KR20180032851A - 도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법 - Google Patents

도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법 Download PDF

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Abstract

도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법이 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법은 도어 트림의 등가모델을 이용하여 스피커 그릴의 등가두께와 형상계수를 산출하고, 상기 산출된 등가두께와 형상계수를 이용하여 상기 스피커 그릴 형상에 대응하는 기준형상정보를 산출하고, 상기 산출된 기준형상정보를 반영하여 도어 트림 정보를 정의하는 도어트림 등가모델 정의단계와, 도어트림 등가모델 정의단계에서 정의된 도어 트림 정보를 이용하여 금형 설계하는 도어 트림 금형 설계단계 및 도어 트림 금형 설계단계에서 설계된 도어 트림의 사출공정조건을 최적화하는 도어트림 사출공정조건 최적화단계를 포함하고, 도어트림 사출공정조건 최적화단계는, 설계된 도어트림의 웰드라인의 위치에 따른 악화지수와 웰드라인의 선명도가 최소화되는 사출공정조건의 설계값을 얻는다.

Description

도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법{METHOD OF OPTIMIZING DOOR TRIM INJECTION MOLDING PROCESSING}
본 발명은 도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사출성형으로 도어트림을 제조하는 사출 성형 프로세서를 최적화하는 도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법에 관한 것이다.
일반적으로, 사출형성(injection molding)이란 가소성 물질을 사출성형기의 실린더 내부에서 가열하여 용융시키고 이를 사출금형(injection mold) 속에 압입하는 성형법이다. 사출성형공정은 자동화가 쉽고 생산성과 성형성이 우수하기 때문에 다양한 제품의 생산에 이용된다.
사출성형시 금형 결함, 플라스틱 수지 결함, 성형조건의 부적절, 제품 설계 상의 문제 등으로 도어트림이 변형되거나 휘는 등 사출 불량이 발생할 수 있다.
따라서, 사출성형시 발생되는 불량을 최소화하기 위해서는 소재, 금형, 성형 조건 모두가 최적화 되어야 한다.
기존에는 일반적인 최적화 알고리즘을 이용하여 사출성형에 영향을 미치는 인자들을 선정하여 최적화 툴(tool)를 이용하여 최적조건 및 금형설계를 반영한다.
즉, 기존방식은 사출성형에 영향을 미치는 인자들을 사용자가 선정하고, 목적함수도 사용자가 선정하며, 선정된 함수들을 다양한 최적화 기법들을 이용하여 최적화된 결과를 추출하는 방식이다.
하지만, 사출성형 제품이 도어트림인 경우, 도어트림 사출성형의 특성상 제품의 품질을 결정하는 인자들이 다수이며, 이들은 복합적으로 상호작용을 하므로 기존의 일반적인 최적화 알고리즘을 이용할 경우 매우 복잡해지는 단점이 있다. 이로 인하여 값이 수렴되지 않는 경우가 비일비재하여 현실성이 없다.
또한, 도어트림은 크기가 상대적으로 크고 외관품질이 중요하지만 웰드라인이나 싱크마크와 같은 외관불량들에 대한 정량화 기법들이 현실적이지 않거나 없기 때문에 기존의 최적화 알고리즘을 사용하는데 한계가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0110190호(2015.10.02.공개)
본 발명의 실시예는 도어트림을 사출성형으로 제조하는 데 있어 금형과 공정조건을 최적화하는 도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 도어 트림의 등가모델을 이용하여 스피커 그릴의 등가두께와 형상계수를 산출하고, 상기 산출된 등가두께와 형상계수를 이용하여 상기 스피커 그릴 형상에 대응하는 기준형상정보를 산출하고, 상기 산출된 기준형상정보를 반영하여 도어 트림 정보를 정의하는 도어트림 등가모델 정의단계; 상기 도어트림 등가모델 정의단계에서 정의된 도어 트림 정보를 이용하여 금형 설계하는 도어 트림 금형 설계단계; 및 상기 도어 트림 금형 설계단계에서 설계된 도어 트림의 사출공정조건을 최적화하는 도어트림 사출공정조건 최적화단계를 포함하고, 상기 도어트림 사출공정조건 최적화단계는, 상기 설계된 도어트림의 웰드라인의 위치에 따른 악화지수와 상기 웰드라인의 선명도가 최소화되는 사출공정조건의 설계값을 얻는 도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 등가두께(ET)와 형상계수(SF)는 다음의 식에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다.
ET = V/A
SF = K(S/2A)
A = (a+d)2
S = 2(a+d)2 - πd2 /2 + πdb
V = (a+d)2b - πd2b/4
여기서, A는 스피커 그릴 투명면적이고, S는 스피커 그릴 금형에 수지가 닿는 면적이며, V는 스피커 그릴 부피이고, a는 스피커 그릴에 형성된 각 홀 간격이고, b는 스피커 그릴 두께이며, d는 스피커 그릴에 형성된 각 홀의 직경이고, K는 열손실 보상계수이다.
또한, 상기 도어트림은 상기 웰드라인 위치에 따라 A 영역, B 영역, C 영역, D 영역으로 구분되고, 상기 웰드라인의 위치에 따른 악화지수(Y1)는 다음의 식에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다.
Y1 = 11a + 9b + 2c + d
여기서, a는 A 영역 웰드라인 개수이고, b는 B 영역 웰드라인 개수이며, c는 C 영역 웰드라인 개수이고, d는 D 영역 웰드라인 개수이다.
또한, 상기 웰드라인 선명도(Y2)는 다음의 식에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다.
Y2 = AX2 + BX + C
여기서, A,B,C는 회기상수이고, X는 수지온도이다.
본 발명의 실시예는 도어트림을 사출성형으로 제조하는 데 있어 금형과 공정조건을 최적화하여 도어트림의 외관 품질을 향상시키고 원가를 절감할 수 있다.
본 발명의 실시예는 등가모델 개발을 통해 해결 시간을 절감하고 신뢰도를 증대시킬 수 있다.
본 발명의 실시예는 도어트림에 대한 통합적 품질지표를 지수화할 수 있고, 복잡한 인자들을 단순화할 수 있으며, 현상을 품질기준으로 현실적으로 정량화하여 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 도어트림의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법의 제어흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법에서 도어트림 등가모델 정의기법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법에서 사출공정조건 최적화 기법을 위한 웰드라인 위치 함수화 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법에서 사출공정조건 최적화 기법을 위한 웰드라인 선명도 함수화 기술을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 본 발명의 실시예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달할 수 있도록 하기 위해 예로서 제공하는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정하지 않고 다른 형태로 구체화할 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장하여 표현할 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 일반적인 도어트림의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 도어트림은 수지 발포 성형체로 구성되는 발포층의 외면이 스킨층에 의해 덮인 본체부(10)를 포함한다. 이 본체부(10)는 차량 도어의 외장 부재를 구성하는 도어 패널 내면에 설치된다.
본체부(10)의 차량 실내 측면에는 차량 실내 측에 돌출되는 형태로 이루어져 본체부(10)보다 얇게 형성된 암레스트(11)가 본체부(10)와 일체 성형되어 있다.
본체부(10)에서 암레스트(11)의 하방에는 상방에 개구한 개구부를 가지는 도어 포켓(12)이 설치되어 있다.
이 도어 포켓(12)의 측면에는 스피커가 설치되는 스피커 그릴(13)이 일체로 성형되어 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법의 제어흐름도이다.
도 2를 참조하면, 도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법은 크게 3단계 프로세스로 구성되어 있다.
1단계는 도어트림 등가모델 정의기법이다. 2단계는 도어트림 금형 설계기법이다. 3단계는 도어트림 사출공정조건 최적화 기법이다.
등가모델 정의 기법은 도어트림 등가모델을 통해 도어트림의 형상을 단순화 하여 해석할 수 있는 알고리즘으로 형상을 모사하지 않고 형상계수와 등가두께를 수식화 하여 적용한다.
또한, 금형 설계기법은 등가모델 정의 기법에 의해 스피커 그릴형상이 기준형상으로 단순화된 도어트림의 금형을 설계하는 기법이다. 예를 들면, 도어트림의 게이트 위치선정을 위한 최적화 단계로 공지된 최적화 알고리즘인 d-optimal method를 이용할 수 있다. 여기서, 게이트는 러너와 캐비티를 연결하는 통로로 수지와 압력전달에 중요한 역할을 하는 구간이다. 러너는 스프루와 캐비티를 연결하는 수지가 흐르는 통로이다.
또한, 도어트림 사출공정조건 최적화 기법은 금형 설계된 도어 트림에 대한 사출기 공정을 최적화하여 웰드라인(Weld line)과 싱크마크(Sink mark)를 최소화함으로써 품질을 극대화 시키는 단계로 외관품질에 대한 정량화 기법과 품질을 종합적으로 평가할 수 있다. 여기서, 다수의 수지 흐름이 만나게 될 때 웰드라인이 발생한다. 성형을 위해서 다수 개의 게이트를 사용하거나 수지의 흐름이 정체되거나 코어 등에 의해 분기될 때 웰드라인이 발생하게 된다. 또한, 보압시 보압의 크기가 부족하여 수축률이 커지게 되면 싱크마크와 기공이 발생할 수 있다. 도어트림에서 두꺼운 부분이 있을 때 두꺼운 부분이 완전히 고화되기 전에 게이트가 먼저 고화되ㅏ는 경우와 금형 설계상 스프루, 러너 및 게이트의 위치가 적절하지 않아 두꺼운 부위까지 보압을 전달하지 못하게 되는 경우에 싱크마크와 기공이 발생하게 된다. 따라서, 두꺼운 부위에서 싱크마크가 생길 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법에서 도어트림 등가모델 정의기법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 도어트림 등가모델을 이용하여 도어트림 스피커 그릴의 등가두께(Equivalent Thickness)와 형상계수(Shape Factor)를 산출하여 도어트림의 스피커 그릴 형상에 대응하는 기준형상을 산출한다.
등가두께(ET)는 다음의 식 [1]에 의해 산출할 수 있다.
ET = V/A 식 [1]
A = (a+d)2
V = (a+d)2b - πd2b/4
이때, A는 스피커 그릴 투명면적이고, S는 스피커 그릴 금형에 수지가 닿는 면적이며, V는 스피커 그릴 부피이고, a는 스피커 그릴에 형성된 각 홀 간격이고, b는 스피커 그릴 두께이며, d는 스피커 그릴에 형성된 각 홀의 직경이다.
또한, 형상계수(SF)는 다음의 식 [2]에 의해 산출할 수 있다.
SF = K(S/2A) 식 [2]
S = 2(a+d)2 - πd2 /2 + πdb
K는 열손실 보상계수이다.
상기한 식 [1]과 [2]를 통해 각각 산출된 도어트림 스피커 그릴의 등가두께(ET)와 형상계수(SF)를 이용하여 도어트림의 스피커 그릴 형상에 대응하는 기준형상정보를 산출하고, 산출된 기준형상정보를 반영한 도어 트림 정보를 정의한다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법에서 사출공정조건 최적화 기법을 위한 웰드라인 위치 함수화 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 8을 참조하면, 먼저, 금형 설계된 도어 트림을 여러 개의 영역으로 구분한다. 각 영역은 웰드라인 발생을 고려하여 미리 정해질 수 있다. 예를 들면, 각 영역은 4개의 영역, 즉, A 영역, B 영역, C 영역, D 영역으로 구분될 수 있다.
도어 트림의 성능, 즉, 외관품질, 내스크레치, 충돌성능 및 원가/공정을 기준으로 가중치 계수가 미리 설정되어 있다(도 5 참조).
도 6에 도시된 바와 같이, 도 5의 테이블에 따라 각 영역에 대한 품질성능 가중치가 미리 설정되어 있다. 예를 들면, A 영역의 경우, 외관품질, 내스크레치 및 원가/공정이 가중치가 계수를 상대적으로 높은 3으로 설정하고, 충돌성능은 2로 설정할 경우, 3+3+2+3=11 즉, 품질성능가중치는 11로 설정할 수 있다.
품질성능가중치는 A 영역이 가장 높고, B 영역, C 영역, D 영역 순으로 낮아진다. 품질성능가중치가 높을수록 웰드라인이 적게 위치하게 할 필요가 있다.
웰드라인 위치에 따른 악화지수는 도어 트림의 각 영역별 웰드라인 개수에 비례하므로 도 6의 테이블을 이용하여 웰드라인 위치에 따른 악화지수(Y1)를 다음의 식 [3]과 같이 나타낼 수 있다.
Y1 = 11a + 9b + 2c + d 식 [3]
이때, a는 A 영역 웰드라인 개수이고, b는 B 영역 웰드라인 개수이며, c는 C 영역 웰드라인 개수이고, d는 D 영역 웰드라인 개수이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법에서 사출공정조건 최적화 기법을 위한 웰드라인 선명도 함수화 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 고화층의 두께가 두꺼워질수록 웰드라인 선명도가 진해진다. 고화층(Forzen layer)는 수지가 캐비티 안으로 들어가 외부 금형온도에 의해 코어영역과 전단영역으로 나뉘어지어 내부의 수지보다 상대적으로 빠르게 굳어지는 현상에 의해 형성되는 층을 말한다. 이에 캐비티의 표면이 빠르게 굳어지면서 생산 후 변형이나 휨이 생길 수 있는 확률이 높아지게 된다.
따라서, 웰드라인 선명도는 고화층의 두께에 비례한다. 즉, 고화층의 두께를 안다면, 월드라인 선명도를 추정할 수 있다.
도 7의 좌측 그래프에서 세로축은 수지온도를 나타내고, 가로축은 고화층의 두께를 나타낸다. 수지온도가 Tg 온도(수지가 고화되는 시점의 온도) 일 때의 두 개의 온도지점을 기준으로 서로 대칭된 형태의 그래프로 나타난다.
도 7의 우측 그래프에서 세로축은 고화층의 두께를 나타내고, 가로축은 수지온도를 나타낸다.
도 7의 좌측 그래프에서 대칭된 그래프 중 어느 하나를 도 7의 우측 그래프로 치환할 수 있다.
이에 따라, 수지온도가 Tg 온도에 도달할 때의 고화층의 두께(Y2)는 웰드라인 선명도(Y2)에 비례하므로, 웰드라인 선명도(Y2)는 다음의 식 [4]와 같이 나타낼 수 있다.
Y2 = AX2 + BX + C 식[4]
이때, A,B,C는 회기상수이고, X는 수지온도이다.
정리하면, 본 발명의 일실시예에 따른 도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법에서 사출공정조건 최적화 기법은 먼저, 웰드라인 위치에 따른 악화지수(Y1) 함수, 웰드라인 선명도(Y2) 함수, 그리고, 싱크마크에 따른 미리 설정된 싱크마크 함수를 최소화하는 사출공정조건의 공정조건인자들의 설계값을 얻는다.
10 : 본체부 11 : 암레스트
12 : 도어 포켓 13 : 스피커 그릴

Claims (4)

  1. 도어 트림의 등가모델을 이용하여 스피커 그릴의 등가두께와 형상계수를 산출하고, 상기 산출된 등가두께와 형상계수를 이용하여 상기 스피커 그릴 형상에 대응하는 기준형상정보를 산출하고, 상기 산출된 기준형상정보를 반영하여 도어 트림 정보를 정의하는 도어트림 등가모델 정의단계;
    상기 도어트림 등가모델 정의단계에서 정의된 도어 트림 정보를 이용하여 금형 설계하는 도어 트림 금형 설계단계; 및
    상기 도어 트림 금형 설계단계에서 설계된 도어 트림의 사출공정조건을 최적화하는 도어트림 사출공정조건 최적화단계를 포함하고,
    상기 도어트림 사출공정조건 최적화단계는, 상기 설계된 도어트림의 웰드라인의 위치에 따른 악화지수와 상기 웰드라인의 선명도가 최소화되는 사출공정조건의 설계값을 얻는 도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 등가두께(ET)와 형상계수(SF)는 다음의 식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법.
    ET = V/A
    SF = K(S/2A)
    A = (a+d)2
    S = 2(a+d)2 - πd2 /2 + πdb
    V = (a+d)2b - πd2b/4
    여기서, A는 스피커 그릴 투명면적이고, S는 스피커 그릴 금형에 수지가 닿는 면적이며, V는 스피커 그릴 부피이고, a는 스피커 그릴에 형성된 각 홀 간격이고, b는 스피커 그릴 두께이며, d는 스피커 그릴에 형성된 각 홀의 직경이고, K는 열손실 보상계수이다.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 도어트림은 상기 웰드라인 위치에 따라 A 영역, B 영역, C 영역, D 영역으로 구분되고,
    상기 웰드라인의 위치에 따른 악화지수(Y1)는 다음의 식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법.
    Y1 = 11a + 9b + 2c + d
    여기서, a는 A 영역 웰드라인 개수이고, b는 B 영역 웰드라인 개수이며, c는 C 영역 웰드라인 개수이고, d는 D 영역 웰드라인 개수이다.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 웰드라인 선명도(Y2)는 다음의 식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 도어트림 사출 성형 프로세스 최적화방법.
    Y2 = AX2 + BX + C
    여기서, A,B,C는 회기상수이고, X는 수지온도이다.
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