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Academic year: 2022

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(1)

Introduction to injection molding

(2)

Injection molding machine

(3)

Injection molding cycle

• Injection of the melt into the mold

• Holding pressure and plasticating

– Additional melt is injected to compensate for contraction due to cooling

– As the melt cools and solidifies, the pressure should be high enough to avoid sinkmark

• Ejection

(4)

Injection molding cycle

Mold open Mold closed

Part ejected Part cooling

Mold filling

Soak time Screw recovery

Hold time Screw pushed

forward

t=0

(5)

Characteristics

• Expensive molds – for large production runs

• Low assembly cost

• High pressure – limits the size of the product

• Long products require multiple gates

• Part thickness less than 5mm – limits the cooling time

• Part thickness larger than 0.5mm – premature solidification

• Cycle time is money

(6)

Clamping

Clamping force pushes the mold halves together, while the pressure of

the melt inside the mold pushes the mold halves apart.

(7)

Mold

Sprue: entry channel of the mold

(8)

Mold

(9)

금형설계

- 고정밀 기계 채용

- 균일한 금형온도를 유지하기 위한 최적의 냉각 시스템 - 충분한 가스빼기 설치

- CAE에 의해 게이트와 개스채널시스템 설계

설계 설계 가이드 가이드

금형제작

(10)

Runner

The objective is to have the plastic reach all gates at the same time.

(11)

Flow into the mold

high degree of orientation of the surface layers

significant gradient in orientation and morphology

(12)

Weldline

orientation

(13)

Important process parameters

• Product parameters

– Product dimension, weight, appearance

• Main process parameters

– Cavity pressure, injection pressure, fill time

• Additional process parameters

– Melt temperature, mold temperature, hold pressure,

cooling time, total cycle time, barrel temperature, screw

speed, power consumption (screw, barrel heater)

(14)

사출성형CAE 의 목적

제품개발 제품개발 비용 비용 및 및 시간 시간 절감 절감

원류관리 원류관리 ( ( Concurrent engineering) Concurrent engineering) 금형설계 금형설계 및 및 가공공정의 가공공정의 최적화 최적화 생산성 생산성 및 및 신뢰성 신뢰성 향상 향상

성형불량 성형불량 감소 감소

(15)

CAE 해석 흐름도

제품/금형 모델링

유동해석

보압해석

휨/잔류응력해석

냉각해석

해석결과 후처리 결과협의

구조해석

냉각조건

재료의 물성 제품/금형설계 경계조건

공정조건

(16)

CAE S/W

MOLDFLOW

- MF/VIEW : Pre/post processing - MF/FLOW : Mold filling analysis - MF/PACK : Packing analysis - MF/COOL : Cooling analysis

- MF/GAS : Gas-assisted injection molding,PFP - MF/FIBER : Fiber orientation analysis

- MF/WARP : Shrinkage/Warpage analysis - MF/STRESS : Structural/stress analysis

C-MOLD C-SET: Reactive molding ANSYS : Structural analysis

CAD S/W : AUTO-CAD, Pro-engineer

(17)

CAE해석을 위한 재료의 물성

열적특성

열전도도 W/m/deg C

비열 J/kg/deg C

유동 밀도 kg/cu.m 이형 온도 deg C No flow 온도 deg C

PVT data

Temperature Pressure Specific volume deg C MPa cu.cm/g

- - -

- - -

수축률 data

Parallel shrinkage coefficients

Perpendicular shrinkage coefficients

점도

Temperature Shear rate Viscosity deg.C 1/s Pa.s

- - -

- - -

기계적물성

Tensile modulus parallel MPa Tensile modulus perpendicular MPa Poisson ratio

Solid density kg/cu.m

강화섬유의 기계적물성

Tensile modulus parallel filler MPa Tensile modulus perpendicular filler MPa Poisson ratio filler

Shear modulus, Fiber length

Fiber diameter, Fiber volume fraction

(18)

해석전처리 (Modeling)

제품모델링

제품모델링((cavity)cavity) - FEM 형상데이타

- 런너,스프루,게이트 시스템 금형모델링

금형모델링 - 금형 - 파팅라인 - 냉각채널 개스채널개스채널모델링모델링

- 개스사출성형을 위한 개스채널설계 경계조건경계조건

- 게이트 위치 - 개스주입위치 - 냉각수 온도,유량 공정조건공정조건

(19)

유동해석

공정조건공정조건 - 금형온도 - 수지온도 - 충진시간 해석결과해석결과

- 유동패턴

- 유동선단온도분포 - 사출압

- 전단응력 - 미성형

- 웰드(멜드)라인 - 에어트랩

- 전단률

(20)

보압해석

공정조건공정조건

- 유동해석결과 - 보압시간 - 냉각시간

- 보압 프로파일 해석결과해석결과

- 보압분포 - 부피수축률 - 밀도

- 냉각시간 - 순간온도 - 고화층두께 - Sink mark 깊이

(21)

수축/휨해석

입력데이타 입력데이타

- 수축률데이타

- 휨해석을 위한 경계조건 수축률에수축률에영향을영향을주는주는인자인자

- 냉각 속도 - 배향 효과 - 금형제한효과 - 상하측 온도편차 휨의휨의종류종류

- Stable (non-buckling) warpage - Unstable (buckling) warpage 해석결과해석결과

- 수축률분포

- X-Y-Z 방향의 변형 - 응력(Residual strain)

(22)

섬유배향해석

입력데이타 입력데이타

- 보강섬유의 기계적물성 해석순서해석순서

- 섬유강화 유동해석 - 섬유강화 보압해석 해석결과해석결과

- 캐비티내의 섬유배향분포 - 섬유배향방향

- 섬유배향방향의 강성분포

- 섬유배향 직각방향의 강성분포 - 포아송비

섬유보강수지의

섬유보강수지의 휨해석휨해석

- 섬유강성분포와 보압결과 사용

(23)

개스사출성형해석

해석방식해석방식

- Constant volume filling/packing - Constant pressure filling/packing 입력입력데이타데이타

- 모델링 데이타(캐비티, 개스채널) - 수지 노즐 shut off시의 충진부피분율 - 가스 delay시간

- 가스 보압시간 - 가스압력 프로파일 해석결과해석결과

- 유동패턴

- 가스침투 거리 - 부피수축률 - Sink mark 깊이

- 가스 leakage , blow-through - 미성형

(24)

사출성형불량 - 미성형

미성형 미성형

- 몰드캐비티의 불완전한 충진 미성형을미성형을발생시키는발생시키는요인요인

- 유동채널의 고화 또는 얇은 런너에 의한 유동방해 - 길거나 복잡한 유동거리, 얇은 부위의 흐름저항 - 에어트랩에 의한 back pressure

미성형미성형방지책방지책

- 유동장의 말단이 동시에 충진될 수 있도록 런너 밸런스를 개선 - 유동을 원활하게 하기 위해 금형내의 압력강하를 균일하게 함 - 금형온도,또는 유동수지의 온도 증가

- 사출속도 증가 - 게이트 수 증가

- 유동지체가 없도록 게이트/런너 재배치

(25)

사출성형불량 - 바리

바리바리

- 금형의 파팅라인을 통해 빠져나온 얇은 수지막 바리의바리의발생요인발생요인

- 금형판이 낡거나 접합이 불량한 경우 - 이물(그리스, 방청제,오일등)

- 형체력 부족

- 캐비티 배치불량 또는 런너발란스 불량 - 사출압증가를 초래하는 과보압부위 형성

- 공정변수의 불균일 (점도, 사출속도, 수지주입시스템) 바리바리방지책방지책

- 금형판의 접합 개선 - 이물제거

- 형체력 증가

- 유동 및 보압을 균일하게 하기 위한 금형설계 개선 - 사출압,보압 감소

- 공정조건 최적화

(26)

사출성형불량 - 웰드라인

웰드라인웰드라인

- 유동중에 두개이상의 수지흐름이 만날때 발생 웰드라인웰드라인불량감소불량감소방안방안

- 외관 또는 강도가 중요한 부위선정

- 해석을 통해 웰드라인의 위치 또는 외관 결정

- 웰드라인의 위치를 옮기거나 웰드의 외관을 개선하는 디자인 변경 웰드라인의

웰드라인의 위치를위치를옮기는옮기는방안방안 - 게이트 위치 변경

- 제품 두께분포 변경 - 런너시스템 설계변경 웰드라인의

웰드라인의 외관을외관을개선하는개선하는방안방안 - 용융수지 온도 증가

- 사출속도 증가

- 동일한 유속을 유지하면서 런너 크기 감소 - 금형온도 증가

(27)

사출성형불량 - 에어 트랩

에어에어트랩트랩

- 유동경로가 한부위에 둘러싸이거나 불충분한 유동 및 보압에 의한 기포의 포집이 발생 에어트랩의

에어트랩의 발생원인발생원인

- 금형내의 유동경로가 다른 흐름이 모이는 경우 - 두께분포의 불균일

에어트랩에어트랩방지안방지안 유동발란스 개선

- 게이트 위치 변경 - 런너발란스

- flow leader또는 물막이 설치 - 제품 두께분포 변경

(28)

사출성형불량 - 외관수축

외관수축외관수축

- 두께변경이 심한 부위 또는 반대편에 보스나 리브가 있는 부위에서 부피수축에 의한 함몰이 발생

외관수축을

외관수축을 줄이기줄이기위해위해개선할개선할점점 냉각차를 줄이기 위한 공정조건

- 보압 또는 보압시간 - 용융수지온도

- 사출속도/사출압 - 냉각속도

제품설계

- 냉각차나 수축률차를 줄이기 위한 두께변경 - 두꺼운 부위를 외관에 덜 민감한 부위로 이동 금형설계

(29)

사출성형불량 - 크랙

크랙크랙

- 제품내 잔류전단응력이 존재하는 부위에서 발생 - 생산후 수일 경과뒤에 발생하는 경우가 많음

크랙크랙발생요인발생요인

- 높은 사출압 /사출속도(in some cases) - 보압후의 역류

- 보압시간이 긴 경우

- 유동말단의 고화(low melt temp) 크랙크랙방지방안방지방안

- 사출속도 감소 - 다단 사출 - 두께 증가

- 배향차나 수축률차를 최소화

(30)

사출성형불량 - 휨

휨휨

- 수축률차에 의한 잔류응력의 차이가 주 원인 휨을휨을발생시키는발생시키는인자인자

- 금형면의 온도차이로 인해 고화층의 생성이나 수축률차이가 서로 다른 분포를 가짐 으로써 잔류응력의 차이를 초래

- 제품내 수축률차이를 초래하는 보압프로파일

- 재료의 배향분포에 따라 배향방향과 직각방향의 수축률차이 발생 휨을휨을방지하기방지하기위해위해고려할고려할점점

- 유동발란스나 보압프로파일의 조절을 통해 제품부위별 수축률차이 감소 - 두께분포 변경이나 게이트 위치 변경을 통해 배향효과 감소

- 제품두께분포를 개선하거나 전체 제품이 고르게 냉각되도록 냉각라인의 배치를 개선하여 냉각차 개선

- 보강리브등을 추가하는 설계변경 - 재료 변경

(31)

설계 설계 주안점 주안점

웰드라인/개스 플로우 마크 스냅 조인트

스크류 체결

충격시 크랙발생

(32)

설계가이드

설계가이드 - - 웰드라인 웰드라인

웰드라인

- 충진과정중에 두개이상의 흐름이 서로 만날 때 발생.

웰드라인

멜드라인

(33)

설계가이드

설계가이드 - - 웰드라인 웰드라인

웰드라인의 강도, 내약품성, 외관등에 영향을 주는 주요인자;

재료의 재료의 선정 선정

사출공정조건

사출공정조건 금형설계 금형설계

제품설계 제품설계

웰드라인 웰드라인

(34)

설계가이드

설계가이드 - - 웰드라인 웰드라인

잔류섬유배향

섬유강화수지에서의 웰드라인강도는 유동선단의 분수형태의 유동거동에 의한 웰드경계면의 바람직하지 못한 섬유배향등과 같은 여러가지의 원인 에 의해 크게 저하될 수 있음.

웰드강도의 유지문제는 장섬유강화열가소성수지에서 보다 심각함.

(35)

설계가이드

설계가이드 - - 웰드라인 웰드라인

웰드라인의 강도나 외관을 개선하는 방안 적절한 게이트 런너 시스템

금형온도 증가 적절한 개스빼기

Solvent vapor exposure

Multi-Live Feed injection molding Push-Pull molding

In-mold Reciprocating pins Sequential gating

CAE 유동해석

(36)

구조 구조 설계 설계 가이드 가이드 - - 리브 리브

과다한 살두께를 갖는 리브의 문제점

(37)

구조 구조 설계 설계 가이드 가이드 - - 보스 보스

Sink mark나 void가 발생하기 쉬운 잘못된 보스설계

개선된 보스설계

측벽에 부착된 보스는 리브를 이용함

두꺼운 부위의 살빼기

Gusset을 이용한 보스강도 보강

Adapted from Robert A, Malloy . Plastic Part Design for Injection Molding (1994)

(38)

구조 구조 설계 설계 가이드 가이드 - - 코너 코너

적절한 설계

부적절한 설계 충분한 R

균일한 살두께 균일한 수지유동

응력집중 유동저항

불균일한 살두께 수축/void/sink 불균일한 유동

불균일한 살두께 수축/void/sink 불균일한 유동

(39)

설계 설계 개념의 개념의 향상 향상

성형이 ”Shot short”에서”Full short”으로 변경

Overview

Full short process의 필요조건

- 유동 밸런스를 위한 게이트 시스템 - 최적의 개스채널 치수 및 배치

- 가스 진행방향에 대한 이해 - PVT특성

설계 설계 가이드 가이드

참조

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