인서트코어타입 이상CAP40cavity 대용량금형제작지원 ( ) 완료 ... · 2011. 12. 20. · 2 2007.01 CAE 해석 관련 기술자료 및 문헌정보제공 ( 3 , 12 )기술자료

인서트 코어 타입 이상인서트 코어 타입 이상인서트 코어 타입 이상인서트 코어 타입 이상CAP 40cavityCAP 40cavityCAP 40cavityCAP 40cavity

대용량 금형제작 지원대용량 금형제작 지원대용량 금형제작 지원대용량 금형제작 지원

완료보고서완료보고서완료보고서완료보고서( )( )( )( )

2007. 4.2007. 4.2007. 4.2007. 4.

지원기관지원기관지원기관지원기관 :::: 한국생산기술연구원한국생산기술연구원한국생산기술연구원한국생산기술연구원

지원기업지원기업지원기업지원기업 :::: 주 제 이 엠 피주 제 이 엠 피주 제 이 엠 피주 제 이 엠 피( )( )( )( )

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 인서트 코어 타입 이상 대용량 금형제작 지원 지원기“ CAP 40cavity ”(

간 과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다: 2006. 04. ~ 2007. 03.) .

2007. 4. .2007. 4. .2007. 4. .2007. 4. .

지원기관 기관명 한국생산기술시험원지원기관 기관명 한국생산기술시험원지원기관 기관명 한국생산기술시험원지원기관 기관명 한국생산기술시험원: ( ): ( ): ( ): ( )

대표자대표자대표자대표자( )( )( )( ) 김 기 협김 기 협김 기 협김 기 협

참여기업 기업명 주 제이엠피참여기업 기업명 주 제이엠피참여기업 기업명 주 제이엠피참여기업 기업명 주 제이엠피: ( ) ( ): ( ) ( ): ( ) ( ): ( ) ( )

대표자대표자대표자대표자( )( )( )( ) 손 경 수손 경 수손 경 수손 경 수

지원책임자지원책임자지원책임자지원책임자( :)( :)( :)( :) 허 영 무허 영 무허 영 무허 영 무

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 :::: 신 광 호신 광 호신 광 호신 광 호

::::〃〃〃〃 윤 길 상윤 길 상윤 길 상윤 길 상

::::〃〃〃〃 장 성 호장 성 호장 성 호장 성 호

::::〃〃〃〃 신 장 수신 장 수신 장 수신 장 수

::::〃〃〃〃 김 유 진김 유 진김 유 진김 유 진

- 3 -

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

사업목표사업목표사업목표사업목표1.1.1.1.

인서트 코어 타입 이상 대용량 금형을 개발 제작하여 대외경쟁CAP 40cavity /

력을 확보하고 나아가 해외시장 선점을 위한 금형기술을 확보

기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2.2.2.2.

대용량 금형 제작 정밀도 확보 지원insert core□

대용량 금형 기술 지원insert core alignment□

대용량 금형 유동밸런스 확보를 위한 엔니지어링 해석 지원□

정밀도 확보를 위한 정밀 측정 지원Insert core□

성형품의 차원 측정 지원3□

지원실적지원실적지원실적지원실적3.3.3.3.

지원항목지원내용 비고

기술지원前 기술지원後

이상 금형제작40Cavity Cap 24Cavity 64Cavity

insert core alignment 20㎛ 10㎛

성형 해석CAE - 해석 수행

성형사이클 30sec 이하20sec

- 4 -

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4.4.4.4.

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명o : CAP

모델명o : VGJ 8g

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질 성형 금형Cap 24Cavity 64Cavity

금형과 대등한24Cavity

사이클 타임 확보로 생산

성 증대(266%)

경쟁제품 대비 가격

성형용Cap

금형64 Cavity

(Canada Husky)

- 60%

국내 최초로 개발된

대용량 금형이며64Cavity

해외 경쟁 제품 대비 금형

가격은 수준으로 가60%

격 경쟁력 확보

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년30 / ( %)기존 비해 생산성 약 배24Ca 3

증가 장비 및 설비 유지비 절감.

인건비 절감 백만원 년25 / ( %) 성형인력 감축 가능

계 백만원 대55 / ( %)

공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영*

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출차년도

예상매출

전년대비

증가비율비고

내 수금형 - - % 자체 양산을 위해 생산한

금형 매출 제외제품 백만원3,000 백만원4,000 33%

수 출 천달러 년2,100 / 천달러 년3,200 / 52% 이상 금형수출40Cavity

계 백만원 년5,000 / 백만원 년7,000 / 40%

참고 적용제품 주요수출국 필리핀 유니레버) 1. :

작성당시 환율기준 원2. : 1$=940

- 5 -

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

신제품개발 대용량 금형: CAP□

공정개선 대용량 금형제작을 위한 정밀도 확보공정 성형 공정개선: ,□

상용화 개발 대용량 성형기술 상용화:□

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

대용량 금형 개발을 통한 국내 금형 기술력 향상 도모CAP□

향후 대용량 생활용기 금형제작을 위한 기반기술로 활용□

중국 인도 등 신흥 아시아 시장 진출을 위한 관련기술 활용,□

특히 인도의 경우 기 진출한 법인을 통한 대용량 금형 성형 시장 선정/□

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5. ,5. ,5. ,5. ,

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) ,1) ,1) ,1) ,

- 6 -

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6.6.6.6.

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건35 절삭정밀도 관련 자료 건 사출성형 관련 자료 건20 , CAE 15

시제품제작 건

양산화개발 건

공정개선 건1 사출성형 공정 개선 해석결과 적용(CAE )

품질향상 건1 사이클 타임 감소 생산력 증대( )

시험분석 건1 코어 측정alignment

수출 및 해외바이어발굴 건1 본 기술지원을 통해 제작된 금형 수출

교육훈련 건3 측정 정밀 절삭가공 관련CAE, ,

기술마케팅 경영자문/ 건

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건12 월별 기술지원실적 업로드

참여기업 방문회수 건116 지원책임자 및 참여 연구원 업체 방문

기 타 건50 통신을 이용한 지원

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부※

종합의견종합의견종합의견종합의견7.7.7.7.

기술지원 책임자와 업체 간의 상호 기술협력을 통하여 제품 성형용, Cap

금형을 제작하였으며 향후 본 지원 결과는 세계 최고 수준인64Cavity ,

금형 제작을 위한 중요한 바탕이 될 것으로 사료되며 아울러 지원업128Cavity

체의 경쟁력 및 기술력 향상에 기여 하였다고 판단됨.

- 7 -

□ 세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용

기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건1. : 351. : 351. : 351. : 35

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2006.08정밀 절삭가공을 위한 관련 문헌정보 제공

논문 건( 20 )

지원기관 지원업체/

보유

2 2007.01해석 관련 기술자료 및 문헌정보제공CAE

기술자료 건 관련 논문 건( 3 , 12 )

지원기관 지원업체/

보유

시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건2. :2. :2. :2. :

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건3. : 13. : 13. : 13. : 1

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2007.02 측정Core Alignment 측정결과 보고서 기재

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목 차목 차목 차목 차

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 지원기술의 개요제 절 지원기술의 개요제 절 지원기술의 개요제 절 지원기술의 개요1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 금형 성형 산업 및 관련기술제 절 금형 성형 산업 및 관련기술제 절 금형 성형 산업 및 관련기술제 절 금형 성형 산업 및 관련기술3 CAP /3 CAP /3 CAP /3 CAP /

제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 제품 및 금형설계 지원제 절 제품 및 금형설계 지원제 절 제품 및 금형설계 지원제 절 제품 및 금형설계 지원1111

제품 설계제품 설계제품 설계제품 설계1. Cap1. Cap1. Cap1. Cap

유동시스템 설계유동시스템 설계유동시스템 설계유동시스템 설계2.2.2.2.

냉각시스템 설계냉각시스템 설계냉각시스템 설계냉각시스템 설계3.3.3.3.

설계설계설계설계4. Cavity/Core Plate4. Cavity/Core Plate4. Cavity/Core Plate4. Cavity/Core Plate

제 절 금형 가공 및 조립기술 지원제 절 금형 가공 및 조립기술 지원제 절 금형 가공 및 조립기술 지원제 절 금형 가공 및 조립기술 지원2222

절삭가공 개요절삭가공 개요절삭가공 개요절삭가공 개요1.1.1.1.

금형가공금형가공금형가공금형가공2.2.2.2.

코어 측정코어 측정코어 측정코어 측정3. Alignment3. Alignment3. Alignment3. Alignment

금형조립금형조립금형조립금형조립4.4.4.4.

제 절 성형 재료 및 해석 기술 지원제 절 성형 재료 및 해석 기술 지원제 절 성형 재료 및 해석 기술 지원제 절 성형 재료 및 해석 기술 지원3 CAE3 CAE3 CAE3 CAE

사출성형 재료특성사출성형 재료특성사출성형 재료특성사출성형 재료특성1.1.1.1.

해석 모델 생성해석 모델 생성해석 모델 생성해석 모델 생성2.2.2.2.

충전해석 및 사출시간 선정충전해석 및 사출시간 선정충전해석 및 사출시간 선정충전해석 및 사출시간 선정3.3.3.3.

보압해석 및 보압력 선정보압해석 및 보압력 선정보압해석 및 보압력 선정보압해석 및 보압력 선정4.4.4.4.

냉각해석냉각해석냉각해석냉각해석5.5.5.5.

해석 결과해석 결과해석 결과해석 결과6. CAE6. CAE6. CAE6. CAE

해석결과를 이용한 성형공정 설계해석결과를 이용한 성형공정 설계해석결과를 이용한 성형공정 설계해석결과를 이용한 성형공정 설계7.7.7.7.

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

- 9 -

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 지원기술의 개요제 절 지원기술의 개요제 절 지원기술의 개요제 절 지원기술의 개요1111

주요생산품주요생산품주요생산품주요생산품 플라스틱 생활용기 플라스틱 성형 자동차 부품,

적용제품적용제품적용제품적용제품 플라스틱 생활용기 CAP

기술지원 범위기술지원 범위기술지원 범위기술지원 범위

대용량 금형 제작 정밀도 확보 지원insert core□

대용량 금형 기술 지원insert core alignment□

대용량 금형 유동밸런스 확보를 위한 엔니지어링 해석 지원□

정밀도 확보를 위한 정밀 측정 지원Insert core□

성형품의 차원 측정 지원3□

선진기술현황선진기술현황선진기술현황선진기술현황

선진국의 경우 이상의 대용량 금형이 이미 상용화되어128cavity

고생산성을 확보한 상태이고 지원업체와 비교할 경우 약 배 이5~6

상의 대량생산능력을 가지고 있으며 금형의 수명 측면에서도 약, 3

배 정도의 내구성을 확보하고 있음.

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

인서트 코어 타입 이상 대용량 금형을 개발 제작하여 대외경쟁력을CAP 40cavity /

확보하고 나아가 해외시장 선점을 위한 금형기술을 확보

가공 정밀도 확보를 위한 정밀가공 기술 지원o Insert core

각 의 확보를 위한 기술지원o insert core alignment

유동 밸런스 확보를 위한 해석 지원o CAE

성형 단축을 위한 성형조건 도출 지원o cycle

- 10 -

제 절 대용량 금형 성형 산업 및 관련 기술제 절 대용량 금형 성형 산업 및 관련 기술제 절 대용량 금형 성형 산업 및 관련 기술제 절 대용량 금형 성형 산업 및 관련 기술3333 ㆍㆍㆍㆍ

관련 산업 기술 현황관련 산업 기술 현황관련 산업 기술 현황관련 산업 기술 현황1.1.1.1. ㆍㆍㆍㆍ

가 세계 금형 성형 산업 기술 동향가 세계 금형 성형 산업 기술 동향가 세계 금형 성형 산업 기술 동향가 세계 금형 성형 산업 기술 동향. /. /. /. /ㆍㆍㆍㆍ

해외 생활용품 금형제작 선진국은 독일 캐나다 오스트리아 정도이며 아시아권o , . ,

에서는 싱가폴이 국내 기술과 유사한 정도로 파악됨.

외국 생활용품 금형 선진업체의 기술수준은 현재 단일금형에서 가 출시o 128cavity

되었고 그 이상의 제작 능력이 있는 것으로 판단됨, .

성형 싸이클의 경우 금형이 이내에 운용하고 있어 지원업o 128cavity CAP 20sec ,

체와 비교할 경우 약 배 이상 대량생산능력이 있음, 5~6 .

금형 수명의 경우 국내 업체는 사이클을 보장하지만 선진업체의 경우o 300,000 ,

이에 배정도 보장하고 있는 실정임3 .

선진업체와 기술비교선진업체와 기술비교선진업체와 기술비교선진업체와 기술비교[Table 1. ][Table 1. ][Table 1. ][Table 1. ]

국내 업체국내 업체국내 업체국내 업체 기술내역기술내역기술내역기술내역 기술수준기술수준기술수준기술수준 기술등급기술등급기술등급기술등급

KTW Group

오스트리아( )

수cavity 128 cavity A

성형 cycle 14 sec A

Rohmann

독일( )

수cavity 128 cavity A

성형 cycle 15 sec A

Stackteck

캐나다( )

수cavity 64 cavity B

성형 cycle 18 sec B

UFE Pte Ltd.

싱가폴( )

수cavity 48 cavity C

성형 cycle 20 sec C

주 제이엠피( )수cavity 32 cavity D

성형 cycle 18 sec C

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가 국내 금형 성형 산업 기술 동향가 국내 금형 성형 산업 기술 동향가 국내 금형 성형 산업 기술 동향가 국내 금형 성형 산업 기술 동향. /. /. /. /ㆍㆍㆍㆍ

국내 금형시장은 지속적으로 성장하여 년 억원에서 년 약 조 천o 1985 675 2002 3 7

억원 규모로 성장하였으며 년 이후 지속적인 성장을 거듭 년에는, 1985 1994 1,700

만불 흑자를 기록한 이래 년 억 천만 불의 흑자를 기록하며 현저하게 성장2003 6 5

함.

플라스틱 금형의 경우 년 금형 전체 생산량 가운데 가장 높은 억원o 2002 16,791

매출을 보이고 있으며 매출 성장률도 년 년 로 꾸(44.4%) , 2001 10.9%, 2002 8.7%

준히 성장세를 보이고 있음.

플라스틱 금형분야의 년 기준 수출입 실적은 금형 총 수출량 가운데o 2003

천달러 금형 총 수입량 가운데 천달러 로 타 금형품73.5%(543,260 ), 49%(40,497 )

목에 비해 시장규모가 가장 크며 흑자 규모 또한 약 억불 이상 전체 규모 대비, 5 (

약 으로 가장 큼77%) .

생활용품 금형은 총 사출금형의 정도로 예측되고 있으며 다국적기업의 아시o 7% ,

아권 수요가 커지면서 국내 금형수출은 당분간 유지될 것으로 보임.

생활용품 특성상 고생산성이 중요한 변수로 지원업체는 금형 분야의 경우o CAP

국내 최고수준이지만 현재 선진 기술력에는 미흡하며 성형 싸이클 또한 선진국 업,

체에 비해 다소 떨어지는 상황임.

국내 동종업체와 기술비교국내 동종업체와 기술비교국내 동종업체와 기술비교국내 동종업체와 기술비교[Table 2. ][Table 2. ][Table 2. ][Table 2. ]

국내 업체국내 업체국내 업체국내 업체 기술내역기술내역기술내역기술내역 기술수준기술수준기술수준기술수준 기술등급기술등급기술등급기술등급

태웅기연수cavity 16cavity C

성형 cycle 18sec C

주 제이엠피( )수cavity 32cavity A

성형 cycle 18sec A

삼일정밀수cavity 24cavity B

성형 cycle 23sec B

- 12 -

금형 성형 기술 개요금형 성형 기술 개요금형 성형 기술 개요금형 성형 기술 개요2. CAP2. CAP2. CAP2. CAP ㆍㆍㆍㆍ

금형의 경우 일반 사출 금형 제작 프로세스와 유사한 과정을 거쳐 제작되o CAP

나 일회성 생활용품 사용이 급증하면서 관련 제품을 성형하는 생활용품 금형이 현,

재 선진국에서는 고부가가치 금형으로 분류되어 있는 실정이며 금형 제작 기술은,

대용량 금형 이상 인 몰드 라벨링 다중사출 기술(40cavity ), (in-mold labeling),

금형제작 기술로 변화하고 있는 추세이고 복합적(multi-shot technology), stack ,

이고 융합기술이 필요한 최신 금형기술의 집적화가 많이 시도되고 있음.

국내 생활용품의 금형기술이 선진국에서 비해 떨어지는 이유는 국내시장이 매우o

적어 공정융합기술 고생산성 금형제작 기술의 필요 요구가 적었으나 금형이 수출, ,

주도형 산업으로 변화하면서 선진기술과 경쟁력을 확보하기 위해 관련기술의 필요

성이 급증하고 있음.

국내 생활용품 의 수요는 동성형제품 당 정도이o CAP single face mold 32 cavity

면 시장 요구에 대응가능할 것으로 판단됨.

그림 은 형상 설계기술을 도시한 것으로 외국 다국적기업이나 제품 사용o 1 CAP ,

업체가 형상 디자인을 수행하지만 코어 제작에 적합하게 형상 수정을 거쳐, (core)

형상이 최종 결정되며 그림 과 같은 제작 프로세스를 거쳐 금형을 제작함, . 3 .

그림 는 형상 설계기술을 도시한 것으로 외국 다국적기업이나 제품 사o 2 , CAP ,

용업체가 형상 디자인을 수행하지만 코어 제작에 적합하게 형상 수정을 거쳐, (core)

형상이 최종 결정되며 그림 와 같은 제작 프로세스를 거쳐 금형을 제작함, . 4 .

그림 생활용기그림 생활용기그림 생활용기그림 생활용기1. CAP1. CAP1. CAP1. CAP

- 13 -

그림 생활용기 형상 디자인그림 생활용기 형상 디자인그림 생활용기 형상 디자인그림 생활용기 형상 디자인2. CAP2. CAP2. CAP2. CAP

CAP Design CAE Analysis Mold Design CAM Simulation

그림 금형 제작 프로세스그림 금형 제작 프로세스그림 금형 제작 프로세스그림 금형 제작 프로세스3 CAP3 CAP3 CAP3 CAP

Interface Core Single Face Mold

2Level×64 cavity Stack Mold 4Level Stack Mold

그림 일회용 생활용기 금형그림 일회용 생활용기 금형그림 일회용 생활용기 금형그림 일회용 생활용기 금형4 CAP4 CAP4 CAP4 CAP

- 14 -

제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 제품 및 금형설계 지원제 절 제품 및 금형설계 지원제 절 제품 및 금형설계 지원제 절 제품 및 금형설계 지원1111

제품 설계제품 설계제품 설계제품 설계1. Cap1. Cap1. Cap1. Cap

본 지원 사업을 통하여 제작된 금형의 성형제품은 아래의 그림과 같은 휴대용 소형

용기의 부분으로 약Cap 34mm×22mm× 가량의 박스형 제품이다 제품의10mm .

살두께는 제품 전영역에 걸쳐 일정한 살두께를 가지고 있는 형상이다0.85mm .

그림 제품 형상그림 제품 형상그림 제품 형상그림 제품 형상. 5 2D. 5 2D. 5 2D. 5 2D

제품의 형상이 제품의 중앙면을 중심으로 좌우 대칭인 형상을 가지고 있어 한개의

게이트를 적용하여 유동밸런스를 확보하기 용이할 뿐만 아니라 제품 전체 크기도,

상대적으로 소형이기 때문에 유동성 확보에도 큰 어려움이 없을 것으로 판단된다.

- 15 -

유동시스템 설계유동시스템 설계유동시스템 설계유동시스템 설계2.2.2.2.

가 개요가 개요가 개요가 개요. Hot Runner System. Hot Runner System. Hot Runner System. Hot Runner System

의 구조 및 종류의 구조 및 종류의 구조 및 종류의 구조 및 종류1) Hot Runner System1) Hot Runner System1) Hot Runner System1) Hot Runner System

핫 러너 시스템은 사출성형 분야에서 여러 가지 용도로 사용된다 금형에서 핫 러.

너는 별개의 장치로 사출장치의 연장이라 볼 수 있다 핫 러너 시스템은 등은 용융.

수지를 게이트 부위까지 도달되거나 또는 캐비티 내로 직접 사출되도록 할 수도 있

다 일반 러너 시스템과 비교하여 보면 몇 가지 장점이 있으며 이는 다음과 같다. .

재료절감 러너 시스템에 의한 재료손실이 없음,•

핫 러너가 게이트를 포함하고 있으면 후가공이 필요 없음• → 생산net shape

어떤 성형품 형상에 대해서는 재래식 러너 시스템을 사용할 수 없는 특수 게이트•

구조가 필요하다.

이러한 이유로 핫 러너 시스템은 사출금형 제작에서 안정된 위치를 차지하고 있다.

그림 에는 캐비티 금형에 대한 핫 러너 시스템의 개략적인 모습을 나타내6 single

었다.

Hot runner nozzle Gate bushing Thermoplug Power① ② ③ ④

그림 캐비티 금형의 핫 러너 시스템그림 캐비티 금형의 핫 러너 시스템그림 캐비티 금형의 핫 러너 시스템그림 캐비티 금형의 핫 러너 시스템. 6 Single. 6 Single. 6 Single. 6 Single

- 16 -

기본적으로 핫 러너 시스템의 구조에 대해서는 두 가지의 각기 다른 원리가 있으며

이는 다음과 같다.

내부 가열 핫 러너 시스템 토피도( )•

외부가열 핫 러너 시스템•

외부가열 핫 러너 시스템에서는 용융수지를 러너의 주위로부터 가열한다 이에 비.

해 내부가열 핫 러너는 용융수지 채널 내부중심에 가열요소를 포함하고 있다 이와.

같은 두 가지의 각기 다른 용융수지 가열 방법에 의해 러너 직경에 따라 각기 다른

온도 분포를 보인다 외부가열 핫 러너 시스템은 재료 유동방향과 직각방향에 있어.

서 거의 일정한 온도분포를 보인다 외부가열방식과 반대로 내부 가열 방식의 핫.

러너는 러너의 직경이 증가하면 용융수지의 온도는 감소하는 온도분포를 나타낸다.

다음의 그림에서는 핫 러너 시스템의 가열 방식에 따른 용융 수지의 속도 선도를

나타내었다.

그림 핫 러너의 구조에 따른 수지의 속도 선도그림 핫 러너의 구조에 따른 수지의 속도 선도그림 핫 러너의 구조에 따른 수지의 속도 선도그림 핫 러너의 구조에 따른 수지의 속도 선도. 7. 7. 7. 7

위의 그림은 내부가열 핫 러너의 속도 변화가 재료 유동에 대해 상대적인 링 틈새

가 작다는 것을 보여주고 있다 이와 비하여 외부가열 핫 러너는 블록 유동을 보이.

고 이는 속도 변화와 유사하다 내부가열 핫 러너 방식에서 속도변화는 러너를 따.

라 높은 전단률 및 높은 압력강하가 발생되는 것이 확실하며 이는 유동학적 관점에

서 볼 때 내부 가열방식 핫 러너가 제어하기 어렵다는 것을 의미한다 그러나 외부, .

가열 핫 러너 방식에도 특이한 문제가 발생하게 되는데 이는 금형의 열팽창 문제이

다.

- 17 -

아래의 그림에서는 열팽창에 따른 외부가열 핫 러너의 문제점을 나타내었다 금형.

의 열팽창에 의하여 금형 내에 설치된 러너 하우징 및 노즐에 변형이 발생하게 된

다 이 결과로 코너부위는 재료가 모이게 되어 손상될 수 있다 이와 같은 문제를. .

방지하기 위해 외부가열 핫 러너의 제작자는 열팽창을 보정하기 위한 공차를 적용

하여 하우징을 제작하고 있다.

열팽창 이전 열팽창 이후열팽창 이전 열팽창 이후열팽창 이전 열팽창 이후열팽창 이전 열팽창 이후[ ] [ ][ ] [ ][ ] [ ][ ] [ ]

그림 열팽창에 따른 외부 가열 핫 러너의 문제점그림 열팽창에 따른 외부 가열 핫 러너의 문제점그림 열팽창에 따른 외부 가열 핫 러너의 문제점그림 열팽창에 따른 외부 가열 핫 러너의 문제점. 8. 8. 8. 8

표 에는 내부 가열 및 외부 가열 핫 러너 시스템의 장점을 정리하였다 내부 가열3 .

방식의 핫 러너 시스템에서는 플라스틱의 좋은 열적 단열거동 때문에 토피도를 이

용하는 데에는 열적팽창 문제가 없고 적은 에너지만 필요하게 된다 일반적으로 내.

부가열 핫 러너 시스템이 싸며 외부가열 방식에 비하여 작은 공간을 요하게 된다.

반면에 외부가열 핫 러너는 낮은 압력손실 및 낮은 수지응력 등으로 유동학적인 장

점을 보여주고 있다 또 다른 장점은 수지 색상을 쉽고 바르게 변화시킬 수 있는.

것인데 이는 모든 채널이 모두 사용되고 새로운 색이 오래된 색을 신속히 밀어낼

수 있기 때문이다.

핫 러너 시스템에는 매니폴더 노즐과 같은 각기 다른 장치가 있다 아(manifolder), .

래의 그림에는 다양한 종류의 노즐을 나타내었다.

- 18 -

표 내부 가열 및 외부 가열 핫 러너 시스템의 비교표 내부 가열 및 외부 가열 핫 러너 시스템의 비교표 내부 가열 및 외부 가열 핫 러너 시스템의 비교표 내부 가열 및 외부 가열 핫 러너 시스템의 비교[ 3 ][ 3 ][ 3 ][ 3 ]

내부 가열 시스템의 장점내부 가열 시스템의 장점내부 가열 시스템의 장점내부 가열 시스템의 장점 외부 가열 시스템의 장점외부 가열 시스템의 장점외부 가열 시스템의 장점외부 가열 시스템의 장점

가열 에너지가 작다.•

열팽창이 없다.•

가격이 저렴하다.•

설치 공간이 작다.•

수지의 응력이 동일하다.•

생상 변경이 용이하다.•

압력 강하가 작다.•

그림 핫 러너 노즐그림 핫 러너 노즐그림 핫 러너 노즐그림 핫 러너 노즐. 9. 9. 9. 9

핫 러너 시스템에서 노즐은 핫 러너 시스템의 가장 중요한 부분이기 때문에 경우에

따라 해결이 어려운 몇 가지 요구사항이 있으며 이는 다음과 같다.

유동거리에 따른 용융수지의 일정한 가열•

가열된 노즐과 차가운 금형 간의 일적분리•

재현 가능성 및 이젝팅되는 동안 캐비티내의 냉각된 성형품과 핫 러너의 용융수•

지의 정밀한 분리

러너 매니폴드와 노즐 및 노즐과 캐비티 사이의 양호한 씰링•

- 19 -

직접 사출이 불가능할 경우 다이아프램 게이트 디스크 게이트 링 게이트 간접사( , , ),

출 방법이 이용된다 아래의 그림에는 단일 캐비티 간접 게이트 금형의 핫 러너를.

나타내었다 간접사출이라는 것은 핫 러너가 캐비티와 접촉하지는 않으나 그 끝이.

성형품과 인접하게 있다는 것을 의미한다 이와 같은 경우 작은 원추형 스프루가. ,

형성되며 성형품을 이젝팅하는 동안 이 전달부위의 절단이 일어난다 간접사출은.

용융수지와 성형품 열적 분리가 잘 이루어진다는 장점이 있으나 가장 중요한 핫 러

너 장치의 장점 즉 후가공 및 재료절감은 얻을 수 없다는 단점이 있다 때문에 이.

러한 장점을 얻기 위해 금형제작자는 기본적으로 직접사출을 시도하고 있다.

그림 단일 캐비티 간접 게이트 금형의 핫 러너그림 단일 캐비티 간접 게이트 금형의 핫 러너그림 단일 캐비티 간접 게이트 금형의 핫 러너그림 단일 캐비티 간접 게이트 금형의 핫 러너. 10. 10. 10. 10

오픈 노즐의 기본적인 문제는 이젝팅 후에 성형품에 작은 자국이 남고 이젝팅 후에

실 모양으로 수지가 딸려 나오는 현상이 생긴다는 것이다 이 문제를 해결하기 위.

해 링 게이트를 사용하는 원리가 개발 설치되었다 한 예를 그림에 나타내었으며.

링 갭은 과정 중 형성되고 토피도에서는 팁이 노즐 중심에 오게 된다.

다수 캐비티 금형에서는 캐비티 간의 거리가 짧기 때문에 각 캐비티에 각각의 노즐

을 설치하는 것은 불가능하다 이런 경우에는 다수 노즐이 사용된다 링 갭 노즐은. .

구조적인 이유 때문에 두 개의 상반되는 조건을 만족해야 하는데 하나는 링 갭에

있어서 용융수지 유동의 압력손실이 작아야 한다는 것이고 다른 하나는 유동부위는

점착거동을 낮추기 위해 유동통로가 있어야 한다는 것이다 하지만 높은 유동률 때.

문에 이 원리가 맞지 않는 상한경계조건이 있기 때문에 유동률이 클 경우에는 셧오

프 노즐을 사용한다 다음의 그림에는 셧오프 노즐을 나타내었다 러너의(shut off) . .

중심에 있는 니들이 유압 도는 공압에 의해 작동된다 따라서 게이트가 반복하여.

열리고 닫히게 된다.

- 20 -

그림 토피도 가열 핫 러너그림 토피도 가열 핫 러너그림 토피도 가열 핫 러너그림 토피도 가열 핫 러너. 11. 11. 11. 11

아래의 그림에는 매니폴더 의 개략적인 구조를 나타내었다 매니폴더를 구(H type) .

성하는 구성 폼에는 가열을 히터와 온도의 측정을 위한 온도 센서가 있고 다양한

종류의 매니폴더 를 나타내었다 매니폴더에는 원리적으로 두 가지 타입(manifoder) .

이 있다.

그림 매니홀더의 개략적인 구조그림 매니홀더의 개략적인 구조그림 매니홀더의 개략적인 구조그림 매니홀더의 개략적인 구조. 12 (II type). 12 (II type). 12 (II type). 12 (II type)

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(Straight type) (Cross type) (H type)

(Start type) (T type)

그림 다양한 종류의 매니폴더그림 다양한 종류의 매니폴더그림 다양한 종류의 매니폴더그림 다양한 종류의 매니폴더. 13. 13. 13. 13

자연 평형 시스템•

인위적인 평형 시스템•

자연적인 평형 시스템에서는 모든 매니폴더가 모두 같은 유동거리를 가지는데 일반

적으로 이와 같은 방법을 이용한다 다수의 캐비티를 가진 금형에서는 여러 가지의.

복잡한 러너 매니폴더를 조합하여 사용할 필요가 있다 자연적으로 평형을 이룬 매.

니폴더를 사용하는 또 다른 이유는 유동해석 등 인위적인 평형작업이 필요 없다는

것이다 하지만 모든 매니폴더가 자연적으로 평형을 이루는 것은 아니며 특히 아주.

대형이 아닌 성형품에서도 더 나은 성형품을 얻기 위해 하나 이상의 게이트가 필,

요할 경우가 있기 때문에 인위적인 평형 시스템을 이용하는 경우도 있다.

의 가열의 가열의 가열의 가열2) Hot Runner System2) Hot Runner System2) Hot Runner System2) Hot Runner System

핫 러너를 가열하는 요소를 아래의 그림들에 나타내었다 가열에 이용되는 장치는.

요구되는 가열용량과 공간에 의하여 결정된다 고출력 가열 카트리지는 작은 공간.

에서 높은 가열출력을 제공하지만 전력밀도가 커지는 문제가 있다 이로서 고장이.

잦을 뿐만 아니라 핫 러너 및 그 부품에 국부적인 과열 위험이 있다 이러한 이유.

와 온도조절을 쉽게 하기 위하여 가열요소는 너무 강력한 출력을 갖는 것이 곤란하

다 전력밀도는 가급적 을 초과하지 말아야 한다 가열 카트리지의 적정. 20w/cm2 .

수명에 가장 중요한 사전조건은 가열되는 물체로의 양호한 열전달이다 그럼에도.

불구하고 가열 카트리지의 교환은 피할 수 없기 때문에 조립이 가열 카트리지의 조

립이 단순해야 한다는 것이 중요하다.

- 22 -

그림 핫 러너 및 노즐의 가열의 위한그림 핫 러너 및 노즐의 가열의 위한그림 핫 러너 및 노즐의 가열의 위한그림 핫 러너 및 노즐의 가열의 위한. 14 heater. 14 heater. 14 heater. 14 heater

의 온도조절의 온도조절의 온도조절의 온도조절3) Hot Runner System3) Hot Runner System3) Hot Runner System3) Hot Runner System

핫 러너 금형은 노즐 부위와 게이트 부위에서 온도변화에 대하여 아주 민감하게 반

응한다 따라서 노즐부위에서 온도가 몇 도만 변화하더라도 사출분량을 일으키기에.

충분하다 이러한 이유로 원활한 기능 작동과 전자동 핫 러너 금형에는 정밀한 온.

도조절이 중요한 사전조건이다 이것은 각 노즐로부터 유입되는 각각의 수지의 양.

을 변화시키는 유일한 방법이기 때문에 원칙적으로 각 노즐은 별도로 조절되어야

한다.

가 열전대의 위치가 열전대의 위치가 열전대의 위치가 열전대의 위치))))

노즐 부위에는 개의 노출된 장소가 있다 우선 게이트의 온도는 수지의 흐름과 보2 .

압전달 효과가 이에 의해 결정되기 때문에 아주 중요하다 반면에 예컨대 히터 카.

트리지의 중간에서 히터 온도가 최대로 상승하는 부위에서 수지가 탈 수 있는 위험

이 있다 이러한 조건하에서 열전대는 카트리지의 앞쪽 끝부분 즉 가급적 토피도의.

끝에 가까운 부분에 설치하여야 한다 그러나 토피도가 충분하게 굵으면 약. 0.8mm

직경을 가진 소형 자켓을 입힌 열전대를 가는 홈을 통하여 토피도의 끝에 끼울 수

도 있다.

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노즐의 경우와 비슷한 방식이 러너에도 고려된다 어떠한 조건하에서도 열전대가.

비교적 차가운 러너 끝단에 설치되어서는 안된다 이렇게 하면 런너의 중심부가 과.

열될 위험이 있기 때문이다 열전대는 가열 카트리지의 가장 뜨거운 곳과 런너 유.

로 사이에 위치하여야 한다 물론 측정지점의 온도는 지지부와 같은 것에 의하여.

틀려져서는 안된다 튜브형 히터를 사용한 경우 열전대는 최고온도 부위에 설치하.

여야 하며 이런 경우 스프루 부위에 가까운 런너 시스템의 중심부가 좋다 재현성.

의 관점에서 열전대와 이를 설치하는 방법에 따라 측정 시에는 큰 오차를 발생시킬

수 있으므로 모든 열전대는 금형 내에 영구적으로 고정시켜야 한다 열전대를 영구.

적으로 설치해야만 금형을 다시 사용할 때 측정에 오차가 없다는 것을 확인할 수

있다.

나 조절기나 조절기나 조절기나 조절기))))

가열 카트리지의 작동수명의 관점에서 조절기를 계속적으로 작동시키는 것이 바람

직하다 조절기의 스위치가 느리게 작동되면 가열 카트리지 내 온도변화가 불규칙.

하여 빨리 파손된다 전류 서어지 가 나타나면 신속히 작동하여 가열 카트리지의. “ ”

온도변화가 거의 나타나지 않는 조절을 사용하는 것이 바람직quasi steady state

하다 제어의 유리한 알고리즘은 시작하는 동안 을 방지할 수 있는. over shooting

특성이다 가열 카트리지의 수명을 극대화하기 위하여 낮은 전력으로 가열PD-PID .

카트리지를 가열할 수 있는 자동개시회로를 사용하는 것이 바람직하며 감시는 실제

값 지시계와 전류계에 의해 손쉽게 할 수 있다 전류의 변화는 가열요소가 파손되.

었다는 것을 의미한다 핫 런너의 작업을 자주 할 때 특정기계에 조절기를 영구적.

으로 설치하는 것이 좋다 매번 똑같은 조절기를 사용하는 것은 온도의 재현성과.

성형품 품질에 중요하다.

나 을 적용한 유동시스템 설계나 을 적용한 유동시스템 설계나 을 적용한 유동시스템 설계나 을 적용한 유동시스템 설계. Hot Runner System. Hot Runner System. Hot Runner System. Hot Runner System

제품의 형상이 제품의 중앙면을 중심으로 좌우 대칭인 형상을 가지고 있어 한 개의

게이트를 적용하여 유동밸런스를 확보하기 용이할 뿐만 아니라 제품 전체 크기도,

상대적으로 소형이기 때문에 유동성 확보에도 큰 어려움이 없을 것으로 판단되어 1

개의 핀 포인트 게이트를 적용하였다 제품의 캐비티 수는 개로 설정(pin point) . 64

하였으며 대용량 멀티 캐비티 금형이기 때문에 수지 주입에서부터 성형 완료까지,

의 유동거리가 일반 금형에 비하여 상당히 크기 때문에 수지의 유동성 확보를 유동

시스템은 핫런너 콜드런너 콜드게이트를 복합적으로 적용하여 설계하였다, , .

- 24 -

주입된 용융수지는 핫스프루와 메뉴폴더를 거친 뒤 개의 핫노즐로 분배되며 각16 ,

각의 핫노즐에서는 다시 콜드런너를 거쳐 개의 캐비티로 수지를 유입 시키는 유동4

시스템을 가지고 있다 일반적으로 대형 금형이나 대용량 멀티 캐비티 금형에서 핫. ,

런너 시스템을 적용할 경우에는 핫노즐과 핫게이트를 이용하여 제푸에 직접 수지를

주입시키는 방법이 사용되나 상기와 같은 방법으로 금형을 제작할 경우에는 금형,

의 제작단가가 상승할 뿐만 아니라 전체적인 금형의 크기도 증가하여 적용 사출성,

형기도 대형화되기 때문에 비효율적인 사출 성형 공정을 초래 할 수도 있다 본 지.

원 사업에서 적용된 캐비티의 배치 및 유동 시스템의 형상은 아래의 그림과 같다.

그림 캐비티 배치 및 유동시스템 캐비티 플레이트그림 캐비티 배치 및 유동시스템 캐비티 플레이트그림 캐비티 배치 및 유동시스템 캐비티 플레이트그림 캐비티 배치 및 유동시스템 캐비티 플레이트. 15 64 ( ). 15 64 ( ). 15 64 ( ). 15 64 ( )

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그림 핫런너 시스템 설계 핫스프루 매니폴드 핫런너그림 핫런너 시스템 설계 핫스프루 매니폴드 핫런너그림 핫런너 시스템 설계 핫스프루 매니폴드 핫런너그림 핫런너 시스템 설계 핫스프루 매니폴드 핫런너. 16 ( , , ). 16 ( , , ). 16 ( , , ). 16 ( , , )

냉각 시스템 설계냉각 시스템 설계냉각 시스템 설계냉각 시스템 설계3.3.3.3.

사출성형 공정을 이용하여 제품을 생산하는데 있어 금형냉각이 전체 사이클 타임의

이상을 차지하고 있다 따라서 생산적 측면으로 볼 때 효율적인 냉각회로설계2/3 .

는 냉각시간을 감소시켜 전체적인 생산성을 증가 시킬 뿐만 아니라 균일한 냉각은

잔류응력을 줄이고 치수 정확도 및 안정성을 유지함으로써 품질을 향상시키기 때문

에 설계 단계에서부터 냉각시스템에 대한 중요성을 인지해야 할 필요가 있다 단일.

캐비티 금형의 경우에는 제품의 균일한 냉각만 고려하여 냉각시스템을 설계하면 되

지만 본 지원 사업에서 제작하는 금형과 같이 대용량 멀티 캐비티 금형의 경우 제,

품의 균일한 냉각뿐만 아니라 설계되어 있는 모든 캐비티내에서 균일한 냉각 밸런

스를 확보하여야 한다 만약 설계된 냉각시스템이 캐비티 마다 서로 다른 냉각 효.

과를 준다면 캐비티 마다 서로 다른 품질의 제품이 생산되기 때문에 제품의 품질

경쟁력에 큰 악영향을 끼치게 된다.

냉각시스템 설계는 제품의 균일한 냉각을 위하여 각 제품의 하단부에 지름 의8mm

배플 을 개씩 배치하였으며 제품 측면 냉각을 위하여 제품과 제품 사이에(baffle) 2 ,

지름 의 냉각 채널을 설계하였다 또한 캐비티 플레이트 및 코어 플레이트의10mm .

균일한 냉각을 위하여 유동시스템과 핫런너 시스템의 위치를 고려하여 지름

의 냉각채널을 골고루 배치하였다6mm~10mm .

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그림 캐비티 플레이트의 냉각시스템 설계그림 캐비티 플레이트의 냉각시스템 설계그림 캐비티 플레이트의 냉각시스템 설계그림 캐비티 플레이트의 냉각시스템 설계. 17. 17. 17. 17

그림 코어 플레이트의 냉각시스템 설계그림 코어 플레이트의 냉각시스템 설계그림 코어 플레이트의 냉각시스템 설계그림 코어 플레이트의 냉각시스템 설계. 18. 18. 18. 18

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설계설계설계설계4. Cavity/Core Plate4. Cavity/Core Plate4. Cavity/Core Plate4. Cavity/Core Plate

설계된 유동시스템 냉각시스템 및 금형 인서트 코어 방식을 적용하기, (insert core)

위하여 캐비티 코어 플레이트를 설계 하였다 코어 플레이트와 인서트 코어에 삽입/ .

된 코어는 개의 코어를 조립한 뒤 조립된 인서트 코어를 다시 플레이트에 삽입하8

는 중 조립 구조를 가지고 있으며 이러한 조립 구조를 반영하여 설계 하였다2 , .

그림 캐비티 플레이트 설계그림 캐비티 플레이트 설계그림 캐비티 플레이트 설계그림 캐비티 플레이트 설계. 19. 19. 19. 19

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그림 코어 플레이트 설계그림 코어 플레이트 설계그림 코어 플레이트 설계그림 코어 플레이트 설계. 20. 20. 20. 20

그림 설계된 캐비티 금형 조립도그림 설계된 캐비티 금형 조립도그림 설계된 캐비티 금형 조립도그림 설계된 캐비티 금형 조립도. 21 64. 21 64. 21 64. 21 64

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제 절 금형 가공 및 조립 기술지원제 절 금형 가공 및 조립 기술지원제 절 금형 가공 및 조립 기술지원제 절 금형 가공 및 조립 기술지원2222

절삭가공 개요절삭가공 개요절삭가공 개요절삭가공 개요1.1.1.1.

일반적으로 정밀절삭가공이라 함은 단순히 치수 정밀도가 높은 가공만을 생각하기

쉬우나 절삭가공의 정밀도 향상을 위해서는 단순히 가공에 관한 지식으로는 고정도

부품을 생산하는데 많은 어려움이 있다 초정밀 절삭가공에 있어(high precision) .

서는 단순한 치수정밀도 뿐만 아니라 가공기 자체의 정밀도도 주요 고려대상이며,

가공기의 정밀도 뿐만 아니라 가공기의 구조 구성재료 설계 등의 문제와 열 외, , ,

력 진동 습도 먼지 등의 노이즈 가공환경의 영향도 고려해야 하며 재료 자체의, , , ,

결함 공구의 물리 화학적 특성 절삭력 가공 메커니즘 측정에 관한 지식 등 광, , , ,ㆍ

범위한 지식이 필요하다.

절삭가공은 공작물 피삭재 보다 경도가 큰 공구를 사용하여 공작물로부터 칩( ) (chip)

을 깎아내어 원하는 형상의 제품을 만드는 작업을 말한다 이 때 사용하는 공구로.

서는 바이트 드릴 커터 등 절삭날로 구성된 것과 연삭숫돌과 같(bite), (drill), (cutter)

이 입자로 구성된 것이 있으나 칩을 발생시켜 가공하는 절삭원리는 같다 그러나.

일반적으로 좁은 의미의 절삭이라 함은 절삭날로 구서된 공구에 의한 것을 뜻한다.

절삭공구는 작업의 성패 나아가 전체 제조공정의 성패를 좌우할 수 있으므로 절삭, ,

공구의 수명과 최대 생산과의 균형을 이루는 최선의 절삭공구를 사용해야 한다 절.

삭공구의 가격보다는 전체 제조공정에 미치는 절삭공구의 효과를 고려해야 한다.

새로운 금속재료들이 계속 발견 또는 개발되면서 이를 금속을 더 효율적으로 절삭

하기 위한 새로운 공구들도 개발되었다.

가 절삭공구의 공구 재료별 특성가 절삭공구의 공구 재료별 특성가 절삭공구의 공구 재료별 특성가 절삭공구의 공구 재료별 특성....

그림 금속 절삭공구 소재의 발달과정그림 금속 절삭공구 소재의 발달과정그림 금속 절삭공구 소재의 발달과정그림 금속 절삭공구 소재의 발달과정. 22. 22. 22. 22

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탄소 공구강탄소 공구강탄소 공구강탄소 공구강1) (carbon tool steel)1) (carbon tool steel)1) (carbon tool steel)1) (carbon tool steel)

탄소공구강은 고탄소강으로 만들어졌으며 금속가공에 사용되다가 고속도강으로 대,

체되었다 절삭날이 쉽게 부스러지기 때문에 현재는 거의 사용되지 않는다. .

고속도강고속도강고속도강고속도강2) (high speed steels)2) (high speed steels)2) (high speed steels)2) (high speed steels)

고속도강은 다양한 양의 텅스텐 크롬 바나듐 몰리브덴 및 코발트를 함유하고 있, , ,

다 고탄소강 공구보다 열에 견디는 능력이 배나 우수하고 중절삭이 가능하며 충. 3 , .

격에 견디는 힘이 크고 고속 절삭에서 절삭날을 날카롭게 유지한다.

주조합금주조합금주조합금주조합금3) (cast alloy)3) (cast alloy)3) (cast alloy)3) (cast alloy)

주조합금은 크롬 텅스텐 탄소 및 코발트를 함유하고 있다 경도 내마모성 열경도, , . , ,

성능이 우수한 주조합금은 고속도강 공구보다 배 빠른 속도로 가공할 수 있2~2.5

다.

초경합금초경합금초경합금초경합금4) (cemented carbide)4) (cemented carbide)4) (cemented carbide)4) (cemented carbide)

초경합금은 텅스텐과 코발트 다양한 양의 티타늄이나 탄화탄탈륨을 함유한다 초경, .

합금은 고속도강보다 강도는 낮지만 경도가 크고 열경도 성능이 우수하다 초경합, .

금은 고속도강보다 강도는 낮지만 경도가 크고 열경도 성능이 우수하다 초경합금, .

은 고속도강 공구보다 배 높은 절삭속도로 가공할 수 있다 초경 코팅 공구는3~4 .

초경에 얇은 탄화티타늄이나 알루미나 층을 융착한 것으로서 내마모 코팅으로 공구

수명이 연장되고 더 높은 절삭속도를 낼 수 있다.

세라믹세라믹세라믹세라믹5) (ceramic)5) (ceramic)5) (ceramic)5) (ceramic)

세라믹은 알루미나가 주성분으로 여기에 산화티타늄이나 탄화티타늄이 첨가된다.

세라믹 절삭공구는 초경공구보다 절삭속도가 빠르고 공구수명이 연장되며 표면조도

가 우수하다.

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다이아몬드다이아몬드다이아몬드다이아몬드6) (diamond)6) (diamond)6) (diamond)6) (diamond)

다이아몬드 절삭공구는 물질 중 가장 단단하고 열전도율이 높으며 그 단결정은 날

카로운 날을 얻을 수 있어 비철재료의 초정밀 가공에 매우 적합하다 미국 사의. GE

다이아몬드 합성 발표 후 지난 년간 공업적으로 분말형태의 미세한 결정밖에 합30

성되지 않았던 다이아몬드가 현재는 수 의 대형 고순도 단결정 생산이 가능하mm

게 되었다 이러한 합성 다이아몬드 단결정은 레이저 창 광자기디스크 광학렌즈. , , ,

금형 등의 초정밀 절삭가공에 실용화되어 전자산업과 광기술 등 첨단산업분야의,

기반을 지탱하고 있다 다이아몬드 소결체는 합성 다이아몬드분말을 코발트 등의.

바인더를 사용하여 성형된 다이아몬드가 약 만 기압의 초고압과 천 수백도의 고온5

에서 소결된 것으로 년 미국 사에서 개발되었다 이 다이아몬드 소결체는1975 GE .

비철금속과 비금속재료의 절삭에 뛰어난 내마모성을 나타내고 합금과 초경, Al-Si

질 합금 강화 플라스틱 등 난삭재의 고정밀도 고효율을 절삭공구로서 활용됨에 따, ,

라 지금은 비철금속 비금속 가공분야에서는 없어서는 안될 공구로 발전하였다 단, .

결정 천연 다이아몬드는 주로 비철금속과 마모성 비금속재료를 가공하는데 사용되

며 초고속 작업이 가능하고 우수한 표면조도를 산출한다 다이아몬드 절삭공구의, .

내마모성은 우수하지만 내충격성이 아주 낮다 다결정 다이아몬드 는 초경기, . (PCD)

충재에 미립의 다이아몬드 결정이 소결된 형태의 공구소재이며 공구는 초경합PCD

금 공구보다 훨씬 빠른 속도로 비철금속과 마모성 비금속 재료를 가공할 수 있다.

는 내마모성과 내충격성이 우수하고 초경공구보다 최장 배까지 공구수명을PCD , 100

연장시킬 수 있다.

7) CBN(Cubic boron nitride)7) CBN(Cubic boron nitride)7) CBN(Cubic boron nitride)7) CBN(Cubic boron nitride)

절삭공구는 다이아몬드에 다음가는 경도 열 전도율을 갖고 있으며 철 계통CBN , ,

의 재료와의 반응성이 적고 열에 대한 화학적 안정성이 다이아몬드 공구보다 우수

하다 따라서 다이아몬드에서는 불가능했던 철 계통의 금속가공을 할 수 있는 공구.

재료이다 은 천연으로 존재하지 않고 다이아몬드와 같은 고온 고압 조건에서. CBN ,

인공적으로 합성된다 합성된 분말상태의 에 바인더를 사용하여 고온 하에서. CBN

소결한 소결체가 년대에 와 스미모토 전공에서 개발되었다 이CBN 1970 GE . CBN

소결체 공구의 출현으로 각종 철 계통 고경도 재료의 고속절삭이 가능하게 되었다.

특히 주철 과 각종 합금강 및 절삭용 강철 등의 가공능률이 비약적으로(case iron)

향상하여 자동차 산업을 비롯한 기계가공업계에 큰 기여를 하게 되었다 현재 시판.

되고 있는 소결체는 의 분말과 바인더를 혼합하여 다이아몬드 소결과 같CBN CBN

은 초고압 고온의 조건하에서 제조되고 있다 사용되는 바인더의 종류와 첨가량에, .

의하여 소결체의 기계적 열적 특성이 크게 좌우되어 절삭공구로서의 성능도CBN ,

많은 영향을 받는다 입자를 미립으로 제어한 무바인더 소결체는 고온하에서. CBN

도 높은 경도와 열전도율이 높고 열 안정성이 우수한 특성으로 철 계통 재료에 사,

용할 수 있는 새로운 절삭공구이다 이러한 소결체의 무바인더화 미립화에. CBN ,

따라 절삭가공의 고속화 고능률화가 가능하다, .

- 32 -

나 정밀절삭공정의 효과나 정밀절삭공정의 효과나 정밀절삭공정의 효과나 정밀절삭공정의 효과....

정밀절삭은 기계부품의 치수 정밀도를 높일 수가 있고 부품에 따라서 정확한 운동,

이 가능하도록 기계조립이 가능하므로 소기의 기능을 발휘할 수 있게 된다 또 제.

품의 치수 정밀도가 향상되면 많은 제품을 일정한 치수한계 내에 들게 함으로써 호

환성이 양호하게 된다 이런 것이 직접적인 절삭공정의 효과라고 할 수 있다 그러. .

나 이러한 치수 정밀도 이외에도 부품의 내마모성 증대로 인해 기계 수명에 미치는

효과도 상당하며 이러한 효과를 간접적 효과라고 할 수 있다.

일반적으로 절삭가공시 개의 면이 접촉할 때 두 면과의 접촉면적은 두 면의 기하2

학적인 치수형상의 정확도와 다듬질면의 거칠기에 따라 좌우된다 예를 들어 개의. 2

평면을 접촉시켰을 때 두 평면이 기하학적으로 정확한 평면일수록 그 접촉면적은

증대하고 또 그 일부를 확대하여 볼 때 다듬질면 요철의 산과 골이 적고 매끈할수

록 접촉면적은 증대한다 정밀절삭을 하면 기하학적 형상은 정확하게 되고 다듬질.

면은 매끈하게 되므로 접촉면적이 증가하고 축과 베어링에 있어서 부하능력이 증대

되는 간접적인 효과를 얻을 수 있다.

재료에 반복해서 하중이 가해질 경우 재료 표면에 노치 가 있을 경우 피로강(notch)

도는 크게 저하된다 그 저하 비율은 노치가 예리하고 깊은 것일수록 커진다 다듬. .

질면을 미세하게 관찰하면 요철의 굴곡형상으로 되어 있으므로 이런 요철의 상흔은

모두 미세한 노치로 된다 따라서 다듬질면이 매끈하게 될 경우 피로강도가 증대되.

는 효과를 얻을 수 있다 또한 다듬질면의 품질 향상과 이로인한 치수 정밀도 향상. ,

은 타 기계부품과의 원활한 조합으로 인하여 마모에 대해 큰 저항력을 갖게 된다.

즉 정밀절삭가공을 한 면은 요철의 거칠기가 작으므로 그 표면의 요철의 맞물림에,

의해서 생기는 마모는 작아지며 접촉부의 면적이 증대하므로 기계부품으로서 하중,

을 받았을 때 단위면적에 대한 압력이 작아지며 이것 역시 마모를 감소시키는 효과

를 간접적으로 얻을 수 있다.

- 33 -

또한 금속의 내식성 역시 다듬질면이 양호해지면서 감소한다 이것은 피로와 같이, .

다듬질면에 있는 요철의 골에서 부식이 진행하는 것이며 내부 응력이 적은 것일수,

록 부식에 강해지는 것이다 한편 정밀가공에 의해서 얻어진 면은 매끈하다는 것과. ,

앞에서 서술한 것과 같이 내부응력을 지닌 변질층 두께가 작은 관계로 내식성이 증

대하는 것이다 변질층의 경우 가공방향으로 결정립이 유동하여 결정립 자체가 미.

세화하고 내부 응력을 지님에 따라 발생되는 것이다 이 변질층은 가공경화를 수반.

하고 있으며 방향성을 갖고 또한 내부에 큰 응력이 존재함에 따라 가공 후 세월이

경과하는 동안에 공작물의 치수가 변하게 된다 그래서 정밀한 것에서는 가공 후.

열처리나 시이즈닝을 하여 내부 응력을 제거한다 이 변질층 두께는 가공조건에 따.

라서 다르며 중절삭을 할수록 커지게 된다 정밀절삭가공을 한 후 공작물의 표면에.

서 칩을 제거하면 이 변질층의 두께는 적어지며 기계부품으로서 품질이 좋아지게

된다.

그림 에는 각종 다듬질에 의한 가공층의 두께를 측정한 결과가 나타나 있다 전24 .

해 다듬질은 그 가공의 성질상 변질층의 두께가 최소로 되는 것은 당연하나 다른

가공법에 비해 매끈한 다듬질면을 얻었을 때일수록 변질층의 두께는 작아지고 있

다.

그림 다듬질면의 거칠기와 접촉과의 관계그림 다듬질면의 거칠기와 접촉과의 관계그림 다듬질면의 거칠기와 접촉과의 관계그림 다듬질면의 거칠기와 접촉과의 관계. 23. 23. 23. 23

그림 각종 가공에 따른 가공층의 두께그림 각종 가공에 따른 가공층의 두께그림 각종 가공에 따른 가공층의 두께그림 각종 가공에 따른 가공층의 두께. 24. 24. 24. 24

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다 절삭열과 절삭 조건 분석다 절삭열과 절삭 조건 분석다 절삭열과 절삭 조건 분석다 절삭열과 절삭 조건 분석....

절삭가공에서 동력의 소모는 다음과 같은 작업에서 발생한다.

전단면에서 변형을 생기게 하기 위한 작업①

칩이 바이트 경사면과의 사이에서 큰 마찰작업을 하면서 유출하는 작업②

인선의 여유면이 피삭재와 마찰하는 것에 소비되는 작업③

여기에서 는 바이트 경사면의 마멸에 관계가 있고 은 공구인선의 플랭크면 마② ③

멸에 관계가 있다 이러한 작업은 대부분 열로 되어 나타난다. .

또한 절삭속도와 절삭열의 관계에 있어서 절삭속도의 증가와 함께 바이트에 전하는

열량은 감소하고 칩과 함께 제거되는 열량은 증가하여 전열량은 거의 변하지 않는

다 이송속도의 증가는 두껍게 절삭되는 현상을 발생시키므로 전열량 바이트에 전. ,

하는 열량 및 칩에 들어가는 열량을 줄어들게 한다.

절삭 저항의 경우 절삭속도가 증가할수록 감소하게 되는데 그 원인중의 하나는 절

삭열에 의해서 피삭재가 연화하는 것을 생각할 수 있다 물론 절삭열에 의해 탄소.

공구강 등에서는 바이트도 연화하지만 초경합금 등에서는 영향이 적은 편이다.

그림 절삭속도와 절삭온도그림 절삭속도와 절삭온도그림 절삭속도와 절삭온도그림 절삭속도와 절삭온도. 25. 25. 25. 25

라 절삭공구의 마멸 형태 분석라 절삭공구의 마멸 형태 분석라 절삭공구의 마멸 형태 분석라 절삭공구의 마멸 형태 분석....

절삭공구는 물리 화학적 반응 등에 의하여 마멸하지만 실제의 형태로서는 크레이,ㆍ

터 마멸 경사면 마멸 플랭크 마멸 여유면 마멸 치핑 결손 의 가지로 나누어서( ), ( ), ( ) 3

생각할 수 있다.

- 35 -

경사면 마멸은 경사면이 움푹 패이는 현상을 의미하며 또한 칩과 바이트와의 접촉,

압력은 극히 큰 것이므로 여기에서 생긴 절삭열과 고압 때문에 칩은 바이트에 융,

착하여 그의 표층이 칩과 함께 떨어져 나감으로써 발생된다 그러므로 경사면 마멸.

은 바이트 및 피삭재의 절삭온도에 대한 기계적 성질 즉 경도 전단강도 및 융착의, ,

정도에 영향을 받는다 경사면 마멸은 유동형 칩에 있어서 가장 뚜렷하고 균일형. ,

전단형에서는 적게 나타난다 그러나 이 마멸은 경사각을 증대시키기 때문에 반대. ,

로 가공 정도를 좋게 하지만 너무 많이 진행될 경우 인선부분이 결손되어 절삭저항

이 급격히 증대된다.

그림 크레이그림 크레이그림 크레이그림 크레이터터터터 마멸 경사면 마멸마멸 경사면 마멸마멸 경사면 마멸마멸 경사면 마멸. 26 ( ). 26 ( ). 26 ( ). 26 ( )

플랭크 마멸은 절삭공구의 인선이 마멸하는 현상이다 즉 주철과 같은 균일형 칩이.

발생하는 경우는 경사면 마멸이 발생하지 않는 반면 여유면 인선의 마찰에 의해서

바이트의 인선이 마멸된다 절삭공구의 인선에는 전반여유각이 있으므로 이론적으.

로 전혀 접촉하지 않지만 실제적으로는 인선은 절삭저항에 따라 변형하기도 하고,

또 공구 인선끝의 작은 인선곡률반경 때문에 고온 고압하에서는 마찰되어진다 치, .

핑이 발생될 경우 전방 여유각이 없어져서 더욱 마멸이 심해진다.

그림 플그림 플그림 플그림 플랭랭랭랭크 마멸크 마멸크 마멸크 마멸. 27. 27. 27. 27

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치핑은 점성 강도가 적은 절삭공구가 밀링이나 평삭가공과 같이 충격힘을 받는 경

우 또는 공작기계의 진동 등에 의해서 절삭저항의 변화가 큰 경우 등 공구인선선단

의 일부에 미세 결손하는 현상을 뜻한다 치핑은 초경공구 및 세라믹 공구와 같이.

취성이 강한 재료에서 주로 발생하며 고속도강 등 점성 강도가 큰 재질에서는 적게

발생한다 경사면 마멸이나 플랭크 마멸은 서서히 진행되는 것에 반해 치핑은 충격.

힘을 받았을 때 생기는 현상이다.

마 절삭유마 절삭유마 절삭유마 절삭유....

절삭조건을 개선하기 위하여 칩의 형성구역에는 공급되는 액체가 절삭유이다 절삭.

유의 역할로서는 칩 및 공작물 공구사이의 마찰감소 윤활작용 공작물과 공구를, ( ),

냉각 냉각작용 등이 있다 절삭가공시 칩은 공구의 경사면을 따라서 유출하여 매우( ) .

높은 압력이 발생되며 경사면에서의 마찰계수는 또는 그 이상이 되는데 마찰계, 1

수가 크면 절삭저항이 작용하는 방향은 공구아래쪽으로 향하므로 공구의 절삭각이

큰 것을 사용했을 때와 같은 효과가 미치게 된다 이러한 현상을 방지하기 위하여.

사용되는 절삭유는 마찰계수가 낮아야 하며 유막의 내압력이 높아야 한다 일반적, .

으로 절삭유제는 비수용성과 수용성으로 나눌수 있다.

비수용성 절삭유는 윤활작용을 주체로 하는 것이며 종류는 다음과 같다.

광유 일반적으로 유성이 낮고 윤활작용은 다소 좋으나 냉각작용은 떨어진다: .①

주로 비철금소 기타 정절삭작업에 사용되며 경유 머신유 스핀들유 석유 등이 해, , , , ,

당된다.

동식물유 라드유 올리브유 등의 식물유로서 지방유라고도 불리며 일반적으로: ,②

유성이 높으나 냉각작용이 나쁘고 또한 노화부패 등의 변질을 일으키기 쉽다 경절.

삭에 사용되는데 대개는 광유와 혼합해서 사용되고 있다.

혼합유 광유에 동식물유 에스테르유 등 유성제를 혼합한 것으로서 경절삭 및: ,③

비철금속의 절삭에 사용된다.

극압유 극압첨가제 염소 유황 인 연 등 를 화합물형으로 광유 또는 혼합유에: ( , , , )④

가한 것으로서 최근의 비수용성 절삭유는 극압유로 생각해도 무방하다.

수용성 절삭유는 점성이 낮고 비열은 높아 주로 냉각을 위하여 사용한다.

에멀젼형 광유와 계면활성제를 주체로 한 것으로서 배의 물을 희석한: 10~30①

뒤 유화시켜서 사용하지만 백탁액으로 된다.

- 37 -

솔루블형 계면활성제가 주성분이며 유분을 적게한 것으로서 절삭에는: 20~50②

배 연삭에는 배의 물에 희석해서 투명 또는 반투명의 상태로 사용한다 에, 50~100 .

멀젼형에 비해서 침투성 냉각성이 우수하다, .

절삭유의 공구수명과 다듬질면 거칠기 영향절삭유의 공구수명과 다듬질면 거칠기 영향절삭유의 공구수명과 다듬질면 거칠기 영향절삭유의 공구수명과 다듬질면 거칠기 영향[Table 4. ][Table 4. ][Table 4. ][Table 4. ]

사 고속절삭가공사 고속절삭가공사 고속절삭가공사 고속절삭가공....

피삭재의 종류 및 사용공구에 따라 고속절삭의 범위가 다르기 때문에 현재 고속 절

삭가공의 명확한 정의는 이루어지지 않고 있으나 주축회전속도 테이블20,000rpm,

이송속도 이상인 공작기계에서 이루어질 수 있는 절삭가공으로 종래의 절10m/min

삭가공보다 현저하게 높은 절삭속도하에서 이루어지는 경우를 의미한다 고속 절삭.

가공은 생산성 향상 고품위의 표면품질 실현 방전가공과 같은 저속공정의 대체, , ,

폴리싱과 같은 차 공정의 제거나 감소 박판이나 취성부품의 가공 공작물의 변형2 , ,

감소 버의 감소 초경공구의 효율적 사용 등 많은 이점으로 인하여 항공기 산업을, ,

비롯하여 금형산업 자동차 산업 등에서 최근 급속하게 적용되고 있는 가공기술이,

다.

특히 금형 제작시 생산성 향상과 가공면의 표면품위 향상을 위하여 고속가공 적용,

이 확대되고 있는 추세이다 금형 제작시 종래의 절삭가공과 비교하여 고속절삭가.

공의 특징은 반지름이 작은 공구를 사용하며 높은 주축회전속도 낮은 날당 이송량,

및 높은 테이블 이송속도의 조건으로 절삭함으로써 절삭가공면의 표면 거칠기가 연

삭공정에 버금갈 뿐 아니라 공정수의 감축으로 가공시간을 줄여 생산성을 높여준

다 그림 에는 종래의 범용절삭가공과 고속절삭가공을 비교한 예를 나타내고 있. 28

는 것으로서 그림에서 보는 바와 같이 범용절삭가공의 경우 큰 지름의 공구 낮은,

절삭속도 큰 절삭깊이의 조건에서 가공하기 때문에 제거되지 못한 부분이 많이 생,

기며 이를 제거하기 위해 후 속공정에 많은 노력이 필요하다 또한 고속절삭가고에, .

서는 고온경도가 높은 공구를 사용하여 낮은 절삭 깊이로 절삭 가공함으로써 HRC

이상의 고경도 재료의 가공이 가능하다50 .

- 38 -

범용절삭(a) 고속절삭(b)

그림그림그림그림 범범범범용절삭과 고속절삭의 비교용절삭과 고속절삭의 비교용절삭과 고속절삭의 비교용절삭과 고속절삭의 비교. 28. 28. 28. 28

아 정밀연삭공정아 정밀연삭공정아 정밀연삭공정아 정밀연삭공정....

정밀연삭공정은 다이아몬드나 알루미나와 같은 단단한 입자의 미소한 절삭작용을

이용하는 가공법이며 개의 연마 입자당 재료 제거량은 적지만 다수의 연마입자, 1 ,

가 동시에 또는 순차적으로 작용하므로 실용적인 가공 능률을 얻을 수 있다 전통, .

적으로 연삭공정은 좋은 표면조도와 치수정밀도를 요구하는 마무리 공정으로 이해

되어 왔으나 최근에는 마무리 공정 외에도 주재료 제거고정으로도 널리 활용된다.

또한 연삭공정은 절삭가공방법으로는 가공이 불가능한 제품의 생산에 필연적으로,

활용된다 경도가 매우 높은 경화강의 가공이나 세라믹 초경합금 유리 등의 가공. , ,

에는 연삭가공 외에 다른 대안이 없다고 할 수 있다 이와 같은 가공공구로서의 연.

마입자의 성질과 기본적인 재료 제거의 기구에서 연마입자가공에는 일반적으로 다

음과 같은 특징을 갖고 있다.

고경도 재료를 가공할 수 있다- .

높은 치수 정밀도를 얻을 수 있다- .

표면 거칠기를 작게 할 수 있다- .

연삭공정의 공구인 연마입자는 결합제에 의해 숫돌 중에 고정되어 있으며 숫돌표,

면에 있는 연마입자가 절삭작용을 한다 연마입자의 모양은 개개가 다르며 그 절삭. ,

작용도 다른데 평균적으로는 음의 경사각을 가진 절삭날로 간주한다.

- 39 -

절입 깊이에 수반하는 절삭상황의 변화는 기본적으로 가지이다 그러나 가공물의4 .

재질이나 연마입자에 의해서도 각각의 영역에 대응하는 절입 깊이의 값은 변화한

다 금속에서는 일반적으로 비금속의 취성재료에 비해서 파단변형이 크므로 입자의.

지름이 큰 연마입자를 깊숙이 절입 하는 조건하에서도 판단을 수반하지 않고 절입

분이 형성되고 가공면에 잔류하는 크랙도 적다, .

그림 연삭그림 연삭그림 연삭그림 연삭숫돌숫돌숫돌숫돌의 표기의 표기의 표기의 표기방식방식방식방식29.29.29.29.

금형 가공금형 가공금형 가공금형 가공2.2.2.2.

가 캐비티 가공가 캐비티 가공가 캐비티 가공가 캐비티 가공....

캐비티부는 개의 캐비티를 하나의 인서트 플레이트를 이용하여 가공 하였다 가16 .

공은 절삭가공 전극을 이용한 방전가공 등 두 가지 가공법을 이용하여 가공하였다, .

절삭가공은 캐비티의 전체적인 윤곽 가공 및 형상 가공에 적용되었으며 방전가공,

은 절삭가공을 적용하기 힘든 부분을 가공하였다 가공은 데이터를 이용하여. CAD

데이터를 생성한 뒤 고속 가공기를 이용하여 황삭 중삭 정삭 과정을 수행하CAM , ,

였다.

사용된 고속가공기의 형상 및 제원은 아래에 표기하였으며 고속가공기를 이용한,

가공시 가공 생산성 및 가공 오차의 최소화를 위하여 개의 인서트 플레이트를NC 2

동시에 가공하여 총 개의 캐비티를 가공 하였다 절삭가공과 방전가공을 수행한32 .

뒤 사상 작업을 거쳐 캐비티 인서트 플레이트를 완성 하였다.

- 40 -

그림 고속가공기그림 고속가공기그림 고속가공기그림 고속가공기. 30. 30. 30. 30 MMMMIIIIKKKKRRRROOOONNNN VVVVCP 1000CP 1000CP 1000CP 1000----DuroDuroDuroDuro

와 고속 가공기 기계사양와 고속 가공기 기계사양와 고속 가공기 기계사양와 고속 가공기 기계사양[Table 5][Table 5][Table 5][Table 5] MMMMIIIIKKKKRRRROOOONNNN VVVVCP 1000CP 1000CP 1000CP 1000----DuroDuroDuroDuro VVVVCP 710CP 710CP 710CP 710

Technical DataTechnical DataTechnical DataTechnical Data unitunitunitunit VCP 1000-DuroVCP 1000-DuroVCP 1000-DuroVCP 1000-Duro

Working

sector

Longitudinal movement X mm 1000

Transverse movement Y mm 650

Vertical movement Z mm 500

Working

spindle

Speed/power output 40%

EDmin

-1/kW

12'000/15

(ISO 40)

20'000/30 (HSK 63)

42'000/13 (HSK 40)

Feed rate m/min 20

Rapid

traverse ratem/min 30

Control unit mm × mm 1300 × 600

Working

table

Clamping surfacekg 1600

Table load

Tool

changerStandard (Tool capacity) 30/36

- 41 -

그림그림그림그림 데데데데이이이이터터터터를 이용한 공구경로 생성를 이용한 공구경로 생성를 이용한 공구경로 생성를 이용한 공구경로 생성. 31 CAD. 31 CAD. 31 CAD. 31 CAD

그림 작업그림 작업그림 작업그림 작업. 32 NC Sheet. 32 NC Sheet. 32 NC Sheet. 32 NC Sheet

- 42 -

그림 를 이용한 캐비티 가공그림 를 이용한 캐비티 가공그림 를 이용한 캐비티 가공그림 를 이용한 캐비티 가공. 33. 33. 33. 33 MMMM/C/C/C/C

그림 절삭가공된 캐비티 인그림 절삭가공된 캐비티 인그림 절삭가공된 캐비티 인그림 절삭가공된 캐비티 인서서서서트 플레이트트 플레이트트 플레이트트 플레이트. 34. 34. 34. 34

- 43 -

그림 캐비티 가공을 위한그림 캐비티 가공을 위한그림 캐비티 가공을 위한그림 캐비티 가공을 위한 방방방방전 전전 전전 전전 전극극극극. 35. 35. 35. 35

그림 캐비티그림 캐비티그림 캐비티그림 캐비티 방방방방전가공전가공전가공전가공. 36. 36. 36. 36

- 44 -

그림그림그림그림 완완완완성된 캐비티 인성된 캐비티 인성된 캐비티 인성된 캐비티 인서서서서트 플레이트트 플레이트트 플레이트트 플레이트. 37. 37. 37. 37

- 45 -

나 코어가공나 코어가공나 코어가공나 코어가공....

코어는 캐비티와 같은 방법으로 데이터를 생성한 뒤 이를 이용하여 가공을 수CAM

행하였으며 생산성 및 시편 및 공구 셋팅 오차를 최소화하기 위하여 지그를 제작,

하여 한번에 개의 코어를 동시에 가공 하였다15 .

그림 지그를 이용한 코어 가공그림 지그를 이용한 코어 가공그림 지그를 이용한 코어 가공그림 지그를 이용한 코어 가공. 38. 38. 38. 38

그림그림그림그림 완완완완성된 인성된 인성된 인성된 인서서서서트 코어트 코어트 코어트 코어. 39. 39. 39. 39

- 46 -

코어 측정코어 측정코어 측정코어 측정3. Alignment3. Alignment3. Alignment3. Alignment

가 개요가 개요가 개요가 개요. C. C. C. CMMMMMMMM

차원 측정기란 주로 측정점 검출기 접촉식 프로브 가 축 방향으로 운동하3 ( ) X, Y, Z

고 피측정물 차원형상 측정점의 공간 좌표값을 접촉식 프로브를 통하여 획득, (2, 3 )

하여 위치 거리 윤곽 형상 등을 측정할 수 있는 측정기를 말한다, , , .

종래의 검사 방법에 있어서는 정반을 기준면으로 하고 형상 정밀도 측정은,

등을 사용하여 측정하였고 길이의 측Straight Edge, Square Master, Optical Flat ,

정은 등을 기준으로 하여Block Gauge, Height Micrometer Lever type dial test

나 를 이용하여 비교 측정하였다 또한 일반 측정에indicator Electronic Micrometer .

있어서는 작업 현장에서 쉽게 볼 수 있는 등을 사Vernier Calipers, Height Gauge

용하고 있다 그러나 이러한 작업은 경험 축적이 없으면 안정된 측정을 기대할 수. ,

없고 능률이 저하되며 때로는 아날로그 계측에 의한 판독 실수가 발생하기 때문에

정밀 측정 담당자에 대해서는 고도의 숙련을 요구하여 왔다 또한 앞서 언급된 범.

용 측정기의 경우 길이 측정시 오차를 최소로 줄이기 위해서는 물체의 길이를 기준

이 되는 척도와 일직선상에 나란히 세워 놓아야 한다는 아베의 원리(Abb's

에 의하여 구조적으로 측정 오차를 포함하고 있기 때문에 정밀한 측정 수principle)

행이 더욱 어렵다고 할 수 있다.

그림 아그림 아그림 아그림 아베베베베의 원의 원의 원의 원리리리리. 40. 40. 40. 40

- 47 -

특히 성형제품 형상의 다양화 대형화 초소형화 등의 추세로 인하여 성형 제품의, ,

치수가 정형화되어 있지 않은 경우가 대부분이어서 금형 코어의 측정에서는 기본적

인 범용 측정기를 이용할 경우 낮은 분해능으로 인하여 정밀한 측정을 수행하는 것

이 매우 어려움에 따라 차원 측정기의 적용이 일반화되어 가고 있는 추세이며 다3 ,

양한 측정기법 운영 등에 대한 연구 기술 상용화가 활발히 진행되고 있다, , .

그림그림그림그림 차차차차원 측정기원 측정기원 측정기원 측정기. 41 3. 41 3. 41 3. 41 3

- 48 -

나 효과 분석나 효과 분석나 효과 분석나 효과 분석. C. C. C. CMMMMMMMM

차원 측정기는 최근 데이터 처리 전용 하드웨어 및 소프트웨어의 발달로 인하여3

그 효용성이 더욱 증대되었다 물론 측정 시 측정점 선택 및 분포 결정 측정점 접. , ,

근 방향 등 정밀 측정을 위한 세부적인 기술 등에 대한 연구는 지속적으로 진행되

어야 하지만 기존의 아날로그 방식 작업자에 의한 수동 측정 방식에 비해 많은 효,

과를 얻을 수 있는 것이 사실이다 다음은 차원 측정기 적용으로 얻을 수 있는 효. 3

과들에 대한 내용을 기술한 것이다.

측정능률의 향상•

종래에는 정반상에서 면설정 축설정 작업 등에 많은 시간이 소요된 반면 컴퓨- , ,

터 적용으로 짧은 시간에 측정이 가능하다.

측정물을 최초 측정 테이블에 설치만 하면 설치면을 제외하고는 전면의 측정이-

가능하기 때문에 설치 변경에 따른 시간이 절약된다.

특수한 경우를 제외하고는 등의 보조 치공구를 사용하지 않고- Scale, Mandrel

직접 측정할 수 있다.

측정점의 데이터는 컴퓨터에 의해 연산되며 결과를 즉시 확인할 수 있다- .

프로그램에 의해 공차값에 대한 실제 측정값의 경향 및 판정을 동시에 확인할 수-

있다.

종래에는 곤란하였던 측정 문제 해결•

가공 위치로부터 치수나 동일 평면 내에 없는 관련 치수측정 및 내면의 윤곽치수-

측정 등을 쉽게 처리할 수 있다.

가공된 차원 곡면 윤과 등도 측정할 수 있고 이들 형상이 허용공차 범위내- 2, 3

에 들어가는지의 판정도 가능하다.

시스템과의 인터페이스 구축이 가능하다- CAD/CAM .

복잡한 측정물의 측정 정밀도 및 신뢰성 향상•

축직경 면 사이의 폭 등 단순 측정물의 차원 측정은 적절한 절대 측정공구나- , , 1

비교측정기 등에 의해 고정밀도의 측정을 할 수 있지만 복수 개소의 측정이나 차2

원 이상의 측정이 되면 각 측정기기간의 측정정밀도는 다르게 되며 일반적으로 조

합된 측정정밀도는 그 신뢰성이 저하된다 이러한 것을 보완하기 위하여 많은 경험.

과 측정지식을 숙지한 뛰어난 정밀 측정 기술자가 필요하나 차원 측정기에서는 이3

러한 사항이 크게 문제되지 않는다.

- 49 -

개인 오차의 배제•

접촉식 프로브의 적용으로 개인 오차를 배제할 수 있다- .

피로의 경감•

기종에 따라 다르지만 일반적으로 측정할 때의 작동량이 적어진다- .

측정값은 자동적으로 검출되고 컴퓨터에 의해 연산 처리되기 때문에 계산 처리에-

신경을 쓸 필요가 없다.

측정물을 설치하면 다시 고치는 작업이 거의 없다- .

데이터 정리의 자동화•

연산 처리결과나 공차와의 조합결과의 인쇄에 한하지 않고 이 데이터를 기초로-

한 통계처리나 플로터에 의한 그래프 검사성적서의 작성까지 실행할 수 있기XY ,

때문에 측정 후의 데이터 정리나 관리업무의 합리화를 대폭 촉진할 수 있으며 가,

공공정에의 피드백도 신속하게 대응할 수 있다.

자동화 효과•

운동방향 접촉속도 접촉위치 등 운동 요소가 완전히 균일하기 때문에 측정값의- , ,

신뢰성이 높다.

같은 종류의 부품 다량 측정시 반복 조작에서 해방된다- .

측정 시작에서 종료까지의 시간에 다른 작업에 종사할 수 있다- .

경제성•

차원 측정기 도입의 장점은 많이 있지만 생산기계와 달리 설비투자의 평가는- 3

어려운 것이 현실이다 예를 들면 가동률을 결정하기 어렵고 기업의 이미지 형상. ,

생산공정의 단축 등도 채산성면에서 평가하는 것이 어렵기 때문이다 여기서 측정. ‘

시간의 단축 이라고 하는 도입 장점의 하나에 대해서 품질관리 공수의 절감면에서’

경제성을 평가해 볼 수 있다.

- 50 -

다 을 이용한 코어 측정다 을 이용한 코어 측정다 을 이용한 코어 측정다 을 이용한 코어 측정. C. C. C. CMMMMMMMM AlignmentAlignmentAlignmentAlignment

측정측정측정측정방법방법방법방법1)1)1)1)

코어의 가공 및 코어부 조립이 완료된 후 코어의 조립 정밀도를 확인하기 위하여

를 측정 하였다 측정 방법은 아래의 그림과 같이 몰드베이스 좌측 하단Alignment .

부를 원점으로 하여 코어 한 개당 몰드 베이스의 축면과 평행한 몰드 베X P1, P2

이스의 축 면과 평행한 를 선정하여 측정 하였다 측정 후 같은 행에 있는Y P3, P4 .

코어의 와 같은 열에 있는 코어의 값을 이용하여 각행과 열에 있는P1, P2 P3, P4

코어 사이의 를 확인할 수 있다Alignment .

그림 측정그림 측정그림 측정그림 측정 방법방법방법방법 및 측정점및 측정점및 측정점및 측정점. 42. 42. 42. 42

- 51 -

측정장비측정장비측정장비측정장비2)2)2)2)

측정은 미국 의 로 수행하였으CMM Sheffield Measurement ENDEAVOR 9.9.7社

며 차원 측정에 앞서 측정기의 접촉식 프로브의 오차를 보상하기 위해, 3

을 이용한 작업을 수행하여 측정정밀도 및 신뢰도를 향상시Master-Ball calibration

켰다.

그림 측정기 의그림 측정기 의그림 측정기 의그림 측정기 의. 43 C. 43 C. 43 C. 43 CMMMMMMMM (She(She(She(Sheffffffffieldieldieldield MMMMeasurement ENDEAeasurement ENDEAeasurement ENDEAeasurement ENDEAVOVOVOVOR 9.9.7)R 9.9.7)R 9.9.7)R 9.9.7)社社社社

측정기 사양측정기 사양측정기 사양측정기 사양[Table 6] ENDEA[Table 6] ENDEA[Table 6] ENDEA[Table 6] ENDEAVOVOVOVOR 9.9.7 CR 9.9.7 CR 9.9.7 CR 9.9.7 CMMMMMMMM

최대 적재 중량최대 적재 중량최대 적재 중량최대 적재 중량 2,200 (990)2,200 (990)2,200 (990)2,200 (990) 1bs (kg)1bs (kg)1bs (kg)1bs (kg)

최대 측정 거리36×36×26

( 914×914×660)

inch

( mm )

사용 S/WMeasure MAX +

(Ver. 6.1)

- 52 -

측정결과측정결과측정결과측정결과3)3)3)3)

측정결과의 평가는 같은 행에 위치해 있는 코어의 좌표값과 같은 열에 위치해 있Y ,

는 코어의 좌표값의 실제 측정값과 설계데이터를 비교하여 평균 오차를 계산 하X

였으며 그 결과를 아래의 표에 정리하였다 실제 측정데이터는 본 보고서 부록에, . (

첨부 하였음.)

그림 코어 측정 경로그림 코어 측정 경로그림 코어 측정 경로그림 코어 측정 경로. 44 Alignment. 44 Alignment. 44 Alignment. 44 Alignment

코어 측정 결과코어 측정 결과코어 측정 결과코어 측정 결과[Table 7] Alignment[Table 7] Alignment[Table 7] Alignment[Table 7] Alignment

- 53 -

진직도란 형체의 표면 또는 축선이 기하학적인 직선으로부터 벗어난 크기를 말하

며 직선 원통축 원추축 등의 진직도를 구할 수 있으며 차원 측정에서는 한 직, , , , 3

선에 대해서 점이상을 측정해야 진직도를 계산할 수 있다 평가 방법에는 양단기3 .

준법 최소제곱법 최소영역법 등이 있으며 대부분의 차원 측정기에서는 최소제곱, , , 3

법을 이용하여 진직도를 처리하고 있다 본 과제에서는 같은 선상에 있는 포인. 16

트의 측정 결과를 이용하여 코어의 오와 열에 대한 진직도를 계산 하였으며 그 결,

과를 아래의 그래프를 통하여 나타내었다 그림에서 파란색 점선은 실제 측정 데이.

터를 나타내며 붉은색 실선은 최소제곱법에 의해 계산된 진직도 결과를 나타낸다, .

또한 그림에 있는 일차함수식은 계산된 진직도의 기울기를 의미하며 기울기가 에, 0

가까울수록 직선에 가까운 것을 의미한다.

그림 진그림 진그림 진그림 진직직직직도도도도. 45 H1 Alignment. 45 H1 Alignment. 45 H1 Alignment. 45 H1 Alignment


- 54 -




- 55 -




- 56 -

그림 진그림 진그림 진그림 진직직직직도도도도. 53. 53. 53. 53 VVVV1 Alignment1 Alignment1 Alignment1 Alignment



- 57 -




- 58 -



금형조립금형조립금형조립금형조립4.4.4.4.

코어 측정 및 각 요소부품에 대한 가공과 후처리 공정이 끝난 뒤 캐Alignment 64

비티 대용량 금형의 조립 작업을 수행하였다 대용량 금형은 일반 금형과는 달리.

조립시 조립 정밀도 확보를 위하여 아래와 같은 사항을 고려하여 조립을 수행하였

으며 조립이 완료된 금형은 아래의 그림들에 나타내었다.

금형 코어 및 부품의 세밀한 점검•

본 금형과 같은 다 금형의 조립공정에서 가장 중요한 부분- cavity

대용량금형의 조립공정에서 각 코어들의 공차로 인해 누적공차가 발생하는 경우-

가 많음 조립에 앞서 각각의 와 및 기타 주요 부품들의 수량 및 공차를. core cavity

확인해야 함.

- 59 -

의 팁 부분이 성형 중 금형온도 상승으로 인한 열팽창으로 성형제- Hot-runner (Tip)

품의 불량이 발생하는 경우가 많음.

가스빼기 부분의 위치와 치수 가공 정밀도 등을 확인하여 성형시 발생하는 가스- ,

로 인한 제품 불량 방지

복잡한 냉각 의 위치 정밀도 청결도 등을 확인- channel ,

금형 및 수지 홀 등의 청결 상태를- Core, cavity, cooling channel hot-runner

점검한 후 조립할 것

구동부인 렉과 피니언 및 조립과 관련된 키 등의 부품은 조립 전 반드시 상태를-

점검하여 불량 여부를 확인하여 작동 중 발생하는 금형의 파손 및 안전사고를 사전

에 방지해야 함.

각 부품과 원판과의 정밀 조립기술•

원판과의 조립 전 및 들의 위치와 방향성 재확인- core cavity

누적공차를 고려한 개별적인 코어 확인 및 조립- locking

및 부품들의 정밀조립기술 필요- Core

코어와 캐비티 간 정밀 형합기술 필요-

구동부인 렉과 피니언의 조립 시 끼워 맞춤 공차 주의-

부분 조립 시 복잡한 배선 위치 재확인- Heater

그림 조립된 금형의 상측부그림 조립된 금형의 상측부그림 조립된 금형의 상측부그림 조립된 금형의 상측부 좌좌좌좌 및 하측부및 하측부및 하측부및 하측부 우우우우. 61 ( ) ( ). 61 ( ) ( ). 61 ( ) ( ). 61 ( ) ( )

- 60 -

그림 핫러너 매니폴드 및 조립된 금형그림 핫러너 매니폴드 및 조립된 금형그림 핫러너 매니폴드 및 조립된 금형그림 핫러너 매니폴드 및 조립된 금형. 62. 62. 62. 62

- 61 -

제 절 성형재료 및 성형해석제 절 성형재료 및 성형해석제 절 성형재료 및 성형해석제 절 성형재료 및 성형해석3333

사출성형 재료 특성사출성형 재료 특성사출성형 재료 특성사출성형 재료 특성1.1.1.1.

가 플라스가 플라스가 플라스가 플라스틱틱틱틱 재료재료재료재료....

플라스틱의 경제적인 중요성은 그것의 외관과 밀접한 관계를 가지고 있다 수지의.

기본적인 특성은 다양한 용도의 활용성이다 플라스틱의 특성은 광범위하게 달라지.

며 다른 재료 그룹과는 달리 수지의 혼합에 의한 특성은 아주 다양하다 플라스틱, .

의 기본적인 특성은 다음과 같다.

플라스틱은 경량이고 밀도는 범위이다 따라서 금속 세라0.8 g/ ~ 2.2 g/ . ,• ㎤㎤

믹 재료보다 더 가볍다 아울러 기계적 강도가 결얄 재질 중에서는 높은 범위에 속.

한다.

플라스틱은 기계적인 성질의 폭이 넓다 인장강도 탄성계수의 값이 폭 넓으나 일. ,•

부는 금속에 비해서는 낮다 한편 유리섬유 강화 플라스틱 은 종래의 경금속인. (FRP)

알루미늄과 점차 경쟁적으로 사용되고 있다.

플라스틱은 가공이 아주 쉽다 가공온도는. 400• ℃이하로서 에너지 비용이 상대적

으로 낮고 더욱이 가공공정 자동화가 잘되어 있어 생산 속도를 높일 수 있다 특히, (

사출성형 또 다른 기본적인 특징은 성형제품 설계가 자유롭다 즉 복잡한 형상의). .

제품이라도 비용과 시간을 요하는 차 공정을 거치지 않고 생산할 수 있다2 .

재료의 성질측면에서 플라스틱은 쉽게 개선할 수 있다 모든 첨가제가 효과를 발.•

휘하는데 여기에는 강화제를 비롯하여 목분 광물성 재료 첨가제를 들 수 있다 강, .

화제는 통상 유리섬유나 탄소섬유가 사용되고 기계적 성질 특히 탄성계수와 인장강

도를 향상시킨다 통상 색소를 혼합하면 플라스틱 부품의 추가적인 도장이 필요 없.

다 플라스틱 재료에 가소제를 미리 혼합하면 성형품의 성형특성 및 기계적인 성질.

에 영향을 미친다 난연제는 가연성을 낮추기 위해 미리 혼합시키고 이는 특히 전. ,

기분야에서 사용하는 플라스틱에는 특히 중요하다 안정제는 재료의 특수한 성질에.

적합하게 혼합하며 대표적인 예는 안정제로서 플라스틱의 햇빛에 의한 변질방UV

지에 이용된다.

- 62 -

플라스틱은 열전도도와 전기전도도가 다른 재료에 비해 낮다 플라스틱의 전기전.•

도도는 금속의 이다 이것이 중요한 단열 재료로 플라스틱이 사용되는 이유이1/3 .

다 그러나 단점으로서는 성형 후 냉각시간이 길다는 것이다 이 재료는 또한 좋은. .

전기 절연체가 된다 전기전도가 가능한 폴리머는 예를 들어 그을음 탄소분말 을 혼. ( )

합하여 얻을 수 있다.

종류에 따라 투명한 플라스틱이 있고 이들은 안경렌즈 투명유리 컴펙트디스크, , ,•

미래의 광디스크와 같은 용도에 이상적이다 투명유리에 비해 플라스틱은 광학특성.

과 인성이 우수하다고 간단한 방법으로 생산해낼 수 있다.

플라스틱은 높은 내화학성을 가진다 금속에 비해 또 하나의 원자연결 구조를 가.•

지고 있어 금속과 같이 쉽게 부식되지 않는다 여러 가지 화학물질에 대한 내식성.

을 가지는 이유 하나만으로도 상당한 시장을 점유하고 있다 대표적인 예로서 자동.

차 연료계통의 내식 플라스틱 제품 가전기구 식품포장 용기 화장품 용기 등이 있, , ,

다.

플라스플라스플라스플라스틱틱틱틱의 장 단점의 장 단점의 장 단점의 장 단점[ Table 8 ][ Table 8 ][ Table 8 ][ Table 8 ]ㆍㆍㆍㆍ

장 점장 점장 점장 점 단 점단 점단 점단 점

▶ 가공이 쉽고 만들기 쉽다.

▶ 착색이 자유로우며 투명한 것도 가능

▶ 가볍고 강한 제품을 얻을 수 있다.

▶ 녹이 슬거나 썩지 않는다.

▶ 단열 효과가 크다.

▶ 절연성이 뛰어나다.

▶ 생산된 제품의 가격이 저렴하다.

▶ 열에 약하다.

▶ 기계적 강도가 부족하다.

▶ 특정의 용제 약품에 약한 것이 있다, .

▶ 내구성이 약하다.

▶ 온도에 따른 물성 변화가 심하다.

▶ 치수 안전성이 나쁘다.

플라스틱은 열적 성질에 의해 경화된 수지에 재차 가열하여도 유동상태로 되지 않

고 고온으로 가열하면 분해되어 탄화되는 열경화성수지 와 열을 가하면(Thermoset)

용융유동하여 가소성을 갖게 되고 냉각하면 고화하여 성형되는 것으로서 이와 같은

가열용융 냉각고화공정의 반복이 가능한 열가소성수지 으로 분류, (Thermoplastics)

할 수 있다 열적 성질에 의한 플라스틱의 분류를 아래의 그림에 나타내었다. .

- 63 -

그림 열적 성질에 의한 플라스그림 열적 성질에 의한 플라스그림 열적 성질에 의한 플라스그림 열적 성질에 의한 플라스틱틱틱틱의 분류의 분류의 분류의 분류. 63. 63. 63. 63

플라스플라스플라스플라스틱틱틱틱의 성질의 성질의 성질의 성질[ Table 9 ][ Table 9 ][ Table 9 ][ Table 9 ]

열경화성 수지 성질열경화성 수지 성질열경화성 수지 성질열경화성 수지 성질

(Thermosets)(Thermosets)(Thermosets)(Thermosets)

열가소성 수지 성질열가소성 수지 성질열가소성 수지 성질열가소성 수지 성질(Thermoplastics)(Thermoplastics)(Thermoplastics)(Thermoplastics)

결정성 수지의 성질결정성 수지의 성질결정성 수지의 성질결정성 수지의 성질 비결정성 수지의 성질비결정성 수지의 성질비결정성 수지의 성질비결정성 수지의 성질

강도 신도 탄성이 낮다, , .▶

고하중에서 변형 온도가 낮다.▶

성이 낮다Creep .▶

고유의 난연성▶

치수안정성 저흡수성/▶

압축성형 사출성형/▶

착색의 제한성▶

규칙적인 분자구조▶

용융점이 있음▶

불투명▶

높은 수축율▶

내화학성이 강함▶

내피로성 내후성/▶

불규칙한 분자구조▶

넓은 범위의 연화온도▶

투명한 수지도 있음▶

수축율 작음▶

내화학성 약함▶

내피로성 내후성 약함/▶

열경열경열경열경화화화화성과 열가소성 수지 종류성과 열가소성 수지 종류성과 열가소성 수지 종류성과 열가소성 수지 종류[ Table 10 ][ Table 10 ][ Table 10 ][ Table 10 ]

열경화성 수지열경화성 수지열경화성 수지열경화성 수지

(Thermosets)(Thermosets)(Thermosets)(Thermosets)

열가소성 수지 성질열가소성 수지 성질열가소성 수지 성질열가소성 수지 성질(Thermoplastics)(Thermoplastics)(Thermoplastics)(Thermoplastics)

결정성 수지결정성 수지결정성 수지결정성 수지 비결정성 수지비결정성 수지비결정성 수지비결정성 수지

고무▶

Phenolics▶

Polyesters▶

Polyester▶

Polyamide▶

Fluorocarbones▶

Polyethylene▶

Polypropylene▶

Polyacetal▶

ABS▶

Polycarbonate▶

MPPO▶

Polystyrene▶

PVC▶

Acrylic▶

- 64 -

사출성형용 플라스틱은 그 용도에 따라 소재가 다르다 아래에는 용도에 따라 자주.

사용되는 플라스틱 소재를 기술하였다.

투명성을 필요로 하는 용도•

범용 플라스틱에는 일반용 폴리스티렌이 많이 사용된다 이 수지는 투명성은 좋- .

으나 광선 투과율이 낮고 크레이징 을 일으키기 쉽다(crazing) .

아크릴은 광선 투과율이 이상이고 내후성이 좋고 황색변화의 염려가 없다- 90% , , .

따라서 이 수지가 고급 장식품 명판 류 고급 잡화에 많이 쓰여 진다 그러나 이, , .

플라스틱은 잘 깨지는 결점을 가지고 있다.

이 결점을 보환하고 투명성도 있는 플라스틱에는 투명 염화비닐수지- ABS, (PVC),

폴리카보네이트 등이 있다 이들 중에 어느 플라스틱을 선택할 것인가는 내 충(PC) .

격성의 크기 및 제품의 요구 특성에 따라 정해지나 내 충격성이라고 하는 견지에,

서 말하면 폴리카보네이트가 좋다 그러나 이 수지는 용융상태에서 유동성이 좋지.

못하므로 고압이 필요하고 성형성도 일반적으로 좋지 못하다 또한 가격이 높다는, . ,

결점도 갖고 있다.

내충격성을 필요로 하는 용도•

내 충격성 가 있다 를 내 충격용으로 선정하는 경우에는 그 충격치를- ABS . ABS

규정할 필요가 있다 는 품종에 따라 충격치가 다르므로 주의해야 한다. ABS .

이외의 수지로 내 충격에 사용되는 수지는 폴리카보네이트 및 아세탈 또는- ABS

나일론이 추천된다 충격에 가장 강한 것은 폴리카보네이트이다 또 나일론 은. . , 6, 66

흡습성이 있어 평균 흡수량을 가질 때 충격에 상당히 강하나 너무 건조시켜 흡수, ,

율이 떨어지면 취약하게 된다.

내열성을 필요로 하는 용도•

범용 플라스틱 중에서 내열성이 가장 높은 것은 폴리프로필렌으로- , 120 ~ 130

에 견딘다.℃

내열성은 그 용도에 따라 필요의 한도가 다르나 혹은 그 정도의 분야에는 내- , 100℃

열성 를 사용하고 이것보다 높은 정도에는 폴리카보네이트가ABS , 120 ~ 130 PPO,℃

쓰여진다 더욱 높은 온도에서 사용될 경우에는 폴리썰폰등이. PBT, PPS, PA6, PA66,

사용된다.

- 65 -

내열성의 열가소성 플라스틱에 글라스 섬유를 혼입한 는 기본 플라- 20 ~ 30% FRTP

스틱보다 강성이 높게 되고 이 때문에 당연히 열변형 온도가 상승한다 따라서 하중이, .

걸리는 경우에는 이런 종류의 의 채용을 검토해야 한다FRTP .

(FRTP : Fiber Reinforced Thermo Plastic, GRTP : Glass Fiber Reinforced Thermo

Plastic, FRP : Fiber Reinforced Plastic)

치수정밀도의 용도•

성형 수축률이 큰 결정성 플라스틱은 비 결정성 플라스틱에 비해 정밀한 정도의 성형-

품을 나타낸다 금속 재료에 비해 강성이 부족한 점도 결점의 하나로 하중이 걸린 경우.

가 그 변화가 크다.

마찰 마모에 대한 용도,•

아세탈 이나 나일론 을 들 수 있다- (POM) (PA) .

기어라든가 캠 베어링을 일체로 한 부품에는 등이 사용되나 이것들- , POM, PA, PBT ,

은 모두 결정성 플라스틱이기 때문에 성형 수축율이 크고 정도를 요하는 부품을 제조,

하는 일은 어렵게 된다 이런 수지들이 마찰에 좋은 것은 적은 마찰계수를 갖고 있으. ,

면서 자기 윤활성을 갖기 때문이다, .

따라서 사용중에 별도의 주유를 하지 않아도 계속적으로 사용이 가능하게 된다- .

난연성의 용도•

열 가소성 수지 중에서 그대로 불연성인 것은 불소수지 이외에는 없다- .

플라스틱 중에 난연성을 부여한 것을 난연 그레이드라고 하며 이 수지는 성형에 상- ,

당히 조심해야 한다 성형 중에 가스의 발생이 많고 이 가스가 금형이나 기계를 녹슬게.

한다.

일반적으로 수지 계열은 범용 플라스틱으로 나눌 수 있다 표, engineering, specialty .

에는 가지 분류에 따른 수지의 종류를 나타내었다 이 중 물리적 강성 및 인성과11 3 . ,

경량화가 결합되어 가혹한 주변 환경 하중 장기적인 시간의 지속 높은 사용온도 화( , , ,

학물질에 노출된 환경 하에서 제품 디자인 및 성형 기술에 의한 예견된 사용자가 원하) ,

는 물성을 발현시킨 플라스틱 있는데 이를 엔지니어링 플라스틱이라 한다.

- 66 -

수지계열수지계열수지계열수지계열[ Table 11 ][ Table 11 ][ Table 11 ][ Table 11 ]

범 용범 용범 용범 용 EngineeringEngineeringEngineeringEngineering SpeciallySpeciallySpeciallySpecially

PVC▶

PE▶

PS▶

PP▶

ABS▶

Acetal(POM)▶

Polyester(PBT)▶

Polycarbonate(PC)▶

Modified PPO▶

Nylon(PA)▶

Polysulfone▶

PEI▶

PPS▶

TPE▶

Polyketones▶

LCP▶

대대대대 범범범범용용용용 엔엔엔엔지니어지니어지니어지니어링링링링 플라스플라스플라스플라스틱틱틱틱과 특성과 특성과 특성과 특성[ Table 12 5 ][ Table 12 5 ][ Table 12 5 ][ Table 12 5 ]

결정성 수지결정성 수지결정성 수지결정성 수지 비결정성 수지비결정성 수지비결정성 수지비결정성 수지

Nylon(PA)Nylon(PA)Nylon(PA)Nylon(PA) PET/PBTPET/PBTPET/PBTPET/PBT Acetal(POM)Acetal(POM)Acetal(POM)Acetal(POM) PCPCPCPC MPPOMPPOMPPOMPPO

내열성▶

강도 강성/▶

내충격성▶

저마찰 저마모/▶

내화학성▶

흡습성▶

고강도 고강성/▶

저 성creep▶

치수 안전성▶

전기적 특성▶

내열성▶

저 흡습성▶

가수분해 문제▶

균형적인 물성▶

저마찰 저마모/▶

내피로강도▶

치수안정성▶

내화학성▶

고생산성▶

내충격성▶

치수정밀도 안정성/▶

전기적 특성▶

투명성▶

내화학성의 한계▶

기계적 성질▶

전기적 특성▶

내가수분해▶

저 흡습성▶

치수안정성▶

난연성▶

내화학성 한계▶

그리고 이러한 대 범용 엔지니어링 플라스틱은 각기 다른 사출성형조건을 가지는데5

각각의 수지에 대한 사출성형조건을 에 나타내었다Table 13 .

- 67 -

재료별 사출성형조건재료별 사출성형조건재료별 사출성형조건재료별 사출성형조건[ Table 13 ][ Table 13 ][ Table 13 ][ Table 13 ]

나 에나 에나 에나 에서서서서의 열적 특성의 열적 특성의 열적 특성의 열적 특성. CAE. CAE. CAE. CAE

의 로써 고분자의 열적 특성과 관련된 입력 데이터로는 다음과 같다CAE Input Data .

열전도도•

비열•

용융밀도•

흐름정지온도•

취출온도•

열전도란 단위길이의 고분자를 상승시키기 위한 열의 전도속도로써 이의 단위는1℃

이며 고분자의 열전도도는 금속재질보다 매우 작다 일반적으로 고분자의W/m°C(K) .

열도도도는 로 통상적으로 활용하는 금형재질의 열도도인0.13W/mK~0.26W/mK ,

보다 매우 작은 수치이다 에서 열전도도는 공정의 각 단계에서의 고분자29W/mK . CAE

온도를 계산해 주는데 이는 비열 및 용융밀도 등과 함께 기본적으로 필요한 데이터로

열의 분산정도를 계산해 줌으로써 용융체의 충전 중 온도 충전 후 온도 그리고 냉각, ,

속도 등의 계산에 적용되고 있다 고분자의 열전도도는 온도의 함수로 상의 변화가 있. ,

지 않을 경우 온도의 증가에 따라 열전도도도 증가하게 된다 일반적인 고분자의 경우, .

열전도도는 가해지는 온도 결정성 배향 정도에 영향을 받으며 결정성 수지가 비결정, , ,

수지 보다 높다.

- 68 -

비열이란 단위 질량의 고분자를 승온 시키기 위해 필요한 열량을 의미하며 이의1 ,℃

단위는 로 고분자 용융체에 가해지는 열의 실질적인 온도상승으로 변화시키는J/kg℃

고분자의 능력을 나타내주는 물성치 이다 비열은 시차열주사열량계에서 고분자.

간의 열의 출입을 통해 측정할 수 있으며 이는 열 분산식을 통해 고분자reference cell ,

용융체가 성형공정에서 전도에 의하여 방출되는 열의 양을 계산해 줄 뿐 아니라 충전,

공정에서 용융체가 받는 전단 변형력에 의해 발생하는 열의 양을 계산해 줄 뿐 아니라,

충전 공정에서 용융체가 받는 전단 변형력에 의해 발생하는 전단발열(shear heating)

에 의한 온도상승을 계산하여 준다.

용융 밀도란 고분자의 평균가공온도에서 압력이 이 되거나 에 근접할 때의 밀도를0 0

말한다 열의분산이나 전단 발열은 용융밀도를 통해 구할 수 있다 용융밀도의 증가는. .

열의 분산에 의한 온도의 하락을 작게 해줄 뿐만 아니라 전단 발열에 의한 온도 상승도

작게 해준다 따라서 용융밀도가 증가 할수록 사출압력은 기본적으로 증가하지만 점. ,

도가 온도에 대하여 민감한 고분자의 경우 용융밀도의 증가에 따른 사출압력의 증가가

상대적으로 작은데 이는 용융밀도의 증가가 열의 분산보다 전단발열에 주요하게 영향,

을 끼치지 때문이다 용융밀도는 가공온도에서 압력이 일때의 밀도이기 때문에. 0

선도에서 이의 값을 쉽게 구할 수 있으며 일반적으로 용융밀도는 고체상에서P-V-T ,

의 밀도의 정도의 값을 갖는다 한편 결정성 고분자의 경우 결정화가 클수록 밀도85% .

가 증가하기 때문에 결정이 풀리는 액체 상태에서 용융밀도와 고체상태에서의 밀도간

의 차이는 비결정성 고분자보다 크며 일반적인 수지의 용융밀도는 다음과 같다.

그림 수지별 용그림 수지별 용그림 수지별 용그림 수지별 용융융융융밀도밀도밀도밀도. 64. 64. 64. 64

흐름 정지온도 란 고부자 용융체의 흐름이 정지하는 온도로 에(n-flow temprature) CAE

서 흐름정지온도의 일자적인 기능은 용유체의 고화층을 지시해 주는데 있다 유로의.

중앙 부근의 는 열의 분산이 작아 높은 온도를 유지하는 반면에 금형 벽면에Laminate ,

위치한 는 차가운 금형면으로 열이 방출되기 때문에 낮은 온도를 유지하여 고Laminate

화하게 된다.

- 69 -

상에서는 유로의 중앙에서부터 금형벽면까지를 개의 로 나누며 각MPI 10 Laminate

의 경계면 에서의 온도를 계산한다 이 때 계산된 온도가 흐름 정Laminate (grid point) .

지온도 이하의 값을 가질 경우 그때의 를 고화층으로 단정하게 된다 따라서, Laminate .

흐름 정지온도가 높은 고분자의 경우 고화층의 분포가 상대적으로 작아지기 때문에 사

출압력이 적게 요구될 뿐만 아니라 응력의 분포도 작아지게 된다 고분자 용융체가 충.

전되는 과정에서 고화층과 용융층간에 전단발열 현상이 발생하는 부위에서 온도의 상

승이 일어나게 된다 전단발열이 발생하게 될 경우 용융수지의 온도상승으로 인하여. ,

점도가 낮아지기도 하나 이 부위에서는 수지의 열분해가 발생할 수 있다, .

취출온도란 성형제품이 취출시 취출핀이나 기타 취출기구에 의하여 외적 손상을 받지

않을 만큼 충분히 고화되는 온도를 말하며 캐비티에 충전된 용융수지가 취출온도에,

도달했을 때 취출이 가능하므로 이를 통해 냉각시간 및 전체적일 싸이클 타임을 결정

할 수 있다.

본 지원 사업에서 사용된 상용 프로그램인 에서는 고분자 용융체의 사출성형고MPI6.0

정에서 열의 전달과 관련된 기본적인 열 분산식을 열전도도 비열 용융밀도를 통하여, ,

구하고 있다.

열확산도- (thermal diffusivity)(α ㎡/sec)

열전도도k - (W/m )℃

용융밀도- (kg/ρ ㎥)

비열Cp = (J/kgㆍ )℃

다 에다 에다 에다 에서서서서의 점도 특성의 점도 특성의 점도 특성의 점도 특성. CAE. CAE. CAE. CAE

용융수지는 일반 유체가 가지는 점성과 더불어 탄성 재료의 특성도 가지고 있는 점탄

성 상태이다 용융수지가 가지는 점탄성 효과에는 현상 이완현상 수직응력 현. Creep , ,

상 등이 있으며 급격한 변형이 수반되는 공정일 때에는 점성효과에 비해 탄성효과가,

커지고 느린 변형이 수반되는 공정일 경우에는 탄성효과에 비해 점성유체의 특성이 부

각되게 된다.

온도가 일정한 이상적인 유체가 가까이 놓인 두 평판 사이를 흐른다고 가정해보면 밑

판은 정지되어 있고 윗판은 힘 의 작용에 따라 방향의 일정한 속도 에 의해 움직, F X Vx

인다면 윗판에 작용하는 전단응력 는 다음과 같이 주어진다(shear stress) .τ

- 70 -

는 평판의 면적이며 전단응력은 유체의 속도 구배A , (velocity gradient) 에 비례한

다는 일반화된 뉴턴의 가정을 사용하면

으로 되며 비례상수인 는 겉보기 점도 를 나타낸다 속도구배, (apparent viscosity) .η

는 전단률이라고 하며 로 표시한다.

또한 용유수지는 의가소성 유동 을 하며 유동해석을 위하여 점도(pseudoplastic flow)

는 온도와 전단률의 함수로 표시되어야 한다 다음은 사출성형해석에 이용되고 있는.

점도함수를 나타낸 것이다.

Power-law Model•

여기서 와 은 상수이며 용융수지에서의 은 에서 의 범위에 있다 이 모델은 높은K n , n 0 1 .

전달률일 때 실제 점도 변화를 매우 간단하게 표한하였다 따라서 높은 사출속도를 이.

용하여 성형하는 대부분의 플라스틱 재료에는 위의 식이 적용이 가능하나 낮은 전단,

률에서 계산되는 점도는 측정되는 점도보다 높게 나타나는 단점을 가지고 있다.

Carreau Model•

위의 식에서 는 전단률 에서의 점성계수를0 , 는 무한 전단률에서의 점성계수를

나타내며 는 물질의 특성시간을 나타낸다.λ 는 다음과 같이 형태의 온도Arrhenius

함수로 사용하기도 한다.

- 71 -

Cross Model•

여기서 는 뉴턴과 거동에 따른 전단응력이며 전단률이 작을 때에는 뉴Power law ,

턴 유체가 되고 전단률이 클 때에는 에 따르는 유체가 된다Power law .

사출성형에서 용융수지는 캐비티 벽에 의해 냉각되어지고 그 벽상에서 유동하지 않는

적층을 형성하게 되는데 이 층이 유동 통로를 좁게 하고 유동을 방해한다 매우 높은, .

유량의 경우 플라스틱의 점성은 전단강하 라고 하는 현상에 의해 감소(shear thinning)

하고 온도는 전단에 의한 마찰열로 인하여 증가하게 된다 준결정성 재료와 무정형성.

재료에 있어서 전단률이 일 때의 점성 는 각각 다음과 같이 주어지는 것이 일반적이0

다.

여기서 는Tb 의 온도에 대한 민감도를 는, β 의 압력 의존도를 의미

하며,TC 는 각각 결정화 온도와 흐름 정지온도를 나타낸다 점성식에 사용된 상수들, T* .

은 온도에 따른 전단률의 변화에 의한 실험데이터로부터 결정 할 수 있다.

라 에라 에라 에라 에서서서서의 상태의 상태의 상태의 상태방방방방정정정정식식식식. CAE. CAE. CAE. CAE

아래의 그림은 대기압 상태에서의 무정형성 재료의 거동을 나타(amorphous) P-V-T

내며 직선의 기울기가 변화하는 점, Tg 는 유리전이 온도이다 그래프상에서 기울. V-T

기 는 각각 액상과 고상에서의 열팽창계수를 의미 한다.

- 72 -

그림 무정형성 재료의 선도그림 무정형성 재료의 선도그림 무정형성 재료의 선도그림 무정형성 재료의 선도. 65 P. 65 P. 65 P. 65 PVVVVTTTT

다음의 그림은 대기압 상태에서의 반결정성 재료의 거동을(semi-crystalline) P-V-T

나태나며 상에서 급격한 천이구간은 압력의 함수인 결정화 온도 와 관련이 있다, V-T .

그림그림그림그림 반반반반결정성 재료의 선도결정성 재료의 선도결정성 재료의 선도결정성 재료의 선도. 66 P. 66 P. 66 P. 66 PVVVVTTTT

결정의 용해에는 제 차 전이와 제 차 전이가 있고 성형품의 물성은 전이가 발생하는1 2 ,

온도에 따라 큰 영향을 받는다 제 차 전이점 이하에서는 분자운동이 동결되어 힘을 가. 2

하면 취성 파괴를 일으킨다.

비결정성 고분자와는 달리 결정성 고분자에서는 융점에서 급격한 변화가 일어난다 즉.

승온시에는 체적이 급격히 증가하고 융해열도 필요하게 되어 비열도 현저히 커진다.

반대로

- 73 -

용융상태에서 결정화될 때에는 용해열과 같은 양의 결정화열을 방출한다 고분자 재료.

의 밀도 변화는 충진 단계 이후의 유동장에 큰 영향을 미치게 되는데 밀도변화의 표현

에는 가 제안한 상태방정식이 있으며 액상과 고상을 모두 표현할 수 있다Tail , .

여기서 는 이고C 0.0894 는 압력이 일 때의 비체적 액상과0 (specific volume)

고상에 대한 표현은 다음과 같이 주어진다.

마 사용수지 분석마 사용수지 분석마 사용수지 분석마 사용수지 분석....

본 지원 사업에 사용한 고분자는 이며 이것은 열가소성 수지로 특징은 융점이 분해PP

점 이하이기 때문에 용융 고화를 여러 번 반복할 수 있다는데 있다 아래의 그림에는/ .

의 분자구조를 나타내었다PP .

그림 의 분자구조그림 의 분자구조그림 의 분자구조그림 의 분자구조. 67 PP. 67 PP. 67 PP. 67 PP

- 74 -

는 수소 대신 결합한 원자군 이 하게 결합되어 있느냐 또는 어떤 규칙PP (CH3) random

하에서 결합되어있느냐에 따라 강도 차이가 발생하게 되는데 그림 에는 원자군2 (CH3)

의 결합에 따른 의 세가지 구조를 나타내었다 어택틱 무질서한 측면군 재료PP . (atatic, )

는 에서 연화되며 별로 쓰이지 않는 왁스와 유사한 제품이다 그러나 아이소택틱74 .℃

중합체나 신디오택틱 형태는 약 에서 녹기 때문에 많이(Isotatic) (Syndiotactic) 175℃

사용되고 있으며 강하고 부분적으로 결정성인 플라스틱이다.

그림 의 세 가지 구조 어그림 의 세 가지 구조 어그림 의 세 가지 구조 어그림 의 세 가지 구조 어택틱택틱택틱택틱 무질무질무질무질서서서서한 측면 배열 아이소한 측면 배열 아이소한 측면 배열 아이소한 측면 배열 아이소택틱 같은택틱 같은택틱 같은택틱 같은. 68 PP (a) ( ) (b) (. 68 PP (a) ( ) (b) (. 68 PP (a) ( ) (b) (. 68 PP (a) ( ) (b) (

측면배열 신디측면배열 신디측면배열 신디측면배열 신디오택틱오택틱오택틱오택틱 다른 측면 배열다른 측면 배열다른 측면 배열다른 측면 배열) (c) ( )) (c) ( )) (c) ( )) (c) ( )

또한 는 프로필렌 혹은 프로필렌과 소량의 에틸렌의 중합에 따라 아래와 같이 구분, PP

될 수 있으며 종류별로 아래의 표와 같은 특징을 가진다.

호모폴리머(Homo polymer)•

프로필렌으로만 중합-

랜덤 코폴리머(Random copolymer)•

프로필렌과 소량의 에틸렌으로 고중합-

- 75 -

블록 코폴리머(Block copolymer)•

프로필렌 세그먼트와 에틸렌 세그먼트로 구성-

의 주요 특징은 아래와 같다PP .

인장강도 강성이 높고 코폴리머는 내충격성이 개량되어 있음,•

표면 경도가 높아 광택 등 외관이 우수•

일부 강산이나 유기 용제를 제외하고 화학적으로 안정하며 내약품성이 뛰어남•

양호한 전기적 특성•

내가수 분해성이 뛰어나 증기 소독을 하는 위생기구에 적합•

투명성 연신성이 뛰어나 필름 등에 사용,•

중중중중합에 따른 의 구분합에 따른 의 구분합에 따른 의 구분합에 따른 의 구분[ Table 14 PP ][ Table 14 PP ][ Table 14 PP ][ Table 14 PP ]

구 분구 분구 분구 분 융 점융 점융 점융 점(((( ))))℃℃℃℃ 특징특징특징특징

호모폴리머 160 - 165융점은 높지만 충격 강도가 낮음•

공업 부품 분야에는 부적절•

랜덤코폴리머 130 - 135투명성•

저융점•

플로 블록 코폴리머( ) 160 - 165 저온 충격 강도가 큼•

이러한 특징으로 인하여 는 가전제품 자동차 등과 같이 성형성 내축경성 고강PP , ,

성 등을 요하는 부품에 자주 이용되고 있다.

본 지원 사업에 적용된 는 호남석유화학의 의 수지를 사용하였으며PP J150 grade ,

사용수지의 물성은 다음과 같다.

- 76 -

그림 사용 수지인 호그림 사용 수지인 호그림 사용 수지인 호그림 사용 수지인 호남남남남석유석유석유석유화학화학화학화학 의의의의 물물물물성성성성. 69 PP. 69 PP. 69 PP. 69 PP JJJJ150 (source :150 (source :150 (source :150 (source : wwwwwwwwwwww.hpc.co..hpc.co..hpc.co..hpc.co.kkkkr)r)r)r)

실제로 적용되는 수지인 호남석유화학의 에 대한 물성 데이터가PP J-150 MPI DB

에 존재하지 않는 관계로 대응 인 수지를 적용하Grade GS Caltex Hiprene-M540

여 모든 해석을 수행하였으며 해당 대응 제품의 선도 및 점도 선도는 아래의, PVT

그림들에 도시하였다.

그림 의 선도그림 의 선도그림 의 선도그림 의 선도. 70. 70. 70. 70 GGGGS CalteS CalteS CalteS Caltexxxx HipreneHipreneHipreneHiprene M-M-M-M-540 P540 P540 P540 PVVVVTTTT

- 77 -

그림 의 점도 선도그림 의 점도 선도그림 의 점도 선도그림 의 점도 선도. 71. 71. 71. 71 GGGGS CalteS CalteS CalteS Caltexxxx HipreneHipreneHipreneHiprene M-M-M-M-540540540540

해석모델생성해석모델생성해석모델생성해석모델생성2.2.2.2.

가 해석을 위한 선정가 해석을 위한 선정가 해석을 위한 선정가 해석을 위한 선정.... MMMMesh Typeesh Typeesh Typeesh Type

해석에 적용된 제품은 휴대용 용기의 부분으로 모델러를 이용하여 모델링Cap 3D

하였고 이를 이용하여 메쉬를 생성하였다 사용된 해석 프로그램인 에서는 가, . MPI 3

지 형태의 를 이용하여 해석을 수행할 수 있다 첫째로 제품의 살 두께와 중Mesh .

간면을 취출해 만든 형태와 둘째로 제품의 차원 형상을 그대로Mid-Plane Mesh , 3

받아들이고 대신 내부가 빈 형태 세 번째로 로 내부가Fusion Mesh , Fusion Mesh

채워진 의 형태가 있다3D Mesh .

일반적으로 와 는 전체 면적에 비해 두께를 무시 할Mid-Plane Mesh Fusion Mesh

수 있는 형상에 적용하고 그렇지 않을 경우에는 를 사용하여, Fusion Mesh 3D

를 생성하여 해석을 수행한다 해석 결과에 있어 의 수가 많으면 해석결Mesh . Mesh

과에 대한 신뢰성은 좋아질 수 있으나 과다한 해석시간을 요구하며 반대로, Mesh

수가 작으면 해석시간은 단축 할 수 있으나 해석의 신뢰성에 문제가 발생 할 수,

있다.

- 78 -

그림 유한요소수 해석시간 및 신그림 유한요소수 해석시간 및 신그림 유한요소수 해석시간 및 신그림 유한요소수 해석시간 및 신뢰뢰뢰뢰도도도도. 72. 72. 72. 72 VVVVS.S.S.S.

그림 생성을 위한 모델그림 생성을 위한 모델그림 생성을 위한 모델그림 생성을 위한 모델링링링링. 73. 73. 73. 73 MMMMesh 3Desh 3Desh 3Desh 3D

- 79 -

본 지원 사업에서 해석에 적용할 금형의 경우에는 작은 크기의 모델이 개가 한번64

에 성형되는 모델이므로 생성시 요소의 사이즈 및 에64Cavity Mesh Mesh Type

따라 의 수가 많은 차이를 보이므로 이를 고려하여 생성하여야 한다 또한Mesh .

에서 냉각해석이나 변형해석을 수행할 경우 과다한 요소수로 인하여 내부MPI , MPI

에서 지원하는 내부 메모리보다 큰 메모리를 요구하여 해석이 불가능하기 때문에

요소 생성시 해석의 종류 까지도 고려하여야 한다 따라서 본 지원 사업에서는.

수의 최소화와 더불어 해석 결과의 신뢰성 확보를 위하여 가지Mesh 3 Mesh Type

의 테스트 해석 모델을 생성한 뒤 각각의 모델을 을 적용하여 해석을Auto Setting

수행 후 그 결과를 비교 분석 하였다.

가지가지가지가지[ Table 15 3[ Table 15 3[ Table 15 3[ Table 15 3 MMMMesh Type ]esh Type ]esh Type ]esh Type ]

Mid Plane Mesh Fusion Mesh 3D Mesh

Elements = 569EA Elements = 3,690EA Elements = 67,142EA

에 따른 해석결과는 아래의 표와 같으며 해석 결과가 가장 정확한Mesh Type 3D

와 의 경우 모두 비슷한 결과를 나타내었으며 이러한 결과를Mesh Mid-Plane Mesh ,

바탕으로 본 지원 사업에서 수행한 해석에서는 모두 를 적용하여Mid-Plane Mesh

해석을 수행하였다.

- 80 -

에 따른 해석결과에 따른 해석결과에 따른 해석결과에 따른 해석결과[ Table 16[ Table 16[ Table 16[ Table 16 MMMMesh Type ]esh Type ]esh Type ]esh Type ]

Mid Plane MeshMid Plane MeshMid Plane MeshMid Plane Mesh Fusion MeshFusion MeshFusion MeshFusion Mesh 3D Mesh3D Mesh3D Mesh3D Mesh

충전형상

사출시간 0.2067 sec 0.2175 sec 0.2107 sec

최대사출압 7.8828Mpa 8.1936Mpa 7.8978Mpa

최대형체력 0.3242ton 0.3593on 0.3448ton

Part Vol 0.9688㎤ 0.9732㎤ 0.9732㎤

Project Area 6.8986㎠ 6.9182㎠ 6.9123㎠

나 를 이용한 해석모델 생성나 를 이용한 해석모델 생성나 를 이용한 해석모델 생성나 를 이용한 해석모델 생성.... MMMMidididid----PlanePlanePlanePlane MMMMeshesheshesh

일반적으로 금형설계를 할 때 가장 중요한 사항중 하나가 게이트 러너 스프루 등, ,

의 유동시스템의 설계이다 특히 본 연구에 적용된 것과 같은 대용량 금형의 경우.

에는 일반 금형과 달리 이 적용되었으며 금형 안에서 수지의Hot Runner System ,

유동거리가 다른 금형에 비하여 매우 커서 유동 밸런스에 대한 검증은 필수적이라

할 수 있다 본 지원 사업에 적용된 의 경우에는 전문 업체에서 최적화. Hot Runner

된 설계를 검증한 상태이므로 해석을 이용하여 유동 시스템에 대한 별도의 설계과

정 없이 설계된 게이트 및 유동 시스템을 적용하여 를 모두 포함하고 있64 Cavity

는 을 생성하였다 생성된 모델의 형상은 아래의 그림과 같으며 사용된Full Model . ,

요소의 수는 유동시스템 모델링에서 사용된 요소를 포함하여 모두 개Beam 41,253

의 요소가 사용되었다.

- 81 -

그림 와 요소를 이용한 해석 모델 생성그림 와 요소를 이용한 해석 모델 생성그림 와 요소를 이용한 해석 모델 생성그림 와 요소를 이용한 해석 모델 생성. 74. 74. 74. 74 MMMMidididid----PlanePlanePlanePlane MMMMesh Beamesh Beamesh Beamesh Beam

충전해석 및 사출시간 선정충전해석 및 사출시간 선정충전해석 및 사출시간 선정충전해석 및 사출시간 선정3.3.3.3.

가 충전해석가 충전해석가 충전해석가 충전해석))))

충전 시간 분포는 수지가 금형 속으로 흘러 들어갈 때 각 위치에 도달하는 시간을

나타내고 있다 아래 그림들은 사출조건을 으로 하였을 경우 각각 유. Auto Setting

동시스템의 충전 과정과 제품의 충전 과정을 도시하고 있다 그림에 나타난 색깔로.

표시된 내용을 통하여 충전 상태를 확인 할 수 있으며 다른 부분 보다 같은 색의,

분포가 넓은 곳은 수지의 흐름이 원활하고 온도의 변화가 작은 것을 의미하며 색,

깔의 변화가 심하거나 간격이 좁아진 영역은 충진 속도가 감소하는 유동 정체 현상

이 발생하고 있음을 나타낸다.

- 82 -

그림 시간에 따른 충전그림 시간에 따른 충전그림 시간에 따른 충전그림 시간에 따른 충전 패턴패턴패턴패턴 전체전체전체전체. 75 ( ). 75 ( ). 75 ( ). 75 ( )

그림 시간에 따른 충전그림 시간에 따른 충전그림 시간에 따른 충전그림 시간에 따른 충전 패턴패턴패턴패턴 제품제품제품제품. 76 ( ). 76 ( ). 76 ( ). 76 ( )

- 83 -

위의 해석 결과를 살펴보면 부터 충전이 시작되어Hot Gate Cold Sprue, Cold

제품 순으로 용융수지가 채워져 가는 것을 알 수 있다 제품Runner, Cold Gate, .

내에서는 를 통과한 수지가 위쪽으로부터 아래쪽으로 점차 유동한 뒤 최Cold Gate

종적으로는 제품의 좌우측 바닥 모서리 부분에 충전이 완료된다 따라서 마지막으.

로 충전되는 부분에서 웰드라인 이 발생 될 것으로 예상되지만 발생부는(weld line)

금형의 파팅 부분이므로 큰 영향이 없을 것으로 판단된다 또한 제품 내에서 전체.

적인 충전은 균일한 패턴으로 충전을 하는 것으로 보아 유동 밸런스를 위한 게이트

위치 선정에는 문제가 없음을 확인 할 수 있다.

나 를 이용한 사출시간 선정나 를 이용한 사출시간 선정나 를 이용한 사출시간 선정나 를 이용한 사출시간 선정)))) FFFFilling Analysisilling Analysisilling Analysisilling Analysis

일반적으로 사출속도에 대한 사출 압력은 형태의 커브를 보인다 사출속도가 느리U .

면 열 방생보다 열 손실이 더 커서 유동선단 온도가 강하하여 점도가 증가하고 고, ,

화층의 두께가 증가하여 사출 압력이 상승한다 반대로 사출 속도가 빠르면 유동선.

단의 온도는 상승하여 점도는 낮아지고 고화층의 두께는 줄어들지만 고화층과 유,

동층 사이의 마찰저항이 크게 증가하여 오히려 사출 압력이 증가한다 따라서 캐비.

티 내에서 유동선단이 적절한 일정속도로 흐를 때 사출 압력이 가장 낮아지며 아래

의 그림에서와 같이 최적 사출 구간으로 판단할 수 있다 또한 사출 제품 변형적인.

측면에서 살펴본다면 최대 사출압력이 작으면 작을수록 사출 후 제품에 작용하는

잔류응력이 크기가 작아지기 때문에 최대 사출압력이 가장 작은 사출 시간을 선정

하는 것이 제품 품질을 향상 시키는 것에도 유리하다.

그림 사출시간에 따른 사출 압력의그림 사출시간에 따른 사출 압력의그림 사출시간에 따른 사출 압력의그림 사출시간에 따른 사출 압력의 변화변화변화변화 및및및및 최최최최적 사출속도구간적 사출속도구간적 사출속도구간적 사출속도구간. 77. 77. 77. 77

- 84 -

사출시간 선정을 위하여 사출시간 초에서부터 초까지는 초 간격으로 초에0.2 3 0.2 , 3

서부터 초까지는 초 간격으로 사출시간을 선정하여 총 회의 해석을 수행하5 0.5 19

였으며 해석결과 최대 시간대별 최대 사출압력의 변화는 다음과 같다 해석 조건은.

모든 사출시간에서 동일하게 금형온도 40 수지온도 보압력은 적용하지 않, 240 ,℃ ℃

았다.

그림 사출시간에 따른 사출 압력의그림 사출시간에 따른 사출 압력의그림 사출시간에 따른 사출 압력의그림 사출시간에 따른 사출 압력의 변화변화변화변화. 78. 78. 78. 78

해석결과 사출 시간이 약 초일 경우에 가장 작은 사출압력이 작용하며 사출시간2 ,

이 초이상인 경우에서부터 수지 고화에 따른 미충전이 발생한다 해석 결과를 통3 .

하여 사출 시간을 초로 선정 할 수 있으며 사출 시간이 초인 경우에 제품에서2 , 2

발생하는 유동 패턴은 다음 그림과 같다.

그림 사출시간 초일 경그림 사출시간 초일 경그림 사출시간 초일 경그림 사출시간 초일 경우우우우 제품의 충전제품의 충전제품의 충전제품의 충전 패턴패턴패턴패턴. 79 2. 79 2. 79 2. 79 2

- 85 -

아래 그림들은 사출시간이 초일 때 작용하는 시간에 따른 사출압력의 변화 및 형2

체력의 변화를 도시하고 있으며 적용사출기의 최대 사출압력 및 최대 형체력의,

이하의 수준으로 계산하였으며 톤 사출기를 이용하여 금50% , 250 64 Cavity Cap

형을 성형하는데 문제가 없음을 알 수 있다.

그림 사출시간 초인 경그림 사출시간 초인 경그림 사출시간 초인 경그림 사출시간 초인 경우우우우 사출압력의사출압력의사출압력의사출압력의 변화변화변화변화. 80 2. 80 2. 80 2. 80 2

그림 사출시간 초인 경그림 사출시간 초인 경그림 사출시간 초인 경그림 사출시간 초인 경우우우우 형체력의형체력의형체력의형체력의 변화변화변화변화. 81 2. 81 2. 81 2. 81 2

- 86 -

보압해석 및 보압력 선정보압해석 및 보압력 선정보압해석 및 보압력 선정보압해석 및 보압력 선정4.4.4.4.

금형 안에 사출된 용융 수지는 고압으로 충전되기 때문에 역방향으로 압력이 작용

되므로 용융 수지가 고화 될 때까지 강한 힘으로 압력을 가해 주어야 한다 이 압.

력을 보압이라하며 보압을 해주면 금형 캐비티 안에 사출된 용융 수지가 냉각될 때

체적 감소에 의한 부족량 만큼 보충을 하여 주는 역할을 함으로 수축에 의한 불량

을 해결 할 수 있다 부피 수축이란 보압에 의하여 결정되는 재료의 최종 체적 수.

축을 나타내는데 수축이 크면 제품의 치수 정밀도 유지가 어려워지며 지역적으로,

수축율의 편차가 커지면서 내부 응력이 발생되어 변형 발생의 주요한 요인이기도

한다 체적 수축은 전체적인 크기보다 지역적인 편차를 감소시켜주는 것이 더욱 중.

요하며 이러한 수축 편차는 변형 발생의 주요한 원인이기도 하다 체적 수축은 재.

료 고유의 특성에 의존하는데 비 결정성 수지는 결정성 수지에 비하여 수축율PVT

이 작은데 비하여 결정성 수지의 경우 결정화도에 따라 체적의 변화가 매우 큰 경

우도 있다.

작용 보압의 크기가 너무 낮게 되면 성형품의 표면에 싱크 마크나 내부에 기포가

발생하며 너무 높은 보압이 작용하게 되면 플래쉬 현상이 발생하므로 보압의(flash)

크기와 유지 시간이 적정하게 선정 되어야 한다.

아래의 그림은 사출 시간 초일 경우 결과로 그림에서 확인 할 수2 Time to freeze

있듯이 부분은 계속 하여 수지가 용융상태를 유지하기 때문에 결과를Hot Runner

보여 주고 있지 않고 제품과 연결된 부분에서는 충전 공정이 끝난 후, Cold Gate

약 초 후에 고화가 발생하는 것을 알 수 있다1 .

그림 사출시간 초일 경그림 사출시간 초일 경그림 사출시간 초일 경그림 사출시간 초일 경우우우우. 82 2 Time to. 82 2 Time to. 82 2 Time to. 82 2 Time to FFFFreereereereezzzzeeee

- 87 -

그림 사출시간 초일 경그림 사출시간 초일 경그림 사출시간 초일 경그림 사출시간 초일 경우우우우 에에에에서서서서의의의의. 83 2 Cold. 83 2 Cold. 83 2 Cold. 83 2 Cold GGGGate Time toate Time toate Time toate Time to FFFFreereereereezzzzeeee

일반적으로 사출품 부피의 정도 충전 후 절환 하여 보압이 작용하는데 보99% V/P

압 작용시간을 해석을 통하여 판단할 경우 부가 고화가 되기 전까지로 판단Gate

할 수 있다 만약 부분에 고화된 이후에도 보압이 작용하면 형체력의 급격한. Gate

증가로 인하여 사출성형기에 악영향을 끼칠 수 있으므로 보압 유지 시간에 주의를

하여야한다.

위에 언급한 바와 같이 보압시간 뿐만 아니라 보압의 크기 또한 사출 성형 공정에

있어 매우 중요한 요소중 하나이다 보압력의 선정을 위하여 보압 유지시간을 위해.

해석결과를 적용 초로 선정 한 뒤 사출압력의 까지 간격으로1 40% ~ 200% 20%

총 회의 해석을 수행하였으며 각 해석에는 냉각의 영향은 반영 하지 않았다 해9 , .

석에 적용된 조건은 아래의 표와 같다.

보압력 선정을 위한 해석 조건보압력 선정을 위한 해석 조건보압력 선정을 위한 해석 조건보압력 선정을 위한 해석 조건[ Table 16 ][ Table 16 ][ Table 16 ][ Table 16 ]

적용 조건적용 조건적용 조건적용 조건

수지 GS Caltex Hiprene M-540

사출온도 240 ℃

금형온도 40 ℃

사출시간 2 sec

보압시간 1 sec

냉각시간 0 sec

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상기 언급한 바와 같이 보압력의 크기에 따라 제품의 변형이 달라지므로 제품의 변

형이 최소인 압력을 적용 사출 성형기의 적정 형체력의 범위에서 선정 하였다 해.

석 결과 보압의 크기가 클수록 제품에서 발생하는 변형이 작아지는 것을 확인 할

수 있었으며 보압 크기에 따른 제품 변형의 크기를 아래의 그림에 나타내었다, .

그림 보압력에 따른 의그림 보압력에 따른 의그림 보압력에 따른 의그림 보압력에 따른 의 변화변화변화변화. 84 De. 84 De. 84 De. 84 Defffflection(all direction)lection(all direction)lection(all direction)lection(all direction)

그림 보압력에 따른 형체력의그림 보압력에 따른 형체력의그림 보압력에 따른 형체력의그림 보압력에 따른 형체력의 변화변화변화변화. 85. 85. 85. 85

- 89 -

보압의 크기가 클수록 제품의 변형은 줄어드나 이와는 반대로 사출기에 작용하는,

형체력의 크기는 증가하게 된다 위의 그림에서 확인 할 수 있듯이 보압력이 사출.

압력의 의 크기로 작용 하였을때 적용 사출성형기의 최대 형체력인150% 250 ton

가량 작용하는 것을 확인할 수 있다 따라서 보압력의 크기는 사출 성형기의 안정.

성을 고려하여 사출압력의 로 선정 하였다 보압력이 사출압의 의 크기120% . 120%

로 작용하였을 경우 최대 변형량은 로 계산되었으나 이것은 냉각이 고려0.0941mm

되지 않은 해석 결과이므로 냉각까지 고려하여 해석을 수행 하였을 경우 보다 상대

적으로 크게 계산된 결과이다 냉각효과 까지 고려한 최대 변형량은 뒷장에 언급.

하였다.

냉각해석냉각해석냉각해석냉각해석5.5.5.5.

가 냉각 모델 생성가 냉각 모델 생성가 냉각 모델 생성가 냉각 모델 생성....

상기 적용된 모델을 이용하여 설계된 냉각 라인을 배치하여 모델링 하였으며 생성

된 냉각 해석 모델은 아래의 그림과 같다.

그림 냉각해석을 위한 냉각 모델 생성그림 냉각해석을 위한 냉각 모델 생성그림 냉각해석을 위한 냉각 모델 생성그림 냉각해석을 위한 냉각 모델 생성. 86. 86. 86. 86

- 90 -

나 냉각시간 선정나 냉각시간 선정나 냉각시간 선정나 냉각시간 선정....

냉각시간은 베럴의 온도 금형온도와 스프루 런너를 포함한 성형품의 살두께에 따, ,

라 좌우된다 충분히 냉각하면 성형품의 변형을 작게 할 수 있으나 성형 사이클 시.

간이 길어지고 금형으로부터의 제품 취출이 좋지 않게 된다 반대로 냉각을 빨리하.

게 되면 냉각 시간은 단축되어 전체 사이클 타임은 감소 될 수 잇으나 불균일한 온

도 분포로 인한 제품 취출 후 변형이 증가하기도 한다 냉각을 균일하게 하기 위해.

서는 우선 제품 두께의 불균일을 피해야하고 냉각회로의 배열을 적절하게 하여 제

품과 맞닿는 금형 표면온도 차이를 줄여야 한다.

적정 냉각 시간을 선정 하기위해 상기 해석결과를 이용하여 아래의 표와 같은 성형

조건을 적용 후 냉각 해석을 수행하였다 해석에 적용된 냉각시간은 전체 사이클.

타임을 초로하여 사출시간 보압시간 취출시간 등을 고려한 뒤 계산 하였으며20 , , ,

냉각 성능의 평가는 제품의 변형량과 비교하여 분석하였으며 각 조건에 따른 냉각

해석 결과는 아래에 도시하였다.

냉각시간 선정을 위한 해석 조건냉각시간 선정을 위한 해석 조건냉각시간 선정을 위한 해석 조건냉각시간 선정을 위한 해석 조건[ Table 17 ][ Table 17 ][ Table 17 ][ Table 17 ]




금형온도 40 ℃

사출시간 2 sec

보압시간 제품 충전시 절환1 sec ( 99% V/P )

보압력 사출압의 120%

냉각시간 4sec, 6sec,8sec,10sec,12sec

- 91 -

그림 냉각시간에 따른 제품의그림 냉각시간에 따른 제품의그림 냉각시간에 따른 제품의그림 냉각시간에 따른 제품의 변변변변형형형형량량량량. 87. 87. 87. 87

냉각시간에 변형 결과는 시간에 따라 다소 차이를 보였으나 그 차이는 매우 작은

것으로 판단되며 냉각 시간이 초일 때 제품의 변형이 가장 작은 로 계, 8 0.0515mm

산 되었으며 적용제품이 고정밀도를 요구하는 기능성 부품이 아닌 일반 생활 용기,

이므로 변형에 대한 문제는 없는 것으로 판단된다.

해석 결과해석 결과해석 결과해석 결과6. CAE6. CAE6. CAE6. CAE

상기의 해석 결과들을 이용하여 사출성형 조건을 선정하여 해석을 수행하였으며 해

석 결과를 요약하면 다음과 같다.

최최최최종 해석 조건종 해석 조건종 해석 조건종 해석 조건[ Table 18 ][ Table 18 ][ Table 18 ][ Table 18 ]




금형온도 40 ℃

사출시간 2 sec



냉각시간 8sec

- 92 -

가 충전가 충전가 충전가 충전패턴패턴패턴패턴))))

그림 제품 충진그림 제품 충진그림 제품 충진그림 제품 충진 패턴패턴패턴패턴. 89 64Cavity Cap. 89 64Cavity Cap. 89 64Cavity Cap. 89 64Cavity Cap

나 온도분나 온도분나 온도분나 온도분포포포포))))

유동해석 결과에서 계산되는 온도 분포는 유동선단의 온도 분포(temperature at

와 충전된 직후의 전체적인 온도 분포flow front) (bulk temperature at end of

두 가지가 있다 유동 선단의 온도 분포는 금형 내로 수지가 유입되는 각filling) .

순간 각 위치에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면

수지의 유동 저항 편차가 증가하며 지역적으로 제품 물성의 변화가 발생할 수 있음

을 의미한다.

용융 수지의 유동성은 재료의 점도에 의존하는데 점도는 온도의 함수이므로 금형의

어느 위치에서 수지의 온도가 금형으로 많이 전달되면 응력이 증가되어 성형성은

물론 제품의 물성에 영향을 줄 수 있다 더욱이 재료가 결정성 수지인 경우에는 고.

화된 재료의 포화 결정화도에 영향을 주므로 물성과 더불어 수축율 변화에도 큰 변

화를 준다 일반적으로 용융선단의 온도 분포는 해석에 적용되었던 수지온도보다.

20 편차 내에 계산 되어야 하지만 현재 적용 모델과 같이 얇은 두께의 모델의 경우에℃

는 유동선단의 온도 차이가 수지의 유리전이 온도 보다 높게 유지되어야만 한다 충진.

직후의 온도 분포는 금형 내로 수지가 유입될 때 유동 균형 또는 정체효과(hesitation

의 발생 여부를 판단 할 수 있게 한다 만약 금형의 어느 부분에 수지가 먼저 도effect) .

달하여 멈추거나 정체 된다면 다른 지역으로 정상적인 유동을 하는 수지보다 훨씬 빠

르게 금형으로 열을 빼앗기게 되므로 온도가 급격하게 감소하거나 더 심각한 경우 수

지의 유리전이 온도 이하로 감소하게 되어 미 성형의 원인이 되기도 한다.

- 93 -

아래의 그림은 제품의 유동선단 온도 분포를 나타내고 있으며 최대 에서부터 최, 240℃

소 로 큰 차이를 보이고 있으나 제품이 형상 크기나 두께를 고려하여 볼 때 유141.2 /℃

동 및 성형에는 큰 문제가 없는 것으로 판단된다.

그림 유동선단의 온도 분그림 유동선단의 온도 분그림 유동선단의 온도 분그림 유동선단의 온도 분포포포포. 90. 90. 90. 90

그림그림그림그림. 91 Bul. 91 Bul. 91 Bul. 91 Bulkkkk TemperatureTemperatureTemperatureTemperature

- 94 -

다 고다 고다 고다 고화화화화층층층층 변화변화변화변화))))

금형에 수지가 충전되기 시작하는 순간부터 냉각이 시작되어 제품이 고화되기 시작한

다 그러나 제품이 완전 충전되기전 고화도가 높아진다는 것은 유동성을 감소시켜 미.

성형 발생의 우려가 증가함을 의미한다 또한 보압에서 보압력 전달에 문제를 발생하.

기도 한다 게이트 고화시간 추정은 상기에서 논한바와 같이 정확한 보압조건을 선정.

하기 위하여 매우 중요하다 게이트가 완전히 굳기 전에 보압을 제거하면 아직 냉각되.

지 못한 수지가 게이트를 통해 역류하여 부분적으로 과도한 수축율을 나타내거나 흐름

자국을 남기게 된다 반면에 게이트가 고화된 이후에 보압을 작용시키는 것은 금형 내.

로 압력이 전달되지 못하기 때문에 무의미하며 전체 사이클 타임의 지연을 초래하여

생산성을 저하 시킬 수 있다.

아래의 그림은 결과를 나타내고 있으며 해석결과 최대 고화가Frozen layer fraction

로 나타났다 따라서 고화로 인한 유동 불량 등의 문제는 발생하지 않음을0.05772% .

알 수 있다.

그림그림그림그림. 92. 92. 92. 92 FFFFrorororozzzzen layeren layeren layeren layer ffffractionractionractionraction

- 95 -

다 전단다 전단다 전단다 전단 변변변변형형형형률률률률))))

금형내 용융 수지는 전단력에 의하여 유동되는데 유동 저항이 커지면 고분자 재료의

전단 변형이 가속된다 수지 유동 중 금형의 어느 부분에서 전단 변형율이 높다면 그.

곳에서의 유동 저항이 크다는 의미이며 한계치를 벗어나는 경우에는 수지의 유동 또,

한 정상 상태를 벗어난 범위에 있다고 생각 할 수 있다.

전단 변형율이 높아지면 용융 선단의 프로파일이 복잡하게 변화되면서 은조(silver

현상이나 흐름 자국 을 표면에 남기기 쉽다 제이트 직후나 살 두께streak) (flow mark) .

변화가 심한 부분에서 이러한 현상이 빈번하게 발생된다 적용 제품의 경우에는 두께.

변화가 심하지 않아 해석 결과를 확인하여 보면 제품내 변형률이 전체적으로 으로 상0

기 언급한 문제는 발생하지 않을 것으로 판단된다.

그림 제품 표면에그림 제품 표면에그림 제품 표면에그림 제품 표면에서서서서의 전단의 전단의 전단의 전단변변변변형형형형률률률률93.93.93.93.

- 96 -

라 전단라 전단라 전단라 전단응응응응력력력력))))

전단응력은 수지 유동 중 저항에 의하여 내부적으로 발생하는 응력을 나타낸다 전단.

응력이 높으면 제품 내에 잔류응력이 증가하여 강도를 저하시킬 수 있다 고분자 재료.

는 각각 허용 한계 응력 값을 가지고 있는데 가능한 이 범위를 넘지 않는 것이 좋으며

고기능성 수지일수록 한계 전단응력의 값은 높아진다 전단응력은 유동 저항에 비례하.

므로 전단응력을 낮추려면 수지와 금형의 온도를 증가 시키고 제품의 설계시 살 두께

를 두껍게 하거나 급격한 두께 변화를 피해야 한다.

아래의 그림에서 보듯이 해석결과 제품내에서 발생한 최대 전단응력은 약 로0.156Mpa

의 한계 전단응력의 수준으로 잔류응력에 의한 외관 손상이나 변형이 발생하는PP 50%

문제는 없을 것으로 예상 할 수 있다.

그림 제품 표면에그림 제품 표면에그림 제품 표면에그림 제품 표면에서서서서의 발생 전단의 발생 전단의 발생 전단의 발생 전단 응응응응력력력력. 94. 94. 94. 94

- 97 -

마 냉각마 냉각마 냉각마 냉각채널채널채널채널 효과 분석효과 분석효과 분석효과 분석))))

금형이 캐비티 금형이라면 제품에서의 냉각 효과를 파악 하면 되지만 본 지원 사업에1 ,

서와 같이 다수의 캐비티를 가지고 있는 금형의 경우에는 제품뿐만 아니라 각 캐비티

의 냉각균일도 확보도 필수적이다 만약 캐비티 별로 냉각 성능이 다르게 작용할 경우.

캐비티 별로 제품의 품질이 서로 상이하게 생산될 수 있다 아래의 그림에서 확인 할.

수 있듯이 설계된 냉각 채널의 경우에는 베플을 이용하여 제품을 균일하게 냉각 하였

으며 줄 냉각을 이용한 캐비티 전체의 균일한 냉각을 확보하였음을 해석을 통하여 검,

증 하였다.

그림 냉각해석 결과 제품그림 냉각해석 결과 제품그림 냉각해석 결과 제품그림 냉각해석 결과 제품 최최최최대온도대온도대온도대온도. 95 ( 39.5 ). 95 ( 39.5 ). 95 ( 39.5 ). 95 ( 39.5 )℃℃℃℃

- 98 -

바 변바 변바 변바 변형해석 결과형해석 결과형해석 결과형해석 결과))))

변형해석은 앞서 이루어진 유동 보압 냉각 해석등의 결과를 통합하여 제품이 어떻게, ,

변형될 것인지를 예측 할 수 있게 한다.

아래의 그림에서 확인 할 수 있듯이 변형량은 크게 발생하지 않는 것으로 해석 되었다.

그림그림그림그림 변변변변형해석 결과형해석 결과형해석 결과형해석 결과. 96 (all direction,. 96 (all direction,. 96 (all direction,. 96 (all direction, MMMMaaaaxxxx 0.0515mm)0.0515mm)0.0515mm)0.0515mm)

그림그림그림그림 변변변변형해석 결과형해석 결과형해석 결과형해석 결과. 97 (. 97 (. 97 (. 97 (XXXX direction,direction,direction,direction, MMMMaaaaxxxx 0.0488mm)0.0488mm)0.0488mm)0.0488mm)

- 99 -

그림그림그림그림 변변변변형해석 결과형해석 결과형해석 결과형해석 결과98. (98. (98. (98. (YYYY direction,direction,direction,direction, MMMMaaaaxxxx 0.0305mm)0.0305mm)0.0305mm)0.0305mm)

그림그림그림그림 변변변변형해석 결과형해석 결과형해석 결과형해석 결과. 99 (. 99 (. 99 (. 99 (ZZZZ direction,direction,direction,direction, MMMMaaaaxxxx 0.0169mm)0.0169mm)0.0169mm)0.0169mm)

- 100 -

본 지원사업의 해석에서 적용한 의 해석 결과에서는 웰드라인 및 에Mid-Plane Mesh

어트랩에 관한 해석 결과를 확인 할 수 없다 웰드라인이나 에어트랩은 사출성형 조건.

및 기타 성형인자에 관한 영향보다 제품 형상의 영향력을 많이 받으므로 웰드라인과

에어트랩 결과 및 확인하기 위하여 를 이용하여 모델을 생성 하였Fusion Mesh 1cavity

으며 해석 수행시 상기 도출된 성형 조건을 모두 반영 하였고 이를 통해 도출된 해석,

결과를 이용하여 웰드라인 에어트랩 발생 경향을 확인 하는 것에는 큰 문제가 없는 것,

으로 판단된다 웰드라인과 에어트랩에 관한 해석 결과는 아래에 명시 하였다. .

사사사사 웰웰웰웰드라인드라인드라인드라인))))

웰드라인은 서로 다른 방향을 갖는 유동 선단이 만나면서 발생하는 선인데 제품의 형,

태 및 게이트 위치 게이트 수 등이 웰드라인의 상태를 결정하는 중요 원인이다 또한, .

제품의 살 두께 변화가 심하거나 게이트 수가 많을수록 웰드라인 발생 빈도가 높아지

는데 이를 방지하기 위해서는 상기와 같은 설계요소의 검토가 필수적이다 외관 제품.

은 특히 웰드라인 발생에 주의를 하여야 하는데 웰드라인의 발생을 피하지 못하는 경

우에는 수지의 온도 압력 접촉각 등을 잘 조절하여 그 영향을 최소화 하여야 한다, , .

해석 결과 웰드라인은 아래의 그림과 같은 위치에 발생하였으며 발생 위치는 제품의,

하단부이며 제품의 파팅면과 인접하게 위치하고 있다 만약 웰드라인이 제품의 상단, .

부나 측면에 발생하였다면 제품의 심미적 문제점이 발생할 수 있으나 해석 제품의 경

우에는 제품에서 보이지 않는 부분에 웰드라인이 발생하여 큰 문제가 없음을 알 수 있

다.

그림그림그림그림 웰웰웰웰드라인 해석 결과드라인 해석 결과드라인 해석 결과드라인 해석 결과. 100. 100. 100. 100

- 101 -

아 에어트아 에어트아 에어트아 에어트랩랩랩랩))))

에어트랩은 수지가 금형으로 충전되어 유동이 정지되는 즉 충전이 완되는 지점을 나,

타낸다 에어트랩의 위치를 잘 파악하여 금형 제작시에는 에어벤트 를 가공해. (air vent)

주어야 미성형 등을 방지 할 수 있다 에어 트랩이 금형의 파팅면에 일치하면 벤트 가. ,

공이 용이하고 유동선단의 공기나 가스는 이 홈을 통하여 금형 밖으로 배출 될 수 있

다 그러나 제품의 중간에 에어 트랩이 위치하면 가스 배출이 어려워 여러 가지 성형.

불량의 원이이 되기도 한다 가스 벤트의 불안정으로 인한 가장 대표적인 성형 불량으.

로는 미성형과 단열 압축으로 인하여 제품이 타버리는 버닝 및 표(burning, burn mark)

면에 가스 자국이 남아 거칠게 보이는 현상 등이 발생 한다 해석 결과 에어트랩의 위.

치는 모두 금형의 파팅면에 위치해 있으며 실제 금형 가공시 에어 벤트를 설치한 부분

이므로 문제가 발생 하지 않을 것으로 판단된다.

그림 에어트그림 에어트그림 에어트그림 에어트랩랩랩랩 해석 결과해석 결과해석 결과해석 결과. 101. 101. 101. 101

- 102 -

해석결과를 이용한 성형공정 설계해석결과를 이용한 성형공정 설계해석결과를 이용한 성형공정 설계해석결과를 이용한 성형공정 설계7.7.7.7.

앞에서 해석한 결과를 토대로 하여 사출성형 공정을 설계하였으며 지원 업체에서 시성

형시 참고로 하여 시사출 성형을 수행 제작된 금형을 이용하여 제품 생산에 큰 문제가

없음을 확인 하였다 실제 시성형시 반영된 사출 조건은 아래의 그림에 도시하였으며. ,

제시된 사출 성형조건과 차이를 보이는 항목은 해석의 경우 사출성형기 상태가 idea

한 경우를 가정으로 하여 작용 압력이나 사출시간 등 사출성형 조건이 설정값과 동일

하게 적용되지만 실제 사출 성형기의 경우에는 관리 상내 및 노후화 정도에 따라 장비

에서 압력 손실 및 오차가 발생하여 제시된 사출 성형 조건과 약간의 차이점을 나타내

고 있다.

사출성형 공정 설계사출성형 공정 설계사출성형 공정 설계사출성형 공정 설계[ Table 19 ][ Table 19 ][ Table 19 ][ Table 19 ]

조건조건조건조건


사출성형기 Selex MS250


금형온도 40 ℃

사출시간 2 sec



냉각시간 8sec

형개ㆍ폐시간 취출시간 포함5sec( )

전체 사이클 타임 16sec

생산량 14,400 EA/hr

- 103 -

그림그림그림그림. 102 Ram speed pro. 102 Ram speed pro. 102 Ram speed pro. 102 Ram speed proffffile (ile (ile (ile (MMMMPI recommended)PI recommended)PI recommended)PI recommended)

그림 실제적용 사출성형 조건 노즐온도 설정그림 실제적용 사출성형 조건 노즐온도 설정그림 실제적용 사출성형 조건 노즐온도 설정그림 실제적용 사출성형 조건 노즐온도 설정. 103 ( ). 103 ( ). 103 ( ). 103 ( )

- 104 -

그림 실제적용 사출성형 조건 형그림 실제적용 사출성형 조건 형그림 실제적용 사출성형 조건 형그림 실제적용 사출성형 조건 형폐폐폐폐 설정설정설정설정. 104 ( ). 104 ( ). 104 ( ). 104 ( )

그림 실제적용 사출성형 조건 형개 설정그림 실제적용 사출성형 조건 형개 설정그림 실제적용 사출성형 조건 형개 설정그림 실제적용 사출성형 조건 형개 설정. 105 ( ). 105 ( ). 105 ( ). 105 ( )

- 105 -

그림 실제적용 사출성형 조건그림 실제적용 사출성형 조건그림 실제적용 사출성형 조건그림 실제적용 사출성형 조건 취취취취출 설정출 설정출 설정출 설정. 106 ( ). 106 ( ). 106 ( ). 106 ( )

그림 실제적용 사출성형 조건 사출 프로파일 설정그림 실제적용 사출성형 조건 사출 프로파일 설정그림 실제적용 사출성형 조건 사출 프로파일 설정그림 실제적용 사출성형 조건 사출 프로파일 설정. 107 ( ). 107 ( ). 107 ( ). 107 ( )

- 106 -

그림 실제적용 사출성형 조건 계그림 실제적용 사출성형 조건 계그림 실제적용 사출성형 조건 계그림 실제적용 사출성형 조건 계량량량량공정 설정공정 설정공정 설정공정 설정. 108 ( ). 108 ( ). 108 ( ). 108 ( )

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

금형의 경우 일반 사출 금형 제작 프로세스와 유사한 과정을 거쳐 제작되나CAP ,

일회성 생활용품 사용이 급증하면서 관련 제품을 성형하는 생활용품 금형이 현재

선진국에서는 고부가가치 금형으로 분류되어 있는 실정이다 또한 금형 제작 기술. ,

은 대용량 금형 이상 인 몰드 라벨링 다중사출 기술(40cavity ), (in-mold labeling),

금형제작 기술로 변화하고 있는 추세이며 복합적(multi-shot technology), stack ,

이고 융합기술이 필요한 최신 금형기술의 집적화가 많이 시도되고 있다.

국내 생활용품의 금형기술이 선진국에서 비해 떨어지는 이유는 국내시장의 규모가

작아 고정융합기술 고생산성 금형제작 기술의 필요 요구가 적기 때문이었으나 금, ,

형이 수출주도형 산업으로 변화하면서 선진기술과 경쟁력을 확보하기 위해 관련기

술의 필요성이 급증하고 있다.

본 지원 사업에서는 지원업체의 생산성 향상 및 국제 기술경쟁력 확보를 위하여 풍

부한 금형 설계 경험과 다양한 성형 변수들에 대한 경험을 바탕으로 를 이용한CAE

엔지니어링 기법을 활용하여 이상의 대용량 금형의 설계 제작 성형기술40Cavity , ,

의 지원하였다 다음은 수행된 내용의 세부 결과이다. .

성형을 위한 대용성형을 위한 대용성형을 위한 대용성형을 위한 대용량량량량 금형설계 및 제작 지원금형설계 및 제작 지원금형설계 및 제작 지원금형설계 및 제작 지원(1) Cap 64 Cavity(1) Cap 64 Cavity(1) Cap 64 Cavity(1) Cap 64 Cavity

대용량 금형의 유동시스템 및 코어와 확보를 위한 방안을 모64 Cavity Alignment

색하였다.

유동시스템은 유동거리가 긴 부 경우에는 핫 러너를 사용하였고 제Long Delivery ,

품의 성형을 위한 게이트부와 핫 러너에서 분리되어 나오는 유동시스템은 콜드러너

시스템을 적용하였다 제품이 소형이고 중앙면을 중심으로 좌우 대칭형상을 이루고. ,

있어 제품 내 유동밸런스 확보에 큰 어려움이 없을 것으로 판단되어 한 개의 핀 포

인트 게이트 를 적용하였다(pin point gate) .

인서트 코어의 확보를 위하여 개의 코어를 가공한 뒤 개의 코어를Alignment 64 16

인서트 플레이트에 조립하였고 코어가 조립된 개의 인서트 플레이트를 다시 코어, 4

플레이트에 조립하는 이중 조립구조를 가진 금형으로 설계 하였다 코어와 인서트.

플레이트의 조립 오차를 최소화하기 위해 인서트 플레이트와 코어사이 접촉면에는

미세 챔퍼를 주어 조립 되도록 설계하였고 인서트 플레이트와 코어 플레이트의 접,

촉면에도 미세 챔퍼를 주어 조립 정밀도를 확보할 수 있도록 설계 하였다.

조립된 코어를 을 이용하여 측정하였다 측정으로부터 획득된 코어간의CMM .

와 코어간의 진직도를 통하여 코어의 조립상태를 평가하였고 평가 결과Alignment ,

코어어간 정밀도는 본 지원사업의 목표인 이내로 매우 우수한 결Alignment 10㎛

과를 나타내었다.

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해석 지원해석 지원해석 지원해석 지원(2) CAE(2) CAE(2) CAE(2) CAE

설계된 금형을 바탕으로 하여 대용량 금형의 해석을 위한 해석 모델링을64Cavity

생성하였으며 유동해석 보압해석 냉각해석 변형해석 등을 수행하였다 유동해석, , , , .

결과 설계된 의 유동 밸런스와 게이트의 위치 및 크기 제품내 유Delivery system ,

동 밸런스에는 문제가 없음을 확인하였다 또한 해석을 통하여 사출성형 제품. CAE

의 변형이 최소화 될 수 있도록 사출압력이 가장 작게 작용하는 사출시간을 선정하

였으며 선정된 사출 시간을 적용 해석을 수행하여 보압시간 및 보압력을 선정하였,

다 다시 상기 해석결과를 이용하여 냉각시간을 결정 하였으며 마지막으로 선정된. ,

모든 사출성형 조건을 바탕으로 변형량 웰드라인 및 에어트랩 등의 해석을 수행,

하였다 수행결과 사출성형품의 변형은 제품이 적용되는 의 기능에 문제가 없. Cap

을 정도인 최대 약 수준으로 계산 되었다50 .㎛

사출성형 공정설계 지원사출성형 공정설계 지원사출성형 공정설계 지원사출성형 공정설계 지원(3)(3)(3)(3)

대용량 금형의 해석을 이용하여 사출성형 공정을 설계 하였다 사출64Cavity CAE .

성형 공정 설계의 주 목적은 사출품의 품질에 가장 큰 영향을 미치는 변형량의 최

소화 및 생산성의 향상을 위한 사이클 타임 감소이다 설계된 결과를 바탕으로 시.

험 성형을 수행한 결과 다소 차이가 발생한 부분도 있었으나 시성형 공정 시간 단,

축 및 변형 감소에는 큰 효과가 있었다.

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인서트코어타입 이상CAP40cavity 대용량금형제작지원 ( ) 완료 ... · 2011. 12. 20. · 2 2007.01 CAE 해석 관련 기술자료 및 문헌정보제공 ( 3 , 12 )기술자료