Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 5 pp. 2587-2593, 2014 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2014.15.5.2587 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 김진호 1, 홍석무 2*, 황지훈 2, 이종찬 3, 김낙수 4 1 삼성전자첨단기술연수소, 2 삼성전자글로벌기술센터, 3 금오공과대학교기계공학과, 4 서강대학교기계공학과 Analysis of the Effect on the Process Parameters for the Thin Ceramic Plate in the Ceramic Injection Molding Jinho Kim 1, Seokmoo Hong 2*, Jihoon Hwang 2, Jongchan Lee 3 and Naksoo Kim 4 1 Samsung electronics Co. Ltd., Advanced Technology Training Institute 2 Samsung electronics Co. Ltd., Global Technology Center 3 Department of Mechanical Engineering, Kumoh University 4 Department of Mechanical Engineering, Sogang University 요약세라믹사출공정 (CIM) 은산업분야전반에걸쳐널리사용되고있는공정중하나로, 점차의료용전자기기의부품등으로확대적용되고있다. 본연구에서는 FEM 해석을통해 CIM의공정변수가제품의품질에미치는영향을분석했다. 단순평판형상의해석결과를기초로구멍이있는형상, 모서리부가둥근형상및측벽구조가있는형상등과비교분석했다. 구멍이있는형상의경우, 구멍주변에밀도분포가고르지못하며용접선 (weld-line) 과같은결함이발생할수있음을예측할수있었다. 반면제품의모서리부반경이크면성형성및유동성이좋아지는것을확인했다. 따라서 CIM 공정변수뿐만아니라제품의형상변수도고려해야한다. 해석결과온도, 초기분율, 속도등의공정변수는제품의품질향상을위한중요한설계변수가될수있음을확인할수있었다. Abstract Ceramic Injection Molding (CIM) is one of wide used processes in industry field and the applications are gradually being expanded to parts of medical and electric devices. In this study, the CIM process were analyzed with FEM and process parameters were studied and analyzed the effect on product quality. The shape of simple flat plate was compared to the shapes with the hole, with the round corner portion or with the side wall portion. If there are holes then the hole around the uneven density distribution and the defects such as weld lines could be occurred. The Large radius of the corners of the product give good formability and fluidity. Not only the shape parameters of product but also the process parameters during CIM are studied. The simulation results showed that the process parameters of temperature, initial fractions and velocity are important design parameters to improve the quality of products. Key Words : CIM(Ceramic Injection Molding), Flow stress, PIM(Powder Injection Molding), Volume fraction 1. 서론분말사출성형 (Powder Injection Molding) 은복잡한형상과높은강도가필요한금속부품에주로사용되는공정이다. 프레스, 주조, 단조, 기계가공등일반적인가공공법으로원하는형상및품질또는균질성을얻지못할때주로사용되며, 분말사출후소결을통해강도가 높아지게된다 [1]. 분말사출은복잡한형상의정형가공이가능하고소결후제품강도가보장되기때문에다양한제품과형상에응용되고있는추세이다. 그중에서도세라믹분말을사용하는세라믹사출공정 (Ceramic Injection Molding) 으로성형된제품은경량구조재료이면서내열성과내마모성이우수하다. 특히, 심미적인재질감으로인해인공관절및인공치아등의의료용재료 * Corresponding Author : Seokmoo Hong(Samsung electronics) Tel: +82-31-200-2437 email: seokmoo.hong@samsung.com Received April 14, 2014 Revised May 7, 2014 Accepted May 8, 2014 2587
한국산학기술학회논문지제 15 권제 5 호, 2014 에서부터압전재, 광학재료및전자제품의케이스까지여러분야에점차확장적용되고있다. 하지만 CIM은유동성을고려한금형의설계, 사출공정조건, 사출후탈지, 소결시발생하는수축량정밀예측등고려해야할공정변수가많기때문에개발과정부터어려움이많다. 특히최종제품의치수를정밀하게제어하기위해금형설계시수축량을정확히파악해야하는데분말의종류, 성형밀도, 소결온도에따라각기다른특성을보이기때문에예측이쉽지않다 [2]. CIM 공정은대략 150 ~200 의온도범위에서금형에세라믹분말및고분자바인더의혼합물을주입하여사출하는데, 사출시유동방향에따라용접선 (weld line) 이나미충전등일반적인사출결함을동반하게된다. 또한높은압력이가해지고세라믹혼합재료체적분율과온도변화에민감한높은점성을가지고있기때문에사출시주입온도, 사출압력및게이트의위치와같은공정조건이제품의품질에크게영향을미치게된다. CIM의공정설계는일반적으로많은시행착오를거쳐확립되는데, 소결시굽힘및비틀림의문제를예측, 개선하는것은매우어렵다. 따라서소재의거동과취약부를예측할수있는 CIM 수치해석기법을정립하는것이중요하다. 해석을활용한공정조건최적화는제품결함발생을감소시키고생산효율을향상시킬수있다. 세라믹분말을이용한정형가공법은복잡한형상의제품을생산할수있지만, 원료로사용되는고순도세라믹분말의단가와혼합물제조가난해하기때문에경제성을고려하기힘들다. 또한분말야금으로제조된부품은복잡한 3차원형상을만들기에는기술적으로어려움이있다 [3]. CIM 사출해석을위해서다양한선행연구가시도되어왔다. Kwak 등은 3D-Timon 을사용하여분말사출성형해석을수행하였으며, 용접선 (weld line) 결함등을예상했다 [2,3]. Hwang 등은유한요소해석으로세라믹혼합물의거동을모사하기위해변형률, 변형률속도, 온도, 체적분율을포함하는유동응력모델을제안하고물성실험및해석을통해물성을역공학도출했다 [4]. Lee 등은유한요소해석으로 CIM공정을모델링하여사출시압력구배에의해부분적으로상대밀도차이가발생할수있음을보였다 [5]. 본연구에서는실제세라믹사출금형을제작하고, 세라믹사출공정에서중요한인자로알려진사출온도, 사출속도, 초기분율, 금형마찰등에대한영향을파악하였다. 또한 3차원형상을고민할때필요한 형상인자두께, 홀, 모서리형상, 측벽의유무등다양한제품의형상변수를설정하고 Hwang[4] 과 Kim[6] 등이제안한유동응력모델을활용하여세라믹사출해석을진행하였다. 평판사출의경우각공정변수를독립적으로변수연구하여제품품질에영향을미치는영향에따라기여도를평가했고, 이를기반으로단순평판, 구멍을가진형상, 둥근모서리부또는측벽부형상등제품외관설계시결함이발생하지않는최적공정변수의범위에대해연구했다. [Fig. 1] Examples by ceramic injection molding (Camera lens-ring(sony) and bezel of watch(chanel)) 2. 유한요소해석모델링 2.1 강소성유동응력모델세라믹분말의체적분율과점도의영향을포함하는강소성유동응력모델은식 (1) 과같다 [4]. (1) 여기서, 는유동응력, k 는강도계수, n 은가공경화 지수, m 은변형률속도민감지수, 는변형률그리고 는변형률속도를의미한다. 한편, 2상 (two-phase) 으로존재하는혼합물의거동을정확히모사하기위해온도에따른점성관계식에체적분율을함께고려하기위해서 2588
체적분율과점성관계식을식 (2) 와같이표현했다. (2) (3) 또한, 가공경화지수 n과변형률속도민감지수 m을온도의함수로변형하여세라믹혼합체의최종모델식은식 (4) 와같이표현된다. Material parameters Value K [MPa] 0.02642 A 0 0.0001 n 0.8836 B 0 [s -1 ] 0.5865 m 2.4246 b 13.344 Q [J/mol] 16125 (4) 여기서, T는온도, T 0 는상온을의미한다. 는상온에서의점도 (viscosity), Q는활성에너지 (active energy), R은이상기체상수이다. f n 는체적분율 (volume fraction) 이며 f cr 는임계체적분율 (critical volume fraction) 을의미한다. 재료상수 K, A 0, B 0, n, m, b는다양한속도, 온도조건하에서원기둥압축시험을수행한후하중-변위곡선을얻어 Table 1과같이역공학기법으로도출한값을사용했다 [4]., R, f cr 그리고 T 0 는각각 0.002, 8.31432J/K-mol, 1.0, 그리고 20 로입력했다. 강소성유동응력모델과체적분율업데이트알고리듬을반영하기위해, 상용유한요소해석프로그램인 DEFORM3D 에서브루틴을적용했다 [7]. [Table 1] Material parameters of feedstock [Fig. 2] Simple geometry used for Ceramic Injection 2.2 테스트모델및사출해석조건결정적용한서브루틴검증을위해단순직사각평판형상의세라믹사출해석을수행했다. Fig. 2 는사출해석을위한가로 60mm, 세로 20mm 의형상모델링이며, 금형은소결후수축되는것을감안하여최종제품의두께 1.0t, 0.8t, 0.5t가되도록설계했다. 금형온도는 50 로유지하고초기소재의온도는 140 로고정했으며사출압력은 280MPa 로적용했다. 위와같은조건은사전에가장좋은품질을갖도록다양한사출해석및실험을통해결정하였다. 초기체적분율은실제사용되는혼합재와동일하게 0.5로설정했다. 사출속도는 3mm/s이고마찰계수는일반적으로 cold molding 에서사용하는값을참고하여 0.7로적용했다 [4,5]. 2 1 Gate 3 4 (a) (b) (c) (d) (e) [Fig. 3] Experimental results of the actual CIM process 3. 결과및고찰 3.1 실험결과와의비교분석적용한업데이트알고리즘서브루틴의검증을위해단순직사각평판형상의세라믹사출공정시각단계별로금형을총 17회열어형상을검토하였다. Fig. 3은사출압력에따른단계별형상으로대표적인 5회의형상이다. 특히, 각금형벽면라인에소재가도달하는순간형상을추출했다. 그림에서게이트의위치는 (a) 이고, 소재 2589
한국산학기술학회논문지제 15 권제 5 호, 2014 가게이트에서흘러나온후접촉하는순서대로금형벽면을 (1)~(4) 까지표현했다. 그림 (b)~(e) 는소재가각벽면에닿는순간, 또는닿은후의거동이어떻게진행되는지를자세히보여주고있다. (1) 의벽면에닿을때까지주름이잡힌거동이관찰되는데, 이는일반플라스틱소재의사출이나금속다이캐스팅거동과차이점이있다. CIM 이나 MIM의경우, 일반플라스틱사출처럼완전한유체가아니기때문에흐름성이좋지않을뿐더러금형과의마찰로인해이와같은현상이발생되는것으로판단된다. 따라서 CIM 공정해석시마찰의영향을고려해야정확한해석결과를얻을것으로생각된다. 일반적인플라스틱사출이라면게이트를중심으로방사형으로진행되는반면, CIM에서는 (c) 와같이사출도중에겹침이나 weld line이발생할수있다. (d) 에서는넓은부분의형상이채워지고게이트에서가까운쪽모서리들이채워진다. 좁은공간의모서리를채우기위해서좀더많은압력이필요하게되고, 이때이미채워진부분의밀도와최종적으로채워지는부분의밀도차이가발생할수있으며, 이는소결시고온고압의환경에서크랙 (crack) 이나불균 Waveness Experiment Developed Conventional injection analysis (Mold Flow) [Fig. 4] Validation of mold filling and comparison of injection behavior between (a) developed method and (b) conventional injection analysis 일수축변형을유발하는인자가된다. Fig. 4(a) 는실제사출과해석결과를비교한것이다. Fig. 4(b) 는일반플라스틱사출해석시사용되는상용사출해석프로그램 Mold flow의결과인데, 본연구의해석기법으로는실제사출시주름이발생하는현상을동일하게모사할수있는반면사출해석프로그램으로주름이나물리적겹침등을표현할수없음을확인할수있다. 일반적으로 CIM 공정에서주름, 제팅 (jetting) 등의문제로인해결함발생할수있는데, Fig. 5는이러한거동도잘표현되고있음을알수있다. 게이트의중앙에위치하면서직경이작은경우나소재의점성이할때제팅현상이발생되며, 제팅이발생하면공기갇힘 (Air pocket) 이생길수있다. 따라서실제테스트금형설계에서도게이트의위치를정중앙에위치시키지않도록설계했다. 게이트의위치및크기, 형상등은제품의결함과관련하여매우중요한공정설계변수가된다. 3.2 제품형상에따른영향도분석제품형상이사출시발생하는체적분율분포에미치는영향을파악하기위해형상에대한영향도를분석했다. 해석에사용된모델형상은 Fig. 6과같으며, 기본평편한소재를기준으로단순형상에내부관통구멍, 둥근코너, 측벽이있는모델로구성했다. 일반적으로단순판상형상에서는전체적으로체적분율분포가고르지만, 게이트입구에서다른부분에비해상대적으로불균일한분포를보이는것을확인할수있다. 중간관통구멍이있는모델은예상했던바와같이게이트및구멍주변과, 특히양갈래로진행후합류하는부분의체적분율이눈에띄게불균일함을볼수있다. 이러한부위에서사출후냉각시 weld line이발생하며, 취약부로판단할수있다. 공정중생성된 air pocket이나 weld line은성형이완료될때까지유지되고, 체적분율의편차가상대적으로 Flat Hole Vol. fraction [-] 0.5 0.511 0.486 gate (a) Jetting (b) Defect (c) Simulation [Fig. 5] Trapped air pocket due to jetting: (a) schematic diagram (b) defect due to jetting (c) simulation result Round Side wall [Fig. 6] Simulation results of different shapes geometries (volume fraction) 2590
큰영역으로남으며외관상으로도불량인제품을유발한다 [Fig. 7]. 이에비해둥근모서리와, 측벽모델은비교적안정적인체적분율과고른압력분포를갖는다. 하지만제품의둥근모서리의반경이두께에비해상대적으로작을경우, 유동성이떨어져사출해석이불가능한경우도있었다. Vol. fraction [-] 0.6 Start of welding line, Avg. volume fraction (0.5) Relative high volume fraction area (0.55) [Fig. 7] Distribution of volume fraction and welding line 3.3 공정변수에따른영향도분석 공정변수에따른영향도를분석하기위해 Fig. 8같이체적분율, 사출속도, 게이트위치, 게이트폭및금형온도조건에따른해석을수행했다. 체적분율은초기분율이높을수록좋은결과를보이므로사출시가능한높은체적분율을사용하는것이좋을것으로판단된다. 하지만체적분율이커지면유동성저하의원인이되기때문에체적분율과유동성의상관관계를파악하여적절한초기체적분율을결정하는것이좋을것이다. 사출속도는 0.3mm/s, 3mm/s로설정했으나, 해석상에서는체적분율이크게변화하지않았다. 단, 유한요소해석프로그램특성상속도가많이빨라졌을경우, 해의수렴성에문제가발생한다. 실제실험에서사용한사출속도는앞에서언급한바와같이 3mm/s이다. 일반적인플라스틱사출과마찬가지로세라믹사출시최적의게이트위치및크기를결정해야할필요가있다. 게이트의위치는대칭이되도록중앙에위치하는것이좋지만, 제팅현상을방지하기위해정중앙을피해최적게이트위치를결정해야한다. 게이트의폭은넓을수록체적분율분포가고르게나타났으며, 금형온도는기존온도 (50 ) 보다높은경우 ( 캐비티 100, 게이트 200 ) 더좋은결과가나타난다. 0.5 0.4 [Fig. 8] Analysis of effects of CIM process parameters 4. 결론본연구에서는세라믹사출시제품성형및결함에미치는주요인자를파악하기위해, CIM 해석프로그램을활용하여형상과공정변수에대한영향도를분석하였다. (1) CIM해석프로그램은실제실험과비교했을때사출중형상에있어서양호한일치를보이고있다. 특히, 주름등의거동확인이가능했다. (2) 다양한사출공정조건에따라해석을수행했으며이를비교분석한결과, 온도, 초기체적분율, 마찰등이중요한공정변수로파악되었다. 또한게이트의위치, 크기등의결정에따라체적분율분포에영향을미치는것을확인할수있었다. (3) 제품의형상에따라품질이좌우되는데, 단순한평판, 구멍을가진형상, 둥근코너부또는측벽부형상에대한해석을수행하고결과를비교평가하였다. 구멍이있을경우, 구멍주위밀도분포가고르지못하고, weld line등의결함이발생할수있으며모서리부분의반경이커질수록성형성이향상됨을확인할수있었다. 추후 Fig. 6과 Fig. 8에서연구한변수들을반영해실제금형을제작하여해석기법을검증한다면, CIM 제품의구조나공정설계에보다효율적으로접근하는데기여할것으로생각된다. 2591
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이종찬 (Jongchan Lee) [ 정회원 ] 1982 년 2 월 : 한양대학교기계공학과 ( 학사 ) 1986 년 2 월 : University of Michigan 기계공학과 ( 석사 ) 1991 년 2 월 : University of Massachusetts 기계공학과 ( 박사 ) 1991 년 3 월 ~ 현재 : 금오공과대학교기계설계공학과교수 정밀가공, 신재생에너지 김낙수 (Naksoo Kim) [ 정회원 ] 1982 년 2 월 : 서울대학교기계설계 ( 학사 ) 1984 년 2 월 : 서울대학교기계설계 ( 석사 ) 1989 년 2 월 : U.C. Berkeley 기계공학과 ( 박사 ) 1989 년 3 월 ~ 1990 년 2 월 : The Ohio State University 연구원 1990 년 3 월 ~ 1995 년 8 월 : 홍익대학교기계공학과부교수 2001 년 6 월 ~ 현재 : 서강대학교기계공학과교수 소성가공, 공정설계및해석, CAE, 최적화 2593