냉장고용 선반 패밀리금형의 유동 밸런스와 클램프힘 개선에 관한 연구 박제홍a, 윤경원b, 고창오b, 서상원a, 김수진a*
Study on Improving Flow Balance and Clamp Force of Family Mold for Refrigerator Shelf
Je-Hong Parka, Kyeong-Won Yoonb, Chang-Oh Kob, Sang-Won Seoa, Su-Jin Kima*
a
Department of Mechanical Engineering, Gyeongsang National University, 501 Jinjudae-ro, Jinju-si, Gyeongsangnam-do, 660-701, Korea
b
Taesung Precision Co.,LDT, 653-1 Byeongdong-ri, Gimhae-si, Gyeongsangnam-do, 621-873, Korea
ARTICLE INFO ABSTRACT
Article history: Injection molding industries realize the necessity of developing family molds to improve competitiveness. One of the primary causes of manufacturing defective products is the imbalance of flow in a family mold. In this study, the family mold of a shelf for refrigerators is analyzed by using CAE software. First, the flow balance, clamping force, and injection pressure are analyzed for different gate diameters of two cavities. Second, the flow balance, clamping force, and injection pressure are improved when the two gate valves are open at different times. Finally, the results of filling analysis are compared with the test injection product.
Received 12 September 2014 Revised 3 November 2014 Accepted 4 November 2014
Keywords:
Family mold Flow balance Mold flow Clamp force Injection pressure CAE
* Corresponding author. Tel.: +82-55-772-1636 Fax: +82-55-772-1577 E-mail address: [email protected] (Su-Jin Kim).
1. 서 론
사출금형은 제품의 배치 및 방식에 따라 싱글 캐비티(Single cavity), 멀티 캐비티(Multi cavity), 그리고 패밀리 금형(Family mold) 방식으로 나뉘며, 일반적으로는 싱글 캐비티와 멀티 캐비티 금형이 많이 사용되고 있다.
[1]현재 국내 사출제품 및 사출금형 생 산업체들의 경우, 현재까지 하나의 금형에서 한 개의 제품(성형품) 을 만드는 싱글캐비티 또는 멀티 캐비티를 제작하여 사출성형기 한 대에서 하나의 제품을 성형하는 금형을 제작 및 양산하고 있다.
그러나 최근 세계적으로 사출 제품 및 사출 금형 시장의 생산성,
품질, 가격 경쟁이 치열해지고 있어 패밀리금형 개발을 통해 생산
효율 향상 및 원가 절감을 통한 제품 경쟁력을 향상의 필요성이
제기되고 있다.
[2]패밀리금형이란 일반적으로 서로 다른 형상의 제
품을 하나의 금형에서 동시에 사출 성형하는 것을 말하며 서로 다
른 체적, 수지의 유동거리에 의해서 유동밸런스(Flow balance)의
불균형으로 인해 과도한 사출압력 및 잔류응력이 발생하여 제품의
결함이 발생하게 된다. 유동밸런스는 용융수지가 게이트(gate)로
부터 제품 캐비티를 충전하는 동안에 특정한 말단 영역을 먼저 채
우지 않고 말단 영역들을 동시에 채우는 것을 말한다. 만약 제품
캐비티의 충진 과정에서 유동밸런스가 부족하게 되면 수지가 먼저
Fig. 1 Refrigerator shelf
Fig. 2 Cross section of shelf
Fig. 3 Valve position of family mold 채워지는 말단 부위들에서 과도한 수지 충전으로 인해서 성형 후에
큰 수축편차가 발생하게 되 고 이것이 제품의 휨을 초래하게 된 다.
[3]유동밸런스 조절을 위해 게이트의 위치, 러너(Runner)의 형 상을 변화시키는 방법과 오버플로우(Overflow)를 설치하는 등의 방법이 이용된다.
[4]기존에는 러너의 직경을 조절하여 같은 시간 에 충진이 완료되도록 유동밸런스를 조절하는 방법이 사용되었지 만, 러너의 직경 선정과정이 복잡하고 해석과 시험사출 결과가 일 치하지 않을 경우 수정이 어려웠다.
[5]냉장고용 선반은 유리를 금 형사이에 삽입해 사출하는 유리 인서트(insert) 금형으로 금형의 클램프힘(Clamp force)이 과도하면 유리가 파손될 가능성이 높 아짐으로 클램프힘과 사출압력(Injection force)을 줄이는 사출방 법이 필요하다. 밸브 게이트(Valve gate)가 열리는 순간 압력강하 가 발생하므로 이를 조절해 사출압력과 클램프 힘을 줄인 연구가 있다.
[6]본 연구에서는 형상과 크기가 다른 두 제품을 하나의 금형에서 사출함으로 유동불균형의 해결이 어렵고 유리를 삽입해 사출함으 로 낮은 사출압력을 필요로 하는 냉장고용 선반 패밀리금형을 개발 하고자 한다. 구체적으로 첫 단계로 밸브 게이트의 직경을 달리하 여 대략적인 유동밸런스를 맞추고 두 번째 단계로 시퀀스(Sequence) 밸브의 시간차를 이용해 높은 유동밸런스를 확보하며 사출압력과 클램프 힘을 감소시키고자 한다. 동시에 몰드플로우(Mold flow) 를 이용해 유동밸런스와 클램프힘을 예측하고 시험사출에서 숏샷 (Short shot)과 비교해 검증하였다.
2. 복합사출금형 구조설계
2.1 패밀리 금형을 위한 제품설계
Fig. 1은 개발대상 제품인 냉장고용 선반이다. 냉장고용 선반이 란 냉장고의 수납함에 들어가는 칸막이를 말한다. 선반은 뒤(Back) 와 앞(Front)으로 나뉘며 중간에 강화유리가 삽입된 구조이다.
냉장고용 Shelf 설계 시 최우선 고려사항은 첫 번째로 유리를 금형에 삽입하여 플라스틱과 일체형으로 생산 가능한 제품을 만 드는 것이다. 두 번째로 캐비티 설계 시 생산 균형 일치 및 양산성 을 확보 생산함을 최우선적으로 고려한 설계이다. 세 번째로 형상 이 다른 캐비티를 원활하게 생산하기 위해 밸브게이트를 사용하 여 유리면 위에서 사출하는 방법을 채택하여 미성형 및 유리파손 방지를 위해 갭(Gap)과 경사면을 주었다. 이를 나타낸 것이 Fig.
2 이다.
패밀리금형 설계 시 선반 뒤 예상 제품중량은 269 g, 선반 앞 예상중량 70 g으로 제품의 중량의 차이가 크게 발생하였다. 이는 유동 밸런스 문제를 발생시킬 수 있기 때문에 Fig. 3과 같이 해결방
법을 제시하였다. 첫 번째로 선반 앞의 경우 Φ2.5 밸브를 두 군데 적용하였고 선반 뒤의 경우 Φ3.5 밸브를 적용하여 용융 플라스틱 의 주입량을 조절하였다. 또한 양산성을 증가시키기 위해 밸브게이 트를 제품의 측면이 아닌 유리면 윗부분에 적용하였다. 선반 뒤의 경우 측면에 홈을 파기 위해 이젝터 블록(Ejector Block)을 사용하 였다.
금형 설계 시 각기 다른 형상의 제품을 동시 사출하기 때문에
취출성의 불균형이 예상된다. 원활한 양산성을 고려한 취출성의 불
균형을 해결하기 위해 Fig. 4와 같이 선반 앞의 경우 Φ6.0의 12개
의 밀핀(Ejector pin)을 적용하였고 선반 뒤의 경우 Φ10.0의 10개
Fig. 4 Ejector position of family mold
Table 1 Analysis conditions
Material PP
Mold temperature 40°C
Resine temperature 230°C
Valve diameter Φ3.5, Φ2.5
Aspect ratio 30
Number of mesh 110,000
Software Mold flow
Fig. 5 The analysis of flow balance
Fig. 6 The analysis of flow balance 의 밀핀을 적용하였다. 그리고 강화유리를 고정하기 위해 선반 앞
과 뒤에 각각 흡착기를 두 개씩 부착하였다.
3. 패밀리금형의 CAE해석
3.1 CAE해석을 위한 선반의 제원
복합사출금형의 CAE 해석을 위한 선반의 제원은 Table 1과 같 다. 소재는 폴리프로필렌(PP)을 사용하였다. 금형의 온도는 40°C 이고 용융수지온도는 230°C이다. 게이트는 선반 뒤, 앞을 각각 Φ 3.5, Φ2.5 밸브를 사용하여 직경만 달리하였다. 해석을 위해 요소 망(Mesh)의 종횡비(Aspect ratio)는 몰드플로우에서 일반적으로 6으로 할 것을 추천하지만 수정시간 및 해석 단축을 위해 30으로 설정하였고 약 11만 개의 요소가 생성되었다. 밸브의 직경만 달리 한 경우와 직경을 달리할 뿐만 아니라 시간차 사출을 한 경우 두 가지에 대하여 해석 후 이를 비교하였다. 해석은 몰드플로우를 이 용하여 수행하였다.
3.1.1 밸브의 직경만 달리한 유동밸런스 해석
유동밸런스의 해석결과는 Fig. 5와 같다. 가장 짙은 파란색이 0 초부터 시작해서 가장 짙은 빨간색이 3.1초에 이르는 것을 볼 수 있다. Fig. 5에서 볼 수 있듯이 선반 앞의 경우 2.3초에 용융수지가 모두 차는 것을 알 수 있으나 선반 뒤의 경우 이로부터 약 1초 뒤인 3.1초에 용융수지가 가득 차는 것을 볼 수 있다.
3.1.2 시간차 사출 유동밸런스 해석
밸브의 직경만 달리한 해석결과에서 유동밸런스의 문제로 인해 선반 앞의 충진이 완료 되고도 선반 뒤에 미충진이 일어나는 것을 확인할 수 있다. 이를 개선하기 위해 선반 뒤와 선반 앞에 1.7초의 시간차를 두고 밸브게이트를 열고 해석하였다. 유동밸런스의 재해 석결과는 Fig. 6과 같다. 가장 짙은 파란색이 0초부터 시작해서 가
장 짙은 빨간색이 3.2초에 이르는 것을 볼 수 있다.
3.1.3 밸브의 직경만 달리한 사출압력과 클램프 힘 해석
Fig. 7 The analysis of injection pressure Fig. 9 The analysis of injection pressure 강화유리가 삽입되는 냉장고용 Shelf의 경우 사출압력과 클램프
힘이 크면 유리가 파손될 위험이 있다. 이를 방지하기 위해 사출압 력과 클램프 힘을 미리 예측하는 것은 매우 중요하다. 이에 대한 해석결과는 Fig. 7과 같다. 사출압력의 경우 서서히 증가하다가 선 반 뒤의 용융수지가 모두 차는 시점인 약 3초에 42 MPa로 최대값 을 가진다. 그 이후에 20 MPa, 17 MPa, 12 MPa로 일정값을 유지 하면서 서서히 감소하다가 6초에 0 MPa이 되는 것을 확인할 수 있다. 클램프 힘의 경우 Fig. 8과 같이 충진이 완료되는 시점인 3초 부근에서 188 ton으로 최대값을 가지며 선형적으로 감소하다 약 8초 부근에서 0 ton이 되는 것을 확인할 수 있다.
3.1.4 시간차 사출의 사출압력과 클램프 힘 해석
사출압력의 경우 Fig. 9와 같이 서서히 증가하다가 선반 뒤의 용융수지가 모두 차는 시점인 약 3초에 31 MPa로 최대값을 가진 다. 그 이후에 15 MPa, 12 MPa, 10 MPa로 일정값을 유지하면서 서서히 감소하다가 6초에 0 MPa이 되는 것을 확인할 수 있다. 클 램프 힘의 경우 Fig. 10과 같이 충진이 완료되는 시점인 3초 부근 에서 98 ton으로 최대값을 가지며 선형적으로 감소하다 약 8초 부 근에서 0 ton이 되는 것을 확인할 수 있다. 기존에 밸브 게이트 직경만 달리하였을 경우보다 클램프힘 최대값은 42 Mpa에서 31 Mpa로, 감소 사출압력 최대값은 188 ton에서 98 ton으로 감소하 였다.
3.2 CAE 해석결과 고찰
Fig. 11 Imbalance in the flow balance
Fig. 13 Injection machine
Table 2 Injection conditions
Material P842J
Surface gloss
Injection machine maker LG
Maximum clamp force 650ton
Cylinder setting temperature 220/210/210/210/200°C CAE 해석을 통해 Fig. 11과 같이 밸브의 직경만 달리한 경우
유동 밸런스의 불균형이 일어나는 것을 확인 할 수 있다. 선반 앞에 충진이 완료되었음에도 1번, 2번, 3번, 4번 부위에서 미충진이 일 어나는 것을 확인할 수 있다. 또한 1번과 2번부위에 충진이 완료되 더라도 5번 부위와 6번 부위에 미충진이 일어났다. 이러한 유동밸 런스의 불균형은 제품의 품질에 심각한 영향을 줄 수 있다. 그러나 선반 뒤에 먼저 충진을 시작한 후 1.7초 뒤에 선반 앞에 밸브게이 트를 열어 해석한 결과 Fig. 12와 같이 유동밸런스가 개선되었다.
또한 클램프 힘과 사출압력을 감소시켜 유리 파손의 위험을 크게 감소 시켰다.
4. 시험사출
4.1 시험사출 조건
해석결과와 실제 제품 비교를 위해 시험사출을 수행하였으며 시험사출 조건은 Table 2와 같다. 수지는 P842J를 사용하였고 외장이며 표면은 광택에 투명도는 불투명이다. 사출기계는 LG제 품으로 최대 650 ton의 클램프힘을 가할 수 있다. 핫러너는 220°C로 설정하였고 실린더 설정온도는 실린더의 주입구부터 시작하여 다섯 개의 구간으로 나누어 220/210/210/210/200°C 로 설정하였다. Fig. 13은 시험사출 전 사출기에 복합금형을 부착 한 모습이다.
4.2 해석결과와 시험사출 제품 비교
CAE해석결과를 통해 얻은 유동밸런스를 시험사출을 하였을 경우와 비교하기 위하여 Fig. 14와 같이 계량거리를 각각 달리하 여 숏샷을 하였다. 계량거리는 30~100%까지 총 6가지에 대하여 시험사출을 하였고 해석결과와 시험사출 제품을 비교하였다. 계 량거리에 따른 시험사출 제품과 해석결과는 육안으로 확인하였다.
확인결과 해석결과와 시험사출 제품이 거의 일치하는 것을 알 수
있었다.
5. 결 론
본 연구에서 형상과 크기가 다른 두 제품을 동시에 사출하는 냉 장고용 선반의 패밀리금형의 유동불균형을 해결하기 위해 첫 단계 로 밸브 직경만 달리한 CAE해석을 하고 다음 단계로 밸브게이트 개방 시간차를 두고 사출을 하는 해석을 하였고 이를 실제 사출 제품과 비교하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
첫째, 큰 제품의 게이트의 직경을 작은 제품보다 키워 충진 시간 차이를 줄이고자 했을 경우 부피가 작은 제품에 충진 완료된 약 1초 뒤에 큰 제품에 충진이 완료되었다. 둘째, 밸브게이트의 개방 시간을 제어해 충진 시작 시간을 조절해 형상과 크기가 다른 두 캐비티에 동시에 충진이 완료될 수 있도록 하였다. 1.7초 시간차 충진을 통해 두 제품이 동시에 충진 되도록 하고 유동밸런스를 개 선하였으며 숏샷 시험사출 실험과 해석 결과가 일치 하였다. 셋째, 유리 인서트 사출의 경우 클램프 힘이 작을수록 유리 파손을 줄일 수 있는데 기존 클램프 힘 188 ton에서 밸브게이트 개방 시간 제어 로 클램프 힘은 최대값을 42 Mpa에서 31 Mpa로 감소시켰고 사출 압력은 최대값 188 ton에서 98 ton으로 감소시켰다.
지금까지 형상과 크기가 다른 제품이면서 유리를 삽입 후 사출하 는 유리인서트 패밀리 금형의 제작은 유동불균형과 유리파손으로 시도되지 않았으나 본 연구를 통해 실제 산업체에서 냉장고용 선반 패밀리금형에 대한 적용이 가능할 것으로 판단된다.
후 기
본 연구는 중소기업청의 산학연협력기술개발 사업에 의한 지원 을 받아 수행되어졌다.
References
