고광택 사출성형품 표면의 광택 불량 발생 기구와 조절 :Generation mechanism and control of gloss defects for high-gloss injection-molded products

김진수

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김진수 (아주대학교, 아주대학교 대학원)

지도교수: 이병옥

발행연도: 2020

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이용수7

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2020

고광택 사출성형품 표면의 광택 불량 발생 기구와 조절

김진수 기계공학과 2020.01 학위논문

2019

고광택 사출성형품의 광택불량의 원인 및 억제

김진수 , 김봉주 , 한은수 외 1명 한국생산제조학회 학술발표대회 논문집 2019.11 학술대회자료

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사출 성형 공정은 복잡한 형상과 곡면을 쉽게 성형할 수 있고, 제품의 형상과 표면이 함께 성형되어 추가적인 표면 처리가 필요 없기 때문에 외관 부품 생산에 효율적인 공정이다. 사출 성형 공정이 가지는 많은 장점에도 불구하고, 고광택 표면의 성형은 광택 불량이 쉽게 발생하므로 추가적인 장비의 도입과 제품 생산 시간의 증가로 인한 공정 효율의 감소가 불가피하다.
광택 불량 발생 기구는 고광택 사출 성형 제품 표면의 광택 차이에 대한 발생 현상을 설명하고 광택 불량이 억제되는 공정 범위를 제시한다. 성형 공정에서 발생하는 광택 차이를 설명하기 위하여, 광택과 topography가 측정되고 상관관계가 검증되었다. 광택에 대한 재료의 특성과 성형 조건의 영향이 분석되었고, 이를 종합적으로 고려하기 위한 지표를 제시하였다. 해당 지표를 통하여 광택 차이가 억제되는 공정 범위를 도출할 수 있으며, 이를 사출 성형 공정에 적용하면 많은 시행착오와 추가적인 장비의 도입 없이 광택 불량을 억제할 수 있다.
사출 성형 제품 표면의 광택 차이는 표면 거칠기에 의해서 발생하는 광 산란의 차이이다. Topography에 의한 광택 차이를 설명하는 Kirchhoff theory가 예측하는 바와 같이, 광택은 RMS 거칠기와 측면 상관 길이의 함수이다. 사출 성형된 표면의 RMS 거칠기와 측면 상관 길이는 비례 관계를 보였다. 플라스틱 표면이 금형 표면을 많이 전사할수록 표면 거칠기는 금형 표면 거칠기로 감소하였다. 따라서 광택 차이는 금형 표면의 전사 정도의 차이에 의한 거칠기의 차이이다.
사출 성형 제품 표면의 거칠기 차이는 수축으로 발생하는 거친 표면과 성형 조건에 따른 금형 표면의 전사 차이로 인하여 발생한다. 재료의 조성이 복잡할수록 불균일한 표면 수축으로 인하여 더 거친 표면이 생성되고 성형 조건에 따른 광택 변화가 심하다.
금형 표면의 전사로 인하여 거친 표면의 생성이 억제된다. 새로운 표면이 생성되는 충전 과정에서, 유동 선단의 전진으로 발달하는 압력은 금형 표면의 전사를 향상하는 구동력이다. 표면 재료의 냉각으로 회복되는 표면의 강성은 금형 표면의 전사를 억제하는 저항력이다. 금형 표면 전사에 작용하는 두 인자에 의하여 최종적으로 성형되는 표면의 거칠기가 달라진다. 압력과 표면 강성의 비율인 replication factor를 통하여 금형 표면의 전사에 대한 두 영향의 균형을 정량적으로 고려할 수 있다.
Replication factor를 이용하여 광택이 일정해지는 공정 범위를 도출할 수 있으며, 해당 공정 범위에서 광택 불량의 억제가 검증되었다. 금형 표면의 전사에 대한 압력과 온도의 영향은 replication factor를 통하여 중첩되어 고려될 수 있으므로, 금형 온도 조절 없이 사출 속도를 조절하여 온도와 압력에 의한 광택 변화 특성을 파악할 수 있다. 적은 수의 실험으로 광택 차이가 억제되기 시작하는 임계 replication factor를 얻을 수 있다. 성형 공정과 재료의 물성에 의하여 계산되는 replication factor가 임계 replication factor를 넘는 성형 조건이 광택 불량이 억제되는 공정 범위이며, 이를 실험적으로 검증하였다.

The injection molding process is an efficient process for the production of exterior parts because their surface and shape are molded together and therefore no additional surface machining is required. Despite the advantages of the injection molding process, the injection molding process for the high-gloss surface has an inevitable reduction of process efficiency due to the additional equipment and increased production time. This is because the high-gloss surfaces are vulnerable to gloss defects.
The gloss defects generation mechanism suggested in this research describes the generation of gloss difference on the high-gloss injection-molded surface and suggests a process window where the gloss defects are suppressed. To account for the gloss difference that occurs in the injection-molded products, gloss and topography were measured and their relationships were verified. The effects of the material properties and molding conditions on the gloss were analyzed. The index for considering these effects was presented. By applying a process window derived from the index, the gloss defects would be suppressed without plenty of trial and error and additional introduce of equipment.
The gloss difference stems from the light scattering caused by surface roughness. As the Kirchhoff theory explains it by topography, the gloss difference is a function of RMS roughness and lateral correlation length. It was confirmed that the lateral correlation length was proportional to the RMS roughness. As the plastic surface replicates the mold surface, the surface roughness decreased to the mold surface roughness. Therefore, the gloss difference is a difference in roughness due to the degree of mold surface replication.
The roughness difference of the injection-molded surface is caused by the surface shrinkage and mold surface replication. The complex morphology of material leads to inhomogeneous shrinkage resulting in a rough surface. The rough surface has a considerable gloss change depending on the molding conditions.
In the filling stage where the new surface is created, the pressure developed by the flow front advancement is the driving force to enhance the mold surface replication. The surface stiffness recovered by the cooling of the surface material is a resistance to suppress the mold surface replication. The generation of the rough surface is suppressed by the mold surface replication. The replication factor, which is the ratio of pressure and surface stiffness, can consider the balance of the pressure and surface stiffness on the mold surface replication.
The replication factor can be used to derive a process window for stable surface gloss. The suppression of gloss defects was verified in the derived process window. Since the combined influences of pressure and temperature on the mold surface replication can be considered by the replication factor, it is possible to consider the effect of pressure and temperature on the gloss by controlling only the injection speed. Only a few numbers of injection molding trials can yield a threshold of replication factor for stable gloss. The molding condition where the replication factor calculated by the molding condition and material properties exceeds the threshold is a process window for suppressing the gloss defects.

요약문 i
차례 iii
그림 차례 vi
표 차례 xi
사용기호 및 약어 xiii
제1장 서론 1
1.1. 표면 품질의 중요성 1
1.2. 외관 부품 성형을 위한 사출 성형 공정의 이점 2
1.3. 광택 불량 2
1.3.1. 표면 불량 3
1.3.2. 문제점 5
1.4. 연구 목적 7
1.5. 연구 범위 및 방법론 7
제2장 접근방법 15
2.1. 광택 불량 발생 기구 15
2.2. 광택 불량 제어 17
제3장 배경 이론 및 연구 19
3.1. 플라스틱 재료 19
3.2. 사출 성형 공정 단계 40
3.2.2. 사출 성형기 44
3.2.3. 사출 금형 45
3.2.4. 사출 성형 실험 48
3.3. 광택 62
3.3.1. 광택 불량의 시각적 평가 65
3.3.2. 광택 측정 70
제4장 Topography-광택 상관관계 77
4.1. 광택 불량 모사 및 SEM 분석 77
4.2. 표면 특성 측정 82
4.2.1. 사출 성형 실험 82
4.2.2. 광택 분석 82
4.2.3. Topography 특성 88
4.3. Topography-광택 모델 97
4.4. 요약 103
제5장 광택 불량 발생 기구 104
5.1. 성형 조건의 영향 104
5.1.1. 유동 선단 속도 106
5.1.2. 보압 107
5.1.3. 금형 온도 108
5.2. 불균일 수축 113
5.2.1. 수축에 의한 거친 표면의 생성 114
5.2.2. 수축 표면 층 123
5.3. 금형 표면 전사 130
5.3.1. 압력 효과 134
5.3.2. 온도 효과 140
5.3.3. Replication factor 148
5.3.4. Replication factor와 광택 비교 분석 154
5.4. 요약 159
제6장 광택 불량 조절 161
6.1. 공정 범위 도출 방법론 161
6.2. 광택 변동 허용 범위 164
6.2.1. 시각 평가 164
6.2.2. 시각 평가 결과 167
6.3. 안정된 광택을 위한 Replication factor 176
6.4. Replication factor map을 이용한 공정 범위 도출 181
6.5. 검증 결과 186
6.6. 요약 192
제7장 맺음말 193
7.1. 결론 193
7.2. 추가 연구 196
참고문헌 197
Abstract 208

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