A study on the development of injection mould with a high productivity using hybrid rapid manufacturing technologies

기호설명

 : Average position error of parts (mm) t

: Cooling time (sec)

1. 서 론

쾌속조형 및 생산 (Rapid prototyping &

공정은 기반으

Manufacturing : RP&M) CAD/CAM

로 설계 데이터를 이용하여 바로 제품을 쉽고 빠 르게 제작할 수 있는 장점을 가지고 있다 [1].

기술은 언더컷 형상이나 내부에 구멍 채널

RP&M /

을 가진 기하학적으로 복잡한 형상의 제품 및 기 능성 이종재료 배치 제품 등을 제작할 수 있어

관련 산업분야에 적용되기 시작하고 있다 [2].

최근 금속제품의 쾌속제작을 위하여 금속 제품 제작용 직접식 쾌속 툴링 공정이 다양하게 개발 되고 있으며 이 공정들을 기능성 실물 프로토타 , 입 (True prototype) 및 제품 제작에 활용하려는 연구들이 이루지고 있다[3-4].

일반적으로 사출성형 공정에 있어 전체 제품 생산 시간 중 40-70% 정도가 제품 냉각시간이어 서 사출성형 제품의 생산성 향상을 위해서는 냉 , 각 시간의 단축이 필수적이다 [5]. 일반적으로 사 출성형금형에 있어 공정의 냉각 성능 향상을 위 하여 냉각채널을 도입하고 있다 금형의 냉각성 . 능 향상과 균일 냉각 유도를 위해서는 금형면에 인접하며 금형면 형상에 적응하는 냉각수로를 생 성하는 것이 바람직하다 그러나 전통적 가공방 . 법으로는 금형면 형상에 적응하는 냉각수로의 제 작이 거의 불가능하여 일반적으로 산업현장에서 는 직선형 냉각수로가 많이 도입되고 있다.

한편 금속재료 소결 용융을 이용한 제품 제작 , /

쾌속생산공정을 이용한 고생산성 사출성형 금형 개발에 Hybrid

관한 연구

안동규 † *

A study on the development of injection mould with a high productivity using hybrid rapid manufacturing technologies

Dong-Gyu Ahn

쾌속생산 사출 금형

Key Words: Rapid manufacturing ( ), Injection mould ( ), Conformal cooling

형상적응형 냉각수로 고 생산성

channel ( ), High productivity ( )

Abstract

In recent, rapid manufacturing (RM) technology is widely used to develop an injection mould with a high performance. The objective of this paper is to develop the injection mould with a high productivity using a hybrid RM technology combining Laser-aided Direct Metal Tooling process with a machining process. The geometry decomposition has been utilized to improve the speed of the manufacturing for the mould. Mould with conformal cooling channels has been designed to improve cooling characteristics. Several experiments have been carried out to evaluate characteristics of the mould manufactured from the hybrid RM technology. In addition, injection molding tests have been performed to examine the performance of the manufactured mould. The results of the injection molding tests have been shown that a cooling time and the injection time of the designed mould are reduced to one-fifth and one-second that of the mould with convention cooling channels.

†

E-mail : [email protected]

TEL : (062)230-7043 FAX : (062)230-7234

*

을 기본 원리로 하는 직접식 쾌속 툴링 공정의 경우 금형면 형상에 적응하는 냉각 채널 을 제작할 수 있어 사 (Conformal cooling channel)

출성형 금형의 균일 냉각과 현저한 냉각시간 감 소를 유도할 수 있다 [6].

등은 플라스틱 스크린 및 휠 형 제품 Dalgarno

성형용 형상 적응형 냉각수로를 가진 사출성형금 형을 SLS 공정의 Laserform 재료 제작하여 본 금 형의 제품 제작 특성 및 생산성관련 연구를 수행 하였다 [7]. Mazumder 등은 DMD 공정을 이용하여 차원 냉각수로를 가진 고 냉각효율 금형 개발에 3

관한 연구를 수행하였다 [8]. 김종덕 등은 DMLS 공정을 이용하여 3 차원 냉각수로를 가진 인서트 몰드 제작에 대한 초기 연구를 수행하였다[9].

본 연구에서는 사출성형 금형의 냉각 특성 향 상과 쾌속 툴링 공정을 이용한 금형 제작시 제작 시간 감소를 위하여 직접식 쾌속 툴링 방법인 DMT (Laser-aided Direct Metal Tooling) 공정 [10]

과 기계가공공정을 혼합하여 3 차원 형상적응형 냉각 채널을 가진 사출성형 금형을 제작하는 하 이브리드 쾌속생산공정 활용 금형 제작 방법에 대하여 연구하였다 또한 제작된 금형의 적용성 . , 을 검토하기 위하여 금형 및 시사출 제품 특성을 분석 고찰 하였다 / .

쾌속생산을 이용한 금형 제작 2. Hybrid

방법

쾌속툴링 공정과 기계가공공정을 혼합한 DMT

하이브리드 쾌속생산공정 활용 금형 제작 방법의 기본 개념은 Fig. 1 과 같다 .

Fig.1 Illustrations of the concept for a hybrid rapid manufacturing technology

일반적인 금형의 구조를 고찰해 보면 제품을 제작하며 제품에 적합한 형상을 요구하고 고경도 와 고 윤활 특성이 요구되는 표면 금형부과 금형 전체를 지지해주는 하부의 금형 구조부로 금형의 형상을 기능적으로 분리를 할 수 있다 .

금형 개발에 있어 금형 설계시 대상 금형의 구 조부와 형상부를 기능적으로 분리한 후 금형을 , 제작시 금형 구조부는 기계가공을 수행하고 금형 형상부는 구조부와 동일한 금속 재료로 DMT 공 정을 사용하여 쾌속 툴링을 수행하는 하이브리드 쾌속생산 방식을 사용하면 금형 제작시간을 현저 히 감소시킬 수 있다 또한 쾌속 툴링 된 금형 . 표면을 기계 가공함으로써 금형의 표면조도와 형 상 정밀도를 향상시킬 수 있다.

차원 형상 적응형 냉각수로를 가진 3. 3

사출성형 금형 제작 실험 및 결과 고찰

버튼 금형 제작 및 결과 고찰 3.1

하이브리드 쾌속생산방법의 금형 제작성 고찰 을 위하여 Fig. 2 와 3 차원 형상적응형 냉각수로 를 가진 자동차 창문제어용 버튼 사출 성형 금형 을 설계 제작 하였다 금형 내부의 냉각수로의 직 / . 경은 3 mm 이다 .

Fig.2 Design of the injection mould to produce the button

Fig.3 Geometry decomposition of the injection

mould to produce the button (Cavity)

하이브리드 쾌속생산방법을 적용하기 위하여 과 같이 금형 설계시 금형의 바닥면부터 Fig. 3

냉각수로의 수직 방향 중심선까지는 기계가공을 수행하는 구조부로 정의 하였으며 그 위에 내부 , 직경 3 mm 이고 두께 0.7 mm 인 파이프를 설계 하였고 나머지 부분을 금형 표면부로 정의하여 쾌속 툴링으로 제작할 수 있도록 하였다 냉각수 . 로의 경우 코어에 2 , 개 케비티에 1 개를 생성하였 다 최종 후가공을 위하여 적층부 최외각 형상위 . 에 1 mm 의 오프셋 두께를 추가하여 최종 금형 면을 생성하였다 .

Fig. 4 Manufacturing procedure of the injection mould to produce button (Cavity)

본 금형 제작용 재료는 P21 사출성형 금형강으 로 선택하였다 금형의 구조부는 . Fig. 4 와 같이 고속가공으로 제작하였다 . 구조부위에 직경 3

이고 두께 의 동 파이프를 설계된

mm 0.7 mm 3

차원 형상적응형 냉각수로에 형상에 맞도록 성형 하여 삽입하였다 그 후 . DMT 공정으로 P21 재료 를 적층하여 금형 형상부를 생성하였다 최종적 . 으로 코어부는 방전가공을 수행하고 케비티부는 고속가공을 수행하여 금형면 표면조도 향상과 보 강재 부분 생성을 하였다 이때 가공량은 설계시 . 반영된 오프셋 두께 1 mm 로 하였다 레이저 적 . 층 경로는 DMT 적층 수행 부분에 대해서 만 생 성하였다 동 파이프로 냉각수로를 생성한 이유 . 는 쾌속 툴링으로 냉각수로를 생성할 때 냉각수 , 로가 원형 단면을 가지기 때문에 상부 돌출부의 단면 생성이 정확하게 되지 않는 것과 냉각수로 로 냉각수 통과시 거친 표면조도와 낮은 재료 표 면 경도 때문에 표면 재료가 탈락되어 냉각수로 막히는 현상을 최소화하기 위함이다 코어부 제 . 작에서는 2 개의 냉각수로를 생성하기 위하여 구 조부 기계가공 후 1 차 냉각수로를 삽입하고 그 ,

위에 DMT 공정으로 P21 재료를 적층하여 2 차 냉각수로 삽입을 위한 구조부를 생성하였다 그 . 후 2 차 냉각수로를 삽입한 후 다시 P21 재료를 적층하여 금형 형상부를 생성하였다 . 코어부와 케비티부 제작시간은 각각 18 시간 와 22 시간이 소요되었다.

청소기 케이스 금형 제작 및 결과 고찰 3.2

하이브리드 쾌속 생산 공정을 청소기 케이스 제작용 고 생산성 사출성형 금형 개발에 적용하 였다 본 대상 금형내에 . Fig. 5(a) 와 같은 3 차원 냉각수로를 생성하였다 본 대상 금형은 코어부 . 로써 자체 공기 통로를 가지도록 6 개 부분으로 나누어 제작되도록 설계하였다 . Fig. 5(b) 와 같이 구조부는 기계가공 하도록 설계 하였으며 구조 , 부내에 냉각채널이 삽입될 수 있도록 냉각삽입 통로를 생성하였다 . 3 차원 형상 적응형 냉각수로 는 직경 8 mm, 두께 0.7 mm 의 파이프 형태로 설계하였다 그 위에 금형 형상부를 적층하여 생 . 성하도록 설계하였다 .

(a) Design (b) Geometry decomposition Fig. 5 Design of the injection mould to produce a

cleaner case

Fig. 6 Manufacturing sequence of the mould for the cleaner case

기계가공부와 쾌속 툴링부의 분리 경계면은 냉

각수로의 절곡 발생부분으로 냉각수로 삽입후 레

이저를 이용한 금속 적층시 레이저와 냉각수로의

간섭이 발생하지 않는 최대 두께면을 선정하였 다 . 1 차 금형면 설계 후 후가공을 위한 0.5 mm 두께의 오프셋 된 쾌속 툴링용 CAD 데이터를 생 성하였다.

본 금형 제작시 구조부 외곽을 기계가공으로 생성한 후 냉각수로 삽입부를 드릴가공 하여 완 , 성된 구조부를 생성하였다 금형 구조부는 사출 . 성형 금형강인 KP4M 재료를 사용하였다 그 후 . 설계된 치수와 동일한 동 파이프를 굽힘 성형하 여 삽입하여 냉각수로를 생성하였다 제작된 금 . 형 구조부와 냉각수로위에 DMT 공정으로 P21 재료를 적층하여 금형 형상부를 생성하였다 적 . 층재료를 P21 재료로 선택한 것은 현재 사용 가 능한 분말 재료중 KP4M 재료와 가장 화학적 성 분비와 기계적 특성이 유사한 재료이어서 적층시 구조부와 열팽창 및 금속학적 문제가 최소화될 수 있기 때문이다 .

본 실험에서 쾌속툴링 완료시점까지의 제작시 간은 약 56 시간이 소요되었다 그 후 제품의 보 . 강재 생성부를 방전가공한 후 적층부를 설계된 , 오프셋량 만큼 고속가공으로 후처리하였다 최종 . 적으로 래핑을 수행하여 표면 조도를 향상시켰 다 전체 후가공 시간은 약 . 75 시간 소요되었다 .

금형 특성 평가 및 결과 고찰 4.

버튼 금형 특성 분석 및 결과 고찰 4.1

하이브리드 쾌속 생산 방법을 이용하여 제작된 차원 냉각수로를 가진 버튼 제작용 사출성형 금 3

형의 특성 평가는 금형의 내 외부의 결함 및 형 / 상부의 표면 경도 측정 분석으로 수행하였다 / .

냉각수로내의 기밀 실험으로 금형 내부 결함 분석을 수행하였다 . 냉각수로내에 24 시간동안 냉각수를 삽입시킨 후 금형 내 외부의 누수 특성 / 을 고찰하였다 그 결과 금형 내 외부에 누수 현 . / 상이 나타나지 않음을 알 수 있었다.

금형 외부 특성은 금형중 기능 분리면을 광학 현미경으로 측정하여 적층부와 기계가공부의 표 면 특성을 분석하였다 그 결과 . Fig. 7(a) 와 같이 표면 특성 분석 결과 결합부에 결합 경계층과 층 간 분리가 발생하지 않음을 알 수 있었다 .

본 공정으로 제작된 금형의 평균 경도는 Fig.

와 같이 적층 재료인 재료 경도와 유사

7(b) P21

한 34.2 H

정도를 나타내었다 기계가공된 부분 .

과 쾌속툴링된 부분을 비교한 결과 쾌속툴링된 부분의 경도가 약 5-8 H

정도 높게 나타났다.

이 현상은 레이저 재료 용착시 용융풀의 급냉으 로 인한 적층부 경도 증가 일어났기 때문으로 사 료된다 .

(a) Surface formation of the mould

(b) Hardness of the upper surface

Fig. 7 Surface formation and hardness of the manufactured mould (Button mould)

청소기 케이스 금형 특성 및 결과 고찰 4.2

본 청소기 커버 제작용 3 차원 냉각채널을 가진 사출성형 금형의 냉각 특성과 생산성을 분석하기 위하여 제작된 금형을 이용하여 시사출 실험을 수행하였다 사출 시험을 . 250 ton 급 Mitsubish 사 의 450 MN-60 사출기를 이용하였다 사출 재료 . 는 ABS 재료이다 .

초기 사출 시험을 통하여 제품 형상이 구현되

는 사출압력 사출속력 및 사출시간이 각각 , 88.4

및 초 임을 알 수 있었다 이 조

MPa, 60 m/sec 4 .

건에서 냉각시간을 15 초에서 3 초로 감소시키면서

사출 시험을 수행하였다 사출 시험 결과 . Fig. 8

과 같이 냉각 시간이 3 초로 감소하여도 외관 형

상이 동일한 청소기 케이스가 제작됨을 알 수 있

었다.

와 은 냉각 시간에 따른 제품의 Fig. 9 Fig. 10

치수 오차와 탁도를 측정한 결과이다 청소기 케 . 이스의 치수오차와 탁도는 냉각시간이 5 초에서 감소하기 시작함을 알 수 있었다 치수오차의 경 . 우 냉각 시간 3 초 및 6 초 일때 각각 0.1 mm 및 정도로 거의 유사한 정밀도를 나타냄을 0.12 m

알 수 있었다 또한 탁도의 경우 냉각시간이 . 5 초 이하인 영역에서 11 % 이하로 형성되며 , 5 초 이 상의 냉각시간을 가진 제품과 비교하여 평균 2 이하의 낮은 탁도를 나타냄을 알 수 있었다

% .

그러므로 본 공정으로 제작된 금형의 냉각시간을 초로 결정할 수 있었다 또한 총 제품 제작 시

3 .

간이 17 초 소요되었다 .

Fig. 8 Cleaner cases produced by the designed injection mould

이 결과로부터 기존의 동일 금형에서 냉각시간 과 제품 제작시간이 각 15 초와 41 초가 소요된 것 에 비하여 냉각시과 제품 생산시간이 각각 약 80 와 정도 감소될 수 있음을 알 수 있었

% 60 %

다 . Table 1 은 3 차원 형상적응형 냉각수로를 가 진 금형을 사용한 경우와 기존 직선형 냉각수로 를 가진 금형의 사출 성형 시간 비교 결과이다 .

Fig. 9 Error map for the manufactured part (Cooling time = 3 sec)

Fig. 10 Influence of cooling time on the HAZE Table 3 Results of impact analysis

5. 결 론

본 연구에서는 하이브리드 쾌속생산공정을 이 용한 고속 냉각 및 고 생산성 금형 제작 방법에 대하여 연구하였다 본 연구 결과 다음과 같은 . 결론을 얻을 수 있었다 .

첫째 하이브리드 쾌속생산공정을 이용한 , 3 차 원 형상적응형 냉각채널을 가진 고생산성 사출성 형 금형 설계 및 제작방법을 수립할 수 있었다.

둘째 하이브리드 쾌속생산공정을 자동차용 버 , 튼 제작 사출성형 금형과 청소기 케이스 생산용 사출성형 금형에 적용함으로써 본 공정의 적용성 과 구현가능성 검증할 수 있었다.

셋째 본 공정으로 제작된 자동차용 버튼 사출 , 성형 금형의 특성 분석을 통하여 제작된 금형의 결함 발생 및 경도 변화 특성을 고찰할 수 있었 다.

넷째 본 공정으로 제작된 청소기 케이스 사출 , 성형 금형을 이용한 시사출 실험을 통하여 본 공 정으로 제작된 금형이 제품 냉각에 미치는 영향 에 대하여 정량적으로 평가할 수 있었다 또한 . , 본 공정으로 제작된 3 차원 형상적응형 냉각채널 을 가진 금형의 경우 전통적인 직선형 냉각채널

Type

Cooling time (sec)

Manuf.

time (sec)

Improvement of productivity

(%) Linear cooling

channels 15 41 - Conformal

cooling channels 3 17 241

을 가진 금형에 비하여 냉각시간과 제품제작시간 이 각각 80 % 와 60 % 정도 향상됨을 알 수 있 었다 .

추후 추가적인 금형에 대한 본 공정 적용과 , 제작된 금형을 이용한 시사출 실험을 통하여 본 공정의 실용성 및 특성을 정량적으로 고찰할 예 정이다 .

후 기

본 연구는 산업자원부 지역혁신 (RIS) 사업인 광주지역 금형 산업 육성 사업 연구결과의 일

“ ”

부이며 이에 관계자 여러분께 감사드립니다 , .

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