사출성형공정에서 보압 조건에 따른 금형의 변형량 변화와 제품의 수축률 사이의 상관 관계에 대한 연구

2.1 실험 모델

Fig. 1에 본 연구에서 사용한 실험 모델과 금형을 나타내었다. 실험 모델은 5인치 도광판(light guide plate)이며 치수는 71.08 mm (W) × 109.35 mm (L) × 1.10 mm (T)이다. 금형은 단일 캐비티로 구성된 2단 금형으로 크기는 250.00 mm (W) × 280.00 mm (L) × 300.00 mm (T)이다.

Fig. 1

5 inch LGP : (a) product and (b) mold

2.2 사출성형기 및 재료

본 연구에서 사용한 사출성형기는 Fig. 2에 나타낸 E-motion 280 (ENGEL, Austria) 사출성형기로 최대 형체력은 280톤, 최대 사출속도와 스크류 지름은 350 mm/s, 50 mm이며 196 mm의 최대 스트로크 거리를 가진다. 실험에서 사용한 수지는 폴리프로필렌(polypropylene)으로 KOPELEN J-380A (LOTTE chemical, Korea)를 사용하였다.

Fig. 2

Injection molding machine (E-motion 280)

2.3 센서 선정 및 설치

본 연구에서는 보압 조건에 따른 사출성형 중의 용융 압력 금형의 변형량 신호를 측정하였다. 용융 압력은 2.5 mm 캐비티 온도-압력 센서(6189A, Kistler, Swiss)를 사용하였으며 신호증폭기(5073A, Kistler, Swiss)를 통해 DAQ 장비에서 신호를 확인하였다. 금형의 변형량 측정의 경우, 금속에 직접 접촉하여 측정할 시 내구성 등에 문제가 발생할 것으로 판단되어 비접촉 방식을 탐색하였으며 와전류 변위 센서인 LS-500 (SENTEC, Japan)을 사용하였다.

캐비티 압력 센서는 용융 수지 표면의 압력을 측정할 수 있도록 캐비티 면과 센서의 측정 면이 일치하게 금형에 설치하였다. 금형의 변형의 경우, 사출성형 시 사출방향에 수직하면서 측정하기가 용이한 가동측 베이스 후면을 선정하였다. 그리고 가동측 베이스 후면에 사출방향으로 제품의 형상을 정사하여 사출압력의 영향을 받는 부분을 한정하였으며 해당 범위 내에서 측정 지점을 선정하였다. Fig. 3에 금형에서 캐비티 압력 센서와 와전류 변위 센서가 실제 값을 측정하는 면을 나타내었다. 그리고 제품 상에서 각 센서의 측정 위치와 일치하는 지점을 Fig. 4에 표시하였다. 센서를 이용하여 측정된 용융 압력 신호와 금형의 변형량 신호는 NI-9229 입력 모듈을 통해 LabVIEW 2016 소프트웨어(National instrument, USA)로 분석하였다.

Fig. 3

Measurement surface of pressure and deflection sensors on the mold

Fig. 4

Equivalent measurement point of pressure and deflection sensors on the product

2.4 성형조건

본 연구에서 사용한 성형조건을 Table 1와 Table 2에 나타내었다. 성형온도, 금형온도, 사출시간 등의 사출조건은 동일하게 설정하고 보압 조건을 다르게 설정하였다. 사출구간에서 보압절환제어는 위치로 진행하였으며 압력은 460.0 ± 3.0 bar로 나타났다. 보압의 크기는 보압절환 시 압력에 대한 비로 구분하여 40%, 60%, 80%에 해당하는 값으로 설정하고 보압 시간은 0.5초, 1.0초, 2.0초로 실험을 진행하였다.

Table 1

Injection molding conditions according to packing pressure

Table 2

Injection molding conditions according to packing time

3.1 사출성형공정에 따른 금형의 변형 신호 분석

Fig. 5에 보압절환압력의 80%의 크기로 보압을 2.0초 동안 적용한 공정의 측정 압력과 금형 변형량 결과를 나타내었다. 금형의 변형 결과에서 사출방향으로의 변형량은 양의 방향, 사출방향과 반대 방향으로의 변형량은 음의 방향으로 나타내었다. 사출성형공정을 진행하기 전 와전류 변위 센서는 일정 초기 값을 가지나 이는 비접촉식 센서의 특징 상 측정 대상으로부터 일정 거리만큼 떨어져 있기에 측정되는 값으로 해당 값을 기준으로 설정하여 성형공정 동안의 변형을 평가하였다. 금형의 변형량 결과에서 초기에 측정된 금형의 변형은 금형이 형폐되면서 금형에 가해진 형체력에 의한 변형으로 약 0.067 mm의 변형이 측정되었다. Fig. 6은 Fig. 5의 결과에서 형폐 시점의 금형의 변형량을 기준 값으로 설정하여 사출구간과 보압구간에서의 결과값을 나타낸 그래프이다. 향후 금형의 변형량에 대한 분석은 Fig. 6과 같이 형폐 시 금형의 변형량을 기준으로 설정하여 평가한다. Fig. 6의 결과에서, 금형의 형폐 구간 이후 사출구간에서 금형의 변형량과 사출압력이 모두 증가하는 것을 관찰할 수 있다. 또한 사출성형공정 동안 금형의 변형량 변화가 용융 수지의 사출압력의 경향을 따르며 크기에 비례하는 것을 알 수 있으며 이는 금형의 변형량 변화가 용융 수지의 거동과 특성을 나타낼 수 있음을 의미한다.

Fig. 5

Injection molding process phase on measured pressure and mold deformation

Fig. 6

Measured pressure and mold deformation (mold closed offset to zero)

3.2 보압 크기와 시간에 따른 금형의 최대 변형량 분석

보압 크기에 따른 금형의 변형량 변화를 Fig. 7에 나타내었다. Fig. 7에서 사출구간에서의 금형 변형량 변화를 보면, 성형조건이 동일하기 때문에 시간에 따른 금형의 변형량 변화 정도가 동일하게 나타난다. 그러나 사출구간에서 보압구간으로 전환되는 시점의 최대 금형의 변형량은 Fig. 8과 같이 보압 크기에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있으며 보압 크기가 184 bar, 274 bar, 369 bar로 증가함에 따라 최대 금형 변형량은 0.0072 ± 0.0001 mm, 0.0074 ± 0.0001 mm, 0.0085 ± 0.0001 mm로 증가하였다. 또한 Fig. 7의 각 경우에서 최대 금형 변형이 측정된 시점의 최대 사출압력은 보압 크기가 증가할수록 281.7 ± 3.3 bar, 288.0 ± 2.4 bar, 327.1 ± 0.5 bar로 증가하며 보압절환시점에서의 최대 금형 변형은 Fig. 9와 같이 최대 사출압력이 증가함에 따라 커지는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 7

Mold deformation according to packing pressure

Fig. 8

Comparison between maximum mold deformation and packing pressure at injection phase (packing time 2.0 sec)

Fig. 9

Comparison between maximum mold deformation and maximum injection pressure at injection phase (packing time 2.0 sec)

Fig. 10은 보압 시간에 따른 금형의 변형량 결과를 나타내었다. 해당 결과에서 성형조건이 동일하기 때문에 Fig. 7의 결과처럼 사출구간에서 시간에 따른 금형의 변형량 변화율이 동일한 것을 확인할 수 있다. 그러나 보압 크기에 따른 결과와는 달리, 사출구간의 최대 금형 변형량은 보압 시간과 상관없이 Fig. 11처럼 0.0085 ± 0.0001 mm의 일정한 값으로 측정되었다. 따라서, 사출성형 시 사출구간에서의 최대 금형 변형량은 동일 구간에서 최대 사출압력과 보압의 크기와 상관관계가 있으며 해당 인자들이 증가할수록 커지는 종속적인 값임을 확인하였다.

Fig. 10

Mold deformation according to packing time

Fig. 11

Comparison between maximum mold deformation and packing time at injection phase (packing pressure 369 bar)

3.3 보압구간에서 보압 조건에 따른 금형의 변형량 변화 분석

보압구간은 보압절환지점에서의 최대 금형 변형량이 감소하여 초기 값으로 복원되기 시작하는 구간이며 보압 조건에 따라 변형의 감소가 저항되는 정도가 다르게 나타난다. 본 연구에서는 사출구간 이후부터 금형의 변형량에 대한 시간적분 값을 식(1)과 같이 복원 저항 지표(index of restore resistance) D_R로 정의하며 금형의 변형량은 크기와 경향이 사출압력과 비례하므로 복원 저항 지표는 일종의 금형에 가해진 에너지와 같은 개념으로 사용할 수 있다. 식(1)에서 δ(t)는 시간에 따른 금형의 변형량이다.

Where, D_R denotes index of restore resistance, δ(t) denotes mold deformation, t₁, t₂ denote times for time integration

보압 구간에서 보압 크기에 따른 복원 저항 지표 값을 Fig. 12에 나타내었다. Fig. 12에서 보압 크기가 증가할수록 복원 저항 지표는 0.0054 ± 0.0002 mm･s, 0.0087 ± 0.0001 mm･s, 0.0123 ± 0.0001 mm･s로 증가하였으며 Fig. 12과 같이 비례 관계를 나타내었다. 반면, Fig. 13의 보압 구간에서의 보압 시간에 따른 복원 저항 지표에서는 보압시간이 증가할수록 지표 값이 0.0062 ± 0.0001 mm･s, 0.0094 ± 0.0001 mm･s, 0.0123 ± 0.0001 mm･s로 증가하였으며 비례적인 상관관계를 나타내고 있다. 따라서, 보압 구간에서 금형의 변형량 변화는 보압 크기와 보압 시간에는 비례적인 상관관계를 가지는 종속적인 결과임을 확인하였으며 보압 크기와 보압 시간이 클수록 복원 저항 지표가 증가한다.

Fig. 12

Comparison between index of restore resistance and packing pressure at packing phase (packing time 2.0 sec)

Fig. 13

Comparison between index of restore resistance and packing time at packing phase (packing pressure 369 bar)

3.4 냉각구간에서 보압 조건에 따른 금형의 변형량 변화 분석

본 연구에서는 사출성형 시 설정한 보압이 제품에 충분히 적용될 수 있도록 보압 시간을 게이트 고화 시간보다 짧게 주었으며 이로 인해 보압 종료 이후 금형의 변형량은 초기 변형량인 0 mm로 수렴하며 복원된다. 보압 크기에 따른 냉각 구간에서의 복원 저항 지표 값을 Fig. 14에 나타내었다. Fig. 14에서 복원 저항 지표는 보압 크기가 증가할수록 0.0001 ± 0.0001 mm, 0.0007 ± 0.0001 mm, 0.0017 ± 0.0001 mm로 증가하는 비례적 상관관계를 보였으며 Fig. 15에 나타낸 보압 시간에 따른 복원 저항 지표의 결과에서는 보압 크기와는 다르게 보압 시간과는 상관없이 복원 저항 지표가 0.0018 ± 0.0001 mm･s, 0.0019 ± 0.0001 mm･s, 0.0017 ± 0.0001 mm･s로 일정한 값을 나타내는 것을 확인하였다. 따라서, 냉각 구간에서 복원 저항 지표는 보압 크기에 종속적으로 변하며 비례하는 상관관계를 가지고 있음을 알 수 있다.

Fig. 14

Comparison between index of restore resistance and packing pressure at cooling phase (packing time 2.0 sec)

Fig. 15

Comparison between index of restore resistance and packing pressure at cooling phase (packing pressure 369 bar)

3.5 금형의 변형량 변화와 제품의 수축률 비교

금형의 변형량과 성형품의 품질을 비교하기 위해 제품의 수축률을 측정하였으며 식(2)과 같이 두께 방향의 수축률을 평가하였다.

Where, T_molding denotes thickness of injection-molded product, T_design denotes thickness of designed product

Fig. 16은 제품의 두께 방향 수축률과 사출구간에서 보압절환 시점에서의 최대 금형 변형량을 비교하였다. 최대 금형 변형량이 증가할수록 제품의 수축률은 5.27 ± 0.16%, 3.64 ± 0.08%, 2.93 ± 0.16%로 감소하는 것을 확인할 수 있으며 Fig. 8과 Fig. 9에서 최대 금형 변현량이 최대 사출압력과 보압 크기와 비례 관계이므로 제품의 두께 방향 수축률의 경우, 최대 사출압력과 보압 크기가 증가할수록 감소하는 관계를 가지는 것을 알 수 있다.

Fig. 16

Comparison between thickness shrinkage and maximum mold deformation

Fig. 17은 보압 크기에 따른 제품의 두께 방향 수축률과 보압 구간에서 복원 저항 지표의 상관관계를 표현하였다. 보압 크기가 184 bar에서 369 bar로 증가할수록 복원 저항 지표 값이 증가하고 있으며 제품의 두께 방향 수축률은 5.27 ± 0.16%, 3.64 ± 0.08%, 2.93 ± 0.16%로 감소하고 있다. 보압 크기에 따른 보압 구간에서의 복원 저항 지표에 대한 관계는 Fig. 18에 나타내었으며 보압 시간이 증가할수록 지표 값도 증가하고 제품의 수축률은 7.31 ± 0.12%,. 5.00 ± 0.31%, 2.93 ± 0.16%로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 제품의 두께 방향 수축률은 보압 구간의 복원 저항 지표에 반비례하는 상관관계를 가지고 있음을 알 수 있으며 보압 크기와 보압 시간을 변경함으로써 복원 저항 지표와 이와 관련된 제품의 수축률을 제어할 수 있다. Fig. 19는 냉각 구간에서 보압 크기에 복원 저항 지표와 제품의 두꼐 방향 수츅률의 관계를 나타내었다. 보압 크기가 증가할수록 복원 저항 지표가 증가하였으며 제품의 두께 방향수츅률은 5.27 ± 0.16%, 3.64 ± 0.08%, 2.93 ± 0.16%로 감소하하는 것을 알 수 있다. 그러므로 제품의 두께 방향수축률은 복원 저항 지표값과 반비례하는 상관관계를 가지고 있으며 보압 크기를 변경하면 복원 저항 지표가 비례하며 변하고 이에 따라 제품의 수축률을 종속적으로 제어 가능함을 확인하였다.

Fig. 17

Comparison between thickness shrinkage and index of restore resistance at packing phase according to packing pressure

Fig. 18

Comparison between thickness shrinkage and index of restore resistance at packing phase according to packing time

Fig. 19

Comparison between thickness shrinkage and index of restore resistance at cooling phase according to packing pressure

3.6 제품의 수축률에 따른 금형의 변형량 변화 제어

보압 크기와 보압 시간에 따른 금형의 변형량 변화와 제품의 수축률의 관계를 Table 3에 정리하였다. 사출성형공정에서 최대 금형 변형량은 최대 사출압력과 보압 크기와 비례관계를 가지고 있으며 보압구간에서 복원 저항 지표의 크기는 보압 크기와 보압 시간에 모두 비례한다. 반면, 냉각구간에서 복원 저항 지표의 변화는 보압 크기에만 비레하는 결과를 얻었다. 측정된 금형의 변형량에서 복원 저항 지표는 최대 금형 변형량에서 금형이 초기 상태로 복원되려는 성질에 저항하는 일종의 에너지로 최대 금형 변형량과 복원 저항 지표값이 클수록 금형이 초기 상태로 복원되는데 소요되는 시간이 증가하며 이는 제품의 두께 방향 수축이 더디게 진행되는 것을 의미하여 수축률이 감소한다.

Table 3

Correlation between packing parameter and mold deformation

따라서, 사출성형공정에서의 금형의 변형량 측정 결과를 토대로 제품의 수축률을 감소시키기 위해서는 Fig. 20과 같이 최대 금형 변형량을 증가시키고 보압 구간과 냉각 구간에서의 복원 저항 지표 값을 증가시켜야 한다. 따라서, 최대 사출압력, 보압 크기, 보압 시간을 증가시키는 방향으로 성형조건을 변경해야 제품의 수축률을 감소시킬 수 있으며 변경된 공정 변수에 따른 금형의 변형량에 대해 이전과 비교하여 제품의 수축률을 원하는 값으로 제어할 수 있다. 반대로, 제품의 수축률을 증가시키기 위해서는 Fig. 21과 같이 최대 금형 변형량을 감소키시고 복원 저항 지표를 낮추는 방향으로 성형조건을 제어해야 하며, 해당 결과를 바탕으로 금형의 변형량에 대한 측정 정보는 제품의 원하는 수축률을 얻기 위한 성형조건 변경에 대한 가이드로써 적절한 지표로 판단된다.

Fig. 20

Guide to decrease thickness shrinkage of product through analysis of mold deformation

Fig. 21

Guide to increase thickness shrinkage of product through analysis of mold deformation