[ 논문 ] 한국소성가공학회지, 제 24 권제 6 호, 2015 418 Transactions of Materials Processing, Vol.24, No.6, 2015 http://dx.doi.org/10.5228/kstp.24.6.418 방수커넥터용열가소성 - 열경화성이종소재사출금형개발 정태성 1,# 최경석 2 Development of Thermoplastic-Thermoset Multi Component Injection Mold for a Waterproof Connector T. S. Jung, K. S. Choi (Received October 6, 2015 / Revised October 27, 2015 / Accepted November 12, 2015) Abstract Based on eco-friendly advantages and the enhanced development in the chemical and physical characteristics, liquid silicone rubber (LSR) is widely used in producing precision parts in the automotive, medical, electronics, aeronautical and many other industries. In the current work, a thermoplastic-thermoset multi component injection molding (MCM) was developed for a waterproof automotive connector housing using PBT and LSR resins. Measurements of the rheological characteristics of PBT and LSR were made to improve the reliability of the numerical analysis for the multi component injection process. With the measured viscosity, pvt and curing data, numerical analysis of the multi cycle injection molding was conducted using simulation software (Sigma V5.0). Key Words : Multi Component Injection Mold, Thermoplastic, Thermoset, Characteristics of PBT/LSR, Numerical Analysis 1. 서론최근고급화및고기능화를위해 2개이상동종또는이종의재료를사용하여다색 (multi-color)/ 다종 (multi-material) 부품으로구성된전기 / 전자, 자동차, 포장재, 의료기기등의제품개발이증가하는추세이다. 아울러, 이러한제품을금형내에서복합성형함으로써다기능을갖거나서로다른질감을갖는완제품을한번에제조하여공정을혁신적으로단축하고경쟁력을높이는기술의적용이점차확대되고있다. 특히, 다종성형분야에서는 LSR(liquid silicone rubber) 소재를이용한 LIM(liquid injection molding) 이적용된 MCM(multi-component injection molding) 기술이미국과유럽을중심으로개발되어방수커 넥터, 브레이크부품, 크랭크샤프트모듈과같은자동차용부품, 카테터나주사기, 플런저와같은의료부품, 키패드나진동댐퍼와같은전자부품등다양한기능성강유조합 (rigid-flexible combination) 제품생산에사용되고있다. LSR는친환경열경화성소재로서진동특성과수분에대한저항력등기계적, 광학적, 열적특성이우수하며, 일반적인가황형고무에비해품질안정성이높고, 혼합공정삭감과빠른경화특성으로성형시간의대폭적인단축및공정의자동화를꽤할수있는이점이있다 [1, 2]. 본연구는열경화성소재인 LSR과열가소성수지를동시성형하는다종사출공정을통하여자동차용방수커넥터용하우징 (housing) 과방수씰 (connetor seal) 을하나의금형에서조립된형태로생산하기위 1. 인하공업전문대학기계설계과 2. 케이유엠 # Corresponding Author : Department of Mechanical Design, Inha Technical College, E-mail: tsjung@inhatc.kr
방수커넥터용열가소성 - 열경화성이종소재사출금형개발 419 Fig. 1 Structure of water proof connector(male) 한이종소재사출금형의개발에관한것이다. 기존에별도로이루어지던플라스틱하우징과고 무씰의생산공정을하나로통합함으로써금형및 생산설비절감, 검사및조립공정수축소, 생산시 간단축, 물류이송공정감소등에의한원가절감 과우수한기밀성확보, 부품간유격제거, 이송중 부품이탈문제해결등을통해품질안정화를기 대할수있어가격및품질에대한제품경쟁력을 강화할수있다. 본연구에서는이를위하여가열구간과냉각구 간이혼재하는 4 캐비티 (cavity) 의열가소성 / 열경화 성수지이종사출금형을개발하였으며, 전산성형 해석을통해성형공정안정화를위한이중사출성형 사출금형의온도분포와제품성형성을예측하였다. 2. LSR-PBT 이종사출금형 2.1 자동차방수용커넥터자동차의가장중요한부위인엔진룸의모든부 품과방수가필요한자동차의전부위의전장부품 및와이어하네스에사용되는핵심기능부품으로 써, Fig. 1 과같이열가소성사출성형제품인하우 징 (housing), 홀더 (holder), 경화성고무성형제품인 방수씰 (connector seal/ wire seal) 과금속재질인단자 (terminal) 로구성되어있다. 본연구에서의이종사 출성형금형은 PBT 재질의하우징과 LSR 재질의 방수씰을동시성형하기위한것으로생산성향상 을위하여 4 캐비티로제작되었다. 2.2 MCM 이종사출금형구조 Fig. 2 는본연구에서개발된 PBT-LSR 이종사출 성형금형의개략도이며, Table 1 는중요부품의명 칭과부품번호, 재질을보여준다. 개발금형은단열 판으로분리된두개의성형구역을가지며, 실리콘 Fig. 2 4 Cavity LSR-PBT MCM Mold Table 1 Structure of 4 Cavity LSR-PBT MCM Mold NO Part Name Material 1,2,3,4 Fixed Plate NAK80 5 Upper Heating Plate NAK80 6,7 Cover Plate NAK80 8 Lower Heating Plate NAK80 9,10,11 Core Plate SLD MAGIC 12 Core SLD MAGIC 13 Inner Heater NAK80 14,15,16 Moving Plate NAK80 17 Fexed Pin SUJ2 18 Guide Pin & Bush SUJ2 19 Guide Post SUJ2 20 Isolation Plate - 의경화를위하여상하측에각각 5 개씩 10 개, LSR 성형코어의내부에 4 개의카트리지히터를설 치하였으며, 실리콘수지의경화온도는약 170 정도이며, 성형면의온도제어정도는 ±5 이고, 냉 각수의온도는 23±2 이다. 본연구에서의다종사출공정은 1 차로열가소성 수지인 PBT 로성형된커넥터의하우징을로봇시스 템을이용하여취출후 2 차 LSR 성형용코어에
420 정태성 최경석 (a) 4 Cavity LSR-PBT MCM Mold (b) Ejecting robot system Fig. 3 Photograph of Developed MCM Mold System 삽입하고, 하우징의내측면에방수씰을성형하는공정으로이루어지도록설계되었다. Fig. 3은개발된 4 캐비티 PBT-LSR 이종사출성형금형의상하측사진과공정간취출이송을위한로봇시스템을보여준다. 이종사출성형기에서하우징및방수씰의성형이완료된제품은이송로봇을사용하여검사용지그에안착후광센서로제품을확인하고, 컨베이어를통해이송하면서금속검출기를통한제품내부금속물질유, 무검사, 방수커넥터의기능성검사인기밀성검사, 영상을이용한 LSR 콜드런너게이트버 (gate burr) 형상검사, 사출품미성형, 방수씰형상검사를실시하게된다. 또한, 실시간으로금형을보호하고성형공정을감시하기위해금속검출기와적외선조명및필터를적용한카메라를설치하였다. 3. 성형공정예측 3.1 수지물성측정사출성형해석에서수지물성데이터의정확성은해석신뢰성을증대시키기위한주요인자이며, 실제제품에사용되는수지와성형해석에적용한소재의유동특성이상이한경우해석결과에대한신뢰성은크게떨어지고해석을이용한공정예측이 불가능해진다 [3]. 본연구에서는정확한성형공정예측을위하여사용되는 LSR 과 PBT 수지에대하여유변학적물성을측정하였다. LSR 의비열은열경화성수지의경화반응거동에따라서경화반응전, 경화반응중, 경화반응종료상태에따라서상이하며, 경화반응전의비열, 경화반응중의비열, 경화반응후의비열을측정하여해석용데이터로사용하여야한다. 본연구에서는 DSC(differential scanning calorimetry) 를이용하여적용된 LSR 수지 (GE gayer silicones, LSR 2740 TP3783) 에대한비열을측정했다. 또한, LSR 수지는일반적인열가소성수지와달리경화반응에따라서액상에서고상으로의상변이가발생하게되며, 그에따라수지의흐름성이결정되게된다. 경화반응속도는금형으로부터공급되는열량에따라제어되므로등온및비등온상태에서의경화도거동을분석하여해석에적합한데이터를구축하는것이필수적이다. 본연구에서는 DSC 를통한 LSR 수지의경화반응특성을측정했으며측정된결과는비선형회귀분석을통해서수식 (1) 과같은 Kamal model 에적합한계수로구성하였다. 여기서, α 는경화도 (degree of cure), k 는반응속도상수 (reaction rate constant), R 은기체상수 8.3145J/mol- K, T 는절대온도 (absolute temperature) 이며, 실험을통해얻어진활성에너지 (activation energy) E i, 와상수 m, n, a i, 는표 2 와같다. d n m ( k1 k2 )(1 ), E k a i i i exp (1) dt RT Table 2 Coefficient of Kamal Model for LSR m - 1.29586 n - 1.86315 a 1 [1/sec] 1.38813 x 10-2 a 2 [1/sec] 2.27162 x 10 9 E 1 [J/mol] 1.25452 x 10 5 E 2 [J/mol] 7.32022E x 10 4 LSR 수지의경화반응은외부로부터의에너지가일정수준이상공급되어야만반응이시작되는경화지연특성을지닌다. 전체경화도중 5% 가경화되는시간을경화거동시점으로보고경화반응
방수커넥터용열가소성 - 열경화성이종소재사출금형개발 421 지연특성을수식 (2) 와같은형태로반영하였다. 실 험으로얻어진 T 0 와 t 0 값은각각 1.3764x10 4 K, 3.7726x10-15 sec 이다. t t i t T dt exp 0 t (2) T t 0, 0 i 본연구의 MCM 공정은 1 차성형된열가소성수 지부품이열경화성수지성형부로이송된후인서 트되어 2 차열경화성수지부품성형시적용된다. 따라서, 최종제품의품질안정화를위해서는 1 차 성형되는열가소성수지부품에대한사전예측작 업이필수적이다. 본연구에서는 1 차성형공정에 서발생할수있는물리적변화및제품불량을사 전에예측하기위하여 1 차성형수지인 PBT( 삼양사, PBT Tribit 1500G10K) 의유변학적특성, 열적특성 및결정화특성에대해서측정하였으며, 측정한데 이터는여러성형해석소프트웨어에서사용될수 있도록정형화된형태의데이터베이스로구축했다. 3.2 1 차사출성형해석초기에실온상태인금형이사출기에장착되어 일정한횟수의사출공정을거치고나면각부분이 열적으로평형한상태가되어매사출공정마다각 부분의온도가일정한범위내에서변하게된다. 그 러나, 일반적으로전산성형해석을수행하는경우 해석시간의문제로인하여이러한변화를고려하지 않고금형코어나플레이트의온도가일정하다는 가정하에해석을수행하기때문에실제사출과차 이를보이게된다. 본연구에서는전산성형해석은독일 Magma 사의 Sigma V5.0 를사용하여 PBT 제품의성형해석을한 후이결과를바탕으로 LSR 제품의성형해석이되 도록 2 단계로수행하였으며, 해석의정확성을기하 기위하여초기금형온도설정후 11 사이클 (cycle) 의연속공정해석을진행하였다. PBT 수지로성형되는커넥터하우징제품부는핫 런너 (hot runner) 와터널게이트로구성된유동기구를 통해 4 개의 부품이동시에성형되며각부품을식 별하기위한번호는그림에표시되어있다. Table 3 와 4 은성형해석을위한초기온도와성형공정조 건을보여준다. 성형공정이진행된후해석으로예측된금형코 Fig. 4 Connector housing(pbt) part injection zone Table 3 Initial Mold Temperature Resin melting temperature(pbt) 275 Hot runner manifold block, nozzle & coil 275 Mold parts(include Insulation plate) 23 Cooling water 70 Table 4 PBT Injection Conditions Injection time 1.21s Flow rate 16cm 3 /s Packing pressure/ time 560bar/ 6s Cooling time 46.5s Mold opening/ closing time 2s Insert moving time 25s 어부의온도는전체적으로약 60~78 분포를보여주는데공기에노출되어있는쪽의온도가단열판이위치한쪽온도보다낮은상태이다. 해석에서충전시간 (filling time) 은약 1.211초가소요될것으로예측되며, 실제사출과는 0.23초차이가있었다. 이때최대사출압은 994.4bar로예측된다.
422 정태성 최경석 (a) Pressure of 4 cavity (at end of fill) Fig. 8 Connector seal(lsr) part injection zone (b) Short shot Fig. 5 filling pattern of 4 cavity Fig. 9 Cold runner nozzle Fig. 6 Hot spot of Core #2, #3 Fig. 7 Surface temperature of connector housing(at 25sec after ejection) Fig. 5 는충전완료시각캐비티별압력을보여주는데 Part 2, 3 이먼저충전되고, 그후 Part 1, 4 순으로충전됨에따라각캐비티별압력편차가발생됨을예측할수있으며, 미성형시험에서도동일한현상을확인할수있다. 이는 Fig. 6과같이냉각채널이설치되지못한금형의하부에금형벽면온도가 48~88 까지분포되는 Hot spot이존재하기때문으로제품의성형성, 치수안정성또는 2차열경화성제품의성형시문제가발생할수있는가능성이있음을알수있으며, 이를보정하기위하여냉각회로를보완하였다. 취출후 25초가지나면커넥터하우징의표면온도는약 60~64 분포를보일것으로예측되었으며, 제품상층내부온도가높아냉각속도편차에의해등변사다리꼴형태의변형이예상된다. 3.3 2차사출성형해석 LSR 수지로성형되는방수씰제품부또한커넥터하우징과같이총 4 캐비티로구성되어있으며, 오픈게이트 (open gate) 형태의콜드런너 (cold runner) 를통해 LSR이공급된다. 콜드런너와금형의접촉부및게이트설정위치에대한상세한사항을다음과같다.
방수커넥터용열가소성 - 열경화성이종소재사출금형개발 423 Table 5 Initial Mold Temperature Resin temperature(lsr) 25 Cold runner nozzle 23 Mold parts(include Insulation plate) 23 Cooling water(mold/ Cold runner) 70 /23 Heater(Fixed/ Movable) 165 / 163 Connector housing(pbt) 60 Table 6 LSR Injection Conditions Fig.11 Filling Pattern Injection time 0.88s Flow rate 1.85cm 3 /s Curing time 52.5s Mold opening/ closing time Insert moving time 2s 25s Fig.12 Shear rate of LSR runner (a) Temperature (b) Degree of cure Fig.10 Cold runner nozzle Table 5 와 6 은성형해석을위한초기온도와성형해석조건을보여준다. 10 회의성형공정이진행된후해석으로예측된콜드런너영역의온도는약 23 ~31 분포를보였으며, 상 / 하측히팅채널의온도를 165, 163 로제어할때, 상 / 하측금형온도는약 150~155 로분포된다. Fig. 10 은사출직전노즐팁부의온도와경화도를보여주는데, 콜드런너노즐팁의최대온도가 114 까지상승되고말단부 LSR 이 99% 이상경화되어, 초기사출압증가의원인으로작용함을예측할수있다. 콜드런너팁부의초기경화로인하여수지가노즐부를통과시최대사출압은 1450bar에도달할것으로예측되며, 이후급격히사출압이감소하였다가 제품부유동시에는최대 470bar가요구되고, 평균 301bar의낮은압력으로사출된다. Fig. 11은각캐비티별충진패턴을표시하는데, Part 2, 3 이먼저충전되고, 그후 Part 4, 1 순으로충전됨에따라각캐비티별압력편차가발생됨을예측할수있다. 이는 Fig. 12에서와같이 1차콜드런너에서 X 자분기로유동시 Part 2, 3 쪽으로전단률이높은수지가유동되기때문에생기는현상이다. 전단률에의한전단열이발생하면서 Part 2, 3 쪽수지의온도는높아지고점도는낮아지면서 Part 2, 3 의유동이빨라져유동불균형 (flow unbalance) 이발생한것으로예측된다. 본연구에서는이러한문제를해결하기위하여 Fig. 13과같이런너의형상을수직분기형으로변경하였으며, 충진말단부에가스벤트 (gas vent) 와오버플로우 (overflow) 홀을설치하여유동선단에몰린공기와가스가제품기능부밖으로밀려나갈수있도록하였다. Fig. 14는본연구를통하여제작된방수형커넥터의형상과단면을보여준다.
424 정태성 최경석 4. 결론 (b) horizontal (b) vertical Fig.13 LSR runner Fig.14 Overflow hole 본연구에서는방수기능의커넥터하우징을생산하기위한열가소성수지인 PBT 와열경화성 LSR 의다종사출금형을개발하였다. 개발된금형은열경화성수지의경화를위한가열과열가소성수지의고화를위한냉각이혼재한 4 캐비티금형으로서 LSR 의유동을오픈게이트형식의콜드런너를가지고있다. 전산성형해석을통하여다종사출성형공정에서금형의온도분포와제품성형성을예측하였으며, 성형해석의신뢰성향상을위해실제성형에서사용하는수지의열적, 유변학적물성을측정하였고, 초기금형온도를설정후 11Cycle의연속공정해석을진행하였다. 열전달을고려한전산성형해석은먼저 PBT제품의성형해석을한후이결과를바탕으로 LSR제품의성형해석이되도록 2단계를거쳐수행하였다. 후기 본연구는산업통상자원부산업원천기술개발 방수제품용복합열가소성 / 열경화성이종소재정밀사출금형기술개발 ( 과제번호 : 10042755) 의연구결과임. Fig.14 Developed automotive waterproof connector REFERENCES 본연구에서개발된커넥터에대하여방수성시험을실시하였다. 방수성시험은상대체결된커넥터하우징의외부를실리콘으로완전밀봉하고수조속에넣은후커넥터내부에공기압을서서히가하여기포가발생할시점까지의압력을측정하여기포가발생될때압력수치가방수커넥터의요구수준을만족하는지에대해평가하였다. 순간적인기포배출을정확하게확인하기위해고속카메라를설치하여압력증가에따른기포배출과정을관찰하였으며, 시험결과환경내구성후전밀봉력 2.0kgf/cm 2, 내구성후 0.5kgf/cm 2 를만족하는것을확인할수있었다. [1] H. P. Park, B. S. Cha, J. W. Lee, Y. B. Ko, S. G. Kim, T. S. Jung, D. H. Kim, B. O. Rhee, 2014, Effects of Variation in Process Parameters on Cavity Pressure and Mechanical Strength of Molded Parts in LSR Injection Molding, J. Kor. Soc. Manuf. Technol. Eng., Vol.23, No.2, pp. 206~212. [2] S. H. Lee, J. W. Lee, J. J. Kang, 2011, Proc. Spring Conf., Kor. Soc. Manuf. Technol. Eng., Kor. Soc. Mech. Eng., Seoul, Korea, pp. 138~139. [3] T. S. Jung, J. S. Kim, S. J. Ha, M. W. Cho, 2014, Measurement of Viscosity and Numerical Analysis of High Speed Injection Molding for Thin-Walled LGP, Trans. Mater. Process., Vol.23, No.1, pp. 41~48.