한국표면공학회지 J. Korean Inst. Surf. Eng.
Vol. 52, No. 1, 2019.
https://doi.org/10.5695/JKISE.2019.52.1.43
<연구논문>
ISSN 1225-8024(Print) ISSN 2288-8403(Online)
사출법으로 제조된 자동차 내장부품의 표면특성 개선 연구
최동혁a, 황현태b, 손동일a, 김대일c,*
a동국실업 주식회사, b울산테크노파크 자동차부품기술연구소, c울산대학교 첨단소재공학부
Improved Surface Characteristics of Automotive Interior Parts Fabricated by Injection Molding Method
Dong-Hyuk Choia, Hyun-Tae Hwangb, Dong-Il Sona, and Daeil Kimc,*
a
Dongkook Ind. Co., Ltd., Ulsan 683-804, Korea
b
Automotive Parts Institute Center, Ulsan Technopark, Ulsan 44428, Korea
c
School of Materials Science and Engineering, University of Ulsan, Ulsan 44776, Korea
(Received 4 December, 2018 ; revised 13 January, 2019 ; accepted 16 January, 2019)
Abstract
The environmental pollution which is global warming and abnormal climate is caused by increasing pop- ulation and activated economics. To reduce environmental pollution, we have being efforts into reducing CO
2emission and use of energy, resources. Especially, for the sake of light weight and fuel efficiency of automotive industry, many countries have defined the restrict environmental regulation which stipulate high magnitude of reducing CO
2emission. In this study, we have predicted the problem of Mu-cell injection molding through the finite element analysis as a function of temperature controlled by Joule heating or in terms of mold temperature. From the result of finite element analysis, we have determined the optimized process and made the injection mold included electric current heating system with Mu-cell manufacturing. Lastly, we analyzed the surface characteristics of the injection products with mold temperature.
Keywords : Electronic Heating, Mu-Cell, Injection Mold, Surface Characteristics, Automotive Part
1. 서 론
최근 친환경, 미래형 자동차개발을 위해 대체연 료개발, 대체연료를 동력으로 하는 대체내연기관(2 차전지, 수소전지 등) 개발, 연비향상을 위한 다운 사이징 엔진개발과 고효율 내연기관개발, 경량소재 및 공정개발 등의 기술이 요구되고 있다. 이러한 요 구조건 중 중소기업이 사업화를 고려할 때 공정개 발을 통한 제품의 경량화와 가격경쟁력 확보는 가 장 현실적인 방법이다. 자동차부품의 내장재는 전 통적으로 플라스틱소재를 활용한 사출성형법을 통
해 제품을 생산한다. 따라서 제품의 경량화와 고품 질의 성능을 확보하기 위해 다양한 기술이 개발되 고 있다. 경량화 측면에서 물리적 발포기술을 이용 하는데 제품내부에 기공을 인위적으로 발생시켜 제 품 경량화를 하는 방법이 있다. 기공을 만드는 것 은 고온 고압가스 CO2 또는 N2를 사용하고 이를 수지 내에 용해시킨 다음, 제품 내 충전하는 방법 을 뮤셀공법이라 한다. 이때 사출성형 시 보압과정 에서 이들 고온, 고압가스가 제품 내부에서 미세발 포 성형을 하여 제품 표면에 싱크 마크나 플로우 마크 등을 유발시켜 제품의 표면거칠기를 저하시키 기도 한다. 이와 같이 경량화 공법을 적용하면서 고 품질의 제품 표면을 만드는 것은 어려운 일이다. 이 를 극복하면서 기존의 도장공정을 거친 제품의 표 면만큼 고객의 촉각감성을 확보하는 것은 쉽지 않
*
Corresponding Author: Daeil Kim
(44776) 울산광역시 남구 테크노산업로 55 번길 12
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다. 자동차 사출성형 부품에서 도장공정의 비용은 사출제품의 원가에 약 50%를 차지하고 있다. 이로 인해 완성차에서 경량화 부품개발과 동시에 무도장 방법을 통한 원가절감 생산 공정을 요구하고 있다.
고객의 요구와 완성 자동차업체의 요구를 동시에 만족하기 위해서는 뮤셀공법으로 무도장을 실현하 여 제품경량화와 원가절감이 절실하다. 이들 생산 공정을 만족시키기 위해서 사출금형의 온도를 제어 하는 방법이 있다. 이는 수지가 접촉하는 금형표면 가까이에 전기히터를 통한 금형의 온도를 제어하는 방법으로 제품의 냉각속도와 금형의 냉각속도를 일 정하게 제어하여 제품의 표면품질을 높이는 방법이 며, 이를 전류가열 금형공법이라고 한다 [1-9].
본 연구에서는 자동차 내장부품 개발을 위해 뮤 셀성형 공법과 전류가열 금형기술을 적용하여 제품 경량화를 이루는 동시에 뮤셀성형공법의 단점과 사 출성형 제품의 표면 품질특성을 향상시키는 공법을 적용하였다. 이때 사출성형해석을 통해 전류가열 및 냉각라인을 포함한 사출성형 금형을 설계하였고, 뮤 셀형성 특성을 예측하였다. 또한 완성 자동차기업 의 품질만족을 위해 표면거칠기와 포화 셀 형성을 통한 경량화, 제품완성도 검증을 위한 복합환경시 험과 진동소음시험을 통해 이를 증명하고자 하였다.
2. 실험방법
2.1 개발품 및 사출성형 장비
본 연구의 개발품은 그림 1과 같이 자동차 부품 중 센터페시아로 차량 실내의 오디오부품과 엣지부 를 격리하는 클러쉬 패드 중앙부에 장착되어 있으 며, 오디오, 네비게이션, 에어컨/히터 등을 조작하는 컨트롤 패널이다. 사출성형장비는 350톤 사출기로 뮤셀성형이 가능하도록 실시간 압력감지를 위해 스 크루·배럴, 압력 게이지와 기존 장비와의 인터페이 스 장치들을 개조하였다. 또한 금형의 실시간 온도
제어를 위해 전류가열 금형부 온도센서를 삽입하여 제어할 수 있도록 하였다.
2.2 사출성형 해석
제품성형을 위한 사전 검토는 사출해석 상용프로 그램인 Moldex3D와 Moldflow를 사용하였다. 뮤셀 공법에 의한 사출성형 제품은 초임계상태의 질소를 수지와 혼합하여 미세한 발포상태의 플라스틱을 만 들어 성형하는 프로세스로 발포셀의 미세화(5
~100µm)에 의해 제품의 경량화를 달성한다. 그림 2에 사출성형 프로세스를 나타내었다. 이때 뮤셀공 법에 의한 제품 성형시 표면의 품질을 향상시키기 위해 전류가열 금형을 이용하며, 이는 제품 표면과 금형이 만나는 금형부에 전류가열 코어를 삽입하여 금형을 가열시킨다. 이때 금형의 가열온도는 금형 내 온도센서를 삽입하여 제어하며, 사출성형 조건 은 사출, 보압, 냉각, 형개, 형폐 후 대기를 반복하 고 [10], 가열조건은 전류가열 방식으로 형개 후 요 구되는 온도까지 올리고 형폐가 시작 되면 가열을 중단하게 된다. 또한 냉각은 냉각수를 사용하며, 형 폐가 완료되면 제품부 금형은 냉각되기 시작하여 형개가 시작될 때 냉각수를 단수하는 공정조건으로 설계하였다. 사출 성형해석에 사용된 조건은 뮤셀 공법의 발포셀에 의한 제품 경량화율은 10%, 질소 가스 농도는 0.5%의 조건으로 하였으며, 이때 단위 체적당 셀수는 1+106/cm3으로 생성될 수 있도록 해 석 조건을 부여하였다. 가열라인은 직경 6 mm 전 기 히팅 카트리지로 구현하였으며, 위치는 제품과 금형이 만나는 표면에서 금형부로 10 cm 위치에 설 치하였다. 온도제어는 제품에서 가까운 금형표면에 온도센서를 설치하는 조건으로 하였고, 해석에 사 용된 온도조건은 200oC로 설정하였고 냉각시 50oC 미만으로 되면 히팅 카트리지가 구동되는 조건으로 하였다. 냉각라인은 직경 10 mm로 금형에 홀을 가 공하는 방식으로 적용하였으며, 보통 레이놀드 수
Fig. 1. Developed product
에 의해 사출해석에서 냉각조건을 부여한다. 레이 놀드 수의 경우 2,100 이하이면 층류, 4,000 이상이 면 난류조건으로 해석에서는 냉각효율을 높이기 위 해 난류조건으로 구현하였다. 이때 냉각수 온도는 25oC로 설정하였다 [11]. 해석에 사용된 소재는 PC+ABS를 사용하였으며, 녹는점에서 밀도 1.0063 g/
cm3, 고체밀도 1.1314 g/cm3, 녹는점 265oC, 전단응 력 <0.4 MPa, 전단율 <40000/s의 특성을 가진 소 재를 사용하였다. 사출성형해석에 사용된 해석모델 은 아래의 그림 3과 같다.
2.3 시험분석 방법
제품의 표면특성 분석은 뮤셀공법 적용으로 제품 표면의 문제점을 해결하기 위해 전류가열 금형을 사용한 효과에 대해 표면거칠기를 기존 제품과 비 교 분석하였다. 이를 위해 원자간력 현미경(AFM : Atomic Force Microscope)을 사용하여 분석하였다.
Fig. 2. Process of injection molding by electronic heating
Fig. 3. Model of injection molding analysis
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자동차 제품 품질의 경우 복합환경내구와 소음이 중요한 요소이다. 복합환경시험은 챔버를 이용하였 고 자동차 모듈단위로 조립후 MS210-05 기술 표준 에서 명기된 조건을 그림 4에 나타내었다.
진동소음시험은 자동차부품 개발에서 필수적인 요소이다. 이는 ES84700-00 기술표준에 의거하여 시험을 실시하였다. 진동소음 측정을 위해 지그를 제작하였고, 소음측정을 위해 구축된 시스템에 장 착하였다. 이때 발생되는 소음계측 및 분석은 마이 크로폰센서(P1, P2)와 계측장비를 사용하였으며, 이 를 그림 5에 나타내었다.
3. 시험결과 및 검토
3.1 사출성형해석 결과 분석
그림 6은 사출성형해석의 뮤셀공법 적용 결과와 시제품 제작 결과를 나타낸 것으로 이는 전류가열
금형을 적용하지 않은 결과이다. 사출성형해석에서 셀 사이즈는 사출성형해석 그림의 좌측의 컨투어 바(contour bar)로 표시하였으며 아래쪽이 0 µm이고 위쪽으로 갈수록 84 µm로 표현하였다. 이때 약 40µm 이상 크기의 셀이 제품 표면일부에서 발생 하여 제품 표면의 품질이 나빠지는 것을 확인하였 다. 해석과 같은 조건으로 시제품 생산시 해석 결 과와 비슷한 부위에서 뮤셀공법에 의한 셀이 표면 까지 발생하여 제품의 품질 문제가 발생하였다.
그림 7은 전류가열 금형을 적용한 사출성형해석 과 시제품 제작 결과를 나타내었다. 사출성형해석 결과 뮤셀공법에 의한 발포 셀은 제품 표면에서 발 생하지 않은 것으로 나타났으며, 셀의 사이즈는 제 품 단면에서의 약 40 µm가 대부분 분포된 것으로 나타났다. 이때 전류가열 금형의 온도는 200oC로 설정하였다. 전류가열 금형을 통한 뮤셀공법 적용 사출성형해석의 결과를 이용하여 제품을 만들었으
Fig. 4. Conditions of combined environmental test
Fig. 5. Position of microphone for measurement of the noise and vibration
며, 제품 표면은 그림 6과 같이 표면에서 셀 형성 이 되지 않았다. 이는 전류가열에 의해 사출성형시 제품 표면이 개선된 것으로 판단된다.
3.2 포화 셀 특성 분석
제품 내, 포화 셀을 인위적으로 만들어 제품의 무 게를 감소시키는 공정개발은 어려운 일이다. 이는 기존 제품의 표면특성과 강성적인 면에서도 중요한 요소이기 때문이다 [12]. 포화 셀이 너무 크게 형성 되거나 과다하게 형성되면 실차 환경에서 쉽게 변 형이 발생할 수 있고 진동에 의한 소음도 기존 제 품 대비 나빠질 수 있기 때문이다. 이를 분석하기 위해 그림 8과 같이 그림 7(b)의 위치에서 포화 셀 의 크기와 공극율을 나타내었다. 포화 셀의 분석은 SEM을 이용하였으며 셀의 크기는 단축 길이로 정 의하였다. 측정결과 b 위치에서 기타 위치보다 셀
의 크기가 크고 수량도 적은 것으로 나타났으며, 평 균 직경 44.65 µm로 나타났다. 이러한 결과가 제품 품질에 문제가 되는 것인지는 복합환경 시험과 진 동소음특성 시험을 통해 확인 하였다. 그러나 공극 율의 경우 우려될 만큼의 큰 변화가 없는 것으로 나타났으며, 평균 공극율 30.65%로 나타났다.
3.3 표면거칠기 분석
표면거칠기 분석을 위한 제품은 전류가열 금형을 통한 뮤셀공법 적용 제품과 이를 비교 분석하기 위 해 미적용 제품을 같은 환경과 장비에서 제작하였 다. 제품은 자동차의 오디오 및 에어콘 등 컨트롤 박스와 크래시패드와의 엣지부 마감을 하는 센터페 시아 부품이다. 부품의 크기는 약 29 cm × 26 cm
× 1 mm 되는 형상으로 고객의 시야에 가장 잘 들 어오는 부분으로 제품 표면의 감촉을 위한 표면거
Fig. 6. Comparison of simulation and experiment for analysis of cell distribution
Fig. 7. Comparison of simulation and experiment for analysis of surface characteristics.
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칠기가 우수하여야 한다. 이때 사출성형에서 웰드 라인은 용융수지의 흐름이 만나는 곳에서 선으로 생기며 제품의 형상에 따라 다양하게 발생할 수 있 다. 제품에 있어서 웰드라인은 강도적인 측면에서
취약하고 고객의 표면품질 요구조건이 가능한 제품 에서 웰드라인이 생기지 않도록 하여야한다 [13].
그림 9는 전류가열 금형을 통한 뮤셀공법을 적용 한 사출 제품과 적용하지 않은 제품과의 표면 거칠
Fig. 8. Cell size and Porosity by Mu-Cell method
기를 나타내었다. 이때 제품의 분석 위치는 그림 7(b)에서 나타낸 a, c의 게이트 위치와 b, d의 웰드 라인 마크가 발생할 수 있는 위치를 선정하여 분석 하였다. 표면거칠기 분석은 제품의 표면이 가장 문 제될 만한 4곳을 선정하여 분석하였으며, 이는 뮤셀 공법에 의해 발생하는 발포층이 표면까지 올라오는 것을 확인하고 사출성형에서 많이 발생하는 웰드라
인 층에 표면 특성 문제를 검증하기 위함이다. 시편 은 육안으로 전류가열 금형을 통한 뮤셀공법 적용 제품과 미적용 제품 모두 웰드라인 층은 없는 것으 로 확인하였으며, 표면 상태는 우수한 시험편을 선 택하였다. 표면거칠기는 실험방법에서 언급한 원자 간력 현미경을 이용하였으며, 분석결과 제품 위치 에 따른 표면거칠기는 육안 검사와 같이 큰 변화는
Fig. 9. Surface roughness
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보이지 않았다. 또한 제품 분석 위치 b, d의 경우 웰드라인이 발생할 수 있는 위치이나 이 부위에서 표면거칠기는 게이트 위치와 큰 차이를 보이지 않 았다. 이로써 육안과 고객의 감촉으로 구별되지 않 을 만큼 품질 특성은 우수한 것으로 나타났다. 뮤 셀공법 적용으로 사출성형 제품을 제작하게 되면 제품의 무게가 절감되나 표면 품질이 나빠지는 문 제가 있다. 이를 해결하기 위해 전류가열 금형을 이 용하였고 이를 통한 제품의 표면거칠기는 기존 사 출 제품보다 표면거칠기가 측정한 모든 부위에서 우수한 것으로 나타났다
3.4 복합환경/진동소음시험 분석
본 연구의 대상 부품은 자동차 부품으로 포화 셀 을 인위적으로 형성시켜 경량화를 달성하여야 한다.
이로 인해 육안으로써의 품질, 감촉을 만족하기 위 한 표면거칠기, 자동차 부품 성능으로써의 복합환 경시험과 진동소음시험이 필수적이다. 복합환경시 험은 그림 4와 같은 조건으로 챔버를 통해 시험을 한다. 이는 개발품에 대한 온도 환경 변화에 대한 변형을 확인하기 위함이다. 온도 조건에 따른 제품 의 변형은 품질 문제뿐만 아니라 차량의 소음을 유 발시키는 원인이기도 하며 차량 전체의 가치를 떨 어트리게 된다.
그림 10은 복합환경시험 셋업과 시험 전·후 변형 시험한 위치를 나타내었다. 복합환경시험 전·후 변 형량은 0.5 mm 이하로 규정하고 있으며 변형량 결 과를 표 1에 나타내었다. 시험결과 최대 0.1 mm 변 형된 것으로 나타났고 최소 0.05mm로 나타났다. 또 한 온도 환경 변화에 따른 자동차 내장재 부품의 경 우 변색, 비틀림, 균열, 잔금, 박리 등의 문제가 발 생하지 않았다.
진동소음 시험은 본 연구에서 개발중인 제품을 크러쉬패드 모듈에 조립하고 지그를 만들어 자동차 조립상태와 같은 조건이 되도록 하였다. 지그에 장 착된 크러쉬패드 모듈을 지그부에 가진 장치를 장 착하여 그림 11과 같은 조건으로 진동수를 주었다.
이 진동수는 승용 자동차가 일반 도로를 달리면서 발생하는 진동수와 최대한 같은 조건으로 하였다.
이에 따른 소음은 개발 제품과 크러쉬패드 모듈 장 착부에서 측정하였으며, 이는 마이크로폰을 그림 5 와 같이 설치하였다. 시험환경조건은 온도(20±10)oC, 습도(60±20)%로 설정하였으며, 진동소음장치는 진 동소음측정시스템, 진동제어기, 가진기, 가속도계, 마이크로폰, 진동교정기, 소음교정기를 한 셋트로 구성하여 운영하였다. 자동차업계에서는 진동소음 기준을 7 sone 이하를 요구하고 있으며, 본 연구에
Fig. 10. A combined environmental test setup
Table 1. Deformation after combined environmental test
Measurement result Before test
(A)
After test (B)
Deformation (B-A)
1 0.2 0.25 0.05
2 0.2 0.25 0.05
3 0.2 0.3 0.1
4 0.4 0.45 0.05
5 0.5 0.5 0
6 0.9 0.9 0
7 0.8 0.9 0.1
8 0.8 0.9 0.1
Table 2. Amount of noise for vibration test Position of
microphone
Amount of noise (sone) Background
noise
P1 0.13
P2 0.13
Measurement result
P1 6.53
P2 5.91
Fig. 11. Input frequency for vibration test
인 sone은 소리세기의 상대적 관계로 표시되며 40 dB의 1.000 Hz 순음 위 크기를 1 sone (40폰) 이라 한다.
4. 결 론
본 연구는 뮤셀공법을 적용하고 전류가열 금형을 이용하여 제품 경량화하는 동시에 표면개선을 위해 연구하였다. 또한 개발된 제품을 자동차 완성차 구 매 조건을 만족하기 위해 복합환경시험 및 진동소 음시험을 진행하였다. 이를 통해 뮤셀공법에 의한 제품내 포화 셀의 형성 및 공극율을 분석하여 제품 경화량에 있어 실현가능함을 확인하였고, 뮤셀공법 에 의한 제품 표면 단점을 보완하기 위해 전류가열 금형을 통해 제작된 제품의 표면거칠기를 통해 기 존 제품보다 우수한 것을 확인하였다. 또한 복합환 경시험 및 진동소음시험을 진행함으로써 자동차 완 성차의 요구조건을 만족할수 있음을 확인하였다. 본 연구의 방법이 산업에 직접 활용할 수 있는 방향성 을 제시하였으며 그 결과를 다음과 같이 요약하였다.
1) 본 연구에 활용된 사출성형해석을 통해 뮤셀 공법에 의한 제품 표면에서의 포화 셀 형성 및 제 품내 셀의 크기 등을 제시하고, 사출성형해석과 같 은 조건에서 만들어진 제품을 통해 이를 증명하였다.
2) 제품내 포화 셀의 크기 및 공극율은 제품의 경 량화에 큰 영향을 미친다. 셀의 크기와 공극율이 과 다하면 제품의 강성 측면에서 기능이 저하된다. 본 연구에서의 셀의 평균 직경은 약 44.65 µm로 나타 났고, 평균 공극율은 약 30.65%로 나타났다.
3) 표면거칠기는 기존 방법으로 제작된 사출성형 제품과 뮤셀공법 적용 전류가열 금형을 이용한 제 품을 비교 분석하였다. 분석 결과 기존제품 대비 뮤 셀공법 적용 전류가열 금형을 이용한 제품이 표면 거칠기 측면에서 우수한 것을 확인하였다.
4) 본 연구의 개발품을 완성차 적용 가능성 검사 를 위해 복합환경시험과 진동소음시험을 실시하였 다. 시험 결과 복합환경시험 전·후 변형량과 육안 검사가 가능한 변색, 비틀림, 균열, 잔금, 박리 등은 완성차 조건에 만족함을 확인하였다. 또한 진동소 음시험 결과는 완성차 7 sone 대비 6.53 sone으로 만족함을 확인하였다.
References
