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工學碩士學位論文
PP-LGF(유리 장섬유 강화PP)소재를 이용한
자동차 도어모듈 시스템 개발
DevelopmentofVehicleDoorModuleSystemsUsing
ThermoplasticPPLongGlassFiber
2008年 11月
仁荷大學校 大學院
機械工學科(固體 生産工學 攻)
李 炯 坤
工學碩士學位論文
PP-LGF(유리 장섬유 강화PP)소재를 이용한
자동차 도어모듈 시스템 개발
DevelopmentofVehicleDoorModuleSystemsUsing
ThermoplasticPPLongGlassFiber
2008年 11月
指 敎授
이 論文을 工學 碩士學位論文으로 提出함
仁荷大學校 大學院
機械工學科(固體 生産工學 攻)
李 炯 坤
이 論文을 李炯坤의 碩士學位 論文으로 認定함
2008年 11月
主審
副審
委員
요 약 문
오늘날 로벌 자동차 시장 다양한 차량 개발과 갈수록 경쟁 이며 빠른 국면으
로 재편되며 변화하고 있다따라서 세계 인 로벌 완성차 회사들은 조립시간 단
축개발기간 단축과 원가 감을 통한 지속 인 경쟁력 강화를 필요로 하고 있다
이러한 시장 환경에 부합하는 하나의 표 인 형태는 도어모듈과 같이 여러 부
품을 모듈화 하여 서 어셈블리(sub-assembly)형태로 OEM 공장 라인에 외주 공
하는 방법이다모듈 공 업체(ModuleSupplier)는 문 인 도어 시스템 구조에
한 지식과 신뢰성을 가진 업체로서 제품 설계에서부터 개발 시험양산
Safely 분석납품에 이르는 모든 능력을 만족하는 업체로 OEM 공장 라인에 직서
열로 모듈을 공 한다
통합모듈 도어시스템은 도어랫치 도우 귤 이터인사이드 핸들뿐만 아니라
와이어 하네스 고정스피커모터 콘트롤러심지어 사이드 충돌 패드까지 여러
기능들이 통합한 시스템으로 모듈화에 따른 원가 감 량 감조립시간의 단축
고객사의 장비 투자 감제품의 품질향상을 이룰 수 있다
본 라스틱 도어모듈 시스템의 개발은 3DDesign설계 단계에서부터 제품의 기
능 인 측면을 충분히 만족하며CAEsoftware인 Moldflow를 이용한 PP-LGF소
재의 물성치에 따른 사출성형 충진 분석을 통해 상되는 제품의 휨이나 응력을 분
석하고모델 형상과 사출 조건에 이를 반 하여 최 화 하 다그 결과로 실제의
형 제작에 있어서 시험 사출을 통한 시행착오를 최소화 할 수 있었다
엔지니어링 라스틱 신소재인 PP-LGF(유리 장섬유 강화PP)소재 용으로 기
존의 Steel을 단순히 체하는 단계를 넘어서 시스템 기능이 통합된 부품 통합 설
계와 량 감을 동시에 이룰 수 있는 계기가 되었다
이러한 신소재 통합부품의 기능 인 모듈 개발은 OEM 부품공 의 주류가 될 것
으로 상되며차세 자동차 기술에 빠르게 근 할 수 있는 좋은 가 될 수 있
겠다자동차 산업은 라스틱 신소재 개발과 통합모듈 시스템의 설계에 한 이해
의 폭을 넓 나가야 할 것이다
Abstract
Theglobalautomotiveindustry willbecomeeven morecompetitivemore
fastpacedandmorediverseintermsofvehiclechoicethanitistodayGlobal
carmakerwillcontinuetoseekwaystomaximizeuseofexistingplantspace
and reducevehicleassembly timeswhilealso reducing vehicledevelopment
timestoproductiontherebyreducingcost
OneofthewaysOEMswillmeetthesechallengeswillbetocontinuethe
trendofsourcinglargersubassembliessuchasdoormodulesSupplierswillbe
reliedonasdoortechnologyspecialistsandmayhavecompleteresponsibility
from designtodeliveryhavingbeenentirelydesignedengineeredmanufactured
assembledandtestedbythesupplierItswillbeshippedinsequencetothe
OEM assembly plantThisldquocompletedoorrdquolevelofintegration willrequire
supplierswithfullcompetenceincomponenthardwareengineeringaswellasa
thorough understanding ofallaspects ofthe doorrsquos structure and safety
performance
ThePlasticdoormodulesystem incorporatedthelatchwindow regulatorand
inside handleBy integrating functionality into a plastic carrier platethe
structuralplasticdoormoduleallowsfeaturessuchasawireclipsandMotor
controllereven theside-impactblocktobeintegratedtherearedesign and
stylingtrendofincreasingthefunctionofthemoduleThusreducingvehicle
assemblytimedecreasingcapitalinvestmentandimprovingquality
Inthisdevelopmentprocesshas3D designstepconsideredaccordingtobasic
functionalrequirementUsingCAEsoftwaremadebyMoldflow Coitsprovide
betterconditions ofinjection molding conditions base on PP-LGF material
properties and minimize the shearstress and change offine structure by
thermalandwarphistoryasaresultwecancarriedouttosolvetheTooling
problem andimprovedprocessofTooling modificationcanreduceprocessof
trialanderror
Untilrecentlyfew improvementsweremadetothisdesignlargelyduetothe
inflexibility ofsteelto allow foradditionalcomponentintegration and the
unavailabilityofcost-effectiveengineeredplasticsthedevelopmentinlong-glass
fibermoldedplasticshasnow enabledsupplierstoproducestructuralplastic
doormodulesthatimprovedoormoduledesignandfunction
Thefutureofautomotivedoortechnologyisfast-approachingandinonecase
itisheredesignsmanufacturesanddeliversinsequencethecompletedoorfor
theSmartSystem
Itispredictedthatthesemoduleswillbecomemainstream asOEMsdiscover
theiradvantagesespeciallytheopportunitytointegratehardwarecomponents
The automotive industry must continue to combine advances in plastics
manufacturingwithanunderstandingofthecompletevehiclestructure
asitrelatestothedesignandperformanceoftheentiredoor
목 차
요 약 문middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ
Abstractmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ
목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅴ
ListofFiguresmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅷ
ListofTablesmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅹ
Nomenclaturemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅺ
1서론
11연구배경middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1
12연구내용 목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
211ReinforceGlassfibermiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5
212Densitycomparisonmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GFmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10
214PP-LGFapplicationforAutomotivepartsmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12
22PerformancerequirementsforDoorModuleCarrier
221BasicperfomanceforEngineeringmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231Steeldoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19
232Plasticdoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20
24ToolingRequirementsforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcessmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23
243 형 시스템 (Moldsystem)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27
244ProcessingConditionforPP-LGFmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29
3연구방법
31PlasticDoorModuleDesignmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32
331SpecificationofModuleDesignmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33
332CreationofMeshdatamiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34
333FactionaldesignStressFEAanalysismiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflowmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41
322InjectionMoldingConditionbyMoldflowmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44
4해석결과 고찰
41Gate수와 치 결정middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45
42Gate최 화 Warpage분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50
43성형 해석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot69
5시사출 결과 3D측정 결과
51시사출 조건설정middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot70
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot73
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot77
6결 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot78
참고문헌middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot80
ListofFigures
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
Figure213FailureMechanism offiber-reinforcedthermoplastics
Figure214Longglassfiberpelletmaterial
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
Figure225ExpectedacousticalbehaviorofPlasticdoormodule
Figure226Comparisonofdoorslam noise
Figure227ComparisonofNVH-Performance
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
Figure241사출성형 공정 Cycle
Figure242왕복 스크류에서 고체 이송압축유체 이송 역을 보여 다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)배럴과 노즐
Figure246이단 형 시스템
Figure247삼단 형 시스템
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
Figure311StructureofCompletedoorsystem
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
Figure326InjectionMoldingCondition
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
Figure421Fillingpattern
Figure422유동선단 온도
Figure423형체력
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
Figure425FiberorientationofDoormodule
Figure426InjectionPressure
Figure427WeldLineanalysis
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Figure511Gaterunnersystem 설정
Figure512Coolingsystem 설정
Figure513PhotographofInjectiontool
Figure521ModulepanelFixture
Figure5223차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
Figure523CMM을 이용한 측정 Point측정결과
Figure524변형량 측정 Point설정
Figure525성형해석의 측정 Point설정
ListofTables
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
Table221Plasticmodule 량 감 효과
Table311Specificationofmodel
Table312MaterialdataLGFPP30
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
Table315Resultofstiffnessanalysis
Table316Resultofstiffnessanalysis
Table411Z축 변형량 비교
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
Table422보압 환 치에서 최 사출압
Table423보압 환 치에서 최 사출압
Table424 SequentialtimingforWeldLine
Table425 Z-Deflection
Table4263 고정(ZndashDeflection)
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Table431GateSystem의 성형해석 결과
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
Table512InjectionparameterforTooling
Table521공차 plusmn05mm Spec 용 시 측정결과
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
Nomenclature
- 1 -
1서 론
11연구배경
자동차 공업은 경량화와 원가 감 그리고 고기능성의 부여 에 지 효
율성 측면에서 라스틱 부품의 체가 실히 요구되어 왔고 그 체성
에 있어 기존의 주력소재인 철강(Steel)을 체하는 과정에서 라스틱이
주는 장 과 동시에 기능성과 물리 성질에 있어 기술 측면의 많은 도
을 받아왔다
이제 자동차공업에 있어 모듈화는 세계 로벌 선진기업들의 선결과제
로 그 변화의 물결 한가운데에 있다 해도 과언이 아닐 것이며국내 자동
차공업에 있어서도 분명한 개발축선 상에 있는 변화와 도 과제가 아닐
수 없는 것이다
기존에는 구성품들이 복잡한 기능을 가지지 않았으며 구성부품을 직
도어 임 안쪽 철 에 쉽게 장착 할 수 있었다그러나 최근 기능성과
안 성에 련된 추가부품인 ECU Controller 각종 Sensor등의 기능
이 추가되어 구조가 복잡해지고 그 수가 늘어감에 따라 완성차 업계는 이
모든 부품들을 효과 으로 In-Line에서 장착할 필요성을 느끼게 되었고
효과 인 안으로 시스템의 모듈화가 이루어졌다Table221은 모듈도
입 개념을 유럽과 한국을 비교하 다
- 2 -
구 분 유 럽 한 국
도입시기80년 생산성품질의 향상
작업자의 부담경감을 목표
2000년 원가 감작업성
품질향상신기술 용 목표
도입요인90년 부터는 노동Cost가 낮은
외주화를 통한 Cost 감 확
이미 70가 외주이며완성차
조립인건비신기술 용을 함
Cost 감
개념
고도의 부품 일체화를 통한
Cost 감
부품 일체화경쟁 구매를 통한
Cost삭감
모듈공장
배치
조립공장에 근 하여 동기생산에
의한 물류재고 최 화
토지사정이나 조립공장의 치에
한계부품의 형화로 창고가
필요하게 됨
품질 리
개념
품질 리의 간소화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 조달하는 부품의 품질 리를 실시)
조달책임조달책임의 명확화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 2차 부품 업체를 선정고장책임 등도 담당)
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
모듈화와 더불어 소재의 신 체 용에 의한 경량화의 추구 그리고
주요 부품의 물리 성질 기계 특성 등을 포함하여 기술 으로 극복
한 다양한 형태로 라스틱 소재의 개발 용이 가져다주는 에 지
효율성 등의 측면으로 보아도 자동차공업의 체소재 개발은 재 장
부품의 12～13 수 임을 감안할 때사실상 속의 체를 가능하게 한
- 3 -
고기능성 엔지니어링 라스틱 재료의 발 과 신 용개발로 이어지
는 자동차분야의 새로운 품질 신과 창조 개발활동은 진 인 추세이
다
생산 수가 연간 400만 로 세계 5 국의 상을 감안하면 로벌 경쟁시
의 시 에 선 우리산업의 체소재 개발의 실 인 상황은 뒤쳐 있
으며 라스틱 산업에서 보면 미국 듀폰독일의 Bayer Material
Science 랑스의 Rhodia( 롱 랑) 사우디의 Sabic( GEPlastics)
등의 세계 유수의 다국 기업들이 소재연구에서 컴 운딩 응용개발에 까
지 재 그 최선의 경쟁을 주도하고 있는 것도 사실이다
라스틱 소재의 발달로 경량화와 모듈화는 속공업을 근간으로 하는 철
강(Steel)이 기 재료인 자동차공업의 발 에 있어 경량화 추구와 생산성
에서 그리고 원가 감에 개선 이 크다 할 것이며이는 소재의 변화와
신이 가져다 수 있는 새로운 가치창조라고 할 수 있을 것이다
- 4 -
12연구내용 목
본 보고서에서는 유리 장섬유 복합소재는 자동차 구조용 부품의 핵심소
재로 떠오르고 있는 차세 열가소성 장섬유 복합소재를 이용하여 부품경
량화를 통한 원가 감과 연비향상부품의 통합화재활용성 향상을 이루
었고 CAE를 통한 사출성형 공정의 각 단계를 시뮬 이션을 통해 복잡한
성형의 최 모델링과 사출조건을FEA 구조 강성해석을 통한 기능
인 측면을 만족하는 모듈 시스템을 개발하 다
일본북미유럽의 자동차 사에서는 첨단 소재와 부품의 모듈화를 최우
선 개발 과제로 인식하여자동차의 구조용 부품에 활발히 용되고 있으
며 기술선 을 해 RampD를 집 하고 있어 국내 자동차사의 기술선 확
보가 매우 시 한 상황이다따라서 본 소재를 이용한 도어모듈 시스템의
개발은 국내 자동차사에서 의미 있는 것이라 하겠다
- 5 -
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
자동차 통합 모듈용 복합소재는 목표물성 구 을 통하여 제품 량을 최
소한 감소시키고충격강도굴곡 탄성률유동성을 동시에 향상시켜야 한
다 라스틱 에서도 특별히 기계 강도나 내열성 등이 우수하고 화학
middot물리 으로 혹독한 조건에서도 오랜 시간동안 물성이 변하지 않고 사
용할 수 있는 것으로 자동차나 비행기그 밖에 가 제품 등의 분야에서
속을 체할 수 있는 신소재가 여러 가지가 개발되어 있다
PP-LGF의 핵심기술 요소기술은 Base수지인 PP의 합을 통한 고
결정화 고유동화 기술 배합되는 고무나 무기 충진재를 미세 균일
분산 제어 시켜 모폴로지를 원하는 로 조 할 수 있는 배합 기술과 압
출 기술 등이 있다
211ReinforceGlassfiber(강화용 유리섬유)
유리섬유는 보통 장섬유(continuousfiber)와 단섬유(Shortfiber)로 분류
된다유리와 같은 취성재료는 작게 하거나 가늘게 하면 균열의 향이
작아져 단 면 당 강도가 커진다같은 단면 이라면 1가닥의 굵은 것
보다 가는 것을 여러 가닥 다발로 묶으면 훨씬 강하다이러한 성질을 치
수효과라 한다 아래 Figure211은 함침된 장섬유가 균일하게 분포되어
있는 이상 인 PP-LGF의 Pellet를 보여 다
- 6 -
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
유리섬유의 기계 성질로 고려되어질 사항은 인장강도이다유리섬유
의 종류에 상 없이 섬유직경이 작을수록 인장강도가 크게 나타난다이
는 유리섬유의 표면 은 단 길이당 직경이 클수록 넓게되어 결함(flaw)
의 존재확률은 높아지며그것만큼 단의 기회가 많아져 평균치로서의
인장 강도는 작게 된다
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
하나의 요한 기계 성질은 단력이다사출시 배양된 유리섬유
의 구조들은 각기 다른 각도 방향에 한 자기보강효과가 생성되어 높은
단강도와 탄성률을 가진다Figure213은 이러한 성질의 장섬유 라
- 7 -
스틱의 FailureMechanism 구조를 보여주고 있다
Figure 213 Failure Mechanism of fiber-reinforced thermoplastics
Fig214215는 PP와 유리섬유(Glassfiber)를 함침한 실린더형태의
Pellet의 제품형태를 보여 다
Figure 214 Long glass fiber pellet material
- 8 -
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
- 9 -
212Densitycomparison
30 PP-LGF(유리장섬유 강화PP)의 도[gcm3]는 Steel은 785기
Table211에서와 같이 약 112인데 반해 Aluminum은 28의 수치를 나
타낸다따라서 Steel과의 약 7정도의 차이를 보인다따라서 단순히 기존
Steel제품과 같은 설계 디자인으로는 동일한 강성을 확보할 수는 없을
것이다
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
그러나 라스틱은 설계의 자유도가 Steel에 비해 아주 높으므로
Figure218에서와 같이 취약부에 국소 으로 두께를 늘리거나FEA해석
을 통해 최 형태의 강성Rib형상을 부여함으로써 이러한 강성문제를 보
완할 수 있는 것이다
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
- 10 -
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
- 11 -
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
工學碩士學位論文
PP-LGF(유리 장섬유 강화PP)소재를 이용한
자동차 도어모듈 시스템 개발
DevelopmentofVehicleDoorModuleSystemsUsing
ThermoplasticPPLongGlassFiber
2008年 11月
仁荷大學校 大學院
機械工學科(固體 生産工學 攻)
李 炯 坤
工學碩士學位論文
PP-LGF(유리 장섬유 강화PP)소재를 이용한
자동차 도어모듈 시스템 개발
DevelopmentofVehicleDoorModuleSystemsUsing
ThermoplasticPPLongGlassFiber
2008年 11月
指 敎授
이 論文을 工學 碩士學位論文으로 提出함
仁荷大學校 大學院
機械工學科(固體 生産工學 攻)
李 炯 坤
이 論文을 李炯坤의 碩士學位 論文으로 認定함
2008年 11月
主審
副審
委員
요 약 문
오늘날 로벌 자동차 시장 다양한 차량 개발과 갈수록 경쟁 이며 빠른 국면으
로 재편되며 변화하고 있다따라서 세계 인 로벌 완성차 회사들은 조립시간 단
축개발기간 단축과 원가 감을 통한 지속 인 경쟁력 강화를 필요로 하고 있다
이러한 시장 환경에 부합하는 하나의 표 인 형태는 도어모듈과 같이 여러 부
품을 모듈화 하여 서 어셈블리(sub-assembly)형태로 OEM 공장 라인에 외주 공
하는 방법이다모듈 공 업체(ModuleSupplier)는 문 인 도어 시스템 구조에
한 지식과 신뢰성을 가진 업체로서 제품 설계에서부터 개발 시험양산
Safely 분석납품에 이르는 모든 능력을 만족하는 업체로 OEM 공장 라인에 직서
열로 모듈을 공 한다
통합모듈 도어시스템은 도어랫치 도우 귤 이터인사이드 핸들뿐만 아니라
와이어 하네스 고정스피커모터 콘트롤러심지어 사이드 충돌 패드까지 여러
기능들이 통합한 시스템으로 모듈화에 따른 원가 감 량 감조립시간의 단축
고객사의 장비 투자 감제품의 품질향상을 이룰 수 있다
본 라스틱 도어모듈 시스템의 개발은 3DDesign설계 단계에서부터 제품의 기
능 인 측면을 충분히 만족하며CAEsoftware인 Moldflow를 이용한 PP-LGF소
재의 물성치에 따른 사출성형 충진 분석을 통해 상되는 제품의 휨이나 응력을 분
석하고모델 형상과 사출 조건에 이를 반 하여 최 화 하 다그 결과로 실제의
형 제작에 있어서 시험 사출을 통한 시행착오를 최소화 할 수 있었다
엔지니어링 라스틱 신소재인 PP-LGF(유리 장섬유 강화PP)소재 용으로 기
존의 Steel을 단순히 체하는 단계를 넘어서 시스템 기능이 통합된 부품 통합 설
계와 량 감을 동시에 이룰 수 있는 계기가 되었다
이러한 신소재 통합부품의 기능 인 모듈 개발은 OEM 부품공 의 주류가 될 것
으로 상되며차세 자동차 기술에 빠르게 근 할 수 있는 좋은 가 될 수 있
겠다자동차 산업은 라스틱 신소재 개발과 통합모듈 시스템의 설계에 한 이해
의 폭을 넓 나가야 할 것이다
Abstract
Theglobalautomotiveindustry willbecomeeven morecompetitivemore
fastpacedandmorediverseintermsofvehiclechoicethanitistodayGlobal
carmakerwillcontinuetoseekwaystomaximizeuseofexistingplantspace
and reducevehicleassembly timeswhilealso reducing vehicledevelopment
timestoproductiontherebyreducingcost
OneofthewaysOEMswillmeetthesechallengeswillbetocontinuethe
trendofsourcinglargersubassembliessuchasdoormodulesSupplierswillbe
reliedonasdoortechnologyspecialistsandmayhavecompleteresponsibility
from designtodeliveryhavingbeenentirelydesignedengineeredmanufactured
assembledandtestedbythesupplierItswillbeshippedinsequencetothe
OEM assembly plantThisldquocompletedoorrdquolevelofintegration willrequire
supplierswithfullcompetenceincomponenthardwareengineeringaswellasa
thorough understanding ofallaspects ofthe doorrsquos structure and safety
performance
ThePlasticdoormodulesystem incorporatedthelatchwindow regulatorand
inside handleBy integrating functionality into a plastic carrier platethe
structuralplasticdoormoduleallowsfeaturessuchasawireclipsandMotor
controllereven theside-impactblocktobeintegratedtherearedesign and
stylingtrendofincreasingthefunctionofthemoduleThusreducingvehicle
assemblytimedecreasingcapitalinvestmentandimprovingquality
Inthisdevelopmentprocesshas3D designstepconsideredaccordingtobasic
functionalrequirementUsingCAEsoftwaremadebyMoldflow Coitsprovide
betterconditions ofinjection molding conditions base on PP-LGF material
properties and minimize the shearstress and change offine structure by
thermalandwarphistoryasaresultwecancarriedouttosolvetheTooling
problem andimprovedprocessofTooling modificationcanreduceprocessof
trialanderror
Untilrecentlyfew improvementsweremadetothisdesignlargelyduetothe
inflexibility ofsteelto allow foradditionalcomponentintegration and the
unavailabilityofcost-effectiveengineeredplasticsthedevelopmentinlong-glass
fibermoldedplasticshasnow enabledsupplierstoproducestructuralplastic
doormodulesthatimprovedoormoduledesignandfunction
Thefutureofautomotivedoortechnologyisfast-approachingandinonecase
itisheredesignsmanufacturesanddeliversinsequencethecompletedoorfor
theSmartSystem
Itispredictedthatthesemoduleswillbecomemainstream asOEMsdiscover
theiradvantagesespeciallytheopportunitytointegratehardwarecomponents
The automotive industry must continue to combine advances in plastics
manufacturingwithanunderstandingofthecompletevehiclestructure
asitrelatestothedesignandperformanceoftheentiredoor
목 차
요 약 문middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ
Abstractmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ
목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅴ
ListofFiguresmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅷ
ListofTablesmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅹ
Nomenclaturemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅺ
1서론
11연구배경middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1
12연구내용 목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
211ReinforceGlassfibermiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5
212Densitycomparisonmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GFmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10
214PP-LGFapplicationforAutomotivepartsmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12
22PerformancerequirementsforDoorModuleCarrier
221BasicperfomanceforEngineeringmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231Steeldoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19
232Plasticdoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20
24ToolingRequirementsforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcessmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23
243 형 시스템 (Moldsystem)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27
244ProcessingConditionforPP-LGFmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29
3연구방법
31PlasticDoorModuleDesignmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32
331SpecificationofModuleDesignmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33
332CreationofMeshdatamiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34
333FactionaldesignStressFEAanalysismiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflowmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41
322InjectionMoldingConditionbyMoldflowmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44
4해석결과 고찰
41Gate수와 치 결정middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45
42Gate최 화 Warpage분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50
43성형 해석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot69
5시사출 결과 3D측정 결과
51시사출 조건설정middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot70
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot73
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot77
6결 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot78
참고문헌middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot80
ListofFigures
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
Figure213FailureMechanism offiber-reinforcedthermoplastics
Figure214Longglassfiberpelletmaterial
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
Figure225ExpectedacousticalbehaviorofPlasticdoormodule
Figure226Comparisonofdoorslam noise
Figure227ComparisonofNVH-Performance
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
Figure241사출성형 공정 Cycle
Figure242왕복 스크류에서 고체 이송압축유체 이송 역을 보여 다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)배럴과 노즐
Figure246이단 형 시스템
Figure247삼단 형 시스템
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
Figure311StructureofCompletedoorsystem
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
Figure326InjectionMoldingCondition
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
Figure421Fillingpattern
Figure422유동선단 온도
Figure423형체력
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
Figure425FiberorientationofDoormodule
Figure426InjectionPressure
Figure427WeldLineanalysis
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Figure511Gaterunnersystem 설정
Figure512Coolingsystem 설정
Figure513PhotographofInjectiontool
Figure521ModulepanelFixture
Figure5223차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
Figure523CMM을 이용한 측정 Point측정결과
Figure524변형량 측정 Point설정
Figure525성형해석의 측정 Point설정
ListofTables
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
Table221Plasticmodule 량 감 효과
Table311Specificationofmodel
Table312MaterialdataLGFPP30
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
Table315Resultofstiffnessanalysis
Table316Resultofstiffnessanalysis
Table411Z축 변형량 비교
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
Table422보압 환 치에서 최 사출압
Table423보압 환 치에서 최 사출압
Table424 SequentialtimingforWeldLine
Table425 Z-Deflection
Table4263 고정(ZndashDeflection)
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Table431GateSystem의 성형해석 결과
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
Table512InjectionparameterforTooling
Table521공차 plusmn05mm Spec 용 시 측정결과
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
Nomenclature
- 1 -
1서 론
11연구배경
자동차 공업은 경량화와 원가 감 그리고 고기능성의 부여 에 지 효
율성 측면에서 라스틱 부품의 체가 실히 요구되어 왔고 그 체성
에 있어 기존의 주력소재인 철강(Steel)을 체하는 과정에서 라스틱이
주는 장 과 동시에 기능성과 물리 성질에 있어 기술 측면의 많은 도
을 받아왔다
이제 자동차공업에 있어 모듈화는 세계 로벌 선진기업들의 선결과제
로 그 변화의 물결 한가운데에 있다 해도 과언이 아닐 것이며국내 자동
차공업에 있어서도 분명한 개발축선 상에 있는 변화와 도 과제가 아닐
수 없는 것이다
기존에는 구성품들이 복잡한 기능을 가지지 않았으며 구성부품을 직
도어 임 안쪽 철 에 쉽게 장착 할 수 있었다그러나 최근 기능성과
안 성에 련된 추가부품인 ECU Controller 각종 Sensor등의 기능
이 추가되어 구조가 복잡해지고 그 수가 늘어감에 따라 완성차 업계는 이
모든 부품들을 효과 으로 In-Line에서 장착할 필요성을 느끼게 되었고
효과 인 안으로 시스템의 모듈화가 이루어졌다Table221은 모듈도
입 개념을 유럽과 한국을 비교하 다
- 2 -
구 분 유 럽 한 국
도입시기80년 생산성품질의 향상
작업자의 부담경감을 목표
2000년 원가 감작업성
품질향상신기술 용 목표
도입요인90년 부터는 노동Cost가 낮은
외주화를 통한 Cost 감 확
이미 70가 외주이며완성차
조립인건비신기술 용을 함
Cost 감
개념
고도의 부품 일체화를 통한
Cost 감
부품 일체화경쟁 구매를 통한
Cost삭감
모듈공장
배치
조립공장에 근 하여 동기생산에
의한 물류재고 최 화
토지사정이나 조립공장의 치에
한계부품의 형화로 창고가
필요하게 됨
품질 리
개념
품질 리의 간소화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 조달하는 부품의 품질 리를 실시)
조달책임조달책임의 명확화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 2차 부품 업체를 선정고장책임 등도 담당)
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
모듈화와 더불어 소재의 신 체 용에 의한 경량화의 추구 그리고
주요 부품의 물리 성질 기계 특성 등을 포함하여 기술 으로 극복
한 다양한 형태로 라스틱 소재의 개발 용이 가져다주는 에 지
효율성 등의 측면으로 보아도 자동차공업의 체소재 개발은 재 장
부품의 12～13 수 임을 감안할 때사실상 속의 체를 가능하게 한
- 3 -
고기능성 엔지니어링 라스틱 재료의 발 과 신 용개발로 이어지
는 자동차분야의 새로운 품질 신과 창조 개발활동은 진 인 추세이
다
생산 수가 연간 400만 로 세계 5 국의 상을 감안하면 로벌 경쟁시
의 시 에 선 우리산업의 체소재 개발의 실 인 상황은 뒤쳐 있
으며 라스틱 산업에서 보면 미국 듀폰독일의 Bayer Material
Science 랑스의 Rhodia( 롱 랑) 사우디의 Sabic( GEPlastics)
등의 세계 유수의 다국 기업들이 소재연구에서 컴 운딩 응용개발에 까
지 재 그 최선의 경쟁을 주도하고 있는 것도 사실이다
라스틱 소재의 발달로 경량화와 모듈화는 속공업을 근간으로 하는 철
강(Steel)이 기 재료인 자동차공업의 발 에 있어 경량화 추구와 생산성
에서 그리고 원가 감에 개선 이 크다 할 것이며이는 소재의 변화와
신이 가져다 수 있는 새로운 가치창조라고 할 수 있을 것이다
- 4 -
12연구내용 목
본 보고서에서는 유리 장섬유 복합소재는 자동차 구조용 부품의 핵심소
재로 떠오르고 있는 차세 열가소성 장섬유 복합소재를 이용하여 부품경
량화를 통한 원가 감과 연비향상부품의 통합화재활용성 향상을 이루
었고 CAE를 통한 사출성형 공정의 각 단계를 시뮬 이션을 통해 복잡한
성형의 최 모델링과 사출조건을FEA 구조 강성해석을 통한 기능
인 측면을 만족하는 모듈 시스템을 개발하 다
일본북미유럽의 자동차 사에서는 첨단 소재와 부품의 모듈화를 최우
선 개발 과제로 인식하여자동차의 구조용 부품에 활발히 용되고 있으
며 기술선 을 해 RampD를 집 하고 있어 국내 자동차사의 기술선 확
보가 매우 시 한 상황이다따라서 본 소재를 이용한 도어모듈 시스템의
개발은 국내 자동차사에서 의미 있는 것이라 하겠다
- 5 -
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
자동차 통합 모듈용 복합소재는 목표물성 구 을 통하여 제품 량을 최
소한 감소시키고충격강도굴곡 탄성률유동성을 동시에 향상시켜야 한
다 라스틱 에서도 특별히 기계 강도나 내열성 등이 우수하고 화학
middot물리 으로 혹독한 조건에서도 오랜 시간동안 물성이 변하지 않고 사
용할 수 있는 것으로 자동차나 비행기그 밖에 가 제품 등의 분야에서
속을 체할 수 있는 신소재가 여러 가지가 개발되어 있다
PP-LGF의 핵심기술 요소기술은 Base수지인 PP의 합을 통한 고
결정화 고유동화 기술 배합되는 고무나 무기 충진재를 미세 균일
분산 제어 시켜 모폴로지를 원하는 로 조 할 수 있는 배합 기술과 압
출 기술 등이 있다
211ReinforceGlassfiber(강화용 유리섬유)
유리섬유는 보통 장섬유(continuousfiber)와 단섬유(Shortfiber)로 분류
된다유리와 같은 취성재료는 작게 하거나 가늘게 하면 균열의 향이
작아져 단 면 당 강도가 커진다같은 단면 이라면 1가닥의 굵은 것
보다 가는 것을 여러 가닥 다발로 묶으면 훨씬 강하다이러한 성질을 치
수효과라 한다 아래 Figure211은 함침된 장섬유가 균일하게 분포되어
있는 이상 인 PP-LGF의 Pellet를 보여 다
- 6 -
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
유리섬유의 기계 성질로 고려되어질 사항은 인장강도이다유리섬유
의 종류에 상 없이 섬유직경이 작을수록 인장강도가 크게 나타난다이
는 유리섬유의 표면 은 단 길이당 직경이 클수록 넓게되어 결함(flaw)
의 존재확률은 높아지며그것만큼 단의 기회가 많아져 평균치로서의
인장 강도는 작게 된다
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
하나의 요한 기계 성질은 단력이다사출시 배양된 유리섬유
의 구조들은 각기 다른 각도 방향에 한 자기보강효과가 생성되어 높은
단강도와 탄성률을 가진다Figure213은 이러한 성질의 장섬유 라
- 7 -
스틱의 FailureMechanism 구조를 보여주고 있다
Figure 213 Failure Mechanism of fiber-reinforced thermoplastics
Fig214215는 PP와 유리섬유(Glassfiber)를 함침한 실린더형태의
Pellet의 제품형태를 보여 다
Figure 214 Long glass fiber pellet material
- 8 -
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
- 9 -
212Densitycomparison
30 PP-LGF(유리장섬유 강화PP)의 도[gcm3]는 Steel은 785기
Table211에서와 같이 약 112인데 반해 Aluminum은 28의 수치를 나
타낸다따라서 Steel과의 약 7정도의 차이를 보인다따라서 단순히 기존
Steel제품과 같은 설계 디자인으로는 동일한 강성을 확보할 수는 없을
것이다
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
그러나 라스틱은 설계의 자유도가 Steel에 비해 아주 높으므로
Figure218에서와 같이 취약부에 국소 으로 두께를 늘리거나FEA해석
을 통해 최 형태의 강성Rib형상을 부여함으로써 이러한 강성문제를 보
완할 수 있는 것이다
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
- 10 -
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
- 11 -
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
工學碩士學位論文
PP-LGF(유리 장섬유 강화PP)소재를 이용한
자동차 도어모듈 시스템 개발
DevelopmentofVehicleDoorModuleSystemsUsing
ThermoplasticPPLongGlassFiber
2008年 11月
指 敎授
이 論文을 工學 碩士學位論文으로 提出함
仁荷大學校 大學院
機械工學科(固體 生産工學 攻)
李 炯 坤
이 論文을 李炯坤의 碩士學位 論文으로 認定함
2008年 11月
主審
副審
委員
요 약 문
오늘날 로벌 자동차 시장 다양한 차량 개발과 갈수록 경쟁 이며 빠른 국면으
로 재편되며 변화하고 있다따라서 세계 인 로벌 완성차 회사들은 조립시간 단
축개발기간 단축과 원가 감을 통한 지속 인 경쟁력 강화를 필요로 하고 있다
이러한 시장 환경에 부합하는 하나의 표 인 형태는 도어모듈과 같이 여러 부
품을 모듈화 하여 서 어셈블리(sub-assembly)형태로 OEM 공장 라인에 외주 공
하는 방법이다모듈 공 업체(ModuleSupplier)는 문 인 도어 시스템 구조에
한 지식과 신뢰성을 가진 업체로서 제품 설계에서부터 개발 시험양산
Safely 분석납품에 이르는 모든 능력을 만족하는 업체로 OEM 공장 라인에 직서
열로 모듈을 공 한다
통합모듈 도어시스템은 도어랫치 도우 귤 이터인사이드 핸들뿐만 아니라
와이어 하네스 고정스피커모터 콘트롤러심지어 사이드 충돌 패드까지 여러
기능들이 통합한 시스템으로 모듈화에 따른 원가 감 량 감조립시간의 단축
고객사의 장비 투자 감제품의 품질향상을 이룰 수 있다
본 라스틱 도어모듈 시스템의 개발은 3DDesign설계 단계에서부터 제품의 기
능 인 측면을 충분히 만족하며CAEsoftware인 Moldflow를 이용한 PP-LGF소
재의 물성치에 따른 사출성형 충진 분석을 통해 상되는 제품의 휨이나 응력을 분
석하고모델 형상과 사출 조건에 이를 반 하여 최 화 하 다그 결과로 실제의
형 제작에 있어서 시험 사출을 통한 시행착오를 최소화 할 수 있었다
엔지니어링 라스틱 신소재인 PP-LGF(유리 장섬유 강화PP)소재 용으로 기
존의 Steel을 단순히 체하는 단계를 넘어서 시스템 기능이 통합된 부품 통합 설
계와 량 감을 동시에 이룰 수 있는 계기가 되었다
이러한 신소재 통합부품의 기능 인 모듈 개발은 OEM 부품공 의 주류가 될 것
으로 상되며차세 자동차 기술에 빠르게 근 할 수 있는 좋은 가 될 수 있
겠다자동차 산업은 라스틱 신소재 개발과 통합모듈 시스템의 설계에 한 이해
의 폭을 넓 나가야 할 것이다
Abstract
Theglobalautomotiveindustry willbecomeeven morecompetitivemore
fastpacedandmorediverseintermsofvehiclechoicethanitistodayGlobal
carmakerwillcontinuetoseekwaystomaximizeuseofexistingplantspace
and reducevehicleassembly timeswhilealso reducing vehicledevelopment
timestoproductiontherebyreducingcost
OneofthewaysOEMswillmeetthesechallengeswillbetocontinuethe
trendofsourcinglargersubassembliessuchasdoormodulesSupplierswillbe
reliedonasdoortechnologyspecialistsandmayhavecompleteresponsibility
from designtodeliveryhavingbeenentirelydesignedengineeredmanufactured
assembledandtestedbythesupplierItswillbeshippedinsequencetothe
OEM assembly plantThisldquocompletedoorrdquolevelofintegration willrequire
supplierswithfullcompetenceincomponenthardwareengineeringaswellasa
thorough understanding ofallaspects ofthe doorrsquos structure and safety
performance
ThePlasticdoormodulesystem incorporatedthelatchwindow regulatorand
inside handleBy integrating functionality into a plastic carrier platethe
structuralplasticdoormoduleallowsfeaturessuchasawireclipsandMotor
controllereven theside-impactblocktobeintegratedtherearedesign and
stylingtrendofincreasingthefunctionofthemoduleThusreducingvehicle
assemblytimedecreasingcapitalinvestmentandimprovingquality
Inthisdevelopmentprocesshas3D designstepconsideredaccordingtobasic
functionalrequirementUsingCAEsoftwaremadebyMoldflow Coitsprovide
betterconditions ofinjection molding conditions base on PP-LGF material
properties and minimize the shearstress and change offine structure by
thermalandwarphistoryasaresultwecancarriedouttosolvetheTooling
problem andimprovedprocessofTooling modificationcanreduceprocessof
trialanderror
Untilrecentlyfew improvementsweremadetothisdesignlargelyduetothe
inflexibility ofsteelto allow foradditionalcomponentintegration and the
unavailabilityofcost-effectiveengineeredplasticsthedevelopmentinlong-glass
fibermoldedplasticshasnow enabledsupplierstoproducestructuralplastic
doormodulesthatimprovedoormoduledesignandfunction
Thefutureofautomotivedoortechnologyisfast-approachingandinonecase
itisheredesignsmanufacturesanddeliversinsequencethecompletedoorfor
theSmartSystem
Itispredictedthatthesemoduleswillbecomemainstream asOEMsdiscover
theiradvantagesespeciallytheopportunitytointegratehardwarecomponents
The automotive industry must continue to combine advances in plastics
manufacturingwithanunderstandingofthecompletevehiclestructure
asitrelatestothedesignandperformanceoftheentiredoor
목 차
요 약 문middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ
Abstractmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ
목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅴ
ListofFiguresmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅷ
ListofTablesmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅹ
Nomenclaturemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅺ
1서론
11연구배경middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1
12연구내용 목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
211ReinforceGlassfibermiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5
212Densitycomparisonmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GFmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10
214PP-LGFapplicationforAutomotivepartsmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12
22PerformancerequirementsforDoorModuleCarrier
221BasicperfomanceforEngineeringmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231Steeldoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19
232Plasticdoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20
24ToolingRequirementsforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcessmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23
243 형 시스템 (Moldsystem)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27
244ProcessingConditionforPP-LGFmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29
3연구방법
31PlasticDoorModuleDesignmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32
331SpecificationofModuleDesignmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33
332CreationofMeshdatamiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34
333FactionaldesignStressFEAanalysismiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflowmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41
322InjectionMoldingConditionbyMoldflowmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44
4해석결과 고찰
41Gate수와 치 결정middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45
42Gate최 화 Warpage분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50
43성형 해석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot69
5시사출 결과 3D측정 결과
51시사출 조건설정middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot70
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot73
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot77
6결 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot78
참고문헌middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot80
ListofFigures
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
Figure213FailureMechanism offiber-reinforcedthermoplastics
Figure214Longglassfiberpelletmaterial
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
Figure225ExpectedacousticalbehaviorofPlasticdoormodule
Figure226Comparisonofdoorslam noise
Figure227ComparisonofNVH-Performance
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
Figure241사출성형 공정 Cycle
Figure242왕복 스크류에서 고체 이송압축유체 이송 역을 보여 다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)배럴과 노즐
Figure246이단 형 시스템
Figure247삼단 형 시스템
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
Figure311StructureofCompletedoorsystem
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
Figure326InjectionMoldingCondition
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
Figure421Fillingpattern
Figure422유동선단 온도
Figure423형체력
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
Figure425FiberorientationofDoormodule
Figure426InjectionPressure
Figure427WeldLineanalysis
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Figure511Gaterunnersystem 설정
Figure512Coolingsystem 설정
Figure513PhotographofInjectiontool
Figure521ModulepanelFixture
Figure5223차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
Figure523CMM을 이용한 측정 Point측정결과
Figure524변형량 측정 Point설정
Figure525성형해석의 측정 Point설정
ListofTables
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
Table221Plasticmodule 량 감 효과
Table311Specificationofmodel
Table312MaterialdataLGFPP30
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
Table315Resultofstiffnessanalysis
Table316Resultofstiffnessanalysis
Table411Z축 변형량 비교
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
Table422보압 환 치에서 최 사출압
Table423보압 환 치에서 최 사출압
Table424 SequentialtimingforWeldLine
Table425 Z-Deflection
Table4263 고정(ZndashDeflection)
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Table431GateSystem의 성형해석 결과
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
Table512InjectionparameterforTooling
Table521공차 plusmn05mm Spec 용 시 측정결과
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
Nomenclature
- 1 -
1서 론
11연구배경
자동차 공업은 경량화와 원가 감 그리고 고기능성의 부여 에 지 효
율성 측면에서 라스틱 부품의 체가 실히 요구되어 왔고 그 체성
에 있어 기존의 주력소재인 철강(Steel)을 체하는 과정에서 라스틱이
주는 장 과 동시에 기능성과 물리 성질에 있어 기술 측면의 많은 도
을 받아왔다
이제 자동차공업에 있어 모듈화는 세계 로벌 선진기업들의 선결과제
로 그 변화의 물결 한가운데에 있다 해도 과언이 아닐 것이며국내 자동
차공업에 있어서도 분명한 개발축선 상에 있는 변화와 도 과제가 아닐
수 없는 것이다
기존에는 구성품들이 복잡한 기능을 가지지 않았으며 구성부품을 직
도어 임 안쪽 철 에 쉽게 장착 할 수 있었다그러나 최근 기능성과
안 성에 련된 추가부품인 ECU Controller 각종 Sensor등의 기능
이 추가되어 구조가 복잡해지고 그 수가 늘어감에 따라 완성차 업계는 이
모든 부품들을 효과 으로 In-Line에서 장착할 필요성을 느끼게 되었고
효과 인 안으로 시스템의 모듈화가 이루어졌다Table221은 모듈도
입 개념을 유럽과 한국을 비교하 다
- 2 -
구 분 유 럽 한 국
도입시기80년 생산성품질의 향상
작업자의 부담경감을 목표
2000년 원가 감작업성
품질향상신기술 용 목표
도입요인90년 부터는 노동Cost가 낮은
외주화를 통한 Cost 감 확
이미 70가 외주이며완성차
조립인건비신기술 용을 함
Cost 감
개념
고도의 부품 일체화를 통한
Cost 감
부품 일체화경쟁 구매를 통한
Cost삭감
모듈공장
배치
조립공장에 근 하여 동기생산에
의한 물류재고 최 화
토지사정이나 조립공장의 치에
한계부품의 형화로 창고가
필요하게 됨
품질 리
개념
품질 리의 간소화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 조달하는 부품의 품질 리를 실시)
조달책임조달책임의 명확화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 2차 부품 업체를 선정고장책임 등도 담당)
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
모듈화와 더불어 소재의 신 체 용에 의한 경량화의 추구 그리고
주요 부품의 물리 성질 기계 특성 등을 포함하여 기술 으로 극복
한 다양한 형태로 라스틱 소재의 개발 용이 가져다주는 에 지
효율성 등의 측면으로 보아도 자동차공업의 체소재 개발은 재 장
부품의 12～13 수 임을 감안할 때사실상 속의 체를 가능하게 한
- 3 -
고기능성 엔지니어링 라스틱 재료의 발 과 신 용개발로 이어지
는 자동차분야의 새로운 품질 신과 창조 개발활동은 진 인 추세이
다
생산 수가 연간 400만 로 세계 5 국의 상을 감안하면 로벌 경쟁시
의 시 에 선 우리산업의 체소재 개발의 실 인 상황은 뒤쳐 있
으며 라스틱 산업에서 보면 미국 듀폰독일의 Bayer Material
Science 랑스의 Rhodia( 롱 랑) 사우디의 Sabic( GEPlastics)
등의 세계 유수의 다국 기업들이 소재연구에서 컴 운딩 응용개발에 까
지 재 그 최선의 경쟁을 주도하고 있는 것도 사실이다
라스틱 소재의 발달로 경량화와 모듈화는 속공업을 근간으로 하는 철
강(Steel)이 기 재료인 자동차공업의 발 에 있어 경량화 추구와 생산성
에서 그리고 원가 감에 개선 이 크다 할 것이며이는 소재의 변화와
신이 가져다 수 있는 새로운 가치창조라고 할 수 있을 것이다
- 4 -
12연구내용 목
본 보고서에서는 유리 장섬유 복합소재는 자동차 구조용 부품의 핵심소
재로 떠오르고 있는 차세 열가소성 장섬유 복합소재를 이용하여 부품경
량화를 통한 원가 감과 연비향상부품의 통합화재활용성 향상을 이루
었고 CAE를 통한 사출성형 공정의 각 단계를 시뮬 이션을 통해 복잡한
성형의 최 모델링과 사출조건을FEA 구조 강성해석을 통한 기능
인 측면을 만족하는 모듈 시스템을 개발하 다
일본북미유럽의 자동차 사에서는 첨단 소재와 부품의 모듈화를 최우
선 개발 과제로 인식하여자동차의 구조용 부품에 활발히 용되고 있으
며 기술선 을 해 RampD를 집 하고 있어 국내 자동차사의 기술선 확
보가 매우 시 한 상황이다따라서 본 소재를 이용한 도어모듈 시스템의
개발은 국내 자동차사에서 의미 있는 것이라 하겠다
- 5 -
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
자동차 통합 모듈용 복합소재는 목표물성 구 을 통하여 제품 량을 최
소한 감소시키고충격강도굴곡 탄성률유동성을 동시에 향상시켜야 한
다 라스틱 에서도 특별히 기계 강도나 내열성 등이 우수하고 화학
middot물리 으로 혹독한 조건에서도 오랜 시간동안 물성이 변하지 않고 사
용할 수 있는 것으로 자동차나 비행기그 밖에 가 제품 등의 분야에서
속을 체할 수 있는 신소재가 여러 가지가 개발되어 있다
PP-LGF의 핵심기술 요소기술은 Base수지인 PP의 합을 통한 고
결정화 고유동화 기술 배합되는 고무나 무기 충진재를 미세 균일
분산 제어 시켜 모폴로지를 원하는 로 조 할 수 있는 배합 기술과 압
출 기술 등이 있다
211ReinforceGlassfiber(강화용 유리섬유)
유리섬유는 보통 장섬유(continuousfiber)와 단섬유(Shortfiber)로 분류
된다유리와 같은 취성재료는 작게 하거나 가늘게 하면 균열의 향이
작아져 단 면 당 강도가 커진다같은 단면 이라면 1가닥의 굵은 것
보다 가는 것을 여러 가닥 다발로 묶으면 훨씬 강하다이러한 성질을 치
수효과라 한다 아래 Figure211은 함침된 장섬유가 균일하게 분포되어
있는 이상 인 PP-LGF의 Pellet를 보여 다
- 6 -
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
유리섬유의 기계 성질로 고려되어질 사항은 인장강도이다유리섬유
의 종류에 상 없이 섬유직경이 작을수록 인장강도가 크게 나타난다이
는 유리섬유의 표면 은 단 길이당 직경이 클수록 넓게되어 결함(flaw)
의 존재확률은 높아지며그것만큼 단의 기회가 많아져 평균치로서의
인장 강도는 작게 된다
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
하나의 요한 기계 성질은 단력이다사출시 배양된 유리섬유
의 구조들은 각기 다른 각도 방향에 한 자기보강효과가 생성되어 높은
단강도와 탄성률을 가진다Figure213은 이러한 성질의 장섬유 라
- 7 -
스틱의 FailureMechanism 구조를 보여주고 있다
Figure 213 Failure Mechanism of fiber-reinforced thermoplastics
Fig214215는 PP와 유리섬유(Glassfiber)를 함침한 실린더형태의
Pellet의 제품형태를 보여 다
Figure 214 Long glass fiber pellet material
- 8 -
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
- 9 -
212Densitycomparison
30 PP-LGF(유리장섬유 강화PP)의 도[gcm3]는 Steel은 785기
Table211에서와 같이 약 112인데 반해 Aluminum은 28의 수치를 나
타낸다따라서 Steel과의 약 7정도의 차이를 보인다따라서 단순히 기존
Steel제품과 같은 설계 디자인으로는 동일한 강성을 확보할 수는 없을
것이다
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
그러나 라스틱은 설계의 자유도가 Steel에 비해 아주 높으므로
Figure218에서와 같이 취약부에 국소 으로 두께를 늘리거나FEA해석
을 통해 최 형태의 강성Rib형상을 부여함으로써 이러한 강성문제를 보
완할 수 있는 것이다
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
- 10 -
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
- 11 -
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
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GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
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- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
이 論文을 李炯坤의 碩士學位 論文으로 認定함
2008年 11月
主審
副審
委員
요 약 문
오늘날 로벌 자동차 시장 다양한 차량 개발과 갈수록 경쟁 이며 빠른 국면으
로 재편되며 변화하고 있다따라서 세계 인 로벌 완성차 회사들은 조립시간 단
축개발기간 단축과 원가 감을 통한 지속 인 경쟁력 강화를 필요로 하고 있다
이러한 시장 환경에 부합하는 하나의 표 인 형태는 도어모듈과 같이 여러 부
품을 모듈화 하여 서 어셈블리(sub-assembly)형태로 OEM 공장 라인에 외주 공
하는 방법이다모듈 공 업체(ModuleSupplier)는 문 인 도어 시스템 구조에
한 지식과 신뢰성을 가진 업체로서 제품 설계에서부터 개발 시험양산
Safely 분석납품에 이르는 모든 능력을 만족하는 업체로 OEM 공장 라인에 직서
열로 모듈을 공 한다
통합모듈 도어시스템은 도어랫치 도우 귤 이터인사이드 핸들뿐만 아니라
와이어 하네스 고정스피커모터 콘트롤러심지어 사이드 충돌 패드까지 여러
기능들이 통합한 시스템으로 모듈화에 따른 원가 감 량 감조립시간의 단축
고객사의 장비 투자 감제품의 품질향상을 이룰 수 있다
본 라스틱 도어모듈 시스템의 개발은 3DDesign설계 단계에서부터 제품의 기
능 인 측면을 충분히 만족하며CAEsoftware인 Moldflow를 이용한 PP-LGF소
재의 물성치에 따른 사출성형 충진 분석을 통해 상되는 제품의 휨이나 응력을 분
석하고모델 형상과 사출 조건에 이를 반 하여 최 화 하 다그 결과로 실제의
형 제작에 있어서 시험 사출을 통한 시행착오를 최소화 할 수 있었다
엔지니어링 라스틱 신소재인 PP-LGF(유리 장섬유 강화PP)소재 용으로 기
존의 Steel을 단순히 체하는 단계를 넘어서 시스템 기능이 통합된 부품 통합 설
계와 량 감을 동시에 이룰 수 있는 계기가 되었다
이러한 신소재 통합부품의 기능 인 모듈 개발은 OEM 부품공 의 주류가 될 것
으로 상되며차세 자동차 기술에 빠르게 근 할 수 있는 좋은 가 될 수 있
겠다자동차 산업은 라스틱 신소재 개발과 통합모듈 시스템의 설계에 한 이해
의 폭을 넓 나가야 할 것이다
Abstract
Theglobalautomotiveindustry willbecomeeven morecompetitivemore
fastpacedandmorediverseintermsofvehiclechoicethanitistodayGlobal
carmakerwillcontinuetoseekwaystomaximizeuseofexistingplantspace
and reducevehicleassembly timeswhilealso reducing vehicledevelopment
timestoproductiontherebyreducingcost
OneofthewaysOEMswillmeetthesechallengeswillbetocontinuethe
trendofsourcinglargersubassembliessuchasdoormodulesSupplierswillbe
reliedonasdoortechnologyspecialistsandmayhavecompleteresponsibility
from designtodeliveryhavingbeenentirelydesignedengineeredmanufactured
assembledandtestedbythesupplierItswillbeshippedinsequencetothe
OEM assembly plantThisldquocompletedoorrdquolevelofintegration willrequire
supplierswithfullcompetenceincomponenthardwareengineeringaswellasa
thorough understanding ofallaspects ofthe doorrsquos structure and safety
performance
ThePlasticdoormodulesystem incorporatedthelatchwindow regulatorand
inside handleBy integrating functionality into a plastic carrier platethe
structuralplasticdoormoduleallowsfeaturessuchasawireclipsandMotor
controllereven theside-impactblocktobeintegratedtherearedesign and
stylingtrendofincreasingthefunctionofthemoduleThusreducingvehicle
assemblytimedecreasingcapitalinvestmentandimprovingquality
Inthisdevelopmentprocesshas3D designstepconsideredaccordingtobasic
functionalrequirementUsingCAEsoftwaremadebyMoldflow Coitsprovide
betterconditions ofinjection molding conditions base on PP-LGF material
properties and minimize the shearstress and change offine structure by
thermalandwarphistoryasaresultwecancarriedouttosolvetheTooling
problem andimprovedprocessofTooling modificationcanreduceprocessof
trialanderror
Untilrecentlyfew improvementsweremadetothisdesignlargelyduetothe
inflexibility ofsteelto allow foradditionalcomponentintegration and the
unavailabilityofcost-effectiveengineeredplasticsthedevelopmentinlong-glass
fibermoldedplasticshasnow enabledsupplierstoproducestructuralplastic
doormodulesthatimprovedoormoduledesignandfunction
Thefutureofautomotivedoortechnologyisfast-approachingandinonecase
itisheredesignsmanufacturesanddeliversinsequencethecompletedoorfor
theSmartSystem
Itispredictedthatthesemoduleswillbecomemainstream asOEMsdiscover
theiradvantagesespeciallytheopportunitytointegratehardwarecomponents
The automotive industry must continue to combine advances in plastics
manufacturingwithanunderstandingofthecompletevehiclestructure
asitrelatestothedesignandperformanceoftheentiredoor
목 차
요 약 문middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ
Abstractmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ
목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅴ
ListofFiguresmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅷ
ListofTablesmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅹ
Nomenclaturemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅺ
1서론
11연구배경middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1
12연구내용 목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
211ReinforceGlassfibermiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5
212Densitycomparisonmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GFmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10
214PP-LGFapplicationforAutomotivepartsmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12
22PerformancerequirementsforDoorModuleCarrier
221BasicperfomanceforEngineeringmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231Steeldoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19
232Plasticdoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20
24ToolingRequirementsforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcessmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23
243 형 시스템 (Moldsystem)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27
244ProcessingConditionforPP-LGFmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29
3연구방법
31PlasticDoorModuleDesignmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32
331SpecificationofModuleDesignmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33
332CreationofMeshdatamiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34
333FactionaldesignStressFEAanalysismiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflowmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41
322InjectionMoldingConditionbyMoldflowmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44
4해석결과 고찰
41Gate수와 치 결정middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45
42Gate최 화 Warpage분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50
43성형 해석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot69
5시사출 결과 3D측정 결과
51시사출 조건설정middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot70
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot73
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot77
6결 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot78
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ListofFigures
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
Figure213FailureMechanism offiber-reinforcedthermoplastics
Figure214Longglassfiberpelletmaterial
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
Figure225ExpectedacousticalbehaviorofPlasticdoormodule
Figure226Comparisonofdoorslam noise
Figure227ComparisonofNVH-Performance
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
Figure241사출성형 공정 Cycle
Figure242왕복 스크류에서 고체 이송압축유체 이송 역을 보여 다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)배럴과 노즐
Figure246이단 형 시스템
Figure247삼단 형 시스템
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
Figure311StructureofCompletedoorsystem
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
Figure326InjectionMoldingCondition
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
Figure421Fillingpattern
Figure422유동선단 온도
Figure423형체력
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
Figure425FiberorientationofDoormodule
Figure426InjectionPressure
Figure427WeldLineanalysis
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Figure511Gaterunnersystem 설정
Figure512Coolingsystem 설정
Figure513PhotographofInjectiontool
Figure521ModulepanelFixture
Figure5223차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
Figure523CMM을 이용한 측정 Point측정결과
Figure524변형량 측정 Point설정
Figure525성형해석의 측정 Point설정
ListofTables
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
Table221Plasticmodule 량 감 효과
Table311Specificationofmodel
Table312MaterialdataLGFPP30
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
Table315Resultofstiffnessanalysis
Table316Resultofstiffnessanalysis
Table411Z축 변형량 비교
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
Table422보압 환 치에서 최 사출압
Table423보압 환 치에서 최 사출압
Table424 SequentialtimingforWeldLine
Table425 Z-Deflection
Table4263 고정(ZndashDeflection)
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Table431GateSystem의 성형해석 결과
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
Table512InjectionparameterforTooling
Table521공차 plusmn05mm Spec 용 시 측정결과
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
Nomenclature
- 1 -
1서 론
11연구배경
자동차 공업은 경량화와 원가 감 그리고 고기능성의 부여 에 지 효
율성 측면에서 라스틱 부품의 체가 실히 요구되어 왔고 그 체성
에 있어 기존의 주력소재인 철강(Steel)을 체하는 과정에서 라스틱이
주는 장 과 동시에 기능성과 물리 성질에 있어 기술 측면의 많은 도
을 받아왔다
이제 자동차공업에 있어 모듈화는 세계 로벌 선진기업들의 선결과제
로 그 변화의 물결 한가운데에 있다 해도 과언이 아닐 것이며국내 자동
차공업에 있어서도 분명한 개발축선 상에 있는 변화와 도 과제가 아닐
수 없는 것이다
기존에는 구성품들이 복잡한 기능을 가지지 않았으며 구성부품을 직
도어 임 안쪽 철 에 쉽게 장착 할 수 있었다그러나 최근 기능성과
안 성에 련된 추가부품인 ECU Controller 각종 Sensor등의 기능
이 추가되어 구조가 복잡해지고 그 수가 늘어감에 따라 완성차 업계는 이
모든 부품들을 효과 으로 In-Line에서 장착할 필요성을 느끼게 되었고
효과 인 안으로 시스템의 모듈화가 이루어졌다Table221은 모듈도
입 개념을 유럽과 한국을 비교하 다
- 2 -
구 분 유 럽 한 국
도입시기80년 생산성품질의 향상
작업자의 부담경감을 목표
2000년 원가 감작업성
품질향상신기술 용 목표
도입요인90년 부터는 노동Cost가 낮은
외주화를 통한 Cost 감 확
이미 70가 외주이며완성차
조립인건비신기술 용을 함
Cost 감
개념
고도의 부품 일체화를 통한
Cost 감
부품 일체화경쟁 구매를 통한
Cost삭감
모듈공장
배치
조립공장에 근 하여 동기생산에
의한 물류재고 최 화
토지사정이나 조립공장의 치에
한계부품의 형화로 창고가
필요하게 됨
품질 리
개념
품질 리의 간소화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 조달하는 부품의 품질 리를 실시)
조달책임조달책임의 명확화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 2차 부품 업체를 선정고장책임 등도 담당)
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
모듈화와 더불어 소재의 신 체 용에 의한 경량화의 추구 그리고
주요 부품의 물리 성질 기계 특성 등을 포함하여 기술 으로 극복
한 다양한 형태로 라스틱 소재의 개발 용이 가져다주는 에 지
효율성 등의 측면으로 보아도 자동차공업의 체소재 개발은 재 장
부품의 12～13 수 임을 감안할 때사실상 속의 체를 가능하게 한
- 3 -
고기능성 엔지니어링 라스틱 재료의 발 과 신 용개발로 이어지
는 자동차분야의 새로운 품질 신과 창조 개발활동은 진 인 추세이
다
생산 수가 연간 400만 로 세계 5 국의 상을 감안하면 로벌 경쟁시
의 시 에 선 우리산업의 체소재 개발의 실 인 상황은 뒤쳐 있
으며 라스틱 산업에서 보면 미국 듀폰독일의 Bayer Material
Science 랑스의 Rhodia( 롱 랑) 사우디의 Sabic( GEPlastics)
등의 세계 유수의 다국 기업들이 소재연구에서 컴 운딩 응용개발에 까
지 재 그 최선의 경쟁을 주도하고 있는 것도 사실이다
라스틱 소재의 발달로 경량화와 모듈화는 속공업을 근간으로 하는 철
강(Steel)이 기 재료인 자동차공업의 발 에 있어 경량화 추구와 생산성
에서 그리고 원가 감에 개선 이 크다 할 것이며이는 소재의 변화와
신이 가져다 수 있는 새로운 가치창조라고 할 수 있을 것이다
- 4 -
12연구내용 목
본 보고서에서는 유리 장섬유 복합소재는 자동차 구조용 부품의 핵심소
재로 떠오르고 있는 차세 열가소성 장섬유 복합소재를 이용하여 부품경
량화를 통한 원가 감과 연비향상부품의 통합화재활용성 향상을 이루
었고 CAE를 통한 사출성형 공정의 각 단계를 시뮬 이션을 통해 복잡한
성형의 최 모델링과 사출조건을FEA 구조 강성해석을 통한 기능
인 측면을 만족하는 모듈 시스템을 개발하 다
일본북미유럽의 자동차 사에서는 첨단 소재와 부품의 모듈화를 최우
선 개발 과제로 인식하여자동차의 구조용 부품에 활발히 용되고 있으
며 기술선 을 해 RampD를 집 하고 있어 국내 자동차사의 기술선 확
보가 매우 시 한 상황이다따라서 본 소재를 이용한 도어모듈 시스템의
개발은 국내 자동차사에서 의미 있는 것이라 하겠다
- 5 -
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
자동차 통합 모듈용 복합소재는 목표물성 구 을 통하여 제품 량을 최
소한 감소시키고충격강도굴곡 탄성률유동성을 동시에 향상시켜야 한
다 라스틱 에서도 특별히 기계 강도나 내열성 등이 우수하고 화학
middot물리 으로 혹독한 조건에서도 오랜 시간동안 물성이 변하지 않고 사
용할 수 있는 것으로 자동차나 비행기그 밖에 가 제품 등의 분야에서
속을 체할 수 있는 신소재가 여러 가지가 개발되어 있다
PP-LGF의 핵심기술 요소기술은 Base수지인 PP의 합을 통한 고
결정화 고유동화 기술 배합되는 고무나 무기 충진재를 미세 균일
분산 제어 시켜 모폴로지를 원하는 로 조 할 수 있는 배합 기술과 압
출 기술 등이 있다
211ReinforceGlassfiber(강화용 유리섬유)
유리섬유는 보통 장섬유(continuousfiber)와 단섬유(Shortfiber)로 분류
된다유리와 같은 취성재료는 작게 하거나 가늘게 하면 균열의 향이
작아져 단 면 당 강도가 커진다같은 단면 이라면 1가닥의 굵은 것
보다 가는 것을 여러 가닥 다발로 묶으면 훨씬 강하다이러한 성질을 치
수효과라 한다 아래 Figure211은 함침된 장섬유가 균일하게 분포되어
있는 이상 인 PP-LGF의 Pellet를 보여 다
- 6 -
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
유리섬유의 기계 성질로 고려되어질 사항은 인장강도이다유리섬유
의 종류에 상 없이 섬유직경이 작을수록 인장강도가 크게 나타난다이
는 유리섬유의 표면 은 단 길이당 직경이 클수록 넓게되어 결함(flaw)
의 존재확률은 높아지며그것만큼 단의 기회가 많아져 평균치로서의
인장 강도는 작게 된다
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
하나의 요한 기계 성질은 단력이다사출시 배양된 유리섬유
의 구조들은 각기 다른 각도 방향에 한 자기보강효과가 생성되어 높은
단강도와 탄성률을 가진다Figure213은 이러한 성질의 장섬유 라
- 7 -
스틱의 FailureMechanism 구조를 보여주고 있다
Figure 213 Failure Mechanism of fiber-reinforced thermoplastics
Fig214215는 PP와 유리섬유(Glassfiber)를 함침한 실린더형태의
Pellet의 제품형태를 보여 다
Figure 214 Long glass fiber pellet material
- 8 -
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
- 9 -
212Densitycomparison
30 PP-LGF(유리장섬유 강화PP)의 도[gcm3]는 Steel은 785기
Table211에서와 같이 약 112인데 반해 Aluminum은 28의 수치를 나
타낸다따라서 Steel과의 약 7정도의 차이를 보인다따라서 단순히 기존
Steel제품과 같은 설계 디자인으로는 동일한 강성을 확보할 수는 없을
것이다
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
그러나 라스틱은 설계의 자유도가 Steel에 비해 아주 높으므로
Figure218에서와 같이 취약부에 국소 으로 두께를 늘리거나FEA해석
을 통해 최 형태의 강성Rib형상을 부여함으로써 이러한 강성문제를 보
완할 수 있는 것이다
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
- 10 -
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
- 11 -
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
요 약 문
오늘날 로벌 자동차 시장 다양한 차량 개발과 갈수록 경쟁 이며 빠른 국면으
로 재편되며 변화하고 있다따라서 세계 인 로벌 완성차 회사들은 조립시간 단
축개발기간 단축과 원가 감을 통한 지속 인 경쟁력 강화를 필요로 하고 있다
이러한 시장 환경에 부합하는 하나의 표 인 형태는 도어모듈과 같이 여러 부
품을 모듈화 하여 서 어셈블리(sub-assembly)형태로 OEM 공장 라인에 외주 공
하는 방법이다모듈 공 업체(ModuleSupplier)는 문 인 도어 시스템 구조에
한 지식과 신뢰성을 가진 업체로서 제품 설계에서부터 개발 시험양산
Safely 분석납품에 이르는 모든 능력을 만족하는 업체로 OEM 공장 라인에 직서
열로 모듈을 공 한다
통합모듈 도어시스템은 도어랫치 도우 귤 이터인사이드 핸들뿐만 아니라
와이어 하네스 고정스피커모터 콘트롤러심지어 사이드 충돌 패드까지 여러
기능들이 통합한 시스템으로 모듈화에 따른 원가 감 량 감조립시간의 단축
고객사의 장비 투자 감제품의 품질향상을 이룰 수 있다
본 라스틱 도어모듈 시스템의 개발은 3DDesign설계 단계에서부터 제품의 기
능 인 측면을 충분히 만족하며CAEsoftware인 Moldflow를 이용한 PP-LGF소
재의 물성치에 따른 사출성형 충진 분석을 통해 상되는 제품의 휨이나 응력을 분
석하고모델 형상과 사출 조건에 이를 반 하여 최 화 하 다그 결과로 실제의
형 제작에 있어서 시험 사출을 통한 시행착오를 최소화 할 수 있었다
엔지니어링 라스틱 신소재인 PP-LGF(유리 장섬유 강화PP)소재 용으로 기
존의 Steel을 단순히 체하는 단계를 넘어서 시스템 기능이 통합된 부품 통합 설
계와 량 감을 동시에 이룰 수 있는 계기가 되었다
이러한 신소재 통합부품의 기능 인 모듈 개발은 OEM 부품공 의 주류가 될 것
으로 상되며차세 자동차 기술에 빠르게 근 할 수 있는 좋은 가 될 수 있
겠다자동차 산업은 라스틱 신소재 개발과 통합모듈 시스템의 설계에 한 이해
의 폭을 넓 나가야 할 것이다
Abstract
Theglobalautomotiveindustry willbecomeeven morecompetitivemore
fastpacedandmorediverseintermsofvehiclechoicethanitistodayGlobal
carmakerwillcontinuetoseekwaystomaximizeuseofexistingplantspace
and reducevehicleassembly timeswhilealso reducing vehicledevelopment
timestoproductiontherebyreducingcost
OneofthewaysOEMswillmeetthesechallengeswillbetocontinuethe
trendofsourcinglargersubassembliessuchasdoormodulesSupplierswillbe
reliedonasdoortechnologyspecialistsandmayhavecompleteresponsibility
from designtodeliveryhavingbeenentirelydesignedengineeredmanufactured
assembledandtestedbythesupplierItswillbeshippedinsequencetothe
OEM assembly plantThisldquocompletedoorrdquolevelofintegration willrequire
supplierswithfullcompetenceincomponenthardwareengineeringaswellasa
thorough understanding ofallaspects ofthe doorrsquos structure and safety
performance
ThePlasticdoormodulesystem incorporatedthelatchwindow regulatorand
inside handleBy integrating functionality into a plastic carrier platethe
structuralplasticdoormoduleallowsfeaturessuchasawireclipsandMotor
controllereven theside-impactblocktobeintegratedtherearedesign and
stylingtrendofincreasingthefunctionofthemoduleThusreducingvehicle
assemblytimedecreasingcapitalinvestmentandimprovingquality
Inthisdevelopmentprocesshas3D designstepconsideredaccordingtobasic
functionalrequirementUsingCAEsoftwaremadebyMoldflow Coitsprovide
betterconditions ofinjection molding conditions base on PP-LGF material
properties and minimize the shearstress and change offine structure by
thermalandwarphistoryasaresultwecancarriedouttosolvetheTooling
problem andimprovedprocessofTooling modificationcanreduceprocessof
trialanderror
Untilrecentlyfew improvementsweremadetothisdesignlargelyduetothe
inflexibility ofsteelto allow foradditionalcomponentintegration and the
unavailabilityofcost-effectiveengineeredplasticsthedevelopmentinlong-glass
fibermoldedplasticshasnow enabledsupplierstoproducestructuralplastic
doormodulesthatimprovedoormoduledesignandfunction
Thefutureofautomotivedoortechnologyisfast-approachingandinonecase
itisheredesignsmanufacturesanddeliversinsequencethecompletedoorfor
theSmartSystem
Itispredictedthatthesemoduleswillbecomemainstream asOEMsdiscover
theiradvantagesespeciallytheopportunitytointegratehardwarecomponents
The automotive industry must continue to combine advances in plastics
manufacturingwithanunderstandingofthecompletevehiclestructure
asitrelatestothedesignandperformanceoftheentiredoor
목 차
요 약 문middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ
Abstractmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ
목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅴ
ListofFiguresmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅷ
ListofTablesmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅹ
Nomenclaturemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅺ
1서론
11연구배경middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1
12연구내용 목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
211ReinforceGlassfibermiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5
212Densitycomparisonmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GFmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10
214PP-LGFapplicationforAutomotivepartsmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12
22PerformancerequirementsforDoorModuleCarrier
221BasicperfomanceforEngineeringmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231Steeldoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19
232Plasticdoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20
24ToolingRequirementsforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcessmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23
243 형 시스템 (Moldsystem)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27
244ProcessingConditionforPP-LGFmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29
3연구방법
31PlasticDoorModuleDesignmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32
331SpecificationofModuleDesignmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33
332CreationofMeshdatamiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34
333FactionaldesignStressFEAanalysismiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflowmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41
322InjectionMoldingConditionbyMoldflowmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44
4해석결과 고찰
41Gate수와 치 결정middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45
42Gate최 화 Warpage분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50
43성형 해석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot69
5시사출 결과 3D측정 결과
51시사출 조건설정middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot70
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot73
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot77
6결 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot78
참고문헌middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot80
ListofFigures
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
Figure213FailureMechanism offiber-reinforcedthermoplastics
Figure214Longglassfiberpelletmaterial
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
Figure225ExpectedacousticalbehaviorofPlasticdoormodule
Figure226Comparisonofdoorslam noise
Figure227ComparisonofNVH-Performance
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
Figure241사출성형 공정 Cycle
Figure242왕복 스크류에서 고체 이송압축유체 이송 역을 보여 다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)배럴과 노즐
Figure246이단 형 시스템
Figure247삼단 형 시스템
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
Figure311StructureofCompletedoorsystem
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
Figure326InjectionMoldingCondition
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
Figure421Fillingpattern
Figure422유동선단 온도
Figure423형체력
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
Figure425FiberorientationofDoormodule
Figure426InjectionPressure
Figure427WeldLineanalysis
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Figure511Gaterunnersystem 설정
Figure512Coolingsystem 설정
Figure513PhotographofInjectiontool
Figure521ModulepanelFixture
Figure5223차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
Figure523CMM을 이용한 측정 Point측정결과
Figure524변형량 측정 Point설정
Figure525성형해석의 측정 Point설정
ListofTables
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
Table221Plasticmodule 량 감 효과
Table311Specificationofmodel
Table312MaterialdataLGFPP30
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
Table315Resultofstiffnessanalysis
Table316Resultofstiffnessanalysis
Table411Z축 변형량 비교
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
Table422보압 환 치에서 최 사출압
Table423보압 환 치에서 최 사출압
Table424 SequentialtimingforWeldLine
Table425 Z-Deflection
Table4263 고정(ZndashDeflection)
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Table431GateSystem의 성형해석 결과
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
Table512InjectionparameterforTooling
Table521공차 plusmn05mm Spec 용 시 측정결과
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
Nomenclature
- 1 -
1서 론
11연구배경
자동차 공업은 경량화와 원가 감 그리고 고기능성의 부여 에 지 효
율성 측면에서 라스틱 부품의 체가 실히 요구되어 왔고 그 체성
에 있어 기존의 주력소재인 철강(Steel)을 체하는 과정에서 라스틱이
주는 장 과 동시에 기능성과 물리 성질에 있어 기술 측면의 많은 도
을 받아왔다
이제 자동차공업에 있어 모듈화는 세계 로벌 선진기업들의 선결과제
로 그 변화의 물결 한가운데에 있다 해도 과언이 아닐 것이며국내 자동
차공업에 있어서도 분명한 개발축선 상에 있는 변화와 도 과제가 아닐
수 없는 것이다
기존에는 구성품들이 복잡한 기능을 가지지 않았으며 구성부품을 직
도어 임 안쪽 철 에 쉽게 장착 할 수 있었다그러나 최근 기능성과
안 성에 련된 추가부품인 ECU Controller 각종 Sensor등의 기능
이 추가되어 구조가 복잡해지고 그 수가 늘어감에 따라 완성차 업계는 이
모든 부품들을 효과 으로 In-Line에서 장착할 필요성을 느끼게 되었고
효과 인 안으로 시스템의 모듈화가 이루어졌다Table221은 모듈도
입 개념을 유럽과 한국을 비교하 다
- 2 -
구 분 유 럽 한 국
도입시기80년 생산성품질의 향상
작업자의 부담경감을 목표
2000년 원가 감작업성
품질향상신기술 용 목표
도입요인90년 부터는 노동Cost가 낮은
외주화를 통한 Cost 감 확
이미 70가 외주이며완성차
조립인건비신기술 용을 함
Cost 감
개념
고도의 부품 일체화를 통한
Cost 감
부품 일체화경쟁 구매를 통한
Cost삭감
모듈공장
배치
조립공장에 근 하여 동기생산에
의한 물류재고 최 화
토지사정이나 조립공장의 치에
한계부품의 형화로 창고가
필요하게 됨
품질 리
개념
품질 리의 간소화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 조달하는 부품의 품질 리를 실시)
조달책임조달책임의 명확화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 2차 부품 업체를 선정고장책임 등도 담당)
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
모듈화와 더불어 소재의 신 체 용에 의한 경량화의 추구 그리고
주요 부품의 물리 성질 기계 특성 등을 포함하여 기술 으로 극복
한 다양한 형태로 라스틱 소재의 개발 용이 가져다주는 에 지
효율성 등의 측면으로 보아도 자동차공업의 체소재 개발은 재 장
부품의 12～13 수 임을 감안할 때사실상 속의 체를 가능하게 한
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고기능성 엔지니어링 라스틱 재료의 발 과 신 용개발로 이어지
는 자동차분야의 새로운 품질 신과 창조 개발활동은 진 인 추세이
다
생산 수가 연간 400만 로 세계 5 국의 상을 감안하면 로벌 경쟁시
의 시 에 선 우리산업의 체소재 개발의 실 인 상황은 뒤쳐 있
으며 라스틱 산업에서 보면 미국 듀폰독일의 Bayer Material
Science 랑스의 Rhodia( 롱 랑) 사우디의 Sabic( GEPlastics)
등의 세계 유수의 다국 기업들이 소재연구에서 컴 운딩 응용개발에 까
지 재 그 최선의 경쟁을 주도하고 있는 것도 사실이다
라스틱 소재의 발달로 경량화와 모듈화는 속공업을 근간으로 하는 철
강(Steel)이 기 재료인 자동차공업의 발 에 있어 경량화 추구와 생산성
에서 그리고 원가 감에 개선 이 크다 할 것이며이는 소재의 변화와
신이 가져다 수 있는 새로운 가치창조라고 할 수 있을 것이다
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12연구내용 목
본 보고서에서는 유리 장섬유 복합소재는 자동차 구조용 부품의 핵심소
재로 떠오르고 있는 차세 열가소성 장섬유 복합소재를 이용하여 부품경
량화를 통한 원가 감과 연비향상부품의 통합화재활용성 향상을 이루
었고 CAE를 통한 사출성형 공정의 각 단계를 시뮬 이션을 통해 복잡한
성형의 최 모델링과 사출조건을FEA 구조 강성해석을 통한 기능
인 측면을 만족하는 모듈 시스템을 개발하 다
일본북미유럽의 자동차 사에서는 첨단 소재와 부품의 모듈화를 최우
선 개발 과제로 인식하여자동차의 구조용 부품에 활발히 용되고 있으
며 기술선 을 해 RampD를 집 하고 있어 국내 자동차사의 기술선 확
보가 매우 시 한 상황이다따라서 본 소재를 이용한 도어모듈 시스템의
개발은 국내 자동차사에서 의미 있는 것이라 하겠다
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2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
자동차 통합 모듈용 복합소재는 목표물성 구 을 통하여 제품 량을 최
소한 감소시키고충격강도굴곡 탄성률유동성을 동시에 향상시켜야 한
다 라스틱 에서도 특별히 기계 강도나 내열성 등이 우수하고 화학
middot물리 으로 혹독한 조건에서도 오랜 시간동안 물성이 변하지 않고 사
용할 수 있는 것으로 자동차나 비행기그 밖에 가 제품 등의 분야에서
속을 체할 수 있는 신소재가 여러 가지가 개발되어 있다
PP-LGF의 핵심기술 요소기술은 Base수지인 PP의 합을 통한 고
결정화 고유동화 기술 배합되는 고무나 무기 충진재를 미세 균일
분산 제어 시켜 모폴로지를 원하는 로 조 할 수 있는 배합 기술과 압
출 기술 등이 있다
211ReinforceGlassfiber(강화용 유리섬유)
유리섬유는 보통 장섬유(continuousfiber)와 단섬유(Shortfiber)로 분류
된다유리와 같은 취성재료는 작게 하거나 가늘게 하면 균열의 향이
작아져 단 면 당 강도가 커진다같은 단면 이라면 1가닥의 굵은 것
보다 가는 것을 여러 가닥 다발로 묶으면 훨씬 강하다이러한 성질을 치
수효과라 한다 아래 Figure211은 함침된 장섬유가 균일하게 분포되어
있는 이상 인 PP-LGF의 Pellet를 보여 다
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Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
유리섬유의 기계 성질로 고려되어질 사항은 인장강도이다유리섬유
의 종류에 상 없이 섬유직경이 작을수록 인장강도가 크게 나타난다이
는 유리섬유의 표면 은 단 길이당 직경이 클수록 넓게되어 결함(flaw)
의 존재확률은 높아지며그것만큼 단의 기회가 많아져 평균치로서의
인장 강도는 작게 된다
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
하나의 요한 기계 성질은 단력이다사출시 배양된 유리섬유
의 구조들은 각기 다른 각도 방향에 한 자기보강효과가 생성되어 높은
단강도와 탄성률을 가진다Figure213은 이러한 성질의 장섬유 라
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스틱의 FailureMechanism 구조를 보여주고 있다
Figure 213 Failure Mechanism of fiber-reinforced thermoplastics
Fig214215는 PP와 유리섬유(Glassfiber)를 함침한 실린더형태의
Pellet의 제품형태를 보여 다
Figure 214 Long glass fiber pellet material
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Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
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212Densitycomparison
30 PP-LGF(유리장섬유 강화PP)의 도[gcm3]는 Steel은 785기
Table211에서와 같이 약 112인데 반해 Aluminum은 28의 수치를 나
타낸다따라서 Steel과의 약 7정도의 차이를 보인다따라서 단순히 기존
Steel제품과 같은 설계 디자인으로는 동일한 강성을 확보할 수는 없을
것이다
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
그러나 라스틱은 설계의 자유도가 Steel에 비해 아주 높으므로
Figure218에서와 같이 취약부에 국소 으로 두께를 늘리거나FEA해석
을 통해 최 형태의 강성Rib형상을 부여함으로써 이러한 강성문제를 보
완할 수 있는 것이다
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
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213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
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Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
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214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
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22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
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(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
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(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
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H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
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(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
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Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
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23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
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되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
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24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
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242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
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고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
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243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
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이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
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244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
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31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
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312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
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- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
겠다자동차 산업은 라스틱 신소재 개발과 통합모듈 시스템의 설계에 한 이해
의 폭을 넓 나가야 할 것이다
Abstract
Theglobalautomotiveindustry willbecomeeven morecompetitivemore
fastpacedandmorediverseintermsofvehiclechoicethanitistodayGlobal
carmakerwillcontinuetoseekwaystomaximizeuseofexistingplantspace
and reducevehicleassembly timeswhilealso reducing vehicledevelopment
timestoproductiontherebyreducingcost
OneofthewaysOEMswillmeetthesechallengeswillbetocontinuethe
trendofsourcinglargersubassembliessuchasdoormodulesSupplierswillbe
reliedonasdoortechnologyspecialistsandmayhavecompleteresponsibility
from designtodeliveryhavingbeenentirelydesignedengineeredmanufactured
assembledandtestedbythesupplierItswillbeshippedinsequencetothe
OEM assembly plantThisldquocompletedoorrdquolevelofintegration willrequire
supplierswithfullcompetenceincomponenthardwareengineeringaswellasa
thorough understanding ofallaspects ofthe doorrsquos structure and safety
performance
ThePlasticdoormodulesystem incorporatedthelatchwindow regulatorand
inside handleBy integrating functionality into a plastic carrier platethe
structuralplasticdoormoduleallowsfeaturessuchasawireclipsandMotor
controllereven theside-impactblocktobeintegratedtherearedesign and
stylingtrendofincreasingthefunctionofthemoduleThusreducingvehicle
assemblytimedecreasingcapitalinvestmentandimprovingquality
Inthisdevelopmentprocesshas3D designstepconsideredaccordingtobasic
functionalrequirementUsingCAEsoftwaremadebyMoldflow Coitsprovide
betterconditions ofinjection molding conditions base on PP-LGF material
properties and minimize the shearstress and change offine structure by
thermalandwarphistoryasaresultwecancarriedouttosolvetheTooling
problem andimprovedprocessofTooling modificationcanreduceprocessof
trialanderror
Untilrecentlyfew improvementsweremadetothisdesignlargelyduetothe
inflexibility ofsteelto allow foradditionalcomponentintegration and the
unavailabilityofcost-effectiveengineeredplasticsthedevelopmentinlong-glass
fibermoldedplasticshasnow enabledsupplierstoproducestructuralplastic
doormodulesthatimprovedoormoduledesignandfunction
Thefutureofautomotivedoortechnologyisfast-approachingandinonecase
itisheredesignsmanufacturesanddeliversinsequencethecompletedoorfor
theSmartSystem
Itispredictedthatthesemoduleswillbecomemainstream asOEMsdiscover
theiradvantagesespeciallytheopportunitytointegratehardwarecomponents
The automotive industry must continue to combine advances in plastics
manufacturingwithanunderstandingofthecompletevehiclestructure
asitrelatestothedesignandperformanceoftheentiredoor
목 차
요 약 문middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ
Abstractmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ
목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅴ
ListofFiguresmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅷ
ListofTablesmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅹ
Nomenclaturemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅺ
1서론
11연구배경middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1
12연구내용 목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
211ReinforceGlassfibermiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5
212Densitycomparisonmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GFmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10
214PP-LGFapplicationforAutomotivepartsmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12
22PerformancerequirementsforDoorModuleCarrier
221BasicperfomanceforEngineeringmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231Steeldoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19
232Plasticdoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20
24ToolingRequirementsforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcessmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23
243 형 시스템 (Moldsystem)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27
244ProcessingConditionforPP-LGFmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29
3연구방법
31PlasticDoorModuleDesignmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32
331SpecificationofModuleDesignmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33
332CreationofMeshdatamiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34
333FactionaldesignStressFEAanalysismiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflowmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41
322InjectionMoldingConditionbyMoldflowmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44
4해석결과 고찰
41Gate수와 치 결정middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45
42Gate최 화 Warpage분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50
43성형 해석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot69
5시사출 결과 3D측정 결과
51시사출 조건설정middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot70
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot73
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot77
6결 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot78
참고문헌middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot80
ListofFigures
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
Figure213FailureMechanism offiber-reinforcedthermoplastics
Figure214Longglassfiberpelletmaterial
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
Figure225ExpectedacousticalbehaviorofPlasticdoormodule
Figure226Comparisonofdoorslam noise
Figure227ComparisonofNVH-Performance
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
Figure241사출성형 공정 Cycle
Figure242왕복 스크류에서 고체 이송압축유체 이송 역을 보여 다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)배럴과 노즐
Figure246이단 형 시스템
Figure247삼단 형 시스템
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
Figure311StructureofCompletedoorsystem
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
Figure326InjectionMoldingCondition
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
Figure421Fillingpattern
Figure422유동선단 온도
Figure423형체력
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
Figure425FiberorientationofDoormodule
Figure426InjectionPressure
Figure427WeldLineanalysis
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Figure511Gaterunnersystem 설정
Figure512Coolingsystem 설정
Figure513PhotographofInjectiontool
Figure521ModulepanelFixture
Figure5223차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
Figure523CMM을 이용한 측정 Point측정결과
Figure524변형량 측정 Point설정
Figure525성형해석의 측정 Point설정
ListofTables
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
Table221Plasticmodule 량 감 효과
Table311Specificationofmodel
Table312MaterialdataLGFPP30
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
Table315Resultofstiffnessanalysis
Table316Resultofstiffnessanalysis
Table411Z축 변형량 비교
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
Table422보압 환 치에서 최 사출압
Table423보압 환 치에서 최 사출압
Table424 SequentialtimingforWeldLine
Table425 Z-Deflection
Table4263 고정(ZndashDeflection)
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Table431GateSystem의 성형해석 결과
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
Table512InjectionparameterforTooling
Table521공차 plusmn05mm Spec 용 시 측정결과
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
Nomenclature
- 1 -
1서 론
11연구배경
자동차 공업은 경량화와 원가 감 그리고 고기능성의 부여 에 지 효
율성 측면에서 라스틱 부품의 체가 실히 요구되어 왔고 그 체성
에 있어 기존의 주력소재인 철강(Steel)을 체하는 과정에서 라스틱이
주는 장 과 동시에 기능성과 물리 성질에 있어 기술 측면의 많은 도
을 받아왔다
이제 자동차공업에 있어 모듈화는 세계 로벌 선진기업들의 선결과제
로 그 변화의 물결 한가운데에 있다 해도 과언이 아닐 것이며국내 자동
차공업에 있어서도 분명한 개발축선 상에 있는 변화와 도 과제가 아닐
수 없는 것이다
기존에는 구성품들이 복잡한 기능을 가지지 않았으며 구성부품을 직
도어 임 안쪽 철 에 쉽게 장착 할 수 있었다그러나 최근 기능성과
안 성에 련된 추가부품인 ECU Controller 각종 Sensor등의 기능
이 추가되어 구조가 복잡해지고 그 수가 늘어감에 따라 완성차 업계는 이
모든 부품들을 효과 으로 In-Line에서 장착할 필요성을 느끼게 되었고
효과 인 안으로 시스템의 모듈화가 이루어졌다Table221은 모듈도
입 개념을 유럽과 한국을 비교하 다
- 2 -
구 분 유 럽 한 국
도입시기80년 생산성품질의 향상
작업자의 부담경감을 목표
2000년 원가 감작업성
품질향상신기술 용 목표
도입요인90년 부터는 노동Cost가 낮은
외주화를 통한 Cost 감 확
이미 70가 외주이며완성차
조립인건비신기술 용을 함
Cost 감
개념
고도의 부품 일체화를 통한
Cost 감
부품 일체화경쟁 구매를 통한
Cost삭감
모듈공장
배치
조립공장에 근 하여 동기생산에
의한 물류재고 최 화
토지사정이나 조립공장의 치에
한계부품의 형화로 창고가
필요하게 됨
품질 리
개념
품질 리의 간소화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 조달하는 부품의 품질 리를 실시)
조달책임조달책임의 명확화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 2차 부품 업체를 선정고장책임 등도 담당)
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
모듈화와 더불어 소재의 신 체 용에 의한 경량화의 추구 그리고
주요 부품의 물리 성질 기계 특성 등을 포함하여 기술 으로 극복
한 다양한 형태로 라스틱 소재의 개발 용이 가져다주는 에 지
효율성 등의 측면으로 보아도 자동차공업의 체소재 개발은 재 장
부품의 12～13 수 임을 감안할 때사실상 속의 체를 가능하게 한
- 3 -
고기능성 엔지니어링 라스틱 재료의 발 과 신 용개발로 이어지
는 자동차분야의 새로운 품질 신과 창조 개발활동은 진 인 추세이
다
생산 수가 연간 400만 로 세계 5 국의 상을 감안하면 로벌 경쟁시
의 시 에 선 우리산업의 체소재 개발의 실 인 상황은 뒤쳐 있
으며 라스틱 산업에서 보면 미국 듀폰독일의 Bayer Material
Science 랑스의 Rhodia( 롱 랑) 사우디의 Sabic( GEPlastics)
등의 세계 유수의 다국 기업들이 소재연구에서 컴 운딩 응용개발에 까
지 재 그 최선의 경쟁을 주도하고 있는 것도 사실이다
라스틱 소재의 발달로 경량화와 모듈화는 속공업을 근간으로 하는 철
강(Steel)이 기 재료인 자동차공업의 발 에 있어 경량화 추구와 생산성
에서 그리고 원가 감에 개선 이 크다 할 것이며이는 소재의 변화와
신이 가져다 수 있는 새로운 가치창조라고 할 수 있을 것이다
- 4 -
12연구내용 목
본 보고서에서는 유리 장섬유 복합소재는 자동차 구조용 부품의 핵심소
재로 떠오르고 있는 차세 열가소성 장섬유 복합소재를 이용하여 부품경
량화를 통한 원가 감과 연비향상부품의 통합화재활용성 향상을 이루
었고 CAE를 통한 사출성형 공정의 각 단계를 시뮬 이션을 통해 복잡한
성형의 최 모델링과 사출조건을FEA 구조 강성해석을 통한 기능
인 측면을 만족하는 모듈 시스템을 개발하 다
일본북미유럽의 자동차 사에서는 첨단 소재와 부품의 모듈화를 최우
선 개발 과제로 인식하여자동차의 구조용 부품에 활발히 용되고 있으
며 기술선 을 해 RampD를 집 하고 있어 국내 자동차사의 기술선 확
보가 매우 시 한 상황이다따라서 본 소재를 이용한 도어모듈 시스템의
개발은 국내 자동차사에서 의미 있는 것이라 하겠다
- 5 -
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
자동차 통합 모듈용 복합소재는 목표물성 구 을 통하여 제품 량을 최
소한 감소시키고충격강도굴곡 탄성률유동성을 동시에 향상시켜야 한
다 라스틱 에서도 특별히 기계 강도나 내열성 등이 우수하고 화학
middot물리 으로 혹독한 조건에서도 오랜 시간동안 물성이 변하지 않고 사
용할 수 있는 것으로 자동차나 비행기그 밖에 가 제품 등의 분야에서
속을 체할 수 있는 신소재가 여러 가지가 개발되어 있다
PP-LGF의 핵심기술 요소기술은 Base수지인 PP의 합을 통한 고
결정화 고유동화 기술 배합되는 고무나 무기 충진재를 미세 균일
분산 제어 시켜 모폴로지를 원하는 로 조 할 수 있는 배합 기술과 압
출 기술 등이 있다
211ReinforceGlassfiber(강화용 유리섬유)
유리섬유는 보통 장섬유(continuousfiber)와 단섬유(Shortfiber)로 분류
된다유리와 같은 취성재료는 작게 하거나 가늘게 하면 균열의 향이
작아져 단 면 당 강도가 커진다같은 단면 이라면 1가닥의 굵은 것
보다 가는 것을 여러 가닥 다발로 묶으면 훨씬 강하다이러한 성질을 치
수효과라 한다 아래 Figure211은 함침된 장섬유가 균일하게 분포되어
있는 이상 인 PP-LGF의 Pellet를 보여 다
- 6 -
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
유리섬유의 기계 성질로 고려되어질 사항은 인장강도이다유리섬유
의 종류에 상 없이 섬유직경이 작을수록 인장강도가 크게 나타난다이
는 유리섬유의 표면 은 단 길이당 직경이 클수록 넓게되어 결함(flaw)
의 존재확률은 높아지며그것만큼 단의 기회가 많아져 평균치로서의
인장 강도는 작게 된다
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
하나의 요한 기계 성질은 단력이다사출시 배양된 유리섬유
의 구조들은 각기 다른 각도 방향에 한 자기보강효과가 생성되어 높은
단강도와 탄성률을 가진다Figure213은 이러한 성질의 장섬유 라
- 7 -
스틱의 FailureMechanism 구조를 보여주고 있다
Figure 213 Failure Mechanism of fiber-reinforced thermoplastics
Fig214215는 PP와 유리섬유(Glassfiber)를 함침한 실린더형태의
Pellet의 제품형태를 보여 다
Figure 214 Long glass fiber pellet material
- 8 -
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
- 9 -
212Densitycomparison
30 PP-LGF(유리장섬유 강화PP)의 도[gcm3]는 Steel은 785기
Table211에서와 같이 약 112인데 반해 Aluminum은 28의 수치를 나
타낸다따라서 Steel과의 약 7정도의 차이를 보인다따라서 단순히 기존
Steel제품과 같은 설계 디자인으로는 동일한 강성을 확보할 수는 없을
것이다
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
그러나 라스틱은 설계의 자유도가 Steel에 비해 아주 높으므로
Figure218에서와 같이 취약부에 국소 으로 두께를 늘리거나FEA해석
을 통해 최 형태의 강성Rib형상을 부여함으로써 이러한 강성문제를 보
완할 수 있는 것이다
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
- 10 -
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
- 11 -
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
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(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
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(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
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H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
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(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
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Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
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23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
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24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
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④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
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242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
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고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
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표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
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④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
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243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
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이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
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244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
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③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
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3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
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31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
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311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
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312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
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23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
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Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
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Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
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Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
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Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
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Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
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32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
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Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
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Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
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322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
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4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
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Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
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Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
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Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
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GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
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Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
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④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
functionalrequirementUsingCAEsoftwaremadebyMoldflow Coitsprovide
betterconditions ofinjection molding conditions base on PP-LGF material
properties and minimize the shearstress and change offine structure by
thermalandwarphistoryasaresultwecancarriedouttosolvetheTooling
problem andimprovedprocessofTooling modificationcanreduceprocessof
trialanderror
Untilrecentlyfew improvementsweremadetothisdesignlargelyduetothe
inflexibility ofsteelto allow foradditionalcomponentintegration and the
unavailabilityofcost-effectiveengineeredplasticsthedevelopmentinlong-glass
fibermoldedplasticshasnow enabledsupplierstoproducestructuralplastic
doormodulesthatimprovedoormoduledesignandfunction
Thefutureofautomotivedoortechnologyisfast-approachingandinonecase
itisheredesignsmanufacturesanddeliversinsequencethecompletedoorfor
theSmartSystem
Itispredictedthatthesemoduleswillbecomemainstream asOEMsdiscover
theiradvantagesespeciallytheopportunitytointegratehardwarecomponents
The automotive industry must continue to combine advances in plastics
manufacturingwithanunderstandingofthecompletevehiclestructure
asitrelatestothedesignandperformanceoftheentiredoor
목 차
요 약 문middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ
Abstractmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ
목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅴ
ListofFiguresmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅷ
ListofTablesmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅹ
Nomenclaturemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅺ
1서론
11연구배경middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1
12연구내용 목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
211ReinforceGlassfibermiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5
212Densitycomparisonmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GFmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10
214PP-LGFapplicationforAutomotivepartsmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12
22PerformancerequirementsforDoorModuleCarrier
221BasicperfomanceforEngineeringmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231Steeldoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19
232Plasticdoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20
24ToolingRequirementsforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcessmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23
243 형 시스템 (Moldsystem)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27
244ProcessingConditionforPP-LGFmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29
3연구방법
31PlasticDoorModuleDesignmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32
331SpecificationofModuleDesignmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33
332CreationofMeshdatamiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34
333FactionaldesignStressFEAanalysismiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflowmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41
322InjectionMoldingConditionbyMoldflowmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44
4해석결과 고찰
41Gate수와 치 결정middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45
42Gate최 화 Warpage분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50
43성형 해석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot69
5시사출 결과 3D측정 결과
51시사출 조건설정middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot70
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot73
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot77
6결 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot78
참고문헌middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot80
ListofFigures
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
Figure213FailureMechanism offiber-reinforcedthermoplastics
Figure214Longglassfiberpelletmaterial
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
Figure225ExpectedacousticalbehaviorofPlasticdoormodule
Figure226Comparisonofdoorslam noise
Figure227ComparisonofNVH-Performance
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
Figure241사출성형 공정 Cycle
Figure242왕복 스크류에서 고체 이송압축유체 이송 역을 보여 다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)배럴과 노즐
Figure246이단 형 시스템
Figure247삼단 형 시스템
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
Figure311StructureofCompletedoorsystem
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
Figure326InjectionMoldingCondition
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
Figure421Fillingpattern
Figure422유동선단 온도
Figure423형체력
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
Figure425FiberorientationofDoormodule
Figure426InjectionPressure
Figure427WeldLineanalysis
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Figure511Gaterunnersystem 설정
Figure512Coolingsystem 설정
Figure513PhotographofInjectiontool
Figure521ModulepanelFixture
Figure5223차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
Figure523CMM을 이용한 측정 Point측정결과
Figure524변형량 측정 Point설정
Figure525성형해석의 측정 Point설정
ListofTables
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
Table221Plasticmodule 량 감 효과
Table311Specificationofmodel
Table312MaterialdataLGFPP30
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
Table315Resultofstiffnessanalysis
Table316Resultofstiffnessanalysis
Table411Z축 변형량 비교
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
Table422보압 환 치에서 최 사출압
Table423보압 환 치에서 최 사출압
Table424 SequentialtimingforWeldLine
Table425 Z-Deflection
Table4263 고정(ZndashDeflection)
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Table431GateSystem의 성형해석 결과
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
Table512InjectionparameterforTooling
Table521공차 plusmn05mm Spec 용 시 측정결과
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
Nomenclature
- 1 -
1서 론
11연구배경
자동차 공업은 경량화와 원가 감 그리고 고기능성의 부여 에 지 효
율성 측면에서 라스틱 부품의 체가 실히 요구되어 왔고 그 체성
에 있어 기존의 주력소재인 철강(Steel)을 체하는 과정에서 라스틱이
주는 장 과 동시에 기능성과 물리 성질에 있어 기술 측면의 많은 도
을 받아왔다
이제 자동차공업에 있어 모듈화는 세계 로벌 선진기업들의 선결과제
로 그 변화의 물결 한가운데에 있다 해도 과언이 아닐 것이며국내 자동
차공업에 있어서도 분명한 개발축선 상에 있는 변화와 도 과제가 아닐
수 없는 것이다
기존에는 구성품들이 복잡한 기능을 가지지 않았으며 구성부품을 직
도어 임 안쪽 철 에 쉽게 장착 할 수 있었다그러나 최근 기능성과
안 성에 련된 추가부품인 ECU Controller 각종 Sensor등의 기능
이 추가되어 구조가 복잡해지고 그 수가 늘어감에 따라 완성차 업계는 이
모든 부품들을 효과 으로 In-Line에서 장착할 필요성을 느끼게 되었고
효과 인 안으로 시스템의 모듈화가 이루어졌다Table221은 모듈도
입 개념을 유럽과 한국을 비교하 다
- 2 -
구 분 유 럽 한 국
도입시기80년 생산성품질의 향상
작업자의 부담경감을 목표
2000년 원가 감작업성
품질향상신기술 용 목표
도입요인90년 부터는 노동Cost가 낮은
외주화를 통한 Cost 감 확
이미 70가 외주이며완성차
조립인건비신기술 용을 함
Cost 감
개념
고도의 부품 일체화를 통한
Cost 감
부품 일체화경쟁 구매를 통한
Cost삭감
모듈공장
배치
조립공장에 근 하여 동기생산에
의한 물류재고 최 화
토지사정이나 조립공장의 치에
한계부품의 형화로 창고가
필요하게 됨
품질 리
개념
품질 리의 간소화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 조달하는 부품의 품질 리를 실시)
조달책임조달책임의 명확화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 2차 부품 업체를 선정고장책임 등도 담당)
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
모듈화와 더불어 소재의 신 체 용에 의한 경량화의 추구 그리고
주요 부품의 물리 성질 기계 특성 등을 포함하여 기술 으로 극복
한 다양한 형태로 라스틱 소재의 개발 용이 가져다주는 에 지
효율성 등의 측면으로 보아도 자동차공업의 체소재 개발은 재 장
부품의 12～13 수 임을 감안할 때사실상 속의 체를 가능하게 한
- 3 -
고기능성 엔지니어링 라스틱 재료의 발 과 신 용개발로 이어지
는 자동차분야의 새로운 품질 신과 창조 개발활동은 진 인 추세이
다
생산 수가 연간 400만 로 세계 5 국의 상을 감안하면 로벌 경쟁시
의 시 에 선 우리산업의 체소재 개발의 실 인 상황은 뒤쳐 있
으며 라스틱 산업에서 보면 미국 듀폰독일의 Bayer Material
Science 랑스의 Rhodia( 롱 랑) 사우디의 Sabic( GEPlastics)
등의 세계 유수의 다국 기업들이 소재연구에서 컴 운딩 응용개발에 까
지 재 그 최선의 경쟁을 주도하고 있는 것도 사실이다
라스틱 소재의 발달로 경량화와 모듈화는 속공업을 근간으로 하는 철
강(Steel)이 기 재료인 자동차공업의 발 에 있어 경량화 추구와 생산성
에서 그리고 원가 감에 개선 이 크다 할 것이며이는 소재의 변화와
신이 가져다 수 있는 새로운 가치창조라고 할 수 있을 것이다
- 4 -
12연구내용 목
본 보고서에서는 유리 장섬유 복합소재는 자동차 구조용 부품의 핵심소
재로 떠오르고 있는 차세 열가소성 장섬유 복합소재를 이용하여 부품경
량화를 통한 원가 감과 연비향상부품의 통합화재활용성 향상을 이루
었고 CAE를 통한 사출성형 공정의 각 단계를 시뮬 이션을 통해 복잡한
성형의 최 모델링과 사출조건을FEA 구조 강성해석을 통한 기능
인 측면을 만족하는 모듈 시스템을 개발하 다
일본북미유럽의 자동차 사에서는 첨단 소재와 부품의 모듈화를 최우
선 개발 과제로 인식하여자동차의 구조용 부품에 활발히 용되고 있으
며 기술선 을 해 RampD를 집 하고 있어 국내 자동차사의 기술선 확
보가 매우 시 한 상황이다따라서 본 소재를 이용한 도어모듈 시스템의
개발은 국내 자동차사에서 의미 있는 것이라 하겠다
- 5 -
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
자동차 통합 모듈용 복합소재는 목표물성 구 을 통하여 제품 량을 최
소한 감소시키고충격강도굴곡 탄성률유동성을 동시에 향상시켜야 한
다 라스틱 에서도 특별히 기계 강도나 내열성 등이 우수하고 화학
middot물리 으로 혹독한 조건에서도 오랜 시간동안 물성이 변하지 않고 사
용할 수 있는 것으로 자동차나 비행기그 밖에 가 제품 등의 분야에서
속을 체할 수 있는 신소재가 여러 가지가 개발되어 있다
PP-LGF의 핵심기술 요소기술은 Base수지인 PP의 합을 통한 고
결정화 고유동화 기술 배합되는 고무나 무기 충진재를 미세 균일
분산 제어 시켜 모폴로지를 원하는 로 조 할 수 있는 배합 기술과 압
출 기술 등이 있다
211ReinforceGlassfiber(강화용 유리섬유)
유리섬유는 보통 장섬유(continuousfiber)와 단섬유(Shortfiber)로 분류
된다유리와 같은 취성재료는 작게 하거나 가늘게 하면 균열의 향이
작아져 단 면 당 강도가 커진다같은 단면 이라면 1가닥의 굵은 것
보다 가는 것을 여러 가닥 다발로 묶으면 훨씬 강하다이러한 성질을 치
수효과라 한다 아래 Figure211은 함침된 장섬유가 균일하게 분포되어
있는 이상 인 PP-LGF의 Pellet를 보여 다
- 6 -
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
유리섬유의 기계 성질로 고려되어질 사항은 인장강도이다유리섬유
의 종류에 상 없이 섬유직경이 작을수록 인장강도가 크게 나타난다이
는 유리섬유의 표면 은 단 길이당 직경이 클수록 넓게되어 결함(flaw)
의 존재확률은 높아지며그것만큼 단의 기회가 많아져 평균치로서의
인장 강도는 작게 된다
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
하나의 요한 기계 성질은 단력이다사출시 배양된 유리섬유
의 구조들은 각기 다른 각도 방향에 한 자기보강효과가 생성되어 높은
단강도와 탄성률을 가진다Figure213은 이러한 성질의 장섬유 라
- 7 -
스틱의 FailureMechanism 구조를 보여주고 있다
Figure 213 Failure Mechanism of fiber-reinforced thermoplastics
Fig214215는 PP와 유리섬유(Glassfiber)를 함침한 실린더형태의
Pellet의 제품형태를 보여 다
Figure 214 Long glass fiber pellet material
- 8 -
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
- 9 -
212Densitycomparison
30 PP-LGF(유리장섬유 강화PP)의 도[gcm3]는 Steel은 785기
Table211에서와 같이 약 112인데 반해 Aluminum은 28의 수치를 나
타낸다따라서 Steel과의 약 7정도의 차이를 보인다따라서 단순히 기존
Steel제품과 같은 설계 디자인으로는 동일한 강성을 확보할 수는 없을
것이다
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
그러나 라스틱은 설계의 자유도가 Steel에 비해 아주 높으므로
Figure218에서와 같이 취약부에 국소 으로 두께를 늘리거나FEA해석
을 통해 최 형태의 강성Rib형상을 부여함으로써 이러한 강성문제를 보
완할 수 있는 것이다
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
- 10 -
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
- 11 -
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
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28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
목 차
요 약 문middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ
Abstractmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ
목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅴ
ListofFiguresmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅷ
ListofTablesmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅹ
Nomenclaturemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅺ
1서론
11연구배경middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1
12연구내용 목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
211ReinforceGlassfibermiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5
212Densitycomparisonmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GFmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10
214PP-LGFapplicationforAutomotivepartsmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12
22PerformancerequirementsforDoorModuleCarrier
221BasicperfomanceforEngineeringmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231Steeldoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19
232Plasticdoormodulemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20
24ToolingRequirementsforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcessmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23
243 형 시스템 (Moldsystem)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27
244ProcessingConditionforPP-LGFmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29
3연구방법
31PlasticDoorModuleDesignmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32
331SpecificationofModuleDesignmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33
332CreationofMeshdatamiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34
333FactionaldesignStressFEAanalysismiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflowmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41
322InjectionMoldingConditionbyMoldflowmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44
4해석결과 고찰
41Gate수와 치 결정middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45
42Gate최 화 Warpage분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50
43성형 해석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot69
5시사출 결과 3D측정 결과
51시사출 조건설정middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot70
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot73
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot77
6결 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot78
참고문헌middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot80
ListofFigures
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
Figure213FailureMechanism offiber-reinforcedthermoplastics
Figure214Longglassfiberpelletmaterial
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
Figure225ExpectedacousticalbehaviorofPlasticdoormodule
Figure226Comparisonofdoorslam noise
Figure227ComparisonofNVH-Performance
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
Figure241사출성형 공정 Cycle
Figure242왕복 스크류에서 고체 이송압축유체 이송 역을 보여 다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)배럴과 노즐
Figure246이단 형 시스템
Figure247삼단 형 시스템
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
Figure311StructureofCompletedoorsystem
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
Figure326InjectionMoldingCondition
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
Figure421Fillingpattern
Figure422유동선단 온도
Figure423형체력
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
Figure425FiberorientationofDoormodule
Figure426InjectionPressure
Figure427WeldLineanalysis
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Figure511Gaterunnersystem 설정
Figure512Coolingsystem 설정
Figure513PhotographofInjectiontool
Figure521ModulepanelFixture
Figure5223차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
Figure523CMM을 이용한 측정 Point측정결과
Figure524변형량 측정 Point설정
Figure525성형해석의 측정 Point설정
ListofTables
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
Table221Plasticmodule 량 감 효과
Table311Specificationofmodel
Table312MaterialdataLGFPP30
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
Table315Resultofstiffnessanalysis
Table316Resultofstiffnessanalysis
Table411Z축 변형량 비교
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
Table422보압 환 치에서 최 사출압
Table423보압 환 치에서 최 사출압
Table424 SequentialtimingforWeldLine
Table425 Z-Deflection
Table4263 고정(ZndashDeflection)
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Table431GateSystem의 성형해석 결과
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
Table512InjectionparameterforTooling
Table521공차 plusmn05mm Spec 용 시 측정결과
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
Nomenclature
- 1 -
1서 론
11연구배경
자동차 공업은 경량화와 원가 감 그리고 고기능성의 부여 에 지 효
율성 측면에서 라스틱 부품의 체가 실히 요구되어 왔고 그 체성
에 있어 기존의 주력소재인 철강(Steel)을 체하는 과정에서 라스틱이
주는 장 과 동시에 기능성과 물리 성질에 있어 기술 측면의 많은 도
을 받아왔다
이제 자동차공업에 있어 모듈화는 세계 로벌 선진기업들의 선결과제
로 그 변화의 물결 한가운데에 있다 해도 과언이 아닐 것이며국내 자동
차공업에 있어서도 분명한 개발축선 상에 있는 변화와 도 과제가 아닐
수 없는 것이다
기존에는 구성품들이 복잡한 기능을 가지지 않았으며 구성부품을 직
도어 임 안쪽 철 에 쉽게 장착 할 수 있었다그러나 최근 기능성과
안 성에 련된 추가부품인 ECU Controller 각종 Sensor등의 기능
이 추가되어 구조가 복잡해지고 그 수가 늘어감에 따라 완성차 업계는 이
모든 부품들을 효과 으로 In-Line에서 장착할 필요성을 느끼게 되었고
효과 인 안으로 시스템의 모듈화가 이루어졌다Table221은 모듈도
입 개념을 유럽과 한국을 비교하 다
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구 분 유 럽 한 국
도입시기80년 생산성품질의 향상
작업자의 부담경감을 목표
2000년 원가 감작업성
품질향상신기술 용 목표
도입요인90년 부터는 노동Cost가 낮은
외주화를 통한 Cost 감 확
이미 70가 외주이며완성차
조립인건비신기술 용을 함
Cost 감
개념
고도의 부품 일체화를 통한
Cost 감
부품 일체화경쟁 구매를 통한
Cost삭감
모듈공장
배치
조립공장에 근 하여 동기생산에
의한 물류재고 최 화
토지사정이나 조립공장의 치에
한계부품의 형화로 창고가
필요하게 됨
품질 리
개념
품질 리의 간소화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 조달하는 부품의 품질 리를 실시)
조달책임조달책임의 명확화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 2차 부품 업체를 선정고장책임 등도 담당)
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
모듈화와 더불어 소재의 신 체 용에 의한 경량화의 추구 그리고
주요 부품의 물리 성질 기계 특성 등을 포함하여 기술 으로 극복
한 다양한 형태로 라스틱 소재의 개발 용이 가져다주는 에 지
효율성 등의 측면으로 보아도 자동차공업의 체소재 개발은 재 장
부품의 12～13 수 임을 감안할 때사실상 속의 체를 가능하게 한
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고기능성 엔지니어링 라스틱 재료의 발 과 신 용개발로 이어지
는 자동차분야의 새로운 품질 신과 창조 개발활동은 진 인 추세이
다
생산 수가 연간 400만 로 세계 5 국의 상을 감안하면 로벌 경쟁시
의 시 에 선 우리산업의 체소재 개발의 실 인 상황은 뒤쳐 있
으며 라스틱 산업에서 보면 미국 듀폰독일의 Bayer Material
Science 랑스의 Rhodia( 롱 랑) 사우디의 Sabic( GEPlastics)
등의 세계 유수의 다국 기업들이 소재연구에서 컴 운딩 응용개발에 까
지 재 그 최선의 경쟁을 주도하고 있는 것도 사실이다
라스틱 소재의 발달로 경량화와 모듈화는 속공업을 근간으로 하는 철
강(Steel)이 기 재료인 자동차공업의 발 에 있어 경량화 추구와 생산성
에서 그리고 원가 감에 개선 이 크다 할 것이며이는 소재의 변화와
신이 가져다 수 있는 새로운 가치창조라고 할 수 있을 것이다
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12연구내용 목
본 보고서에서는 유리 장섬유 복합소재는 자동차 구조용 부품의 핵심소
재로 떠오르고 있는 차세 열가소성 장섬유 복합소재를 이용하여 부품경
량화를 통한 원가 감과 연비향상부품의 통합화재활용성 향상을 이루
었고 CAE를 통한 사출성형 공정의 각 단계를 시뮬 이션을 통해 복잡한
성형의 최 모델링과 사출조건을FEA 구조 강성해석을 통한 기능
인 측면을 만족하는 모듈 시스템을 개발하 다
일본북미유럽의 자동차 사에서는 첨단 소재와 부품의 모듈화를 최우
선 개발 과제로 인식하여자동차의 구조용 부품에 활발히 용되고 있으
며 기술선 을 해 RampD를 집 하고 있어 국내 자동차사의 기술선 확
보가 매우 시 한 상황이다따라서 본 소재를 이용한 도어모듈 시스템의
개발은 국내 자동차사에서 의미 있는 것이라 하겠다
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2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
자동차 통합 모듈용 복합소재는 목표물성 구 을 통하여 제품 량을 최
소한 감소시키고충격강도굴곡 탄성률유동성을 동시에 향상시켜야 한
다 라스틱 에서도 특별히 기계 강도나 내열성 등이 우수하고 화학
middot물리 으로 혹독한 조건에서도 오랜 시간동안 물성이 변하지 않고 사
용할 수 있는 것으로 자동차나 비행기그 밖에 가 제품 등의 분야에서
속을 체할 수 있는 신소재가 여러 가지가 개발되어 있다
PP-LGF의 핵심기술 요소기술은 Base수지인 PP의 합을 통한 고
결정화 고유동화 기술 배합되는 고무나 무기 충진재를 미세 균일
분산 제어 시켜 모폴로지를 원하는 로 조 할 수 있는 배합 기술과 압
출 기술 등이 있다
211ReinforceGlassfiber(강화용 유리섬유)
유리섬유는 보통 장섬유(continuousfiber)와 단섬유(Shortfiber)로 분류
된다유리와 같은 취성재료는 작게 하거나 가늘게 하면 균열의 향이
작아져 단 면 당 강도가 커진다같은 단면 이라면 1가닥의 굵은 것
보다 가는 것을 여러 가닥 다발로 묶으면 훨씬 강하다이러한 성질을 치
수효과라 한다 아래 Figure211은 함침된 장섬유가 균일하게 분포되어
있는 이상 인 PP-LGF의 Pellet를 보여 다
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Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
유리섬유의 기계 성질로 고려되어질 사항은 인장강도이다유리섬유
의 종류에 상 없이 섬유직경이 작을수록 인장강도가 크게 나타난다이
는 유리섬유의 표면 은 단 길이당 직경이 클수록 넓게되어 결함(flaw)
의 존재확률은 높아지며그것만큼 단의 기회가 많아져 평균치로서의
인장 강도는 작게 된다
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
하나의 요한 기계 성질은 단력이다사출시 배양된 유리섬유
의 구조들은 각기 다른 각도 방향에 한 자기보강효과가 생성되어 높은
단강도와 탄성률을 가진다Figure213은 이러한 성질의 장섬유 라
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스틱의 FailureMechanism 구조를 보여주고 있다
Figure 213 Failure Mechanism of fiber-reinforced thermoplastics
Fig214215는 PP와 유리섬유(Glassfiber)를 함침한 실린더형태의
Pellet의 제품형태를 보여 다
Figure 214 Long glass fiber pellet material
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Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
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212Densitycomparison
30 PP-LGF(유리장섬유 강화PP)의 도[gcm3]는 Steel은 785기
Table211에서와 같이 약 112인데 반해 Aluminum은 28의 수치를 나
타낸다따라서 Steel과의 약 7정도의 차이를 보인다따라서 단순히 기존
Steel제품과 같은 설계 디자인으로는 동일한 강성을 확보할 수는 없을
것이다
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
그러나 라스틱은 설계의 자유도가 Steel에 비해 아주 높으므로
Figure218에서와 같이 취약부에 국소 으로 두께를 늘리거나FEA해석
을 통해 최 형태의 강성Rib형상을 부여함으로써 이러한 강성문제를 보
완할 수 있는 것이다
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
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213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
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Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
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22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
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(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
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(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
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H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
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(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
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Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
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23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
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24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
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242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
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고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
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표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
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243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
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이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
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244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
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③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
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31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
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311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
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312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
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23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
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GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
24ToolingRequirementsforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcessmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23
243 형 시스템 (Moldsystem)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27
244ProcessingConditionforPP-LGFmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29
3연구방법
31PlasticDoorModuleDesignmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32
331SpecificationofModuleDesignmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33
332CreationofMeshdatamiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34
333FactionaldesignStressFEAanalysismiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflowmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41
322InjectionMoldingConditionbyMoldflowmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44
4해석결과 고찰
41Gate수와 치 결정middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45
42Gate최 화 Warpage분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50
43성형 해석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot69
5시사출 결과 3D측정 결과
51시사출 조건설정middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot70
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot73
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot77
6결 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot78
참고문헌middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot80
ListofFigures
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
Figure213FailureMechanism offiber-reinforcedthermoplastics
Figure214Longglassfiberpelletmaterial
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
Figure225ExpectedacousticalbehaviorofPlasticdoormodule
Figure226Comparisonofdoorslam noise
Figure227ComparisonofNVH-Performance
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
Figure241사출성형 공정 Cycle
Figure242왕복 스크류에서 고체 이송압축유체 이송 역을 보여 다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)배럴과 노즐
Figure246이단 형 시스템
Figure247삼단 형 시스템
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
Figure311StructureofCompletedoorsystem
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
Figure326InjectionMoldingCondition
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
Figure421Fillingpattern
Figure422유동선단 온도
Figure423형체력
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
Figure425FiberorientationofDoormodule
Figure426InjectionPressure
Figure427WeldLineanalysis
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Figure511Gaterunnersystem 설정
Figure512Coolingsystem 설정
Figure513PhotographofInjectiontool
Figure521ModulepanelFixture
Figure5223차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
Figure523CMM을 이용한 측정 Point측정결과
Figure524변형량 측정 Point설정
Figure525성형해석의 측정 Point설정
ListofTables
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
Table221Plasticmodule 량 감 효과
Table311Specificationofmodel
Table312MaterialdataLGFPP30
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
Table315Resultofstiffnessanalysis
Table316Resultofstiffnessanalysis
Table411Z축 변형량 비교
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
Table422보압 환 치에서 최 사출압
Table423보압 환 치에서 최 사출압
Table424 SequentialtimingforWeldLine
Table425 Z-Deflection
Table4263 고정(ZndashDeflection)
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Table431GateSystem의 성형해석 결과
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
Table512InjectionparameterforTooling
Table521공차 plusmn05mm Spec 용 시 측정결과
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
Nomenclature
- 1 -
1서 론
11연구배경
자동차 공업은 경량화와 원가 감 그리고 고기능성의 부여 에 지 효
율성 측면에서 라스틱 부품의 체가 실히 요구되어 왔고 그 체성
에 있어 기존의 주력소재인 철강(Steel)을 체하는 과정에서 라스틱이
주는 장 과 동시에 기능성과 물리 성질에 있어 기술 측면의 많은 도
을 받아왔다
이제 자동차공업에 있어 모듈화는 세계 로벌 선진기업들의 선결과제
로 그 변화의 물결 한가운데에 있다 해도 과언이 아닐 것이며국내 자동
차공업에 있어서도 분명한 개발축선 상에 있는 변화와 도 과제가 아닐
수 없는 것이다
기존에는 구성품들이 복잡한 기능을 가지지 않았으며 구성부품을 직
도어 임 안쪽 철 에 쉽게 장착 할 수 있었다그러나 최근 기능성과
안 성에 련된 추가부품인 ECU Controller 각종 Sensor등의 기능
이 추가되어 구조가 복잡해지고 그 수가 늘어감에 따라 완성차 업계는 이
모든 부품들을 효과 으로 In-Line에서 장착할 필요성을 느끼게 되었고
효과 인 안으로 시스템의 모듈화가 이루어졌다Table221은 모듈도
입 개념을 유럽과 한국을 비교하 다
- 2 -
구 분 유 럽 한 국
도입시기80년 생산성품질의 향상
작업자의 부담경감을 목표
2000년 원가 감작업성
품질향상신기술 용 목표
도입요인90년 부터는 노동Cost가 낮은
외주화를 통한 Cost 감 확
이미 70가 외주이며완성차
조립인건비신기술 용을 함
Cost 감
개념
고도의 부품 일체화를 통한
Cost 감
부품 일체화경쟁 구매를 통한
Cost삭감
모듈공장
배치
조립공장에 근 하여 동기생산에
의한 물류재고 최 화
토지사정이나 조립공장의 치에
한계부품의 형화로 창고가
필요하게 됨
품질 리
개념
품질 리의 간소화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 조달하는 부품의 품질 리를 실시)
조달책임조달책임의 명확화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 2차 부품 업체를 선정고장책임 등도 담당)
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
모듈화와 더불어 소재의 신 체 용에 의한 경량화의 추구 그리고
주요 부품의 물리 성질 기계 특성 등을 포함하여 기술 으로 극복
한 다양한 형태로 라스틱 소재의 개발 용이 가져다주는 에 지
효율성 등의 측면으로 보아도 자동차공업의 체소재 개발은 재 장
부품의 12～13 수 임을 감안할 때사실상 속의 체를 가능하게 한
- 3 -
고기능성 엔지니어링 라스틱 재료의 발 과 신 용개발로 이어지
는 자동차분야의 새로운 품질 신과 창조 개발활동은 진 인 추세이
다
생산 수가 연간 400만 로 세계 5 국의 상을 감안하면 로벌 경쟁시
의 시 에 선 우리산업의 체소재 개발의 실 인 상황은 뒤쳐 있
으며 라스틱 산업에서 보면 미국 듀폰독일의 Bayer Material
Science 랑스의 Rhodia( 롱 랑) 사우디의 Sabic( GEPlastics)
등의 세계 유수의 다국 기업들이 소재연구에서 컴 운딩 응용개발에 까
지 재 그 최선의 경쟁을 주도하고 있는 것도 사실이다
라스틱 소재의 발달로 경량화와 모듈화는 속공업을 근간으로 하는 철
강(Steel)이 기 재료인 자동차공업의 발 에 있어 경량화 추구와 생산성
에서 그리고 원가 감에 개선 이 크다 할 것이며이는 소재의 변화와
신이 가져다 수 있는 새로운 가치창조라고 할 수 있을 것이다
- 4 -
12연구내용 목
본 보고서에서는 유리 장섬유 복합소재는 자동차 구조용 부품의 핵심소
재로 떠오르고 있는 차세 열가소성 장섬유 복합소재를 이용하여 부품경
량화를 통한 원가 감과 연비향상부품의 통합화재활용성 향상을 이루
었고 CAE를 통한 사출성형 공정의 각 단계를 시뮬 이션을 통해 복잡한
성형의 최 모델링과 사출조건을FEA 구조 강성해석을 통한 기능
인 측면을 만족하는 모듈 시스템을 개발하 다
일본북미유럽의 자동차 사에서는 첨단 소재와 부품의 모듈화를 최우
선 개발 과제로 인식하여자동차의 구조용 부품에 활발히 용되고 있으
며 기술선 을 해 RampD를 집 하고 있어 국내 자동차사의 기술선 확
보가 매우 시 한 상황이다따라서 본 소재를 이용한 도어모듈 시스템의
개발은 국내 자동차사에서 의미 있는 것이라 하겠다
- 5 -
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
자동차 통합 모듈용 복합소재는 목표물성 구 을 통하여 제품 량을 최
소한 감소시키고충격강도굴곡 탄성률유동성을 동시에 향상시켜야 한
다 라스틱 에서도 특별히 기계 강도나 내열성 등이 우수하고 화학
middot물리 으로 혹독한 조건에서도 오랜 시간동안 물성이 변하지 않고 사
용할 수 있는 것으로 자동차나 비행기그 밖에 가 제품 등의 분야에서
속을 체할 수 있는 신소재가 여러 가지가 개발되어 있다
PP-LGF의 핵심기술 요소기술은 Base수지인 PP의 합을 통한 고
결정화 고유동화 기술 배합되는 고무나 무기 충진재를 미세 균일
분산 제어 시켜 모폴로지를 원하는 로 조 할 수 있는 배합 기술과 압
출 기술 등이 있다
211ReinforceGlassfiber(강화용 유리섬유)
유리섬유는 보통 장섬유(continuousfiber)와 단섬유(Shortfiber)로 분류
된다유리와 같은 취성재료는 작게 하거나 가늘게 하면 균열의 향이
작아져 단 면 당 강도가 커진다같은 단면 이라면 1가닥의 굵은 것
보다 가는 것을 여러 가닥 다발로 묶으면 훨씬 강하다이러한 성질을 치
수효과라 한다 아래 Figure211은 함침된 장섬유가 균일하게 분포되어
있는 이상 인 PP-LGF의 Pellet를 보여 다
- 6 -
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
유리섬유의 기계 성질로 고려되어질 사항은 인장강도이다유리섬유
의 종류에 상 없이 섬유직경이 작을수록 인장강도가 크게 나타난다이
는 유리섬유의 표면 은 단 길이당 직경이 클수록 넓게되어 결함(flaw)
의 존재확률은 높아지며그것만큼 단의 기회가 많아져 평균치로서의
인장 강도는 작게 된다
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
하나의 요한 기계 성질은 단력이다사출시 배양된 유리섬유
의 구조들은 각기 다른 각도 방향에 한 자기보강효과가 생성되어 높은
단강도와 탄성률을 가진다Figure213은 이러한 성질의 장섬유 라
- 7 -
스틱의 FailureMechanism 구조를 보여주고 있다
Figure 213 Failure Mechanism of fiber-reinforced thermoplastics
Fig214215는 PP와 유리섬유(Glassfiber)를 함침한 실린더형태의
Pellet의 제품형태를 보여 다
Figure 214 Long glass fiber pellet material
- 8 -
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
- 9 -
212Densitycomparison
30 PP-LGF(유리장섬유 강화PP)의 도[gcm3]는 Steel은 785기
Table211에서와 같이 약 112인데 반해 Aluminum은 28의 수치를 나
타낸다따라서 Steel과의 약 7정도의 차이를 보인다따라서 단순히 기존
Steel제품과 같은 설계 디자인으로는 동일한 강성을 확보할 수는 없을
것이다
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
그러나 라스틱은 설계의 자유도가 Steel에 비해 아주 높으므로
Figure218에서와 같이 취약부에 국소 으로 두께를 늘리거나FEA해석
을 통해 최 형태의 강성Rib형상을 부여함으로써 이러한 강성문제를 보
완할 수 있는 것이다
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
- 10 -
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
- 11 -
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
ListofFigures
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
Figure213FailureMechanism offiber-reinforcedthermoplastics
Figure214Longglassfiberpelletmaterial
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
Figure225ExpectedacousticalbehaviorofPlasticdoormodule
Figure226Comparisonofdoorslam noise
Figure227ComparisonofNVH-Performance
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
Figure241사출성형 공정 Cycle
Figure242왕복 스크류에서 고체 이송압축유체 이송 역을 보여 다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)배럴과 노즐
Figure246이단 형 시스템
Figure247삼단 형 시스템
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
Figure311StructureofCompletedoorsystem
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
Figure326InjectionMoldingCondition
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
Figure421Fillingpattern
Figure422유동선단 온도
Figure423형체력
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
Figure425FiberorientationofDoormodule
Figure426InjectionPressure
Figure427WeldLineanalysis
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Figure511Gaterunnersystem 설정
Figure512Coolingsystem 설정
Figure513PhotographofInjectiontool
Figure521ModulepanelFixture
Figure5223차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
Figure523CMM을 이용한 측정 Point측정결과
Figure524변형량 측정 Point설정
Figure525성형해석의 측정 Point설정
ListofTables
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
Table221Plasticmodule 량 감 효과
Table311Specificationofmodel
Table312MaterialdataLGFPP30
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
Table315Resultofstiffnessanalysis
Table316Resultofstiffnessanalysis
Table411Z축 변형량 비교
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
Table422보압 환 치에서 최 사출압
Table423보압 환 치에서 최 사출압
Table424 SequentialtimingforWeldLine
Table425 Z-Deflection
Table4263 고정(ZndashDeflection)
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Table431GateSystem의 성형해석 결과
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
Table512InjectionparameterforTooling
Table521공차 plusmn05mm Spec 용 시 측정결과
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
Nomenclature
- 1 -
1서 론
11연구배경
자동차 공업은 경량화와 원가 감 그리고 고기능성의 부여 에 지 효
율성 측면에서 라스틱 부품의 체가 실히 요구되어 왔고 그 체성
에 있어 기존의 주력소재인 철강(Steel)을 체하는 과정에서 라스틱이
주는 장 과 동시에 기능성과 물리 성질에 있어 기술 측면의 많은 도
을 받아왔다
이제 자동차공업에 있어 모듈화는 세계 로벌 선진기업들의 선결과제
로 그 변화의 물결 한가운데에 있다 해도 과언이 아닐 것이며국내 자동
차공업에 있어서도 분명한 개발축선 상에 있는 변화와 도 과제가 아닐
수 없는 것이다
기존에는 구성품들이 복잡한 기능을 가지지 않았으며 구성부품을 직
도어 임 안쪽 철 에 쉽게 장착 할 수 있었다그러나 최근 기능성과
안 성에 련된 추가부품인 ECU Controller 각종 Sensor등의 기능
이 추가되어 구조가 복잡해지고 그 수가 늘어감에 따라 완성차 업계는 이
모든 부품들을 효과 으로 In-Line에서 장착할 필요성을 느끼게 되었고
효과 인 안으로 시스템의 모듈화가 이루어졌다Table221은 모듈도
입 개념을 유럽과 한국을 비교하 다
- 2 -
구 분 유 럽 한 국
도입시기80년 생산성품질의 향상
작업자의 부담경감을 목표
2000년 원가 감작업성
품질향상신기술 용 목표
도입요인90년 부터는 노동Cost가 낮은
외주화를 통한 Cost 감 확
이미 70가 외주이며완성차
조립인건비신기술 용을 함
Cost 감
개념
고도의 부품 일체화를 통한
Cost 감
부품 일체화경쟁 구매를 통한
Cost삭감
모듈공장
배치
조립공장에 근 하여 동기생산에
의한 물류재고 최 화
토지사정이나 조립공장의 치에
한계부품의 형화로 창고가
필요하게 됨
품질 리
개념
품질 리의 간소화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 조달하는 부품의 품질 리를 실시)
조달책임조달책임의 명확화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 2차 부품 업체를 선정고장책임 등도 담당)
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
모듈화와 더불어 소재의 신 체 용에 의한 경량화의 추구 그리고
주요 부품의 물리 성질 기계 특성 등을 포함하여 기술 으로 극복
한 다양한 형태로 라스틱 소재의 개발 용이 가져다주는 에 지
효율성 등의 측면으로 보아도 자동차공업의 체소재 개발은 재 장
부품의 12～13 수 임을 감안할 때사실상 속의 체를 가능하게 한
- 3 -
고기능성 엔지니어링 라스틱 재료의 발 과 신 용개발로 이어지
는 자동차분야의 새로운 품질 신과 창조 개발활동은 진 인 추세이
다
생산 수가 연간 400만 로 세계 5 국의 상을 감안하면 로벌 경쟁시
의 시 에 선 우리산업의 체소재 개발의 실 인 상황은 뒤쳐 있
으며 라스틱 산업에서 보면 미국 듀폰독일의 Bayer Material
Science 랑스의 Rhodia( 롱 랑) 사우디의 Sabic( GEPlastics)
등의 세계 유수의 다국 기업들이 소재연구에서 컴 운딩 응용개발에 까
지 재 그 최선의 경쟁을 주도하고 있는 것도 사실이다
라스틱 소재의 발달로 경량화와 모듈화는 속공업을 근간으로 하는 철
강(Steel)이 기 재료인 자동차공업의 발 에 있어 경량화 추구와 생산성
에서 그리고 원가 감에 개선 이 크다 할 것이며이는 소재의 변화와
신이 가져다 수 있는 새로운 가치창조라고 할 수 있을 것이다
- 4 -
12연구내용 목
본 보고서에서는 유리 장섬유 복합소재는 자동차 구조용 부품의 핵심소
재로 떠오르고 있는 차세 열가소성 장섬유 복합소재를 이용하여 부품경
량화를 통한 원가 감과 연비향상부품의 통합화재활용성 향상을 이루
었고 CAE를 통한 사출성형 공정의 각 단계를 시뮬 이션을 통해 복잡한
성형의 최 모델링과 사출조건을FEA 구조 강성해석을 통한 기능
인 측면을 만족하는 모듈 시스템을 개발하 다
일본북미유럽의 자동차 사에서는 첨단 소재와 부품의 모듈화를 최우
선 개발 과제로 인식하여자동차의 구조용 부품에 활발히 용되고 있으
며 기술선 을 해 RampD를 집 하고 있어 국내 자동차사의 기술선 확
보가 매우 시 한 상황이다따라서 본 소재를 이용한 도어모듈 시스템의
개발은 국내 자동차사에서 의미 있는 것이라 하겠다
- 5 -
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
자동차 통합 모듈용 복합소재는 목표물성 구 을 통하여 제품 량을 최
소한 감소시키고충격강도굴곡 탄성률유동성을 동시에 향상시켜야 한
다 라스틱 에서도 특별히 기계 강도나 내열성 등이 우수하고 화학
middot물리 으로 혹독한 조건에서도 오랜 시간동안 물성이 변하지 않고 사
용할 수 있는 것으로 자동차나 비행기그 밖에 가 제품 등의 분야에서
속을 체할 수 있는 신소재가 여러 가지가 개발되어 있다
PP-LGF의 핵심기술 요소기술은 Base수지인 PP의 합을 통한 고
결정화 고유동화 기술 배합되는 고무나 무기 충진재를 미세 균일
분산 제어 시켜 모폴로지를 원하는 로 조 할 수 있는 배합 기술과 압
출 기술 등이 있다
211ReinforceGlassfiber(강화용 유리섬유)
유리섬유는 보통 장섬유(continuousfiber)와 단섬유(Shortfiber)로 분류
된다유리와 같은 취성재료는 작게 하거나 가늘게 하면 균열의 향이
작아져 단 면 당 강도가 커진다같은 단면 이라면 1가닥의 굵은 것
보다 가는 것을 여러 가닥 다발로 묶으면 훨씬 강하다이러한 성질을 치
수효과라 한다 아래 Figure211은 함침된 장섬유가 균일하게 분포되어
있는 이상 인 PP-LGF의 Pellet를 보여 다
- 6 -
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
유리섬유의 기계 성질로 고려되어질 사항은 인장강도이다유리섬유
의 종류에 상 없이 섬유직경이 작을수록 인장강도가 크게 나타난다이
는 유리섬유의 표면 은 단 길이당 직경이 클수록 넓게되어 결함(flaw)
의 존재확률은 높아지며그것만큼 단의 기회가 많아져 평균치로서의
인장 강도는 작게 된다
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
하나의 요한 기계 성질은 단력이다사출시 배양된 유리섬유
의 구조들은 각기 다른 각도 방향에 한 자기보강효과가 생성되어 높은
단강도와 탄성률을 가진다Figure213은 이러한 성질의 장섬유 라
- 7 -
스틱의 FailureMechanism 구조를 보여주고 있다
Figure 213 Failure Mechanism of fiber-reinforced thermoplastics
Fig214215는 PP와 유리섬유(Glassfiber)를 함침한 실린더형태의
Pellet의 제품형태를 보여 다
Figure 214 Long glass fiber pellet material
- 8 -
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
- 9 -
212Densitycomparison
30 PP-LGF(유리장섬유 강화PP)의 도[gcm3]는 Steel은 785기
Table211에서와 같이 약 112인데 반해 Aluminum은 28의 수치를 나
타낸다따라서 Steel과의 약 7정도의 차이를 보인다따라서 단순히 기존
Steel제품과 같은 설계 디자인으로는 동일한 강성을 확보할 수는 없을
것이다
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
그러나 라스틱은 설계의 자유도가 Steel에 비해 아주 높으므로
Figure218에서와 같이 취약부에 국소 으로 두께를 늘리거나FEA해석
을 통해 최 형태의 강성Rib형상을 부여함으로써 이러한 강성문제를 보
완할 수 있는 것이다
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
- 10 -
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
- 11 -
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
Figure311StructureofCompletedoorsystem
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
Figure326InjectionMoldingCondition
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
Figure421Fillingpattern
Figure422유동선단 온도
Figure423형체력
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
Figure425FiberorientationofDoormodule
Figure426InjectionPressure
Figure427WeldLineanalysis
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Figure511Gaterunnersystem 설정
Figure512Coolingsystem 설정
Figure513PhotographofInjectiontool
Figure521ModulepanelFixture
Figure5223차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
Figure523CMM을 이용한 측정 Point측정결과
Figure524변형량 측정 Point설정
Figure525성형해석의 측정 Point설정
ListofTables
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
Table221Plasticmodule 량 감 효과
Table311Specificationofmodel
Table312MaterialdataLGFPP30
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
Table315Resultofstiffnessanalysis
Table316Resultofstiffnessanalysis
Table411Z축 변형량 비교
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
Table422보압 환 치에서 최 사출압
Table423보압 환 치에서 최 사출압
Table424 SequentialtimingforWeldLine
Table425 Z-Deflection
Table4263 고정(ZndashDeflection)
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Table431GateSystem의 성형해석 결과
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
Table512InjectionparameterforTooling
Table521공차 plusmn05mm Spec 용 시 측정결과
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
Nomenclature
- 1 -
1서 론
11연구배경
자동차 공업은 경량화와 원가 감 그리고 고기능성의 부여 에 지 효
율성 측면에서 라스틱 부품의 체가 실히 요구되어 왔고 그 체성
에 있어 기존의 주력소재인 철강(Steel)을 체하는 과정에서 라스틱이
주는 장 과 동시에 기능성과 물리 성질에 있어 기술 측면의 많은 도
을 받아왔다
이제 자동차공업에 있어 모듈화는 세계 로벌 선진기업들의 선결과제
로 그 변화의 물결 한가운데에 있다 해도 과언이 아닐 것이며국내 자동
차공업에 있어서도 분명한 개발축선 상에 있는 변화와 도 과제가 아닐
수 없는 것이다
기존에는 구성품들이 복잡한 기능을 가지지 않았으며 구성부품을 직
도어 임 안쪽 철 에 쉽게 장착 할 수 있었다그러나 최근 기능성과
안 성에 련된 추가부품인 ECU Controller 각종 Sensor등의 기능
이 추가되어 구조가 복잡해지고 그 수가 늘어감에 따라 완성차 업계는 이
모든 부품들을 효과 으로 In-Line에서 장착할 필요성을 느끼게 되었고
효과 인 안으로 시스템의 모듈화가 이루어졌다Table221은 모듈도
입 개념을 유럽과 한국을 비교하 다
- 2 -
구 분 유 럽 한 국
도입시기80년 생산성품질의 향상
작업자의 부담경감을 목표
2000년 원가 감작업성
품질향상신기술 용 목표
도입요인90년 부터는 노동Cost가 낮은
외주화를 통한 Cost 감 확
이미 70가 외주이며완성차
조립인건비신기술 용을 함
Cost 감
개념
고도의 부품 일체화를 통한
Cost 감
부품 일체화경쟁 구매를 통한
Cost삭감
모듈공장
배치
조립공장에 근 하여 동기생산에
의한 물류재고 최 화
토지사정이나 조립공장의 치에
한계부품의 형화로 창고가
필요하게 됨
품질 리
개념
품질 리의 간소화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 조달하는 부품의 품질 리를 실시)
조달책임조달책임의 명확화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 2차 부품 업체를 선정고장책임 등도 담당)
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
모듈화와 더불어 소재의 신 체 용에 의한 경량화의 추구 그리고
주요 부품의 물리 성질 기계 특성 등을 포함하여 기술 으로 극복
한 다양한 형태로 라스틱 소재의 개발 용이 가져다주는 에 지
효율성 등의 측면으로 보아도 자동차공업의 체소재 개발은 재 장
부품의 12～13 수 임을 감안할 때사실상 속의 체를 가능하게 한
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고기능성 엔지니어링 라스틱 재료의 발 과 신 용개발로 이어지
는 자동차분야의 새로운 품질 신과 창조 개발활동은 진 인 추세이
다
생산 수가 연간 400만 로 세계 5 국의 상을 감안하면 로벌 경쟁시
의 시 에 선 우리산업의 체소재 개발의 실 인 상황은 뒤쳐 있
으며 라스틱 산업에서 보면 미국 듀폰독일의 Bayer Material
Science 랑스의 Rhodia( 롱 랑) 사우디의 Sabic( GEPlastics)
등의 세계 유수의 다국 기업들이 소재연구에서 컴 운딩 응용개발에 까
지 재 그 최선의 경쟁을 주도하고 있는 것도 사실이다
라스틱 소재의 발달로 경량화와 모듈화는 속공업을 근간으로 하는 철
강(Steel)이 기 재료인 자동차공업의 발 에 있어 경량화 추구와 생산성
에서 그리고 원가 감에 개선 이 크다 할 것이며이는 소재의 변화와
신이 가져다 수 있는 새로운 가치창조라고 할 수 있을 것이다
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12연구내용 목
본 보고서에서는 유리 장섬유 복합소재는 자동차 구조용 부품의 핵심소
재로 떠오르고 있는 차세 열가소성 장섬유 복합소재를 이용하여 부품경
량화를 통한 원가 감과 연비향상부품의 통합화재활용성 향상을 이루
었고 CAE를 통한 사출성형 공정의 각 단계를 시뮬 이션을 통해 복잡한
성형의 최 모델링과 사출조건을FEA 구조 강성해석을 통한 기능
인 측면을 만족하는 모듈 시스템을 개발하 다
일본북미유럽의 자동차 사에서는 첨단 소재와 부품의 모듈화를 최우
선 개발 과제로 인식하여자동차의 구조용 부품에 활발히 용되고 있으
며 기술선 을 해 RampD를 집 하고 있어 국내 자동차사의 기술선 확
보가 매우 시 한 상황이다따라서 본 소재를 이용한 도어모듈 시스템의
개발은 국내 자동차사에서 의미 있는 것이라 하겠다
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2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
자동차 통합 모듈용 복합소재는 목표물성 구 을 통하여 제품 량을 최
소한 감소시키고충격강도굴곡 탄성률유동성을 동시에 향상시켜야 한
다 라스틱 에서도 특별히 기계 강도나 내열성 등이 우수하고 화학
middot물리 으로 혹독한 조건에서도 오랜 시간동안 물성이 변하지 않고 사
용할 수 있는 것으로 자동차나 비행기그 밖에 가 제품 등의 분야에서
속을 체할 수 있는 신소재가 여러 가지가 개발되어 있다
PP-LGF의 핵심기술 요소기술은 Base수지인 PP의 합을 통한 고
결정화 고유동화 기술 배합되는 고무나 무기 충진재를 미세 균일
분산 제어 시켜 모폴로지를 원하는 로 조 할 수 있는 배합 기술과 압
출 기술 등이 있다
211ReinforceGlassfiber(강화용 유리섬유)
유리섬유는 보통 장섬유(continuousfiber)와 단섬유(Shortfiber)로 분류
된다유리와 같은 취성재료는 작게 하거나 가늘게 하면 균열의 향이
작아져 단 면 당 강도가 커진다같은 단면 이라면 1가닥의 굵은 것
보다 가는 것을 여러 가닥 다발로 묶으면 훨씬 강하다이러한 성질을 치
수효과라 한다 아래 Figure211은 함침된 장섬유가 균일하게 분포되어
있는 이상 인 PP-LGF의 Pellet를 보여 다
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Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
유리섬유의 기계 성질로 고려되어질 사항은 인장강도이다유리섬유
의 종류에 상 없이 섬유직경이 작을수록 인장강도가 크게 나타난다이
는 유리섬유의 표면 은 단 길이당 직경이 클수록 넓게되어 결함(flaw)
의 존재확률은 높아지며그것만큼 단의 기회가 많아져 평균치로서의
인장 강도는 작게 된다
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
하나의 요한 기계 성질은 단력이다사출시 배양된 유리섬유
의 구조들은 각기 다른 각도 방향에 한 자기보강효과가 생성되어 높은
단강도와 탄성률을 가진다Figure213은 이러한 성질의 장섬유 라
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스틱의 FailureMechanism 구조를 보여주고 있다
Figure 213 Failure Mechanism of fiber-reinforced thermoplastics
Fig214215는 PP와 유리섬유(Glassfiber)를 함침한 실린더형태의
Pellet의 제품형태를 보여 다
Figure 214 Long glass fiber pellet material
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Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
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212Densitycomparison
30 PP-LGF(유리장섬유 강화PP)의 도[gcm3]는 Steel은 785기
Table211에서와 같이 약 112인데 반해 Aluminum은 28의 수치를 나
타낸다따라서 Steel과의 약 7정도의 차이를 보인다따라서 단순히 기존
Steel제품과 같은 설계 디자인으로는 동일한 강성을 확보할 수는 없을
것이다
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
그러나 라스틱은 설계의 자유도가 Steel에 비해 아주 높으므로
Figure218에서와 같이 취약부에 국소 으로 두께를 늘리거나FEA해석
을 통해 최 형태의 강성Rib형상을 부여함으로써 이러한 강성문제를 보
완할 수 있는 것이다
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
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213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
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Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
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214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
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22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
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(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
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(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
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H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
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(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
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Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
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23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
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242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
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- 1 서론
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- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
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- 2 이론적 배경
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- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
ListofTables
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
Table221Plasticmodule 량 감 효과
Table311Specificationofmodel
Table312MaterialdataLGFPP30
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
Table315Resultofstiffnessanalysis
Table316Resultofstiffnessanalysis
Table411Z축 변형량 비교
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
Table422보압 환 치에서 최 사출압
Table423보압 환 치에서 최 사출압
Table424 SequentialtimingforWeldLine
Table425 Z-Deflection
Table4263 고정(ZndashDeflection)
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
Table431GateSystem의 성형해석 결과
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
Table512InjectionparameterforTooling
Table521공차 plusmn05mm Spec 용 시 측정결과
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
Nomenclature
- 1 -
1서 론
11연구배경
자동차 공업은 경량화와 원가 감 그리고 고기능성의 부여 에 지 효
율성 측면에서 라스틱 부품의 체가 실히 요구되어 왔고 그 체성
에 있어 기존의 주력소재인 철강(Steel)을 체하는 과정에서 라스틱이
주는 장 과 동시에 기능성과 물리 성질에 있어 기술 측면의 많은 도
을 받아왔다
이제 자동차공업에 있어 모듈화는 세계 로벌 선진기업들의 선결과제
로 그 변화의 물결 한가운데에 있다 해도 과언이 아닐 것이며국내 자동
차공업에 있어서도 분명한 개발축선 상에 있는 변화와 도 과제가 아닐
수 없는 것이다
기존에는 구성품들이 복잡한 기능을 가지지 않았으며 구성부품을 직
도어 임 안쪽 철 에 쉽게 장착 할 수 있었다그러나 최근 기능성과
안 성에 련된 추가부품인 ECU Controller 각종 Sensor등의 기능
이 추가되어 구조가 복잡해지고 그 수가 늘어감에 따라 완성차 업계는 이
모든 부품들을 효과 으로 In-Line에서 장착할 필요성을 느끼게 되었고
효과 인 안으로 시스템의 모듈화가 이루어졌다Table221은 모듈도
입 개념을 유럽과 한국을 비교하 다
- 2 -
구 분 유 럽 한 국
도입시기80년 생산성품질의 향상
작업자의 부담경감을 목표
2000년 원가 감작업성
품질향상신기술 용 목표
도입요인90년 부터는 노동Cost가 낮은
외주화를 통한 Cost 감 확
이미 70가 외주이며완성차
조립인건비신기술 용을 함
Cost 감
개념
고도의 부품 일체화를 통한
Cost 감
부품 일체화경쟁 구매를 통한
Cost삭감
모듈공장
배치
조립공장에 근 하여 동기생산에
의한 물류재고 최 화
토지사정이나 조립공장의 치에
한계부품의 형화로 창고가
필요하게 됨
품질 리
개념
품질 리의 간소화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 조달하는 부품의 품질 리를 실시)
조달책임조달책임의 명확화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 2차 부품 업체를 선정고장책임 등도 담당)
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
모듈화와 더불어 소재의 신 체 용에 의한 경량화의 추구 그리고
주요 부품의 물리 성질 기계 특성 등을 포함하여 기술 으로 극복
한 다양한 형태로 라스틱 소재의 개발 용이 가져다주는 에 지
효율성 등의 측면으로 보아도 자동차공업의 체소재 개발은 재 장
부품의 12～13 수 임을 감안할 때사실상 속의 체를 가능하게 한
- 3 -
고기능성 엔지니어링 라스틱 재료의 발 과 신 용개발로 이어지
는 자동차분야의 새로운 품질 신과 창조 개발활동은 진 인 추세이
다
생산 수가 연간 400만 로 세계 5 국의 상을 감안하면 로벌 경쟁시
의 시 에 선 우리산업의 체소재 개발의 실 인 상황은 뒤쳐 있
으며 라스틱 산업에서 보면 미국 듀폰독일의 Bayer Material
Science 랑스의 Rhodia( 롱 랑) 사우디의 Sabic( GEPlastics)
등의 세계 유수의 다국 기업들이 소재연구에서 컴 운딩 응용개발에 까
지 재 그 최선의 경쟁을 주도하고 있는 것도 사실이다
라스틱 소재의 발달로 경량화와 모듈화는 속공업을 근간으로 하는 철
강(Steel)이 기 재료인 자동차공업의 발 에 있어 경량화 추구와 생산성
에서 그리고 원가 감에 개선 이 크다 할 것이며이는 소재의 변화와
신이 가져다 수 있는 새로운 가치창조라고 할 수 있을 것이다
- 4 -
12연구내용 목
본 보고서에서는 유리 장섬유 복합소재는 자동차 구조용 부품의 핵심소
재로 떠오르고 있는 차세 열가소성 장섬유 복합소재를 이용하여 부품경
량화를 통한 원가 감과 연비향상부품의 통합화재활용성 향상을 이루
었고 CAE를 통한 사출성형 공정의 각 단계를 시뮬 이션을 통해 복잡한
성형의 최 모델링과 사출조건을FEA 구조 강성해석을 통한 기능
인 측면을 만족하는 모듈 시스템을 개발하 다
일본북미유럽의 자동차 사에서는 첨단 소재와 부품의 모듈화를 최우
선 개발 과제로 인식하여자동차의 구조용 부품에 활발히 용되고 있으
며 기술선 을 해 RampD를 집 하고 있어 국내 자동차사의 기술선 확
보가 매우 시 한 상황이다따라서 본 소재를 이용한 도어모듈 시스템의
개발은 국내 자동차사에서 의미 있는 것이라 하겠다
- 5 -
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
자동차 통합 모듈용 복합소재는 목표물성 구 을 통하여 제품 량을 최
소한 감소시키고충격강도굴곡 탄성률유동성을 동시에 향상시켜야 한
다 라스틱 에서도 특별히 기계 강도나 내열성 등이 우수하고 화학
middot물리 으로 혹독한 조건에서도 오랜 시간동안 물성이 변하지 않고 사
용할 수 있는 것으로 자동차나 비행기그 밖에 가 제품 등의 분야에서
속을 체할 수 있는 신소재가 여러 가지가 개발되어 있다
PP-LGF의 핵심기술 요소기술은 Base수지인 PP의 합을 통한 고
결정화 고유동화 기술 배합되는 고무나 무기 충진재를 미세 균일
분산 제어 시켜 모폴로지를 원하는 로 조 할 수 있는 배합 기술과 압
출 기술 등이 있다
211ReinforceGlassfiber(강화용 유리섬유)
유리섬유는 보통 장섬유(continuousfiber)와 단섬유(Shortfiber)로 분류
된다유리와 같은 취성재료는 작게 하거나 가늘게 하면 균열의 향이
작아져 단 면 당 강도가 커진다같은 단면 이라면 1가닥의 굵은 것
보다 가는 것을 여러 가닥 다발로 묶으면 훨씬 강하다이러한 성질을 치
수효과라 한다 아래 Figure211은 함침된 장섬유가 균일하게 분포되어
있는 이상 인 PP-LGF의 Pellet를 보여 다
- 6 -
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
유리섬유의 기계 성질로 고려되어질 사항은 인장강도이다유리섬유
의 종류에 상 없이 섬유직경이 작을수록 인장강도가 크게 나타난다이
는 유리섬유의 표면 은 단 길이당 직경이 클수록 넓게되어 결함(flaw)
의 존재확률은 높아지며그것만큼 단의 기회가 많아져 평균치로서의
인장 강도는 작게 된다
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
하나의 요한 기계 성질은 단력이다사출시 배양된 유리섬유
의 구조들은 각기 다른 각도 방향에 한 자기보강효과가 생성되어 높은
단강도와 탄성률을 가진다Figure213은 이러한 성질의 장섬유 라
- 7 -
스틱의 FailureMechanism 구조를 보여주고 있다
Figure 213 Failure Mechanism of fiber-reinforced thermoplastics
Fig214215는 PP와 유리섬유(Glassfiber)를 함침한 실린더형태의
Pellet의 제품형태를 보여 다
Figure 214 Long glass fiber pellet material
- 8 -
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
- 9 -
212Densitycomparison
30 PP-LGF(유리장섬유 강화PP)의 도[gcm3]는 Steel은 785기
Table211에서와 같이 약 112인데 반해 Aluminum은 28의 수치를 나
타낸다따라서 Steel과의 약 7정도의 차이를 보인다따라서 단순히 기존
Steel제품과 같은 설계 디자인으로는 동일한 강성을 확보할 수는 없을
것이다
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
그러나 라스틱은 설계의 자유도가 Steel에 비해 아주 높으므로
Figure218에서와 같이 취약부에 국소 으로 두께를 늘리거나FEA해석
을 통해 최 형태의 강성Rib형상을 부여함으로써 이러한 강성문제를 보
완할 수 있는 것이다
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
- 10 -
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
- 11 -
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
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- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
Nomenclature
- 1 -
1서 론
11연구배경
자동차 공업은 경량화와 원가 감 그리고 고기능성의 부여 에 지 효
율성 측면에서 라스틱 부품의 체가 실히 요구되어 왔고 그 체성
에 있어 기존의 주력소재인 철강(Steel)을 체하는 과정에서 라스틱이
주는 장 과 동시에 기능성과 물리 성질에 있어 기술 측면의 많은 도
을 받아왔다
이제 자동차공업에 있어 모듈화는 세계 로벌 선진기업들의 선결과제
로 그 변화의 물결 한가운데에 있다 해도 과언이 아닐 것이며국내 자동
차공업에 있어서도 분명한 개발축선 상에 있는 변화와 도 과제가 아닐
수 없는 것이다
기존에는 구성품들이 복잡한 기능을 가지지 않았으며 구성부품을 직
도어 임 안쪽 철 에 쉽게 장착 할 수 있었다그러나 최근 기능성과
안 성에 련된 추가부품인 ECU Controller 각종 Sensor등의 기능
이 추가되어 구조가 복잡해지고 그 수가 늘어감에 따라 완성차 업계는 이
모든 부품들을 효과 으로 In-Line에서 장착할 필요성을 느끼게 되었고
효과 인 안으로 시스템의 모듈화가 이루어졌다Table221은 모듈도
입 개념을 유럽과 한국을 비교하 다
- 2 -
구 분 유 럽 한 국
도입시기80년 생산성품질의 향상
작업자의 부담경감을 목표
2000년 원가 감작업성
품질향상신기술 용 목표
도입요인90년 부터는 노동Cost가 낮은
외주화를 통한 Cost 감 확
이미 70가 외주이며완성차
조립인건비신기술 용을 함
Cost 감
개념
고도의 부품 일체화를 통한
Cost 감
부품 일체화경쟁 구매를 통한
Cost삭감
모듈공장
배치
조립공장에 근 하여 동기생산에
의한 물류재고 최 화
토지사정이나 조립공장의 치에
한계부품의 형화로 창고가
필요하게 됨
품질 리
개념
품질 리의 간소화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 조달하는 부품의 품질 리를 실시)
조달책임조달책임의 명확화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 2차 부품 업체를 선정고장책임 등도 담당)
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
모듈화와 더불어 소재의 신 체 용에 의한 경량화의 추구 그리고
주요 부품의 물리 성질 기계 특성 등을 포함하여 기술 으로 극복
한 다양한 형태로 라스틱 소재의 개발 용이 가져다주는 에 지
효율성 등의 측면으로 보아도 자동차공업의 체소재 개발은 재 장
부품의 12～13 수 임을 감안할 때사실상 속의 체를 가능하게 한
- 3 -
고기능성 엔지니어링 라스틱 재료의 발 과 신 용개발로 이어지
는 자동차분야의 새로운 품질 신과 창조 개발활동은 진 인 추세이
다
생산 수가 연간 400만 로 세계 5 국의 상을 감안하면 로벌 경쟁시
의 시 에 선 우리산업의 체소재 개발의 실 인 상황은 뒤쳐 있
으며 라스틱 산업에서 보면 미국 듀폰독일의 Bayer Material
Science 랑스의 Rhodia( 롱 랑) 사우디의 Sabic( GEPlastics)
등의 세계 유수의 다국 기업들이 소재연구에서 컴 운딩 응용개발에 까
지 재 그 최선의 경쟁을 주도하고 있는 것도 사실이다
라스틱 소재의 발달로 경량화와 모듈화는 속공업을 근간으로 하는 철
강(Steel)이 기 재료인 자동차공업의 발 에 있어 경량화 추구와 생산성
에서 그리고 원가 감에 개선 이 크다 할 것이며이는 소재의 변화와
신이 가져다 수 있는 새로운 가치창조라고 할 수 있을 것이다
- 4 -
12연구내용 목
본 보고서에서는 유리 장섬유 복합소재는 자동차 구조용 부품의 핵심소
재로 떠오르고 있는 차세 열가소성 장섬유 복합소재를 이용하여 부품경
량화를 통한 원가 감과 연비향상부품의 통합화재활용성 향상을 이루
었고 CAE를 통한 사출성형 공정의 각 단계를 시뮬 이션을 통해 복잡한
성형의 최 모델링과 사출조건을FEA 구조 강성해석을 통한 기능
인 측면을 만족하는 모듈 시스템을 개발하 다
일본북미유럽의 자동차 사에서는 첨단 소재와 부품의 모듈화를 최우
선 개발 과제로 인식하여자동차의 구조용 부품에 활발히 용되고 있으
며 기술선 을 해 RampD를 집 하고 있어 국내 자동차사의 기술선 확
보가 매우 시 한 상황이다따라서 본 소재를 이용한 도어모듈 시스템의
개발은 국내 자동차사에서 의미 있는 것이라 하겠다
- 5 -
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
자동차 통합 모듈용 복합소재는 목표물성 구 을 통하여 제품 량을 최
소한 감소시키고충격강도굴곡 탄성률유동성을 동시에 향상시켜야 한
다 라스틱 에서도 특별히 기계 강도나 내열성 등이 우수하고 화학
middot물리 으로 혹독한 조건에서도 오랜 시간동안 물성이 변하지 않고 사
용할 수 있는 것으로 자동차나 비행기그 밖에 가 제품 등의 분야에서
속을 체할 수 있는 신소재가 여러 가지가 개발되어 있다
PP-LGF의 핵심기술 요소기술은 Base수지인 PP의 합을 통한 고
결정화 고유동화 기술 배합되는 고무나 무기 충진재를 미세 균일
분산 제어 시켜 모폴로지를 원하는 로 조 할 수 있는 배합 기술과 압
출 기술 등이 있다
211ReinforceGlassfiber(강화용 유리섬유)
유리섬유는 보통 장섬유(continuousfiber)와 단섬유(Shortfiber)로 분류
된다유리와 같은 취성재료는 작게 하거나 가늘게 하면 균열의 향이
작아져 단 면 당 강도가 커진다같은 단면 이라면 1가닥의 굵은 것
보다 가는 것을 여러 가닥 다발로 묶으면 훨씬 강하다이러한 성질을 치
수효과라 한다 아래 Figure211은 함침된 장섬유가 균일하게 분포되어
있는 이상 인 PP-LGF의 Pellet를 보여 다
- 6 -
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
유리섬유의 기계 성질로 고려되어질 사항은 인장강도이다유리섬유
의 종류에 상 없이 섬유직경이 작을수록 인장강도가 크게 나타난다이
는 유리섬유의 표면 은 단 길이당 직경이 클수록 넓게되어 결함(flaw)
의 존재확률은 높아지며그것만큼 단의 기회가 많아져 평균치로서의
인장 강도는 작게 된다
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
하나의 요한 기계 성질은 단력이다사출시 배양된 유리섬유
의 구조들은 각기 다른 각도 방향에 한 자기보강효과가 생성되어 높은
단강도와 탄성률을 가진다Figure213은 이러한 성질의 장섬유 라
- 7 -
스틱의 FailureMechanism 구조를 보여주고 있다
Figure 213 Failure Mechanism of fiber-reinforced thermoplastics
Fig214215는 PP와 유리섬유(Glassfiber)를 함침한 실린더형태의
Pellet의 제품형태를 보여 다
Figure 214 Long glass fiber pellet material
- 8 -
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
- 9 -
212Densitycomparison
30 PP-LGF(유리장섬유 강화PP)의 도[gcm3]는 Steel은 785기
Table211에서와 같이 약 112인데 반해 Aluminum은 28의 수치를 나
타낸다따라서 Steel과의 약 7정도의 차이를 보인다따라서 단순히 기존
Steel제품과 같은 설계 디자인으로는 동일한 강성을 확보할 수는 없을
것이다
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
그러나 라스틱은 설계의 자유도가 Steel에 비해 아주 높으므로
Figure218에서와 같이 취약부에 국소 으로 두께를 늘리거나FEA해석
을 통해 최 형태의 강성Rib형상을 부여함으로써 이러한 강성문제를 보
완할 수 있는 것이다
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
- 10 -
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
- 11 -
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
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312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
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Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
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Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
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Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
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32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
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Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
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322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
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4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
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Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
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Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
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Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
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GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
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품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
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Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
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Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
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MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 1 -
1서 론
11연구배경
자동차 공업은 경량화와 원가 감 그리고 고기능성의 부여 에 지 효
율성 측면에서 라스틱 부품의 체가 실히 요구되어 왔고 그 체성
에 있어 기존의 주력소재인 철강(Steel)을 체하는 과정에서 라스틱이
주는 장 과 동시에 기능성과 물리 성질에 있어 기술 측면의 많은 도
을 받아왔다
이제 자동차공업에 있어 모듈화는 세계 로벌 선진기업들의 선결과제
로 그 변화의 물결 한가운데에 있다 해도 과언이 아닐 것이며국내 자동
차공업에 있어서도 분명한 개발축선 상에 있는 변화와 도 과제가 아닐
수 없는 것이다
기존에는 구성품들이 복잡한 기능을 가지지 않았으며 구성부품을 직
도어 임 안쪽 철 에 쉽게 장착 할 수 있었다그러나 최근 기능성과
안 성에 련된 추가부품인 ECU Controller 각종 Sensor등의 기능
이 추가되어 구조가 복잡해지고 그 수가 늘어감에 따라 완성차 업계는 이
모든 부품들을 효과 으로 In-Line에서 장착할 필요성을 느끼게 되었고
효과 인 안으로 시스템의 모듈화가 이루어졌다Table221은 모듈도
입 개념을 유럽과 한국을 비교하 다
- 2 -
구 분 유 럽 한 국
도입시기80년 생산성품질의 향상
작업자의 부담경감을 목표
2000년 원가 감작업성
품질향상신기술 용 목표
도입요인90년 부터는 노동Cost가 낮은
외주화를 통한 Cost 감 확
이미 70가 외주이며완성차
조립인건비신기술 용을 함
Cost 감
개념
고도의 부품 일체화를 통한
Cost 감
부품 일체화경쟁 구매를 통한
Cost삭감
모듈공장
배치
조립공장에 근 하여 동기생산에
의한 물류재고 최 화
토지사정이나 조립공장의 치에
한계부품의 형화로 창고가
필요하게 됨
품질 리
개념
품질 리의 간소화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 조달하는 부품의 품질 리를 실시)
조달책임조달책임의 명확화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 2차 부품 업체를 선정고장책임 등도 담당)
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
모듈화와 더불어 소재의 신 체 용에 의한 경량화의 추구 그리고
주요 부품의 물리 성질 기계 특성 등을 포함하여 기술 으로 극복
한 다양한 형태로 라스틱 소재의 개발 용이 가져다주는 에 지
효율성 등의 측면으로 보아도 자동차공업의 체소재 개발은 재 장
부품의 12～13 수 임을 감안할 때사실상 속의 체를 가능하게 한
- 3 -
고기능성 엔지니어링 라스틱 재료의 발 과 신 용개발로 이어지
는 자동차분야의 새로운 품질 신과 창조 개발활동은 진 인 추세이
다
생산 수가 연간 400만 로 세계 5 국의 상을 감안하면 로벌 경쟁시
의 시 에 선 우리산업의 체소재 개발의 실 인 상황은 뒤쳐 있
으며 라스틱 산업에서 보면 미국 듀폰독일의 Bayer Material
Science 랑스의 Rhodia( 롱 랑) 사우디의 Sabic( GEPlastics)
등의 세계 유수의 다국 기업들이 소재연구에서 컴 운딩 응용개발에 까
지 재 그 최선의 경쟁을 주도하고 있는 것도 사실이다
라스틱 소재의 발달로 경량화와 모듈화는 속공업을 근간으로 하는 철
강(Steel)이 기 재료인 자동차공업의 발 에 있어 경량화 추구와 생산성
에서 그리고 원가 감에 개선 이 크다 할 것이며이는 소재의 변화와
신이 가져다 수 있는 새로운 가치창조라고 할 수 있을 것이다
- 4 -
12연구내용 목
본 보고서에서는 유리 장섬유 복합소재는 자동차 구조용 부품의 핵심소
재로 떠오르고 있는 차세 열가소성 장섬유 복합소재를 이용하여 부품경
량화를 통한 원가 감과 연비향상부품의 통합화재활용성 향상을 이루
었고 CAE를 통한 사출성형 공정의 각 단계를 시뮬 이션을 통해 복잡한
성형의 최 모델링과 사출조건을FEA 구조 강성해석을 통한 기능
인 측면을 만족하는 모듈 시스템을 개발하 다
일본북미유럽의 자동차 사에서는 첨단 소재와 부품의 모듈화를 최우
선 개발 과제로 인식하여자동차의 구조용 부품에 활발히 용되고 있으
며 기술선 을 해 RampD를 집 하고 있어 국내 자동차사의 기술선 확
보가 매우 시 한 상황이다따라서 본 소재를 이용한 도어모듈 시스템의
개발은 국내 자동차사에서 의미 있는 것이라 하겠다
- 5 -
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
자동차 통합 모듈용 복합소재는 목표물성 구 을 통하여 제품 량을 최
소한 감소시키고충격강도굴곡 탄성률유동성을 동시에 향상시켜야 한
다 라스틱 에서도 특별히 기계 강도나 내열성 등이 우수하고 화학
middot물리 으로 혹독한 조건에서도 오랜 시간동안 물성이 변하지 않고 사
용할 수 있는 것으로 자동차나 비행기그 밖에 가 제품 등의 분야에서
속을 체할 수 있는 신소재가 여러 가지가 개발되어 있다
PP-LGF의 핵심기술 요소기술은 Base수지인 PP의 합을 통한 고
결정화 고유동화 기술 배합되는 고무나 무기 충진재를 미세 균일
분산 제어 시켜 모폴로지를 원하는 로 조 할 수 있는 배합 기술과 압
출 기술 등이 있다
211ReinforceGlassfiber(강화용 유리섬유)
유리섬유는 보통 장섬유(continuousfiber)와 단섬유(Shortfiber)로 분류
된다유리와 같은 취성재료는 작게 하거나 가늘게 하면 균열의 향이
작아져 단 면 당 강도가 커진다같은 단면 이라면 1가닥의 굵은 것
보다 가는 것을 여러 가닥 다발로 묶으면 훨씬 강하다이러한 성질을 치
수효과라 한다 아래 Figure211은 함침된 장섬유가 균일하게 분포되어
있는 이상 인 PP-LGF의 Pellet를 보여 다
- 6 -
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
유리섬유의 기계 성질로 고려되어질 사항은 인장강도이다유리섬유
의 종류에 상 없이 섬유직경이 작을수록 인장강도가 크게 나타난다이
는 유리섬유의 표면 은 단 길이당 직경이 클수록 넓게되어 결함(flaw)
의 존재확률은 높아지며그것만큼 단의 기회가 많아져 평균치로서의
인장 강도는 작게 된다
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
하나의 요한 기계 성질은 단력이다사출시 배양된 유리섬유
의 구조들은 각기 다른 각도 방향에 한 자기보강효과가 생성되어 높은
단강도와 탄성률을 가진다Figure213은 이러한 성질의 장섬유 라
- 7 -
스틱의 FailureMechanism 구조를 보여주고 있다
Figure 213 Failure Mechanism of fiber-reinforced thermoplastics
Fig214215는 PP와 유리섬유(Glassfiber)를 함침한 실린더형태의
Pellet의 제품형태를 보여 다
Figure 214 Long glass fiber pellet material
- 8 -
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
- 9 -
212Densitycomparison
30 PP-LGF(유리장섬유 강화PP)의 도[gcm3]는 Steel은 785기
Table211에서와 같이 약 112인데 반해 Aluminum은 28의 수치를 나
타낸다따라서 Steel과의 약 7정도의 차이를 보인다따라서 단순히 기존
Steel제품과 같은 설계 디자인으로는 동일한 강성을 확보할 수는 없을
것이다
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
그러나 라스틱은 설계의 자유도가 Steel에 비해 아주 높으므로
Figure218에서와 같이 취약부에 국소 으로 두께를 늘리거나FEA해석
을 통해 최 형태의 강성Rib형상을 부여함으로써 이러한 강성문제를 보
완할 수 있는 것이다
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
- 10 -
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
- 11 -
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 2 -
구 분 유 럽 한 국
도입시기80년 생산성품질의 향상
작업자의 부담경감을 목표
2000년 원가 감작업성
품질향상신기술 용 목표
도입요인90년 부터는 노동Cost가 낮은
외주화를 통한 Cost 감 확
이미 70가 외주이며완성차
조립인건비신기술 용을 함
Cost 감
개념
고도의 부품 일체화를 통한
Cost 감
부품 일체화경쟁 구매를 통한
Cost삭감
모듈공장
배치
조립공장에 근 하여 동기생산에
의한 물류재고 최 화
토지사정이나 조립공장의 치에
한계부품의 형화로 창고가
필요하게 됨
품질 리
개념
품질 리의 간소화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 조달하는 부품의 품질 리를 실시)
조달책임조달책임의 명확화 =모듈화
(1차 모듈 부품업체가 2차 부품 업체를 선정고장책임 등도 담당)
Table111모듈화의 도입 개념비교 (유럽 VS한국)
모듈화와 더불어 소재의 신 체 용에 의한 경량화의 추구 그리고
주요 부품의 물리 성질 기계 특성 등을 포함하여 기술 으로 극복
한 다양한 형태로 라스틱 소재의 개발 용이 가져다주는 에 지
효율성 등의 측면으로 보아도 자동차공업의 체소재 개발은 재 장
부품의 12～13 수 임을 감안할 때사실상 속의 체를 가능하게 한
- 3 -
고기능성 엔지니어링 라스틱 재료의 발 과 신 용개발로 이어지
는 자동차분야의 새로운 품질 신과 창조 개발활동은 진 인 추세이
다
생산 수가 연간 400만 로 세계 5 국의 상을 감안하면 로벌 경쟁시
의 시 에 선 우리산업의 체소재 개발의 실 인 상황은 뒤쳐 있
으며 라스틱 산업에서 보면 미국 듀폰독일의 Bayer Material
Science 랑스의 Rhodia( 롱 랑) 사우디의 Sabic( GEPlastics)
등의 세계 유수의 다국 기업들이 소재연구에서 컴 운딩 응용개발에 까
지 재 그 최선의 경쟁을 주도하고 있는 것도 사실이다
라스틱 소재의 발달로 경량화와 모듈화는 속공업을 근간으로 하는 철
강(Steel)이 기 재료인 자동차공업의 발 에 있어 경량화 추구와 생산성
에서 그리고 원가 감에 개선 이 크다 할 것이며이는 소재의 변화와
신이 가져다 수 있는 새로운 가치창조라고 할 수 있을 것이다
- 4 -
12연구내용 목
본 보고서에서는 유리 장섬유 복합소재는 자동차 구조용 부품의 핵심소
재로 떠오르고 있는 차세 열가소성 장섬유 복합소재를 이용하여 부품경
량화를 통한 원가 감과 연비향상부품의 통합화재활용성 향상을 이루
었고 CAE를 통한 사출성형 공정의 각 단계를 시뮬 이션을 통해 복잡한
성형의 최 모델링과 사출조건을FEA 구조 강성해석을 통한 기능
인 측면을 만족하는 모듈 시스템을 개발하 다
일본북미유럽의 자동차 사에서는 첨단 소재와 부품의 모듈화를 최우
선 개발 과제로 인식하여자동차의 구조용 부품에 활발히 용되고 있으
며 기술선 을 해 RampD를 집 하고 있어 국내 자동차사의 기술선 확
보가 매우 시 한 상황이다따라서 본 소재를 이용한 도어모듈 시스템의
개발은 국내 자동차사에서 의미 있는 것이라 하겠다
- 5 -
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
자동차 통합 모듈용 복합소재는 목표물성 구 을 통하여 제품 량을 최
소한 감소시키고충격강도굴곡 탄성률유동성을 동시에 향상시켜야 한
다 라스틱 에서도 특별히 기계 강도나 내열성 등이 우수하고 화학
middot물리 으로 혹독한 조건에서도 오랜 시간동안 물성이 변하지 않고 사
용할 수 있는 것으로 자동차나 비행기그 밖에 가 제품 등의 분야에서
속을 체할 수 있는 신소재가 여러 가지가 개발되어 있다
PP-LGF의 핵심기술 요소기술은 Base수지인 PP의 합을 통한 고
결정화 고유동화 기술 배합되는 고무나 무기 충진재를 미세 균일
분산 제어 시켜 모폴로지를 원하는 로 조 할 수 있는 배합 기술과 압
출 기술 등이 있다
211ReinforceGlassfiber(강화용 유리섬유)
유리섬유는 보통 장섬유(continuousfiber)와 단섬유(Shortfiber)로 분류
된다유리와 같은 취성재료는 작게 하거나 가늘게 하면 균열의 향이
작아져 단 면 당 강도가 커진다같은 단면 이라면 1가닥의 굵은 것
보다 가는 것을 여러 가닥 다발로 묶으면 훨씬 강하다이러한 성질을 치
수효과라 한다 아래 Figure211은 함침된 장섬유가 균일하게 분포되어
있는 이상 인 PP-LGF의 Pellet를 보여 다
- 6 -
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
유리섬유의 기계 성질로 고려되어질 사항은 인장강도이다유리섬유
의 종류에 상 없이 섬유직경이 작을수록 인장강도가 크게 나타난다이
는 유리섬유의 표면 은 단 길이당 직경이 클수록 넓게되어 결함(flaw)
의 존재확률은 높아지며그것만큼 단의 기회가 많아져 평균치로서의
인장 강도는 작게 된다
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
하나의 요한 기계 성질은 단력이다사출시 배양된 유리섬유
의 구조들은 각기 다른 각도 방향에 한 자기보강효과가 생성되어 높은
단강도와 탄성률을 가진다Figure213은 이러한 성질의 장섬유 라
- 7 -
스틱의 FailureMechanism 구조를 보여주고 있다
Figure 213 Failure Mechanism of fiber-reinforced thermoplastics
Fig214215는 PP와 유리섬유(Glassfiber)를 함침한 실린더형태의
Pellet의 제품형태를 보여 다
Figure 214 Long glass fiber pellet material
- 8 -
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
- 9 -
212Densitycomparison
30 PP-LGF(유리장섬유 강화PP)의 도[gcm3]는 Steel은 785기
Table211에서와 같이 약 112인데 반해 Aluminum은 28의 수치를 나
타낸다따라서 Steel과의 약 7정도의 차이를 보인다따라서 단순히 기존
Steel제품과 같은 설계 디자인으로는 동일한 강성을 확보할 수는 없을
것이다
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
그러나 라스틱은 설계의 자유도가 Steel에 비해 아주 높으므로
Figure218에서와 같이 취약부에 국소 으로 두께를 늘리거나FEA해석
을 통해 최 형태의 강성Rib형상을 부여함으로써 이러한 강성문제를 보
완할 수 있는 것이다
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
- 10 -
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
- 11 -
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
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244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
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312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
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23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
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32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
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322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
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4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
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Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
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GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
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Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
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Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 3 -
고기능성 엔지니어링 라스틱 재료의 발 과 신 용개발로 이어지
는 자동차분야의 새로운 품질 신과 창조 개발활동은 진 인 추세이
다
생산 수가 연간 400만 로 세계 5 국의 상을 감안하면 로벌 경쟁시
의 시 에 선 우리산업의 체소재 개발의 실 인 상황은 뒤쳐 있
으며 라스틱 산업에서 보면 미국 듀폰독일의 Bayer Material
Science 랑스의 Rhodia( 롱 랑) 사우디의 Sabic( GEPlastics)
등의 세계 유수의 다국 기업들이 소재연구에서 컴 운딩 응용개발에 까
지 재 그 최선의 경쟁을 주도하고 있는 것도 사실이다
라스틱 소재의 발달로 경량화와 모듈화는 속공업을 근간으로 하는 철
강(Steel)이 기 재료인 자동차공업의 발 에 있어 경량화 추구와 생산성
에서 그리고 원가 감에 개선 이 크다 할 것이며이는 소재의 변화와
신이 가져다 수 있는 새로운 가치창조라고 할 수 있을 것이다
- 4 -
12연구내용 목
본 보고서에서는 유리 장섬유 복합소재는 자동차 구조용 부품의 핵심소
재로 떠오르고 있는 차세 열가소성 장섬유 복합소재를 이용하여 부품경
량화를 통한 원가 감과 연비향상부품의 통합화재활용성 향상을 이루
었고 CAE를 통한 사출성형 공정의 각 단계를 시뮬 이션을 통해 복잡한
성형의 최 모델링과 사출조건을FEA 구조 강성해석을 통한 기능
인 측면을 만족하는 모듈 시스템을 개발하 다
일본북미유럽의 자동차 사에서는 첨단 소재와 부품의 모듈화를 최우
선 개발 과제로 인식하여자동차의 구조용 부품에 활발히 용되고 있으
며 기술선 을 해 RampD를 집 하고 있어 국내 자동차사의 기술선 확
보가 매우 시 한 상황이다따라서 본 소재를 이용한 도어모듈 시스템의
개발은 국내 자동차사에서 의미 있는 것이라 하겠다
- 5 -
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
자동차 통합 모듈용 복합소재는 목표물성 구 을 통하여 제품 량을 최
소한 감소시키고충격강도굴곡 탄성률유동성을 동시에 향상시켜야 한
다 라스틱 에서도 특별히 기계 강도나 내열성 등이 우수하고 화학
middot물리 으로 혹독한 조건에서도 오랜 시간동안 물성이 변하지 않고 사
용할 수 있는 것으로 자동차나 비행기그 밖에 가 제품 등의 분야에서
속을 체할 수 있는 신소재가 여러 가지가 개발되어 있다
PP-LGF의 핵심기술 요소기술은 Base수지인 PP의 합을 통한 고
결정화 고유동화 기술 배합되는 고무나 무기 충진재를 미세 균일
분산 제어 시켜 모폴로지를 원하는 로 조 할 수 있는 배합 기술과 압
출 기술 등이 있다
211ReinforceGlassfiber(강화용 유리섬유)
유리섬유는 보통 장섬유(continuousfiber)와 단섬유(Shortfiber)로 분류
된다유리와 같은 취성재료는 작게 하거나 가늘게 하면 균열의 향이
작아져 단 면 당 강도가 커진다같은 단면 이라면 1가닥의 굵은 것
보다 가는 것을 여러 가닥 다발로 묶으면 훨씬 강하다이러한 성질을 치
수효과라 한다 아래 Figure211은 함침된 장섬유가 균일하게 분포되어
있는 이상 인 PP-LGF의 Pellet를 보여 다
- 6 -
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
유리섬유의 기계 성질로 고려되어질 사항은 인장강도이다유리섬유
의 종류에 상 없이 섬유직경이 작을수록 인장강도가 크게 나타난다이
는 유리섬유의 표면 은 단 길이당 직경이 클수록 넓게되어 결함(flaw)
의 존재확률은 높아지며그것만큼 단의 기회가 많아져 평균치로서의
인장 강도는 작게 된다
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
하나의 요한 기계 성질은 단력이다사출시 배양된 유리섬유
의 구조들은 각기 다른 각도 방향에 한 자기보강효과가 생성되어 높은
단강도와 탄성률을 가진다Figure213은 이러한 성질의 장섬유 라
- 7 -
스틱의 FailureMechanism 구조를 보여주고 있다
Figure 213 Failure Mechanism of fiber-reinforced thermoplastics
Fig214215는 PP와 유리섬유(Glassfiber)를 함침한 실린더형태의
Pellet의 제품형태를 보여 다
Figure 214 Long glass fiber pellet material
- 8 -
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
- 9 -
212Densitycomparison
30 PP-LGF(유리장섬유 강화PP)의 도[gcm3]는 Steel은 785기
Table211에서와 같이 약 112인데 반해 Aluminum은 28의 수치를 나
타낸다따라서 Steel과의 약 7정도의 차이를 보인다따라서 단순히 기존
Steel제품과 같은 설계 디자인으로는 동일한 강성을 확보할 수는 없을
것이다
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
그러나 라스틱은 설계의 자유도가 Steel에 비해 아주 높으므로
Figure218에서와 같이 취약부에 국소 으로 두께를 늘리거나FEA해석
을 통해 최 형태의 강성Rib형상을 부여함으로써 이러한 강성문제를 보
완할 수 있는 것이다
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
- 10 -
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
- 11 -
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
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Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
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322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
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4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
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Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
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Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
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GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
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품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
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Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
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Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
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43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 4 -
12연구내용 목
본 보고서에서는 유리 장섬유 복합소재는 자동차 구조용 부품의 핵심소
재로 떠오르고 있는 차세 열가소성 장섬유 복합소재를 이용하여 부품경
량화를 통한 원가 감과 연비향상부품의 통합화재활용성 향상을 이루
었고 CAE를 통한 사출성형 공정의 각 단계를 시뮬 이션을 통해 복잡한
성형의 최 모델링과 사출조건을FEA 구조 강성해석을 통한 기능
인 측면을 만족하는 모듈 시스템을 개발하 다
일본북미유럽의 자동차 사에서는 첨단 소재와 부품의 모듈화를 최우
선 개발 과제로 인식하여자동차의 구조용 부품에 활발히 용되고 있으
며 기술선 을 해 RampD를 집 하고 있어 국내 자동차사의 기술선 확
보가 매우 시 한 상황이다따라서 본 소재를 이용한 도어모듈 시스템의
개발은 국내 자동차사에서 의미 있는 것이라 하겠다
- 5 -
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
자동차 통합 모듈용 복합소재는 목표물성 구 을 통하여 제품 량을 최
소한 감소시키고충격강도굴곡 탄성률유동성을 동시에 향상시켜야 한
다 라스틱 에서도 특별히 기계 강도나 내열성 등이 우수하고 화학
middot물리 으로 혹독한 조건에서도 오랜 시간동안 물성이 변하지 않고 사
용할 수 있는 것으로 자동차나 비행기그 밖에 가 제품 등의 분야에서
속을 체할 수 있는 신소재가 여러 가지가 개발되어 있다
PP-LGF의 핵심기술 요소기술은 Base수지인 PP의 합을 통한 고
결정화 고유동화 기술 배합되는 고무나 무기 충진재를 미세 균일
분산 제어 시켜 모폴로지를 원하는 로 조 할 수 있는 배합 기술과 압
출 기술 등이 있다
211ReinforceGlassfiber(강화용 유리섬유)
유리섬유는 보통 장섬유(continuousfiber)와 단섬유(Shortfiber)로 분류
된다유리와 같은 취성재료는 작게 하거나 가늘게 하면 균열의 향이
작아져 단 면 당 강도가 커진다같은 단면 이라면 1가닥의 굵은 것
보다 가는 것을 여러 가닥 다발로 묶으면 훨씬 강하다이러한 성질을 치
수효과라 한다 아래 Figure211은 함침된 장섬유가 균일하게 분포되어
있는 이상 인 PP-LGF의 Pellet를 보여 다
- 6 -
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
유리섬유의 기계 성질로 고려되어질 사항은 인장강도이다유리섬유
의 종류에 상 없이 섬유직경이 작을수록 인장강도가 크게 나타난다이
는 유리섬유의 표면 은 단 길이당 직경이 클수록 넓게되어 결함(flaw)
의 존재확률은 높아지며그것만큼 단의 기회가 많아져 평균치로서의
인장 강도는 작게 된다
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
하나의 요한 기계 성질은 단력이다사출시 배양된 유리섬유
의 구조들은 각기 다른 각도 방향에 한 자기보강효과가 생성되어 높은
단강도와 탄성률을 가진다Figure213은 이러한 성질의 장섬유 라
- 7 -
스틱의 FailureMechanism 구조를 보여주고 있다
Figure 213 Failure Mechanism of fiber-reinforced thermoplastics
Fig214215는 PP와 유리섬유(Glassfiber)를 함침한 실린더형태의
Pellet의 제품형태를 보여 다
Figure 214 Long glass fiber pellet material
- 8 -
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
- 9 -
212Densitycomparison
30 PP-LGF(유리장섬유 강화PP)의 도[gcm3]는 Steel은 785기
Table211에서와 같이 약 112인데 반해 Aluminum은 28의 수치를 나
타낸다따라서 Steel과의 약 7정도의 차이를 보인다따라서 단순히 기존
Steel제품과 같은 설계 디자인으로는 동일한 강성을 확보할 수는 없을
것이다
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
그러나 라스틱은 설계의 자유도가 Steel에 비해 아주 높으므로
Figure218에서와 같이 취약부에 국소 으로 두께를 늘리거나FEA해석
을 통해 최 형태의 강성Rib형상을 부여함으로써 이러한 강성문제를 보
완할 수 있는 것이다
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
- 10 -
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
- 11 -
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
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GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 5 -
2이론 배경
21PP-LGFMaterialCharacteristicsforEngineering
자동차 통합 모듈용 복합소재는 목표물성 구 을 통하여 제품 량을 최
소한 감소시키고충격강도굴곡 탄성률유동성을 동시에 향상시켜야 한
다 라스틱 에서도 특별히 기계 강도나 내열성 등이 우수하고 화학
middot물리 으로 혹독한 조건에서도 오랜 시간동안 물성이 변하지 않고 사
용할 수 있는 것으로 자동차나 비행기그 밖에 가 제품 등의 분야에서
속을 체할 수 있는 신소재가 여러 가지가 개발되어 있다
PP-LGF의 핵심기술 요소기술은 Base수지인 PP의 합을 통한 고
결정화 고유동화 기술 배합되는 고무나 무기 충진재를 미세 균일
분산 제어 시켜 모폴로지를 원하는 로 조 할 수 있는 배합 기술과 압
출 기술 등이 있다
211ReinforceGlassfiber(강화용 유리섬유)
유리섬유는 보통 장섬유(continuousfiber)와 단섬유(Shortfiber)로 분류
된다유리와 같은 취성재료는 작게 하거나 가늘게 하면 균열의 향이
작아져 단 면 당 강도가 커진다같은 단면 이라면 1가닥의 굵은 것
보다 가는 것을 여러 가닥 다발로 묶으면 훨씬 강하다이러한 성질을 치
수효과라 한다 아래 Figure211은 함침된 장섬유가 균일하게 분포되어
있는 이상 인 PP-LGF의 Pellet를 보여 다
- 6 -
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
유리섬유의 기계 성질로 고려되어질 사항은 인장강도이다유리섬유
의 종류에 상 없이 섬유직경이 작을수록 인장강도가 크게 나타난다이
는 유리섬유의 표면 은 단 길이당 직경이 클수록 넓게되어 결함(flaw)
의 존재확률은 높아지며그것만큼 단의 기회가 많아져 평균치로서의
인장 강도는 작게 된다
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
하나의 요한 기계 성질은 단력이다사출시 배양된 유리섬유
의 구조들은 각기 다른 각도 방향에 한 자기보강효과가 생성되어 높은
단강도와 탄성률을 가진다Figure213은 이러한 성질의 장섬유 라
- 7 -
스틱의 FailureMechanism 구조를 보여주고 있다
Figure 213 Failure Mechanism of fiber-reinforced thermoplastics
Fig214215는 PP와 유리섬유(Glassfiber)를 함침한 실린더형태의
Pellet의 제품형태를 보여 다
Figure 214 Long glass fiber pellet material
- 8 -
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
- 9 -
212Densitycomparison
30 PP-LGF(유리장섬유 강화PP)의 도[gcm3]는 Steel은 785기
Table211에서와 같이 약 112인데 반해 Aluminum은 28의 수치를 나
타낸다따라서 Steel과의 약 7정도의 차이를 보인다따라서 단순히 기존
Steel제품과 같은 설계 디자인으로는 동일한 강성을 확보할 수는 없을
것이다
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
그러나 라스틱은 설계의 자유도가 Steel에 비해 아주 높으므로
Figure218에서와 같이 취약부에 국소 으로 두께를 늘리거나FEA해석
을 통해 최 형태의 강성Rib형상을 부여함으로써 이러한 강성문제를 보
완할 수 있는 것이다
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
- 10 -
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
- 11 -
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 6 -
Figure211HighQualityofImpregnationresultsinafiberdistribution
유리섬유의 기계 성질로 고려되어질 사항은 인장강도이다유리섬유
의 종류에 상 없이 섬유직경이 작을수록 인장강도가 크게 나타난다이
는 유리섬유의 표면 은 단 길이당 직경이 클수록 넓게되어 결함(flaw)
의 존재확률은 높아지며그것만큼 단의 기회가 많아져 평균치로서의
인장 강도는 작게 된다
Figure212인장강도 와 유리섬유 직경온도와의 계
하나의 요한 기계 성질은 단력이다사출시 배양된 유리섬유
의 구조들은 각기 다른 각도 방향에 한 자기보강효과가 생성되어 높은
단강도와 탄성률을 가진다Figure213은 이러한 성질의 장섬유 라
- 7 -
스틱의 FailureMechanism 구조를 보여주고 있다
Figure 213 Failure Mechanism of fiber-reinforced thermoplastics
Fig214215는 PP와 유리섬유(Glassfiber)를 함침한 실린더형태의
Pellet의 제품형태를 보여 다
Figure 214 Long glass fiber pellet material
- 8 -
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
- 9 -
212Densitycomparison
30 PP-LGF(유리장섬유 강화PP)의 도[gcm3]는 Steel은 785기
Table211에서와 같이 약 112인데 반해 Aluminum은 28의 수치를 나
타낸다따라서 Steel과의 약 7정도의 차이를 보인다따라서 단순히 기존
Steel제품과 같은 설계 디자인으로는 동일한 강성을 확보할 수는 없을
것이다
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
그러나 라스틱은 설계의 자유도가 Steel에 비해 아주 높으므로
Figure218에서와 같이 취약부에 국소 으로 두께를 늘리거나FEA해석
을 통해 최 형태의 강성Rib형상을 부여함으로써 이러한 강성문제를 보
완할 수 있는 것이다
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
- 10 -
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
- 11 -
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 7 -
스틱의 FailureMechanism 구조를 보여주고 있다
Figure 213 Failure Mechanism of fiber-reinforced thermoplastics
Fig214215는 PP와 유리섬유(Glassfiber)를 함침한 실린더형태의
Pellet의 제품형태를 보여 다
Figure 214 Long glass fiber pellet material
- 8 -
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
- 9 -
212Densitycomparison
30 PP-LGF(유리장섬유 강화PP)의 도[gcm3]는 Steel은 785기
Table211에서와 같이 약 112인데 반해 Aluminum은 28의 수치를 나
타낸다따라서 Steel과의 약 7정도의 차이를 보인다따라서 단순히 기존
Steel제품과 같은 설계 디자인으로는 동일한 강성을 확보할 수는 없을
것이다
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
그러나 라스틱은 설계의 자유도가 Steel에 비해 아주 높으므로
Figure218에서와 같이 취약부에 국소 으로 두께를 늘리거나FEA해석
을 통해 최 형태의 강성Rib형상을 부여함으로써 이러한 강성문제를 보
완할 수 있는 것이다
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
- 10 -
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
- 11 -
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 8 -
Figure215DevelopmentLFTPallet(StarmaxPPAutomotiveSubsidary)
- 9 -
212Densitycomparison
30 PP-LGF(유리장섬유 강화PP)의 도[gcm3]는 Steel은 785기
Table211에서와 같이 약 112인데 반해 Aluminum은 28의 수치를 나
타낸다따라서 Steel과의 약 7정도의 차이를 보인다따라서 단순히 기존
Steel제품과 같은 설계 디자인으로는 동일한 강성을 확보할 수는 없을
것이다
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
그러나 라스틱은 설계의 자유도가 Steel에 비해 아주 높으므로
Figure218에서와 같이 취약부에 국소 으로 두께를 늘리거나FEA해석
을 통해 최 형태의 강성Rib형상을 부여함으로써 이러한 강성문제를 보
완할 수 있는 것이다
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
- 10 -
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
- 11 -
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
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23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
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12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 9 -
212Densitycomparison
30 PP-LGF(유리장섬유 강화PP)의 도[gcm3]는 Steel은 785기
Table211에서와 같이 약 112인데 반해 Aluminum은 28의 수치를 나
타낸다따라서 Steel과의 약 7정도의 차이를 보인다따라서 단순히 기존
Steel제품과 같은 설계 디자인으로는 동일한 강성을 확보할 수는 없을
것이다
Figure217Densitycomparison(Ticona社 celstranPP-LGF)
그러나 라스틱은 설계의 자유도가 Steel에 비해 아주 높으므로
Figure218에서와 같이 취약부에 국소 으로 두께를 늘리거나FEA해석
을 통해 최 형태의 강성Rib형상을 부여함으로써 이러한 강성문제를 보
완할 수 있는 것이다
Figure218FEAAnalysisstrengthdesignPulleyarea(ArvinMeritor社)
- 10 -
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
- 11 -
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 10 -
213InfluenceofthefiberlengthforPP-GF
PP-GF(유리 섬유 강화PP)는 함침된 섬유길이가 사출시 제품에 배양되
어 나타나는 길이가 길수록 인장강도와 단력은 상승하여 기계 인 성질
에 부합하게 된다
다음 지배 방정식으로 함침된 유리섬유 임계 길이에 따른 인장강도와
단력의 계를 나타낼 수 있다
섬유길이는 자동차 부품의 요한 요구 성능인 충격강도강도경도에
향을 미친다고 할 수 있다
- 11 -
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
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322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 11 -
Figure219StiffnessStrength-Effectofthefiberlength
Figure2110InfluenceofthefiberlengthforImpactpenetrationenergy
Table219와 2110에 따르면 일반 인 사출 조건의 모듈용 장섬유
(continuousfiber)가 나타내는 기계 인 특성은 일반 인 모듈 소재의 물
성치에 부합한다고 할 수 있다
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 12 -
214PP-LGFapplicationforAutomotiveparts
Figure2111ExamplesforPP-LGFapplicationpossibilities
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 13 -
22PerformancerequirementsforDoorModule
차량용 모듈에 합한 속 체 소재의 요구 성능은 에서 언 한 고
온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도 기본 인 복합소재의 성능
이외에도 자동차의 모듈 부품용 그 이드는 각 社의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 최 화된 다음과 같은 특성을 만족해야 한다
221BasicPerformanceforEngineering
(1)장기 내열 노화 내구 성능
자동차용 모듈 소재는 시간과 온도에 변화에 따른 내구성 시험과 환경
시험은 부식 혹은 물성변화에 따른 성능 하를 만족해야 한다Table
221은 도어 모듈용으로 개발된 PP-LGF소재의 성능 유지율을 나타낸 것
이며 고온에서 만족할 만한 성능이 나오는 것을 확인 할 수 있다
Figure221도어 모듈 부품용 PP-LGFSUPRAN1340E(삼박LFT社)
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
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GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 14 -
(2)치수 안정성
Table222에 따르면 사출 시 수지흐름에 따른 배향특성을 가지며 유
리섬유의 구조에 따라 제품의 치수안정성이 결정됨을 알 수 있다
Figure222수지함량에 따른 섬유 배향특성 (삼박LFT社)
Figure223수지함량에 따른 섬유 배향특성(삼박LFT社)
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 15 -
(3)내 크리 (Creep)성능
Figure224장섬유 강화 PP의 크리 감쇄특성 (Ticona社 LGF)
222PP-LGFofferPracticaladvantagesforDoormodule
(1)Weightsaving( 량 감 효과)
최근 자동차 업계는 연비효율 향상과 배기가스의 환경 기 에 따른 차
량의 량 감이 이슈화 되고 있다기능성 부품들에 해서도 라스틱
의 속 체가 진행되고 있다 라스틱의 경도와 인장강도 등 물성 고
도화가 지속되면서 부품의 정두께(Thickness)도 지속 으로 변화해
량 감 효과는 극 화되고 있다
일반 인 도어모듈 시스템에서 Steel모듈 넬의 두께는 08mm이며
PP-LGF로 제작한 넬은 20mm 두께를 가진다고 가정하면 량은 약
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 16 -
H社 형 차량기 Steelmoduleplate Plasticmoduleplate
FrontDoorLHRH 1784g1784g 1103g1103g
RearDoorLHRH 1292g1292g 799g799g
량 감( 당) 2348g
구 분 Steel Plastic
비 1784g1784g 1103g1103g
두 께 1292g1292g 799g799g
Rib추가 부품일체화에
의한 두께 반 률()- 최 30
량 6152g 3804g
량 감 효과 약 38 감 (≒ 24Kg)
50 감소를 상 할 수 있으며국내 4도어 소형 차량 한 를 기 으
로 약 4kg정도의 량 감소를 가져온다
Table221은 국내 H社의 4도어 형 차종을 기 으로 모듈 넬을
Steel에서 Plasticmodule로 변경하여 개발 시 량 감효과를 분석하여
나타낸 것이다 라스틱 넬을 용함에 있어 강성을 확보하기 한 Rib
부품의 통합 일체화(Integration)에 따른 두께 반 률()을 고려하면
약 38의 량 감 효과가 있는 것으로 나타났다
Table221Plasticmodule 량 감 효과
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
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- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 17 -
(3)Acousticbehaviour(소음 진동특성 향상)
소비자가 제품을 구매할 때 가격성능 뿐 아니라 감성 인 만족감까지
고려하는 것은 일반화된 상이다요즘 세계 자동차 업계는 lsquo감성품질(感
性品質)rsquo을 높이는 데 사활을 걸고 있다차량들의 기계 인 성능이 비슷
해지면서감성품질은 자동차 외부 디자인과 뿐만 아니라 작동 부품의 소
음 진동 특성이 더욱 향상된 제품을 요구하고 있다
Figure225226227은 Frequencyspectrum은 PP-LGF를 이용한
Plasticdoormodule의 재질 특성상 Steel 비 매우 우수한 진동흡수 특
성을 가지므로 차량의 진동모드Doorwindow regulatormotor의 작동
소음 Speaker의 진동에 따른 노이즈 감쇠효과가 있는 것을 보여 다
Figure 225 Expected acoustical behavior of Plastic door module
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 18 -
Figure 226 Comparison of door slam noise
Figure 227 Comparison of NVH-Performance
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
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- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 19 -
23DoorModuleofferPracticaladvantages
231SteelDoormodule
통 으로 차량 구조용 소재는 강성 과 원자재 단가가 상 으로 유
리한 철 을 사용해 왔다도어 모듈의 구성부품으로 모듈 철 에 도어의
승강기능 부품인 Window RegulatorLocking기능부품인 LatchSystem
Inside HandleSpeaker system 등을 집 용하여 도어 Moving
Mechanism Parts의 품질을 모듈화를 통한 근본 확보를 목 으로 한다
Figure231VW GolfA4Sheetmetaldoormodule(ArvinMeritor社)
232PlasticDoormodule
자동차용 모듈에 라스틱 소재를 쓰는 이유 의 하나는 모듈에 부착
되는 많은 종유의 부품들을 통합하여 일체형 설계가 가능한 설계의 자유
도에 있다Figure221은 ArvinMeritor社의 Plasticdoormodulesystem
을 보여주는데 Drum Housing Speaker mounting Wire harness
retentionfeaturesArm restInsidehandlemounting들의 부품이 통합
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
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- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 20 -
되어 일체화 설계(IntegrationDesign)를 이루었다
Figure232FunctionalIntegration(ArvinMeritor社)
이와 같이 모듈 넬을 Steel에서 Plastic재질로 변경할 경우부품 일
체화 설계를 통한 량 감부품수의 감 기능의 통합공정의 단순
화로 인한 조립시간의 단축 등의 효과가 있다
Figure233ReplacementmetaltoPlasticmodulePanel(ArvinMeritor社)
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 21 -
24InjectionMoldingforPlasticDoorModule
241InjectionMoldingProcess
사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복 으로 거쳐 복
잡한 형상을 가진 사출성형물의 량 생산에 합한 제조 기술이다
① 충 과정 (Fillingstage)
형이 닫혔을 때 생기는 형 캐비 티에 높은 온도의 용융 라스틱을
사출하여 채우는 과정이다이 과정 에도 낮은 온도의 형에 닫게 되
는 라스틱은 고화되고 캐비티의 앙 부분에는 높은 온도의 용융 라
스틱으로 남게 된다
② 보압 과정 (Packingstage)
형 안에 있는 높은 온도의 라스틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때
문에 이러한 수축으로 인한 형상정 도의 하를 방지하기 하여 충 이
끝난 후에 높은 압력으로 상당한 시간동안 라스틱을 더 보충하도록 유
동을 유도한다이러한 보압 과정에 형으로 흘러 들어간 라스틱에 의
해 형상정 도를 높일 수 있게 된다
③ 냉각 과정 (Coolingstage)
아직 높은 온도의 라스틱이 그 로 형에서 꺼내어지면 형상이 변하
게 되므로 일정온도 이하로 냉각한 후에 취출해야 한다따라서 냉각과정
이 상당한 시간 유지되어야 한다이러한 냉각과정은 반복 인 사이클
공정시간 의 80이상 차지하게 되는 경우가 많다
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 22 -
④ 이형 과정 (Ejectionstage)
이동 형부가 후진하여 형이 열리고 형으로부터 사출성형물을 꺼내
게 된다이때 스크류는 회 하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한
라스틱 펠렛을 압출기 베 에 장진하며 용융시키게 된다
이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간에
따라 도식 으로 표시하면 Figure211과 같다
Figure 241 사 공정 Cycle
사출성형시스템은 사출시스템 형시스템유압시스템형체시스템제
어시스템의 조합이라고 할 수 있다
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 23 -
242사출 시스템 (TheInjectionSystem)
사출 시스템은 Fig41에서 보는 바와 같이 호퍼왕복 스크류 배
럴로 구성되어 있다이 시스템은 이송압축가스 제거용융 사출 과
정 등을 거치면서 라스틱을 제한하고 달한다
① 호퍼 (TheHopper)
열가소성 재료는 작은 펠렛(Pellet)형태로 성형자에게 제공된다사출
성형기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해
배럴과 스크류 조합으로 력에 의해 이송된다
② 배럴 (TheBarrel)
사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다이는 기
히터 밴드에 의해 가열된다
③ 용 스크류 (TheReciprocatingScrew)
스크류는 재료를 압축하고녹이고이송하는데 사용된다왕복 스크류
는 세 가지 역으로 (Fig43에서 설명하는 바와 같이)구성 된다
Figure 242 복 스크류에 고체 이 압 유체 이 역을 보여준다
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 24 -
고체 이송 역 (thefeedingzone)
압축 역 (thecompressionortransitionzone)
유체 이송 역 (themeltingzone)
스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만왕복 스크류에 있는 날개
의 깊이가 고체 이송 역에서 유체 이송 역의 시작 까지 감소한다
이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데이는 마찰열을 발
생시킨다이 마찰열은 주로 재료를 녹이는데 사용된다배럴 바깥쪽의 히
터 밴드는 재료가 용융 상태로 유지되는 것을 도와 다
장섬유 강화PP의 섬유길이는 사출공정에서 손실이 발생하게 되는데특
히 스크류의 이송으로 격히 감소하게 된다Figure211은 사출공정에
서 발생하는 유리섬유의 손실률()을 나타낸다
Figure243Fiberlengthde-gradatiacuteoninpercent
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 25 -
표 사출 유닛과 스크류는 유리에 손상 Shear( 단)를 주고 범 한
섬유 괴를 일으키며 결과 으로 섬유 길이가 더 짧아지고기계 속성
이 더 낮아지게 된다표 사출 스의 장섬유 Pellet으로 만들어진 부
분의 섬유 길이는 형 으로 보통 2내지 3 리미터이다
따라서 사출과정에서 섬유길이를 유지하고 제품의 물성치를 보장할 수
있는 용 스크류가 필요하다Figure는 LongGlassFiber 용 스크류
의 이다
Figure244Screw designforPP-LGF(Ticona社 Celstranmaterials)
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
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Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 26 -
④ 노즐 (THENOZZLE)
노즐은 배럴을 형의 스크류 부싱에 연결하며 배럴과 형 사이의
폐를 형성한다노즐의 온도는 재료 공 자의 추천 값에 좌우되는 재료의
용융 온도 는 조 낮은 온도로 고정되어야 한다
배럴이 완 히 앞쪽의 공정 치에 있을 때Fig44의 (a)에서 보는
바와 같이 노즐의 반경은 로 이 링과 함께 스 루 부싱에 있는 오목
반경과 포개져서 폐되어져야 한다Fig44의 (b)에서 보는 바와 배럴
의 퍼징 동안 배럴은 스 루로부터 뒤로 빠져 나와퍼징을 하여 혼합
물과 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다
Figure245(a)공정 치에서의 배럴과 노즐 (b)퍼징을 하여 뒤로 빠져나온
배럴과 노즐
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
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- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 27 -
243 형 시스템 (Moldsystem)
사출 형 시스템은 Fig45에서 보는 바와 같이 캐비티스크류
러 시스템을 지지하는 성형 취출핀그리고 냉각수로뿐만 아니라 타
이 바이동 고정 으로 이루어져 있다사출 형은 기본 으로 용
융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형태와 상세 치수로
고화시키는 열교환기의 역할도 한다
사출 형 시스템은 일반 으로 공구강으로 만들어진 평 과 형 의
조립체이다고정 은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타이 바에 의해
이동 과 연결되어 있다 비티 은 일반 으로 고정 에 붙어있어 사출
노즐을 지지한다코아 은 타이 바에 의해 이동 에 연결되어 있다종종
비티 이 이동 에 붙어있고 코아 과 유압 취출 제거시스템이 고정
에 붙어있는 외도 있다
① 이단 형 (TWO-PLATEMOLD)
형의 부분이 기본 으로는 다음의 Fig46에서 보는 바와 같이 두
개의 으로 이루어져 있다
Figure 246 이단금 시스템
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 28 -
이러한 유형의 형은 형 으로 캐비티와 같은 형 에 러 를 가지
고 제품의 테두리나 그 주 에 게이트가 있는 제품에 사용된다
② 삼단 형 (THREE-PLATEMOLD)
삼단 형은 형 으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는
제품에 하여 사용된다러 는 두 사이에 있는데 다음의 Fig47에
서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다
Figure 247 삼단금 시스템
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 29 -
244ProcessingConditionforPP-LGF(장섬유 사출성형공정 인자)
장섬유의 사출의 최 조건은 아래 Figure211에서와 같이 섬유길이를
최 한 길게 가져가면서 여러 공정인자들을 등을 최 화하는데 있다
Figure248장섬유 사출성형 인자들의 최 화 (Ticona社 Celstranmaterials)
① 사출압력 (Injectionpressure)
압력은 용융 수지의 항을 극복하게 하는 구동력인데이는 고분자를
형 캐비티를 충 하고 패킹할 수 있게끔 어 다사출압력이 크면 사
출 유량이 크게 된다한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다그
러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로 주의를
요한다
② 사출유량 (Injectionvolumeflow rate)
사출유량이 무 작으면 냉각이 빨리 진행되어 미 충 이 생기거나 과
도한 사출압력을 요하게 될 수 있다사출유량이 무 커도 유동 항을
이기기 해서 높은 사출압력이 요구된다따라서 한 사출유량이 존
재하게 된다
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
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Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
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GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
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품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
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사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 30 -
③ 형온도 (Moldtemperature)
냉각수의 흐름을 이용하여 형의 온도를 한 수 으로 낮게 유지해
야 높은 온도의 용융 라스틱을 냉각고화시켜 성형제품을 변형 없이
형으로부터 취출할 수 있게 된다 형의 균일한 온도 한 사출품의
변형을 방지하기 해 요하다이를 해서 한 형의 냉각시스템
을 설계하여야 한다
④ 사출온도 (Melttemperature)
용융 라스틱의 온도를 하게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야
하고 라스틱의 종류에 따라서 한 사출온도가 추천되고 있다
⑤ 보압력보압시간 (Packingpressurepackingtime)
보압 과정에서 가장 요한 변수는 보압력의 크기와 보압의 지속시간이
다보압의 크기와 시간은 수지의 압력과 온도 변화에 따른 PVT선도에
따라 하게 결정해 주어야 한다
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 31 -
3연구방법
사출공정 변수는 제품의 품질이 좌우하게 되므로 공정조건을 결정하는 것
은 사출성형공정의 성공에 큰 향을 미치게 된다이를 해 종래에는
실험 인 시행착오법(trial-and-errormethod)에 의해 결정하 으므로경
제 인 손실이 크고최 조건을 찾기 어려웠으나 Moldflow MPI61Rev
5을 사용하여 다음과 같은 조건을 결정지을 수 있었다
1)제품의 형상에 합한 PP-LGF수지 설정
2)유동균형을 실 할 수 있는 게이트 치와 수의 선정
3)소재 물성치를 고려한 이론 인 사출 조건
에서 도출된 결과를 이용한 해석의 과정을 요약하면 다음과 같다
1)제품의 모델링
2)요소분할 CreationofMeshdata
3)FEAAnalysis
4)확정된 Gate와 사출조건와 최 화를 한 Moldflow 유동해석
본 연구에서는 FEA Analysis를 통한 기능 인 강성과 부하조건을 만족
하고 사출성형 유동해석을 이용하여 실제 형이 만들어지기 에 설계를
평가하고 제품의 성형성과 사출 성형 변수들의 최 조건을 제시하 다
시사출을 통해 제품을 FixtureJIG와 3차원측정기를 이용한 제품분석 자
료를 성형해석 결과와 비교하여 정확성을 검증하 다
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 32 -
31PlasticDoorModuleDesign
Door module System은 Glass를 상하로 움직이는 Motor를 포함한
RegulatorAssy부와 SpeakersystemWireHarnessDoorLatchsystem
InsideHandle등이 하나의 Module단 로 자동차의 도어 차체에 부착되
는 부품이다Figure는 체를 이루는 CompleteDoorSystem을 설명하
고 있다
Figure311StructureofCompletedoorsystem
제품의 기능 인 면을 고려할 때 작동부 의 강성과 부하조건을 만족하고
변형의 최소화를 통한 치수안정성을 확보는 것을 목표로 하 다해석에
사용한 도어모듈 넬 제품의 형상은 Figure312에 도시하 으며상세
사양은 Table311에 나타내었다
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
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13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
2002
17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 33 -
311SpecificationofModuleDesign
Figure312Measureinertiaofdoormodulepanel
Size 104342times781041times313565mm
Thickness 2mm (additionalthicknessforreinforcement)
Weight 1022g(환산 수치)
Matrial PP+Longglassfiber30
Table311Specificationofmodel
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 34 -
312 CreationofMeshdata
CAE 해석은 유한요소를 바탕으로 수학 인 계산이 수행되므로 모델의
요소를 효율 으로 분할해야 한다일반 으로 사출성형 해석에는 삼각형
으로된 smallmesh를 사용하며 해석의 정 도는 Aspectratio에 의해 좌
우 되는데 요소의 숫자를 증가시키면 Aspectratio는 좋아지지만 해석시
간이 과다하여 정수 을 결정해야 한다
FigureCAD로 만들어진 모델의 형상을 CAE해석 로그램인 Moldflow
MPI61Rev5Mid-Plan을 활용하여 Meshdata를 생성하 다제품의
특성을 고려 상하 면을 인식하는 Fusion방식을 채택하다 보니 Volume
Mesh가 110802개로 해석시간과 함께 Model시간이 많이 소용되었다
제품의 체 두께는 2mm부분 으로 작동 시 취약 부분에 강성 Rib를
더하 다
Figure313Midplanemodelofdoormodulemesh
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 35 -
23degree(C) 80degree(C)
Specificgravity 111 111
Tensilestress(Mpa) 78 54
FlexuralModulus(Mpa) 4100 2800
313 FactionaldesignStressFEAanalysis
제품의 설계는 작동구간의 기능 인 강성이나 부하를 만족해야 한다따
라서 본 해석에 반 된 기존 인 물성치는 Table와 같으며 작동부 의
변형이나 강성이 미치는 향을 상온과 고온 조건에서 각각 분석하여 제
품 디자인을 평가하 다
Table312MaterialdataLGFPP30
Figure314Loadingconditionsamp boundaryConditions
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 36 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall23degree(C) 78 21527
Downstall23degree(C) 78 23059
Table313FEAanalysisresultat23degree(C)
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 37 -
Spec(Mpa) MaxStrees(Mpa)
Upperstall80degree(C) 54 21178
Downstall80degree(C) 54 22751
Table314FEAanalysisresultat80degree(C)
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 38 -
Figure315LoadingpointofstiffnessMaxstress(Mpa)
국소 인 4개소의 부 를 변형이나 강성이 미치는 향 분석하여 제품
디자인을 평가하 다이 부 는 Rail부품이 장착되는 부 이다물성치는
Table와 동일하게 설정하 다
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 39 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point1 7 271
Point2 7 0995
Table315Resultofstiffnessanalysis
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 40 -
Spec(mm) Maxdisplacement(mm)
Point3 7 1797
Point4 7 149
Table316Resultofstiffnessanalysis
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 41 -
32MoldFlow AnalysisforDoorCarrier
321SelectionofMaterialGradebyMoldflow Analysis
(1)제품 형상에 따른 RheologicalPropertiesanalysis(유동특성 해석)
제품 형상 Model의 Molflow 유동측정(RheologicalProperties)function인
ARESResult를 통해 합한 Grade의 사용수지를 찾는 기능이다
Figure321유동측정을 통한 ARESresult
(2)SelectionofMaterialGradelistedinMoldflow
Figure322에서는 ARESResult를 토 로 합한 Grade의 각각의 물성
치를 고려한 S사의 PP-LGF소재를 선정 하 다
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 42 -
Figure322RecommendedProcessing통한 PP-LGF소재선정
Figure323ShrinkageProperties
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 43 -
Figure324PVTProperties
Figure325ThermalProperties
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 44 -
322InjectionMoldingConditionbyMoldflow
제품의 소재 물성치를 고려한 이론 인 사출조건을 도출하 다
Figure326InjectionMoldingCondition
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 45 -
4해석결과 고찰
41 Gate수와 치 결정
Gate의 수와 치 설정은 기본 으로 다음과 같이 설정한다
성형품의 가장 두껍고 구조상 압력에 견딜 수 있는 부분
외 상 문제되지 않는 부
Weldline최 억제할 수 있는 치
노즐좌면이 분사가 용이한 치
Gatepoint의 설정을 하여 일반 으로 사용되는 4 과 6 으로 각각
치를 선정하 다Figure에서와 같이 Case-1은 4 Gate로써 2개의
Directgate와 2개의 Sidegate로 이루어져있고Case-2는 6 Gate로써
5개의 Directgate와 1개의 Sidegate로 이루어져 있다
Figure411Gatepoint개수 치의 설정
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 46 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) ndash180mm ～ 150mm ndash221mm ～ 356mm
① Z축 변형 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형
b)6GateZ축 변형
Table 411 Z 변 량 비
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 47 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm)ndash259mm ～ 139mm ndash436mm ～ 398mm
② Z축 변형 3 고정 (ZndashDeflection)
a)4GateZ축 변형 3 고정
b)6GateZ축 변형 3 고정
Table412Z축 3 고정 변형량 비교
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 48 -
Case-1(4Gate) Case-2(6Gate)
Z축 변형량 (mm) 008mm ～ 220mm 007mm ～ 376mm
③ XYZ축 변형 (XYZndashDeflection)
a)4GateXYZ축 변형
b)6GateXYZ축 변형
Table413XYZ축 방향의 변형량 비교
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 49 -
GatesystemCase-1 Case-2
4 Gate 6 Gate
Z축Min -180mm -221mm
Max 15mm 356mm
Z축
3 고정
Min -259mm -436mm
Max 139mm 398mm
XYZ축
Min 008mm 007mm
Max 220mm 378mm
해석 결과 Case-1의 변형결과가 반 으로 좋음
도출된 해석결과는 Z축 변형Z축 변형 3 고정상태 체 변형량 XYZ
축 변형을 각각 비교하 으며 해석을 수행한 결과 4 Gate인 Case-1의
변형결과가 더 좋은 것으로 나타났다
Table414Gate수에 따른 성형해석 결과
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 50 -
Sidegate Directgate Allopengate Sequencegate
Case1
Case2
Case3
Case4
42Gate최 화 Warpage분석
4 Gate결과 최 화를 하여 Directgate의 경우와 Sidegate1 이
포함된 경우SideGatetype과 DirectGatetype을 경우에 따라 나 어
비교하 다Table은 각 조건을 총 4가지의 Case에 따라 분류한 것이다
Table421Gate 치 open조건에 따른 향 분석
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 51 -
① 충진거동 1 (Fillingpattern)
충진 시간 분포는 수지가 형 속으로 흘러 들어갈 때 각 치에 도달하
는 시간을 나타낸다
a)Case-1Fillingpattern
b)case-2Fillingpattern
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
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25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 52 -
(c)Case-3Fillingpattern
(d)Case-4Fillingpattern
Figure421Fillingpattern
충진양상을 살펴보면Gate부분을 충진한 수지가 제품 면으로 균일하
게 충진하며 란색 원으로 표시된 곳이 최종 충진부이다
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
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교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 53 -
② 충진거동 2(유동 선단 온도)
유동 선단의 온도 분포는 형 내로 수지가 유입되는 어느 순간 각 치
에서의 온도 변화를 나타내는 것으로서 온도 분포의 변화가 심하다면 수
지의 유동 항 편차가증가하며 지역 으로 제품 물성의 변화가 커짐을
의미한다
용융 수지의 유동성은 재료의 도에 의존하는데 도는 온도의 함수이므
로 형의 어느 치에서 수지의 온도가 형으로 많이 달되어 온도 강
하가 증가한다면 이 지 에서의 유동 항이 커져 사출압과 내부 응력이
증가되어 성형성은 물론 제품의 물성에 향을 수 있다재료가 결정
성 수지인 경우에는 고화된 재료의 포화 결정화도에 향을 주므로 물성
과 더불어 수축율 변화에도 큰 변화를 다
a)Case-1유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
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28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 54 -
b)Case-2유동선단 온도
c)Case-3유동선단 온도
Figure422유동선단 온도
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
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13SweeneyJCollinsTLDCoatesPDDuckettRAJApplPolym
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13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
2002
17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 55 -
d)Case-4유동선단 온도
시뮬 이션 결과 유동 선단 온도분포는 2124 에서 222정도로 수지
충진 시 격한 온도 편차가 없어 제품 충진에 문제 없을 것으로 단되
었다
③ 형체력 (ClampingForce)
형체력의 계산공식은 다음과 같다
형체력 Fs=제품의 투 면 내의압력
보압설정 MaxinjectionTon=920ton
MaxPressure =41Mpa
체면 1Cavity= 3379cm2
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
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EngineeringMaterialsandTechnology113371993
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8381998
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27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 56 -
과충진을 피하기 해서 형 면에서 잔류형체력이 생산 의 로킹력
의 최소 10는 있어야 한다따라서 시험 기에 안 율을 고려하여 잔류
형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다
(a)Case-13Opengateclampingforce9679764ton
(b)Case-24Sequentialgateclampingforce9656644ton
Figure423형체력
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 57 -
④ 섬유배향 (FiberOrientation)
사출 성형 공정에서 충 과정 동안 고분자와 보강 섬유(reinforcing
fiber)는 단유동(shearflow)에 의해 향을 받아 어떤 방향으로 배향을
할 것이다 용융 수지는 일반 으로 차가운 형에 사출되므로Figur-2
에서 보는 바와 같이 제품 표면 근처에서 부분의 배향은 거의 순간 으
로 고화(frozen-in)된다
Figure424제품 표면에 인 한 부분의 분자 섬유 배향
분자 섬유 배향의 상태는 유동 선단의 유동 동역학(flow dynamics)에
의해 결정된다유동 선단에서 단유동과 연신유동(extensionalflow)의
조합으로 심 코아(core)에서부터 형 벽면(moldwall)으로 유체(fluid
element)에 계속해서 힘을 가한다 유동 선단에서 더 높은 속도는 더 높
은 표면 응력과 분자 섬유의 배향의 정도를 높인다는 것은 잘 알려진
사실이다충 되는 동안 변하는 유동 선단 속도의 결과로써 나타나는 제
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
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Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
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Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
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Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
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26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 58 -
품 내에서 변하는 배향은 수축 차이를 유발시켜 제품의 변형을 발생시킨
다따라서 제품 체에서 균일한 분자 섬유 배향을 가지게 하기 해
서는 유동 선단에서 일정한 속도를 유지하는 것이 바람직하다
(a)Case-13OpengateFiberorientation
(b)Case-24SequentialgateFiberorientation
Figure425FiberorientationofDoormodule
시뮬 이션 결과 강성을 요하는 체결부 나 충진부 주변의 섬유길이분석
결과는 모든 Case가 부 별로 15-25정도로 양호한 결과가 도출 되었
다실제 제품의 섬유의 함량이나 부 별 섬유길이는 시험사출 후 별도로
시험을 실시하여 측정한다
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
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교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
3BushkoWCStokesVKPolymEngSci36(3)3221996
4Chiang HHHimasekhar KSanthanam NWang KKJof
EngineeringMaterialsandTechnology113371993
5Courtney THMechanicalbehavior of materialsMcGraw-Hill
InternationalEditions1999
6JansenKMBVanDijkDJHusselmanMHPolymEngSci38(5)
8381998
7JungJHLeeSWYounJRMacromolSymp1482631999
8Kim SKLeeSWYounJRKorea-AustRheolJ14(3)1072002
9PP-LongGlassFiberMaterialpropertiesTicona2007
10Manzione LTApplication of computer aided engineering in
injectionmoldingHanserPublishersMunich1987
11MlekuschBMechanicsofTime-DependentMaterials51012001
12Santhanam NChiangHHHimasekharKTuschakPWangKK
AdvPolymTechnol11(2)771991
13SweeneyJCollinsTLDCoatesPDDuckettRAJApplPolym
Sci72(4)5631999
13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
2002
17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 59 -
Case-1 Case-2
최 사출압 (Mpa) 4231Mpa 3563Mpa
⑤ 사출압 (InjectionPressure)
Figure426InjectionPressure
Table422보압 환 치에서 최 사출압
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
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확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
3BushkoWCStokesVKPolymEngSci36(3)3221996
4Chiang HHHimasekhar KSanthanam NWang KKJof
EngineeringMaterialsandTechnology113371993
5Courtney THMechanicalbehavior of materialsMcGraw-Hill
InternationalEditions1999
6JansenKMBVanDijkDJHusselmanMHPolymEngSci38(5)
8381998
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10Manzione LTApplication of computer aided engineering in
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11MlekuschBMechanicsofTime-DependentMaterials51012001
12Santhanam NChiangHHHimasekharKTuschakPWangKK
AdvPolymTechnol11(2)771991
13SweeneyJCollinsTLDCoatesPDDuckettRAJApplPolym
Sci72(4)5631999
13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
2002
17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
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19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
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23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
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24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 60 -
Case-3 Case-4
최 사출압 (Mpa) 4508Mpa 6673Mpa
Figure426InjectionPressure
Table423보압 환 치에서 최 사출압
- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
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27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
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- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
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- 2 이론적 배경
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- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
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- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
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- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
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- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
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- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
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- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
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- 3 연구방법
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- 31 Plastic Door Module Design
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- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
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- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
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- 61 -
⑥ 웰드라인 (Weldline)
WeldLine은 서로 다른 방향을 갖는 두 유동 선단이 만나면서 만드는 선
이다제품의 형태게이트 치나 숫자등이 WeldLine의 상태를 결정한
다 한 제품에 살 두께 변화가 심하거나 게이트 숫자가 많을수록
WeldLine도 증가한다
WeldLine의 발생을 피하지 못하는 경우에는 수지의 온도압력 각
등을 잘 조 하여 그 향을 최소화할 수 있다WeldLine의 강도는 온
도와 압력 사용하는 재료의 특성에 따라 변화한다
WeldLine에서 수지가 만날 때 온도는 용융온도 이상을 유지하여야 하고
보압에서의 압력 달이 충분하여야 한다유리 섬유나 기타 충진재가 보
강된 수지는 WeldLine의 강도가 더욱 감소하므로 사용 시 성형 조건 결
정에 세심한 주의가 요구된다외 상으로 측되는 정도는 lsquoVrsquo홈의 깊이
와 WeldLine길이에 좌우되는데 홈의 깊이는 형충진 시의 유동 속도
에 향을 받으며 길이는 각에 따라 결정된다
Sequentialgate는 각 Gatepoint의 열림 시간차를 두어 치명 인 부 의
WeldLine을 이동시키거나 일 수 있다
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
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성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
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9PP-LongGlassFiberMaterialpropertiesTicona2007
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11MlekuschBMechanicsofTime-DependentMaterials51012001
12Santhanam NChiangHHHimasekharKTuschakPWangKK
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13SweeneyJCollinsTLDCoatesPDDuckettRAJApplPolym
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13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
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17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
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Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
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22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
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24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
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26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 62 -
Figure427WeldLineanalysis
Table424 SequentialtimingforWeldLine
GatepointSequenceTiming(Sec)
Point1 Point2 Point3 Point4
Case-1 Allopengate
Case-2 0Sec 156Sec 22Sec 316Sec
Case-3 Allopengate
Case-4 0Sec 15Sec 212Sec 286Sec
Figure결과를 보면 같은 Gate조건을 가지더라도 Sequential을 용시킨
Case-2와 4의 경우 WeldLine이 격히 어듦을 알 수 있다
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
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Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
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6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
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확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
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참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
3BushkoWCStokesVKPolymEngSci36(3)3221996
4Chiang HHHimasekhar KSanthanam NWang KKJof
EngineeringMaterialsandTechnology113371993
5Courtney THMechanicalbehavior of materialsMcGraw-Hill
InternationalEditions1999
6JansenKMBVanDijkDJHusselmanMHPolymEngSci38(5)
8381998
7JungJHLeeSWYounJRMacromolSymp1482631999
8Kim SKLeeSWYounJRKorea-AustRheolJ14(3)1072002
9PP-LongGlassFiberMaterialpropertiesTicona2007
10Manzione LTApplication of computer aided engineering in
injectionmoldingHanserPublishersMunich1987
11MlekuschBMechanicsofTime-DependentMaterials51012001
12Santhanam NChiangHHHimasekharKTuschakPWangKK
AdvPolymTechnol11(2)771991
13SweeneyJCollinsTLDCoatesPDDuckettRAJApplPolym
Sci72(4)5631999
13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
2002
17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 63 -
Case-1 Case-2
Z축 변형량 (mm) ndash124mm ～ 130mm ndash190mm ～ 181mm
⑦ z변형 (ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형
b)Case-2Z축 변형
Table424 Z-Deflection
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
3BushkoWCStokesVKPolymEngSci36(3)3221996
4Chiang HHHimasekhar KSanthanam NWang KKJof
EngineeringMaterialsandTechnology113371993
5Courtney THMechanicalbehavior of materialsMcGraw-Hill
InternationalEditions1999
6JansenKMBVanDijkDJHusselmanMHPolymEngSci38(5)
8381998
7JungJHLeeSWYounJRMacromolSymp1482631999
8Kim SKLeeSWYounJRKorea-AustRheolJ14(3)1072002
9PP-LongGlassFiberMaterialpropertiesTicona2007
10Manzione LTApplication of computer aided engineering in
injectionmoldingHanserPublishersMunich1987
11MlekuschBMechanicsofTime-DependentMaterials51012001
12Santhanam NChiangHHHimasekharKTuschakPWangKK
AdvPolymTechnol11(2)771991
13SweeneyJCollinsTLDCoatesPDDuckettRAJApplPolym
Sci72(4)5631999
13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
2002
17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 64 -
Case-3 Case-4
Z축 변형량 (mm) ndash197mm ～ 213mm ndash231mm ～ 226mm
Figure428z변형 (ZndashDeflection)
c)Case-3Z축 변형
d)Case-4Z축 변형
Table425 Z-Deflection
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
3BushkoWCStokesVKPolymEngSci36(3)3221996
4Chiang HHHimasekhar KSanthanam NWang KKJof
EngineeringMaterialsandTechnology113371993
5Courtney THMechanicalbehavior of materialsMcGraw-Hill
InternationalEditions1999
6JansenKMBVanDijkDJHusselmanMHPolymEngSci38(5)
8381998
7JungJHLeeSWYounJRMacromolSymp1482631999
8Kim SKLeeSWYounJRKorea-AustRheolJ14(3)1072002
9PP-LongGlassFiberMaterialpropertiesTicona2007
10Manzione LTApplication of computer aided engineering in
injectionmoldingHanserPublishersMunich1987
11MlekuschBMechanicsofTime-DependentMaterials51012001
12Santhanam NChiangHHHimasekharKTuschakPWangKK
AdvPolymTechnol11(2)771991
13SweeneyJCollinsTLDCoatesPDDuckettRAJApplPolym
Sci72(4)5631999
13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
2002
17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 65 -
Case-1 Case-2
Z축 변형 3 고정 ndash128mm ～ 181mm ndash246mm ～ 175mm
⑧ Z변형-3 고정(ZndashDeflection)
Figure4293 고정(ZndashDeflection)
a)Case-1Z축 변형 3 고정
b)Case-2Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
3BushkoWCStokesVKPolymEngSci36(3)3221996
4Chiang HHHimasekhar KSanthanam NWang KKJof
EngineeringMaterialsandTechnology113371993
5Courtney THMechanicalbehavior of materialsMcGraw-Hill
InternationalEditions1999
6JansenKMBVanDijkDJHusselmanMHPolymEngSci38(5)
8381998
7JungJHLeeSWYounJRMacromolSymp1482631999
8Kim SKLeeSWYounJRKorea-AustRheolJ14(3)1072002
9PP-LongGlassFiberMaterialpropertiesTicona2007
10Manzione LTApplication of computer aided engineering in
injectionmoldingHanserPublishersMunich1987
11MlekuschBMechanicsofTime-DependentMaterials51012001
12Santhanam NChiangHHHimasekharKTuschakPWangKK
AdvPolymTechnol11(2)771991
13SweeneyJCollinsTLDCoatesPDDuckettRAJApplPolym
Sci72(4)5631999
13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
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18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 66 -
Case-3 Case-4
Z축 변형 3 고정 ndash150mm ～ 356mm ndash438mm ～ 313mm
c)Case-3Z축 변형 3 고정
d)Case-4Z축 변형 3 고정
Table4263 고정(ZndashDeflection)
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
3BushkoWCStokesVKPolymEngSci36(3)3221996
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EngineeringMaterialsandTechnology113371993
5Courtney THMechanicalbehavior of materialsMcGraw-Hill
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8381998
7JungJHLeeSWYounJRMacromolSymp1482631999
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injectionmoldingHanserPublishersMunich1987
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13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
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15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
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17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
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21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 67 -
Case-1 Case-2
체 변형량 (mm) 028mm ～ 199mm 026mm ～ 241mm
⑨ 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
a)Case-1 체변형
b)Case-2 체변형
Figure4210 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
3BushkoWCStokesVKPolymEngSci36(3)3221996
4Chiang HHHimasekhar KSanthanam NWang KKJof
EngineeringMaterialsandTechnology113371993
5Courtney THMechanicalbehavior of materialsMcGraw-Hill
InternationalEditions1999
6JansenKMBVanDijkDJHusselmanMHPolymEngSci38(5)
8381998
7JungJHLeeSWYounJRMacromolSymp1482631999
8Kim SKLeeSWYounJRKorea-AustRheolJ14(3)1072002
9PP-LongGlassFiberMaterialpropertiesTicona2007
10Manzione LTApplication of computer aided engineering in
injectionmoldingHanserPublishersMunich1987
11MlekuschBMechanicsofTime-DependentMaterials51012001
12Santhanam NChiangHHHimasekharKTuschakPWangKK
AdvPolymTechnol11(2)771991
13SweeneyJCollinsTLDCoatesPDDuckettRAJApplPolym
Sci72(4)5631999
13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
2002
17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 68 -
Case-3 Case-4
체 변형량 (mm) 017mm ～ 269mm 017mm ～ 264mm
c)Case-3 체변형
d)Case-4 체변형
Table427 체변형 (XYZ축 AllndashDeflection)
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
3BushkoWCStokesVKPolymEngSci36(3)3221996
4Chiang HHHimasekhar KSanthanam NWang KKJof
EngineeringMaterialsandTechnology113371993
5Courtney THMechanicalbehavior of materialsMcGraw-Hill
InternationalEditions1999
6JansenKMBVanDijkDJHusselmanMHPolymEngSci38(5)
8381998
7JungJHLeeSWYounJRMacromolSymp1482631999
8Kim SKLeeSWYounJRKorea-AustRheolJ14(3)1072002
9PP-LongGlassFiberMaterialpropertiesTicona2007
10Manzione LTApplication of computer aided engineering in
injectionmoldingHanserPublishersMunich1987
11MlekuschBMechanicsofTime-DependentMaterials51012001
12Santhanam NChiangHHHimasekharKTuschakPWangKK
AdvPolymTechnol11(2)771991
13SweeneyJCollinsTLDCoatesPDDuckettRAJApplPolym
Sci72(4)5631999
13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
2002
17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 69 -
43성형 해석 결과
Allgateopen조건에서 Sidegate를 포함된 게이트 치와 Directgate만
용된 것과 비교하 을 경우 Sidegate를 포함한 Case-1의경우가 사출
변형량이 을 것으로 단되며Sequence제어 조건에서도 Sidegate를
포함한 게이트 치가 사출 변형량이 게 나타났다
Gatesystem Case-1 Case-2 Case-3 Case-4
Z축Min -124 -190 -197 -213
Max 130 181 213 226
Z축
3 고정
Min -128 -246 -150 -438
Max 181 175 356 313
XYZ축Min 028 026 017 017
Max 199 241 269 264
해석 결과 Case-2의 변형결과가 반 으로 좋음
Table431GateSystem의 성형해석 결과
WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구조
을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용하
을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으로
단된다
따라서 제품의 구조 안정성 확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼
때 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
3BushkoWCStokesVKPolymEngSci36(3)3221996
4Chiang HHHimasekhar KSanthanam NWang KKJof
EngineeringMaterialsandTechnology113371993
5Courtney THMechanicalbehavior of materialsMcGraw-Hill
InternationalEditions1999
6JansenKMBVanDijkDJHusselmanMHPolymEngSci38(5)
8381998
7JungJHLeeSWYounJRMacromolSymp1482631999
8Kim SKLeeSWYounJRKorea-AustRheolJ14(3)1072002
9PP-LongGlassFiberMaterialpropertiesTicona2007
10Manzione LTApplication of computer aided engineering in
injectionmoldingHanserPublishersMunich1987
11MlekuschBMechanicsofTime-DependentMaterials51012001
12Santhanam NChiangHHHimasekharKTuschakPWangKK
AdvPolymTechnol11(2)771991
13SweeneyJCollinsTLDCoatesPDDuckettRAJApplPolym
Sci72(4)5631999
13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
2002
17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 70 -
성형 조건 이론 조건 시사출 조건
온도조건수지온도 () 250 250
형온도 () 50 50
사출압력 (Mpa) 3563 40～60
사출조건냉각시간 (Sec) - 50
압력 (Mpa) - 30～40보압조건
보압시간 (Sec) 8 8～15
ValveTime(Sec) Sequence(0rarr156rarr22rarr316)Sec
5제품 시사출 결과 3D 측정 결과
51시사출 조건설정
시사출(Try-out)이란 형제작 완료단계에서 고객이 요구하는 수 의
제품 품질을 확보함과 동시에 형의 품질상태를 검토하기 하여 양산이
단계에서 행하는 작업이다
511사출조건 설정
변형결과에 따른 Moldflow의 Case-2의 이론 성형해석 조건과 실제
시사출 조건을 비교하여 Table에 정리하 으며시사출 과정에서 형
수지성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총
합하여 실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
Table511InjectionprocessconditionforMoldflow andTry-out
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
3BushkoWCStokesVKPolymEngSci36(3)3221996
4Chiang HHHimasekhar KSanthanam NWang KKJof
EngineeringMaterialsandTechnology113371993
5Courtney THMechanicalbehavior of materialsMcGraw-Hill
InternationalEditions1999
6JansenKMBVanDijkDJHusselmanMHPolymEngSci38(5)
8381998
7JungJHLeeSWYounJRMacromolSymp1482631999
8Kim SKLeeSWYounJRKorea-AustRheolJ14(3)1072002
9PP-LongGlassFiberMaterialpropertiesTicona2007
10Manzione LTApplication of computer aided engineering in
injectionmoldingHanserPublishersMunich1987
11MlekuschBMechanicsofTime-DependentMaterials51012001
12Santhanam NChiangHHHimasekharKTuschakPWangKK
AdvPolymTechnol11(2)771991
13SweeneyJCollinsTLDCoatesPDDuckettRAJApplPolym
Sci72(4)5631999
13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
2002
17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 71 -
사출성형에 필요한 형을 제작 에 상되는 문제 과 불량을 최소화
하기 하여 성형해석의 Gate Coolingline설정 결과를 반 하여 형
을 제작하 다Tooling parameter는 아래 Table에 표시하 고Gate
System은 3개의 HotGate와 1개의 ColdGate를 장착한 상태로 그 크기
는 아래 Figure에 표시하 다
Figure511 Gaterunnersystem 설정
Figure512 Coolingsystem 설정
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
3BushkoWCStokesVKPolymEngSci36(3)3221996
4Chiang HHHimasekhar KSanthanam NWang KKJof
EngineeringMaterialsandTechnology113371993
5Courtney THMechanicalbehavior of materialsMcGraw-Hill
InternationalEditions1999
6JansenKMBVanDijkDJHusselmanMHPolymEngSci38(5)
8381998
7JungJHLeeSWYounJRMacromolSymp1482631999
8Kim SKLeeSWYounJRKorea-AustRheolJ14(3)1072002
9PP-LongGlassFiberMaterialpropertiesTicona2007
10Manzione LTApplication of computer aided engineering in
injectionmoldingHanserPublishersMunich1987
11MlekuschBMechanicsofTime-DependentMaterials51012001
12Santhanam NChiangHHHimasekharKTuschakPWangKK
AdvPolymTechnol11(2)771991
13SweeneyJCollinsTLDCoatesPDDuckettRAJApplPolym
Sci72(4)5631999
13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
2002
17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 72 -
MaterialSABICSTAMAX 20YM240(PPLongGlassFiber30)
InjectionMachine TOSHIBAhydraulicsystems2500ton
ToolingCavity 2Cavity동시사출
GateSystem 4Gate(3Direct+1Sprue)System
ToolingMaterial HP4level
RunnerSize Oslash 15
Figure 513 Photograph of Injection tool
Table512InjectionparameterforTooling
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
3BushkoWCStokesVKPolymEngSci36(3)3221996
4Chiang HHHimasekhar KSanthanam NWang KKJof
EngineeringMaterialsandTechnology113371993
5Courtney THMechanicalbehavior of materialsMcGraw-Hill
InternationalEditions1999
6JansenKMBVanDijkDJHusselmanMHPolymEngSci38(5)
8381998
7JungJHLeeSWYounJRMacromolSymp1482631999
8Kim SKLeeSWYounJRKorea-AustRheolJ14(3)1072002
9PP-LongGlassFiberMaterialpropertiesTicona2007
10Manzione LTApplication of computer aided engineering in
injectionmoldingHanserPublishersMunich1987
11MlekuschBMechanicsofTime-DependentMaterials51012001
12Santhanam NChiangHHHimasekharKTuschakPWangKK
AdvPolymTechnol11(2)771991
13SweeneyJCollinsTLDCoatesPDDuckettRAJApplPolym
Sci72(4)5631999
13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
2002
17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 73 -
52FixtureJIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
라스틱 사출품의 치수특성은 제품마다 열변형량 부피수축율휨
상등으로 인해 일정치 않으므로 정확한 Data를 도출해내기 해서는
측정시료 수를 늘려서 여러 제품의 평균을 내는 것이 정확할 수 있지만
시간비용의 한계로 어려운 것이 사실이다따라서 3DScanner를 활용하
여 반복 이고 평균 인 치수편차를 제어함으로서 신뢰성 있는 Data를
확보할 수 있다
FixtureJIG는 제품을 장착하여 다이얼 게이지 측정 통해 요 부품 장
착부 작동부의 치수결과를 확인하는 방법이다
Figure521ModulepanelFixture
3차원 측정기(CMMCoordinateMeasuringMachine)는 크게 카메라와
스 식으로 사용할 수 있는 동그란 Tip이달린 SpazeProve라는
장비로 이루어져 있으며 dataScan작업 결과는 제품의 CAD data와 비
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
3BushkoWCStokesVKPolymEngSci36(3)3221996
4Chiang HHHimasekhar KSanthanam NWang KKJof
EngineeringMaterialsandTechnology113371993
5Courtney THMechanicalbehavior of materialsMcGraw-Hill
InternationalEditions1999
6JansenKMBVanDijkDJHusselmanMHPolymEngSci38(5)
8381998
7JungJHLeeSWYounJRMacromolSymp1482631999
8Kim SKLeeSWYounJRKorea-AustRheolJ14(3)1072002
9PP-LongGlassFiberMaterialpropertiesTicona2007
10Manzione LTApplication of computer aided engineering in
injectionmoldingHanserPublishersMunich1987
11MlekuschBMechanicsofTime-DependentMaterials51012001
12Santhanam NChiangHHHimasekharKTuschakPWangKK
AdvPolymTechnol11(2)771991
13SweeneyJCollinsTLDCoatesPDDuckettRAJApplPolym
Sci72(4)5631999
13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
2002
17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 74 -
교하여 제품의 특정부 의 변형값을 측정 할 수 있다
Figure522 3차원 측정기(CMM)를 이용한 제품측정
3D Scan을 이용한 DoorModule 제품의 공차는 일반 으로 Spec
plusmn05mm를 용하고 있다아래 Figure는 3차원 측정기를 이용한 10개의
시사출 제품의 측정치를 결과를 하여 평균값으로 나타낸 결과이다
Figure523 CMM을 이 한 측정 Point측정결과
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
3BushkoWCStokesVKPolymEngSci36(3)3221996
4Chiang HHHimasekhar KSanthanam NWang KKJof
EngineeringMaterialsandTechnology113371993
5Courtney THMechanicalbehavior of materialsMcGraw-Hill
InternationalEditions1999
6JansenKMBVanDijkDJHusselmanMHPolymEngSci38(5)
8381998
7JungJHLeeSWYounJRMacromolSymp1482631999
8Kim SKLeeSWYounJRKorea-AustRheolJ14(3)1072002
9PP-LongGlassFiberMaterialpropertiesTicona2007
10Manzione LTApplication of computer aided engineering in
injectionmoldingHanserPublishersMunich1987
11MlekuschBMechanicsofTime-DependentMaterials51012001
12Santhanam NChiangHHHimasekharKTuschakPWangKK
AdvPolymTechnol11(2)771991
13SweeneyJCollinsTLDCoatesPDDuckettRAJApplPolym
Sci72(4)5631999
13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
2002
17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 75 -
측정기 공차 (Tolerance) 측정결과
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 +05mm 이상 0개소
합격 좌표 (Pass) CADdata 비 plusmn05mm 이상 13개소
불합격 좌표 (Error) CADdata 비 -05mm 이상 1개소
Table521 공차 plusmn05mm Spec 적 시 측정결과
제품의 변형 경향을 악하기 해서는 Spec을 설정하고 이에 따른 측
정 Point를 먼 설정 하는 것이 상당히 요하다
따라서 본 시사출 제품 측정을 한 요 부 설정은 FixtureJIG에
모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정한 상태로 모듈 장착홀 10개소
(Point1～46～10)와 작동부에 해당하는 6개소(A～BA～B)를 Figure
와 같이 설정하 다
Figure524 변 량 측정 Point 정
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
3BushkoWCStokesVKPolymEngSci36(3)3221996
4Chiang HHHimasekhar KSanthanam NWang KKJof
EngineeringMaterialsandTechnology113371993
5Courtney THMechanicalbehavior of materialsMcGraw-Hill
InternationalEditions1999
6JansenKMBVanDijkDJHusselmanMHPolymEngSci38(5)
8381998
7JungJHLeeSWYounJRMacromolSymp1482631999
8Kim SKLeeSWYounJRKorea-AustRheolJ14(3)1072002
9PP-LongGlassFiberMaterialpropertiesTicona2007
10Manzione LTApplication of computer aided engineering in
injectionmoldingHanserPublishersMunich1987
11MlekuschBMechanicsofTime-DependentMaterials51012001
12Santhanam NChiangHHHimasekharKTuschakPWangKK
AdvPolymTechnol11(2)771991
13SweeneyJCollinsTLDCoatesPDDuckettRAJApplPolym
Sci72(4)5631999
13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
2002
17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 76 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fixture 0 -05 05 12 Fix -03 -35 -14 10 Fix
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
SectionA-A a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -25 -29 -24
SectionB-B a b c
Fixture 0 04 02
3DScan -15 -20 -12
Table522 측정 Point변형량
Table523SectionA-A변형량
Table524SectionB-B변형량
시사출 제품변형 측정결과 Fixture다이얼게이지 와 3D Scan결과값
은 일치하지는 않으나 동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
3BushkoWCStokesVKPolymEngSci36(3)3221996
4Chiang HHHimasekhar KSanthanam NWang KKJof
EngineeringMaterialsandTechnology113371993
5Courtney THMechanicalbehavior of materialsMcGraw-Hill
InternationalEditions1999
6JansenKMBVanDijkDJHusselmanMHPolymEngSci38(5)
8381998
7JungJHLeeSWYounJRMacromolSymp1482631999
8Kim SKLeeSWYounJRKorea-AustRheolJ14(3)1072002
9PP-LongGlassFiberMaterialpropertiesTicona2007
10Manzione LTApplication of computer aided engineering in
injectionmoldingHanserPublishersMunich1987
11MlekuschBMechanicsofTime-DependentMaterials51012001
12Santhanam NChiangHHHimasekharKTuschakPWangKK
AdvPolymTechnol11(2)771991
13SweeneyJCollinsTLDCoatesPDDuckettRAJApplPolym
Sci72(4)5631999
13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
2002
17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 77 -
Point 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3DScan -03 -13 12 09 Fix -32 -32 -10 10 Fix
Warpage-07 -02 14 05 Fix -03 -24 -07 -06 Fix
53성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
Figure525성형해석의 측정 Point설정
Table525성형해석 결과와 실사출 측정 결과 비교
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
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확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
3BushkoWCStokesVKPolymEngSci36(3)3221996
4Chiang HHHimasekhar KSanthanam NWang KKJof
EngineeringMaterialsandTechnology113371993
5Courtney THMechanicalbehavior of materialsMcGraw-Hill
InternationalEditions1999
6JansenKMBVanDijkDJHusselmanMHPolymEngSci38(5)
8381998
7JungJHLeeSWYounJRMacromolSymp1482631999
8Kim SKLeeSWYounJRKorea-AustRheolJ14(3)1072002
9PP-LongGlassFiberMaterialpropertiesTicona2007
10Manzione LTApplication of computer aided engineering in
injectionmoldingHanserPublishersMunich1987
11MlekuschBMechanicsofTime-DependentMaterials51012001
12Santhanam NChiangHHHimasekharKTuschakPWangKK
AdvPolymTechnol11(2)771991
13SweeneyJCollinsTLDCoatesPDDuckettRAJApplPolym
Sci72(4)5631999
13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
2002
17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 78 -
6 결
1Doormodule에 PP-LGF소재를 도입한 결과 약 38 량감소 효과
이외에도 감성품질의 확보부품의 일체화(Integration)으로 인한 원가 감
효과가 있는 것으로 나타났다
2제품의 성능에 향을 미치는 부 는 국소 으로 두께를 늘리거나
FEA 강성해석을 통한 설계의 최 화 취약부의 강성Rib형상을 부여
함으로써 이러한 강성문제를 보완할 수 있었다
3자동차 차체부품 소재로서 요구 되어지는 PP-LGF의 기계 인 성능은
사출시 제품에 배양되어 나타나는 섬유길이에 따라 충격강도강도경도
에 향을 미친다고 할 수 있다따라서 본 연구에서 용된 장섬유 특성
에 제품의 물성치를 보장할 수 있는 LongGlassFiber 용 스크류를
용하여 섬유길이를 유지하 다
4본 소재로 시사출된 제품의 성능은 차량용 도어 모듈에 합한 속
체소재의 요구 성능은 고온 온의 인장강도굴곡탄성률충격강도
기본 인 복합소재의 성능 이외에도 각 완성차 업체의 도어모듈 시험
SPEC에 따른 특성을 만족하는 것으로 나타났다
5장섬유의 사출성형인자들은 물성치를 고려한 Moldflow analysys에 의
해 제품의 형상에 합한 PP-LGF수지의 Grade를 설정하고 유동균형을
실 할 수 있는 Gate 치와 수를 설정하 다
6최 의 Gate조건을 찾고자 4gatesystem과 6gatesystem에서의 성
형해석을 수행한 결과 2개의 Directgate와 2개의 Sidegate로 이루진 4
gatesystem이 변형에 유리한 것으로 단된다
7선정된 4gatesystem의 Open조건을 변화시켜 제품의 구조 안정성
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
3BushkoWCStokesVKPolymEngSci36(3)3221996
4Chiang HHHimasekhar KSanthanam NWang KKJof
EngineeringMaterialsandTechnology113371993
5Courtney THMechanicalbehavior of materialsMcGraw-Hill
InternationalEditions1999
6JansenKMBVanDijkDJHusselmanMHPolymEngSci38(5)
8381998
7JungJHLeeSWYounJRMacromolSymp1482631999
8Kim SKLeeSWYounJRKorea-AustRheolJ14(3)1072002
9PP-LongGlassFiberMaterialpropertiesTicona2007
10Manzione LTApplication of computer aided engineering in
injectionmoldingHanserPublishersMunich1987
11MlekuschBMechanicsofTime-DependentMaterials51012001
12Santhanam NChiangHHHimasekharKTuschakPWangKK
AdvPolymTechnol11(2)771991
13SweeneyJCollinsTLDCoatesPDDuckettRAJApplPolym
Sci72(4)5631999
13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
2002
17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 79 -
확보 사출변형을 종합 으로 단해 볼때 Sequence제어 조건에서도
Sidegate를 포함한 Case-2의 경우가 가장 유리할 것으로 단된다
8WeldLine측면에서 단할 때는 Sequencegate제어를 용하면 구
조 을 취약한 WeldLine은 없을 것으로 단이 되며OpenGate를 용
하 을 경우에는 DirectGate일 때가 WeldLine을 이는데 유리할 것으
로 단된다
9Case-2의 결과에 따라 사출조건은 Table511와 같이 형구조수지
성형조건제품의 Application등 사출성형에 련된 모든 정보를 총합하여
실제의 시사출 조건에 가깝게 가져가고자 하 다
10시사출 조건은 Table512와 같이 설정하 으며 제품 측정을 한
요 부 설정은 FixtureJIG에 모듈을 장착하고 Point5번과 10번을 고정
한 상태로 모듈 장착홀 10개소와 작동부에 해당하는 6개소를 Figure
524와 같이 설정하 다
11여러차례의 시사출 제품변형 측정결과 FixtureJIG의 다이얼게이지
와 3D 측정기(CMM)측정치를 하여 평균한 값과 비교한 결과는
Table522에 그래 로 나타냈으며결과값은 정확히 일치하지는 않으나
동일한 패턴을 가지고 있음을 알 수 있다
12성형해석 변형결과 와 시사출제품 결과비교는 Table525에 그래 로
나타냈으며 1개소를 제외하고 모두 동일한 패턴을 가짐을 확인하 다
13소재 물성치를 고려한 사출성형인자들의 최 화 설계 해석은 시사
출을 실시한 결과 사출 성형해석 결과값과 체로 일치하 으며 이러한
일련의 과정은 형제작 이 단계에서 고객이 요구하는 수 의 제품 품질
을 사 에 확보함과 동시에 실험 인 시행착오에 의한 비용을 최소화 할
수 있었다
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
3BushkoWCStokesVKPolymEngSci36(3)3221996
4Chiang HHHimasekhar KSanthanam NWang KKJof
EngineeringMaterialsandTechnology113371993
5Courtney THMechanicalbehavior of materialsMcGraw-Hill
InternationalEditions1999
6JansenKMBVanDijkDJHusselmanMHPolymEngSci38(5)
8381998
7JungJHLeeSWYounJRMacromolSymp1482631999
8Kim SKLeeSWYounJRKorea-AustRheolJ14(3)1072002
9PP-LongGlassFiberMaterialpropertiesTicona2007
10Manzione LTApplication of computer aided engineering in
injectionmoldingHanserPublishersMunich1987
11MlekuschBMechanicsofTime-DependentMaterials51012001
12Santhanam NChiangHHHimasekharKTuschakPWangKK
AdvPolymTechnol11(2)771991
13SweeneyJCollinsTLDCoatesPDDuckettRAJApplPolym
Sci72(4)5631999
13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
2002
17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 80 -
참 고 문 헌
1TheITBGroupLtdAutomotiveDoorModuleTechnicalBusiness
ConsultingReportApril2006pp171-180
2BushkoWCStokesVKPolymEngSci35(4)3651995
3BushkoWCStokesVKPolymEngSci36(3)3221996
4Chiang HHHimasekhar KSanthanam NWang KKJof
EngineeringMaterialsandTechnology113371993
5Courtney THMechanicalbehavior of materialsMcGraw-Hill
InternationalEditions1999
6JansenKMBVanDijkDJHusselmanMHPolymEngSci38(5)
8381998
7JungJHLeeSWYounJRMacromolSymp1482631999
8Kim SKLeeSWYounJRKorea-AustRheolJ14(3)1072002
9PP-LongGlassFiberMaterialpropertiesTicona2007
10Manzione LTApplication of computer aided engineering in
injectionmoldingHanserPublishersMunich1987
11MlekuschBMechanicsofTime-DependentMaterials51012001
12Santhanam NChiangHHHimasekharKTuschakPWangKK
AdvPolymTechnol11(2)771991
13SweeneyJCollinsTLDCoatesPDDuckettRAJApplPolym
Sci72(4)5631999
13TreutingRGReadWTJApplPhys221301951
14TurnbullAMaxwellASPillaiSJMaterSci34(3)4511999
15YounJRKim CKim SHOhHTheoriesandApplicationsof
RheologyProceedingsoftheFallMeetingoftheKoreanSocietyof
Rheology9(2)152005
16ZhangXChengXStelsonKAJofThermalStresses25523
2002
17ZoeteliefWFDouven LFHouszAJPolymEngSci36(14)
- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-
- 81 -
18861996
18BragancuaFCValadaresLFLeiteCAPGalembeckFChem
Mater19(13)33342007
19RaoYQPochanJMMacromolecules40(2)2902007
20KooCMKim SOChungIJMacromolecules36(8)27482003
21ChoiYSWangKHXuMChungIJChemMater14(7)2936
2002
22YanoKUsukiAOkadaAKurauchiTKamigaitoOJPolym
SciAPolymChem31(10)24931993
23Gilman JWJackson CLMorgan ABHarris RManias E
GiannelisEPWuthenow MHiltonDPhillipsSHChemMater
12(7)18662000
24ZanettiMCamino GCanavese DMorgan ABLamelas FJ
WilkieCAChemMater14(1)1892002
25DarderMArandaPRuiz-Hitzky EAdvMater19(10)1309
2007
26MehtaGKielMJLeeJWKotovNLindermanJJTakayamaS
AdvFunctMater17(15)27012007
27RaoYQPolymer48(18)53692007
28HenryLeeArvinMeritorDoorModuleSystem AnalysisTechnical
report 19(13)33342008
- 1 서론
-
- 11 연구배경
- 12 연구내용 및 목적
-
- 2 이론적 배경
-
- 21 PP-LGF Material Characteristics for Engineering
-
- 211 Reinforce Glass fiber
- 212 Density comparison
- 213 Influence of the fiber length for PP-GF
- 214 PP-LGF application for Automotive parts
-
- 22 Performance requirements for Door Module Carrier
-
- 221 Basic perfomance for Engineering
- 222 PP-LGF offer Practical advantages for Door module
-
- 23 Door Module offer Practical advantages
-
- 231 Steel door module
- 232 Plastic door module
-
- 24 Tooling Requirements for Plastic Door Module
-
- 241 Injection Molding Process
- 242 사출 시스템 (The Injection System)
- 243 금형 시스템 (Mold system)
- 244 ProcessingConditionforPP-LGF (장섬유 사출성형공정 인자)
-
- 3 연구방법
-
- 31 Plastic Door Module Design
-
- 311 Specification of Module Design
- 312 Creation of Mesh data
- 313 Factional design Stress FEA analysis
-
- 32 Mold Flow Analysis for Door Carrier
-
- 321 Selection of Material Grade by Moldflow
- 322 Injection Molding Condition by Moldflow
-
- 4 해석결과 및 고찰
-
- 41 Gate 수와 위치 결정
- 42 Gate 최적화 및 Warpage분석
- 43 성형 해석 결과
-
- 5 시사출 결과 및 3D 측정 결과
-
- 51 시사출 조건설정
- 52 Fixture JIG와 3차원 측정기를 이용한 제품분석
- 53 성형해석 결과와 시사출 제품측정 결과 비교
-
- 6 결론
- 참고문헌
-