KR970000926B1 - 용융재료의 금형성형에 있어서의 유동해석 평가방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

용융재료의 금형 성형에 있어서의 유동해석 평가방법.

제1도는 성형품 형상모델을 3차원의 미소요소로 분할한 상태의 그래픽 표시도.

제2도는 제1도에 표시한 형상모델에서의 충전패턴의 등시간선도.

제3도는 제1도에 표시한 형상모델에서의 충전패턴의 등압력선도.

제4도는 제1도에 표시한 형상모델에서의 충전패턴의 등온도선도.

제5도는 이 발명에 의한 용융재료의 금형 성형에 있어서의 유동해석 평가방법의 한 실시예를 표시하는 것으로, 수지재료 온도를 파라미터로 하는 충전시간에 대한 최고수지 온도 특성 곡선도.

제6도는 이 발명 평가방법의 다른 실시예를 표시하는 것으로 수지재료 온도를 파라미터로 하는 충전시간에 대한 최저수지 온도 특성 곡선도.

이 발명은, 수지 등의 용융 재료를 금형 성형하는 경우, 고품질의 성형품을 얻기 위한 용융재료의 최적성형 조건을 평가판정하는 방법에 관한 것으로서, 특히 소요되는 금형온도에서의 최적의 용융재료 온도와 충전시간범위를 판정하는 평가방법에 관한 것이다.

종래, 수지재료에 의한 사출성형에 있어서, 금형 내의 수지유동해석(simulation)을 수행하는 경우 제1도에 표시하는 바와 같이 성형품의 형상모델을 미소요소로 분할하여 유한 요소법, 경제요소법, 차분법, FAN법의 수치해석법을 사용하여 유체의 운동 방정식, 연속식 및 에너지식을 연산하는 방법이 일반적으로 이용되고 있다.

이와 같은 금형 내에서의 수지유동 해석방법에서는 사용하는 수지의 선택과, 성형기의 운전조건으로서 수지온도, 금형온도, 충전속도를 입력하여 연산함으로써, 수지의 충전진행상황(시간)을 표시하는 충전패턴(제2도 참조), 입력분포(제3도 참조), 온도분포(제4도 참조)를 각각 소요계산에 의하여 구하게 된다.

그러나 상술한 종래의 수지유동 해석방법에서는, 입력조건의 적성여부, 또한 보다 적정한 입력조건유무 혹은 몇가지 입력조건 중 어느 조건이 최적인가를 판정하는 수단이 알려져 있지 않으며, 따라서 연산결과의 적부판정은 해석결과와 실제성형과의 대비를 반복함으로써 얻게 된 경험적 노하우(know how)에 의존하지 않을 수 없었다.

이와 같이 종래의 금형 내에서의 수지 유동 해석방법은, 사용하는 수지에 대하여 경험적으로 얻어진 수지온도, 금형온도, 충전속도를 입력하여 성형품의 형상(제품두께, 게이트의 위치나 개수, 러너(runner)의 치수)의 적부를 판정하는 것을 주목적으로 하여 사용되고 성형조건의 적부평가에 관하여는 시도되고 있지 않았다.

그런데 이와 같은 금형 내에서의 수지 유동 해석 방법은 수지성형품의 설계가 완성한 단계에서, 금형을 제작하기 전에 프로그램 상에서의 연산에 의하여 성형의 가부, 난이를 판정하고 그 성형품을 생산하기 위하여 요구되는 조건을 구하는 것을 목적으로 하는 것이며, 금형 형상에 관한 적부(제품 두께, 게이트의 위치나 개수, 게이트나 러너의 치수)를 판정할 뿐만 아니라 적정 성형 조건 범위나 최적성형 조건을 산출하고 최종적으로는 성형기의 운전조건을 모두 결정하는 것이 바람직하다.

따라서 이 발명의 목적은, 소요되는 형성금형에 대한 용융재료의 유동해석을 위하여, 소요되는 금형온도에 대한 최적의 용융재료온도와 충전시간의 범위를 판정하는 용융재료의 금형성형에 있어서의 유동해석 평가방법을 제공하는데 있다.

이 발명에 의한 용융재료의 금형 성형에 있어서의 유동해석 평가방법은 성형품 형상 모델을 미소요소로 분할하고, 유한요소법, 경제요소법, 차분법 FAN법을 포함하는 수치해석법을 사용하여 금형 내 용융재료의 유동해석을 하는 시스템에 있어서, 1또는 2 이상의 용융재료 온도조건에 대하여 각각 복수의 충전시간을 주어서 해석을 하고, 획득된 충전완료시의 용융재료온도 분포의 연산결과에 의하여 각 요소의 평균온도 또는 중간층 온도에 대하여 충전시간을 변수로 한 함수 Tn=fn(t)로서 구하고, 이들 함수를 디스플레이장치에 그래픽 표시하여 소정의 금형온도에서의 용융재료온도와 충전시간의 범위를 평가 판정하는 것을 특징으로 한다.

상기 평가방법에서 충전시간을 변수로 한 각 요소의 금형 충전완료시의 평균온도 또는 중간층 온도는 전요소 중의 최고 용융 재료 온도의 함수 Tn-f_n1(t)로 하며, 이 최고 용융 재료 온도의 함수와 금형 유입 시의 용융재료 온도와의 편차 △Tn에 한계치를 부여하고, 상기 함수를 평가하여 적정한 용융 재료 온도와 충전시간의 범위를 판정할 수가 있다.

또 이 경우 충전시간을 변수로 한 각 요소의 금형 충전 완료 시의 평균 온도 또는 중간층 온도는 전요소 중의 최고 용융 재료 온도의 함수 Tn-f_n1(t)로 하고, 그 미분치 dTn/dt에 한계치를 부여하며, 상기 함수를 평가하여 적정한 용융재료 온도와 충전시간의 범위를 판정할 수도 있다.

또한 충전시간을 변수로 한 각 요소의 금형 충전 완료 시의 평균온도 또는 중간층 온도는 전요소중의 최저 용융 재료 온도의 함수 Tn-f_n2(t)로 하며, 이 최저 용융 재료 온도의 함수에 대하여 사용하는 용융재료의 고화온도 Ts에 기준한 한계치를 부여하고 상기 함수를 평가하여 용융재료 성형 불가 영역 온도와 충전시간의 범위를 판정할 수가 있다.

이 발명에 관한 용융 재료의 금형 성형에서의 유동 해석의 평가방법에 의하면, 충전 완료 시의 용융 재료 온도 분포의 연산결과에 의하여 성형품 형상모델의 미소분할된 각 요소의 평균온도 혹은 중간층 온도의 전요소 중의 최고 용융 재료 온도에 대하여 충전시간을 변수로 한 함수로서 또는 각 요소의 최저 용융 재료 온도에 대하여 충전 시간을 변수로 한 함수로서 구하고 이들 함수를 디스플레이장치에 그래픽 표시하여 최적의 용융 재료 온도와 충전시간의 범위를 평가 판정할 수가 있다.

이 경우, 충전 완료시의 최고 용융 재료 온도의 함수와 유입 시의 용융 재료 온도와의 편차에 한계치를 부여한다든가 상기 함수의 미분치에 한계치를 부여함으로써 전단(剪斷)발열의 영향이나 충전속도 변동 시의 용융 재료 온도의 안정성을 고려한 적정한 용융 재료 온도와 충전 시간의 범위 판정을 할 수가 있다.

그리고 일반적으로 용융 재료로서 예를 들면 수지 재료의 금형 성형에 있어서의 유동해석 판정기준으로서 다음과 같은 성형조건의 설정을 필요로 하고 있다.

(1) 충전시간은 짧은 쪽이 좋다.

(2) 충전압력은 낮은 쪽이 좋다.

(3) 수지온도는 낮은 쪽이 좋다.

(4) 금형온도는 낮은 쪽이 좋다.

즉 충전공정에서는 고온의 용융수지가 저온의 금형으로 충전되므로, 충전 중에 수지가 냉각되어서 온도가 저하하고 점도가 증가하여 유동성이 저하되어 간다.

이 때문에 충전속도가 느리면 압력전달이 불충분하게 되어 금형 캐비티(cavity) 말단부근에서 유동에 의하여 생긴 표면의 요철이 금형 캐비티 표면과 밀착 안되고 플로마크(flow mark)로서 남게 된다든가 냉각과정에서의 수축을 보충하여 채우지 못하여 수축캐비티(shrinkage cavity)를 발생시킨다든가 수지류가 합류하는 용착부의 재용착이 불충분하게 되고 용착라인이 발생한다든가 용착부의 강도 부족이 생기는 등 성형 상의 불량이 발생하기 쉽게 된다.

그래서 될 수 있는 한 단시간에 충전을 완료시키는 것이 바람직하지만 충전속도를 너무 빠르게 하면 유동 중의 전단발열에 의한 수지의 국부적인 가열에 의한 열화(劣化)나 그에 따라 함유되어 있는 희발분이 기화하여 성형품 표면에 형성되는 실버스트리크(silver streadk), 금형 캐비티 내의 잔존 공기를 수지류가 밀봉하여 단열 압축하는 데 따른 가스버닝(gas burning), 단면적이 급격히 확대하는 부분에서 충분히 유로가 충만되지 않고 대상류(帶狀流 : zonal flow)가 형성되어서 이것이 접혀서 생기는 잿팅(jetting) 등의 불량현상이 발생한다.

따라서 이들의 성형 불량을 발생시키지 않고 가능한 한 단시간에 충전을 완료시키는 수단으로서 금형캐비티 내의 유로단면적의 변화에 따라서 충전속도를 다단으로 프로그램하고 금형 내 유동속도가 너무 빠르게 되는 곳이 생기지 않도록 설정하는 제어가 일반적으로 적용된다.

또 충전압력은 충전할 경우에 어떤 점도의 용융재료를 어떤 온도의 금형에 어떤 충전속도로 충전할 때의 부하저항으로서 생기는 것으로, 충전하는 사출실린더의 유압으로 표시한다든가 금형 내에서 실측하는 용융수지압력으로 표시되든가 한다.

즉 이 충전압력은 충전용이성을 표시하는 파라미터이며 이것이 낮은 것은 용이하게 충전 가능하다는 것을 표시하며 바람직한 상태이다.

그리고 연속성형에 있어서는, 충전압력치가 매숏(shot)안정되어 있는 것이 변동이 적은 안정된 품질의 성형이 이루어지고 있는 것을 표시한다.

또한 수지온도와 금형 온도는, 공히 수지유동의 용이성을 표시하는 겉보기 점도에 관계하는 성형조건이며, 양자 공히 높은 쪽이 겉보기 점도가 낮게 되어 충전이 용이하게 된다.

한편 충전완료 후, 성형품을 냉각하며 금형에서 인출하는 사출성형의 사이클동작을 고려하면 이들의 온도가 높은 것은 성형 사이클을 지연시키는 것으로 된다.

따라서 용융수지점도가 어느 레벨로 억제되고 충전압력의 크기도 그 안정성도 충족된다면 이들 수지와 금형의 온도조건은 될 수 있는 대로 낮은 쪽이 좋다.

다음은 이 발명에 의한 용융 재료의 금형성형에 있어서의 유동해석 평가방법의 실시예에 관하여 첨부도면을 참조하면서 이하 상세히 설명한다.

이 발명에서, 소정 성형품의 형상 모델에 관하여 금형 내의 수지유동해석을 하는 수순은 종래의 시뮬레이션 법과 같다.

즉 제1도에 표시하는 바와 같이 금형 내의 수지 유동해석을 하기 위하여 성형품의 형상모델을 요소분할하고(도시예에서는 3각형 요소를 사용하고 있지만 4각형 요소를 사용하는 경우도 있다.) 유한 요소법을 적용한다.

이 성형품의 형상모델에 대하여 게이트G의 위치와 개수를 설정하고 필요에 따라 러너를 설치함으로써 유동해석을 위한 금형측형상의 설정을 완료한다.

여기서 사용하는 수지를 선정하여 수지물성 데이터를 입력한 후 수지온도, 금형온도, 충전속도 등의 성형 조건을 입력하여 해식으로 이행한다.

여기까지의 수순은 종래의 금형 내의 수지유동 해석과 같다.(제2도 내지 제4도 참조).

실시예 1

이 실시예에 있어서는 먼저 금형온도를 고정(75℃)하고, 수지 온도를 1종 또는 2종류 이상 예를 들면 노즐부 수지온도를 280℃, 300℃, 315℃의 3종류로 선정하고 각각의 수지온도마다의 충전시간을 1,2,3,5,8,10,15 초의 7종으로 변화시킨 성형조건을 설정하여 순차 해석연산을 한다.

이 결과 얻어진 연산데이터 중 충전 완료 시의 수지온도 분포데이터를 사용하여 상기 형상모델의 각 요소의 평균온도 또는 중간층 온도의 전 요소 중의 최고수지 온도를 채취하여 그 충전시간에서의 데이터로 한다.

이 수순을 반복하여 구한 데이터를 그래프화하면 일정한 금형 온도 조건에서의 수지 온도를 파라미터로 하고, 충전시간을 횡축으로 하며 또한 최고 수지 온도를 종축으로 한 제5도에 표시하는 특성곡선도가 얻어진다.

여기서 제5도에 표시하는 특성곡선을 식으로 나타내면 다음식과 같다.

Tn=f_n1(t) (n=1,2,3) ················ (1)

또 제5도에서 △Tn는 임의의 충전시간에서의 수지온도와 충전완료 시의 수지온도의 차 즉 충전 중의 전단 발열에 의한 온도상승을 표시하고 있다.

따라서 이 값은 일반적으로 크지 않은 쪽이 바람직하다.

또한 제5도에서의 각 특성곡선의 구배 즉 충전 시간을 변수로 한 용융 수지 온도를 나타내는 함수의 충전시간의 미분치 dTn/dt는 충전시간이 변동한 경우의 충전완료시의 수지온도 변동의 안정성을 표시한다.

그러므로 이 값도 적은 쪽이 바람직하다.

그런데 이와 같은 전단발열에 의한 온도상승 △Tn나 충전시간의 변동에 대한 각각의 충전완료시의 수지 온도의 안정성 dTn/dt는 사용하는 수지의 물성과, 성형품의 형상에 의하여 그 경향이 여러 가지로 변화하는 것이므로 절대치를 몇개 이하로 하지 않으면 안된다는 식의 절대평가를 할 수 있는 것은 아니지만 수지 온도나 충전시간을 변동할 때 어떠한 변화의 경향을 나타내는가를 파악하는 것이 보다 적정한 성형조건을 구하는 데 중요하다.

따라서 제5도에 표시하는 그래프를 액정, CRT, 플라즈마, EL의 디스플레이 장치에 그래픽 표시하는 것이 작성 조건의 판정에 효과적이다.

또 제5도에 표시하는 그래프를 디스플레이장치에 그래픽 표시함으로써, 상술한 △Tn 이나 dTn/dt의 변화 경향이 파악될 수 있는 동시에 이들 함수를 수식화하여 구해두면 상기 Tn이나 dTn/dt에 한계치를 부여하여서 대화식 조작에 의해 디스플레이장치에 표시한 다음 수지온도에 적정 범위를 한정시켜 갈 수가 있다.

실시예 2

이 실시예에 있어서는 금형온도를 고정(60℃)하고 수지온도를 1종 또는 2종류 이상, 예를 들면 금형으로의 유입수지 온도를 200℃, 220℃, 260℃의 3종류를 선정하고 각 수지온도마다 충전시간을 0.2, 0.5, 1, 2, 3, 4초의 6종으로 변화시킨 성형조건을 설정하고 순차해석연산을 한다.

이 결과 얻어진 연산데이터 중 충전완료시의 수지온도 분포 데이터를 사용하여 상기 형상모델의 각 요소의 최저수지온도를 채취해서 그 충전시간에서의 데이터로 한다.

이 수순을 반복하여 구한 데이터를 그래프화하면 일정한 금형온도에서의 수지온도를 파라미터로 하고 충전시간을 횡축으로 하며 또한 최저수지온도를 종축으로 하여 제6도에 표시하는 바와 같은 특성곡선도가 얻어진다.

여기서 제6도에 표시하는 특성곡선을 식으로 나타내면 다음 식과 같다.

Tn=f_n2(t) (n=1,2,3) ············· (2)

또 제6도에서 Ts는, 수지의 고화 온도 레벨을 표시하고 있다.

따라서 이 고화 온도 Ts의 레벨이하는 수지성형불가 영역이 된다.

그런데 일반적으로 사출성형품에 있어서는 그 두께의 값과 게이트에서 유동말단까지의 거리에 의하여 수지온도가 고화온도 Ts까지 저하하지 않아도 유동이 불완전하게 되므로, 상기 함수 Tn가 상기 고화온도 Ts에 기준한 기준치(Ts+α)를 하회하지 않는 온도가 유동가능 한계의 평가기준으로서 사용할 수가 있다.

그렇지만 사출성형에서의 용융수지의 유동의 난이는 사용하는 수지의 물성과, 성형품의 두께, 형상에 의하여 그 경향이 여러 가지로 변동하는 것이기 때문에 상기 기준치(Ts+α)를 정하는 α치를 몇으로 하지 않으면 안된다는 식의 절대평가를 하는 것은 곤란하지만 수지온도나 충전시간을 변동시켰을 때 어떠한 변화의 경향을 나타내는가를 파악하는 것이 보다 적정한 성형조건을 구하는 데 중요하다.

따라서 이 실시예에서도 제6도를 표시하는 그래프를 액정, CRT, 플라즈마, EL의 디스플레이장치에 그래픽 표시하는 것이 적정 조건의 판정에 효과적이다.

또 제6도에 표시하는 그래프를 디스플레이장치에 그래픽 표시함으로써 기준치(Ts+α)와의 관계에서의 성형불가영역의 판정을 할 수 있고 이들의 함수를 수식화하여 구해두면 상기 기준치(Ts+α)를 정하는 α치에 한계치를 부여하고 대화식조작에 의하여 디스플레이장치에 표시한 다음 적정한 충전시간의 범위와 함께 최적수지 온도의 선정을 할 수 있다.

상술한 실시예에서 명백한 바와 같이 이 발명에 의하면 수지온도와 금형 온도에 대하여 용융 수지 점도를 소정레벨에 유지할 수 있는 동시에 충전압력의 크기 및 안정성을 충족할 수 있는 적정한 조건하에 최저온도와 충전시간의 범위를 용이하게 판정할 수가 있다. 따라서 이 발명에 의하면 성형품 형상모델에 관한 수지의 유동해석의 경우 고품질의 성형품을 얻기 위한 성형조건을 간단한 그래픽 표시로 용이하게 판정할 수가 있는 동시에 이 판정결과에 기준하여 각종의 적정한 성형조건의 선택을 할 수가 있으며 용융수지의 금형성형 프로그램의 작성에 이바지하는 효과는 대단히 크다.

그리고 상술한 실시예에서는, 용융 수지의 금형 성형에 있어서의 유동해석평가방법에 관하여 설명하였지만 이 발명은 이 실시예에 한정되는 것은 아니며 수지 이외의 용융재료의 금형성형 예를 들면 다이캐스트기(die casting machine)로의 용융도 가능하며 기타 이 발명의 정신을 일탈하지 않은 범위 내에서 여러 가지 설계 변경할 수 있음은 물론이다.

Claims (4)

1. 성형품 형상모델을 미소요소로 분할하고 유한요소법, 경제요소법, 차분법, FAN법을 포함하는 수치해석법을 사용하여 금형 내의 용융재료의 유동해석을 행하는 시스템에 있어서, 1 또는 2 이상의 용융재료 온도 조건에 대하여 각각 복수의 충전시간을 부여하여 해석하고, 획득된 충전완료시의 용융재료 온도 분포의 연산결과에 의하여 각 요소의 평균온도 또는 중간층온도에 대해 충전시간을 변수로 한 함수 Tn=fn(t)로서 구하며, 이들 함수를 디스플레이장치에 그래픽표시하여 소정의 금형온도에서의 용융재료온도와 충전시간의 범위를 평가판정하는 것을 특징으로 하는 용융재료의 금형성형에 있어서의 유동해석 평가방법.
2. 제1항에 있어서, 충전시간을 변수로 한 각 요소의 금형 충전 완료시의 평균온도 또는 중간층온도는 전 요소 중의 최고 용융 재료 온도의 함수 Tn=f_n1(t)로 하고, 이 최고 용융 재료 온도의 함수와 금형 유입시의 용융 재료 온도와의 편자 △Tn에 한계치를 부여하고, 상기 함수를 평가하여 적정한 용융재료 온도와 충전시간의 범위를 판정하여서 되는 용융 재료의 금형성형에 있어서의 유동해석 평가방법.
3. 제1항에 있어서, 충전시간을 변수로 한 각 요소의 금형 충전 완료시의 평균온도 또는 중간층온도는 전 요소 중의 최고 용융 재료 온도의 함수Tn=f_n1(t)로 하며, 그 미분치 dTn/dt에 한계치를 부여하고, 상기 함수를 평가하여 적정한 용융 재료 온도와 충전시간의 범위를 판정하여서 되는 용융 재료의 금형 성형에 있어서의 유동 해석 평가 방법.
4. 제1항에 있어서, 충전시간을 변수로 한 각 요소의 용융 재료 온도는 금형 충전 완료 시의 최저 용융 재료 온도의 함수 Tn=f_n2(t)로 하고, 이 최저 용융 재료 온도의 함수에 대해 사용하는 용융 재료의 고화온도 Ts에 기준한 한계치를 부여하고, 상기 함수를 평가하여 용융 재료의 성형 불가영역 온도와 충전시간의 범위를 판정하여서 되는 용융 재료의 금형 성형에 있어서의 유동해석 평가 방법.

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