KR20080011981A - 차등 수축률을 이용한 금형설계방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차등 수축률을 이용한 금형설계방법에 관한 것으로서, 특히, 부위별로 각기 다른 수축률을 차등 적용하여 대형 사출 성형물에 대하여 정확한 치수와 형상의 제품을 얻을 수 있는 금형설계방법을 제공하기 위한 것으로서, 제품에 대하여 표면 메시와 3차원 메시를 생성하는 메시생성단계(S1)와; 제품에 대한 미드플레인 해석을 통하여 부위별 차등 수축률을 구분하는 해석단계(S2)와; 상기 해석단계(S2)의 차등 수축률에 따라 상기 메시생성단계(S1)의 3차원 메시를 확장시키는 확장단계(S3)와; 상기 확장단계(S3)에서 확장된 3차원 메시에 표면 메시를 봉합하여 최종면을 형성하는 봉합단계(S4)로 구성되어, 부위별로 각기 다른 수축률을 차등 적용하는 금형설계방법을 통하여 대형 사출 성형물에 대하여 원하는 치수와 형상을 신뢰성 있게 얻을 수 있어 제품에 대한 치수 불량의 개선 및 품질 향상을 꾀하고, 공정 조건의 변화에 따른 제품의 품질 변화를 미리 예측하여 대응할 수 있도록 하는 것이다.

금형, 수축률, 메시

Description

차등 수축률을 이용한 금형설계방법{Mold design method for utilizing a gradation of contraction}

도 1은 본 발명의 차등 수축률을 이용한 금형설계방법을 도시하는 개략적인

흐름도,

도 2는 본 발명의 차등 수축률을 이용한 금형설계방법에 따른

메시생성단계의 3차원 모델, 표면 메시, 그리고 3차원 메시를

나타내는 도,

도 3은 본 발명의 차등 수축률을 이용한 금형설계방법에 따른 해석단계의

미드플레인, MPI, 그리고 그 해석결과를 나타내는 도,

도 4는 본 발명의 차등 수축률을 이용한 금형설계방법에 따른 확장단계의

확장된 3차원 메시를 나타내는 도,

도 5는 본 발명의 차등 수축률을 이용한 금형설계방법에 따른 봉합단계의

표면 메시, 확장된 3차원 메시, 그리고 최종면을 나타내는 도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

S1 : 메시생성단계 S2 : 해석단계

S3 : 확장단계 S4 : 봉합단계

본 발명은 차등 수축률을 이용한 금형설계방법에 관한 것으로서 특히, 부위별로 각기 다른 수축률을 차등 적용하여 대형 사출 성형물에 대하여 정확한 치수와 형상의 제품을 얻을 수 있는 금형설계방법을 제공하기 위한 것으로써, 부위별로 각기 다른 수축률을 차등 적용하는 금형설계방법을 통하여 대형 사출 성형물에 대하여 원하는 치수와 형상을 신뢰성 있게 얻을 수 있어 제품에 대한 치수 불량의 개선 및 품질 향상을 꾀하고, 공정 조건의 변화에 따른 제품의 품질 변화를 미리 예측하여 대응할 수 있는 것에 관한 것이다.

일반적으로 사출성형은 플라스틱합성수지 재료를 용융상태에서 강한 압력을 가하여 코어(core)와 캐비티(cavity)사이의 빈 공간에 주입한 후 냉각시켜 성형품을 만드는 방식이다.

이러한 사출성형의 공정은 플라스틱에 안료·안정제·가소제·충전제 등을 첨가하여 원통형 또는 사각형으로 된 수 mm의 칩으로 만든 컴파운드를 호퍼에 넣고 투입구 바로 앞에 있는 가열실에서 전열(電熱)·고압수증기 등으로 가열한다.

재료에 따라 알맞게 가열하여 플라스틱을 용융상태로 만든 후 피스톤 투입구를 통해 금형 속으로 사출하고, 용융된 플라스틱이 금형의 구석까지 흘러 들어가서 냉각된 후, 금형은 두 짝으로 갈라져서 굳은 플라스틱을 밖으로 꺼내게 된다.

사출성형 제품이 설계된 후 금형이 설계되는데 금형의 치수는 사출성형 제품의 치수에 해당 플라스틱 합성수지의 재료의 일정 수축률만큼의 치수를 모든 제품 치수에 더하여 결정된다.

그러나, 플라스틱 합성수지가 용융상태에서 금형에 주입되는 과정에서 냉각속도 차이, 수지 분자의 배향 정도 등에 따라 제품 부위별로 수축률이 달라지게 되며, 크기가 작은 제품에서는 수축량의 차이가 제품의 최종 치수에 큰 영향을 주지 않지만 대형 제품의 경우에는 타 부품과의 조립성에서 심각한 불량 요인이 되고 있다.

종래에는 금형 설계에 적용하는 전체적인 수축률을 조절하여 최종치수가 적정 범위에 위치할 수 있도록 조치하거나, 금형의 일부를 변경하는 방법으로 치수 불량 문제에 대처하고 있으나, 금형을 수정할 때에도 정확한 근거가 없는 시행착오를 통한 방법 이외에 별다른 대안이 없어 제품을 개발하는 기간이 증가하게 되는 기술상의 문제점이 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 부위별로 각기 다른 수축률을 차등 적용하는 금형설계방법을 통하여 대형 사출 성형물에 대하여 원하는 치수와 형상을 신뢰성 있게 얻을 수 있어 제품에 대한 치수 불량의 개선 및 품질 향상을 꾀하고, 공정 조건의 변화에 따른 제품의 품질 변화를 미리 예측하여 대응할 수 있도록 하는 차등 수축률을 이용한 금형설계방법을 제공하고자 한다.

이러한 본 발명은 제품에 대하여 표면 메시와 3차원 메시를 생성하는 메시생성단계와; 제품에 대한 미드플레인 해석을 통하여 부위별 차등 수축률을 구분하는 해석단계와; 상기 해석단계의 차등 수축률에 따라 상기 메시생성단계의 3차원 메시를 확장시키는 확장단계와; 상기 확장단계에서 확장된 3차원 메시에 표면 메시를 봉합하여 최종면을 형성하는 봉합단계로 구성함으로써 달성된다.

도 1은 본 발명의 차등 수축률을 이용한 금형설계방법을 도시하는 개략적인 흐름도이며, 도 2는 본 발명의 차등 수축률을 이용한 금형설계방법에 따른 메시생성단계의 3차원 모델, 표면 메시, 그리고 3차원 메시를 나타내는 도이고, 도 3은 본 발명의 차등 수축률을 이용한 금형설계방법에 따른 해석단계의 미드플레인, MPI, 그리고 그 해석결과를 나타내는 도이다.

그리고, 도 4는 본 발명의 차등 수축률을 이용한 금형설계방법에 따른 확장단계의 확장된 3차원 메시를 나타내는 도이며, 도 5는 본 발명의 차등 수축률을 이용한 금형설계방법에 따른 봉합단계의 표면 메시, 확장된 3차원 메시, 그리고 최종면을 나타내는 도이다.

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 차등 수축률을 이용한 금형설계방법은 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 크게 메시생성단계(S1), 해석단계(S2), 확장단계(S3), 그리고 봉합단 계(S4)로 이루어져 성형하고자 하는 제품을 해석한 후, 각 부위별 수축률을 등급으로 구분하여 차등 수축률을 적용함으로써, 비교적 크기 큰 사출성형물을 성형하기 위한 금형을 보다 정확하게 설계할 수 있는 것을 그 기술상의 기본 특징으로 한다.

이하 본 발명의 차등 수축률을 이용한 금형설계방법에 대한 각 단계를 하나씩 상세히 살펴보면 다음과 같다.

우선, 메시생성단계(S1)는 사출 성형하고자 하는 제품에 대한 3차원 모델(도 2의 (a)참조)을 이용하여 표면 메시(surface mesh)(도 2의 (b)참조)와 3차원 메시(3D mesh)(도 2의 (c)참조)를 생성하는 전처리 단계(pre process)이다.

이러한, 메시생성단계(S1)에서는 제품에 대한 표면 메시를 먼저 생성시킨 후, 이 표면 메시를 기준으로 그 내부의 3차원 메시를 생성하는 것으로, 이에 따라 상기 표면 메시의 노드는 3차원 메시의 표면에 위치하는 노드와 일치하게 된다.

여기에서, 상기 3차원 메시는 이후에 열 응력 해석을 위하여 사용되며, 상기 표면 메시는 3차원 메시를 이용하여 열 응력 해석을 진행한 후, 변형된 노드의 위치 정보를 이용하여 최종면을 재 생성하는 데 사용된다.

그리고, 상기 메시생성단계(S1)와 병행되는 해석단계(S2)는 제품에 대한 3차원 모델로부터 얻어낸 미드플레인(도 3의 (a)참조)으로 해석을 수행하여, 제품에 대한 부위별 차등 수축률을 구분하게 된다.

즉, 해석단계(S2)에서는 제품에 대한 3차원 모델로부터 상면부 외형면을 따내어 2차원 2D와 3차원 3D의 중간인 2.5D 해석을 위한 미드플레인을 작성한 후, 이 미드플레인으로부터 MPI(도 3의 (b)참조)를 생성한다.

이후, 2.5D 모델에 대한 해석 모듈을 이용해 해석을 수행하여 체적 수축률을 얻어내어, 각각의 요소가 가진 체적 수축률에 따라 등급을 구분하여 결정하게 된다(도 3의 (c)참조).

이때, 상기 해석단계(S2)에서는 체적수축률을 수 개의 등급으로 구분하여, 해당 등급의 체적수축률 평균값을 3으로 나누어 선수축률을 얻으며, 이 선수축률을 통하여 실제 수축률을 구하는 것이 바람직하다.

상기한 실제 수축률은 실제 제품의 수축률 측정결과와 해석결과와의 상관도 분석을 통해 얻어낸 1차의 상관식으로 구해지는데, 이 상관식은 아래와 같다.

실제 수축률 = ( A × 해석 수축률 ) + B

여기에서 A와 B는 각각 상수로 본 발명에서 실시한 차량의 대시패널의 경우 A는 0.111, 그리고 B는 0.8035로 나타났다.

예를 들면, 체적 수축률이 0%부터 10%까지 분포되어 2%마다 등급을 구분하여 모두 다섯 등급으로 나누고, 특정 요소의 체적 수축률의 해석 값이 3.5%라고 가정하며, 상기 상관식의 상수인 A는 0.111, B는 0.8035라 하자.

이러한 경우, 이 요소의 체적 수축률은 3.5%로 2%~4%구간에 해당되며, 그 평균값인 3%를 3으로 나누어 1%의 선수축률을 얻게 된다.

이 1%의 선수축률을 상기한 상관식에 해석 수축률로 대입하면, 아래와 같이 실제 수축률은 0.009145로 구해지는 것이다.

실제 수축률 = ( 0.111 × 1% ) + 0.8035 = 0.9145% = 0.009145

이와 동일하게, 각 요소에 대한 실제 수축률인 차등 수축률을 구할 수 있는 것이다.

상기와 같이 각 요소의 차등 수축률을 구하는 해석단계(S2) 이후에, 확장단계(S3)에서는 상기 해석단계(S2)의 차등 수축률에 따라 상기 메시생성단계(S1)의 3차원 메시를 확장시키게 된다(도 4 참조).

즉, 확장단계(S3)에서는 3차원 메시의 각 요소로부터 가장 인접한 요소를 찾아 물성값 중 열팽창계수를 차등 수축률로 변경하고, 선형적인 열 응력 해석을 통하여 각 노드의 확장된 좌표값을 구하는 것이다.

따라서, 열 응력 해석을 진행할 온도차는 100도를 기준으로 하여, 해당 요소의 위치를 파악하기 위해 중심위치를 계산하고 2.5D 요소 중 가장 가까운 요소를 찾아 수축률 등급을 읽어, 차등 수축률을 온도차 100으로 나누어 구한 열팽창계수로 물성값을 바꾼 후 열 응력 해석을 실시하게 되는 것이다.

예를 들면, 소정 요소의 차등 수축률이 0.009145인 경우 100으로 나누어 해당 요소의 열팽창계수를 0.00009145로 교체하여 열 응력 해석을 수행하는 것이다.

이후, 봉합단계(S4)에서는 상기 확장단계(S3)에서 확장된 3차원 메시(도 5의 (b)참조)에 표면 메시(도 5의 (a)참조)를 봉합하여 최종면(도 5의 (c)참조)을 형성하게 된다.

이때, 상기 봉합단계(S4)에서는 각 노드의 확장된 좌표값으로부터 3차원 표면인 최종면을 생성하는 것이다.

이는 상용 소프트웨어인 'Rapidform 2006'이나 Imageware의 'Reverse Engineering Tool' 등을 사용할 수 있으며, 이를 통하여 IGES형식의 표면 정보를 얻을 수 있게 된다.

따라서, 본 발명의 차등 수축률을 이용한 금형설계방법은 비교적 크기가 커 열 수축에 의한 영향을 많이 받는 제품에 대한 금형 설계 시, 제품 각 부위에 대한 차등 수축률을 이용하여 금형을 설계함으로써, 보다 정확한 치수의 성형품을 생산해 낼 수 있게 된다는 탁월한 이점을 가진 발명인 것이다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명의 범위는 상기의 도면이나 실시예에 한정되지 않는다.

이상과 같은 본 발명은 부위별로 각기 다른 수축률을 차등 적용하는 금형설계방법을 통하여 대형 사출 성형물에 대하여 원하는 치수와 형상을 신뢰성 있게 얻을 수 있어 제품에 대한 치수 불량의 개선 및 품질 향상을 꾀하고, 공정 조건의 변화에 따른 제품의 품질 변화를 미리 예측하여 대응할 수 있는 발명인 것이다.

Claims (5)

1. 제품에 대하여 표면 메시와 3차원 메시를 생성하는 메시생성단계와;

   제품에 대한 미드플레인 해석을 통하여 부위별 차등 수축률을 구분하는 해석단계와;

   상기 해석단계의 차등 수축률에 따라 상기 메시생성단계의 3차원 메시를 확장시키는 확장단계와;

   상기 확장단계에서 확장된 3차원 메시에 표면 메시를 봉합하여 최종면을 형성하는 봉합단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 차등 수축률을 이용한 금형설계방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 메시생성단계에서는 제품에 대한 표면 메시 생성 후, 이 표면 메시를 기준으로 그 내부의 3차원 메시를 생성하는 것을 특징으로 하는 차등 수축률을 이용한 금형설계방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 해석단계에서는 체적수축률을 수 개의 등급으로 구분하여, 해당 등급의 체적수축률 평균값을 3으로 나누어 선수축률을 얻으며, 이 선수축률을 통하여 실제 수축률을 구하는 것을 특징으로 하는 차등 수축률을 이용한 금 형설계방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 확장단계에서는 3차원 메시의 각 요소로부터 가장 인접한 요소를 찾아 물성값 중 열팽창계수를 차등 수축률로 변경하고, 선형적인 열 응력 해석을 통하여 각 노드의 확장된 좌표값을 구하는 것을 특징으로 하는 차등 수축률을 이용한 금형설계방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 봉합단계에서는 각 노드의 확장된 좌표값으로부터 3차원 표면인 최종면을 생성하는 것을 특징으로 하는 차등 수축률을 이용한 금형설계방법.

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