Basic Concept Page 1
개요 1. 이란? 2. GIM 제품개발과정 3. GIM 을위한중요인자 4. 기대효과 5. GIM 장치 Maker Page 2
이란? 은수지를금형속으로일정량충전시킨후에질소 Gas를주입하는방법으로발포성형의문제점을해결하고일반사출성형의장점을보강한새로운사출성형방법이라고볼수있다. GIM은수지의주입량에따라서 Full shot, Short shot방식으로구분되며, Gas의주입위치에따라서 Nozzle type, Pin type으로구분된다. Gas Injection의주목적은 Sink mark,warp의방지및gim기술로원가절감에있다. 여기서 Gas의주입방법또는위치에따라서특허가등록되어있으며그들이각각 Gas Unit를제작판매하고있다. Page 3
GIM 제품개발과정 3 차원설계 시험사출 MOLDFLOW interface 유동해석 -. Gate/Runner 결정 Gas 해석 -. Gas Channel 설계 -. 최적조건 검토및평가 최적의공정조건설정 금형설계및제작 Page 4
GIM 을위한중요인자 DESIGN 제품설계 금형설계및가공 충전및 Gas 공정조건 수지 (Polymer) 신뢰성환경 Page 5
기대효과 제품일체화로부품수감소및공정단축 변형방지 Boss, Rib 부위의 Sink mark 방지 Runner 수및제품두께감소로 Resin 량절감 Core 측구조단순화로금형가공시간단축 제품강성유지 설계자유도향상 Page 6
GIM Maker > 약 15 개의 GIM 장치 Maker 가있다. Cinpres Battenfeld Krauss Maffei Klockner Gain Technologies Engel Mannesmann Asahi Chemical Gas Injection Ltd Stork Sandretto Billion Hettinga Bauer Compresseurs Johnson Controls Hydac / Befa 1년에약20% 정도성장 Page 7
기본이론 1. Polymer 충전량에따라 2. Gas 주입방법에따라 3. Gas Injection 장치구성도 4. Gas 주입장치 ; Nozzle, Pin type 5. Gas Process 4단계 Page 8
Polymer 충전량에따라 FULL SHOT -. Polymer을 100% 충진후 Gas를주입하는방법 -. 복잡하고얇은제품에주로적용 -. 가전제품, OA기기등 SHORT SHOT -. Polymer을 70-99% 충진후 Gas를주입하는방법 -. 단면적이크고 Volume이큰제품에적용 -. 핸들, 두꺼운제품등 Page 9
NOZZLE TYPE Gas 주입방법에따라 -. Gas 주입을사출기 Nozzle 을통해서한다. -. Shut Off Nozzle 이필요하다. -. Gas Pressure Drop 이크다. -. Hot Runner 를사용할수없다. -. Multi Cavity 에적용하기어렵다. PIN TYPE -. Gas 주입을제품의특정부위로한다. -. 금형이동측에 Gas Pin 을가공하여설치해야한다. -. Gas 가 Gate 로역류하는것을방지하기위하여 Valve Gate 가요구된다. -. 낮은 Gas Pressure 로 Gas 주입이가능하다. -. Hot Runner 를사용할수있다. Page 10
Gas Injection 장치구성도 Nozzle type 구성도 Pin type 구성도 Page 11
Nozzle Type Gas 주입구조 Page 12
Gas Pin 의 Gas 주입구조 Page 13
Gas Process 의 4단계 수지충전 Gas 주입 Gas 보상 Gas 빼기 Page 14
Polymer Injection 단계 용융수지 고화층 분수효과에의한수지선단의흐름 수지를금형속으로충전시킨다. 이때차가운금형면과접촉되어있는부위에고화층이형성된다. Page 15
Gas Injection 단계 Hydro-Dynamic Layer 고화층 Gas Channel 용융수지 질소 Gas 를용융상태의수지속으로주입하여중공단면의 Gas Channel 을형성하고미성형부위로수지를밀어준다. Page 16
End of Injection 단계 Hydro-Dynamic Layer 용융수지 Gas Channel 고화층 Gas 가주입되는선단 Cavity 내부가완전충전될때까지 Gas 를계속해서주입한다. Page 17
Packing 단계 완전고화가된부위 Gas 주입완료단계의 Gas 주입상태 Gas channel Volumetric shrinkage 를보상하고제품의형상 ( 금형의전사성 ) 을위하여 Gas Channel 속으로일정시간동안에일정압력을가해서 Gas 의 Packing 상태를유지한다. Page 18
GAS 주입상태도 제품형상, Frozen layer, Capillary number 를기준으로 앞으로밀려나가는수지량을계산한다. Page 19
Capillary Number Capillary Index Ca = V η/ τ V : Melt Velocity η : Melt Viscosity τ : Surface Tension Capillary number 는 Viscosity, Velocity, Surface tension 에의해서계산된다. Page 20
COOLING 상태비교 A A B B B B Conventional Injection Molding Page 21
사전검토사항 1. Moldflow 접근방법 2. Customer 관심사항 3. GIM 을위한검토사항 Page 22
DFHGGHHJN FCGHJMJJKJHJKJHK 150 30 30 기존의접근방법 Moldflow 접근방법 시행착오 (Trial and error), prototype tooling 금형수정횟수증가로개발일정지연 원가상승 Moldflow 접근방법 금형제작전에 Simulation Design 단계에서예상문제점검토 최적의공정조건설정 개발기간단축및원가절감 File Edit Create Delete Show Set Defaults Mode Results Analysis Interface Utilities FILL TIME (sec) 2.528 model.fnr fghgjhjh model FAST ALGORITHM xfghgh 0.008 0.624 1.289 1.958 2.528 housing Page 23
Customer 관심사항 1. Gas Channel Layout and Size 2. Gas Channel 형상 3. 수지 (Polymer) 4. 적당한제품설계 5. 최적의 Gas 공정조건 6. 문제점예측및대책수립 Page 24
GIM 을위한검토사항 (1) -. Polymer 및 Gas inlet 위치 -. 어느방향으로 Gas가흘러갈까? -. 어느정도 Gas Fingering이일어날까? -. 제품의기본두께 -. Gas channel layout -. Gas channel 형상및 size -. 최적의제품중량 -. Sink mark 방지 Page 25
GIM 을위한검토사항 (2) -. 요구되는형체력 (Clamp force) 은얼마인가? -. 금형및수지온도 -. 수지의유동상태 -. Gas 지연시간 (delay time) -. Gas profile : pressure/time -. Gas 빼기시간 (venting time) -. Total cycle time Page 26
제품설계방법 1. Boss 설계 2. Rib 구조설계 2. 미세한 Hole 부위의설계 Page 27
CRT BOSS & RIB 부위형상 구조는일반사출성형구조에비해간단히한다. CRT Boss에너무많은Rib가붙어있으면 Volume이커서 Gas Fingering이심해지고오히려강도가약해진다. CRT Boss 높이는높은것이 Gas Fingering을방지하는데유리하다. Page 28
EJECT PIN 에의한구조보강 구조적으로강도가요구되는부위는옆의그림처럼 Eject Pin을이용하여구조를보강해준다. 일반적으로 φ6.0mm 정도로하고 제품에따라서 φ10.0mm 까지도 가능하다. Eject Pin Page 29
벽면연결부분 RIB 설계 벽면에연결되는 Rib 두께는 t1.0mm로얇게한다. 이것은 Rib를통해서Gas Fingering이발생하는것을방지하기위함이다. 얇은 Rib Page 30
바닥부형상및 Rib 설계 바닥부위 Rib는빼기구배를크게주어야한다. 바닥부위는방열홀로인하여흐름이정체되는현상이나타난다. 따라서 Rib Size를크게하여 Flow leader 역할을하도록한다. Rib Size는 ( 대 )t4.0mm, ( 소 )t2.0mm 정도로한다. A 부위는방열홀을삭제하여흐름을좋게한다. 바닥부위에 Gas Channel을가공할필요는없다. A 방열홀 Page 31
BACK COVER 조립 BOSS a Back cover 조립 Boss를일체화하고 Rib를부착하여강도를보강한다. Rib a 는제품벽면에붙어서얇게하고, Rib b 는두껍게하여강성을보강해준다. 이때는냉각을고려하여너무두껍게하지않도록하는것도중요하다. Rib Size는 a : t1.2 - t1.4mm b : t2.0 - t3.5mm b Page 32
RIB 설계기법 Rib의높이가너무높을경우는 A 부위처럼 Rib 형상을설계하여구조적으로강성을유지하며냉각상태도양호하게한다. 이런구조는이형성도상대적으로양호하다. B A 또한금형가공편리성을위하여 B 부위형상으로 Rib를설계하면 Core분할면한쪽만가공하여도된다. Page 33
SPEAKER HOLE 부위설계 문제점 : Short shot 발생 Air trap 발생 원인 : Hesitation ( 유동정체현상 ) Resin 에의해발생한 Gas 빼기물량 대책 : Flow leader 설치, Speaker hole부위 Rib 추가, Hole pitch를넓게한다. Gate 위치를멀리한다. Air Vent 설치 : Core 분할, Eject pin 이용, 통기성재질사용 : 포세락스 온수를사용한다. Speaker부위와기본두께차이를줄인다. Page 34
Gas Channel 설계방법 1. Gas Channel 형상및 size 2. Gas Channel Layout 3. Gas Channel 형상및 size 결정방법 Page 35
GAS CHANNEL 형상및 SIZE(1) A = b = (1.5-3.0)s S = 2.3-3.5mm C = (0.5-1.0)s d = (5.0-10.0)c Page 36
GAS CHANNEL 형상및 SIZE(2) Page 37
GAS CHANNEL 형상및 SIZE(3) Fingering Fingering 대책 Page 38
GAS CHANNEL 형상및위치 Direction of ejection undercut No undercuts, significant reduction in tooling cost undercut Direction of ejection More expensive tooling Better design with/for gas Page 39
GAS CHANNEL LAYOUT (1) Main Gas Channel 은제품의 Corner 부위로 Layout 한다. Gas Channel 부위의광택차이를줄일수있다. 제품기본두께로 Gas Fingering 을줄일수있다. Gas Channel Layout 은 Flow Balance 를유지하도록해야한다. Gas Channel Length 는가능하면짧게한다. Gas Channel 이너무길면 Gas Pressure 가높아야 Gas 주입이가능하다. Gas Channel 끝부분의 Sink mark 를방지할수있다. Gas Channel Size & Length 는 Resin 의 Melt Flow Index 에영향을받는다. High Flow Resin 은 Size 를작게한다. Low Flow Resin 은 Size 를크게한다. Page 40
GAS CHANNEL LAYOUT (2) 강성을요구하는부위 Boss 부위 Boss 가높을경우바로아래로위치한다. Boss 가낮을경우우회하여위치한다. Rib 를따라서위치한다. Small Gas Channel Main Gas Channel 에서멀리떨어진 Boss 나 Rib 강성을요구하지않는부위로 Sink mark 가우려되는곳 Gas Channel 사이는반드시단절시켜야한다. Gas 가서로충돌하는것을방지하기위함이다. Gas Channel 끝부분은 Taper 를준다. Gas Fingering 을방지하기위함이다. Page 41
GAS CHANNEL 형상및 SIZE 결정방법 제품구조및형상에따라결정한다. 보통제품기본두께의 2.0-3.0배정도로한다. Resin의 Melt Flow Index에따라다르다. MFI가높을경우Size를작게하고, 낮을경우 Size를크게한다. Gas Channel 길이에따라다르다. Gas Channel 길이가길면 Size를작게하고, 짧으면 Size를크게한다. Gate 수및위치에따라다르다. Fingering 상태에따라다르다. Fingering이심하면일반적으로 Size를크게한다. Page 42
공정조건설정방법 1. 사출조건 2. Gas조건 3. 시험사출조건설정방법 4. Gas 주입경로 Page 43
사출조건 (1) Filling time 은가능하면짧게한다. Filling speed 를높인다. 이때 Gate flow mark 나 Silver streak 이발생하지않도록해야한다. Filling Velocity 는충진과정중에일정하도록하는것이좋다. 일반사출로금형온도를일정하게올린상태에서 Gas 를주입한다. Pin type 의경우는제품에따라서약간의사출보압을설정할수도있다. 그러나 Nozzle type 에서는사출보압을설정하지않는다. Page 44
사출조건 (2) 사출기 Barrel 의온도 Control 이정확해야한다. 사출기 Barrel Temperature 는일반사출보다약 5-10 도정도를높여준다. 제품속으로주입된 Gas Volume 을육안으로판단할수없다. 사출기계량허용오차는 ±0.5% 이내로해야한다. 에서가장중요한것은중량관리이다. 사출시에제품의중량을관리하여문제점을파악한다. Page 45
GAS 조건 (1) Delay Time 설정 Nozzle Type의경우0.5-1.0sec 정도로한다. Pin Type의경우는제품에따라서 1.0-3.0sec 정도로한다. 제품특성에따라서달라진다. -. Delay time이너무길면고화층이커져서 Gas 주입이어려워진다. Boss, Rib 부위에 Sink mark 가발생한다. -. Delay time이너무짧으면 Fingering이심해진다. Gas Channel 주위에 Stress mark가발생한다. Page 46
GAS 조건 (2) Gas Pressure 설정은 Gas Unit에따라설정방법이다르다. Pressure Control 방법 : GAIN, AGI, AIR-MOULD 등 Volume Control 방법 : CINPRES ( 현재는 Pressure control) -. Gas Pressure가너무높을경우 Fingering이심하게나타난다. Gas channel 부위에 Stress mark가발생한다. 제품특정부위표면이부풀어올라온다. 제품이금형에물림현상이나타난다. -. Gas Pressure가너무낮을경우 Gas Channel 속으로 Gas 주입이어렵다. Gas Channel, Boss, Rib 부위에 Sink mark가발생한다. Page 47
GAS 조건 (3) Gas Vent Time은 Gas Channel 속으로주입된 Gas를제품밖으로빼내기위해서필요한것이다. -. Nozzle type의경우 Mold가 Open되기약5초전에사출기Nozzle을후퇴시켜서대기로 Vent 한다. -. Pin type의경우 Mold Open 전에약10.0sec 정도로길게설정한다. 어떤경우에서도반드시설정하여야한다. Gas Unit로 Gas를 Vent 한다. Page 48
시험사출조건설정방법 1. Short shot 으로최종충진부위를확인한다. 2. 유동 Balance 를확인한다. 3. Gas channel layout 및 Size 를확인한다. 4. Gate, Runner layout 및 Size 를확인한다. 5. 금형온도가안정하게되도록연속사출을한다. 6. 충진조건결정후 Gas 를주입한다. 7. Gas 조건설정후 Fingering 부위를확인하고계량을올린다. 8. 동일조건에서계량을 Sink mark 가나타날때까지올린다. 9. Fingering 과 Sink mark 가나타나지않는범위를 Process Window 로잡는다. Page 49
GAS 주입경로 Pressure가높은곳에서낮은곳으로 Temperature가낮은곳에서높은곳으로 금형내부저항이작은쪽으로 최종충진부위쪽으로 Volumetric Shrinkage가일어나는쪽으로 Gas가주입될수있는공간은Resin의 Volumetric Shrinkage량뿐이다. Page 50
Mold & Polymer 1. Runner Layout 및형상 2. Gate 형상및 size 3. 금형제작의기본사항 4. Polymer Main Property Page 51
RUNNER LAYOUT & SIZE Runner 형상은가능하면원형이좋다. Runner Layout 은 Flow Balance 를유지하도록해야한다. Cold slug well 을설치하여 Silver streak, Gate mark 등을방지한다. Page 52
GATE 형상및 SIZE 주로 Curved Tunnel Gate 를추천한다. 이것은제품을취출후에 Gate 를제거하는후가공이필요없기때문이다. Tunnel Gate, Submarine Gate, Slant Slide Gate, Film gate 등도사용할수있다. Gate 수는제품의크기및형상에따라결정된다. Gate 수는가능하면최소화한다. Pin type 의경우는 Valve gate 를사용하는것이좋다. Page 53
금형제작의기본사항 Gas Channel Size 및 Layout 을정확히가공한다. Delivery system (Sprue, Runner, Gate) 을정확하게가공해야한다. 제품의좌우측두께편차를최소화시킨다. 좌우측두께편차가 0.1mm 이상이면 Gas Unbalance 가일어난다. Air Vent 를가공한다. High Speed 로충진되기때문에 Weld line 이나 Air trap 부위에가공한다. Cold Slug Well 을가공한다. Silver streak 이나 Gas 가발생할경우는반드시가공한다. Page 54
RESIN MAIN PROPERTY MFI (Melt Flow Index) IMPACT HDT (Heat Distortion Temperature) MELT STRENGTH 가좋아야한다. Gas Fingering 을방지할수있다. Thermal Stability 열분해, Silver streak 방지에도움이된다. 이형성백화방지에도움이된다. Page 55
Trouble Shooting & Others 1. GIM의주요문제점 2. Gate 위치에따른문제점 3. Gas 문제점대책 4. 향후개발방향 5. 맺음말 Page 56
GIM 의주요문제점 Fingering Sink Mark Gas Unbalance Solid part in the gas channel Page 57
Gate 위치에따른문제점 Risk of Warpage Gate Gate Solid part Gate ( 양호 ) Process related surface thickness reduction Risk of Sink mark Gas Inlet Page 58
GAS 문제점대책 No Problems Mold temperature Melt temperature Injection time Solutions Resin volume Delay time Gas pressure Gas time 1 Gas fingering Down Down Long Up Long Down Down 2 Blow-out Down Down Short Up Long Down Down 3 Stress mark Up Up - Up Long Down Down 4 Sink mark Down Down Long Down Short Up Up 5 Silver streak Up Down Long - - - - 6 Color difference Down Down Long - Short Down Down Page 59
MPI/GAS 결과 Polymer Filling Pattern Gas Inlet Location & Number Gas Channel Layout Gas Channel Size Gas Filling & Packing 상태 Gas Blow Out 위치 Gas Fingering Page 60
향후개발방향 1. Analysis for Liquid Gas Injection 2. Link to Warpage and Structural Analysis 3. Real 3D Analysis 4. Fiber Orientation Analysis 5. Predict Surface Finish(Whitening, etc.) Page 61
맺음말 1. 적용목적이무엇인가? 2. 어떤기대효과를얻을수있는가? 3. 시행착오를줄이기위해서사출성형해석이반드시필요하다. 4. 제품설계개념이 GIM에알맞게변경되어야한다. 5. 정확한금형가공이이루어져야한다. 6. 적합한재질을선정해야한다. 7. 사출기의계량오차가작아야한다. 8. 제품설계, 금형설계및가공, 사출성형, 재질, CAE부문이 GIM을위해Co-work을해야한다. Page 62