SLS 3D 적층조형 폴리머 코어로 사출 성형된 제품의 두께 방향 수축률에 관한 연구 :A Study on the Shrinkage in Thickness Direction of Injection Molded Product Made by SLS 3D Printed Polymer Core

신성현

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자료유형: 학위논문

저자정보: 신성현 (단국대학교, 단국대학교 대학교)

지도교수: 윤경환

발행연도: 2019

저작권: 단국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수9

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2019

SLS 3D 적층조형 폴리머 코어로 사출 성형된 제품의 두께 방향 수축률에 관한 연구

신성현 기계공학과 2019.01 학위논문

사출금형코어 및 성형수지 변화에 따른 두께 방향 수축률에 관한 연구

신성현 , 정의철 , 김미애 외 5명 한국금형공학회지 2019.01 학술저널

2018

폴리머 코어 금형의 사출성형이 성형품 두께방향 수축률에 미치는 영향에 관한 연구

신성현 , 정의철 , 손정언 외 4명 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2018.10 학술대회자료

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플라스틱 산업은 우리 생활 주변에서 쉽게 사용되는 제품들의 적용되어 날로 발전하여 출현하고 있으며, 그중 사출성형을 통해 생산된 제품은 우수한 품질과 대량 생산이 가능한 산업이나 최근에는 개인의 요구와 특징을 반영한 제품에 대한 필요성이 증가함에 따라 고객의 다양한 요구 및 제품의 다변화를 만족하는 다품종 소량생산 산업으로 빠르게 전환되고 있다. 하지만, 이러한 산업 경향에서 사출 금형은 많은 시간과 비용이 발생한다.
다품종 소량 생산에 맞춰 제조 산업에서는 3D 프린팅 기술을 적용하여 제품 설계부터 제작까지 복잡한 제작 과정 및 시간, 비용을 줄일 수 있는 방향으로 전환되고 있다. 복잡한 형상을 빠르게 제조할 수 있는 장점이 있으나 3D프린터 장비 하나에 생산될 수 있는 조형물의 크기, 수량은 제한적이다.
본 연구에서는 SLS 방식의 3D 프린팅으로 제작한 사출 금형 코어와 금속으로 제작된 금형 코어를 사용하여 사출 성형품의 게이트로부터 일정 간격으로 두께 방향 수축률을 측정하여 코어 소재의 따라 성형품의 치수 정밀도에 미치는 영향을 수행하였다. 3D 프린팅 금형 코어는 파우더 형태로 된 PA2200 소재를 선택적 레이저 소결 방식으로 가공하여 제작하였으며, 금속 코어는 기존의 기계 가공방식으로 제작되었다. 3D 프린팅 소재는 나일론 계열 소재로 금속에 비해 낮은 강성과 열전도율, 높은 비열의 특성을 나타내어 고온고압의 용융 수지에 의해 코어의 변형이 최소화되도록 수지 선정 및 성형조건을 설정하였다. 용융온도 및 점도가 낮은 결정성 수지와 비결정성 수지를 선정하여 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 온도센서를 통해 코어 내부의 온도변화를 확인하여 냉각 시간을 설정하였으며 3D프린팅 코어의 냉각 시간은 금속 코어 대비 긴 시간이 필요하였다. 그 결과 성형품의 두께를 게이트로부터 일정 간격 위치마다 측정하여 코어 캐비티 깊이 대비 두께 방향 수축률을 계산하였다. 3D 프린팅 코어로 성형된 제품의 두께 방향 수축률은 금속 코어 대비 결정성 수지인 Polypropylene에서는 보압 크기에 따라 평균적으로 약 2.7~4.3% 높게 나타났다. 또한, 게이트에서 멀어질수록 제품의 두께 방향 수축률이 금속 코어에서는 증가하는 반면에 3D프린팅 코어에서는 게이트에서 멀어질수록 감소하는 경향이 나타났다. 한편, 비결정성 수지인 Polystyrene에서 3D프린팅 코어로 제작된 제품의 두께 방향 수축률은 금속 코어 대비 평균적으로 약 3.3% 높게 나타남을 확인하였다. 또한, 게이트에서 멀어질수록 제품의 두께 방향 수축률이 금속 코어에서는 증가하였지만, 3D프린팅 코어에서는 게이트에서 멀어질수록 일정한 수축률 경향이 나타났다. 이러한 원인은 3D 프린팅 코어 소재의 낮은 열전도율, 높은 비열에 따라 사출성형 과정에서 제품의 온도변화가 체적수축에 영향을 미쳐 이에 대한 분석 및 평가를 수행하였다.

Plastic industry is developing and emerging with the application of products that can be easily seen around it. Among them, the products produced through injection molding are high quality and mass production industries. however, recently, the growing need for products that reflect individual needs and characteristics has rapidly shifted to a multi-product low-volume production industry that satisfies the diverse needs of customers and the diversification of products. However, injection molding take a lot of time and money in this industry trend. In line with multi-product low-volume production, 3D printing technology is being applied in the manufacturing industry to reduce the complex production process, time and cost from product design to production. Although it has the advantage able to produce complex shapes quickly, the size and quantity of the sculptures that can be produced in one 3D printer equipment are limited.
In this study, SLS type 3D printing mold core and metal core were used to measure the thickness shrinkage from the gate of the injection molded product at a constant interval to effect the dimensional accuracy of the molded product according to the core material. 3D printing mold core was mad of PA2200 powder in the form of selective laser sintering and the metal core is manufactured by conventional machining method. Nylon-based 3D printing material had low strength and thermal conductivity, high specific heat characteristics compared with metal, the resin selection and molding conditions were set the deformation of the core was minimized by the high temperature and high pressure molten resin. Crystalline resin and amorphous resin in low melting temperature and viscosity were selected and experiment was conducted. The cooling time was selected by checking the temperature change inside the core used in the experiment. The cooling time of the 3D printing core was required a longer time than the metal core. As a results, the thickness direction shrinkage of the product compared to the core depth was calculated from the gate by a certain interval. The thickness direction shrinkage of the product molded into the 3D printing core was 2.7 ~ 4.3% higher than that of the metal core, depending on the packing pressure of polypropylene. In additions, in the case of metal core, thickness direction shrinkage was increased with distance from the gate, on the contrary, in the case of polymer core showed reversed aspect. On the other hand, the thickness direction shrinkage of in the amorphous resin, polystyrene the product molded into the 3D printing core was about 3.3% higher than the metal core. In addition, although the thickness direction shrinkage of the product increased in the metal core as the distance from the gate was increased, in the 3D printing core, the tendency of a constant shrinkage appeared as the distance from the gate was increased. Based on the low thermal conductivity and high specific heat of the 3D printing core material, these causes affect the volume shrinkage of the product during the injection molding process, and the analysis and evaluation were performed on this.

국문요약 ⅰ
감사의 글 ⅲ
목차 ⅳ
List of Tables ⅶ
List of Figures ⅷ
Ⅰ. 서론 1
Ⅱ. 이론적 배경 3
2.1 사출성형(Conventional Injection Molding : CIM) 3
2.1.1 사출성형의 장·단점 3
2.1.2 사출성형기의 구조 4
2.1.3 사출 성형공정 5
2.2 성형수축률 8
2.2.1 열적 수축 9
2.2.2 결정화 또는 경화에 의한 수축 9
2.2.3 탄성 회복(압축에 의한 체적변화) 9
2.2.4 분자배향에 완화에 의한 수축 10
2.3 사출성형 수축의 주 인자 10
2.3.1 수지 온도 10
2.3.2 금형 온도 11
2.3.3 사출 압력 11
2.3.4 금형 구조 11
2.3.5 냉각 시간 12
2.3.6 보압 시간 12
2.3.7 배향성 12
2.3.8 성형품 살두께 12
2.4 3차원 프린팅(3D-Printing) 13
2.4.1 3차원 프린팅의 원리 13
2.4.2 3차원 프린팅의 장·단점 14
2.4.3 3차원 프린팅의 종류 17
2.4.4 3차원 프린팅의 기술개발 동향 20
Ⅲ. 실험 장치 및 방법 23
3.1 3D 프린팅 금형 코어 23
3.1.1 금형 코어 재료 23
3.1.2 3D프린터 24
3.1.3 금형 코어 모델 25
3.1.4 금형 코어 측정 27
3.2 사출성형 29
3.2.1 사용재료 29
3.2.2 사출성형기 32
3.2.3 사출 금형 33
3.2.4 사출 공정조건 34
3.3 제품측정 및 계산 45
3.3.1 제품 두께 측정 45
3.3.2 두께 방향 수축률 계산 45
Ⅳ. 결과 및 고찰 47
4.1 Polypropylene의 두께 방향 수축률 47
4.1.1 보압 크기에 따른 두께 방향 수축률 (금속 코어) 47
4.1.2 보압 크기에 따른 두께 방향 수축률 (폴리머 코어) 51
4.2 Polystyrene의 두께 방향 수축률 53
4.2.1 보압 크기에 따른 두께 방향 수축률 (금속 코어) 54
4.2.2 보압 크기에 따른 두께 방향 수축률 (폴리머 코어) 58
Ⅴ. 결론 61
Reference 62
Abstract 65

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