KR100517529B1 - Injection Molding Method Using Optimized Ram-Speed Profile Calculated by Numerical Analysis - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수치해석을 이용하여 얻어진 최적 램-속도 분포를 이용한 성형품의 물성을 균일하게 하는 사출성형방법에 관한 것이다.The present invention relates to an injection molding method for uniformizing the physical properties of a molded article using an optimum ram-speed distribution obtained using numerical analysis.
본 발명이 제시하는 수치해석을 이용하여 얻어진 최적 램-속도 분포를 이용한 성형품의 물성을 균일하게 하는 사출성형방법은, 주어진 사출성형재료에 대한 열적 물성 및 점도를 측정하는 실험단계;와 상기 실험단계에서 측정된 사출성형재료에 대한 열적 물성 및 점도를 이용하여 상기 실험단계에서 주어진 사출성형조건에 대해서 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 성형품의 물성을 균일하게 하는 최적 램-속도 분포를 계산하는 수치해석단계;와 계산된 최적 램-속도 분포를 이용하여 사출성형기에 인터페이스하여 실제 사출성형공정에 대한 적용하는 적용단계;로 구성된 것을 특징으로 한다.The injection molding method for uniformizing the physical properties of a molded article using the optimum ram-speed distribution obtained by using the numerical analysis proposed by the present invention includes: an experimental step of measuring thermal properties and viscosity of a given injection molded material; and the experimental step The numerical analysis step of calculating the optimum ram-speed distribution that makes the properties of the molded part uniform through computer simulation for the injection molding conditions given in the experimental step using the thermal properties and the viscosity of the injection molded material measured in Interface to the injection molding machine using the optimum ram-speed distribution has been applied to apply to the actual injection molding process; characterized in that consisting of.
Description
본 발명은 수치해석을 이용하여 얻어진 최적 램-속도 분포를 이용한 성형품의 물성을 균일하게 하는 사출성형방법에 관한 것이다. 사출성형공정에서 나타나는 치수적인 불량은 사출성형공정 중 충전과정에서 형성되는 사출성형품의 물성에 크게 좌우된다. 사출성형공정에서 충전과정 뒤에 따라오는 보압과정, 냉각과정 및 취출과정에서 일어나는 사출성형품의 수축 및 변형이 잘못되었을 때 결과적으로 치수적인 불량이 발생한다. 이러한 수축과 변형은 보압과정과 냉각과정에서 발생하는 압력과 온도의 분포차이 뿐아니라 이러한 압력과 온도의 분포차이가 수축과 변형을 일으키게 하여 사출성형품의 물성에도 크게 영향을 준다. 그러므로 사출성형품에서 물성을 균일하게 구현하는 최적 램-속도 분포는 실제 사출성형품 설계 및 공정조건설계에 있어서 매우 중요한 일이라고 할 수 있다.The present invention relates to an injection molding method for uniformizing the physical properties of a molded article using an optimum ram-speed distribution obtained using numerical analysis. Dimensional defects in the injection molding process are largely dependent on the properties of the injection molded products formed during the filling process during the injection molding process. In the injection molding process, when the shrinkage and deformation of the injection molded product occurring during the packing process, the cooling process, and the ejecting process following the filling process are incorrect, dimensional defects occur as a result. Such shrinkage and deformation are not only the distribution of pressure and temperature in the packing and cooling processes, but also the distribution and distribution of pressure and temperature cause shrinkage and deformation, which greatly affects the properties of the injection molded article. Therefore, the optimum ram-speed distribution for uniformly realizing the properties in the injection molded product is very important for the actual injection molded product design and the process condition design.
이렇게 사출성형품에서 물성을 균일하게 구현하기 위하여 사출성형기의 사출속도를 변화할 수 있도록 설계하는데 이 사출속도를 조절한 분포가 램-속도분포이다. 사출성형기의 사출속도 조절기술이 향상됨에 따라 최근에는 약 30단계의 램-속도를 조절할 수 있는 사출성형기들이 출시되고 있다. 특히, 유압시스템에서의 조절한계가 전기시스템에 의해서 극복되고 있다. 그러나, 현재 기술로는 램-속도 분포를 변화시켜 사출성형품의 물성을 어느 정도 균일하게 할 수는 있으나 이상적인 균일도를 갖는데 한계가 있어 사출품의 물성 균일도에 문제점이 있었다.In order to realize the properties of the injection molded product uniformly, the injection speed of the injection molding machine is designed to be changed. The distribution controlled by the injection speed is the ram-speed distribution. As the injection speed control technology of the injection molding machine is improved, injection molding machines capable of controlling ram speeds of about 30 stages have recently been released. In particular, control limits in hydraulic systems are being overcome by electrical systems. However, with the current technology, although the physical properties of the injection molded product can be uniformed to some extent by changing the ram-speed distribution, there is a problem in the physical property uniformity of the injection molded product because there is a limit to the ideal uniformity.
따라서 본 발명인 이러한 기존 기술의 한계를 극복하기 위해서 컴퓨터에 의한 수치해석으로 나온 결과를 사출성형기에 접목하여 분말사출성형 공정을 포함한 모든 사출성형공정에서 성형품의 물성을 균일하게 하는 사출성형방법을 제시하고자 한다. Therefore, in order to overcome the limitations of the existing technology of the present invention, by incorporating the results of numerical analysis by computer into the injection molding machine, to present an injection molding method to uniform the physical properties of the molded product in all injection molding processes, including powder injection molding process do.
이하 도면을 참고로 설명을 한다.Hereinafter, a description will be given with reference to the drawings.
제1도는 본 발명인 수치해석을 이용하여 얻어진 최적 램-속도 분포를 이용한 성형품의 물성을 균일하게 하는 사출성형방법을 나타내는 플로차트이다.FIG. 1 is a flowchart showing an injection molding method for making the physical properties of a molded article uniform using the optimum ram-speed distribution obtained by using the numerical analysis of the present invention.
제2도는 본 발명의 효과를 설명하기 위하여 실험에서 사용된 사출금형을 나타내는 것으로, 그림에서 보는 바와 같이 스프루(1), 러너(3), 게이트(2), 락(4) 및 제품(5)으로 이루어져 있다.2 shows the injection mold used in the experiment to explain the effect of the present invention, as shown in the figure, sprue (1), runner (3), gate (2), lock (4) and product (5). )
제3도는 최적화되기 이전 램-속도 분포의 한 예를 나타낸 것이다.3 shows an example of ram-speed distribution before optimization.
제4도는 제3도에서 사용된 램-속도 분포를 이용한 충전시 속도 분포이다.4 is a speed distribution during charging using the ram-speed distribution used in FIG.
도면에서 알 수 있는 바와 같이 매우 편차가 큼을 알 수 있다.As can be seen from the figure, it can be seen that the deviation is very large.
제5도는 제3도에서 사용된 램-속도 분포를 이용한 충전 시 사출품의 온도 분포이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이 사출온도가 섭씨 160도인 경우, 약 섭씨 40도 정도의 온도가 떨어진 것을 알 수 있다.FIG. 5 is the temperature distribution of the injection product during filling using the ram-speed distribution used in FIG. As can be seen in the figure, when the injection temperature is 160 degrees Celsius, it can be seen that the temperature of about 40 degrees Celsius has dropped.
제6도는 본 발명의 효과를 설명하기 위하여 최적화된 실험에서 사용된 일정한 램-속도 분포를 나타낸다.6 shows the constant ram-speed distribution used in the optimized experiments to illustrate the effect of the present invention.
제7도는 본 발명의 효과를 설명하기 위하여 제6도에서 사용된 램-속도 분포를 이용한 충전시 속도 분포를 나타낸다. 매우 균일한 속도분포임을 알 수 있다.FIG. 7 shows the speed distribution during charging using the ram-speed distribution used in FIG. 6 to illustrate the effect of the present invention. It can be seen that the velocity distribution is very uniform.
제8도는 본 발명의 효과를 설명하기 위하여 제6도에서 사용된 램-속도 분포에 대한 충전 시 온도 분포이다. 사출온도가 섭씨160도 인 경우 약 10도 정도의 온도가 떨어진 것을 알 수 있다.FIG. 8 is the temperature distribution at charging for the ram-speed distribution used in FIG. 6 to illustrate the effect of the present invention. If the injection temperature is 160 degrees Celsius, it can be seen that the temperature dropped about 10 degrees.
제1도의 각 단계를 상세 설명하면 다음과 같다.Each step of FIG. 1 is described in detail as follows.
1단계: 사출성형재료를 선정하는 단계Step 1: Select Injection Molding Material
2단계: 주어진 사출성형재료에 대한 밀도, 점도, 열적 특성 등의 물성을 측정하는 단계 (본 측정 물성 자료는 CAE(Computer Aided Engineering) 해석의 입력자료로 사용됨)Step 2: Determination of properties such as density, viscosity, and thermal properties for a given injection molding material (These properties are used as input for Computer Aided Engineering (CAE) analysis.)
3단계: 주어진 사출성형재료에 대해 제품 및 금형을 설계하는 단계Step 3: design the product and mold for a given injection molding material
4단계: 주어진 사출성형재료와 제품 및 금형 설계에 대해 공정조건을 설계하는 단계Step 4: Design process conditions for the given injection molding material and product and mold design
5단계: 1∼4단계의 조건에 대한 CAE 해석을 실행하는 단계Step 5: run CAE analysis of the conditions in steps 1-4
6단계: CAE를 통한 최적 램-속도 분포를 구하는 단계Step 6: get optimal ram-speed distribution through CAE
7단계: 6단계의 최적 램-속도 분포를 사출성형기에 인터페이스하는 단계Step 7: Interface the optimal ram-speed distribution in 6 steps to the injection molding machine
8단계: 7단계에서 사출성형기에 인터페이스된 최적 램-속도 분포를 실제 사출성형에 적용하는 단계Step 8: Apply the optimum ram-speed distribution interfaced to the injection molding machine in step 7 to the actual injection molding
상기에서 기술된 본 발명이 제시하는 수치해석을 이용하여 얻어진 최적 램-속도 분포를 이용한 성형품의 물성을 균일하게 하는 사출성형방법은 크게 실험단계, 수치해석단계, 적용하는 단계로 구분될 수 있다.The injection molding method for uniformizing the physical properties of the molded article using the optimum ram-speed distribution obtained by using the numerical analysis proposed by the present invention described above can be largely divided into an experimental step, a numerical analysis step, and an applying step.
첫째, 실험단계(그림1에서 "사출재료"단계부터 "기본공정조건설계"단계까지 임)는 주어진 사출재료에 대하여 다음 단계인 수치해석 단계에서 필요한 데이터인 열적 물성 및 점도를 측정하는 실험과정과 제품, 금형 및 공정조건을 설계하는단계이다. 본 실험에서 사용된 분말/바인더 혼합체는 주어진다. 제2도는 본 실험에서 사용된 사출금형을 나타내는데, 그림에서 보는 바와 같이 스프루(1), 러너(3), 게이트(2), 락(4) 및 제품(5)으로 이루어져 있다. 본 설계과정에서 최적 제품 설계, 최적게이트 개수 및 위치, 최적사출시간, 최적보압분포, 최적냉각설계 등의 개념이 적용될 수 있다.First, the experimental phase (from the "injection material" phase to the "basic process condition design" phase in Fig. 1) consists of an experimental procedure for measuring the thermal properties and viscosity, which are data required for the next step, the numerical analysis step, for a given injection material. This is the step to design the product, mold and process condition. The powder / binder mixture used in this experiment is given. 2 shows the injection mold used in this experiment, as shown in the figure, which consists of a sprue (1), a runner (3), a gate (2), a lock (4) and a product (5). In this design process, concepts such as optimal product design, optimal number and location of gates, optimal injection time, optimal pressure distribution, and optimal cooling design can be applied.
둘째, 수치해석단계(그림 1에서 "CAE(computer aided engineering) 해석"단계부터 "최적 램-속도 분포" 단계까지임)는 실험에서 실시한 실제 사출성형조건에 대하여 컴퓨터를 이용하여 수치해석을 수행하는 것이다. 수치해석을 수행하기 위하여 필요한 자료는 상기 실험단계에서 사용된 형상자료, 공정조건자료 및 상기 실험단계에서 측정된 사출재료의 물성자료 세 가지이다. 수치해석에 사용하는 형상자료는 제2도와 같이 상기 실험단계에서 설계된 금형의 형상자료를 이용한다. 성형조건자료는 상기 실험단계에서 설계된 것과 동일한 값을 이용한다. 마지막으로 분말사출재료의 물성자료는 상기 실험단계에서 측정한 사출재료에 대한 열적 물성 및 점도 등의 자료를 이용한다. 상기 입력자료를 이용하여 수치해석을 통하여 실험으로 구하기 어려운 온도, 속도, 점도, 전단변형률 및 전단응력 등을 계산하고 다음의 식을 이용하여 최적-램 속도 분포를 구하는 것이다.Second, the numerical analysis step (from the "computer aided engineering (CAE) analysis to the" optimal ram-speed distribution "phase in Fig. 1) is to perform numerical analysis using a computer for the actual injection molding conditions in the experiment. will be. The data required for performing the numerical analysis are three types of shape data, process condition data, and material properties of the injection material measured in the experimental step. The shape data used for the numerical analysis uses the shape data of the mold designed in the experimental step as shown in FIG. The molding condition data uses the same values as designed in the experimental step. Finally, the material properties of the powder injection material are used, such as the thermal properties and viscosity of the injection material measured in the experimental step. Using the input data, the temperature, velocity, viscosity, shear strain and shear stress, etc., which are difficult to obtain experimentally through numerical analysis, are calculated and the optimum-ram speed distribution is obtained using the following equation.
여기서 V는 유동선단의 속도를, Q는 사출유량을, A는 유동선단의 단면적을 각각 나타낸다. 본 발명의 목적은 유동선단의 속도 V를 일정하게 하는 것을 목표로 하고 있는데 그렇게 하기 위해서는 유동선단의 단면적 A를 CAE를 통하여 계산하여 계산된 유동선단의 단면적 A와 정확하게 비례하도록 사출유량 Q를 조정함으로써 구현할 수 있다. 즉, 본 단계에서 CAE의 결과는 균일한 유동선단의 속도 V를 구현할 수 있는 사출유량 Q의 사출시간에 따른 분포 즉 램-속도 분포이다.Where V is the velocity of the flow tip, Q is the injection flow rate, and A is the cross-sectional area of the flow tip. An object of the present invention aims to make the velocity V of the flow tip constant. To do so, by adjusting the injection flow rate Q so that the cross-sectional area A of the flow tip is calculated by CAE and accurately proportional to the cross-sectional area A of the flow tip calculated. Can be implemented. That is, the result of CAE in this step is the distribution according to the injection time of the injection flow rate Q which can realize the velocity V of the uniform flow front, that is, the ram-speed distribution.
셋번째 단계인 적용하는 단계는, 두 번째 단계에서 구한 최적-램 속도 분포하여 실제 사출성형공정에 적용하는 단계이다. 구해진 최적-램 속도 분포를 사출성형기에 실제 인터페이스 하여 사출성형공정에 적용하는 것이다. 제2도의 금형에 대하여 제3도의 일정한 램-속도분포와 제6도의 최적 램-속도 분포의 결과를 살펴보면, 힘과 관련된 최대사출압력, 최대형체력 및 최대전단응력은 약 13% 정도 감소하였으며, 온도와 관련된 유동선단에서의 최대온도차 및 고화층의 두께는 각각 70%와 50% 감소하였으며, 유동선단 속도의 표준편차는 90% 정도 향상되었다.The third step, the applying step, is the step of applying the optimum ram speed distribution obtained in the second step to the actual injection molding process. The optimal ram speed distribution obtained is actually interfaced to the injection molding machine and applied to the injection molding process. As a result of the constant ram-speed distribution of FIG. 3 and the optimum ram-speed distribution of FIG. 6 for the mold of FIG. 2, the maximum injection pressure, maximum clamping force and maximum shear stress related to the force decreased by about 13%. The maximum temperature difference and the solidified bed thickness decreased by 70% and 50%, respectively, and the standard deviation of the flow tip velocity was increased by 90%.
상기 본 발명의 사출성형방법은 사출성형품의 품질을 균일하게 할 수 있고, 또한, 에너지 사용을 최적화하는 등 실제 공정 큰 장점이 잇는 것이다.The injection molding method of the present invention can make the quality of the injection molded product uniform, and also has great advantages in the actual process such as optimizing energy use.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 수치해석을 이용하여 얻어진 최적 램-속도 분포를 이용한 성형품의 물성을 균일하게 하는 사출성형방법은 다음과 같은 장점이 있다.As described above, the injection molding method of making the physical properties of the molded product uniform using the optimal ram-speed distribution obtained by using the numerical analysis according to the present invention has the following advantages.
첫째, 실제 사출성형공정에서 사출압력, 형체력 등을 최소화하여 사출성형공정에 사용하는 에너지를 최소화하고, 사출성형재료에 가해지는 힘이 최소화되어 변형, 충전 시 전단응력, 잔류응력 등을 최소화하고, 사출성형기에 가해지는 반발력도 최소화하여 사출성형기의 수명을 연장할 수 있다.First, in the actual injection molding process, the injection pressure and clamping force are minimized to minimize the energy used in the injection molding process, and the force applied to the injection molding material is minimized to minimize the shear stress and residual stress during deformation and filling. The repulsive force exerted on the injection molding machine can also be minimized to extend the life of the injection molding machine.
둘째, 사출성형공정에서 온도분포를 균일하게 하여 효율적인 에너지 사용이 되게 하고, 온도편차에 대한 변형을 최소화 할 수 있고, 성형품 구조 내의 분자배향 등을 일정하게 하여 균일한 성형품의 물성을 얻게 함으로써 사출성형품의 변형을 최소화한다. 특히, 분말사출성형 등 온도에 민감한 사출성형기술에서는 이러한 효과가 더욱 커질 것이다.Second, in the injection molding process, the temperature distribution can be made uniform so that efficient energy use can be achieved, deformation to temperature deviation can be minimized, and the molecular orientation in the structure of the molded product can be uniform to obtain uniform molded product properties. Minimize deformation. In particular, in the temperature-sensitive injection molding technology, such as powder injection molding, this effect will be even greater.
셋째, 충전 속도를 균일하게 함으로써 분자배향이 일정하게 되어 균일한 성형품의 물성을 얻을 수 있어 사출성형품의 변형을 최소화할 수 있다.Third, by uniformizing the filling rate, the molecular orientation becomes constant, thereby obtaining uniform physical properties of the molded article, thereby minimizing deformation of the injection molded article.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the technical spirit of the present invention.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the embodiments, but should be defined by the claims.
도 1 은 본 발명에 따른 사출성형기에서 수치해석을 이용하여 성형품의 물성을 균일하게 하는 최적 램-속도 분포를 구현하는 플로 차트.1 is a flow chart for implementing an optimum ram-speed distribution to uniform the physical properties of the molded article using a numerical analysis in the injection molding machine according to the present invention.
도 2 는 본 발명에 따른 효과를 설명하기 위한 금형 형상의 예2 is an example of a mold shape for explaining the effect according to the present invention;
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 스프루 2 : 게이트1: sprue 2: gate
3 : 러너 4 : 락3: runner 4: rock
5 : 제품5: product
도 3 은 일반적인 기존 기술의 램-속도 분포의 예3 is an example of a ram-speed distribution of a typical prior art.
도 4 는 일반적인 기존 기술의 램-속도 분포에 의한 유동선단속도 분포의 예4 is an example of flow front velocity distribution by the ram-speed distribution of a conventional conventional technique.
도 5 는 일반적인 기존 기술의 램-속도 분포에 의한 온도분포의 예5 is an example of a temperature distribution by the ram-speed distribution of a conventional conventional technique.
도 6 은 본 발명에 의한 최적 램-속도 분포의 예6 is an example of an optimum ram-speed distribution according to the present invention.
도 7 은 본 발명에 의한 최적 램-속도 분포에 의한 유동선단속도 분포의 예7 is an example of flow front speed distribution by the optimum ram-speed distribution according to the present invention.
도 8 는 본 발명에 의한 최적 램-속도 분포에 의한 온도분포의 예8 is an example of temperature distribution with an optimum ram-speed distribution according to the present invention.
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