[사출금형 성형 기술 실무 (7)] 엣지 게이트-형상과 성형 조건의 최적화
[사출금형 성형 기술 실무 (7)] 엣지 게이트-유동 해석 과정과 성형 기술
이번 연재는 컴퓨터 해석을 기반으로 하는 사출금형 설계의 핵심 기술인 유동시스템 설계를 중심으로 사례를 들어 설명하고, 요소 기술의 특성들을 분석하여 설계자들에게 관련 기술 정보를 제공하고자 한다. 사출성형 기술은 유체 성질에 관한 이론적 배경을 근거로 사출성형의 다양한 파라미터의 특성을 분석하여 성형기술자에게 유익한 정보를 제공할 것이다.
엣지 게이트
제품의 형상과 용도에 따라 다양한 게이트 형상과 적용 방법을 확인했다. 이번에는 디스플레이용으로 많이 사용되고 있는 도광판과 같은 초슬림 투명 성형품을 예로 들어 엣지 게이트의 형상과 성형 조건에 따라 어떤 변화가 일어나는지 전산 모사를 통해 그 정보를 공유하고 최적화 과정을 통해 성형기술의 지식을 함께 나누고자 한다. 이번 최적화 과정에는 몰드플로 유동해석 프로그램과 미니탭 실험계획법의 2k factorial method와 RSM, Taguchi method를 사용했다.
엣지 게이트의 형상은 대표적으로 2가지 형상을 가지고 있다. 하나는 게이트 단면이 일직선으로 되어 있는 형상이고 다른 하나는 게이트 단면이 오목하게 곡면을 가지고 있는 형상이다. 이번 전산 모사에서는 게이트 형상에 따라 각각 3개의 샘플로, 총 6개의 엣지 게이트의 유동 패턴과 특성을 고찰하고자 한다.
그림 1은 게이트 단면이 일직선으로 되어 있는 엣지 게이트 형상으로 두께 0.5mm를 기준으로 게이트 폭이 각각 70mm, 30mm, 15mm이고, 도광판 성형품의 길이는 100mm, 러너부는 30mm로 구분하여 3D 모델을 설계했다. 70mm 폭은 스프루에서부터 완만한 기울기로 게이트 형상을 유지하도록 설계했으며, 기울기가 끝나는 가장자리에서 게이트까지는 5mm의 균일 유동이 일어나도록 했다.
폭 30mm와 15mm의 러너 구간은 6mm와 두께 5mm를 기준으로 했으며, 러너 밑변 부분은 완만한 곡선으로 연결했다. 특히 이번에는 폭 70mm 모델을 샘플로 하여 유동 해석과 성형 조건을 찾아내는 최적화 과정을 과학적 접근 방법으로 솔루션을 제공할 것이다.
그림 1. 엣지 게이트 단면이 일정한 두께를 가진 형상
그림 2는 게이트 단면이 곡선을 가지고 있는 엣지 게이트 형상이다.
그림 2. 엣지 게이트 단면의 두께가 다른 형상
성형 제품의 두께는 1.2mm, 폭 70mm, 길이 100mm를 기준으로 했으며, 러너는 30mm, 게이트 랜드부는 도식적 표현을 감안하여 1mm로 설정했다. 게이트 폭은 70mm로 일정하게 하고, 단 게이트 끝단부 중심부 두께는 0.4mm, 0.6mm, 0.8mm로 변화(표)를 주어 유동특성을 살펴보기로 한다.
표. ‘a’ 향상부의 게이트 두께
엣지 게이트는 일반적으로 두께가 얇고 표면적이 큰 플라스틱 제품을 성형하는데 사용한다. 특히 유동 방향에 따른 두께 방향 수축에 영향을 주는 수지특성이 있기 때문이다. 이런 경우의 성형품은 스프루를 이용한 직접 게이트나 사이드 게이트는 결과적으로 유동 패턴을 매우 불량하게 만들어내 성형 완성도를 충족할 수가 없게 된다. 다수 게이트인 경우에는 가느다란 실선들이 제품에 나타나기 때문에 제품의 특성 상 다수 게이트를 적용할 수 없는 특성을 가지고 있다.
스프루와 러너를 통과하는 수지는 캐비티와 연결된 얇은 단면을 가진 게이트를 통과하게 된다. 실제적으로 얇은 단면 형상의 게이트에서는 게이트 형상에 따라 수지 충전을 조절하는 기능을 한다. 이러한 게이트 랜드부를 통과한 용융 수지는 캐비티 안으로 급속도로 충전이 이루어지는 것이다.
엣지 게이트 형상은 팬 게이트라고도 하며 물고기 지느러미 모양이다. 그림 2는 엣지 게이트로서 게이트 중심부가 좌우 가장자리보다 얇다. 결과적으로 엣지 게이트는 다른 게이트에 비해 더 많은 가공 시간이 필요하며, 그만큼 수지 손실도 많은 게이트 시스템이다.
그러나 유동특성으로 보면 가장 안정적인 특성을 가지고 있어 도광판 같은 특수한 품질특성이 요구되는 제품에는 반드시 적용하기를 추천한다. 단, 특성치가 무엇인지에 따라 성형 조건 최적화 과정은 필수적이라고 할 수 있다.
1. 유동 해석
유동 해석은 플라스틱 수지의 금형 내에서의 온도, 속도, 압력의 계산을 통해 수지의 충전 패턴, 사출압력, 유동 선단 온도, 고화 시간, 웰드라인, 형체력, 수축률 등의 정보를 제공하고 있다. 또한 용융 수지의 유동과 열에 의해 유도된 잔류응력을 계산해, 변형 해석의 입력 값으로 제공한다. 이번 전산 모사 해석 절차는 그림 3과 같으며, 그림 4는 최적화 절차로 이를 기준으로 결과를 얻게 된다.
그림 3. 해석 절차
그림 4. 최적화 절차
위의 절차에 따라 프로젝트 이름을 결정하고 몰드플로우preprocess에서 3D 데이터를 불러온다. 3D 데이터는 *.part, *.igs, *.stp, *.x_t 등의 확장자를 가진 모델을 불러올 수 있다. 물론 불러올 때 스프루 러너 성형품을 일체형으로 불러올 수도 있고, 스프루, 러너, 게이트, 성형품을 각각 특성을 가지고 불러올 수도 있다. 일체형인 경우 한 개의 모델을 인식하기 때문에 메시를 생성하고 오류를 제거하는데 시간적인 장점을 얻을 수 있으나, 성형품과 유동부 각각의 해석 데이터를 확인할 수 없는 단점이 있다.
그림 5는 Mesh statistics를 클릭하면 모델링 창에 생성된 메시의 정보와 수정돼야 할 element의 개수를 확인할 수 있다.
그림 5. Mesh statistics 현황
- Entity counts : 메시에 대한 기본 정보
- Edge details :
■Free edges (0)
■Non-manifold edges (0)
- Orientation details : 0
- Intersection details : 0
- Surface aspect ratio : 0
- Match ratio : 85+
메시 생성이 완료되면 반듯이 확인해야 하는 과정이 있다. 그것은 Mesh statistics 현황이다. 여기서는 메시의 크기는 적절한가, 불량 메시의 수는 많지 않은가 등을 먼저 확인한다. 메시의 크기가 적절하지 않을 경우에는 Undo를 실행하거나 불러들이기를 통해 다시 수행한다. 생성된 메시의 불량이 수정하기 너무 많은 경우에는 여러 가지 형태의 확장자 파일을 각각 불러들여 메시 생성을 하고 비교하여 수정하기에 가장 적합한 모델을 선정한다.
메시의 상태는 Mesh statistics에서 확인할 수 있다. 아래에 언급하는 메시 품질은 반드시 ‘0’이 돼야 한다.
- Free edge & Non- manifold edge
- Element intersection & Over lapping element
- Surface Aspect ratio
- Orientation
박균명 박사 _ 한국생산기술연구원 금형기술센터
