Fig. 6과같다. 가장짙은파란색이 0초부터시작해서가 Fig. 6 The analysis of flow balance 장짙은빨간색이 3.2 초에이르는것을볼수있다 밸브의직경만달리한사출압력과클램프힘해석 563

Je-Hong Park et al. 강화유리가삽입되는냉장고용 Shelf의경우사출압력과클램프힘이크면유리가파손될위험이있다. 이를방지하기위해사출압력과클램프힘을미리예측하는것은매우중요하다. 이에대한해석결과는 Fig. 7과같다. 사출압력의경우서서히증가하다가선반뒤의용융수지가모두차는시점인약 3초에 42 MPa 로최대값을가진다.

9와같이서서히증가하다가선반뒤의용융수지가모두차는시점인약 3초에 31 MPa로최대값을가진다. 그이후에 15 MPa, 12 MPa, 10 MPa 로일정값을유지하면서서서히감소하다가 6초에 0 MPa 이되는것을확인할수있다. 클램프힘의경우 Fig.

4 Je-Hong Park et al. 강화유리가삽입되는냉장고용 Shelf의경우사출압력과클램프힘이크면유리가파손될위험이있다. 이를방지하기위해사출압력과클램프힘을미리예측하는것은매우중요하다. 이에대한해석결과는 Fig. 7과같다. 사출압력의경우서서히증가하다가선반뒤의용융수지가모두차는시점인약 3초에 42 MPa 로최대값을가진다. 그이후에 20 MPa, 17 MPa, 12 MPa 로일정값을유지하면서서서히감소하다가 6초에 0 MPa이되는것을확인할수있다. 클램프힘의경우 Fig. 8과같이충진이완료되는시점인 3초부근에서 188 ton으로최대값을가지며선형적으로감소하다약 8초부근에서 0 ton이되는것을확인할수있다 시간차사출의사출압력과클램프힘해석 사출압력의경우 Fig. 9와같이서서히증가하다가선반뒤의용융수지가모두차는시점인약 3초에 31 MPa로최대값을가진다. 그이후에 15 MPa, 12 MPa, 10 MPa 로일정값을유지하면서서서히감소하다가 6초에 0 MPa 이되는것을확인할수있다. 클램프힘의경우 Fig. 10과같이충진이완료되는시점인 3초부근에서 98 ton으로최대값을가지며선형적으로감소하다약 8초부근에서 0 ton이되는것을확인할수있다. 기존에밸브게이트직경만달리하였을경우보다클램프힘최대값은 42 Mpa에서 31 Mpa로, 감소사출압력최대값은 188 ton에서 98 ton으로감소하였다. 3.2 CAE 해석결과고찰 Fig. 7 The analysis of injection pressure Fig. 9 The analysis of injection pressure Fig. 8 The analysis of clamp force Fig. 10 The analysis of clamp force 564

Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers 23:6 (2014) 561~568 CAE 해석을통해 Fig. 11과같이밸브의직경만달리한경우유동밸런스의불균형이일어나는것을확인할수있다.

12와같이유동밸런스가개선되었다. 또한클램프힘과사출압력을감소시켜유리파손의위험을크게감소시켰다. 4. 시험사출 4.1 시험사출조건해석결과와실제제품비교를위해시험사출을수행하였으며시험사출조건은 Table 2와같다. 수지는 P842J를사용하였고외장이며표면은광택에투명도는불투명이다. 사출기계는 LG제품으로최대 650 ton의클램프힘을가할수있다.

14와같이계량거리를각각달리하여숏샷을하였다. 계량거리는 30~100% 까지총 6가지에대하여시험사출을하였고해석결과와시험사출제품을비교하였다. 계량거리에따른시험사출제품과해석결과는육안으로확인하였다. 확인결과해석결과와시험사출제품이거의일치하는것을알수있었다. Fig. 11 Imbalance in the flow balance Fig.

5 Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers 23:6 (2014) 561~568 CAE 해석을통해 Fig. 11과같이밸브의직경만달리한경우유동밸런스의불균형이일어나는것을확인할수있다. 선반앞에충진이완료되었음에도 1번, 2번, 3번, 4번부위에서미충진이일어나는것을확인할수있다. 또한 1번과 2번부위에충진이완료되더라도 5번부위와 6번부위에미충진이일어났다. 이러한유동밸런스의불균형은제품의품질에심각한영향을줄수있다. 그러나선반뒤에먼저충진을시작한후 1.7초뒤에선반앞에밸브게이트를열어해석한결과 Fig. 12와같이유동밸런스가개선되었다. 또한클램프힘과사출압력을감소시켜유리파손의위험을크게감소시켰다. 4. 시험사출 4.1 시험사출조건해석결과와실제제품비교를위해시험사출을수행하였으며시험사출조건은 Table 2와같다. 수지는 P842J를사용하였고외장이며표면은광택에투명도는불투명이다. 사출기계는 LG제품으로최대 650 ton의클램프힘을가할수있다. 핫러너는 220 C로설정하였고실린더설정온도는실린더의주입구부터시작하여다섯개의구간으로나누어 220/210/210/210/200 C 로설정하였다. Fig. 13은시험사출전사출기에복합금형을부착한모습이다. 4.2 해석결과와시험사출제품비교 CAE해석결과를통해얻은유동밸런스를시험사출을하였을경우와비교하기위하여 Fig. 14와같이계량거리를각각달리하여숏샷을하였다. 계량거리는 30~100% 까지총 6가지에대하여시험사출을하였고해석결과와시험사출제품을비교하였다. 계량거리에따른시험사출제품과해석결과는육안으로확인하였다. 확인결과해석결과와시험사출제품이거의일치하는것을알수있었다. Fig. 11 Imbalance in the flow balance Fig. 13 Injection machine Table 2 Injection conditions Fig. 12 The analysis of flow balance Material P842J Surface gloss Injection machine maker LG Maximum clamp force 650ton Cylinder setting temperature 220/210/210/210/200 C Hot runner setting temperature 220 C 565

6 Je-Hong Park et al. Fig. 14 Compare of analysis results with products (30, 50%) Fig. 15 Compare of analysis result with products (70, 90%) 566

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7 Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers 23:6 (2014) 561~ 결론 본연구에서형상과크기가다른두제품을동시에사출하는냉장고용선반의패밀리금형의유동불균형을해결하기위해첫단계로밸브직경만달리한 CAE해석을하고다음단계로밸브게이트개방시간차를두고사출을하는해석을하였고이를실제사출제품과비교하였다. 그결과다음과같은결론을얻을수있었다. 첫째, 큰제품의게이트의직경을작은제품보다키워충진시간차이를줄이고자했을경우부피가작은제품에충진완료된약 1초뒤에큰제품에충진이완료되었다. 둘째, 밸브게이트의개방시간을제어해충진시작시간을조절해형상과크기가다른두캐비티에동시에충진이완료될수있도록하였다. 1.7초시간차충진을통해두제품이동시에충진되도록하고유동밸런스를개선하였으며숏샷시험사출실험과해석결과가일치하였다. 셋째, 유리인서트사출의경우클램프힘이작을수록유리파손을줄일수있는데기존클램프힘 188 ton에서밸브게이트개방시간제어로클램프힘은최대값을 42 Mpa에서 31 Mpa 로감소시켰고사출압력은최대값 188 ton에서 98 ton으로감소시켰다. 지금까지형상과크기가다른제품이면서유리를삽입후사출하는유리인서트패밀리금형의제작은유동불균형과유리파손으로시도되지않았으나본연구를통해실제산업체에서냉장고용선반패밀리금형에대한적용이가능할것으로판단된다. 후기 본연구는중소기업청의산학연협력기술개발사업에의한지원을받아수행되어졌다. References Fig. 16 Compare of analysis result with products (98, 100%) [1] Choi, K. I., Park, P. P., Cha, B. S., Rhee, B. O., Koo, B. H., 2007, A Theoretical Study for the Filling Balance of the Family Mould Using Variable-Runner System, The Korean Society For Technology of Plasticity [2] Chan, W. M., Pinforld, M., Kwong, C. K., Szeto., W. H., 2014, Automation and Optimization of Family Mould Cavity and Runner Layout Design (FMCRLD) using Genetic Algorithms and Mould Layout Design Grammars, Computer-Aided Design [3] Malloy, R. A., 2003, Plastic Part Design for Injection Molding, Hanser, [4] Kim, M. Y., Kim, K. H., Song, D. J., Kwon, C. O., Lee, S. H., Heo, Y. M., 2005, A Study on Flow Balance and Warpage Characteristics in 567

8 Je-Hong Park et al. Manufacturing of Plastic Injection Family Mould, The Korean Society for Technology of Plasticity Symposium [5] Park, C. J., Lee, G. S., Choi, S. I., Kang, J. H., 2013, Optimization of Gate Location for Melt Flow Balancing in Injection Mold Cavity by using Recursive Design Area Reduction Method, Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers 12: [6] Park, C. H., Pyo, B. G., Choi, D. H., 2012, Design Automation of Valve Gate Locations and Open Timing for Injection Molding of an Automotive Instrument Panel, 8th IEEE International Conference on Automation Science and Engineering

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 29, no. 10, Oct ,,. 0.5 %.., cm mm FR4 (ε r =4.4)

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2018 Oct.; 29(10), 799 804. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2018.29.10.799 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) Method