Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 38, No. 7, pp. 771~777, 2014 771 < 학술논문 > DOI http://dx.doi.org/10.3795/ksme-a.2014.38.7.771 ISSN 1226-4873(Print) 2288-5226(Online) 사출압축성형을이용한자동차용도어그립필름인서트성형 이호상 * 유영길 * 김태안 ** * 한국교통대학교항공기계설계학과, ** 동원테크 Film Insert Molding of Automotive Door Grip Using Injection-Compression Molding Ho Sang Lee *, Young Gil Yoo * and Tae An Kim ** * Dept. of Aeronautical & Mechanical Design Engineering, Korea Nat l Univ. of Transportation ** Dongwon Tech. Co., Ltd. (Received March 22, 2014 ; Revised May 9, 2014 ; Accepted May 12, 2014) Key Words: Film Insert Molding( 필름인서트성형 ), Injection-Compression Molding( 사출압축성형 ), Injection Molding( 사출성형 ), Embossed Film( 엠보필름 ), Cavity Pressure( 캐비티압력 ), Mold( 금형 ) 초록 : 자동차용도어그립을대상으로하여 3 차원엠보패턴이인쇄된필름을적용한인서트성형을구현하기위하여사출압축성형을사용하였다. 진공금형을제작하여필름열성형을하였으며, 필름인서트성형을위하여사출압축금형을개발하였다. 3 개의압력센서를설치하여금형캐비티압력을측정하였으며, 다양한압축스트로크와토글속도에대한사출압축성형실험을수행하여, 공정조건이캐비티압력과엠보패턴의높이에미치는영향을고찰하였다. 압축스트로크 0.9mm 와느린토글속도에서엠보패턴의유지율이높게나타났다. 또한엠보패턴이최대높이를갖기위한공정조건은캐비티압력의적분값이최소가되는조건과거의동일하였다. 사출압축성형을사용하여엠보패턴이인쇄된소프트한촉감을갖는플라스틱제품을구현할수있다. Abstract: Injection-compression molding was used for film insert molding of an automotive door grip using films with three-dimensional embossed patterns. A vacuum mold was fabricated for vacuum-assisted thermoforming of the film, and an injection-compression mold was developed for film insert molding. Three pressure transducers were installed inside the mold cavity to measure cavity pressures. Injection-compression molding experiments under various compression strokes and toggle speeds were performed to investigate their effects on the cavity pressure and heights of the embossed patterns. The compression stroke of 0.9mm and low toggle speed resulted in a higher degree of conservation of embossed patterns. Additionally, the processing conditions for the maximum heights of embossed patterns were almost similar to those for minimum integral value of cavity pressures. The injection-compression molding process presents the opportunity to impart a soft-touch feeling of plastic parts printed with embossed patterns. 1. 서론 최근종래의 IMD (In-Mold Decoration) 공법을더욱발전시켜 3 차원곡면형상을갖는플라스틱제품과필름을일체화하는필름인서트성형 (Film Insert Molding) 공법이새로운플라스틱장식기술 Corresponding Author, lhs@ut.ac.kr C 2014 The Korean Society of Mechanical Engineers 로각광을받고있다. 필름인서트성형공정은인쇄, 진공성형, 트리밍, 사출성형등크게 4 단계로구분될수있다. 필름표면에다양한색상으로구성된도형, 문자, 패턴등을인쇄한이후, 필름에열과진공을적용하여제품의표피층에해당하는 3 차원곡면형상을성형한다. 필름의불필요한부위를잘라내고, 필름을금형에삽입한이후, 용융된수지를사출하여필름과일체화된플라스틱제품을성형한다. 도장, 도금, 수압전사등기존의장식방법에비
772 이호상 유영길 김태안 하여필름인서트성형은공정이간단하고, VOC 등유기화합물질이배출되지않는친환경제조공법이기때문에, 자동차내장부품, 휴대용전자기기등에서많이적용되고있다. 그러나필름인서트성형공정에서필름의주름, 필름과수지의불완전한접합, 휨변형, 불균일한수축 (1~6) 등다양한불량이많이발생한다. Leong 등 (1) 은사출성형조건이필름인서트성형된디스크의기계적, 형태학적특성에미치는영향에대하여고찰하였으며, 폴리프로필렌필름과기재사이의접합특성은배럴온도, 보압크기, 사출속도에의해크게영향을받음을설명하였다. Baek 등 (4) 은필름인서트성형시편의휨변형이사출속도의증가에따라감소하며, 보압유지시간에의한영향은없는것으로보고하였다. Kim 등 (6) 은열처리하지않은필름을사용하여인서트성형한시편이필름반대쪽으로휨변형이발생하고있음을보고하였다. Chen 등 (7) 은필름이사출성형공정에서온도장에미치는영향을고찰하였으며, 필름의열전달지연이금형 - 수지, 필름 - 수지간의온도차이를유발하며, 필름두께가증가함에따라열전달지연에의한온도차이가증가함을보고하였다. 최근플라스틱제품의표면은고광택, 내스크래치성등고품질의외관뿐만아니라소프트터치감이요구되고있다. 그러나아직까지필름인서트성형은 3 차원패턴형상을갖는인쇄필름에는적용하지못하고있는상황이다. 왜냐하면사출성형공정에서발생하는높은캐비티압력에의하여필름표면에인쇄된 3 차원엠보패턴들이심하게눌려패턴형상이제대로유지되지못하기때문이다. Miura (8) 는별도로제작된진공금형및장비를기반으로하여, 압축공기압을작용시켜인쇄된필름을사출성형된제품표면에부착하는 TOM(three-dimensional overlay) 공법을개발하였다. 이방법은낮은압력을사용하여필름표면에인쇄된 3 차원패턴형상을유지시키고, 촉감이있는제품표면을구현할수있는장점이있다. 그러나사출성형과필름을붙이는작업이분리되어있고, 대부분접착제를도포하는문제가있다. 본논문에서는사출압축성형을적용하여 3 차원입체패턴을갖는필름의인서트성형에대하여연구하였다. 사출압축성형은기존사출성형과압축성형의장점을조합한공법이다. 사출단계전에금형캐비티의두께를제품의평균두께보다약간더크게설정하고, 두꺼운캐비티로인하여낮은 사출압력으로용융된수지를금형캐비티안으로주입할수있도록한다. (9) 캐비티를부분충전시킨후가동측금형을닫으면서수지압축이이루어지며, 금형캐비티두께는최종제품두께로감소하게된다. 기존사출성형에비하여사출압축성형은사출압력및잔류응력을감소시키며, 치수정밀도가높은장점이있다. 그동안사출압축성형공법은렌즈, CD, 도광판및광학부품에많이적용되어왔다. (10~15) Klepek (10) 은사출압축성형을두꺼운광학렌즈에적용하였으며, Yang 등 (11~13) 은사출압축성형을적용하여디스크의광학특성변화를실험적으로연구하고, 사출압축성형이치수정밀도에매우효과적임을보고하였다. Michaeli 과 Wielpuetz (14) 은실험계획법을사용하여광학제품의품질에영향을미치는사출압축성형공정조건에대하여고찰하였다. 그들은사출속도, 보압크기뿐만아니라압축속도가중요한공정조건임을보고하였다. 본연구진 (15) 은 13 메가급고해상도스마트폰렌즈를개발하기위하여사출압축성형을적용하였으며, 기존사출성형에서발생하는웰드라인을제거하고복굴절을크게감소시킬수있었다. 이번연구에서는자동차용도어그립을적용대상으로 3 차원엠보패턴을갖는필름인서트성형을구현하고자하였다. 도어그립의 3 차원곡면형상을만족하는필름성형을위하여진공금형을제작하고, 사출압축방식의금형을개발하였다. 엠보패턴을갖는필름을진공성형한후에, 트리밍된필름을사출압축금형의고정측캐비티에설치하였으며, 최종적으로사출압축성형실험을수행하였다. 특히, 압축스트로크와토글속도가캐비티압력및엠보패턴의높이에미치는영향을고찰하였으며, 기존사출성형에의한결과와비교하였다. 2. 금형설계및실험방법 2.1 필름진공성형도어그립에사용된필름은독일의 Kurz 에서생산하는두께 0.5mm 의적층필름이며, ABS 백킹시트와 PUR 코팅층으로구성되어있다. 일본주조화학에서생산하는 UV 경화형잉크 (RC47) 를적용한스크린인쇄방법을통하여필름표면에 60 μm높이를갖는엠보패턴을생성하였다. 도어그립표면과일치하는 3 차원곡면형상을갖도록필름을성형하기위하여, 진공성형금형을제작하였다. 또한열진공성형해석을수행하여필름의두께변화를예측하고실험결과와비교하였으
사출압축성형을이용한자동차용도어그립필름인서트성형 773 며, 관련된자세한내용은참고문헌 (16) 에나타나있다. 2.2 사출압축금형 1 차로수지를사출한이후압축단계에서수지의역류를방지하고, 최종적으로성형품만취출할수있도록 2 개의밸브게이트를갖는핫러너시스템을고정측금형에설계하였다. 또한사출성형냉각단계에서제품의불균일한온도분포로인한휨변형을줄이기위하여상측과하측에각각 4 개의직선형냉각채널을구성하고, 냉각효과를높이기위하여성형품주변을따라냉각채널을추가하여설계하였다. 금형을일정거리만큼개방한상태에서 1 차사출을하고, 이어서금형을압축할수있도록하였으며, 이때 Fig. 1 과같이금형을일정거리만큼개방한상태에서밀폐구조가유지되도록설계하였다. 특히, 최대 3mm 범위에서금형을개방하고사출할때수지의누설이발생하지않도록스프링을사용하여캐비티를둘러싼가동측평판 (core B) 이고정측평판 (cavity plate) 에완전히접촉되도록하였다. 수지의충전이완료되면가동측평판 (core B) 이사전에설정된토글속도로후진하면서수지압축이이루어지도록하였다. 금형이완전히닫히게되면유압유니트의신호에의해양단의박형실린더에압력이가해지고 Fig. 1 에서도시된 core A 에 core B 가고정되도록하였다. 사출성형및압축성형의조건변화에따른금형캐비티압력및온도를측정하기위하여금형에 3 개의압력센서 (Priamus 6003A) 와 2 개의온도센서 (Priamus 6581A) 를설치하였다. Fig. 2 는 3 개의압력센서위치 (P1, P2, P3) 와 2 개의온도센서위치 (T1, T2) 를나타내고있으며, Fig. 3 은제작된가동측및고정측금형을나타낸다. 2.3 실험방법사출압축성형실험을위하여 Engel 사에서제조한 180 톤전동식사출성형기 (e-max180) 를사용하였다. 또한필름인서트사출성형의최적조건을도출하기위하여 PRIAMUS 장비를사용하여캐비티압력을모니터링하였다. 사출압축성형공정에대하여압축스트로크및토글속도의변화에따른실험을수행하고캐비티압력을최소화시킬수있는공정조건을도출하고자하였다. 최종적으로성형품의엠보높이를측정하기위하여일본의 Kosaka Laboratory 에서제작한 ET- 3000i 모델인표면프로파일러를이용하였다. 사출성형을위하여 ABS(LG Chemical HF-380) 수지를사용하였으며, 유동지수 (Melt Flow Index) 는 35 g/10min 이다. 실험에적용된기본적인공정조건은 Table 1 과같다. 또한압축스트로크에따라스크류의압축전환위치를미세조정하면서성형품의중량이항상일정하도록하였다. 그리고토글속도를변경하면서금형의압축속도가캐비티압력및엠보패턴의높이에미치는영향을고찰하였다. 3. 성형조건이캐비티압력에미치는영향 캐비티에서좌, 우동시충전조건을만족시키기위하여 Fig. 2 에서표시된 2 번밸브게이트 (Gate Fig. 2 Schematic of cavity with locations of transducers Fig. 1 Schematic of injection-compression mold Fig. 3 Photographs of (a) movable mold, and (b) stationary mold
774 이호상 유영길 김태안 2) 에 1.15sec 의지연시간을적용하여일반적인사출성형실험을수행하였다. Fig. 4 는압력센서위치 P1, P2, P3 지점에서의캐비티압력추이를나타내고있다. 최대압력은 P1 지점에서 440bar, P2 지점에서 409bar, 414bar 로높은압력이발생하고있음을알수있다. 사출압축성형에서압축스트로크가캐비티압력에미치는영향을고찰하기위하여 0.3mm 부터 1.2mm 까지 0.3mm 간격으로압축스트로크를변화시켰으며, 이때토글속도를 3mm/sec 로고정하였다. Fig. 5 는압축스트로크에따른캐비티압력최대값과캐비티압력의시간에따른적분값을나타낸것이다. 압축스트로크가증가함에따라최대캐비티압력이감소하고있으며, 압축스트로크가 0.9mm 를초과하면최대캐비티압력이다시증가하고있음을볼수있다. 압축스트로크가클경우두께가증가하여 1 차사출단계에서유동저항이감소하고충전압력이감소하게된다. 그러나 0.9mm 이상으로압축스트로크가커지면, 수지를압축하면서발생하는압축력의증가로인하여반대로캐비티압력이증가하게되는것으로판단된다. 한편선행연구 (17) 를통해고찰한바와같이캐비티압력의시간에따른적분값은성형후필름의엠보형상유지에중요한영향을미친다. 필름에인쇄된엠보형상의유지율을최대화하기위하여캐비티압력적분값이가장작은압축스트로크 0.9mm 를최적의성형조건으로선정하였다. Mold temperature Table 1 Processing conditions Parameters Value Stationary 50 Movable 45 Nozzle temperature 230 Injection speed Packing pressure Holding time 25 mm/sec 750 MPa 10 sec 사출압축성형에서압축속도에의한영향을고찰하기위하여 3mm/sec 부터 12mm/sec 까지 3mm/sec 간격으로토글속도를변화시키면서실험을수행하였다. 이때압축스트로크는 0.9mm 로고정하였다. Fig. 6 은토글속도에따른캐비티압력최대값과캐비티압력의시간에따른적분값을나타낸것이다. 토글속도가빠를수록최대캐비티압력이급격하게증가하고있으며, 반면에캐비티압력의적분값은상대적으로완만하게증가하고있음을볼수있다. 토글속도가빠를수록 2 차압축단계에서압축력이크게증가하기때문에캐비티에서받는압력이급격히증가하게되는것으로판단된다. 한편토글속도가빠를수록캐비티압력은크게발생하지만, 금형압축이이루어지는시간이짧기때문에캐비티압력이유지되는시간이짧아지게되고, 결국캐비티압력의시간에따른적분값이증가하는기울기는캐비티압력의기울기에비하여작은것으로판단된다. 본연구에서는엠보형상유지율을높이기위한토글속도로서 3mm/sec 를선정하였다. 앞에서최적공정조건으로선정한압축스트로크 0.9mm, 토글속도 3mm/sec 를적용하였을때압력센서 P1 지점에서발생하는캐비티압력은 Fig. 7 과같다. 1 차사출이후캐비티압력이순간적으로감소하는경향이나타나고있는데, 이는토글속도가느리기때문에금형의관성효과에의해압축력이발생하는데시간지연이나타났기때문인것으로판단된다. P1 지점에서의최대압력은 128bar 로서기존사출성형의경우인 Fig. 4 와비교할때약 30% 수준에해당하는매우낮은캐비티압력으로성형이이루어지고있음을알수있다. Fig. 4 Cavity pressure traces during injection molding Fig. 5 Maximum cavity pressure and integration of cavity pressure along the time at various sensor positions as a function of the compression stroke
사출압축성형을이용한자동차용도어그립필름인서트성형 775 Fig. 6 Maximum cavity pressure and integration of cavity pressure along the time at various sensor positions as a function of toggle speed Fig. 7 Cavity pressure traces during injection-compression molding Fig. 9 Comparisons of surface profiles of embossed patterns by ICM(injection-compression molding with those by IM(injection molding): (a) Position P1, (b) Position P2, (c) Position P3 4. 성형조건이엠보패턴에미치는영향 Fig. 8 Surface profiles of embossed patterns by injectioncompression molding under various (a) compression strokes, and (b) toggle speeds 성형조건에따른엠보의유지율을고찰하기위하여필름인서트성형이후표면프로파일러 (Surface Profiler) 를이용하여엠보패턴의높이를측정하였다. 압축스트로크및토글속도의변화에따라사출압축성형한이후 P3 지점에서측정한엠보패턴의형상이 Fig. 8 에나타나있다. 압축스트로크 0.9mm 에서엠보높이가가장높고, 토글속도가느릴수록엠보높이가가장높음을알수있다. 특히, 엠보패턴이가장높은공정조건은 Fig. 5~6 에서고찰한바와같이캐비티압력적분값이가장작은경우의공정조건과잘일치하고있음을알수있다. 최적의공정조건으로서압축스트로크 0.9mm,
776 이호상 유영길 김태안 Fig. 10 Photographs of embossed patterns at position P3 after (a) injection molding and (b) injectioncompression molding 토글속도 3mm/sec 를적용한사출압축성형과기존사출성형을각각수행한이후성형품의 P1, P2, P3 지점에서측정한엠보패턴형상은 Fig. 9 와같다. 기존사출성형의경우 P1, P2, P3 지점에서의엠보높이는각각 30, 33, 32 μm이었으며, 성형이전의엠보높이 60μm 를기준으로엠보형상유지율을계산하면, 각각 50, 55, 53% 인것으로나타났다. 반면에사출압축성형을적용한경우 P1, P2, P3 지점에서의엠보높이는각각 48, 52, 55 μm이었으며, 엠보형상유지율은각각 80, 86, 91% 인것으로나타났다. 결국기존사출성형을적용할경우엠보유지율이 50~55% 범위였으나, 사출압축성형을적용하여 80~91% 수준으로엠보유지율을크게높일수있었다. Fig. 10 은공구현미경 (STV-C-2010, SOMETEC Co.) 을사용하여 Fig. 2 의 P3 지점에서기존사출성형과사출압축성형에의한엠보패턴형상을측정하여 100 배로확대한사진이다. 기존사출성형에비하여사출압축성형의적용을통해 3 차원엠보형상이크게유지되고있음을확인할수있다. 5. 결론 본논문에서는자동차용도어그립을대상으로하여 3 차원엠보패턴이인쇄된필름이적용된필름인서트성형을구현하기위하여사출압축성형에대하여연구하였으며, 다음의결론을도출하였다. (1) 사출압축금형개발및실험을통해압축스트로크가증가할수록캐비티압력이감소하며, 압축스크로크 0.9mm 이상에서는반대로압력이증가하고있음을알수있었다. 또한금형을압축하는단계에서토글속도가증가함에따라캐비티압력은지속적으로증가하였다. (2) 사출압축성형을적용하여기존사출성형에서발생하는캐비티압력의크기를 30% 수준으로크게낮출수있었다. (3) 엠보패턴의높이를가장크게유지할수있도록하는사출압축성형조건은캐비티압력을시간에따라적분한값이최소화되는공정조건과일치하였다. (4) 기존사출성형을적용할경우엠보유지율이 50~55% 이었으나, 사출압축성형을적용할경우에는 80~91% 수준으로엠보유지율을크게높일수있었다. 후기 이논문은 2012 년정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의지원 ( 한국연구재단 -2012-0004698) 과, 중소기업청기술혁신개발사업의지원을받아수행된연구임. 참고문헌 (References) (1) Leong, Y. W., Yamaguchi, S., Mizoguchi, M., Hamada, H., Ishiaku, U. S. and Tsujii, T., 2004, The Effect of Molding Conditions on Mechanical and Morphological Properties at the Interface of Film Insert Injection Molded Polypropylene- Film/Polypropylene Matrix, Polym. Eng. Sci., Vol. 44, No. 12, pp. 2327~2334. (2) Leong, Y. W., Umemura, T. and Hamada, H., 2008, Film Insert Molding as a Novel Weld-Line Inhibition and Strengthening Technique, Polym. Eng. Sci., Vol. 48, No. 11, pp. 2147~2158. (3) Oh, H. J., Song, Y. S., Lee, S. H. and Youn, J. R., 2009, Development of Warpage and Residual Stresses in Film Insert Molded Parts, Polym. Eng. Sci., Vol. 49, No. 7, pp. 1389~1399. (4) Baek, S. J., Kim, S. Y., Lee, S. H., Youn, J. R. and Lee, S. H., 2008, Effect of Processing Conditions on Warpage of Film Insert Molded Parts, Fiber. Polym., Vol. 9, No. 6, pp. 747~754. (5) Kim, S.Y., Oh, H. J., Kim, S. H., Kim, C. H., Lee, S. H. and Youn, J. R., 2008, Prediction of Residual Stress and Viscoelastic Deformation of Film Insert Molded Parts, Polym. Eng. Sci., Vol. 48, No. 9, pp. 1840~1847. (6) Kim, S. Y., Kim, S. H., Oh, H. J., Lee, S. H., Baek, S. J., Youn, J. R., Lee, S. H. and Kim, S. W., 2008, Molded Geometry and Viscoelastic Behavior of Film Insert Molded Parts, J. Appl. Polym., Vol. 111, No. 2, pp. 642~650. (7) Chen, S.-C., Li, H.-M., Huang, S.-T. and Wang, Y.-C., 2010, Effect of Decoration Film on Mold Surface Temperature During In-Mold Decoration Injection
사출압축성형을이용한자동차용도어그립필름인서트성형 777 Molding Process, Int. Comm. Heat Mass Trans., Vol. 37, No. 5, pp. 501~505. (8) Miura, T., 2009, The Development and Progress of the Three-Dimensional Overlay Method(TOM), J. Imaging Soc. Japan, Vol. 48, No.4, pp. 277~284. (9) Isayev, A. I., 2000, Molding Processes in Handbook of Industrial Automation. Shell, R.L., Hall, E.L. (Eds.), Marcel Dekker, New York, pp. 573~606. (10) Klepek, G., 1987, Manufacturing Optical Lens by Injection Compression Molding, Kunststoffe, Vol. 77, p. 13. (11) Yang, S. Y. and Chen, Y. C., 1998, Experimental Study of Injection-Charged Compression Molding of Thermoplastic, Advances in Polymer Technology, Vol. 17, No. 4, pp. 353~360. (12) Yang, Y. and Ke, M. Z., 1993, Experimental Study of Injection Compression Molding, SPE ANTEC 93, pp. 2182~2187. (13) Yang, S. Y. and Ke, M. Z., 1995, Experimental Study on the Effects of Adding Compression to Injection Molding Process, Advances in Polymer Technology, Vol. 14, pp. 15~24. (14) Michaeli, W. and Wielpuetz, M., 2000, Optimization of the Optical Quality of Polymer Glasses in the Injection Compression Molding Process, Macromol. Mater. Eng., Vol. 284/285, pp. 8~13. (15) Lee, H. S., Jeon, W. T. and Kim, S. W., 2013, Development of Plastic Lenses for High-Resolution Phone Camera by Injection-Compression Molding, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 37, No. 1, pp.39~46. (16) Lee, H.-S. and Yoo, Y.-G., 2013, Numerical and Experimental Analysis of Laminated-Film Thickness Variation in Vacuum-Assisted Thermoforming, Trans. Mater. Process., Vol.22, No.3, pp.171~177. (17) Lee, H.-S. and Yoo, Y.-G., 2014, Experimental Study of Injection-Compression Molding of Film Insert Molded Plates, International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 15, No. 3, pp. 455~461.