수축(shrinkage) : 따라서 잔류 응력의 발생원인은 제품의 수축이라 할 수 있다. 이러한 제품의 수축은 수지의 PVT에 의한 수축과 분자 또는 첨가제의 배향에 의한 수축으로 요약할 수 있다. 제품의 수축에 영향을 미치는 요소들은 다음과 같다. 1. 체적 수축률(volumetric shrinkage) - PVT 이력에 의하여 수축률이 다르다. 2. 냉각속도(cooling rates) - 냉각속도에 따라 PVT 곡선이 달라져서 수축률이 다르다. 3. 고분자와 파이버 배향(molecular & fiber orientation) - 배향 방향과 그 직각 방향의 수축률이 다르다. 금형 구속(mold restraint) - 수지는 금형 속에서 냉각에 의하여 수축하지만 금형 구속에 의하여 두께 방향 수축은 가능하나 길이방향 수축이 불가하다. 응력 완화(stress relaxation) : 금형 속에서 성형품의 수축에 의하여 발생한 잔류 응력은 취출 후 응력이 완화되면서 수축과 변형으로 바뀐다. 그러나 이러한 응력 완화는 재료 특성과 수지의 온도 및 시간 이력에 따라 달라지게 된다. 이것은 플라스틱의 점탄성 성질을 가지기 때문이다. 높은 온도에서는 성형품 내의 응력이 수축과 변형으로 쉽게 변화하지만 낮은 온도에서는 많은 응력이 성형품 속에 갇히게 되고 변형과 수축은 작아질 것이다. 즉 금형 온도가 낮고 냉각 시간이 길어질수록 이러한 응력 완화는 어려워져서 성형품의 수축 및 변형은 줄어들고 내부에 갇히는 잔류 응력은 증가한다. 불 균일 수축(uneven shrinkage) : 제품의 균일한 수축은 균일한 응력으로 나타나고, 변형 해석으로 예측되는 제품의 변형 모양도 뒤틀림이 아니라 단순한 길이 수축으로 나타난다. 이러한 경우에는 금형 가공 수축률을 적용하여 적절한 크기로 금형을 가공한다면 충분히 해소할 수 있는 문제다. 그렇지만 제품에서 불 균일 수축이 발생하면, 제품의 위치에 따라 불 균일 응력이 가해지고, 결국 이것은 변형 해석에서 제품의 뒤틀림으로 나타나게 된다. 이러한 제품의 뒤틀림은 변형 해석을 통하여 해결하여야 하는 주요한 성형 불량이다.
제품 변형 원인과 개선(cause of warpage & reducing warpage) : 따라서 제품의 변형 즉 뒤틀림은 수축률 편차에 의하여 발생한다라고 할 수 있다. 따라서 제품의 변형을 줄이기 위해서는 수축률 편차를 일으키는 원인을 파악하고 그것을 해결하기 위하여 제품 설계, 금형 설계, 공정 조건 등을 적절히 개선하여야 한다. 불 균일 수축을 4가지로 구분할 수 있다.
1. 제품의 두께 방향으로의 불 균일 냉각(differential cooling) 2. 제품의 영역에 따른 불 균일 수축 (differential shrinkage) 3. 재료의 배향 방향과 그 직각 방향의 불 균일 수축(differential orientation) 4. 코너 효과(corner effect).
변형을 개선하기 위해서는 불 균일 수축을 유발하는 원인을 제거하여 변형을 유발하는 잔류 응력을 제거하는 것이 가장 이상적이다. 물론 이러한 변형 원인 자체를 제거하는 것이 힘든 경우에는 제품 형상 변경 또는 추가에 의한 구조 보강을 통하여 그 잔류 응력을 견디게 하는 것이다. 그러나 이 경우 제품 변형은 개선될 수 있지만 제품 내의 최종 잔류 응력으로 남아 있게 된다. 1. 제품의 두께 방향으로의 불 균일 냉각(differential cooling) 변형의 원인 : 제품이 금형 내에서 캐비티와 코어의 비대칭적인 냉각을 받게 되면 제품 두께 방향으로 수축률 편차가 발생한다. 즉 금형 온도가 높은 쪽은 서서히 냉각이 되어 수축률이 상대적으로 크고, 금형 온도가 낮은 쪽은 빠르게 냉각되어 수축률이 상대적으로 적다. 이러한 제품 상하의 수축률 편차에 의하여 발생하는 변형을 불 균일 냉각에 의한 변형 또는 열 변형(thermal bending)이라 한다. 특히 박스 형상의 제품은 불 균일 냉각에 의한 변형에 취약한데, 이것은 일반적으로 열 집중이 일어나는 박스 코너 부분의 냉각을 위한 냉각 설계가 쉽지 않기 때문이다. 따라서 박스 형상의 제품은 대부분 아래 그림과 같이 제품 내측으로 열 변형이 발생한다. 변형의 해결 방법 : 불 균일 냉각에 의하여 발생한 변형을 줄이기 위해서는 냉각 해석의 결과로 제공되는 금형 온도 결고(temperature, mold)를 참조하여 금형 온도 편차를 줄이는 방향으로 냉각 시스템 설계를 개선하여야 한다. 금형 온도가 높은 부분은 냉각 설계를 보강하여 금형 온도를 낮추고, 금형 온도가 너무 낮은 부분은 오히려 냉각 설계를 수정하여 금형 온도를 높여 균일한 금형 온도가 되도록 하여야 한다. 이러한 금형 온도 편차에 의한 변형은 여러 가지 변형의 원인 중 가장 이해하기 쉽고 제어가 용이하다. 또한 다른 원인에 의하여 변형이 발생하여도 이 원리를 이용하여 실제 성형에서 금형의 상, 하측 온도를 적절히 조절함으로써 어느 정도 변형량을 개선할 수 있다.
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