Experimental and Numerical Analysis of Injection Molding for Industrial Applications

Abstract

본 연구에서는 산업적 응용을 위한 사출성형의 실험적수치적 분석을 진행하였다. 특수 사출성형법인 필름삽입 사출성형과 마이크로 사출성형의 물리적 현상과 기계적 거동에 대하여 연구되었다. 필름삽입 사출성형과 관련하여 필름삽입 사출성형품의 잔류응력과 휨 변형에 대한 실험과 해석이 수행되었으며 필름의 주름현상에 대한 메커니즘을 FSI(Fluid-structure Interaction) 방법을 사용하여 현상을 규명하였다. 또한 LOC(Lab-on-a-chip)의 대량생산을 위한 사출성형 방법이 개선되었다. 추가적으로 LCP(Liquid Crystal Polymer)와 유리섬유/무기물 복합재료 마이크로 커넥터의 휨 변형 예측을 위한 이방성 성질을 측정하고 검증하였다. 우선적으로 필름삽입 사출성형품의 잔류응력, 굽힘 및 휨 변형에 대한 실험적 수치적 연구가 진행되었다. 필름삽입 사출성형품의 열 잔류응력(Thermally induced residual stress)은 상용 소프트웨어와 C/C++기반의 자가프로그램에 의하여 예측되었다. 인장시편 모형의 필름삽입 사출품의 굽힘 모멘트를 수치적으로 예측하였으며 실험값과 비교되었다. 열 잔류응력 분포는 1차원 열탄성 모델을 사용하여 예측되었으며 재료의 물성은 상수로 가정되었다. 결과적으로 잔류응력 분포는 비오수(Biot No.)에 의존하며 사출품의 표면으로부터 열이 빠르게 이동될수록 잔류응력의 크기는 커졌다. 비대칭 금형 냉각온도에 의한 비대칭 잔류응력은 인장 사출품의 휨 변형을 유발했다. 수치적으로 예측된 휨 변형 값은 실험적 값과 비교적 잘 일치하였다. 금형속 필름뒷면에 수지를 충진하여 성형되는 필름삽입 사출성형은 수지에 따라 최종제품의 물성이 결정된다. 더욱이 성형조건에 따라 필름의 접힘 현상이 일어날수 있으므로 성형조건 결정은 매우 중요하다. 본 연구에서는 PMMA/ABS 필름과 PC/ABS 수지를 이용하여 필름삽입 사출성형품을 제조하였으며 필름의 접힘을 원자력 현미경(AFM)을 이용하여 확인하였다. 또한 필름 접힘 현상의 메커니즘을 이해하고 최적의 성형조건을 결정하기 위하여 수치적 방법을 사용하였다. 또한 임계 전단속도는 예측된 전단속도를 통하여 검증되었다. 두 번째 특수사출성형으로 연구된 마이크로 사출성형에서는 랩온어칩의 대량생산을 위한 미세구조 충진방법이 연구되었다. 수치적 방법으로 마크로 크기의 기지와 마이크로 크기의 기지를 효과적으로 해석할 수 있는 멀티-스케일법이 사용되었다. 바이오 랩온어칩의 일종인 제품이 마이크로 사출성형을 통하여 제조되었다. 또한 새로운 무차원 수를 통하여 마이크로 구조의 충진을 예측하고 조정하였다. 무차원 수를 통하여 마이크로 구조의 충진비에 영향을 미치는 인자를 조사하였다. 더욱이 유리섬유가 강화된 액정고분자 수지의 이방성 성질을 이해하고 마이크로 케넥터의 휨변형에 관한 연구가 진행되었다. 우선적으로 LCP수지의 이방성 성질과 복합재료의 기계적 거동 및 열적 거동에 대한 연구가 진행되었다. 분자 및 유리섬유의 배향에 따른 사출성형품의 skin-shear-core 구조를 정의하였으며 WAXD, CT, SEM을 통하여 분자 및 섬유의 배향을 확인하였다. 이방성 재료를 사용한 사출성형품의 휨 변형에 가장 큰 영향을 미치는 열팽창계수와 탄성계수에 대한 수치적 및 실험적 방법이 개발되었으며 섬유 배향과 함께 휨 변형을 통하여 검증되었다. 섬유 상호계수와 열팽창계수를 중심으로 마이크로 사출성형품의 휨 변형에 대한 연구가 평가되었다. 결론적으로 섬유의 배향을 조절하여 휨 변형을 최적화 하였다.

Experimental and numerical analyses were performed to offer solid tools for the injection molding in industrial applications. I investigated two major fields, film insert molding (FIM) and micro-injection molding, included in an advanced injection molding. As related in the FIM, the development of warpage and residual stresses in FIM was studied and the fluid-structure interaction analysis on the film wrinkling problem of a FIM part was performed. And studies of the micro-injection molding included a micro-structured lab-on-a-chip to fabricate it sustainably. In addition, an anisotropy-induced warpage of a micro-molded part was studied to develop the micro-connector with glass fiber reinforced hybrid composites. Residual stresses, bending moments, and warpage of film insert molded parts were investigated by experimental and numerical analyses. Thermally induced residual stresses in film insert molded parts were predicted by numerical simulations with both commercial and house codes. Bending moments and warpage of FIM tensile specimens were calculated numerically and compared with experimental results. Thermally induced residual stresses were predicted by utilizing a one-dimensional thermoelastic model where constant material properties are assumed. The residual stress distribution depended remarkably on the Biot number and the heat was removed rapidly through the surface resulting in high residual stresses. Asymmetric residual stresses generated by non-uniform cooling of the part provoked non-uniform shrinkage and warpage of the molded tensile specimen. It was found that the numerically calculated bending moment is in good agreement with experimental results. Back-injection of polymeric liquid to preformed films, also known as FIM, provides the surface quality of polymeric parts. The back-injection material is responsible for mechanical and thermal properties of the part, especially such as stiffness and thermal expansion. In the back-injection, molding it is important to ensure that the inserted films are not wrinkled by the injection of molten polymers. In this study, FIM was carried out with utilizing PC/ABS alloy and PMMA/ABS film. The wrinkling of films was observed by the atomic force microscope (AFM). Numerical simulations were performed to understand the mechanism of the film wrinkling and optimize the processing conditions of FIM for high precision parts by using commercial packages including HypermeshTM, MoldflowTM, and COMSOLTM. A critical shear rate for the film wrinkling of a center garnish part was determined based on the deformation energy of plate. It was found that the critical shear rate calculated numerically was in good agreement with that of the film insert molded parts. I have demonstrated a robust platform that cannot only sustainably fabricate a lab-on-a-chip device using microinjection molding but also elucidate the filling process of microstructures based on the multi-scale analysis. A microfluidic lab-on-a-chip (or micro-total-analysis-system ((µTAS) framework)) that seeks to handle cell-based microsystems was successfully prepared by using such a platform. Besides, a novel dimensionless number, the filling number which can help understand the underlying filling mechanism for micropillars has been introduced considering the characteristics of polymeric flow and cavity dimension. Among various processing conditions of injection molding, mold wall temperature is found to be critical to determine the filling quality of microstructures for injection molded parts, followed by investigating the effect of the wall temperature on the filling ratio of the micropillars. Overall, this study is expected to offer a solid experimental and numerical tool for the production of microfluidic devices using microinjection molding, more specifically in an effort to bridge between laboratory level techniques and mass production ones. The purpose of this study is to provide a profound understanding on the warpage behavior of a micro-molded part induced by the anisotropy of materials. As a first part of the entire study, I report on the characterization of microstructural anisotropy of liquid crystalline polymer based composites. A new classification of microstructures, (i.e., skin-shear-core layer) along the thickness of a micro-molded part was introduced depending on the orientation of LCP molecules and fillers. The microstructural anisotropy of the LCP composites was verified using WAXD, CT, and SEM analyses. The anisotropic elastic modulus and CTE of micro-injection molded parts were examined with use of a new numerical model modifying the Mori-Tanaka(M-T) model. As I mentioned above, I investigated the warpage of a micro-injection molded part experimentally and numerically. The orientation of glass fibers in a micro-injection molded part was analyzed by micro-CT scanning and numerical simulation. I emphasized that the interaction coefficient, , and coefficient of thermal expansion (CTE) were most important factors to determine the warpage of a micro-injection molded part with an anisotropic material. Consequently, I performed the simulations to show controlling the warpage of it due to the orientation of glass fibers.