◈ CAE 용어정리

1. Injection pressure

    사출압은 polymer melt 저항을 넘어 cavity에 채우기 위한 압력이다. 이 압력은 cavity로 차 들어가면서 압력강화가

   일어난다.

   ▶사출압에 영향을 주는 factor

     a. part thickness : thin > thick

     b. part surface area : more wall cooling drag force > less wall cooling drag force

     c. gate size restrictive gate > generous gate

     d. flow length : long > short

     e. melt temperature : colder > hotter

     f. mold wall temperature : cold > hotter

     g. ram speed : improper(불규칙적인) > optimized

     h. melt flow index : low index > high index

 2. Filling pattern

     filling pattern 은 melt front가 순간적으로 전진할 때의 형상이다. 이는 제품의 quality에 중요하게 작용한다.

     ▶ Melt front velocity influences filling pattern - 이상적인 필링 패턴은 cavity에 동시에 MFV로 도달하는 것이다.

     그렇지 않으면 먼저 채워진 부분에 국부적으로 over packing 된다.

 3. MFA and MFV

    MFV(melt front velocity) 는 용융 전단부 진전 속도를 나타낸다.  MFA(melt front area) 용융 전단부 단면으로 정의 된다.

   이는 용융 전단부 기이와 두께의 곱으로 나타낸다.

     ▶varying MFV

       : 형상이 복잡한 cavity는 ram speed가 일정하더라도 MFV가 일정하지 않을 수 있다.

          그래서 높은 응력으로 인해서 수축이나 휨이 발생한다.

     ▶flow balance

       : MFV와 MFA는 설계에 있어서 중요한 요소이다 특히 cavity filling 동안에 흐름의 균형은 매우 중요하다.

       균형을 맞추기 위해서는 최적의 gate 위치를 선정해야한다.

 4. Part design

    material properties for part design : 플라스틱 사출가공은 설계자가 금속보다 다루기가 자유롭다 왜냐하면 플라스틱은

   매우 다재다능하기 때문이다. 반면에 금속과는 달리 플라스틱의 기계적인 성질은 종류, 내구성, 하중의 빈도,

   사용온도 습도에 매우 민감하다. 플라스틱 제품의 설계시는 이러한 물질의 상태에 대한 응답을 잘 알아야한다.

   1) Design for strength

   플라스틱 부품설계에 있어 파괴의 진행은 얼마나 정확하게 부품강도를 예상하느냐에 달려있다.

   강도는 인장, 압축, 비틀림, 굽힘, 전단에 대해 견디는가 하는 것이다. 플라스틱  제품의 강도는 물질, 형상, 부품의 형태,

   잔류응력, 사출시 분자구조 등에 달려있다.

      ▶short term loading : stress-strain 곡선에서 비례한도를 이용하여 비례한도 내에서 설계한다

          (비례한도-proportional limit).  강화제와 섬유보강제를 사용한다.

      ▶long term loading : creep modulus를 이용하여 설계한다.  press-fit와 snap-fit를 이용하여 설계한다.

          죔쇠(fastener)를 이용한다. 필요이상으로 팽창한 형태의 설계는 피한다.

      ▶repeated loading : cycle loading 시에는 비례한도 내에서 사용하도록 설계한다. 

          press-fit 와  snap-fit 조립방법으로 설계한다. 죔쇠를 이용한다. 필요이상으로 팽창한 형태의 설계는 피한다.

      ▶high velocity and impact loading : 비례한도 내에서 설계한다.  응력집중을 피한다. 물질의 degradation을 피한다

      ▶loading at extreme temperatute : 뜨거운 액체의 용기로 사용하지 않는다.

           뜨거운 물이 지나가는 관으로 사용하지 않는다.

           직사광선을 피한다. 에어컨이 설치되지 않은 건물에서 사용을 피한다.

        냉장고 부품으로 사용하지 않는다. 비행기의 손잡이로 사용하지 않는다.

    2) Part thickness

      제품의 두께는 질과 가격을 결정한다. 두꺼운 두께를 가진 부품은 cycle 타임, 수축, 변형, 표면의 질을 나쁘게 한다.

     반대로 일정하게 얇은 부품은 cycle 타임, 치수의 정확성, 표면의 상태를 향상시킨다.

     두께를 줄이기 위해서는 일반적으로 rib를 사용한다.

    3) Boosting structural integrity with ribs

       구조물의 보존을 위한 설계의 중요한 요소는 많은 경우 기대한 하중에 충분히 견딜 수 있는 구조의 설계이다.

     제품이 두꺼워 지면 self-defeating이 발생한다.

         ◎두께가 증가하면 제품의 무게와 가격도 비례적으로 상승한다.

         ◎두께가 증가함에 따라 체적도 늘어나고 냉각하기위한 시간도 늘어나므로 cycle 타임은 길어진다.

         ◎sink mark가 생길 확률이 높아진다.

     4) Design for ribs

        가능한 두께는 얇고 일정하게 한다. rib는 견고함과 강도를 위해 효과적인 방법이다

        많은 강도가 요구되는 곳에는 많은 rib를 설치한다.

     5) Design for assemble

        사출된 플라스틱제품의 장점은 만들 제품을 사전에 여러 부분으로 나누어 사출할 수 있다.

      사출과정이나, 기능적 요구, 경제적인 것에 대한 제한 때문에 제품을 여러 부분으로 나누어 사출한 후 조립한다. 

      조립을 위한 방법에는 press-fit joints, snap-fit joints, annular snap-fit joints, cantilever snap joints, torsion snap-fit joints,

         screws and ribets, molded threads, insert welding process 등이 있다.

 5. Runner system

      runner는 사출액이 sprue로부터 cavity로 들어가도록 안내해준다. runner를 통과하기 위해 추가적인 압력이 요구된다.

    마찰열이 runner에서 발생하여 사출액의 온도를 높이고 흐름을 원할 하게 한다.

       ▶runner size

         큰 runner는 상대적으로 작은 runner에 비해 작은 압력이 요구되므로 흐름이 원할 하지만, 긴 냉각시간,

       많은 재료의 소비, 큰 clamp force가 필요하다.

         적은 재료와 작은 에너지를 고려해 최고의 효율을 고려해서 제일 작은 runner를 설계한다.

       ▶payoffs of good runner design

          ①최적의 cavity개수를 위해

          ②cavity 안으로 사출액의 운반이 용이하게

          ③여러개 cavity의 경우 filling balance를 맞추기 위해

          ④최소의 찌꺼기

          ⑤사출이 이탈이 쉽게

          ⑥에너지 소비는 최고 효율로

          ⑦fill/pack/cycle time를 적절히 조절.

     1) Determining the number of cavities

       cavity의 개수는 생산시간, 사출기계의 크기, 몰드 모양, 크기, 가격에 달려있다.

     공차에 대한 허용이 크다면 멀티 cavity를 사용하면 좋다.

     사출기계 80%정도의 shot weight 범위 내에서 cavity 개수를 정한다.

     기계의 plasticizing 능력도 역시 cavity 수결정의 큰 요인이다.

     2) Planning the runner system layout

        runner의 형태(레이아웃)에는 보통standard (herringbone) runner system, "H"bridge (blanching) runner system,

        radial (star) runner system 의 3가지가 있다.  이들은 보통 멀티 cavity 시스템에 사용한다.

     3) Determining sprue dimensions

        스프루의 치수는 몰드파트의 치수 또 특히 그 벽의 두께에 의해 결정된다. 다음이 그 일반적인 사항들이다.

        ①스프루는 다른 어떤 단면이 식기 전에 먼저 식어선 안 된다.

        ②쉽고도 확실하게 de-mold 되어야 한다.

     4) Designing runner cross sections

        runner 단면의 종류에는 fully-round, trapezodial(사다리꼴), modified trapezodial (round 와 사다리꼴의 결합),

        half round, rectangular runner등이 있다.

     5) Determining runner dimensions

        runner의 길이와 직경은 사출액 흐름의 저항에 영향을 미친다. runner에서 높은 흐름의 저항은 높은 압력강하를

      유발한다. 저항을 감소시키기 위하여 runner의 직경을 크게 직경을 크게 해야 한다.

      하지만 냉각시간이 길어지므로 cycle 타임이 늘어난다. 따라서 적절한 크기로 설계되어야 하겠다.

     6) Hot runner system

        이상적인 사출은 몰드의 모든 부분에서 일정한 밀도로 자유롭게 사출액이 전달되어야 한다.

      이를 실현하기 위해 hot runner가 사용된다. hot runner 안에서의 상태는 용융상태가 유지된다.

        hot runner에는 두 가지 종류가 있다.

          ①insulated runners : mold plate 안에 위치한다. 제조비용이 작게 들지만 적용분야가 적다.

          ②heated runners : 내부에서 열이 발생하는 것과 외부에서 열이 발생하는 두 종류가 있다.

            internally heat runner - 열전달이 잘됨

            externally     〃           - 열전달이 좋고, 온도조절 용이하다.

      7) Runner balance

         ▶균형적인 흐름의 중요성

           cavity에서 사출시의 균형은 제품의 질을 위해 필수적이다. runner의 크기와 길이로 균형 잡을 수 있다.

        gate의 치수를 바꾸는 것은 표면적으로 균형을 맞출 수 있다. 가능한 한 설계시에 자연스럽게 균형이 맞을 수

        있도록 해야 한다. 균형을 맞추기 위해 runner의 직경을 줄이면 short shot으로 인해 먼저 식는 일이 발생한다.

        그리고 전단력에 의한 마찰력이 발생하여 점도가 줄어들고 빨리 채워지더라도 흐름저항이 커진다. 사출속도를

        느리게 하면 스프루(sprue)로부터 먼 쪽부터 채워지고 빨리하면 스프루의 가까운 곳부터 채워지게 된다.

      8) Design rules

         runner 설계는 제품의 질과 생산성을 좌우한다.

          ①runner size

             runner의 단면은 스프루의 단면보다 작게 한다.  cold runner의 직경의 선택은 tool cutter size 에 기초한다.

          일반적으로 추천 할만한 runner의 직경은 1.5mm이다. 사다리꼴 runner의 깊이는 폭과 똑같이 한다.

             작은 runner를 이용해 부스러기(scrap)의 양을 최소화한다.

          ②raising melt temperature

            작은 runner는 많은 마찰력을 발생하기 때문에 큰 runner보다 좋다. 높은 barrel-temperature를 사용하는 대신

            melt temperature를 상승시키는 효과적인 방법 이라 할 수 있다.

          ③branched runners(가지runner)

            runner가 가지형태가 되면 주된 runner보다 직경이 작아져야 한다. 왜냐하면 가지 runner에는 메인 runner보다

         사출액이 적게 흐르기 때문이다. runner에 사출액이 적게 흐르면 사출 후 찌꺼기가 적게 나오기 때문에 경제적이다.

          ④runner intersections

            모든 runner 교차는 이미 식은 slug을 가지고 있기 때문에 runner를 통해 cavity 안으로 사출액의 흐름을 원활하게

         하기 위해 설치한다. 가장 좋은 길이는 runner의 직경과 같게 한다.

          ⑤hot runners

            Hot runner 설계시 runner의 제조사로부터 자료를 참고한다.

          ⑥easy ejection

            runner설계는 몰드 금형으로부터 쉽게 제품이 떨어져야 한다.

            runner의 표면은 깨끗하고 긴 runner는 멀티 스프루 puller와 ejection location을 가져야한다.

  6. Gate design

   1)Over view - gate는 용융된 폴리머가 cavity 안으로 들어가는 작은 입구이다. gate 설계는 형상, 치수, 위치를

         포함한다. gate의 설계는 생산성에 있어서  중요한 부문이다.

     ▶single vs multiple gates

       : 사출액이 흐르는 길이가 제한된 길이를 넘지 않는 경우에는 싱글 gate를 사용.

         멀티gate는 weld, meld line를 만든다. 왜냐하면 여러 군데에서 주입된 사출액이 cavity 내에서 만나기 때문이다.

       싱글 gate를 이용하여 제품의 금형 가공시 에는 초기 비용은 많이 드나 찌꺼기가 적고 보다 나은 제품이 나오기

       때문에 이 비용을 회수할 수 있게 된다.

     ▶gate dimensions

       gate의 단면은 일반적으로 runner나 제품보다 작게 만든다. 그래서 부품은 흠집이 없이 gate에서 떨어진다.

     gate 두께는 제품 두께의 2/3정도로 한다. 큰 gate는 마찰열을 감소시키고, 오랜 시간의 높은 압력의 보압이

     요구된다. 그리고 내구력과 치수의 안정성, 나은 표면상태를 요구할 때 이용한다.

     ▶gate location

       gate의 위치선정은 빨리, 일정하게 polymer를 cavity에 채우는 것이 관건이다.  gate 위치는 하중이 걸리는

     부분에서 멀리 떨어지게 하고 얇은 부분이나 갑자기 두께가 변하는 부분에서 멀어지게 한다.

    2) Gate types

     gate에는 여러 가지 형상이 있으나, 크게 손으로 분리되는 타입과 자동으로 분리되는 타입 두 가지가 있다.

     ▶manually trimmed gates

       a.사용이유

        ①gate의 부피가 큰 경우

        ②shear-sensitive가 원래 높은 sheat rate가 되지 않은 경우

        ③섬유 보강재를 사용해서 사출할 때 자동으로 분리되는 것을 방해하는 경우

       b.종류

         direct (sprue) gate,  tab gate,  edge(standard) gate,  overlap gate,  fan gate, disk(diaphragm) gate,  ring gate, 

         spoke(spider) gate,  film(flash) gate

   ▶automatically trimmed gates

       a.사용이유

         ①추가작업을 원하지 않을 때

         ②짧은 cycle 타임을 원할 때

         ③gate부위의 흠집을 최소화하기 위해

       b.종류

         pin gate,  submarine gate(tunnel) , hot-runner (hot probe),  valve gate

     3) Design rules

        gate의 적합한 설계는 빠르게, 일정하게, 한 방향으로 용융액을 전달하는 것이다.

     ▶gate location

       gate의 위치는 기능상이나 외관상 별 손상이 없는 가장 두꺼운 부분에 위치시킨다.

        일반적인 문제를 피하는 방법

          ①변형을 피하기 위해 gate를 대칭으로 설계한다.

          ②air trap를 막기 위해 적절한 공기 배출구를 만든다.

          ③gate에서 제트를 피할 정도로 충분히 크게 한다.

          ④weld & meld line 의 위치를 주의하여 위치시킨다.

     ▶gate length

       압력강화를 고려하여 gate는 가능한 짧게 한다. 1∼1.5mm정도가 되게 한다.

     ▶gate size

       gate는 첨에는 작게 설계 후, 필요시 점점 크게 한다.

     ▶gate thickness

       두께는 일반적으로 gate 벽두께의 50∼80 % 정도로 한다.

     ▶freeze-off time

       packing time이 최고의 효율을 가지게 설계한다.

     ▶fiber filled materials

       gate를 통과할 때 손상을 최소화하기 위해 충분히 크게 설계한다.