사출성형 해석을 통한 Weldline 및 Flow mark 개선사례

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1 사출성형 해석을 통한 Weldline 및 Flow mark 개선사례
[영진전문대학_이영창] 안녕하세요 기설 09학번 임광재입니다. 지금부터 사출성형 해석을 통한 Weldline 및 Flowmark의 개선사례를 살펴 보겠습니다. 임광재

2 1. 배경 사출성형은 정말 알게 모르게 실생활에서 많이 쓰이고 있습니다. 지난번 교수님이 영상으로 보여주셨던 것처럼 자동차의 범퍼도 사출성형으로 가공되던것을 보았습니다. 정말 생각지도 못한 많은 제품들이 사출성형으로 가공되기 때문에 사출성형시 가장 빈번하게 발생되는 문제라고 볼수있는 Flowmark와 Weldline 개선은 필수적이라고 판단할수 있습니다.

3 2. 목적과 수단 [목적] [수단] 사출성형해석을 통한 Flowmark와 Weldline 결함을 해결.
1. Cold slug well을 부착하므로 개선점을 확인. 제품의 두께를 감소하므로 파악되는 개선점을 확인. MoldFlow가 아닌 SIMPOE-Mold를 사용. 판단기준으로 벌크온도와 유동선단속도를 이용. Fig. 1 Weld line 사출성형해석을 통한 플로우마크와 웰드라인의 해결을 위해서 소프트 웨어를 사용해서 결함을 볼수 있다면 제일 좋겠지만, 현재 moldflow를 포함한 개발되어 있는 모든 사출성형 해석 소프트웨어에서는 해석결과로 flowmark를 직접 보여주지 않아 flowmark를 직접 확인 할수 있는 방법은 없습니다. 그래서 추가적으로 사용할 소프트웨어인 프랑스의 simpoe mold를 사용하는데, Simpoemold는 유동선단속도와 용융전단부단면을 확인할수 있는 유동전진속도의 ISO표면 선도를 보여주는 기능이 있기 때문입니다. 따라서, 벌크온도와 유동선단속도(MFV), 용융전단부면적(MFA)을 이용한 간접적인 예측방법을 사용해야 합니다. 또한 Cold slug well을 부착하고 제품의 두께를 감소시키는 과정을 통해 벌크온도와 유동선단속도가 어떤 기준점으로 적용되는지 확인이 가능합니다. Fig. 2 Flow mark Fig. 3 불안정한 유동은 표면결함의 원인.

4 3. 문제점 해결을 위한 분석 복합적인 결함 [첫번째원인] 제품의 살 두께 > 외곽 테두리 부근 두께
∴외곽쪽의 유동속도가 더 빨라 좌측상단에 Weldline이 발생하였다. [두번째원인] 우측상단에는 유동속도 저하 및 유동선단 온도 강하에 따라 Flowmark가 발생하였다. 이제품은 제품의 살두께에 비해 외곽 테두리 부근이 더 두껍기 때문에 외곽쪽의 유동속도가 더 빨라 좌측상단에 Weldline이 발생한 것입니다. 우측 상단에는 유동속도 저하와 유동 선단 온도가 떨어짐에 따라 Flowmark가 발생한 것입니다. 즉, 이 제품은 좌측 상단에 유동선단의 만남에 의한 Weldline과 우측 상단에 유동 선단속도(MFV)의 저하에 의한 Flowmark가 발생하는 복합적인 불량 현상을 보여주고 있습니다. 원인으로 수지 및 금형의 온도가 낮을수도 있고 사출속도가 낮을수도 있고 게이트 위치가 적절하지도 않을수 있고 콜드슬러그웰이 적절하지 못할수도 있습니다. 여러가지 원인이 있을수 있는데요. 이 경우는 사출속도가 낮아서 점도가 높은 상태로 충전이 되니까 충전중에 온도가 저하되므로 발생하는 것으로 파악됩니다. 두번째 원인으로 콜드슬러그 웰의 크기가 없는 경우이기 때문에 스프루 끝이나 주 러너에서 서브러너로 분기한 곳에 콜드슬러그 웰이 없거나 작은 경우 수지 온도가 낮은 재료가 충전되기 때문에 발생된다고 파악됩니다. Fig. 4 문제가 되는 모델.

5 4. 실험을 통한 해결과정_게이트두께 감소(1) [기존모델] ▶게이트두께 =0.5mm ▶제품사이즈 =(250x250)㎟
▶바깥쪽 테두리 두께 =내부두께 +0.5㎜ ▶3차원 고체요소 개수 =150만개 ▶사용수지 =PC/ABS C2950 ▶금형온도 =80℃ ▶사출온도 = 280℃ ▶사출시간 =3초 [개선모델] ▶게이트두께 =0.3mm ▶제품사이즈 =(250x250)㎟ ▶바깥쪽 테두리 두께 =내부두께 +0.5㎜ ▶3차원 고체요소 개수 =150만개 ▶사/ /지 =PC/ABS C2950 ▶금형온도 =80℃ ▶사출온도 = 280℃ ▶사출시간 =3초 이와 같이 기존모델의 경우 외곽 테두리가 제품 내부에 비해 0.5mm더 두꺼우므로 충전 속도가 느린 경우 두꺼운 부분이 제품 내부보다 먼저 충전되어 나가게 되므로 왼쪽 상단에서 Weldline이 발생할 가능성이 높습니다. 따라서 개선모델의 사출속도를 증가시키기 위해 게이트두께를 0.3mm로 설정하였습니다. Fig. 5 해석을 위해 Mesh 형상으로 표현

6 4. 실험을 통한 해결과정_게이트두께 감소(2) Fig. 6 기존모델의 시간차에 따른 유동패턴. Fig. 7 개선모델의
이와 같이 사출성형해석소프트웨어의 유동패턴결과를 보시면, 기존모델의 1.5초에서 유동패턴은 보면 바깥쪽 테두리 부근에서의 속도에 비해 중심부에서의 유동 정체가 확연히 드러남을 알수 있으며, 이 결과를 통해 Flowmark가 발생할 수 있다고 예측할수 있습니다. 동그라미가 체크되있는 곳에 빨간선이 비교적 선명하게 나있는걸 보고 Weldline을 어느정도 예측할수 있습니다. 개선모델의 경우 게이트 두께가 줄어들었기 때문에 유동속도는 더 빨라졌고 제품내 유동 속도 편차가 적게 나타나게 됩니다. 개선모델의 1.5초를 보시면 바깥쪽 테두리와 중심부에서의 유동이 큰 정체 없이 진전하고 있으며 Flowmark발생할수 있는 가능성을 상당히 낮출수 있음을 볼수있습니다. 즉, 유동패턴의 기울기가 직선으로 유지될수록 Flowmark의 발생빈도가 줄어든다는 것입니다. 또한, 기존모델의 2.4초와 개선모델의 2.4초의 속도차는 확연히 다르다는 것을 비추어 볼때, 웰드라인또한 발생되지 않음을 알수 있습니다. Fig. 6 기존모델의 시간차에 따른 유동패턴. Fig. 7 개선모델의 시간차에 따른 유동패턴.

7 4. 실험을 통한 해결과정_게이트두께 감소(3) Fig. 7 유동전단속도의 ISO 표면결과
조금더 구체적으로 확인하기 위해 유동전단속도의 ISO표면결과를 확인해보겠습니다. 이 표를 이해하기 위해서 용융전단부 진전속도 (MFV)와 용융전단부길이와 두께의 곱인 용융전단부면적(MFA)는 서로 반비례관계임을 알고계셔야 합니다. 다시 말해서 MFA는 용융수지가 접촉되는 면적이고 MFV는 용융수지가 진입하는 속도입니다. 개선모델인 오른쪽처럼 간격이 넓을수록 MFV는 빠른것을 반비례관계인 MFA 즉, 한줄한줄 직선을 그리며 더 짧아진다는 것을 의미하고(직선보다 곡선이 더 깁니다.) 기존모델인 왼쪽처럼 촘촘할수록 MFV는 정체되어 있는것이고 MFA는 반비례하기때문에 더 길어지면서 곡선을 그리는 것을 볼수 있습니다. 사출속도가 낮을때 보통 점도가 높아집니다. 또한 점도가 높으니 온도가 저하됩니다. 이런점과 위 결과를 바탕으로 왼쪽그림의 A영역에서 Flowmark가 발생하는 것을 예측할수 있습니다. 반대로 개선모델인 오른쪽은 MFA가 최대가 되는 대각선 지점에서도 간격이 일정하게 유지되고 있어 Flowmark가 발생됐던 A영역에서 MFV 급격히 저하되지 않고있으며, Flowmark가 상당히 개선되었음을 예측할수 있습니다. Fig. 7 유동전단속도의 ISO 표면결과

8 5. 실험을 통한 해결과정_콜드 슬러그웰 추가(1)
[콜드슬러그웰의 메커니즘] 콜드런너 금형의 특징으로 런너가 방향을 변경하는 곳에 변경 되기 전 런너가 연장되어 있는 모습으로 설치됩니다. 금형에 닿은 용융 수지는 바로 고화되므로 런너가 방향을 변경하는 곳에서 고화층에 의한 유로의 유효직경이 작아집니다. 콜드슬러그웰을 설치하면 콜드슬러그웰 부위의 고화부분이 단열층으로 작용하면서 유효직경을 적정하게 보장해줍니다. 이번에는 콜드슬러그웰이 추가로 부착되었을때 벌크온도의 분포를 확인해보겠습니다. 콜드슬러그웰을 설치하면 콜드스러그웰 부위의 고화되는 부분이 단열층으로 작용하면서 런너의 유효 직경을 적정하게 보장해줍니다. 이미 게이트두께를 줄여 사출속도를 증가시켜 Flowmark의 발생가능성을 많이 감소시켰지만 추가적으로 콜드슬러그웰을 설치함으로써 문제를 완전히 해결하고자 하는것을 알수 있습니다. 추가적으로 콜드슬러그웰을 설치함으로써 문제를 완전히 해결하고자 합니다. Fig. 8 콜드슬러그웰을 추가한 개선모델

9 5. 실험을 통한 해결과정_콜드 슬러그웰 추가 *벌크온도란? 유동이 흘러가는 동안에 측정하는 온도.
벌크온도는 유동이 흘러가는 동안에 측정하는 온도로서 중요한 물리적의미를 가집니다. 즉, 유동이 흐르면 온도의 변화가 발생하고 유동의 변화가 없다면 온도의 변화 또한 발생하지 않습니다. 이와 같이 콜드슬러그웰이 설치된 경우 유로가 작아져 압력강하와 유동속도의 저하를 막을수 있습니다. 이론이 맞다면 유동속도가 고르게 분포되는 것이고 벌크온도 또한 전체적으로 높게 측정이 되야 합니다. 위 그림을 보시면 왼쪽은 기존모델이고 초록색이 많이 띄는걸 봐서 벌크온도가 낮다는 것이고 이것은 유동이 정체되어 있음을 알수있으며, 오른쪽은 개선모델이며 높은 벌크온도로 고르게 상대적으로 고르게 분포되어 있는걸로 봐서 유동이 고르게 분포되었음을 알수있습니다. Flowmark가 발생하는 기존모델의 A영역에서 벌크온도는 178.3도이고 개선모델의 경우 215.2도인것으로 보아 문제가 해결된다고 판단할수 있습니다. Fig. 9 충전이 완료된 시점의 벌크온도 *벌크온도란? 유동이 흘러가는 동안에 측정하는 온도. 1)유동이 고르게 분포된 영역에는 높게 측정됩니다. 2)유동이 정체되어 있는 영역에는 급격히 감소합니다.

10 6. 결론 및 고찰 목적 : 사출성형 해석을 통한 Weldline 및 Flowmark개선
Fig. 10 기존모델과 개선모델의 유동선단속도 및 벌크온도 목적 : 사출성형 해석을 통한 Weldline 및 Flowmark개선 과정 : 1) 게이트두께 감소 => 유동패턴과 ISO결과를 통해 개선점 확인 2) 콜드슬러그웰 추가 => 벌크온도결과를 통해 개선점 확인 ∴수치적으로도 유동선단속도는 27.2%가 빨라지고 벌크온도도 기존 조건에 비해 20.7%개선 되는 것을 알수 있습니다. 이와 같이, 2가지 수단과 3가지 기준을 통해 수치적으로도 유동선단속도는 27.2% 벌크온도는 20.7%상승한것을 통해 Flowmark와 Weldline이 상당히 개선되었음을 알수 있습니다. 다시 한번 말씀드리지만 모든 사출성형 해석 소프트웨어에서는 해석결과로 Flow mark를 직접 보여주지 않아 속도패턴과 금형의 온도 분포 파악을 통해 간접적으로 확인해야 합니다.이런 복합적인 결함을 해결하기 위해 게이트의 직경을 줄여 사출속도를 빠르게 가져가 플로우마크 지점의 유동선단속도를 증가시키고 콜드슬러그웰을 설치하므로 그 부위의 고화층이 단열층으로 작용해 유효직경을 적절하게 보장하여주기에 벌크온도 또한 상승되어 문제점을 해결하는 과정이었습니다.

11 출저 Bulk temperature : 유리전이온도 고화속도 가소화