3D GAIM 사출 성형 해석 기술로 가스 핑거링 현상 예측

Specially thanks to Lite-On Technology Corporation for providing experimental data of gas penetration and fruitful discussions.                                              

서지충(徐志忠)

유체 사출 성형에서 흔히 발생하는 문제 중 하나는 바로 유체 핑거링 현상(fluid fingering behaviors) 이다. 유체가 완성품의 중심부로 불규칙적으로 침투함으로써 지문과 같은 형상을 남기게 되는 이 현상은 플라스틱 부품의 강성을 대폭 저하시킬 수 있다.[i]유체 사출 성형에 관한 실험 연구에 근거한 유체 핑거링 현상의 주 원인은 2차 유체의 침투이다.[ii]

미성형법은 유체 사출 성형의 초기 성형법으로서, 유체를 보충하여 완성품 내부의 빈 공간을 제거해 플라스틱 재료의 양과 중량을 줄일 수 있다. 유체 사출 성형을 통해 박판의 강성을 강화시킬 때 통상적으로 사용되는 유체 채널은 립이며, 유체를 보조해 공극이 생성된다. 설계 불량의 립 박판 지오메트리은 빈 공간을 지나치게 많이 제거해 완성품의 강성을 대폭 감소시킨다.[iii]

성형 완성품에 변형 문제가 있는 경우 보통 「Full Shot 가스 사출 성형」을 통해 수축을 보상하고 제품의 품질을 높이는데, 이러한 성형 방식은 수지가 캐비티 내에 가득 차 있는 상황에서 보조 유체를 주입하기 때문에 유체 침투 행위는 2차 침투 행위에 의해 달성 여부가 결정된다. 덕분에 유체 빈 공간 제거 영역이 비교적 적으며, 동시에 빈 공간 유체를 사용해 해당 영역의 잔류 응력 및 싱크마크를 감소시킬 수 있다.[iv] Full Shot 가스 사출 성형의 유체 보조는 2차 침투 행위에 의존하기 때문에, 유체 침투로 인해 복잡한 핑거링 현상이 나타날 수 있다.

앞서 언급한 성형 문제를 해결하기 위해 본 실험에서는 복잡한 지오메트리을 사용해 Full Shot 가스 사출 성형을 시뮬레이션함으로써 2차 침투 결과를 예측하였다. 본 사례의 제품은 프린터 커버(그림 1) 이며  용지걸림 발생하지 않도록 높은 평면도 및 저변형이 요구된다. 본 사례에서는 Moldex3D(몰덱스3D) 시뮬레이션 Full Shot 가스 사출 성형을 사용해 수지가 캐비티에 완전히 충진되기 전에 구조 립 부분에 보조 가스를 주입하여 빈 공간을 제거함으로써, 싱크마크를 방지하고 해당 부분의 기계적 성질을 강화했다. 재료는 비결정성 투명 ABS이며, Moldex3D(몰덱스3D)에 기존된 재료 데이터베이스의 설정을 참조하였다. 동시에 시뮬레이션을 통해 가스 침투를 비교함으로써 2차 침투 예측 정확성을 평가할 수 있었다.

이러한 성형법은 Full Shot 가스 사출 성형으로 수지가 냉각으로 인한 수축 발생 시 가스가 침투될 공간이 생겨 캐비티에 진입하게 된다. 그러나 수지가 이미 캐비티 속 대부분의 유동 공간을 차지하고 있어, 가스가 가스 체널에서 빠져나와 공도가 불필요한 완성품의 다른 부위로 이동함으로써 심각한 핑거링 현상을 유발할 수 있다. 핑거링 현상이 심각한 경우 완성품의 강도, 충격강도 및 안정성을 크게 저하시킬 수 있기 때문에 핑거링 현상이 쉽게 나타나는 영역을 찾아낼 수 있다면 가스 주입구를 정확하게 선택할 수 있는 것이다.

그림 1　프린터 커버의 지오메트리

이 제품은 더블 게이트 런너 설계이며 수지가 게이트부터 방사형태로 벽이 얇은 부위로 흘러갔고 그림 2 및 그림 3에 의하면 2초와 2.84초의 유동선단 결과는 실제와 매우 일치했다는 것을 보여준다.

그림 2　유동선단 2초시의 실험(상) 및 시뮬레이션(하) 결과

그림 3　유동선단 2.84초시의 실험(상) 및 시뮬레이션(하) 결과

실험 및 유동 해석 결과에 대한 비교(그림 4)를 통해 수지 충진이 완료된 후 3개의 가스 주입구가 있어 각각 3개 영역의 핑거링 현상 빈 공간 제거 브랜치가 형성됨을 확인할 수 있다. 하단부 중심에 위치한 가스 주입기 2가 브랜치 2를 형성했으며, 나머지 두 가스 주입기 1 및 3호 역시 각각 좌우측면에 브랜치 1과 3을 형성했다. 가스 주입기 2호가 수지 주입구와 가장 가까워 가스가 이곳으로 진입할 때 수지의 온도는 비교적 높으며, 유동 저항력은 낮아진다. 이 때문에 브랜치 2의 핑거링 현상이 가장 뚜렷하다. 반면, 기타 가스 주입기 입구에서는 수지의 온도가 비교적 낮고 핑거링 현상 역시 브랜치 2만큼 분명하지 않다. 이러한 추세 역시 그림 5의 평균 체적 수축률 등위면 분포를 통해 발견할 수 있으며, 체적 수축률 평균치 등위면 분포를 통해 이러한 현상이 가스 주입기 2호에 치중되어 있음을 알 수 있다.

그림 4　프린터 커버 가스 빈 공간 제거 이미지 실험(상) 및 시뮬레이션(하) 결과 비교

그림 5　보조 가스 주입 시의 체적 수축률 등위면 분포 시뮬레이션 결과

실험을 통해 핑거링 현상의 크기를 정확히 측정하기 쉽지 않은데, 가스 핑거링 형상의 크기를 효율적으로 측정하기 위한 참고한 문헌[v]의 핑거링 투영 면적 비율은 다음과 같다:

위의 A-fingering 는 상단 이미지의 가스 핑거링 현상 제거 총 투영면적이다. 실험과 시뮬레이션의 핑거링 비율차를 비교해 보면 두 결과가 상당히 일관된 추세를 따르고 있다(그림 6).

분석 결과는 가스 침투 행위의 시뮬레이션 분석 및 실제 시험 몰딩의 2차 침투 행위 결과가 일치함을 보여준다. Moldex3D 가스 사출 성형 모듈의 시뮬레이션 분석을 통해 가스 핑거링 현상의 침투 분포를 효율적으로 예측하고 제품의 공차 사양을 충족할 수 있었다.

그림 6　서로 다른 브랜치에서의 실험 및 시뮬레이션을 통한 핑거링 비율 비교

[i] X. Lu, H.H. Chiang, L. Fong, J. Zhao and S. C. Chen, “Study of “gas fingering” behavior in gas‐assisted injection molding”, Polymer Engineering & Science, 39 (1) , 62-77, 1999

[ii] K.Y. Lin and S.J. Liu, “The influence of processing parameters on fingering formation in fluid‐assisted injection‐molded disks”, Polymer Engineering & Science, 49 (11), 2257-2263, 2009

[iii] R.D. Chien, S.C. Chen, M.C. Jeng and H.Y. Yang, “Mechanical properties of gas-assisted injection moulded PS, PP and Nylon parts”, Polymer, 40(11), 2949-2959, 1999

[iv] S.Y. Yang, C.T. Lin and J.H. Chang, “Secondary gas penetrations in ribs during full‐shot gas‐assisted injection molding”, Advances in Polymer Technology, 22(3), 225-237, 2003

[v] S.J. Liu and S.P. Lin, “Factors affecting the formation of fingering in water‐assisted injection‐molded thermoplastics”, Advances in Polymer Technology, 25(2), 98-108, 2006

서지충　박사

Moldex3D

연구개발(R&D)　프로젝트 매니저

칭화대학교(清華大學) 화학공학대학원 박사, 현 Moldex3D R&D팀 프로젝트 매니저. 코어 솔버 및 프로젝트 사양 커스터머라이징 개발 주책임자. 전공 연구분야: 고분자 유변학의 재료 연구, 유체역학 컴퓨팅/CAE 소프트웨어 솔버 개발, IC 패키징 프로세스, 유체(가스, 액체, 이중) 사출 성형, 액상 수지 주입 성형 시뮬레이션 등. 20편 이상의 기술 논문 발표 및 여러 특허 출원. 다수의 패키징 업체와 공동 개발 프로젝트 진행.