Analysis of flow pattern inside multi-cavity system in micro injection molding

Abstract

사출 성형 공정은 짧은 공정 시간과 비교적 저렴한 공정 비용으로 인해 가장 널리 이용되는 열가소성 수지 성형 공정 중 하나이다. 특히 근래에 들어서 마이크로 스케일의 제품들을 생산하는데 있어서도 미세 사출 성형이 널리 사용되고 있다. 이러한 미세 사출 성형에서는 제품의 작은 크기 덕분에 생산성을 높이기 위한 방법으로 다중 공동 형태의 금형이 사용되고 있다. 미세 사출 성형의 주입 단계에서 생길 수 있는 몇 가지의 표면 결함들은 광학 제품 등에 큰 역할을 미칠 수 있으며, 이 결함들과 공정 조건 간의 관계를 규명하여 결함을 최소화하는 것은 미세 사출 성형 공정의 생산성을 높이기 위한 중요한 연구 주제라고 할 수 있다.

미세 사출 성형의 주입 단계에서 생길 수 있는 주요 결함으로는 크게 다중 공동 형태의 특성 상 수지가 러너를 흘러가는 과정에서 생길 수 있는 공동의 충전 편차로 인한 결함과, 공동의 내부에서 생길 수 있는 대표적 결함인 물결 형태의 플로우 마크의 두 가지를 들 수 있다. 본 연구에서는 이 두 가지의 결함과 미세 사출 성형의 주요 공정 조건 간의 관계를 규명하였다.

먼저 주요 공정 조건이 공동의 충전 편차에 미치는 영향을 규명하기 위하여 수치 해석을 실시하였다. 실제 공정을 참고로 하여 러너의 직경 편차, 러너 벽면의 온도 편차, 게이트의 크기 편차 세 가지를 주요 공정 조건으로 정하였으며, 이 조건들이 공동의 충전 편차에 미치는 영향에 대하여 분석하였다. 해석 결과, 공동의 충전 편차에 영향을 미치는 주요 공정 조건은 러너의 직경 편차와 러너의 벽면 온도 편차였으며, 게이트 크기의 편차는 그 영향이 미미한 것으로 나타났다. 특히 러너의 직경과 러너의 온도를 모두 변화시킨 복합 가혹 조건에서 공동의 편차가 가장 크게 나타났다.

공동의 충전 편차를 줄이는 방법으로 세가지의 새로운 형태의 다중 공동 모델을 제시하였다. 수렴 러너 모델, 저수형 모델, 그리고 두 가지 모델을 조합한 복합 모델의 세 가지에 대하여 충전 편차의 저감 효과를 분석하였으며, 세 모델 모두 효과적으로 공동의 충전 편차를 저감시키는 것으로 나타났다. 특히 복합 모델의 경우 순간충전율을 33%까지 저감시키는 결과를 보였다.

수지가 공동 내부를 흐를 때 생기는 대표적인 표면 결함인 플로우 마크에 대하여, 먼저 Go-Over 가설을 기초로 한 매개변수 연구를 실시하였다. 그 결과 플로우 마크의 생성과 크기에 대한 관계 식을 얻어내고, 플로우 마크의 생성과 크기에 영향을 미치는 세가지 주요 조건이 주입 속도와 수지의 온도, 공동 벽면의 온도 임을 확인할 수 있었다. 이를 실험과 수치 해석을 통하여 확인하고 플로우 마크의 크기에 대한 최적화를 진행하였다. 그 결과, 실험과 수치 해석 모두 매개변수 연구를 통해 얻은 관계식의 경향성을 잘 따르는 것을 볼 수 있었으며, 플로우 마크의 크기는 주입 속도가 높을 수록, 수지의 온도가 높을 수록, 벽면의 온도가 높을 수록 줄어드는 결과를 보였다. 또한 수치 해석 시 수지 유동 선단의 관찰 결과, Go-Over 가설이 실제 플로우 마크의 형성과 잘 맞는 것을 볼 수 있었다.

Micro injection molding is manufacturing process widely used for thermoplasitcs because of its fast processing time and low cost. In micro-injection molding, there are two major defects which can be occurred in injection stage. One is the defect occurred by cavity filling deviation when the melted resin goes through the runner of mold, and the other is flow mark which is occurred in mold cavity. We investigated the relation between major defects and the major process conditions in micro-injection molding.

For finding the major process conditions which affect to the cavity filling deviation, we did numerical analysis. We investigated the relation between the cavity filling deviation and three process conditions (deviation of runner diameter, wall temperature and gate thickness) with two numerical results: filling fraction and filling time delay. We used the properties of EP-6000 in polypropylenes. Modified Cross model is used for simulating the rheological behavior of polymer. The result of CFD simulation showed that the major process conditions which affect to the cavity filling deviation were the deviation of runner diameter and wall temperature. The mixed condition of those two had the biggest cavity filling deviation.

For reducing cavity filling deviation, we suggested three robust designs: convergent runner model, reservoir model and complex model which is combined with those to models. all models reduced cavity filling deviation effectively, and the complex model had the biggest effect. The reduction of filling fraction was 33% in complex model.

For flow mark which is defect occurred in cavity, we did parametric study in according to Go-Over hypothesis. we found three major conditions which affects to the size of flow mark by this parametric study: injection speed, resin temperature and mold temperature. We investigated the relation between the size of flow mark and those three major process conditions by experiment and numerical analysis. The results of both analysis showed that the size of flow mark decreased when injection speed, resin temperature or mold temperature was increased. This result was exactly fitted with the result of parametric study. We also observed the contour of resin flow when the flow mark generated with CFD simulation and it was well fitted with Go-Over hypothesis.