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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 윤경환, 이성희
- 발행연도
- 2020
- 저작권
- 단국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수2
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플라스틱은 우리의 일상생활에 밀접하게 사용되고 있으며, 어떠한 형상에 구애 받지 않고 원하는 형태로 제작이 가능한 소재이다. 또한, 금속소재들에 비해 가볍고, 강도가 우수하며, 가격이 저렴하기 때문에 플라스틱을 사용하여 제품을 제작하는 사출 금형의 기술력도 함께 발전하고 있다. 사출성형은 일반적으로 우수한 품질의 제품을 다량으로 제작할 수 있는 소품종 다량 생산체제였으나, 고객의 요구를 반영한 제품 개발의 필요성이 증가됨에 따라 다양한 제품들을 소량 제작하는 다품종 소량생산에도 집중하기 시작하였다. 이러한 생산 체제에 맞춰 산업 현장에서는 일반적인 금속으로 제작된 사출 금형과 3D 프린터로 제작한 코어를 결합하여 사출 금형 대비, 적은 시간과 비용으로 빠른 제조가 가능한 방법을 개발하고 있다. 하지만 폴리머 코어는 금속 코어와 비교하여 낮은 강성과 열전달율을 가지고 있으며, 일반적으로 금속금형으로 제작된 제품에 비해 수축이 크다는 단점을 가지고 있다.
본 연구에서는 3D 프린팅 기술로 제작한 게이트 크기가 다른 코어들을 사용하여 사출을 진행하였으며, 코어와 성형품의 두께 측정을 통하여 게이트 크기 변화에 따른 최종 사출 성형품의 두께 방향 수축률의 경향성 및 개선 방안에 대해 연구하였다. 3D 프린터로 제작된 폴리머 코어는 선택적 레이저 소결 방식을 통하여 가공되었고, 사용된 소재는 나일론 계열의 파우더 형태인 PA2200을 사용하였다. 또한, 높은 압력이나 온도에 의한 코어의 변형을 최소화시키기 위한 성형조건 및 수지를 선정하였다. 게이트는 총 3가지 크기로 선정하였고, 취출의 용이함을 위해 반구 형태로 설계하였다. 제작된 상하측 코어 및 성형품의 두께는 일정한 간격에 맞춰 측정하였으며, 이를 통하여 코어 깊이 대비 두께 방향 수축률을 계산하였다.
그 결과 보압의 크기를 최대사출압력의 80%로 설정하는 일반적인 사출성형조건을 적용하는 경우에는 게이트 크기가 줄어들수록 최대사출압력 자체가 증가하기 때문에 두께방향 수축률이 감소되는 경향을 보였다. 폴리머 코어는 금속 코어 대비 낮은 압력과 긴 냉각시간으로 사출성형을 진행하기 때문에 수축 보상에 대한 주요한 요인으로 보압 크기의 영향이 가장 크다는 것을 확인하였다. 보압 크기 변화에 따른 두께 방향 수축률은 보압이 증가될수록 수축률이 감소되는 경향을 보였다. 본 실험에 사용된 각각의 폴리머 코어에서는 약 23~27 MPa의 보압으로 두께방향 수축률이 0%에 근접하는 실험결과를 얻을 수 있었으며, 이보다 더 큰 보압을 주게 되면 취출 불량이나 불균일한 수축 분포를 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 3D 프린팅 코어를 이용한 제품 성형 시 보압의 크기를 최대 사출압력의 80%정도로 설정하는 전통적인 사출성형 공정을 적용하는 대신, 충전과정에는 비교적 낮은 사출압력을 유도하고 보압 과정 시 과잉충전(over packing)을 이용한 방법을 통하여 두께방향의 수축률을 개선할 수 있음을 실험적으로 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 3D 프린팅 기술로 제작한 게이트 크기가 다른 코어들을 사용하여 사출을 진행하였으며, 코어와 성형품의 두께 측정을 통하여 게이트 크기 변화에 따른 최종 사출 성형품의 두께 방향 수축률의 경향성 및 개선 방안에 대해 연구하였다. 3D 프린터로 제작된 폴리머 코어는 선택적 레이저 소결 방식을 통하여 가공되었고, 사용된 소재는 나일론 계열의 파우더 형태인 PA2200을 사용하였다. 또한, 높은 압력이나 온도에 의한 코어의 변형을 최소화시키기 위한 성형조건 및 수지를 선정하였다. 게이트는 총 3가지 크기로 선정하였고, 취출의 용이함을 위해 반구 형태로 설계하였다. 제작된 상하측 코어 및 성형품의 두께는 일정한 간격에 맞춰 측정하였으며, 이를 통하여 코어 깊이 대비 두께 방향 수축률을 계산하였다.
그 결과 보압의 크기를 최대사출압력의 80%로 설정하는 일반적인 사출성형조건을 적용하는 경우에는 게이트 크기가 줄어들수록 최대사출압력 자체가 증가하기 때문에 두께방향 수축률이 감소되는 경향을 보였다. 폴리머 코어는 금속 코어 대비 낮은 압력과 긴 냉각시간으로 사출성형을 진행하기 때문에 수축 보상에 대한 주요한 요인으로 보압 크기의 영향이 가장 크다는 것을 확인하였다. 보압 크기 변화에 따른 두께 방향 수축률은 보압이 증가될수록 수축률이 감소되는 경향을 보였다. 본 실험에 사용된 각각의 폴리머 코어에서는 약 23~27 MPa의 보압으로 두께방향 수축률이 0%에 근접하는 실험결과를 얻을 수 있었으며, 이보다 더 큰 보압을 주게 되면 취출 불량이나 불균일한 수축 분포를 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 3D 프린팅 코어를 이용한 제품 성형 시 보압의 크기를 최대 사출압력의 80%정도로 설정하는 전통적인 사출성형 공정을 적용하는 대신, 충전과정에는 비교적 낮은 사출압력을 유도하고 보압 과정 시 과잉충전(over packing)을 이용한 방법을 통하여 두께방향의 수축률을 개선할 수 있음을 실험적으로 확인할 수 있었다.
목차
국문요약 ⅰ감사의 글 ⅲ목차 ⅳList of Tables ⅵList of Figures ⅶⅠ. 서론 1Ⅱ. 이론적 배경 32.1 사출금형(Injection Molding : IM) 32.1.1 사출금형의 종류 32.1.2 사출금형의 구조 52.1.3 유동 시스템 72.2 사출성형(Conventional Injection Molding : CIM) 82.2.1 사출성형기의 구조 82.2.2 사출공정단계 102.3 수축에 영향을 미치는 사출공정조건 132.3.1 금형 온도와 재료(수지) 온도 132.3.2 사출 압력 132.3.3 보압 시간과 냉각 시간 142.3.4 금형 구조와 성형품의 두께 142.4 3D 프린팅 152.4.1 3D 프린팅의 제작 원리 152.4.2 3D 프린팅의 작동 방식에 대한 분류 162.4.3 3D 프린팅 기술의 응용 방안 20Ⅲ. 실험 장치 및 방법 213.1 폴리머 코어 제작 213.1.1 3D 프린터 213.1.2 코어 재료 223.1.3 코어 모델링 233.1.4 코어 깊이 측정 263.2 사출성형실험 293.2.1 사출금형 293.2.2 사출성형기 303.2.3 사출성형 재료 323.2.4 사출성형 공정조건 333.3 수축률 평가 413.3.1 성형품 두께 측정 413.3.2 두께방향 수축률의 계산 42Ⅳ. 결과 및 고찰 434. 두께 방향 수축률 비교 434.1 게이트 크기에 따른 두께 방향 수축률 434.2 100% 이상의 보압 적용 시 두께 방향 수축률 51Ⅴ. 결론 57Reference 59Abstract 62
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