- 고객: 중원대학교 Mold Automation Education Resource Center (MAERC)
- 구역: 타이완
- 산업: 교육
- 솔루션: Moldex3D Advanced / Gas-Assisted Injection Molding
수행요약
가스 사출 성형(GAIM)은 플라스틱 제품 제조 산업에서 널리 적용되어 왔다. 큰 비행체와 자동차 부품에서부터 작고 널리 사용되는 소비자 제품까지 가스 사출은 품질과 효율을 향상시키면서 중량, 재료, 싸이클타임, 비용의 감소를 포함하는 많은 이점을 제공한다. 이 연구에서, 중원대학의 MAERC는 인베스트먼트 주조 공정의 초기 왁스 주입 단계에서 두께 설계를 통한 제품의 치수 안정성 향상 효과를 얻기 위해 GAIM 구현 가능성을 테스트하는데 초점을 두었다. 그래서 MAERC는 가스 사출 성형(GAIM) 구현과 왁스 사출 시나리오의 가능성을 시각화 하기 위해 Moldex3D의 시뮬레이션 기술의 도움을 받기로 하였다. Moldex3D의 해석을 통해, MAERC는 인베스트먼트 주조 공정의 왁스 사출 단계에서 가스 사출 성형(GAIM) 공정이 어떻게 이루어 지는지 관측할 수 있었고, 또한 기존의 왁스 성형 기술에 비해 경쟁 우위를 점할 수 있다는 것을 증명 할 수 있었다.
도전 과제
미성형, 플래쉬, 크랙, 기포, 수축 등의 결함은 인베스트먼트 주조 공정의 왁스 사출에서 나타나는 일반적인 결함이다. 상기 문제들은 대부분 일반적인 왁스 제품의 두께 변화에 따라 나타난다.
- 제품 규격 요구 사항 미충족.
- 심한 수축에 의한 제품의 변형.
그림 1. 인베스트먼트 주조 공정의 왁스 사출에서 나타나는 일반적인 결함
해결안
Moldex3D의 가스 사출 성형(GAIM)을 이용하여 왁스 충전 패턴 및 금형 내부 가스 유동을 관찰 할 수 있었다. 가스 체류 시간과 초기 충전 비율(미성형), 수지 온도를 포함한 다양한 변수들은 왁스 사출 성형에서 가스 침투를 이해하는데 중요한 인자이다.
장점
이 연구 결과는 다음과 같다.
- 인베스트먼트 주조 공정에서의 가스 유동은 Moldex3D에 의해 정확하게 예측 된다. 또한 Moldex3D는 미래의 기술 구현 및 금형 설계에 대한 좋은 참고 자료를 제공한다.
- 왁스 사출 성형에서 가스 사출 성형(GAIM) 기술을 적용하는 것은 제품 수축률을 48% 감소 시킨다.
연구 사례
가스 침투 거동은 두 부분을 포함한다.(그림2)
- 첫 번째 가스 침투 : 충전 단계에서 가스는 재료를 관통하며 유동선단을 진전시킨다. 금형 캐비티가 수지와 가스로 가득 차면 가스 침투는 완료된다.
- 두 번째 가스 침투 : 보압 단계에서 가스는 플라스틱의 체적 수축을 보상하기 위해 계속 앞으로 확장된다.
그림 2. GAIM 공정에서 가스 침투 거동
이 연구의 목적은 금속 제품 개발에서 인베스트먼트 주조 공정과 제품의 품질을 향상시키는 가스 사출 성형(GAIM)의 이점을 동시에 취하면서가스 사출 성형(GAIM) 기술을 적용하는 것에 초점이 맞혀져 있다. 왁스 사출은 인베스트먼트 주조 공정의 첫 번째 단계이다.(그림3) 만약 이 단계에서 왁스 사출 정밀도를 제어할 수 있다면, 전반적인 인베스트먼트 주조 공정과 제품의 품질은 향상될 것이다.
그림 3. 인베스트먼트 주조 공정의 첫번째 단계 왁스 사출
무엇보다 MAERC는 점도, PVT, 비열, 열 특성 등 전반적인 왁스 물질의 특성을 측정하였다. 재료의 특성 정보는 왁스 사출과 가스 침투 거동을 시뮬레이션 하는 Moldex3D CAE 소프트웨어에 중요한 부분이다. 시뮬레이션 해석을 수행 한 후 MAERC는 시뮬레이션 결과와 실제 실험 결과를 비교하였다. 가스 침투에 영향을 주는 중요한 변수인 가스 체류시간, 초기 충전 비율(미성형), 수지 온도 등은 인베스트먼트 주조 공정의 왁스 사출에서 가스 사출 성형(GAIM)을 적용하는 포괄적인 이해를 얻기 위해 연구 되었다.
1. 가스 체류 시간 vs. 총 침투 길이(그림4) : 총 침투 길이는 첫 번째와 두 번째 가스 침투를 포함하며 이는 가스 체류시간이 길어질수록 늘어 난다.
그림 4. 가스 체류 시간 vs. 총 침투 길이
2. 초기 충전 비율(미성형) vs. 총 침투 길이(그림5) : 총 침투 길이는 첫 번째와 두 번째 가스 투입을 포함하며 이는 초기 충전 비율이 늘어날수록 줄어든다.
그림 5. 초기 충전 비율(미성형) vs. 총 침투 길이
3. 수지온도 vs. 총 침투 길이(그림6) : 높은 수지 온도는 얇은 고화층을 형성하고 이는 첫 번째 침투 길이를 짧게 한다. 그러나 내부 영역의 높은 온도는 두 번째 가스 침투 길이를 증가 시킨다.
그림 6. 수지 온도 vs. 총 침투 길이
상기 비교를 통해, MAERC는 왁스 사출에서 Moldex3D의 가스 사출 성형(GAIM) 시뮬레이션 해석 결과가 실제 실험 결과와 높은 일치율을 보인다고 결론 내렸다. 또한, 성형 과정을 정확하게 예측 할 수 있는 Moldex3D의 가치를 입증하였다. 게다가 이 연구는 더 전통적인 주조 공정과 비교할 때 동일한 상황에서, 인베스트먼트 주조 공정의 왁스 사출에서 가스 사출 성형을 구현하는 것은 체적 수축 문제를 48.7% 감소 시킬 수 있음을 보여주었다. 그 결과 MAERC는 왁스 사출에서 GAIM기술을 적용하는 것을 증명 할 수 있었고, 인베스트먼트 주조 제품의 치수 안정성을 크게 향상 시킬 수 있었다.
그림 7. 왁스 사출에서의 GAIM기술 구현은 체적 수축률을 48.7% 감소 시킨다.
결론
Moldex3D 시뮬레이션 해석을 통해, 제품 두께를 설계 할 때 가스 사출 성형(GAIM) 기술을 적용 할 경우 제품의 변형 문제를 크게 해소 하여 제품 결함을 줄일 수 있다. 또한, 가스 사출 성형(GAIM)은 제품의 코어를 비어있게 하여 냉각 효율을 향상 시킨다. 이러한 방법으로, 생산시간은 기존의 방법에 비해 단축된다. 요약하면, MAERC는 실제 실험 결과와 Moldex3D 시뮬레이션 기능의 도움으로 가스 사출에 대한 체계적인 연구를 확립 할 수 있었고, 두께 설계를 다양 하게 할 수 있는 제품 제조의 가능성을 입증 하였다.
