자동차용 램프 생산을 위한 금형/성형

기술지원

2006. 11. 30

지원기관 : 한국생산기술연구원

지원기업 : 에스엘주식회사

산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 “자동차용 램프 생산을 위한 금형/성형 기술지원”(지원기간 : 2005.

12. 1～2006. 11. 30.)과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다.

2006. 12. 31.

지원기관 : 한국생산기술연구원

(대표자) 김 기 협 (인)

지원 기업 : 에스엘 주식회사

(대표자) 이 충 곤 (인)

지원책임자 : 차 백 순

참여연구원 : 박 형 필

〃 : 채 보 혜

- 3 -

기술지원성과 요약서

과제고유번호 연구기간 2005. 12. 1. ~ 2006. 11. 30(12개월)

연구사업명 부품소재종합기술지원사업

지원과제명 자동차용 램프 생산을 위한 금형/성형기술 지원

지원책임자 차 백 순 지원연구원수

총 : 3 명

내부 : 1 명

외부 : 2 명

총

사업비

정부: 100,000 천원

기업: 60,000 천원

계 : 40,000 천원

지원기관명 한국과학기술연구원 소속부서명생산기반기술본부

정밀금형팀

지원기업 기업명 : 에스엘주식회사 기술책임자 : 이 현 열

요약(연구결과를 중심으로 개조식 500자 이내)보고서

면수117

- 사출성형 CAE를 통한 게이트，냉각효율 최적화 결과를 개발금형에 적용하고

사출성형 공정에서 발생되는 사출압력 저감을 통하여 성형품 품질을 향상시킴

- 공정 모니터링 시스템을 이용하여 사출성형 공정 중에 측정된 압력/온도 시그

널의 분석을 통해 공정조건을 최적화하고, 성형품 고화시간 분석을 통하여 생산

성을 향상시킴.

ᅳ캐비티 센서를 이용한 사출성형 모니터링을 활용함으로써 성형품의 불량 원인

및 그에 대한 빠른 대처가 가능한 성형 기술 지원을 수행.

- 모니터링 데이터 분석을 통해 사출압력이 15% 이상 저감되었으며, 현장에서

필요 이상으로 가해지고 있던 보압도 33%이상 감소되었으며, 보압시간의 단축

을 통하여 전체 사이클 시간이 5% 되었음

- CAE 해석지원을 통하여 온도분포의 균일화 및 국부적인 압력집중의 방지를

달성하여 성형품의 표면광택을 향상하였음. 또한 자동보압절환 및 모니터링을

통하여 각 제품생산 쇼트간의 중량편차를 3% 이내로 유지하였음.

색 인 어

(각 5 개 이상)

한 글 자동차용 램프, 금형, 사출성형, CAE, 공정 모니터링

영 어automobile lamp, mold, injection molding, CAE,

process monitoring

- 4 -

기술지원성과 요약문

1. 사업목표

사출성형 CAE를 통한 게이트, 냉각효율 최적화 결과의 개발금형에의 적용과 이

를 통한 사출성형시 발생되는 사출압력 저감을 통하여 성형품 품질을 향상시키

며, 또한 모니터링 시스템을 이용하여 최적의 성형품 고화시간 분석을 통하여

생산성을 향상시키는 것이다. 또한 캐비티 센서를 이용한 사출성형 모니터링을

활용함으로써 성형품의 불량 원인 및 그에 대한 빠른 대처가 가능한 성형 기술

개발을 목표로 한다.

2. 기술지원내용 및 범위

1) 사출성형 CAE 활용을 통한 최적 설계 기술 지원

- 사출성형 CAE를 통하여 게이트 위치, 제품 냉각 사출성형조건 최적화

- 제품 외관의 품질 향상을 위한 웰드라인 최적화

2) 캐비티 센서를 활용한 최적 사출성형 모니터링 기술 지원

- 현장에서의 제품 생산 시 불량 발생 원인에 빠른 대처를 위한 캐비티 센서 설

치를 통하여 생산 모니터링 및 Data 관리 기술 구축지원

- 캐비티 센서를 활용한 사출성형 조건 도출 및 분석 기술 지원

- 캐비티 센서를 이용한 금형 밸런싱 및 생산 안정성 향상을 위한 밸런싱 기술

지원

3. 지원실적

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

CAE를 통한 게이트설계, 냉각

채널설계, 성형조건 최적화수동적 반영 능동적 반영

CAE를 통한 웰드라인 최적화 수동적 반영 능동적 반영

모니터링 기술 구축 미적용 시스템 구축 및 적용

센서활용 성형 분석기술 구축 미적용 활용기술 구현

센서활용 밸런싱 기술 지원 미적용 활용

사출압력 감소 330MPa 280MPa 15%

보압크기 감소 1200㎏ 800kgf 33%

보압시간(사이클 타임) 단축 12초 8초 4%사이틀타임

제품 균익화: 중량편지 5% 3%

※ 1. 지원항목 : 2번항목의 기술지원내용 및 범위를 근거로 지원실적을 항목

별로 구분하여 기재

2. 지원내용 : 지원항목별로 기술지원前․後 상황을 비교하여 기재

- 5 -

4. 기술지원 성과 및 효과

1) 해당기술 적용제품

○ 적용제품명 : 자동차 해드램프용 Bezel 및 Out-Lens

○ 모 델 명 : GMX 02 Bezel, EN Lens

2) 품질 및 가격

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질 100% 80% 90%

경쟁제품 대비 가격 100% 70% 80%

※ 객관화 된 DATA를 근거로 작성

3) 원가절감 효과

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원/년( %)

인건비 절감 백만원/년( %)

계 백만원/년( %)

※ 공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영

4) 적용제품 시장전망(매출성과)

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 144,730 백만원/년 142,523 백만원/년 2%

수 출 170,058 천달러/년 178,561 천달러/년 5%

계 314,788 백만원/년 321,084 백만원/년 %

참고) 1. 적용제품 주요수출국 : 미국

2. 작성당시 환율기준 : 1,000원

- 6 -

5) 수입대체효과

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비 고

천달러/년 천달러/년 천달원/년

천달러/년 천달러/년 천달러/년

계 천달러/년 천달러/년 천달러/년

6) 해당기술의 기술력 향상 효과

- 사출성형 CAE기술의 활용을 통한 금형설계, 사출성형 조건 설정 등 기술력

향상

- 모니터링 기술을 활용한 금형 진단, 공정 조건 설정 및 품질 관리 기술 확보

- 캐비티 센서 활용 기술을 통한 품질 향상 및 안정한 기술 확보

- 센서 시그널 분석을 통한 공정 관리 능력 확보

- CAE 해석 결과와 모니터링 기술의 접목 능력 확보

7) 기술적 파급효과

- 제품의 품질 향상, 불량률 저감 및 원재료 절감으로 품질 및 가격경쟁력 확보

- 사출성형 CAE 기술 향상으로 제픔 불량 발생 소지를 방지하고, 이를 금형설

계 및 제작, 사출 성형조건 등에 반영하여 효율적 생산기술을 확립함.

- 사출성형 모니터링 장비 및 활용기술을 향후의 개발 모델에 적용하여 금형 및

사출성형품 이력 관리 및 캐비티 모니터링을 통한 초기 성형조건 설정 등에 다

양하게 적용될 수 있음.

- 이를 통해 제품 개발 및 생산에 그 활용도가 높을 것으로 사료됨

- 신제품 개발 : CAE 및 캐비티 센서를 활용한 모니터링기술을 통한 금형 밸런

싱 및 최적성형 조건 설정 기법 개발

- 공정개선: 금형 기술 및 성형 기술 향상을 통하여 불량률 저감 및 효율적인

생산관리

- 상용화 개발 : 향후 신제품의 금형 개발 및 성형에 활발한 적용

5. 적용기술 인증, 지적재산권 획득여부

1) 규격, 인증획득

- 7 -

2) 지적재산권

6. 세부지원실적

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 20건 기술력 향상

시제품제작 건

양산화개발 2건

공정개선 2건 납기단축 및 원가절감

품질향상 2건 품질의 고급화

시험분석 3건 품질 향상

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 2건

기술마케팅/경영자문 5건 선진기술동향 정보제공

정책자금알선 5건정부출현 기술개발사업 소개 및 사업계획서

제출

논문게재 및 학술발표 건

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건

지원기업 방문회수 20건

기 타 건

※ 상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부

7. 종합의견

본 과제에서는 요청기업이 필요로 하고 있는 CAE 및 사출성형 모니터링을 통한

금형설계 및 사출성형 조건의 최적화 기술지원을 수행하였음. 사출성형 CAE 해

석기술지원을 통해 설계된 금형의 문제점 파악 및 개선사항 도출, 사출성형 조

건 및 생산성 향상을 위한 냉각효율 최적화 등이 수행되었으며, 모니터링 기술

지원을 통해 모니터링활용기술에 대한 전반적인 이해, 활용방법 그리고 이를 통

항 성형품 품질 안정 금형/성형 기술에 대한 지원이 수행되었음.

지원사업을 통해 요청기업은 모니터링 기술을 확보하였으며, 향후 제품개발에

활용하여 선진국과 대등한 품질의 자동차용 헤드램프 생산에 한 단계 더 접근한

것으로 사료됨.

- 8 -

목 차

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

제 2 절 기술지원 목표

제 3 절 기술지원 내용

제 2 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 GMX 023-Bezel의 CAE 해석 기술지원

1. GMX 023-Bezel 사출성형 1차 CAE 충전해석

2. GMX 023-Bezel 사출성형 2차 CAE 충전해석

3. 온도 센서를 이용한 Valve Gate의 Open을 위한 센서 위치 선정

4. 사출성형 CAE 해석 결과의 현장 적용

5. GMX 023-Bezel 사출성형 CAE 냉각해석

6. GMX 023-Bezel 사출성형 CAE 변형해석

제 2 절 EN LENS의 CAE 해석 기술지원

1. EN LENS의 사출성형 CAE 충전해석

2. EN LENS의 사출성형 CAE 해석 결과의 현장 적용

3. EN LENS 사출성형 CAE 냉각해석

4. EN LENS 사출성형 CAE 변형해석

제 3 절 WM Real Lens의 CAE 해석 기술지원

1. Overmolding 이란?

2. WM Real Lens의 사출성형 CAE 해석

제 4 절 사출성형 공정 모니터링의 개요

1. 사출성형 모니터링 시스템의 활용 목적

- 9 -

2. 캐비티 압력 및 온도센서의 개요

3. 수지 용융 흐름 확인을 위한 GMX 023-Bezel의 미성형 실험

제 5 절 GMX 023-Bezel과 EN Lens의 사출성형 공정 모니터링

1. GMX 023-Bezel의 사출성형 공정 모니터링

2. EN Headlamp 렌즈의 사출성형 공정 모니터링

3. 해설결과와 모니터링 데이터의 비교분석 및 발생 문제점의 대비책

제 3 장 결 론

부 록

- 10 -

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

○ 요청기업 현황

요청기업은 현재 국내 유수의 자동차 제조시 및 미국 GM사의 주 거래 기업으로 자

동차 부품을 전문적으로 개발 및 생산하는 기업으로 주 생산 품목 중 자동차용 램

프는 기능성과 외관에 대한 요구사항 매우 높은 제품으로 제품생산에 많은 문제점

을 가지고 있음.

요청기업 생산제품의 기능, 외관 품질 향상 및 생산안정성 향상이 절실히 필요한

상황이며, 기술개발시 제품 품질의 향상이 이루어져 수출제품의 세계 시장에서의

경쟁력 향상을 이룰 수 있음.

○ 애로기술

- 금형 설계 및 제작에 대한 검증 불가로 문제 발생 시 대처 능력 미흡

- 초기 사출성형 조건설정 및 품질 안정화 단계에 이르는데 많은 시간 및 비용 발

생으로 설비 Loss가 발생

- 성형품 양산과정에서 제품의 품질 산포로 원재료의 과다한 소모와 이로 인해 많

은 제품 불량이 발생되고 있으며, 결국 가격 경쟁력을 약화시키는 원인이 되고 있

음.

- 성형품 생산 중에 품질관리 및 생산 Data관리 미흡으로 문제 발생시 원인분석에

많은 어려움이 있음.

○ 기술지원 결과의 활용방안

- 요청기업의 제품의 품질 향상, 불량률 저감 및 원재료 절감으로 품질 및 가격 경

쟁력 확보

- 사출성형 CAE 기술 향상으로 제품 불량 발생소지를 미연에 방지하고, 이를 금형

설계 및 제작 사출성형조건 등에 반영하여 Trial & error 방식에서 기술적 접근을

통한 효율적 생산기술 확립을 가능케 하여 기술경쟁력 향상을 이룰 수 있음.

- 사출성형 모니터링 장비 및 기술을 향후 요청기업 제품 개발에 다양한 적용이 가

능하므로 금형 및 사출성형품 이력 관리 및 캐비티 모니터링을 통하여 초기 성형

조건 설정 등에 다양하게 적용할 수 있으며, 제품 개발 및 생산에 빠른 대처 능력

확보 가능.

- 11 -

제 2 절 기술지원 목표

CAE 및 사출성형 모니터링을 통한 금형설계 및 사출성형 조건의 최적화

○ CAE를 통한 사출성형 조건 및 생산성 향상을 위한 냉각효율 최적화

○ 캐비티 센서를 이용한 사출성형 모니터링 및 이를 활용한 성형품 품질 안정 금

형 기술 개발

- 기존사출성형 입력 대비 10% 압력 저감

- 제품 성형 싸이클 5% 단축 -> 생산증대

- 성형품의 표면 광택 향상

- 제품 중량 편차 3%이내 저감

제 3 절 기술지원 내용

○ 사출성형 CAE 활용을 통한 최적 설계 기술 지원

- 사출성형 CAE를 통하여 게이트 위치, 제품 냉각, 사출성형조건 최적화

- 제품 외관의 품질 향상을 위한 웰드라인 최적화

○ 캐비티 센서를 활용한 최적 사출성형 모니터링 기술 지원

- 현장에서의 제품 생산 시 불량 발생 원인에 빠른 대처를 위한 캐비티 센서 설치

를 통하여 생산 모니터링 및 Data 관리 기술 구축지원

- 캐비티 센서를 활용한 사출성형 조건도출 및 분석 기술 지원

- 캐비티 센서를 이용한 금형 밸런싱 및 생산 안정성 향상을 위한 밸런싱 기술 지

원

- 12 -

제 2 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 GMX 023-Bezel의 CAE 해석 기술지원

1. GMX 023-Bezel 사출성형 1차 CAE 충전해석

가. GMX 023-Bezel의 사출성형 CAE 목적

본 사출성형해석의 목적은 GMX 023-Bezel 모델에 대하여 설계 제시된 스프루/런

너/게이트를 고려한 사출성형해석(cool+flow+warp)을 수행하였다. 유동패턴 및 성

형상태를 확인하고 최대사출압력, 금형온도 분포, 변형량 결과를 도출하여 지원 업

체의 성형 문제점인 사출압력 및 표면 불량 등의 해결을 위한 밸브 게이트 적용성

확인 및 제품성형에 필요한 정보를 제공하는데 그 목적이 있다.

사출성형해석의 대상 모델은 자동차 헤드램프용 커버로써 모델명은 GMX

023-Bezel이며, 그림 3.1에는 2D 설계도를 나타내고 있다. 제품의 형상이 복잡하

며. 특히 웰드라인의 위치와 사출성형 후에도 금공정이 적용되기 때문에 표면 품질

이 우수해야 한다. 따라서 지원업체에서는 웰드라인의 위치 확보를 위한 방법으로

금형 수정을 통하여 성형품의 두께를 강제적으로 변화시켜 사출성형 중 성형품 내

의 수지 유동에 변화를 주는 방식을 이용하기 때문에 반복적인 Trial & error를 통

하여 웰드라인의 위치를 조정하고 있다. 또한, 성형중의 은줄 및 플로우마크 등의

표면결함 제거를 위하여 사출속도가 아주 낮은 상태에서 성형을 진행하고 있기 때

문에 제품 성형에서의 근본적인 문제 해결에 어려움을 겪고 있으며, 제품이 변경될

때마다 위와 같은 시행착오를 계속 겪고 있다. 그림 3.2에는 해석 지원 모델의 3D

형상을 보여 주고 있다. 그림 3.3에는 설계된 제품의 두께 분포를 나타내고 있으며,

웰드라인 위치 제어를 위한 수지 유동 제어를 위하여 제품 설계 시 적용된 두께 변

화 부위를 확인 할 수 있다.

- 13 -

그림 3.1 GMX-023-Bezel의 2D 설계도

그림 3.2 GMX-023-Bezel의 3D 설계도

- 14 -

그림 3.3 GMX-023-Bezel의 두께 분포

나. 삼차원 솔리드 모델의 유한요소 생성

사출성형 해석 프로그램으로 MAPS3D(VMTECH사)와 MPI(MOLDFLOW사)를 병행하

여 사용하였다. 사출성형해석을 위해서는 삼차원 CAD로 설계된 솔리드 모델을 사

용하여 해석을 수행하여야 한다. 일반적으로 성형해석을 위한 유한요소 작업으로는

세가지의 mesh 형태를 사용할 수 있다. 첫째로 제품 살 두께의 중간 면을 취출해

서 만든 midplane mesh 형태와 둘째로 제품의 3차원 형상을 그대로 받아들이고

대신 내부가 빈 fusion mesh 형태와 세 번째로 fusion mesh의 내부가 채워진 3d

mesh의 형태가 있다. midplane mesh와fusion mesh는 전체 면적에 비해 두께를

무시할 수 있는 형상(약 3t 이하)에 대해 적용하고 두께의 변화가 적고 모델이 단순

할 경우엔 midplane을, 그렇지 않을 경우엔 fusion mesh를 이용하고, 3d mesh는

두께 편차가 심하고 복잡한 형상에 사용된다.

모델의 유한요소 생성 작업은 사출성형해석에서 가장 시간이 많이 소요(약80-90%)

되는 부분이다，일반적으로 해석결과의 신뢰성을 확보하기 위해서는 보다 많은 유

한요소를 생성해야하며, 각각의 삼각메쉬는 정삼각형에 가깝도록 생성해야 한다. 즉

aspect ratio가 적을 쪽으로 유한요소를 생성해야 한다. 물론 유한요소 생성시 사이

즈 조절에서 크기를 작게 하면 크게 하는 경우 보다는 양질의 유한요소를 생성시킬

수는 있으나, 이렇게 되면 상대적으로 해석시간이 기하급수적으로 증가하게 된다，

그러므로 CAE 최적화 설계기술개발에서는 신속한 결과를 줄 수 있는 유한 요소 생

성기술이 절대적으로 중요하게 된다.

- 15 -

본 유한요소 작업에서는 Fusion mesh와 3d mesh를 이용하여 사출성형해석을 진

행하였다. 그림 1.4에는 MAPS3D를 통하여 생성된 3D mesh를 보여주고 있다. 특

히 해석의 정확도 향상을 위하여 게이트 및 러너를 제품과 같이 3차원 형상을 이용

하여 mesh를 형성하도록 하였다.

그림 3.4 GMX- 023-Bezei의 유한요소 모델 생성

다. GMX 023-Bezel의 사출성형 CAE에 사용된 수지 및 성형기

사출성형에 사용된 수지는 Bayer사의 pec HT DP l-9349/5(PC) 이다. 폴리카보네

이트(PC)는 방향족 그룹이 카보네이트에테르 그룹(OCOO)에 의해 연결되어 있는

일종의 긴고리 폴리에스테르로 강하고, 강인하며 투명하다. 또 넓은 온도 범위에 걸

쳐서도 그 성질을 유지하며 일반적으로 엔지니어링 플라스틱으로 분류된다. 폴리카

보네이트는 기계적 강도가 대단히 강하고 인장강도, 굴곡강도 뿐만 아니라 층격강

도도 대단히 큰 수치를 나타낸다. 또한 성형품이 장기간 물에 침전된 후 또는 130

도 고온으로 가열된 후에도 재료의 특성이 변하지 않으며 투명성과 내충격성 및 양

호한 내후성을 지니고 있어 유리대체품으로 파괴될 문제가 있는 곳에 적합하다. 따

라서 이 재료는 옥외의 조명응용 및 안전헬멧, 필터, 자동차, 램프 하우징, 보호안

경 렌즈, 식탁용 식기류, 컴퓨터 하우징, 터미널 박스 등에 사용된다.

- 16 -

폴리카보네이트 수지는 135도 정도의 고온에서 타 수지와 비교하여 온도의존도가

대단히 뛰어나며 내한성 역시 -100도 이하까지 견딘다. 또한 폴리카보네이트는 비

결정성 수지로써 약5/1000의 성형 수축을 가지며, 제품 성형 시는 재료의 수분 함

유 관리를 잘 해야 한다. 특히 약간의 수분함유에도 성형 시에 기포가 발생되고, 특

히 재료의 용융온도 관리가 잘못 될 경우에도 발생되기 때문에 성형에 앞선 재료

관리가 체계적으로 이뤄져야 한다..

앞서 설명한 것처럼 본 성형해석에서는 사출성형해석용 프로그램으로

MAPS3D(VMTECH사)와 MPI(MOLDFLOW사)를 병행하여 사용하였으며, 지원프로그

램의 polymer DB에 있는 Bayer사의 Apec HT DP l-9349/5(PC)를 사출성형해석에

사용하였다.

(1) 사출성형 해석에 적용된 고분자 수지 특성

- GMX 023-Bezel에 사용된 수지의 특성

- 17 -

그림 3.5 GMX 023-Bezel의 CAE에 사용된 PC수지의 PVT선도

- 18 -

그림 3.6 GMX 023-Bezel의 CAE에 사용된 PC수지의 점도선도

2) 사출성형기

사출성형기는 JSW의 J650ELIII(2300H) 사출기로서 표 3.1과 같은 사양을 가지고

있다. 그러나 사출성형해석 프로그램(MAPS3D, MPI)에서는 지원업체의 사출성형기

정보를 지원하지 않으므로 사출성형에서 사용되는 스크류 직경, 사출압력, 사출률,

형체력을 입력하여 성형해석에 적용하였다.

표 31 JSW J650EUIⅡ(2300H)의 주요 사양

- 19 -

라. 게이트 및 냉각채널 설계

통상 금형설계를 할 때 가장 중요한 사항 중에 하나가 게이트 설계와 냉각시스템의

설계이다. 본 사업에서는 참여업체에서 설계된 게이트와 냉각채널 설계의 최적화를

판단하기 위하여 설계된 게이트 및 냉각채널을 이용하여 CAE 성형해석을 진행하였

다. 그림 3,7에는 설계된 게이트 및 냉각채널의 2D 설계도틀 나타내고 있다. 제품

의 크기가 크고 형상이 복잡하기 때문에 재료의 유동을 고려하여 팬형상의 게이트

를 적용하였으며, 냉각채널의 경우는 제품의 형상이 복잡하고, 이로 인하여 금형 설

계 시 슬라이드 코어가 많이 배치되어 배플을 이용한 냉각 방식을 주로 적용하였

다. 그림 3.8에는 설계 데이터를 이용하여 구현된 CAE 해석 모델을 보여주고 있다.

그림 3.7 GMX-023-Bezel 금형의 냉각 및 게이트 설계

- 20 -

그림 3.8 GMX 023-Bezel의 냉각 및 게이트 설계를 적용한 CAE 모델

마. GMX 023-Bezel의 충전해석

사출성형 CAE의 해석과정은 실제 사출성형의 각 단계의 과정과 매우 유사하게 구

성된다. 사출성형 해석은 여러 설계 및 재료와 공정조건의 조합을 통한 충전해석

과 냉각해석, 보압해석, 휨해석의 결과로 성형품의 품질, 비용과 성능에 미치는 영

향에 관한 최적 공정조건에 의한 사출성형을 가능하게 해준다. 따라서 종래의 사출

기의 이용하여 반복된 시행착오를 통한 불량문제의 해결을 컴퓨터 시뮬레이션을 이

용하여 일정조건을 입력하여 얻어진 결과로 문제를 해결할 수 있다.

현재 지원 기업체에서는 1개의 Hot-rumer를 이용하여 2-cavity 제품을 성형하기

때문에 성형기에 무리한 사출압력이 작용하며, 특히 게이트 부위의 제품에 성형 중

과도한 압력이 작용하여 최종 성형품에 재료 밀도가 높아져 2차 공정인 도금처리를

하였을때 그 부위의 광택이 줄어드는 불량이 발생되는 문제를 가지고 있었다. 이러

한 불량 현상은 반복적으로 나타나고 있으며, 성형 조건의 설정 또한 안정화가 되

질 않아 작업자가 바뀔 때 마다 성형 조건을 재설정 하고 있는 실정이었다. 따라서

성형품의 과도한 압력에 의한 불량 방지 및 성형기에 무리하게 작용하는 사출압력

제거를 위하여 밸브게이트 도입을 검토하였으며, 기존 설계된 모델과 비교를 통한

밸브게이트의 적용성 검증을 위하여 CAE 성형해석을 수행하였다. 그림 3.9에는 제

안된 설계안을 나타내고 있으며, 각 모델에 대한 성형해석을 통하여 압력 분포 및

웰드라인의 위치를 확인하도록 하였다.

- 21 -

(a) Gl 게이트 만 사용

(b) G! 게이트+ VG(Valve Gate) 사용

그림 3.9 GMX- 023-Bezel의 CAE 해석을 위하여 제안된 모델

- 22 -

지원 업체의 성형조건을 기초로 하여 사출시간, 보압, 보압시간, 냉각시간, 냉각온

도, 수지온도, 금형온도 등을 선정하였으며, 적용된 성형조건은 표 1.1에 나타내었

다.

표 3.2 사출성형 CAE 성형해석 공정범위

1) 충전해석

충전해석이라 함은 수지가 금형을 어떻게 채워 가느냐 하는 과정의 분석이라 할 수

있다. 사출 성형품의 특성은 기본적으로 어떻게 성형되느냐에 따라 다르다. 똑같은

도면의 같은 재료로 된 두 개의 성형품일지라도 각기 다른 조건하에서 성형된다면

응력 및 수축의 정도가 다른 성형품이 될 수 있다. 따라서 이것은 두 성형품이 사

용중 서로 다르게 거동한다는 것을 의미한다. 그러므로 어떤 상태로 수지가 금형내

로 들어가느냐 하는 것이 성형품의 품질을 결정하는 아주 중요한 요인이 된다. 그

러므로 충전 과정 중 금형내의 압력, 온도, 응력을 예측할 수 있다는 것은 충전과정

을 확실히 해석할 수 있다는 것을 의미한다.

충전과정을 시작하면 금형이 닫히고 금형이 닫혀 진 상태에서 노즐 앞쪽에 있는 수

지가 금형의 캐비티로 유입되게 된다. 유입된 수지는 스프루 런너를 채우고 유동선

단은 작고 볼록한 물방울 모양을 형성하며 캐비티 내로 들어간다. 이때 금형 캐비

티와 접촉하는 표면의 수지는 매우 빨리 고화되며, 중심부의 수지는 용융된 상태를

유지한다. 수지가 계속 전진함에 따라 뒤에서 들어오는 새로운 수지가 중심부에 남

아있는 수지를 앞으로 밀면서 계속 충전되어 가게 된다. 충전해석을 통하여 수지의

충전 패턴, 미성형, 웰드라인과 에어트랩의 위치, 압력 분포, 온도분포, 형체력 등을

예측할 수 있다.

그림 3.10에는 지원 기업체의 적용 중인 G1 게이트 만을 사용한 성형과 G1 게이

트와 VG(Valve Gate)가 적용된 CAE 해석 결과 중 유동 패턴을 나타내고 있다.

- 23 -

(a) G1 게이트 만 사용

(b) G1 게이트 + VG(Valve Gate) 사용

그림 3.10 G1 게이트, G1게이트 + VG(Valve Gate)의 유동패턴 비교

- 24 -

수지의 유동은 그림 3.10 (a), (b)에 보듯이 밸브게이트의 사용여부에 관계없이 유

동에 차이가 없음을 확인할 수 있었다. VG의 Open 시점을 빨리 할 경우 수지의

유동은 변화될 수 있다. 그러나 본 제품의 경우 웰드라인과 사출압력의 저감이 주

목적이기 때문에 VG의 Open 시점을 빨리 할 경우 웰드라인의 위치가 변화되고,

VG를 통과한 수지와 G1 게이트를 통과한 수지가 만나며 추가적인 웰드라인을 형

성하기 때문에 VG의 Open 시점을 항상 수지가 밸브게이트 지점을 지날 때 Open

하여 웰드라인의 형성을 방지하도록 하는 기능이 고려된 설계가 필요함을 확인하였

다. 이러한 기술을 시퀀스 사출이라 하며, 본 해석의 목적 또한 시퀀스 사출의 적용

성을 알아보려 함이다. 그림 3.10(b)에 보듯이 수지의 흐름이 VG 보다 제품 중심부

의 유동이 빠른 것을 확인할 수 있었다. 이러한 유동은 시원스 사출효과를 볼 수

없을 것으로 판단하였다.

(a) G1 게이트 사용

- 25 -

(b) G1 게이트 + VG(Valve Gate) 사용

그림 3.11 G1 게이트, G1 게이트 + VG(Valve Gate)의 사출압력 분포 비교

그림 3.11 (a)에는 G1 게이트를 이용하였을 경우에 성형품 내부에 분포하는 사출

압력을 나타내고 있다. 스프루 끝단에 작용하는 최대 사출압력은 102.5MPa로 높게

형성됨을 알 수 있었다. 특히 성형품 내부의 압력 분포 편차를 확인한 결과

43.17%의 압력 차이를 보이고 있음을 확인할 수 있었으며, 게이트 부위가 전체

성형품에서 가장 높은 압력을 받고 있음을 확인하여, 2차 도금공정에서 발생되는

불량현상 원인이 됨을 알 수 있었다. 그림. 311 (b)는 G1 게이트와 VG를 같이 적

용하였을 경우의 성형품 내부의 사출압력 분포를 나타내고 있다. G1 게이트 만을

사용했을 경우의 결과와 다르게 스프루 끝단의 최대 사출압력이 79MPa로 저감되었

음을 확인할 수 있었다. 또한 성형품 내부에 형성되는 사출압력의 분포차이도 14%

로 저감됨을 확인하였다. 특히 G1 게이트 적용보다 게이트 부위에 형성되던 높은

사출압력이 최대 22.3% 저감되는 결과를 얻을 수 있었다.

- 26 -

(2) 웰드라인 위치

a) G1 게이트 웰드라인 분포 b) G1게이트 + VG의 웰드라인 분포

그림 3.12 G1 게이트, G1게이트 + VG(Valve Gate)의 웰드라인 분포

그림 3.12는 G1게이트만을 사용한 경우와 G1 게이트와 VG를 사용했을 경우의 웰

드라인 분포를 나타내고 있다. 웰드라인의 위치는 크게 변하지 않았음을 확인할 수

있었으며, VG가 사용된 경우에는 의도하지 않은 웰드라인이 형성됨을 확인할 수

있었다.

따라서 현재 VG의 사용이 사출압력 감소 측면에서는 어느 정도 효과를 얻을 수 있

을 것으로 판단되지만, 웰드라인의 감소측면에서는 큰 효과를 얻지 못함을 알 수

있었다.

- 27 -

2. GMX 023-Bezel 사출성형 2차 CAE 충전해석

가. Valve Gate 위치 변경 검토

1차 해석 결과 현재 게이트 설치 위치에서는 밸브 게이트의 효과를 크게 얻을 수

없을 것으로 판단하였다. 하지만 밸브게이트 사용으로 최대 사출압력이 상당히 저

감되는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 현재 위치에서의 밸브게이트는 게이트 부근

의 압력 집중현상은 크게 개선하기 힘들 것으로 보인다. 또한 현재 게이트의 위치

에서는 G1 게이트로 유입된 수지가 양쪽 밸브게이트 위치에 도달하기 전에 밸브게

이트 위치부근에 공간을 형성하며 유입되기 때문에 밸브게이트를 통과한 수지가 성

형품에서 만나며 의도하지 않는 웰드라인을 형성하는 문제를 일으킨다. 따라서 밸

브게이트의 위치가 적절치 못한 것으로 판단하였다. 그러나 밸브게이트 위치를 변

경할 경우 그림 3.13의 점선 표시부의 슬라이드 코어로 인하여 설치에 제약이 따르

는 문제를 확인할 수 있었다. 그 결과 현재의 밸브게이트는 위치변경이 어려울 것

으로 보이며, 그림 3.13의 실선 표시에 나타냈듯이 오히려 가운데 유입되는 게이트

의 수정이 적절한 것으로 판단하였다.

그림 3.13 밸브게이트 위치 변경을 위한 금형 설계도

- 28 -

나. GMX 023-Bezei의 변경된 G1 게이트 + VG(Valve Gate)에서의 충전해석

설계 변경을 진행하기 전에 간략화 된 CAE 해석을 통하여 수지의 유입경향을 판단

하여 보았다. 게이트를 제품 끝단 부위로 이동하였을 경우 수지 유동이 밸브게이트

위치에 도달하여 적절할 것으로 판단되었으며, 이에 대한 정확한 해석을 위하여 그

림 3.14의 형상으로 게이트 위치를 수정하였다.

그림 3.14 변경된 G1 게이트 + VG(Valve Gate) 사용

- 29 -

(1) 충전해석

그림 3.15 변경된 G1 게이트 + VG(Valve Gate)의 유동패턴

그림 3.15는 변경된 G1의 CAE 성형해석의 유동패턴을 나타내고 있다. G1 게이트

의 변경으로 수지의 유동이 정체되지 않으며, 균일한 충전 패턴을 가짐을 확인할

수 있었다.

- 30 -

그림 3.16 변경된 G1 게이트 + VG(Valve Gate)의 사출압력 분포

변경된 G1 게이트 + VG를 사용하였을 경우 성형품의 사출압력 분포를 확인하도록

하였으며, 그 결과를 그림 3.16에 나타내었다. 최대 사출압력의 경우는 변경전의

G1 게이트와 VG 사용에서 보다 증가하였지만, G1 만을 사용했을 경우의 압력보다

는 약16% 저감됨을 확인할 수 있었다. 특히 변경된 게이트 위치가 성형품 내부 의

사출압력 분포 차이를 5.8%로 가장 적게 형성함을 확인하였다.

- 31 -

(2) 웰드라인 위치

그림 3.17 변경된 G1게이트 + VG(VaIve Gate)의 웰드라인 분포

게이트 위치 변경으로 웰드라인이 변화됨을 그림 3.17을 통하여 확인하였다. 따라

서 G1 게이트의 위치변화를 통하여 VG의 효과를 크게 할 수 있음을 알 수 있었다.

그러나 VG 부근의 성형품에 웰드라인은 계속 나타났다. 이는 VG의 Open 시간 조

정을 통하여 해결할 수 있을 것으로 판단하였다. 따라서 최적의 VG Open 시간을

찾기 위한 해석을 진행하였다.

- 32 -

다. GMX 023-Bezel의 최적의 VG Open 시간

(a) Valve Gate의 Open시간 : 3.15 sec

(b) Valve Gate의 Open 시간 : 3.4 sec

- 33 -

(c) Valve Gate의 Open 시간 : 3.65 sec

그림 3.18 VG의 Open 시간에 따른 최대 사출압력 및 웰드라인 위치

VG의 Open 시간에 따른 최대 사출압력 및 웰드라인의 위치를 그림 3.18에 나타내

고 있다. 최대 사출압력의 경우는 VG의 Open 시간 증가에 따라서 점차압력이 증

가되는 결과를 얻을 수 있었다. 이는 변경된 G1 게이트를 통과한 수지가 VG 게이

트가 Open 되기 전에 충전이 진행되어, 상대적으로 VG 게이트 Open 뒤에는 수지

유입이 어려워지는 문제로 인하여 충전이 완료된 제품 후단부에 과보압의 작용으로

사출압력이 증가한 것으로 판단된다. 웰드라인 위치의 경우 Open 시점이 늦어질수

록 웰드라인이 성형품이 아닌 VG 러너부에 형성됨을 확인하였으며, 사출압력을 크

게 증가시키지 않는다면 웰드라인을 줄일 수 있는 VG Open 시간이 3.15~3.4sec

사이에 있음을 확인하였다.

- 34 -

라. GMX 023-Bezel의 제안된 3모텔의 유동해석 결과 비교

GMX 023-Bezel 모델의 유동해석을 통하여 얻어진 결과를 표 3.3에 정리하였다.

표 3.3 GMX 023-Bezel의 유동해석 결과 비교

- 35 -

3. 온도 센서를 이용한 Valve Gate의 Open을 위한 센서 위치 선정

일반적으로 밸브게이트 시스템은 Nozzle부 중앙에 Valve Pin이 설치되어 성형과정

중에 닫혀 있던 Valve Pin을 유압 및 공압에 의해서 작동시켜 사출성형을 진행하는

시스템을 말한다. 이 시스템의 특징은 Valve Pin의 작동을 사출 후 사출압력이 유

지되는 동안 닫을 수 있고 다음 Shot 재료공급을 위해 가소화 할 수 있으며, 또 금

형이 닫힘과 동시에 Gate를 열어 사출압을 Cavity로 전달할 수 있다. 성형품의 수

량 형상이 다른 몇 개의 Cavity로 구성되어 있는 경우나, 대형 성형품이 몇 개의

Gate로 구성되어 있는 경우, 시원스 동작을 통해 각 Cavity의 충전량을 조절할 수

있고 웰드라인 등을 개선 또는 이동 시킬 수 있다.

특히 Valve Gate System은 Gate를 크게 할 수 있어 저압성형 및 고속성형이 가능

하며 제품의 끝단까지 성형이 무리없이 이루어질 수 있다. Gate가 Valve Pin에 의

하여 차단되므로 Gate Seal을 완전하게 할 수 있으며 Gate 흔적이 미려한 제품표

면을 얻을 수 있으며 내부응력이 감소되어 성형 변형률이 적고 제품품질이 향상되

며, 금형의 수명도 연장된다. 또한 Gate를 비교적 크게 할 수 있어 제품의 두께를

얇게 할 수 있으며, 냉각시간을 단축할 수 있다. 표 3.4에는 밸브게이트와 Open

gate의 특징을 나타내고 있다.

표 3.4 Valve Gate와 Open Gate의 특징 비교

- 36 -

기존의 밸브게이트 제어 장치는 타이머를 이용하여 왔다. 타이머를 사용할 경우 정

확한 VG의 컨트롤이 어려우며, 특히 성형중의 Cavity 내부 상황에 대처가 불가한

단점을 가지고 있어서 성형작업자가 성형품의 품질을 판단하며 시간을 조정하여 왔

다. 이러한 단점을 보완하고 Cavity 내부의 수지유동에 능동적인 대처가 가능한 방

법으로 온도센서를 이용한 VG의 제어기술이 최근 상용화 되어 가고 있다. 따라서

본 지원사업의 시스템에 이를 적용하도록 하였으며, 적용을 위한 온도센서의 설치

위치를 CAE 해석을 이용하여 계산하도록 하였다. 그림 1.1은 CAE 해석을 통하여

얻어진 부위별 유동속도를 나타내고 있다.

그림 3.19 온도 센서 설치 위치의 계산을 위한 치수 및 유동속도 정의

그림 3.19의 부위별 유동 속도를 이용하여 온도센서의 설치 위치를 계산하도록 하

였다.

×

여기서, 는 수지의 유입시간을 나타내며, 은 수지의 유동거리를, 는 수지의 유

동속도를 나타낸다.

- 37 -

표 3.5에는 계산된 결과를 나타내고 있으며, 그림 3.20에는 제품 내에 설치되는 온

도센서 위치를 보여주고 있다.

표 3.5 온도센서 설치 위치 계산

그림 3.20 변경된 G1 + VG의 적용에서 계산된 온도센서 설치 위치

CAE 유동해석을 통하여 변경된 Valve Gate 위치가 가장 효과적인 것으로 판단하였

으나, 금형 구조의 변경이 어려워 기존의 G1게이트에 밸브게이트가 채용된 모델을

채택하도록 하였다.

- 38 -

그림 3.21에는 Hot runner의 지연시간을 고려하여 온도센서위치를 계산한 결과 보

여주고 있다.

그림 3.21 G1 + VG의 적용에서 계산된 온도센서 설치 위치

- 39 -

4. 사출성형 CAE 해석 결과의 현장 적용

일반적으로 사출성형 CAE는 제품 성형 전에 미리 수치적 계산을 통한 시뮬레이션

을 이용하여 제품 성형에 있어서의 문제점 파악 및 수지의 유동 밸런스를 이루는

게이트 위치를 선정 할 때 많이 사용되고 있지만, 사용 폭이 예측하는데 그치고 있

는 실정이다. 따라서 사출성형 CAE를 통하여 예측된 결과를 실제 사출성형에 반영

할 수 있는지에 대하여 알아보았다.

사출성형해석을 위해서는 제품의 형상 데이터(유한요소)와 제품성형에 사용되는 재

료의 물성, 제품성형을 위한 공정데이터 등이 구비되어야 한다. 일반적으로 수지온

도, 금형온도 등은 CAE Tool에서 제공되지만, 사출성형기의 램 프로파일은 해석을

통하여 분석하여야 한다. 이를 분석하기 위하여 초기 해석 조건에서는 램 스피드를

1단 정속으로 주어 수지가 채워짐에 따른 사출유량변화 및 유동 선단부 면적(Melt

front area) 결과를 분석하도록 한다. 그리고 이 결과를 이용하여 램스피드를 최적

화 시켜 재해석을 수행한다. 최적화된 램 스피드는 기존 사출압력 대비 약20%의

사출압력 저감 효과를 얻을 수 있다. 그러나 많은 사람들은 사출성형 CAE를 단지

금형 내에서 발생되는 수지의 유동 패턴 및 압력 분포 결과를 분석하기 위한 Tool

로써 사용하고 있다. 사출성형 CAE의 활용은 결과의 올바른 분석과 이를 실제 사

출성형에 알맞게 적용하는 것이 사출성형해석의 최적화라 할 수 있을 것이다.

가 사출성형 CAE의 램 스피드 최적화

초기 사출성형 해석은 서두에 언급하였듯이 1단 정속의 사출속도로 제품성형을 하

기 때문에 성형에 걸리는 사출압력이 상대적으로 높게 형성되게 된다. 따라서 많은

문헌에서는 사출압력의 저감을 위한 방법으로써 다단사출을 권장하고 있으며, 이는

실제 사출성형 및 CAE 해석 모두 동일하다.

다단사출성형은 게이트에 이르는 시점까지는 수지의 유입을 빠르게 하고, 게이트

통과 시점에서는 속도를 낮추어 젯팅 등의 불량현상 및 좁은 게이트를 통과할 때

발생되는 사출압력을 저감시켜 준다. 게이트를 통과한 수지는 유동 선단부 면적 및

제품 체적을 고려하여 체적이 많이 들어가야 하는 구간에서는 사출속도를 빠르게

하고, 단면이 줄어들거나 체적이 작은 구간에서는 사출속도를 느리게 하여 캐비티

내부에 충전되는 수지흐름이 전체적으로 동일한 흐름을 가지도록 하는데 있다.

- 40 -

G1 게이트만을 사용하였을 경우에 대해서 사출속도 최적화 해석을 진행하였다. 그

림 3.22는 사출속도를 1단 50%의 정속으로 성형해석을 수행하여 얻어진 유동패턴

및 사출압력 분포 결과로써 사출압력이 최대 102MPa로 상당히 높게 형성되고 있

음을 볼 수 있다. 사출압력이 높아질 수 밖에 없는 이유는 사출속도 50%를 유지하

기 위하여 게이트 및 단면적이 작은 구간에서 상대적으로 50%의 사출속도를 유지

하기 위하여 상승되는 사출속도로 압력이 같이 상승하기 때문이며, 충전 말단부에

서는 수지의 선단부가 상당 부분 고화되어 발생되는 점도 상승도 주요 원인이다.

성형품 내부의 유동패턴은 말단부에서는 유동 거리에 차이가 발생하지만, 내부충전

은 일정한 유동속도를 가지며 충전되고 있음을 확인할 수 있었으며, 사출압력이 높

게 형성되는 원인이 성형품 내부의 충전 속도를 일정하게 유지하기 위하여, 사출압

력이 높게 형성되기 때문임을 알 수 있었다.

(a) 1단 사출속도에서의 유동패턴

- 41 -

(b) 1단 사출속도에서의 사출압력

그림 3.22 1단 사출속도에서의 충전해석 결과

지원업체에서 사용하고 있는 성형조건으로 성형해석을 진행하였다. 그림 3.23은 사

출조건, 해석을 통하여 얻어진 유동패턴 및 사출압력을 나타내고 있다. 해석된 결과

를 살펴보면, 유동패턴은 성형품의 50%까지 충전이 느리게 진행되고 있으며, 이후

사출속도가 높게 형성되고 있었으며, 사출압력의 경우도 최대 사출압력이 119MPa

로 높게 형성되고 있었다. 특히 성형품 내부의 압력 분포가 큰 차이를 보이며 분포

하고 있었다. 사출시간의 경우 CAE 해석을 통하여 7.0sec에 형성되고 있을 확인하

였으며, 이론적 계산을 통한 사출시간과 CAE해석에서의 사출시간이 일치함을 확인

하였다. 그러나 실제 사출성형에서는 약12sec의 사출시간이 소요되고 있어, 실제

사출성형이 사출속도에 의한 제어가 아닌 압력에 의하여 제어되고 있는 것으로 판

단하였다.

- 42 -

(a) 지원 업체 성형조건에서의 유동패턴

(b) 지원업체 성형조건에서의 사출압력

그림 3.23 지원업체의 성형 조건을 이용한 충전해석 결과

이렇듯 높게 형성되는 사출압력의 저감을 위하여 다단사출을 진행하였다.

- 43 -

다단사 출성형의 구간 적용은 1차 해석에서의 시간에 따른 체적 변화와 유동선단부

면적을 고려하여 진행하였으며, 사용된 데이터의 일부분을 그림 3.24에 나타내었

다.

그림 3.24 CAE 해석 시 제공되는 시간 및 충전체적에 따른 압력 및 유동속도 결과

그림 3.24와 같이 얻어진 1단 사출속도 해석 결과를 통하여 체적 변화량과 사출유

량과의 관계를 그래프로 나타내면 그림 3.25와 같다

그림 3.25 1단 사출속도에서의 체적 변화량 vs 사출유량

- 44 -

이때의 사출유량과 사출속도와의 관계는 다음의 수식으로 계산할 수 있다.

스크류단면적×속도

사츨유량

여기서, 1000은 사출기의 최대유량의 단위환산을 위한 값

계산을 통하여 얻어진 램 스피드를 스트로크와의 관계로 나타내면 그림 3.26의 결

과를 얻을 수 있으며 표3.6에 결과를 나타내었다.

그림 3.26 스트로크와 램 스피드 결과를 이용한 다단사출조건(6단) 도출

표 3.6 스트로크와 램 스피드의 6단 사출조건

1단 해석을 통하여 얻어진 표 3.6의 결과를 이용하여 다단사출 성형해석을 진행하

였으며, 그림 3.27에 적용된 사출조건, 해석을 통하여 얻어진 유동 패턴 및 사출

압력을 나타내고 있다.

- 45 -

(a) 6단 사출조건에서의 유동패턴

(b) 6단 사출조건에서의 사출압력

그림 3.27 CAE 해석을 이용하여 도출된 6단 사출 조건을 이용한 충전해석 결과

- 46 -

나 CAE 해석 결과의 실제 사출성형 적용

다단사출속도 설정을 통한 사출속도 최적화를 통하여 최대사출압력이 67MPa로 낮

추어졌음을 확인하였으며, 불필요하게 높게 형성되는 압력을 상쇄시켜 성형품 내부

에 높게 형성되는 압력을 전체적으로 약 45%정도 저감할 수 있었다. 그러나, 사출

성형 해석을 통하여 젯팅, 은줄등의 불량현상은 예측하기 어렵기 때문에 이는 실제

사출성형에서 고려하여 한다. 따라서 해석된 결과를 실제 사출성형에 적용하기 위

하여 공정조건을 도출하여 보았다.

CAE 해석 결과를 실제 사출성형기에 적용하기 위해서는 간단한 계산이 필요하게

된다. 우선 사출성형기에 사용되는 스크류 직경 흑은 배럴 직경을 알아야 한다.

(1) 사출성형기

사출성형기의 모델은 일본 JSW사의 J650 EL III 2800H 이며, 이때 사출기 배럴의

이론적 체적을 구하면 다음과 같다.

- 사출기의 스크류 직경 : 84㎜

- 스크류 단면적 : 5541.769㎟

- 스트로크: 420 ㎜

- 배럴의 총체적 : 2327543.165㎣

또한 사출성형기의 형체력은 650 ton, 사출속도는 160 ㎜/s, 최대사출압력은

190MPa 이다.

(2) GMX 023-Bezel 데이터

CAE 해석을 통한 제품의 기본적인 데이터는 다음과 같다.

- 제품의 총체적 : 1055600㎣

- 사출기 배럴의 총체적 제품 총 체적 = 1271943㎣

- 이론적인 계량거리 : 190.48㎜

하지만 CAE를 통하여 얻어진 결과는 실제 제품의 중량을 측정하여 계산할 때는 다

르게 계산될 수 있다. 제품의 중량은 940g 이었으며, 사용된 재료(PC)의 밀도는

0.000995g/㎣ 이다. 이를 통하여 제품의 체적을 구하면 944723.6㎣ 이다 사출성형

CAE의 체적 결과와 실제 제품중량측정을 통해 계산된 체적과의 차이는110876.38

㎣ 이었다

- 47 -

실제품의 체적을 기준으로 사출성형기의 스트로크를 다시 계산하면 170.47㎜로 계

산되었다. 계산결과에는 쿠션량이 고려되지 않았기 때문에 쿠션량 15㎜를 고려하면

약185㎜로 실제 사용되고 있는 계량거리와 유사함을 알 수 있었다. 실제 사용되고

있는 성형조건은 표 3.7과 같으며, 계량거리는 185㎜이며, 수지온도는 320도 이다.

표 3.7 지원업체에서 사용되고 있는 GMX 023-Bezel의 성형조건

설정된 사출 조건표를 이용하여 적용된 속도로 사출되고 있는지를 간단한 계산을

통하여 확인하였으며, 표 3,8에 나타내었다.

표 5.8 설정 사출속도 제어 여부의 판단

현재 사출되고 있는 시간은 12.9초로 확인되었는데 계산상으로는 표 3.8과 같이 약

7.2초에 성형이 완료되어야 함을 확인하였으며, 성형기의 delay time을 고려한다

할지라도 시간의 차이가 큰 것으로 나타났다. 따라서 이를 통하여 현재 사출성형조

건이 사출속도로 구간이 적용되고 있지만 사출성형기의 cut-off 압력에 제한되어

압력으로 절환된 제어가 이루어지고 있음을 확인할 수 있었다.

사출성형기의 사출압력은 사출속도 제어 시 발생되는 유동저항이 설정된 사출압력

을 초과하게 되었을때 스크류의 보호를 위한 안정장치라 말할 수 있다.

- 48 -

이는 유동저항이 증가함에 따라 스크류에 점차 높은 압력이 걸리게 되고 이로 인하

여 금형에도 영향을 미치게 되는 경우가 발생하게 된다. 이를 방지하기 위하여 사

출압력을 설정하게 되는 것이다.

예를 들면 사출성형기의 사출속도를 최대속도에 70%로 입력하고 사출압력을

30bar로 설정했으며, 캐비티 형상이 유로가 길고 성형품두께가 얇을 경우 사출성형

기는 초기 70%의 사출속도로 사출을 진행하다가 캐비티 형상으로 인하여 점차 유

동저항이 발생하게 된다. 이로 인하여 스크류에 걸리는 사출압력이 점차 증가하게

되고 계속 증가하던 사출압력이 30bar에 이르게 되면 사출성형기는 스크류 보호를

위하여 이후부터는 30bar의 압력을 가지고 수지흐름 선단부의 대기압과의 압력 차

이에 의하여 밀려들어가게 된다. 이것은 결과적으로 수지의 흐름제어가 이루어지지

않음을 의미하며, 사출 속도변화에도 의미가 없어지게 되는 것이다. 또한 최대사출

율의 값을 알고 있다면 사출속도와의 관계를 통하여 설정속도에 따른 사출율을 알

수 있을 것이다. 이것은 캐비티의 체적과 연관하여 생각한다면 대략적인 사출시간

또한 계산이 가능함을 의미하지만 실제 사출시간과는 차이가 나타나게 된다. 이는

사출성형기가 사출속도를 내기 위하여 초기 상태에서 입력 사출속도까지 이르기 위

한 사출기 유압에서의 delay time을 가지기 때문이며, 이것은 사출속도가 올라 갈

수록 그 현상이 크게 나타나게 된다. 따라서 이를 고려한 계산이 이뤄져야 한다.

실제 사출성형 결과와 차이가 있음을 감안하여야 하지만, CAE 해석을 통해 계산된

사출성형조건으로 사출성형으로 진행하기 위하여 표1.1을 고려하여 도출된 다단사

출해석의 사출속도 프로파일을 실제 성형기에 적용을 위한 공정조건으로 환산하였

다. 표 3.9에는 스트로크 190㎜를 기준으로 도출된 성형조건을 나타내고 있다.

표 3.9 Stroke 190㎜, 사출속도 최대 50% 기준의 성형조건

- 49 -

다. G1 게이트 + VG(Valve Gate)사용에서의 최적 사출조건 도출

G1 게이트만을 사용한 다단사출조건 도출결과와 동일한 방법으로 G1과 VG를 같이

사용할 경우의 다단사출조건을 도출하도록 하였다. 그림 3.28에는 1단 사출에서의

유동패턴 및 압력분포를 나타내고 있다. 이때 G1을 통하여 유입되는 수지 유동을

고려하여 VG의 Open 시간을 3.6sec로 하였다. 그 결과 최대 사출압력이 79Mpa로

나타났으며 G1을 통과한 유동 흐름이 VG의 수지유동과 만나 수지정체가 이뤄짐을

확인할 수 있었다. 그러나 밸브게이트의 적용으로 성형품의 압력분포는 균일하게

분포되고 있는 장점은 얻을 수 있었다.

(a) G1 게이트 + VG(Valve Gate)의 1단 사출조건에서의 유동패턴

- 50 -

(b) Gl 게이트 + VG (Valve Gate)의 1단 사출조건에서의 유동패턴

그림 3.28 G1 게이트 + VG(Valve Gate)의 1단 사출조건을 이용한 충전해석 결과

G1 게이트만을 이용한 해석에서 다단사출조건을 도출했듯이 G1 게이트와 VG를 같

이 사용한 해석에서도 1단 해석의 결과를 이용하여 다단사출조건을 도출하였다. 그

림 3.29에는 도출된 6단의 사출속도 프로파일을 나타내고 있다.

- 51 -

그림 3.29 G1 게이트 + VG(Valve Gate)의 6단 사출속도 프로파일

그림 3.29의 도출된 다단사출조건을 이용하여 CAE 해석을 진행하였다. 그림 3.30

에는 해석에 적용된 사출속도 프로파일을 나타내고 있으며, 해석을 통하여 얻어진

유동패턴 및 압력분포를 나타내고 있다. 1단 사출의 해석결과와는 다르게 유동 패

턴이 균일하게 분포되고 있음을 확인할 수 있었으며, 사출압력의 경우도 65MPa 로

떨어짐을 확인할 수 있었다.

(a) G1 게이트 + VG(Valve Gate)의 6단 사출조건에서의 유동패턴

- 52 -

(b) G1 게이트 + VG(Valve Gate)의 6단 사출조건에서의 사출압력

그림 3.30 CAE 해석을 이용하여 도출된 G1 게이트 + VG(Valve Gate)의 6단

사출조건을 이용한 충전해석 결과

해석결과를 토대로 실제 사출성형에 적용하기 위한 성형조건을 도출하도록 하였다.

표 3.10에 도출된 성형조건을 나타내고 있다.

표 3.10 G1 게이트 + VG(Valve Gate)의 성형 조건

CAE 해석을 통하여 G1게이트와 VG의 사용 시 사출속도 최적화가 사출압력 및 사

출시간 저감에 영향을 미치고 있음을 확인하였으며, VG의 Open 시 발생되는 압력

강하 현상을 고려하여 실제 성형에서 적용을 위한 VG의 Open시간 탐색이 필요한

것으로 판단되었다. 특히 VG의 Open으로 인하여 발생되는 충전 정체 현상이 성형

품 품질에 미치는 영향에 대한 분석 또한 실험을 통하여 확인할 필요가 있을 것

로 사료된다.

- 53 -

5. GMX 023-Bezel 사출성형 CAE 냉각해석

설계된 냉각채널을 바탕으로 냉각해석을 진행하였다. 그림 3.31에는 CAE 해석을

통하여 얻어진 냉각채널의 온도 분포를 나타내고 있으며, 표 3.11에는 채널별 결과

데이터를 나타내고 있다. 그 결과를 살펴보면 A와 C의 냉각채널은 유로가 길어 맙

력강하가 크게 일어나고 있으므로 A와 C의 냉각수 유입 속도를 높여줘야 할 것으

로 판단하였다. 또한 금형온도 조절기의 냉각수 유량이 해석결과의 분당 유량보다

높으면 냉각에 문제가 없을 것으로 판단되었다.

그림 3.31 냉각해석을 통하여 얻어진 채널별 온도 분포

- 54 -

표 3.11 채널별 냉각해석 결과

그림 3.32에는 성형품의 전면부와 후면부의 온도 분포를 나타낸 결과로써 전면부의

경우 온도 분포는 약130도~160도의 온도 분포를 가지고 있었으며, 수지회사에서

권장하는 취출 온도보다 약간 높게 형성됨을 알 수 있었다. 후면부의 경우는 성형

품 중앙부의 램프 주위에 온도가 국부적으로 높게 형성됨을 확인할 수 있었다. 이

러한 결과는 성형품의 깊이가 다른 부위에 비해서 깊고, 그로 인하여 냉각채널의

설치가 어려워 나타난 결과로 보여진다. 따라서 램프주위의 배플을 성형품 표면과

근접한 추가 가공이 필요할 것으로 보여 진다.

- 55 -

(a) 성형품 전면부의 표면온도

(b) 성형품 후면부의 표면온도

그림 3.32 성형품 전/후면의 냉각해석 결과

- 56 -

냉각 해석을 통하여 분석된 결과를 표 3.12에 정리하였다.

표 3.12 냉각해석의 분석 결과

6 GMX 023-Bezel 사출성형 CAE 변형해석

사출 성형품은 성형 직후 또는 일정시간이 지난 뒤에 여러 가지 변형이 발생하게

된다. 일반적으로 이러한 흼은 성형된 제품의 부위별 수출(Shrinkage)의 차이에 의

해서 발생한다.

수축 차이의 원인은 사출성형품 내의 분자 또는 섬유의 배향차이, 불균일한 금형의

냉각, 제품의 냉각속도 차이, 제품형상에서의 비대칭, 불합리한 성형공정으로 발생

하며, 수축을 균일화하는 것은 많은 수축차이 발생 요소들의 상호 작용 때문에 복

잡한 일이다. 그러므로 플라스틱 사출성형 CAE를 통해서 설계 단계에서 최종 사출

성형품의 수축 및 휨을 예측함으로써 불량 요인을 사전에 파악하고, 제품 설계 금

형 설계, 재로 선정과 최적의 성형 조건을 결정하기 위한 중요한 자료를 제공한다.

앞서 수행한 충전해석, 보압해석, 냉각해석의 결과로부터 성형품의 변형을 예측하였

다.

그림 3.33에는 1단의 사출속도, 지원업체에서 사용 중인 사출조건, 계산에 의해서

도출된 다단사출조건 등으로 해석된 변형결과를 나타내고 있다. 1단의 사출속도로

해석된 결과의 변형량이 지원업체 조건과 다단사출조건 보다 크게 나타났으며, 지

원업체의 성형조건이 가장 변형량이 작은 결과를 보임을 확인하였다.

- 57 -

(a) 1단의 사출속도

(b) 지원업체에서 사용 중인 사출조건

- 58 -

(c) CAE 해석을 이용하여 도출된 6단 사출 조건

그림 3.33 성형 조건 별 변형해석 결과

변형에 영향을 미치는 주요 인자의 확인을 위하여 각 인자들의 개별 결과를 분석하

도록 하였다. 분석 인자는 다음과 같다.

● 배향에 의한 변형

● 냉각에 의한 변형

● 수축에 의한 변형

배향에 의한 변형의 경우 본 연구에 사용한 수지에 GF가 함유되지 않았기 때문에

해석 결과 분석에서는 배재하도록 하였다. 표 3.13에는 인자들의 최대 변형량 결과

를 나타내고 있다.

- 59 -

표 3.13 성형 조건 별 Isolate Warpage 결과

수축에 의한 최대 변형량이 가장 크게 나타났으며, 수축에 의한 변형은 평면 및 두

께 방향의 수축차이에 의해서 발생되는 변형을 나타낸다. 따라서, 수축 효과에 의한

변형 개선을 위해서는 보압공정의 올바른 설정을 통하여 충전 말단부에서 게이트

부까지 일정한 압력 분포를 가지는 보압 설정이 필요한 것으로 판단되었다.

냉각 효과에 의한 변형량의 경우 다단사출조건이 작은 변형량을 가짐을 알 수 있었

다. 이것은 사출속도의 최적화를 통하여 금형 내 수지의 유동속도를 수지의 정체가

없이 일정하게 유지하여 냉각속도를 다른 조건에 비해서 균일하게 유지하여 나타난

결과로 보여진다. 냉각에 의한 변형을 줄여주기 위해서는 금형온도, 충전 후의 부위

별 수지온도 차이를 줄여주도록 공정을 개선한다면 변형량이 좀 더 개선될 것으로

판단된다.

- 60 -

제 2 절 EN LENS의 CAE 해석 기술지원

1. EN LENS의 사출성형 CAE 충전해석

본 사출성형해석은 GMX 023-Bezel 모델의 사출성형 CAE와 동일한 방법으로

EN-LENS 모델에 관하여 주어진 Delivery system을 이용한 사출성형 CAE를 수행

하였다. 유동패턴 및 성형 상태를 확인하고 최대사출압력, 금형온도 분포, 변형량

결과를 도출하여 지원업체의 성형 문제점의 파악 및 개선을 위한 제품성형에 필요

한 정보를 제공하는데 그 목적이 있다.

사출성형해석의 대상 모델은 자동차 헤드램프용 렌즈로 모델명은 EN-LENS이며,

그림 3.34에는 3D CAD 모델을 나타내고 있다. 렌즈 제품이기 때문에 형상은 복잡

하지 않지만, 성형품 표면에 웰드라인이 발생되지 않아야 한다. 따라서 1개의 게이

트로 성형을 하고 있으며, 그로 인하여 높은 사출압력이 발생하는 문제를 가지고

있으며, 성형품에 플래쉬(flash)가 발생 및 변형이 발생되는 문제를 가지고 있다.

그림 3.34 EN LENS의3D CAD 모델

따라서 본 해석은 주요 문제점인 높은 사출압력을 성형품에 균일한 분포로 작용하

도록 하며, 최대 사출압력을 저감할 수 있는 방안을 도출하기 위한 해석을 진행하

였다. 또한 지원업체에서 설계된 냉각 채널의 검증 및 개선안을 제공하고, 변형해석

을 통하여 변형을 최소로 하는 성형조건을 제안하고자 한다.

- 61 -

가. 삼차원 솔리드 모델의 유한요소 생성

지원 업체에서 설계된 EN LENS 모델을 이용하여 유한요소모델 작업을 진행하였다.

그림 3.35에는 생성된 유한요소모델을 나타내고 있다.

그림 3.35 EN LENS의 유한요소 모델

나. EN LENS의 사출성형 CAE에 사용된 수지 및 성형기

사출성형에 사용된 수지는 GE Plastics사의 LEXAN LS2 111(PC)이다 사출성형 해

석용 프로그램으로 MAPS3D(VMTECH사)와 MPI(MOLDFLOW사)를 병행하여 사용하

였으며, 지원프로그램의 polymer DB에 있는 수지를 이용하여 사출성형해석을 진행

하였다.

(1) 사출성형 해석에 적용된 고분자 수지 특성

- EN LENS에 사용된 수지의 특성

- 62 -

그림 3.36 EN LENS의 CAE에 사용된 PC수지의 PVT선도

- 63 -

그림 3.37 EN LENS의 CAE에 사용된 PC수지의 점도선도

(2) 사출성형기

사출성형기는 JSW의 J1000ELIII(3100H) 사출기로서 표 3.14와 같은 사양을 가지고

있다. 그러나 사출성형해석 프로그램에서는 지원업체의 사출성형기 정보를 지원하

지 않으므로 사출성형에서 사용되는 스크류 직경, 사출압력 사출률, 형체력을 입력

하여 성형해석에 적용하였다.

- 64 -

표 3.14 JSW J1000ELIII(3100H)의 주요 사양

라. 냉각채널 설계

지원업체에서 설계된 냉각채널 설계의 최적화를 판단하기 위하여 설계된 냉각채널

을 이용하여 사출성형 CAE를 진행하였다. 그림 3.38에는 설계된 냉각채널의 2D

설계도를 나타내고 있다. 냉각채널의 경우는 성형품의 측면부가 언더컷으로 존재하

여 슬라이드 코어가 내/외측에 존재하며 이로 인하여 냉각채널이 복잡한 구조를 가

지고 있다. 그림 3.39에는 설계 데이터를 이용하여 구현된 CAE 해석 모델을 보여

주고 있다.

- 65 -

그림 3.38 EN LENS 금형의 냉각 및 게이트 설계

그림 3.39 EN LENS의 냉각 및 게이트 설계를 적용한 CAE 모델

- 66 -

마. EN LENS의 충전 해석

EN LENS는 GMX 023-Bezel과 동일하게 1개의 Hot-rumer를 이용하여 2-cavity

제품을 성형하기 때문에 성형기에 무리한 사출압력이 작용하며, 제품 성형 중에 발

생되는 과도한 압력으로 인하여 플래쉬(flash) 발생 및 성형품 내부의 불균일한 압

력 분포로 변형이 크게 발생되는 문제를 가지고 있었다. 따라서 성형문제의 원인

및 개선점의 파악을 위하여 사출성형 CAE를 진행하였으며, 해석에 적용된 성형조

건을 표 3.15에 나타내었다.

표 3.15 사출성형 CAE 성형해석 공정범위

- 67 -

(1) 충전해석

그림 3.40에는 표 3.15의 성형조건을 이용하여 해석된 결과 중 유동 패턴을 나타내

고 있다.

그림 3.40 EN LENS의 유동패턴

게이트를 통과한 수지의 유동패턴이 균일한 속도로 충전되지 못하고 있었으며, 충

전 말단부에서는 충전이 느리게 진행되고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 유동패턴

의 결과에서 확인할 수 있듯이 성형품의 위쪽 부위가 먼저 충전이 완료되어 과보압

이 작용하고 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 제품 내부의 유동 균형을 위한 게이

트 위치 조정이 필요할 것으로 판단하였다.

스프루 끝단에서 작용하는 최대 사출압력을 그림 3.41에 나타내고 있다. 게이트를

통과하며 높은 사출압력이 발생된 이후, 성형품 체적 약 85% 까지는 압력 상승이

크게 일어나지 않고 있다. 이것은 성형품의 형상이 복잡하지 않아 수지 유동에 방

해를 주는 요소가 없기 때문에 나타난 결과로 보여진다. 그러나 85% 이후에는 사

출압력이 급격히 증가됨을 확인할 수 있었으며, 이것은 수지의 점도가 급격히 떨어

져 나타난 결과고 판단된다.

- 68 -

이러한 문제 해결을 위해서는 2점의 게이트를 사용하는 것이 바람직한 것으로 판단

되지만, 제품의 특성상 웰드라인이 존재하지 않아야 하기 때문에 어려울 것으로 보

여 진다. 따라서 불균일한 사출속도의 개선 및 성형조건의 최적화가 필요할 것으로

판단하였다.

그림 3.41 EN LENS의 최대 사출압력

높게 형성되는 사출압력이 형체력에 미치는 영향을 확인하도록 하였다. 그림 3.42

에는 형체력의 시간에 따른 분포를 나타내고 있다. 사출압력이 증가함에 따라 형체

력도 동일하게 증가함을 확인하였으며, 그 수치는 적용중인 사출기에 비해서 용량

이 크게 초과되는 결과를 보였으나, 일반적으로 해석결과의 20-30%를 감안하여 형

체력을 판단한다.

그림 3.42 EN LENS의 시간에 따른 형체력 변화

- 69 -

2. EN LENS의 사출성형 CAE 해석 결과의 현장 적용

EN LENS의 사출성형 CAE를 통하여 예측된 결과를 실제 사출성형에 반영을 위한

성형조건을 도출하도록 하였다. 해석 시간의 단축을 위하여 1개의 캐비티에 대한

해석을 진행하도록 하였다.

가. EN LENS의 램 스피드 최적화

지원업체에서 사용하고 있는 성형조건을 이용하여 성형해석을 진행하였다. 그림

3.43은 유동패턴 및 사출압력을 나타내고 있다. 해석 결과를 살펴보면, 유동패턴은

충전 말단부 근처를 제외하고 일정하게 분포되고 있음을 확인할 수 있었다. 사출압

력는 최대 사출압력이 약 159MPa로 형성되고 있으며, 사출시간은 8.165sec에 형

성되고 있었다.

a) 지원업체 성형조건에서의 유동패턴

- 70 -

b) 지원업체 성형조건에서의 사출압력

그림 3.43 지원업체 성형조건에서의 충전해석 결과

사출압력의 저감 및 변형량 감소를 위하여 다단사출을 진행하였다. 1차 해석 결과

를 이용한 사출속도 최적화를 통하여 다단사출구간을 정의하도록 하였다. 그러나

GMX 023-Bezel의 결과와는 다르게 유동 속도만을 개선시키고, 사출압력은 지원업

체의 조건보다 오히려 높은 결과를 나타내었다. 이것은 높은 사출속도의 영향에 의

한 것으로 보여 지며, 그림 3.44에 충전해석 결과를 나타내고 있다.

- 71 -

(a) 지원업체 성형조건에서의 유동패턴

(b) 지원업체 성형조건에서의 사출압력

그림 3.44 지원업체 성형조건에서의 충전해석 결과

- 72 -

그림 3.45에는 다단사출성형의 CAE 해석에 사용된 램 스피드와 스트로크의 관계를

나타내고 있으며, 실제 사출성형을 위한 환산된 공정조건은 표 3.16에 나타내었다.

그림 3.45 스트로크와 램 스피드 결과를 이용한 다단사출조건(6단) 도출

표 3.16 Stroke 182㎜ 기준에서의 성형조건

3. EN LENS 사출성형 CAE 냉각해석

설계된 냉각채널을 바탕으로 냉각해석을 진행하였다. 그림 3.46에는 CAE 해석을

통하여 얻어진 냉각채널의 온도 분포를 나타내고 있으며 표 3.17에는 채널 별 결과

데이터를 나타내고 있다.

그 결과를 살펴보면 B, C, D의 냉각채널은 별다른 문제가 나타나지 않았으며, 입출

구의 온도차이도 4℃ 이내로 문제가 없음을 확인하였다. 그러나 A(그림 3.46의 표

시부위) 냉각채널은 배치방식이 직렬방식이 아닌 병렬로 연결되어 냉각수의 정체가

발생하여 Reynolds No.가 현저히 저하됨을 확인할 수 있었으며, 채널의 변경이 필

요할 것으로 판단하였다.

- 73 -

그림 3.46 냉각해석을 통하여 얻어진 채널별 온도 분포

표 3.17 채널별 냉각해석 결과

그림 3.47에는 성형품의 전면부와 후면부의 온도 분포를 나타낸 결과로써 전면부의

경우는 원활한 냉각이 이루어지고 있음을 확인할 수 있었으며, 후면부의 경우는 냉

각채널의 잘못된 설계로 인하여 냉각이 원활히 진행되지 못하여 전면부에 비해 온

도가 높게 형성됨을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 성형품의 변형을 발생시키고,

성형 싸이클을 증가시키는 원인이 된다.

- 74 -

(a) 성형품 전면부의 표면온도

(b) 성형품 후면부의 표면온도

그림 3.47 성형품 전/후면의 냉각해석 결과

- 75 -

4. EN LENS 사출성형 CAE 변형해석

그림 3.48에는 1단의 사출속도, 지원업체에서 사용 중인 사출조건, 계산에 의해서

도출된 다단사출조건 등으로 해석된 변형결과를 나타내고 있다. 1단의 사출속도로

해석된 결과의 변형량이 지원업체 조건과 다단사출조건 보다 크게 나타났으며, 다

난사출 성형조건이 가장 변형량이 작은 결과를 나타냈다.

그림 3.48 성형 조건 별 변형해석 결과

변형에 영향을 미치는 주요 인자의 확인을 위하여 각 인자들의 개별 결과를 분석하

도록 하였다. 분석 인자는 다음과 같다.

● 냉각에 의한 변형

● 수축에 의한 변형

표 3.13에는 인자들의 최대 변형량 결과를 나타내고 있다.

- 76 -

표 3.18 성형 조건 별 Isolate Warpage 결과

유동해석 결과와는 다르게 다단사출조건의 변형량이 작게 나타났다. 이것은 다단사

출조건의 경우 사출압력이 높게 형성되어 수축량을 억제 시킨 것으로 판단되며, 수

축 효과에 의한 변형 개선을 위해서는 보압공정의 조정을 통하여 충전 말단부에서

게이트부까지 일정한 압력분포를 가지도록 보압 설정을 변경 할 필요가 있는 것으

로 판단되었다.

냉각 효과의 경우 1단 사출속도는 불균일한 유동으로 인하여 변형이 크게 발생되었

으며, 지원업체의 조건에 비해서 최적화 조건의 변형이 작게 나타났으며, 그 이유는

충전 시간의 차이로 보여 진다. 특히 냉각에 의한 변형을 줄여주기 위해서는 냉각

채널의 구조적인 개선이 필요할 것으로 판단된다.

- 77 -

제 3 절 WM Real Lens의 CAE 해석 기술지원

1. Overmolding 이란?

Overmolding은 비용을 감소시키기 위한 다기능 및 다색제품의 사출성형이 가능하

기 때문에 근래에 많이 이용되고 있는 성형공법으로, 2개의 부품을 한 개의 부품으

로 제작하거나 부품의 내부 외부에 다른 수지를 적용하여 사출하는 경우에 이용되

고 있다. 그림 3.49에는 Overmolding의 단순 금형 형상 및 사출성형기를 보여주고

있다. 그림3.49(a)를 살펴보면, 먼저 1차금형에 성형 후 1차 성형품을 2차 성형할

수 있도록 하여 2차금형의 케비티와 1차 성형품 공간에 2차 수지를 충전하여 성형

하는 방식을 나타내고 있다. 그림 3.49(c)는 두 재료를 이용한 Overmolding 제품의

유동 선단부의 개념도를 나타내고 있다. 일반적으로 알려져 있듯이 각 재료의 성형

부 표면층에 배향이 일어남을 나타내고 있다. 따라서 수지의 배향성 등도 고려하여

성형을 진행해야 할 것이다.

그림 3.49 Overmolding 금형, 성형기 및 수지 특성

Overmoldmg의 대표적인 성형방법을 그림 3.50에 나타내고 있다. 그림 3.50(a)은

1차 성형 후에 금형을 회전시켜, 2차 성형을 진행하는 방식을 보여주고 있으며, 이

방식을 이용할 경우 사출성형기의 이동측이 회전을 할 수 있는 구조를 가져한다.

그림 3.50(b)는 금형 회전이 없이 1차 성형품을 로봇 등을 이용하여 2차 성형을 위

한 캐비티로 이동시켜 성형을 진행하는 방식을 보여주고 있다. 그림 3.50(c)는 금

형 제작시 금형내부에 유압 및 공압장치를 설치하여 1차 성형이 완료된 코어를 슬

라이드 시키는 방식을 보여주고 있다.

- 78 -

그 외에도 생산성을 고려한 다양한 방식의 성형방법이 사용되고 있다.

그림 3.50 Overmolding 성형 방법

Overmolding은 두 재료를 사용하여 하나의 제품을 성형하기 때문에 각 재료간의

접합성도 고려해야 한다. 그림 3.51은 각 재료간의 관계를 나타내고 있다. 특히 동

일 재료를 이용하거나 수지의 용융온도 차이로 2차 성형시 1차 성형품이 재 용융되

는 문제는 현재 산업현장에서 가장 어려움을 겪고 있는 애로사항으로 알려져 있다.

그림 3.51 각각의 재료 접합성 관계

- 79 -

따라서 아래와 같은 사항을 고려하여 설계가 이루어 져야 한다.

● 이중사출의 2차사출물의 틈새는 2차 제품 재료의 틈새를 적용해야 한다.

● 1차제품의 유동이 없어야 한다.

● 제품의 밀착성이 좋아야 한다.

● 2차 성형 시 1차 제품의 변형이 발생되지 말아야 한다.

2. WM Real Lens의 사출성형 CAE 해석

본 사출성형해석의 목적은 WM Real Lens 모델의 Overmolding CAE를 수행하여

유동패턴 및 성형상태를 확인하고 현재 발생되고 있는 변형을 알아보는데 그 목적

이 있다. 사출성형해석의 대상 모델은 자동차 브레이크 램프의 커버로써, 그림

3.52에는 3D CAD 모델을 나타내고 있다. 본 제품은 Overmolding 제품이기 때문

에 1차 성형품의 변형이 2차 성형 후에 추가되는 문제를 가지고 있다.

그림 3.52 WM Real Lens의 3D CAD 모델

가. 삼차원 솔리드 모델의 유한요소 생성

지원 업체에서 설계된 WM Real Lens 모델을 이용하여 유한요소모델 작업을 진행

하였다. 그림 333(a), (b)에는 생성된 유한요소모델을 나타내고 있다. 그림 3.53(a)

의 성형품이 1차 성형된 후에 그림 3.53(b)의 성형품이 (a)성형품 위에 성형되기

때문에 Overmolding 해석을 위한 유한요소 모델에 있어서는 두 경계면의 Node가

서로 공유되도록 모델링 하는 것이 중요 포인트이다.

- 80 -

(a) 1st 성형품의 유한요소 모델 (b) 2nd 성형품의 유한요소 모델

그림 3.53 Overmolding을 위한 유한요소 모델

나 WM Real Lens의 사출성형 CAE에 사용된 수지 및 성형기

사출성령에 사용된 수지는 LG Chemical사의 PMMA IH-830으로 투명과 적색의 동

일 수지를 사용하였다. 사출성형해석용 프로그램으로 MPI(MOLDFLOW사)를 사용하

였으며, 지원프로그램의 polymer DB에 있는 수지를 이용하여 3D 사출성형 CAE를

진행하였다.

(1) 사출성형 해석에 적용된 고분자 수지 특성

- WM Real Lens에 사용된 수지의 특성

- 81 -

그림 3.54 WM Real Lens의 CAEM에 사용된 PMMA수지의 PVT선도

- 82 -

그림 3.55 WM Real Lens의 CAE에 사용된 PMMA수지의 점도선도

2) 사출성형기

사출성형기는 Meiki 1300ton의 사출기로서 표 3.19와 같은 사양을 가지고 있다. 그

러나 사출성형해석 프로그램에서는 지원업체의 사출성형기 정보를 지원하지 않으므

로 사출성형에서 사용되는 스크류 직경, 사출압력, 사출률, 형체력을 입력하여 성형

해석에 적용하였다.

표 3.19 Meiki 1300ton의 주요 사양

- 83 -

다. WM Real Lens의 충전해석

WM Real Lens는 앞서 언급하였듯이 1차 성형품에 2차 성형품을 사출성형 하기 때

문에 여러 문제점들이 발생하게 된다. 따라서 사출성형 CAE 해석에서 제공되는 결

과들을 통하여 현재 지원업체의 성형조건에서의 유동패턴 등을 판단하도록 하였으

며, 변형해석 또한 진행하였다. 지원 업체의 성형조건을 기초로 하여 사출성형 CAE

를 위한 사출시간, 보압, 보압시간, 냉각시간, 냉각온도, 수지온도, 금형온도 등을

선정하였으며, CAE 해석에 적용된 성형조건을 표 3.20에 나타내었다.

표 3.20 사출성형 CAE 성형해석 공정범위

(1) 충전해석

그림 3.56(a), (b)에는1차와 2차 성형품의 유동 패턴을 등고선 형태로 나타내고 있

다.

(a) WM Real Lens의 1st 성형품 유동 패턴

- 84 -

(b) WM Real Lens의 2nd 성형품 유동 패턴

그림 3.56 WM Real Lens의 유동패턴

WM Real Lens의 1st 성형품 유동 패턴의 경우 충전이 진행되어 성형품 체적의

45-60% 수지의 흐름이 느리게 진행됨을 확인 할 수 있으며, 충전 말단부로 가면서

는 유동패턴이 불균일한 흐름을 보이며 상당히 빠른 속도로 채워지고 있음을 확인

할 수 있다. 따라서 1st 성형품의 경우는 사출속도의 재설정이 필요한 것으로 판단

된다. 2nd 성형품 유동 패턴의 경우는 1st와 마찬가지로 게이트 통과 후에 유동선

단부 면적이 증가하여 수지흐름이 느려짐을 확인할 수 있었으며, 충전 말단부의 경

우는 1st 성형품에 비해서 균일한 유동패턴을 형성하고 있다.

- 85 -

(a) WM Real Lens의 1st 성형품 압력 분포

(b) WM Real Lens의 2nd 성형품 압력 분포

그림 3.57 WM Real Lens의 압력 분포

그림 3.57에 나타났듯이 1st 성형품의 압력 분포의 경우 불균일하게 형성되고 있으

며, 이 결과는 유동 패턴의 영향으로 보여진다. 2nd 성형품의 경우는 게이트를 중

심으로 압력이 점차 줄어들며 분포하고 있음을 확인 할 수 있었다.

- 86 -

따라서 2nd의 보압 설정은 압력 분포차이를 고려하여 다단으로 설정한다면 균일한

수축량을 가져갈 수 있어서 최종 성형품의 변형을 더욱 줄여줄 것으로 판단된다.

그림 3.58에는 WM Real Lens의 변형해석 결과를 보여주고 있다. 최대 변형량은

1.814㎜로 나타났으며, 최대 변형 발생부위는 성형품의 모서리 부위에서 발생하였

다.

그림 3.58 WM Real Lens의 변형해석 결과

- 87 -

제 4 절 사출성형 공정 모니터링의 개요

1. 사출성형 모니터링 시스템의 활용 목적

사출성형 모니터링 시스템은 금형의 캐비티 내부의 압력 및 온도의 측정/분석을 통

해 최적의 사출조건을 선정하고, 선정된 사출조건을 관리함으로써 품질에 대한 문

제발생을 사전에 방지하고, 문제 발생시 현상을 파악하는 도구임.

그림 3.59 금형 내의 압력 및 온도센서 설치

또한 캐비티 압력 및 캐비티 온도 변화와 아래 내용의 연계성을 확인하고 그 결과

를 금형 설계 및 제작에 활용함

○ 금형 내부의 과도한 캐비티 압력 -> 금형 변형 및 파손의 원인

일반적으로 금형 내부에 걸리는 과도한 압력에 의해 금형이 변형되면서 궁극으로는

파손될 수 있음. 이러한 연관관계를 센서를 통해 변형 및 파손 가능성에 대한 확임

이 필요함.

○ 부위별 금형 표면 온도 측정을 통한 전체 금형 냉각 효율 검증

성형 해석 등에 의해 설계되어 배치된 금형 냉각 채널의 효율을 캐비티 온도 센서

를 통해 확인 및 수정 보완 사항을 찾아봄.

○ 캐비티 압력 측정에 의한 형체력 확인

금형 내부에 걸리는 압력과 투영면적을 통해 계산된 형체력에 대한 확인

- 88 -

○ 캐비티 압력 변화에 따른 제품 변형량 연계성 확인

변화되는 캐비티 압력과 제품 변형량과 연관성에 대한 확인 및 검증

○ 사출성형해석 조건의 실제 구현 확인

성형 해석에서 적용한 사출속도, 금형 온도, 충진 시간 등의 각종 사출 성형조건이

실제로 금형에 적용되는 지에 대한 확인 및 검증

○ 캐비티 온도 센서를 통한 제품 취출 온도 확인

제품의 표면 온도를 측정하는 캐비티 온도 센서를 이용하여 냉각수가 순환된 일정

시간 뒤 감지되는 온도를 이용하여 제품 취출이 가능한 지에 대한 검토

가. 해외 선진기업의 적용사례

독일 HELLA 社의 경우 모든 사출금형에 대해 100% 센서를 설치하여 모니터링을

실시하고 있음.

○ 활용현황

1) 개발단계 : 사출성형 조건 선정

2) 양산초기 : 사출성형 조건 육성

3) 양산시 : 양산품질관리 및 Trouble shooting 도구

- 89 -

나. 기조건 선정

- 금형 개발단계부터 시사출전문가와 양산공장 사출전문가가 공동으로 시사출을 실

시하여 조건을 선정.(센서에 의해 선정된 조건의 내압, 온도 데이터 등을 저장)

- 이를 통해 유동발란스 육성 및 적정 제품 품질을 확보

그림 3.60 초기 성형 조건 설정

다. 양산조건 선정

- 금형이관시, 초기 선정 조건 기준으로 양산 조건 설정 및 육성함. (공동실시)

- 센서 데이터 기준, 사출기 Parameter는 시사출기 및 양산사출기와는 상이함.

그림 3.61 기준 압력그래프를 이용한 성형조건 설정

- 90 -

라. 양산품질관리

- 사출품질 중요 인자(사출압)관리로, 내압 이상제품(불량) 자동 처리 및 문제 해결

방법 제시

그림 3.62 양산 품질 관리

2. 캐비티 압력 및 온도센서의 개요

가. 캐비티 압력 그래프의 특징

금형 내부에 작용하는 용융수지의 압력 변화를 통해 사출성형 공정 중에 사출 성형

품의 특성을 알 수 있는 도구로 다음과 같은 내용을 확인할 수 있음.

● Overpacking

● Residual Pre