유한요소법을 이용한 휴대용 스트랩 홀더의 분말사출성형공정 최적화

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The size of small, complicated components is becoming bigger every day. The market size of ceramic injection molding, which is one of the molding methods suited to such demands and requirements of our time, is growing rapidly; and accordingly there has been active research into the improvement of the process and expansion of the applicable field.
Powder injection molding is a process for applying ceramic and metal manufacturing technique. It is a molding technique by mixing ceramic power with a binder and producing a feedstock for enabling injection molding to ceramic component. However, the feedstock for ceramic injection molding generates various defects such as flow mark and weld line due to considerably low fluidity when injecting with highly viscous and thermally conductive material.
This study aims to optimize the injection molding process by applying injection molding CAE by using a finite element method to the mass production process for the strap holder of a digital camera of S Company, which is produced with a ceramic injection molding process. The study conducted the interpretation of injection molding process by using 3DTIMON, which is a commercial interpretation software. In order to produce highly reliable results, the filling process, packing process, and cooling process were interpreted by measuring the characteristics of PVT as well as the melting viscosity, which is a rheological feature that is most influential to the results in injection molding interpretation.
As the result, the metallic pattern for a hot runner system was selected as a case study and manufactured with preventing flaws in ceramic injection molding. By applying this technique to a mass production process and forecasting the optimized injection cycle time, production cost of injection mold ceramics will be reduced.

국문 초록 (Abstract)

최근 휴대성을 강조한 다양한 소형제품들의 수요로 인하여 복잡한 소형의 부품들의 시장규모가 날로 커져가고 있다. 이러한 시대적 수요와 요구에 부합한 성형 방법 중 하나인 분말사출성형(PIM: powder injection molding)은 시장규모가 급격히 커져가고 있으며 그에 따라 공정개선과 도입 분야 확대에 관현 연구가 활발히 진행 중에 있다.
분말사출성형은 분말 야금 기술과 사출성형기술을 접목한 공정이다. 즉 제작하고자 하는 부품의 재질인 분말에 사출성형이 가능하도록 결합제(binder)를 혼합하여 혼합체(feedstock)를 제조하여 성형하는 기술이다. 그러나 분말사출성형의 혼합체는 높은 점성계수와 열전도도계수가 사출 시 유동성을 현저하게 저하시켜 플로우 마크, 웰드라인 등과 같은 다양한 결함을 발생시킨다.
본 연구는 분말사출성형 공정으로 생산되는 S사의 디지털카메라 스트랩홀더의 양산공정에 유한요소법을 이용한 사출성형 CAE를 적용하여 사출성형 공정을 최적화 하고자 하였다. 사출성형공정을 상용화 해석 S/W인 3DTIMON을 이용하여 해석을 수행하였으며 신뢰성 높은 결과를 도출하기 위하여 사출성형해석의 고려사항 중 가장 결과에 영향을 미치는 유변학적 특성인 용융점도와 PVT특성에 주안점을 두고 측정을 하여 충진공정(filling process), 보압공정(packing process), 냉각공정(cooling process)을 해석하였다.
그 결과 분말사출성형의 결함발생을 미연에 방지할 수 있는 핫러너시스템의 금형을 선정하여 제작하고 양산공정에 적용하였으며 최적화된 사출 사이클 시간을 예측하여 생산량을 증가시켜 생산 단가를 낮출 수 있는 방안을 제시하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 = 1
• 제2장 이론적 배경 및 문헌고찰 = 3
• 2.1. 사출성형공정 = 3
• 2.1.1. 분말사출성형 = 3
• 2.1.2. 분말사출성형의 문제점 = 8
• 2.2. 분말사출성형의 유한요소 해석 = 11
• 2.2.1. 사출성형 CAE = 11
• 2.2.2. 분말사출성형의 유한요소 해석 이론 = 14
• 제3장 실험방법 = 22
• 3.1 혼합체(Feedstcok)제조 및 특성평가 = 22
• 3.1.1. 혼합체(Feedstock) 제조 및 특성평가 = 22
• 3.1.2. 혼합체(feedstock) 특성평가 = 25
• 3.2. 분말사출성형의 유한요소해석 = 28
• 3.2.1. 분말사출성형의 금형시스템 = 28
• 3.2.2. 분말사출성형의 유한요소 해석 = 31
• 제4장 결과 및 고찰 = 34
• 4.1. STS316L 혼합체의 물리적 특성 = 34
• 4.2 스트랩 홀더 분말사출성형 공정의 분석 = 41
• 4.2.1. 충진공정 결과 = 41
• 4.2.2. 보압·냉각공정 및 사출결함 분석 = 47
• 4.3. 스트랩 홀더 사출성형조건 최적화 = 50
• 4.3.1. 유한요소를 활용한 사출조건 최적화 = 50
• 4.3.2. 실험 통한 사출조건 최적화 = 54
• 제5장 결론 = 58