소형 경량화되어 가는 휴대폰, 노트북과 같은 IT Mobile 기기는 제한된 크기와 형상 내에서 다기능화(multi-function)를 구현하기 위해여 제품의 두께 및 중량 감소에 대한 설계 및 제작 기술의 검토가 경쟁적으로 이루어지고 있다. 따라서 휴대 기기용 박판, 저 중량 부품의 생산에 필요한 박판 사출 성형(thin-wall injection molding, TWIM or TIM) 기술에 대한 연구가 진행되고 있다. 박판 사출 성형은 일반적으로 제품의 두께가 1mm 이하, 제품 치수의 aspect ratio(크기/두께)가 100 이상의 제품에 대한 성형으로 통칭할 수 있다. 박판 사출 성형은 두께 감소를 통한 중량 절감, 냉각 시간 단축, 원가 절감 실현 등의 장점을 가지고 있는 반면, 두께 감소에 따른 수지의 빠른 고화로 인하여 고속과 고압의 사출조건이 요구되며, 이는 일반 사출 성형(conventional injection molding, CIM)과 비교할 때 과도한 조건이므로 양호한 성형 품질을 얻는 것이 어렵다. 그렇기 때문에 박판 사출 성형의 경우, 안정적인 사출 공정 상태를 유지하기 위하여 금형 내의 공정 모니터링을 통한 정밀 성형 제어 및 관리가 필요하다. 휴대용 전자기기의 하우징과 같은 박판 사출 성형품의 강도 및 변형에 대한 요구조건을 만족시키기 위해서는 제품의 구조적 최적화는 물론이고, 공정조건의 최적화(안정화)가 확보되어야 한다. 따라서 적절한 강도, 강성의 소재를 선정함으로써 인장 및 낙하 충격의 특성을 확보하여야 하고, 공정조건의 최적화를 통하여 수축, 변형 및 휨을 최소화하여야 한다. 본 연구에서는 사출 공정 변수(게이트 직경, 사출 속도, 사출 온도)의 변화에 따라 사출 성형 과정 동안 캐비티 내의 압력과 온도에 대한 모니터링을 통하여 용융(melt) 수지의 유동 중에 발생하는 전단 응력(shear stress) 및 캐비티 내의 전단 변형률(shear rate)이 박판 사출품의 낙하 충격 물성에 미치는 영향을 고찰하였다. 1) 두께 1.0mm의 박판 디스크 금형 내에 설치된 압력/온도 센서를 이용하여 사출 공정 조건의 변화에 따라 캐비티에 충진 되는 실제 용융 수지의 유량(flow rate)을 관찰하였다. 2) 매 shot마다 모니터링(process monitoring)을 통하여 사출 공정 변수가 캐비티 내압(cavity pressure) 및 성형품의 중량(part weight)에 미치는 영향을 분석하였다. 3) 사출 공정 변수가 최종 사출품의 충격 물성에 미치는 영향을 검토하였다. 다양한 충격 환경을 고려하기 위하여 충격 위치 및 충격부의 고정 크기(clamping size)를 변화시키면서 재료의 충격 거동과 충격 파라미터의 변화에 대하여 고찰하였다. 실험 재료는 인장강도 58 Mpa, 신율 100% 이상의 비보강 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 소재이다. 충격 물성이 우수한 소재로 휴대용 전자기기의 하우징용으로 많이 사용되고 있는 소재이다. 충격 물성 측정용 시편은 직경 100mm, 두께 1.0mm의 박판 디스크 형상이다. 박판 시편의 안정적인 사출성형을 위하여 시편의 중앙에 원형의 게이트를 위치시켰으며, shear rate의 변화를 주기 위하여 게이트의 크기를 직경 0.4, 0.6, 0.8mm(G 0.4, G 0.6, G 0.8로 표기)의 세 가지로 구분하였다. 사출 성형 공정 중 압력과 온도의 변화는 금형의 center 게이트 위치로부터 각각 10, 40 mm인 지점에 감지(측정) 센서를 장착하여 모니터링하였다. 성형에 사용한 사출기는 140 ton의 고속 사출기이며, 시편의 사출조건 변수는 사출 온도 300, 320℃와 사출 속도 400, 800 mm/s로 구분하였다. 그 외 금형 온도는 110℃로, 보압력은 flash가 발생하지 않는 900 kg/㎠로, 보압 시간은 1.5초, 냉각시간은 18초로 고정하였다. 시편의 사출성형과정 동안 금형 캐비티 내 수지의 충진 과정에서 일어나는 온도와 압력의 상태를 파악하기 위하여 DAQ 장비를 이용하여 공정 상태를 monitoring 하였다. 사출조건의 변화에 따른 금형 캐비티 내의 상태 변화는 시편의 중량, 충격 물성의 변화를 고찰하는 데 사용되었다.
충격 물성의 측정방법은 ASTM D3763과 ISO 6603-2의 규정에 의거하여 수행되었다. 사용된 충격시험기는 instrumented dart impact(IDI) M/C으로 모델은 Dynatup 9250Hv이다. 사용한 striker(tup)는 직경 12.7mm의 반구 형상으로 윤활은 하지 않았다. 시편 clamping 방법과 충격 위치를 변화시키면서 디스크 시편의 면 충격 물성을 상온에서 측정하였다. 시편을 고정하는 clamping ring은 직경 40과 80 mm의 두 가지를 사용하여 시편 구분 code로 (C40)과 (C80)으로 표시하였으며, Striker(Tup)로 충격을 가하는 위치는 center와 offset으로 구분하여 CI와 OI로 표시하였다. 타격 조건인 impact energy와 impact veloctiy는 시편의 상태를 고려하여 결정하였으며, 중앙 게이트부를 타격하는 시편은 14 J, 2.0 m/s로, 중앙으로부터 20 mm 지점을 offset 타격하는 시편은 24 J, 2.7 m/s로 설정하였다. 예비실험으로 시편 관통 시의 흡수에너지의 크기를 관찰하여 관통이 이루어지는 최소 에너지 조건에 근접한 조건들로 설정되었다. 시편 및 사출 공정 조건과 충격시험 조건은 다음과 같다.
시편 게이트 크기, 사출조건과 충격시험조건
| Gate size | Injection mold condition | Impact test condition | |||
| Diameter mm | Temperature ℃ | Speed mm/s | Impact position | Clamping dia. mm | Specimen code |
| 0.4 | 300 | 400 | Center | 80 | CI (C80) |
| 0.6 | 320 | 800 | Center | 40 | CI (C40) |
| 0.8 | - | - | Offset | 40 | CI (C40) |
시편의 중량은 각 시험조건당 50개 정도의 시편을 성형한 후 순서대로 측정하였다. 시편 중량의 측정은 각 shot 마다 사출기 및 금형 내부에서의 편차를 모니터링하고, 전체적으로 실험이 얼마나 안정적인 상태에서 진행되었는가를 검증하기 위하여 수행되었다. 게이트 직경이 커지면 시편 중량은 증가하였다. 이는 용융 수지에 압력의 전달이 잘 이루어졌기 때문이며, 사출 공정의 압력 모니터링을 통하여 확인할 수 있었다. 사출 온도의 경우, 사출 온도가 낮은 300℃의 경우 시편 중량이 더 무거웠는데, 이는 용융 수지의 온도가 낮은 경우에 용융 밀도(melt density)가 높아서 동일한 성형 조건에서 시편의 중량이 증가한 것으로 판단된다. 사출 속도의 변화는 시편 중량의 변화에 영향을 미치지 않았다.
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