1. 목적

1. 플라스틱 제품을 대량으로 생산하기 위해서는 다수 캐비티

(multi-cavity) 금형이 필수적이다.

2. 성형제품의 품질 및 강도 향상과 제품의 정밀도를 높이기 위해서는 사출 성형시에 용융 수지가 금형의 각 캐비티에 균형적으로 충전되어야 한다.

균형 충전이 안된다면?

수지가 한쪽으로 치우치면 형체력(금형을 밀어주는 힘)이 균형을 잃어 플래시(Flash)발생의 원인이 된다.

플래시란?

금형의 틈새에 용융 수지가 흘러 들어가 성형품에 여분의 수지가 붙는 현상

• 균형충전의 해법

1. 별도의 부품을 금형에 삽입한 방식

Ⅰ. RC pin(runner core pin)

   - 충전불균형을 해소하기 위하여 분기가 되는 러너 내에 코어 핀(core pin)을 채용

RC pin(runner core pin)

2. 특수 금형

Ⅰ.  4BF 금형 (4 plate type Balanced Filling mold)

   - 3매 구성 금형에서 충전 불균형을 해결하기 위하여 만든 4BF 금형이다. 러너 취출판과 이를 작동 하기 위해 러너 취출봉이 추가 된 것이며 나머지 부품의 구조와 기능은 기존 3매 금형과 동일하다.

                          3단 금형

Ⅱ. HR3P (Hot Runner 3Plate)

   - 이 금형은 성형품만 배출해 스프루와 러너는 금형으로부터 배출되지 않는다. 스프루와 런너 부분을 히터로 가열 제어해 항상 유동화 상태로 유지하게 한다. 스프루와 1차러너는 핫러너를 이용하고 2차러너는 3점 핀포인트 콜드러너를 적용함으로서, 충전불균형이 대폭 향상 될 것이다.

핫 런너 2단 금형

2. 실험을 통한 해결(이론)

충전 불균형 현상을 해소하기 위한 앞 방법과 다른 새로운 균형충전용 러너시스템인 멜트버퍼(Melt-Buffer)를 제안한다.

새로운 부품의 삽입이 아닌 러너 형상의 간단한 변경에 의하여 균형충전이 이루어질 수 있도록 하였다.

                     멜트 버퍼 무설치                                      멜트 버퍼 설치

2. 실험을 통한 해결(해석)

BSM(Block Stacking Meshing)기법을 이용하여 정교하게 메쉬를 형성하여 사출 성형해석을 통해

충전불균형 현상을 나타낼 수 있었다. 

        사출성형해석에 사용된 메쉬                                 형상 해석 설정 표

Melt-Buffer가 각각 1개소와 2개소에 설치되어 있는 러너시스템을 대상으로 성형해석을 수행

Melt-Buffer 1개 러너 시스템 충전 시 온도분포    Melt-Buffer 1개 러너 시스템 충전 시 온도분포

2. 실험을 통한 해결(실험)

LG전선에서 제작한 형체력 140TON 직압식 수평형 사출기를 사용하였다.

                                                               실험 스펙 표

H type의 러너에 의해 충전되는 4캐비티 2단 금형을 사용하였다.

각 캐비티에서 발생하는 충전불균형에 대한 Melt-Buffer의 개수에 따른 영향을 알아보기 위하여 각각의 Melt-Buffer를 다르게 하여 충전의 영향에 대한 실험을 수행 하였다.

2. 실험을 통한 해결

충전량이 큰 내측 캐비티와 충전량이 작은 외측 캐비티 사이에서 발생하는

충전불균형 현상을 값으로 나타나기 위하여 식

균형충전도(DFB : Degree of Filing Balance)으로 정의

W inner : 내측 캐비티의 중량

W outer : 외측 캐비티의 중량

균형충전도(DFB : Degree of Filing Balance)

★ 균형 충전도 값은 100에 가까울수록 균형충전에 가까워진다

3. 실험결과

        Melt-Buffer가 1개 설치된 러너 시스템          Melt-Buffer가 2개 설치된 러너 시스템

   Melt-Buffer의 깊이에 따라 각             Melt-Buffer의 폭의 증가에   의 캐비티 간의 균형충전도                 한 균형충전도

  균형충전에는 크게 영향을                 약 4% 정도 향상되었음을 줄   수 없음을 보여주고 있다.                  알 수 있다.

4. 결론

• 본 연구의 주요한 결과

1. 사출성형해석시 정교한 메쉬 기법인 BSM기법을 사용하여 Melt-Buffer의 유효성을 확인하였다.

2. Melt-Buffer를 1개소에 설치 하였을 경우에는 ABS는 약 4%, PP는 6% 정도, 2개소에 설치 하였을 경우에는 ABS는 약 6%, PP는 7% 정도의 균형충전도를 향상 시킬 수 있다.

3. PP수지의 경우 Melt-Buffer를 설치하였을 때, 균형충전도의 값이 100% 이상이 되어 내측 캐비티보다 외측 캐비티가 더 많이 충전되는 현상이 나타났다.

4. Melt-Buffer의 형상에 따른 균형충전 효과는 Melt-Buffer의 폭의 증가에 의한 효과가 깊이의 증가에 의한 효과보다 우수함을 알 수 있었다.

자료 출처

국회도서관 - 다수 캐비티 사출금형에서의 균형충전에 관한 연구-제덕근

부경대학교

논문 - 사출금형에서 균형충전을 위한 새로운 러너시스템 멜트버퍼-정영득

다수 캐비티를 갖는 3매 구성 사출금형에서의 충전 불균형 – 

제덕근

한국산업인력공단 – 사출금형(교재)

이 자료는 금형CAE 과제 발표로 만든것으로 재가 직접 실험한

것이 아닌 자료 출처에서 조사하여 만든것 입니다.

3D 사출성형해석에서 구현한 충전불균형 현상입니다.

기존의 사출성형해석에서는 발생하지 않는 현상을 메쉬의 형태를 통해 구현한 것입니다.

Tetra 메쉬와 육면체 메쉬를 혼합하여 사용하였으며, 실제 성형과 거의 일치하게 구현되었습니다.

버몬트 교수의 Melt Flipper 현상도 구현되었습니다.

(팀명 "화성탐사" 팀원들입니다.)

교내에서 졸업작품을 전시 하는데 KBS에서 찍어가더군여 학교에서 돈써서 불러나? 뉴스 중간중간에 팀에서 만든 작품이 나와 보관중 입니다.(이사장 상 수상)

이 동영상은 대구에서 열린 공학교육페스티벌 참가를 위한 소계 영상이며 학교에서 모든 비용을 다 부담해서 호텔 자고 먹고 KTX왕복으로 태워줘서 돈 한번 안쓰고 돌아왔습니다. (밤에 빠저나가서 술먹을려고 했으나 같이 참여한 형이 롤를 하는 바람에 늦게 나갔더니 먼저 온팀들이 싹쓸이 해서(마켓 소주도 다팔림) 골목길을 새벽2시까지 돌아다니다 숙소로 돌아왔다.) 

프라스틱의 특성과 구분 요령

1.플라스틱의 특징과 간단한 구분방법

플라스틱의 리사이클 원료는 성형시의 불량품, 로스 및 일반가정, 사무실에서 버린 
제품 등 다종 다양합니다. 이들중에 플라스틱의 종류를 확실히 분류해야 만이 리사이클원료로서의 가치를 가지게 됩니다. 다른 종류의 플라스틱이 섞여있는 원료는 성형시와  성형후에 여러가지 문제를 일으키게 됩니다. 구체적으로는 융해온도의 차이에 의한 성형불량, 성형품 표면의 플래시(플라스틱이 금형 밖으로 삐져 나오는 현상), 핀홀(조그만 구멍이 생기는 현상), 강도저하 등 성형품의 상품가치에 관계되는 중대한 문제를 일으킵니다.

※ 본래 다른 종류의 플라스틱이 섞이면, 물성이 저하되어 리사이클이 어렵게 되나, 융해온도가 높은 플라스틱 중에는 융해온도가 낮은 플라스틱과 조금 섞여있어도 리사이클이 가능합니다. 예를 들면 PP(폴리프로필렌)의 융점은 130℃, PE(폴리에틸렌)은 130℃입니다. PP중에 다소 PE가 섞여있어도, 강도가 약간 떨어질 뿐 성형은 가능합니다. 하지만 PE에 PP가 섞여있는 경우 PE의 융해점에서 PP는 융해되지 않아 제품이 아주 나쁜 상태로 나오며 강도도 극단적으로 떨어져 사용할 수 없는 상태가 됩니다.

2. 간단한 플라스틱의 구별 방법

(1) 먼저 태워봅니다.
플라스틱의 표면을 라이터로 태워, 녹는 것이 열가소성수지 (리사이클 이용가능)라고 생각해도 좋습니다. 특히 용해한 부분을 당겨 실과 같은 상태로 늘어나면 압출기에서 재생이 가능한 것입니다. 통상적으로 플라스틱의 구분은 타는 모양과 냄새로 판별합니다.

(2)태워서 연기가 나지 않는 수지
PE, PP 등 : 올레핀계 수지
PMMA : 아크릴
POM : 타고있는지 꺼져있는지 구별되지 않는다.

(3)태워서 연기가 나는 수지
PS, ABS 등 스틸렌계 수지
PVC 불이 붙지 않고 염소를 뿜는다.

3. 대표적인 수지의 특징

(1) PE : 폴리에틸린 (LDPE, HDPE, LLDPE, EVA)

본래의 색은 반투명, 불에 가까이 가져가면 연화해서 늘어져가며 탑니다.
양초를 태우는 냄새 LDPE는 사출성형, 압출성형(필름, Sheet, 전선), 중공성형 등 용도가 넓으며 부드러운 플라스틱, 필름의 경우 당겨서 늘어나면 LDPE 입니다.

HDPE도 LDPE와 거의 같으나, LDPE와 비교하면 딱딱한 플라스틱으로 플라스틱 물통, 등유 통 등이 대표적인 예이다. 필림의 경우 당겨도 늘어나지 않습니다. (예 : 물수건 포장)LLDPE도 LDPE와 거의 같으나, 필름 용도가 중심으로 LDPE보다 인장강도가 큽니다. EVA는 부드러운 타파웨어 등이 그 대표적인 예
※ LDPE와 HDPE의 차이는 펠렛을 이빨로 물어보아 단단함의 차이로 알 수 있습니다.


(2) PP : 폴리프로필렌

잘 타며 약간 달콤한 냄새가 납니다. 구성 특징에 따라 호모(단독중합), 코폴리머 (공중합체), 랜덤으로 나눌 수 있습니다. 이들은 사용용도에 의해 선택되나, 일반적으로 호모는 선명한 색채로 착색할 수 있으나, 코폴리머의 경우는 불가능합니다. 그 대신 코폴리머는 내충격강도가 호모보다 뛰어납니다. 대표적으로 세면기는 호모, 세탁기의 탈주조는 코폴리머로 만들어 집니다. 필름은 OPP필림, CPP필름 등 투명도가 높아, 담배포장, 과자포장지 등에 많이 사용됩니다.

(3) PS : 폴리 스틸렌

  쉽게 연화, 다량의 연기를 내면서 탑니다. 휘발유에 녹는 특징을 가지고 있습니다.
·GPPS와 내충격강도를 겸비한 HIPS 나누어지며, 용도는 GP와 HI 혼합해서 사용합니다.
·GPPS는 본래 투명하고 딱딱한 플리스틱이라 충격에 약하고, 아이스크림 포장지 등에 사용합니다.

·GPPS를 발포시킨 것(EPS)은 발포스티롤로 알려져 있습니다.

(4) ABS 

타기 쉬운 PS와 비슷하지만 신나냄새가 납니다. 또 PS와 달리 휘발유에 용해되지 않습니다. 아크릴과 부타디엔(고무)과 스틸렌을 중합한 플라스틱으로 HIPS보다 탄성이 있으며 표면에 광택이 있습니다. 주된 용도로는 TV, 세탁기의 보디 및 플로피 디스크 등입니다.

(5) PA : 폴리 아미드
잘 타지 않으며 연기는 나지 않으며 양모냄새가 납니다. 나이론6와 나일론66을 구별하는 방법은 불을 붙여서 잡다 당겨보면 나일론6는 실처럼 잘 늘어나지만 나이론66은 조금 늘어나다 끊어집니다. 일반적 용도는낚시줄, 기어, 팬티스타킹, 배드민턴공의 날개 등에 사용되며 내마모성이 뛰어납니다.

(6) POM : 폴리 아세탈

푸른 불꽃을 내며 잘 타며, 눈에 자극을 주는 포르말린냄새가 납니다.
(타고있는지 꺼져있는지 분별이 어려우므로 주의) 내마모성, 내충격성이 뛰어나 기아 등 공업부품으로 사용됩니다

(7) PET : 폴리에틸렌 테레프탈레이트

잘 타지 않으며 시큼한 냄새가 나며 실처럼 늘어납니다. 잘 알고 계시겠지만 PET는 청량음료의 병으로 많이 사용됩니다. (뚜껑은 PP를 사용) 독일에서는 세척하여 20회이상 사용한다고하며 양복소제의 폴리에스텔은 PET입니다.

(8) PMMA : 아크릴

투명도가 높으며, 매우 유리에 가까운 플라스틱입니다. Cast Type과 일반 Type으로 나눌 수 있고 잘 타며 Cast Type은 "탁탁" 소리를 내며 탑니다. 타고난 후는 반들거리며 딱딱하게 됩니다. Cast Type의 재생은 일단 가마에 넣어 전부 기화시킨 후 가스를 냉각한 것을 모노머로 사용하여 Sheet(환류)를 만듭니다. 일반 아크릴은 잘 타고, 실처럼 늘어나며, 불이 꺼진 후 기포가 생긴 것처럼 부풉니다. 또 Cast Type과 마찬가지로 연기는 나지 않으며 냄새도 나쁘지 않습니다. 아크릴에 고무를 넣어 강도를 높힌 IR Type은 고무가 들어있어 타기 쉽고 검은 연기가 납니다.

(9) PBT : 폴리부틸렌 테레프탈레이트

이름으로부터 알 수 있듯 PET와 동일한 폴리에스터로으로, 강성이 뛰어나며 마모가 적습니다. 높은 온도에서 사용 가능하기 때문에 커넥터, 스위치, 소켓, 컴퓨터부품 등에 사용됩니다

(10) PC : 폴리 카보네이트

잘 타며 연기가 납니다(연기가 많이 나는 쪽이 분자량이 크다), 연소중 소독약 냄새가 납니다. CD, 전경들의 방패, 주차장 지붕에 사용되는 Sheet, 고속도로 방음판 등 많은 분야에서 사용되며 분자량이 클수록 강성이 높아지며, Sheet 재는 분자량 약 30,000, CD는 약 17.000 정도의 Grade가 사용됩니다.

(11) PC Alloy

최근 각 플라스틱의 장점을 합쳐, 그 특성을 올리기 위하여 다른 플라스틱을 복합한 Alloy 플라스틱이 많이 사용되고 있습니다. PC와 ABS를 혼합한 PC/ABS Alloy가 그 대표적인 예로 종래의 ABS 난연 Grade가 사용되었던 용도(OA기기, 자동차, 전기부품 등)에 환경에 좋지 않은 안티모니를 사용하지 않고 원래 난연성을 지니고 있는 PC를 복합하여 그 대체용도로 개발되었다고 합니다. 이들 Alloy 플라스틱의 냄새 등에 의한 분별은 상당히 어려우며, 금후 각양각색의 Alloy 가 나올지 모르므로, 스크랩(분쇄품)이 발생하는 공장 등에서 Grade 단위의 관리가 중요해 질 것입니다.

(http://www.loito.com/product_1_11.htm LTC 회사 게시글 저장용)

열전현상을 처음 발견한 사람은 1821년 독일의 물리학자 T.J.Seebeck으로 서로 다른 두개의 도체로 이루어진 한 회로에서 도체간의 접점에 다른 온도를 가해주면 전류 또는 전압이 발생한다. 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하는 열 흐름이 전류를 발생시킨다. 이러한 현상을 제벡효과(Seebeck Effect)라고 한다. 1834년에 프랑스의 장 샤를 아타나스 펠티에는 또 하나의 중요한 열전현상을 발견했는데 그것은 다른 도체로 이루어진 회로를 통해 직류전류를 흐르게 하면, 전류의 방향에 따라 서로 다른 도체 사이의 접합의 한쪽은 가열되는 반면, 또 다른 한쪽은 냉각되는 현상이다. 이를 '펠티에효과(Peltier Effect)'라고 한다. 1854년 윌리엄 톰슨은 기존의 펠티에효과와 제벡 효과가 서로 연관된 것임을 밝혀내고 이들 사이의 상관관계를 정리하였다. 이 과정에서 단일한 도체로 된 막대기의 양 끝에 전위차가 가해지면 이 도체의 양 끝에서 열의 흡수나 방출이 일어날 것이라는 톰슨효과(Thomson Effect)를 발견하였다.

열전소자의 기본원리

열전모듈, 펠티어소자, ThermoElectric Cooler (TEC), ThermoElectric Module(TEM) 등으로 다양한 이름을 갖고 있는 열전소자는 작은 Heat Pump (저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 열원에 열을 주는 장치) 이다. 열전소자 양단에 직류 전압을 인가하면 열이 흡열부에서 발열부로 이동하게 된다. 따라서 시간이 지남에 따라 흡열부는 온도가 떨어지고 발열부는 온도가 상승하게 되는 것이다. 이때 인가전압의 극성을 바꿔주면 흡열부와 발열부는 서로 바뀌게 되고 열의 흐름도 반대가 된다.

위 그림은 일반적인 열전소자의 형태이다. N타입과 P타입 반도체 소자 1쌍이 기본 단위가 되며 일반적인 모델의 경우 127쌍의 소자가 사용된다. DC 전압을 양단에 인가하면 N타입에서는 전자(Electron)의 흐름에 따라, P타입에서는 정공(Hole)의 흐름에 따라 열이 이동하여 흡열부의 온도가 낮아지게 된다. 이는 금속 내의 전자의 퍼텐셜에너지 차가 있기 때문에 퍼텐셜에너지가 낮은 상태에 있는 금속으로부터 높은 상태에 있는 금속으로 전자가 이동하기 위해서는 외부로부터 에너지를 얻어야 하기 때문에 접점에서 열에너지를 빼앗기고 반대의 경우에는 열에너지가 방출되게 되는 원리이다. 이러한 흡열(냉각)은 전류의 흐름과 thermoelectric couple(N, P타입 1쌍)의 수에 비례하게 된다.

열전냉각의 장점

열전소자를 이용한 냉각 방식에는 다음과 같은 장점이 있다.

■ 소형화, 경량화   ㅡ 컴프레셔를 이용한 냉각 방식에 비해 크기가 작고 가벼워 좁은 공간에서도 설치가 가능하다.■ 냉각 및 가열   ㅡ 열전소자는 인가전압의 극성을 바꾸어주는 것만으로 용도에 따라 냉각 또는 가열이 가능하다.

■ 정확한 온도 제어   ㅡ 온도 컨트롤러를 이용하여 ±0.1℃ 의 정확한 온도 제어가 가능하다.

■ 우수한 신뢰성   ㅡ 열전소자는 기계적 움직임이 없어서 수명이 길고 유지가 자유롭다.

■ 저소음   ㅡ 컴프레셔 냉각과 달리 기계적 소음이 없다.

■ 국부냉각

ㅡ 불필요하게 시스템 전체를 냉각하지 않고도 특정 부분에 대한 냉각이 가능하다.

■ 환경친화    ㅡ CFC계 (chlorofluorocarbons)물질을 사용하는 컴프레셔 방식에 비해 환경친화적이다

(http://blog.daum.net/storywork/34 방랑시인 님 글 입니다 저장용)

파워를 때어버리고 무선으로 구동 하기위해 12V 베터리를 직렬로 연결하여 24V로 만들어서 모터 구동을 하였고 아두이노, 라즈베리파이등 보드는 보조 베터리로 전원 연결 동영상을 옆에 빨간 LED 불빛이 있는데 블루투스 안테나 입니다. 구동은 바퀴, 팔, 손목, 손가락 구동이 되며 포텐셜미터가 사용된곳은 팔, 손목, 손가락 이며 실험결과 약 5Kg 무계까지 들어올릴수 있으며(손가락이 파괴되면 안되서 더 실험 안했음) 이번 동영상은 계란을 깨지지 않는것을 보여주기 위해 계란잡기 테스트를 한 동영상 입니다. 동영상을 보시면 많이 버벅거리는데 처음 만든거라 조종 쉽지가 안았습니다.

제어는 DIY IoT 블로그 주인 했습니다. 궁금하시다면 가끔 왔다갔다 하는것 같으니 글남겨 보세요 (http://diyiot.xyz/) 

이게 내가 한게 아니라 WIFI연결이였는지 블루투스 연결이였는지 기역은 안나지만 제어 탐당이 보드에 LED를 연결하여 이것이 바귀, 팔, 손목 등 이라 가정을 하고 테스트 한 동영상 이다. 구동기기는 보는거와 같이 스마트 폰이다.

제어는 DIY IoT 블로그 주인 했습니다. 궁금하시다면 가끔 왔다갔다 하는것 같으니 글남겨 보세요 (http://diyiot.xyz/) 

(제어 담당이 만든 조종키 및 카메라 구동)

이때가 2차 발표가 있어 시범구동을 위해 급하게 조립했던것 같다. 

이때는 아직 베터리 대신 파워를 연결하여 전원 공급을 하였고 팔, 손목, 구동부 구동만 할수있게 하였고 조종은 라즈베리파이와 WIFI로 연결하여 스마트폰 구동을 하였다.(제어담당이 아니여서 잘몰름) 다음에 동영상을 올리겠지만 이때 시범구동 하였을때 신호 딜레이 등 문제가 많아 블루투스 제어로 바꿨다.