KR20140139251A - 사출성형해석용 점도계수 도출을 위한 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

사출성형해석용 점도계수 도출을 위한 장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스파이럴 금형을 이용한 사출 성형 해석용 점도 계수인 PDV(Pressure Dependent Viscosity)계수의 도출 방법에 관한 것으로서, FST(Flow Spiral Test) 금형을 이용하여 실제 사출을 진행한 후, 유동 길이 및 금형 내부 압력을 CAE(Computer Aided Engineering) 결과와 비교 검증하여, 이 비교 결과로부터 PDV계수를 실험적으로 도출한다. 이를 통해 FST(Flow Spiral Test)를 이용한 트라이얼 앤 에러(Trial &　Error) 기법으로 PDV계수를 자체적으로 도출하여 독자적으로 레진 데이터베이스의 구축에 기여할 수 있다.

Description

사출성형해석용 점도계수 도출을 위한 장치 및 그 제어방법 { The apparatus to draw the pressure dependent viscosity coefficient used injection molding and the control method of the same }
성형해석 정확도 향상을 위해 고려해야하는 PDV(Pressure Dependent Viscosity) 계수를 도출하기 위한 장치에 관한 발명이다.
사출성형은 플라스틱 성형법의 하나로서 가열한 실린더 속에 열가소성 수지를 가열, 유동화하여 이것을 사출 램으로 금형 속에 넣고 플런저로 압입하여 사출하는 성형법을 말한다.
사출금형은 크게 공정부와 가동부로 나누어지며, 구체적으로 성형재료를 금형 캐비티 내에 사출, 충진시켜서 성형품을 얻기 위한 캐비티부, 용융된 재료를 성형기의 노즐로부터 캐비티까지 인도하는 유동기구, 성형품을 금형으로부터 빼내기 위한 이젝터 기구, 금형의 온도를 조절하기 위한 온도조절부, 금형을 성형기에 붙이기 위한 부착부, 이것을 유지하기 위한 전체적인 프레임인 몰드베이스 등으로 나누어진다.
이 때, 성형해석 정확도 향상을 위해 PDV 계수를 고려하여아 한다. PDV 계수는 수지 점도함수의 압력관련 계수로 보다 정확한 PDV 계수를 도출하기 위한 장치에 관한 것이다.
PDV계수를 제품의 특성 및 해석 솔버에 따라 자체 피팅하기 위한 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 장치는, 플로우 스파이럴 테스트 결과 도출한 스파이럴 금형 내부에서 원재료의 유동 길이 및 금형에 작용하는 압력의 실제값이 저장된 메모리부 및 PDV 계수를 입력받아 CAE를 진행하여 스파이럴 금형 내부에서 원재료의 유동 길이 및 금형에 작용하는 압력의 해석값을 도출하고, 실제값 및 해석값을 비교하여 미리 설정된 기준에 도달하지 못하면 PDV 계수를 변경하여 반복하여 CAE를 진행하는 제어부를 포함한다.
또한, 스파이럴 금형은, 내부를 흐르는 원재료의 온도 및 금형 내부 압력을 측정하기 위해 하나 이상의 온도/압력 센서를 포함할 수 있다.
또한, 스파이럴 금형은, 속이 빈 원통형 호스 형상을 나선 형태로 감아놓은 원판 모양의 형상일 수 있다.
또한, 미리 설정된 기준은 해석값에 대한 실제값이 90퍼센트 이상인 것을 포함하며, 제어부는 미리 설정된 기준에 도달하면 CAE 진행시 입력된 초기 PDV 계수를 원재료의 PDV 계수로 채택할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 장치의 제어방법은, 플로우 스파이럴 테스트 결과 도출한 스파이럴 금형 내부에서 원재료의 유동 길이 및 금형에 작용하는 압력의 실제값이 저장된 메모리부를 포함하는 장치에 있어서, PDV 계수의 초기값을 입력받아 CAE를 진행하고, 스파이럴 금형 내부에서 원재료의 유동 길이 및 금형에 작용하는압력의 해석값을 도출하고, 실제값 및 해석값을 비교하여 미리 설정된 기준에 도달하지 못하면 PDV 계수를 변경하여 반복하여 CAE를 진행하는 것을 포함한다.
또한, 메모리부의 실제값을 도출하기 위해 플로우 스파이럴 테스트 수행시 사용하는 스파이럴 금형은, 내부를 흐르는 원재료의 온도 및 금형 내부 압력을 측정하기 위해 하나 이상의 온도/압력 센서를 포함할 수 있다.
또한, 스파이럴 금형은, 속이 빈 원통형 호스 형상을 나선 형태로 감아놓은 원판 모양의 형상일 수 있다.
또한, 미리 설정된 기준은 해석값에 대한 실제값이 90퍼센트 이상인 것을 포함하며, 미리 설정된 기준에 도달하면 CAE 진행시 입력된 초기 PDV 계수를 원재료의 PDV 계수로 채택하는 것일 수 있다.
PDV 계수를 고려 하는지의 여부에 따라 CAE(Computer aided engineering)의 해석 결과의 정확도 차이가 매우 크게 나타난다. 특히, 유동길이가 길고 높은 사출압력이 요구되는 경우 성형해석 수행시 PDV 계수가 절대적인 영향이 있다.
본 발명은 FST(Flow Spiral Test)를 이용한 Trial &　Error 기법으로 PDV 계수를 자체 피팅하여 성형해석의 정확도 및 신뢰도 향상에 기여할 수 있다.
도 1은 금형유로 내부 액상 플로우 코팅 방법을 수행하는 사출성형장치를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 사출성형장치의 금형을 상세하게 도시한 단면도이다.
도 3은 액상 플로우 코팅 방법을 수행하기 위한 코팅액의 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 코팅액이 금형유로 내부에 배열되는 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 코팅액이 금형유로 내부에 배열되는 구조를 보다 상세하게 도시한 도면이다.
이하에서는　첨부된 도면을 참조하여 PDV계수를 자체 피팅하기 위한 장치 및 그 제어 방법에 대해 설명도록 한다.
본 발명은 PDV 계수를 자체 피팅하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 스파이럴 금형을 사용하여 실제 사출을 진행하여 스파이럴 금형 내부에서 원재료의 유동 길이 및 금형에 작용하는 압력의 실제값을 측정하여 이를 장치의 메모리부에 저장하고, PDV 계수 초기값을 장치에 입력하여 CAE를 수행하여 원재료의 유동 길이 및 금형에 작용하는 압력의 해석값을 도출하고, 실제값과 해석값을 비교하여 미리 설정된 기준에 도달하면 CAE 수행 전 입력된 PDV 계수를 원재료의 PDV 계수로 채택하는 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 　
종래에는 PC(Polycarbonate), PMMA(Poly Methyl Methacrylate), PC+ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 등과 같은 고점도수지의 PDV 계수가 미확보 되어있었으며, 확보된 PDV 계수는 제품의 특성 및 해석 솔버와 같은 일반적인 기준에서 도출된 계수이므로 사출 성형 시 최대 사출 압력 및 형체력 해석 결과 값의 정확도가 낮은 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 이와 같은 종래의 결점을 감안하여 PDV 계수를 직접 측정하지 않고 일반적인 PDV 계수로부터 특정 수지의 PDV 계수를 자체 피팅하기 위한 장치 및 그 제어 방법을 제공하고자 한다.
　
이하 PDV 계수의 개념에 대해 설명한다. PDV 계수란 수지 점도 함수(Cross-WLF)의 압력관련 계수이다.
수지 점도 함수(Cross-WLF)는 아래의 (식 1)과 같이 주어진다.
(식 1)
Figure pat00001
PDV 계수는 위의 식에서 D3의 값을 의미하며, 보다 정확한 PDV 계수를 피팅하여 성형해석의 정확도 및 신뢰도 향상에 기여할 수 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 장치의 블럭도를 도 1에 도시하였다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 장치는 PDV 계수 및 사출 조건 등을 입력하기 위한 입력부(11), 플로우 스파이럴 테스트를 실제 수행한 후 그 결과 값이 미리 저장되어 있는 메모리부(12), CAE 진행 결과를 표시하는 디스플레이부(13), 입력된 값을 이용해 CAE를 진행하고, 미리 저장된 플로우 스파이럴 테스트의 결과 값인 실제값과 CAE를 진행하여 도출한 해석값을 비교하는 제어부(14)를 포함한다.
　
메모리부(12)는, 플로우 스파이럴 테스트를 실제 수행하여 산출한 원재료의 유동 길이 및 금형 내부의 압력에 대한 실제값이 미리 저장되어 있다. 즉, 본 장치가 PDV 계수를 피팅하기 위해 플로우 스파이럴 테스트가 선행되어 원재료의 유동 길이 및 금형 내부의 압력을 미리 측정하여야 한다. 이하 플로우 스파이럴 테스트를 수행하기 위한 사출성형장치(100)에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 PDV 계수를 도출하기 위해 플로우 스파이럴 테스트를 수행하기 위한 사출성형장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 3은 사출성형장치(100)의 금형(135) 및 온도/압력 센서(136)를 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 사출성형장치(100)는 합성수지원료가 인입되는 호퍼(10), 호퍼(10)를 통해 인입되는 합성 수지 원료를 수용하는 바렐(110), 바렐(110)의 내부에 전후로 이동 및 회전 가능하게 설치되는 스크류(115), 스크류(115)에 회전력을 전달하는 모터(120), 스크류(115)에 연결되어 스크류(115)를 직선 이동시키는 실린더부(125), 바렐(110)의 외주면에 설치되어 바렐(110)에 수용되는 합성수지원료를 가열하는　히터(130), 바렐(110)에 수용된 합성수지원료를 공급받아 성형하는 금형(135)을 포함한다.
　
바렐(110)의 일측에는 호퍼(10)가 설치되고, 바렐(110)의 내부에는 수용공간(140)이 형성되어 호퍼(10)를 통해 인입된 합성수지원료가 수용된다.
또한, 바렐(110)의 외주면에는 부가적으로 히터(130)가 설치될 수 있고, 히터(130)를 통해 바렐(110)의 수용공간(140)에 수용된 합성수지원료를 용융하게 된다.
또한, 바렐(110)의 일단에는 노즐(145)이 형성되어 노즐(145)을 통해 바렐(110)의 수용공간(140)에서 용융되는 합성수지원료가 금형(135)으로 압출된다.
또한, 바렐(110)의 수용공간(140)에는 역류방지밸브(150)가 설치될 수 있고, 역류방지밸브(150)는 바렐(110)의 일단에 형성된 노즐(145)을 통해 금형(135)으로 압출되는 합성수지원료가 다시 바렐(110)의 수용공간(140)으로 역류되는 것을 방지할 수 있다.
　
스크류(115)는 바렐(110)의 내부에 형성된 수용공간(140)에 수용된다. 스크류(115)는 축선방향을 따라 외주연에 형성되는 돌출부(155)를 포함하고, 돌출부(155)는 연속적인 나선형으로 형성되어 바렐(110)의 내면과 접한다.
스크류(115)는 바렐(110)의 내부에 형성된 수용공간(140)에서 전후로 이동 및 회전 가능하게 설치된다. 스크류(115)는 실린더부(125)에 의해 바렐(110)의 수용공간(140)에서 전후로 이동되고, 모터(120)에 의해 회전하게 된다.
바렐(110)의 수용공간(140)에 인입된 합성수지원료는 스크류(115)의 회전에 따라 스크류(115)의 돌출부(155)와 마찰하면서 바렐(110)의 일단에 형성된 노즐(145) 쪽으로 이동하게 된다. 합성수지원료는 바렐(110)의 노즐(145) 쪽으로 이동되면서 스크류(115)의 돌출부(155)와의 마찰에너지와 바렐(110)의 외주면에 설치되는 히터(130)의 열에너지에 의해 용융되고, 바렐(110)의 수용공간(140)에서 용융된 상태로 노즐(145) 쪽으로 이동되어 노즐(145)을 통해 금형(135)으로 압출된다.
　
모터(120)는 스크류(115)와 연결되어 스크류(115)에 회전력을 전달한다. 모터(120)를 통해 회전력을 전달받은 스크류(115)는 바렐(110)의 수용공간(140)에서 회전하면서 스크류(115)에 형성된 돌출부(155)와 합성수지원료가 마찰되도록 하여 합성수지원료를 용융시키는 동시에 노즐(145) 쪽으로 이동시키게 된다.
　
도 3 은 사출성형장치(100)의 금형(135) 및 금형(135)에 설치된 온도/압력 센서(136)를 도시한 도면으로, 본 발명을 수행하기 위해 사용되는 금형(135)은 플로우 스파이럴 테스트 금형(135)이다.
도 3을 참고하면, 플로우 스파이럴 테스트 금형(135)은 속이 빈 원통형 호스 형상을 나선 형태로 감아놓은 원판 모양의 형상이다. 나선 형태로 감겨진 금형(135)의 중심부에는 노즐이 연결되며 용융수지가 주입되는 입구가 형성되어 있다.
또한, 금형(135)의 두께는 2mm이고, 금형(135)은 10mm의 간격을 두고 감겨져 있으며, 금형(135)이 배치된 원판 모양 형상의 지름은 200mm이다.
또한, 금형(135)에는 하나 이상의 온도/압력 센서(136)가 장착되어 있으며, 온도/압력 센서(136)는 금형(135) 내부를 흐르는 용융 수지의 온도 및 금형에 작용하는 압력을 측정한다.
온도/압력 센서(136)는 Kistler 6190CA 센서를 사용하는 것을 포함한다. 또한, 하나 이상의 온도/압력 센서(136)를 장착할 수 있으며 다만 PDV계수 측정의 정확도 향상을 위해 두 개에서 세 개의 온도/압력 센서(136)를 사용하는 것이 바람직하다. 　
　
이하, 위의 구성을 포함하는 PDV 계수를 피팅하는 장치의 작동 원리를 상세히 설명한다.
먼저, 제품의 특성에 따른 레진의 일반적인 PDV 계수 및 사출 압력, 사출 시 레진의 이동 속도와 같은 사출 조건(이하 PDV 계수 등)이 장치에 입력된다. 장치에 입력된 PDV 계수 등을 기초로 CAE가 진행되어 금형(135) 내부에서 원재료의 유동 길이 및 금형(135)에 작용하는 압력에 대한 해석값이 도출된다.
다음으로 해석값 및 실제값을 비교 하여 미리 설정된 기준에 도달하지 못하면 PDV 계수를 변경하여 반복하여 CAE를 진행한다. 미리 설정된 기준에 도달하면 CAE 진행시 입력된 초기 PDV 계수를 원재료의 PDV 계수로 채택한다.
미리 설정된 기준은 해석값에 대한 실제값이 90퍼센트 이상인 것을 포함한다. 즉, 금형(135) 유로 내부에서 원재료의 유동길이의 해석값에 대한 실제값 및 금형(135) 유로에 작용하는 압력의 해석값에 대한 실제값의 비율이 90퍼센트 이상인 경우 미리 설정된 기준에 도달된다.
　
도 4a는 본 장치에 PDV 계수를 입력하여 플로우 스파이럴 테스트를 진행한 경우, PDV 계수를 입력하지 않고 플로우 스파이럴 테스트를 진행한 경우, 실제 사출한 경우의 유동길이를 비교한 도면이고, 도 4b는 금형(135) 내부 압력을 비교한 그래프이다. 　
도 4a를 참조하면, PDV 계수를 고려하여 본 장치를 통해 CAE를 진행하면 실제 원재료의 유동길이와 CAE 진행시 원재료의 유동 길이가 매우 유사한 결과가 도출된다. 그러나 PDV 계수를 고려하지 않고 본 장치를 통해 CAE를 진행하면 실제 사출 결과와 비교하여 더 긴 원재료의 유동거리가 도출된다. 즉, PDV 계수를 고려할 때 실제 값과 유사한 CAE 결과를 얻을 수 있다.
도 4b를 참조하면, 도 4b의 실선(P1, P2)은 실제 플로우 스파이럴 테스트에서 금형(135)에 작용하는 압력을 도시한 것이고, 점선(CAE1, CAE2)은 본 장치를 통해 CAE를 진행하여 금형(135)에 작용하는 압력을 도시한 것이다. 도면의 가로축은 경과된 시간을 의미하고 세로축은 금형(135)에 작용하는 압력을 의미한다.
도 4b에 도시된 바와 같이 PDV 계수를 고려하여 본 장치를 통해 CAE를 진행한 해석 압력은 시간에 따른 금형(135)에 작용하는 압력 변화가 실제 압력과 매우 유사하다. 그러나, PDV 계수를 고려하지 않고 본 장치를 통해 CAE를 진행한 해석 압력은 실제 압력보다 매우 높게 나타난다. 즉, PDV 계수를 고려할 때 실제 압력과 유사한 CAE 결과를 얻을 수 있다.
이와 같이, PDV 계수의 고려 여부에 따라 금형(135) 내부에서 원재료의 유동 길이 및 금형(135)에 작용하는 압력의 실제값 및 해석값의 차이가 매우 크게 나타난다. 본 발명은 이러한 차이를 최소로 하는 PDV 계수값을 플로우 스파이럴 테스트를 이용한 트라이얼 앤 에러(Trial &　Error) 기법으로 자체 피팅한다. 　　　
　
이하 본 발명의 일 실시예로 PDV 계수를 자체 피팅하기 위한 장치의 제어 방법에 대해 자세히 설명한다.
도 5는 PDV 계수를 자체 피팅하기 위한 장치의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 5를 참조하면, 먼저, 장치에 일반적인 PDV 계수 및 사출 압력, 사출 시 레진의 이동 속도와 같은 사출 조건이 입력된다(205). 조건이 입력되면 이를 이용하여 CAE가 진행되고 CAE 결과 스파이럴 금형(135) 내부에서 원재료의 유동길이 및 금형(135)에 작용하는 압력에 대한 해석값이 도출된다(210).
다음으로 해석값에 대한 실제값이 미리 저장된 기준을 충족하는지 판단한다. 미리 저장된 기준은 해석값에 대한 실제값이 90퍼센트 이상인 것을 포함한다(215).
즉, 해석값에 대한 실제값의 비율이 90퍼센트에 미만인 경우, PDV 계수를 변경하여 해석값에 대한 실제값의 비율이 기준을 충족할 때 까지 계속해서 CAE가 진행된다(220). 해석값에 대한 실제값이 90퍼센트 이상이면 해당 PDV 계수를 원재료의 PDV 계수로 채택한다(225).
11 : 입력부 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　12 : 메모리부
13 : 디스플레이부 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 : 제어부
100 : 사출성형장치 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　105 : 호퍼
110 : 바젤 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　115 : 스크류
120 : 모터 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　125 : 실린더부
130 : 히터 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　135 : 금형
136 : 온도/압력 센서

Claims (8)

  1. 플로우 스파이럴 테스트 결과 도출한 스파이럴 금형 내부에서 원재료의 유동 길이 및 금형에 작용하는 압력의 실제값이 저장된 메모리부; 및
    PDV 계수를 입력받아 CAE를 진행하여 스파이럴 금형 내부에서 원재료의 유동 길이 및 금형에 작용하는 압력의 해석값을 도출하고, 상기 실제값 및 상기 해석값을 비교하여 미리 설정된 기준에 도달하지 못하면 PDV 계수를 변경하여 반복하여 CAE를 진행하는 제어부;를 포함하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스파이럴 금형은, 내부를 흐르는 원재료의 온도 및 금형 내부 압력을 측정하기 위해 하나 이상의 온도/압력 센서를 포함하는 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 스파이럴 금형은, 속이 빈 원통형 호스 형상을 나선 형태로 감아놓은 원판 모양의 형상인 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 미리 설정된 기준은 상기 해석값에 대한 상기 실제값이 90퍼센트 이상인 것을 포함하며, 상기 제어부는 상기 미리 설정된 기준에 도달하면 상기 CAE 진행시 입력된 상기 초기 PDV 계수를 상기 원재료의 PDV 계수로 채택하는 장치.
  5. 플로우 스파이럴 테스트 결과 도출한 스파이럴 금형 내부에서 원재료의 유동 길이 및 금형에 작용하는 압력의 실제값이 저장된 메모리부를 포함하는 장치에 있어서,
    PDV 계수의 초기값을 입력받아 CAE를 진행하고,
    스파이럴 금형 내부에서 원재료의 유동 길이 및 금형에 작용하는압력의 해석값을 도출하고,
    상기 실제값 및 상기 해석값을 비교하여 미리 설정된 기준에 도달하지 못하면 PDV 계수를 변경하여 반복하여 상기 CAE를 진행하는 장치의 제어방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 메모리부의 상기 실제값을 도출하기 위해 상기 플로우 스파이럴 테스트 수행시 사용하는 상기 스파이럴 금형은, 내부를 흐르는 원재료의 온도 및 금형 내부 압력을 측정하기 위해 하나 이상의 온도/압력 센서를 포함하는 장치의 제어방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 스파이럴 금형은, 속이 빈 원통형 호스 형상을 나선 형태로 감아놓은 원판 모양의 형상인 장치의 제어 방법.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 미리 설정된 기준은 상기 해석값에 대한 상기 실제값이 90퍼센트 이상인 것을 포함하며, 상기 미리 설정된 기준에 도달하면 상기 CAE 진행시 입력된 상기 초기 PDV 계수를 상기 원재료의 PDV 계수로 채택하는 장치의 제어방법.
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