핫러너 사출금형의 밸브 게이트 순차제어 시스템 최적화 = Optimization of the sequential valve gating system in the hot runner injection mold

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In large-area injection molding with a sequential valve gating system, cost loss occurs between the mold design and mass production. One is the cost of a test injection that optimizes the molding conditions and valve gate control conditions. This is caused by the high difficulty of sequentially controlling multiple valve gates using a timer controller. The other is design change and reprocessing of the injection mold. Continuous re-machining of the mold not only increases the machining cost but also delays the production schedule, causing significant losses. In this study, we tried to reduce the above two types of losses by optimizing the sequential valve gating system.
First, an automatic control system for the valve gate was developed in order to reduce the difficulty of optimizing the molding and valve gating conditions. The valve gate automatic control system consists of an in-mold sensor module and an auto triggering controller. The in-mold sensor module includes a temperature sensor, a pressure sensor made by hand, and an amplifier. The auto triggering controller was developed based on National Instruments hardware, and the automatic control program was developed by LabVIEW. Conventional timer controller needs to optimize every time when process conditions are changed. However, the developed system controls the valve gate by sensing the melt flow in the cavity. As a result, the number of valve gate control variables could be reduced, and the difficulty of optimizing the process also could be reduced.
The position of the gate affects the quality of the injection molded part, and the effect is greater in large-area injection molding with multiple valve gates. Proper arrangement of the valve gates can reduce mold redesign and rework. Therefore, a methodology for optimal valve gate arrangement was developed. The methodology works based on Python and a CAE analysis program for the injection molding process, Moldex3D. The validity of the valve gate optimal arrangement methodology was verified by the injection mold of the TV rear cover of a 40 inch with existing valve gate arrangement information. The valve gate placed optimally by the methodology has improved filling and pressure balance compared to the conventional valve gate arrangement. Also, the deviation of the flow front speed difference of the melt has been reduced. The filling balance was quantified by the standard deviation of the arrival time of the nodes on the end of the cavity. The pressure balance was quantified by the difference between the maximum pressure and the minimum pressure inside the product right after the filling stage. The flow front speed difference of the melt was quantified as the standard deviation of the average flow speed on the flow front. The valve gate arrangement optimization methodology could also be applied to the rear bumper of the automobile. Therefore, the possibility of application to other shape products is sufficient.
For the optimal valve gate arrangement, the operation delay time of the valve gate was optimized. This is a control variable that determines how many seconds after the sensor detects the melt flow and activates the valve gate. The operation delay time is used equally according to the valve gate order. By optimizing the delay time, it was possible to further reduce the flow front speed difference by about 15% at the same injection pressure.
If the mold is designed through the methodology of optimal valve gate arrangement, and the valve gate is controlled with the automatic control system, the cost and time consumption between mold design and mass production can be reduced in the large-area injection molding process.

국문 초록 (Abstract)

밸브 게이트 순차제어 시스템을 사용하는 대면적 사출성형에서는 금형 설계부터 대량 생산 시작까지의 중간과정에서 다양한 비용 손실이 발생한다. 하나는 초기 설계에 따라 가공된 금형이 기준 품질을 갖는 사출 성형품을 생산 가능한지 조사하는 시험 사출에서 소모되는 비용이다. 밸브 게이트 타이머 제어기는 모든 밸브 게이트의 작동 시점을 시행오차를 통해 최적화해야 한다. 때문에 기준품질을 확보하기 위한 최적화에 소요되는 시간과 비용이 크다. 다른 하나는 잘못된 금형 설계로 인하여 반복적으로 요구되는 금형의 설계변경 및 재 가공이다. 금형의 지속적인 재 가공은 금형의 가공비용을 증가시킬 뿐 아니라 생산일정을 지연시켜 큰 손실을 유발한다. 본 연구에서는 기존의 순차제어 밸브 게이트 시스템을 최적화하여 위 두 가지 종류의 손실을 줄이고자 했다.
먼저 시험 사출에서 소모되는 비용과 시간을 줄이기 위해서 밸브 게이트의 순차제어를 위한 자동 트리거링 시스템을 개발했다. 자동 트리거링 시스템은 형내 센서 모듈과 자동 트리거링 제어기로 구성된다. 형내 센서는 제작하여 사용했으므로 다수의 설치에도 비용적인 무리가 없었다. 자동 트리거링 제어기는 National Instruments의 하드웨어를 기반으로, 자동제어 프로그램은 LabVIEW 기반으로 개발되었다. 기존 제어 시스템은 밸브 게이트 개방 시점과 폐쇄 시점을 시간을 기준으로 수동으로 설정해야 하는 어려움이 있다. 개발된 시스템은 형내 온도센서를 통해 용융수지 선단의 흐름을 감지하여 공정조건 변화에도 자동적으로 밸브 게이트를 제어한다. 이를 바탕으로 공정 최적화 소요시간을 줄이고 제품 품질을 향상시킬 수 있었다.
다음으로 금형 설계 시 게이트 배치 최적설계 알고리즘을 개발하였다. 게이트 위치는 제품의 품질에 영향을 미친다. 다수의 밸브 게이트를 사용하는 대면적 사출성형에서는 그 영향이 더 크다. 밸브 게이트의 부적절한 배치에 따른 충전 불균형과 표면결함을 예방하여 금형의 재설계, 재가공을 줄이고자 했다. 최적설계 알고리즘은 파이썬과 사출성형 해석 프로그램을 기반으로 작동한다. 기존의 밸브 게이트 배치정보가 있는 40인치 TV 후면커버를 사용하여 최적설계 알고리즘의 타당성을 검증했다. 배치 최적설계를 통해 설계된 밸브 게이트는 기존 밸브 게이트 배치보다 충전균형과 압력균형이 향상되었으며 용융수지 선단속도의 편차는 감소했다. 충전 균형은 제품 말단에 위치한 지점들에 대한 용융수지 도달시점 표준편차로 정량화했고, 압력 균형은 충전완료 시 제품 내부 최대압력과 최소압력의 차이로 정량화했다. 용융수지 선단속도 편차는 충전과정을 10 단계로 나누고 각 단계의 선단속도 표준편차를 계산하여 정량화했다. 자동차 후면범퍼 형상의 제품에도 개발된 설계 알고리즘을 적용함으로써 다른 형상의 제품에도 이 알고리즘의 적용 가능성이 충분함을 판단하였다.
마지막으로 최적설계 알고리즘을 통해 최적 배치된 밸브 게이트에 대해 밸브 게이트의 작동 지연시간을 최적화했다. 작동 지연시간이란 센서가 용융수지 선단을 감지하고 몇 초 후에 밸브 게이트를 작동할 지 결정하는 제어변수이다. 동일한 차수의 밸브 게이트들은 동일한 작동 지연시간을 가진다. 지연시간 최적화를 통해 동일한 사출압력에서 용융수지 선단속도 편차를 약 15% 더 감소할 수 있었다.
본 연구에서 개발된 밸브 게이트 배치 최적설계 알고리즘을 통해 금형을 설계하고 밸브 게이트를 자동 트리거링 시스템으로 제어한다면 대면적 사출성형 공정에서 금형 설계와 대량생산 사이에 발생하는 비용과 시간 소모를 감소할 수 있을 것으로 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1. 밸브 게이트 순차제어 시스템 1
• 1.1.1. 밸브 게이트 순차제어 시스템 정의 1
• 1.1.2. 밸브 게이트 순차제어 시스템의 장점 2
• 1.2. 현재 시스템의 문제점 9
• 1.2.1. 금형 설계 - 대량 생산 프로세스의 손실 9
• 1.2.2. 타이머 방식 시점제어의 문제점 9
• 1.2.3. 밸브 게이트 배치 설계에 따른 문제점 10
• 1.3. 관련 연구 동향 14
• 1.3.1. 밸브 게이트 자동제어 연구 동향 14
• 1.3.2. 밸브 게이트 배치 최적화 연구 동향 14
• 1.4. 연구 목표 및 내용 18
• 1.4.1. 밸브 게이트 순차제어 자동 트리거링 시스템 개발 18
• 1.4.2. 밸브 게이트 배치 최적설계 알고리즘 개발 18
• 제2장 밸브 게이트 순차제어 자동 트리거링 시스템 19
• 2.1. 밸브 게이트 순차제어 자동 트리거링 시스템 개요 19
• 2.2. 밸브 게이트 순차제어 자동 트리거링 시스템 하드웨어 구성 21
• 2.2.1. 형내 센서 모듈 21
• 2.2.2. 자동 트리거링 제어기 23
• 2.3. 밸브 게이트 자동 트리거링 프로그램 29
• 2.3.1. 밸브 게이트 자동 트리거링 29
• 2.3.2. 밸브 게이트 타이머 제어 31
• 2.3.3. 밸브 게이트 수동 제어 32
• 2.3.4. 형내 모니터링 32
• 2.4. 개발 시스템 효과 검증 43
• 2.4.1. 실험 장비 및 조건 43
• 2.4.2. 실험 결과 43
• 제3장 밸브 게이트 배치 최적설계 48
• 3.1. 순차제어 밸브 게이트 배치 최적설계 전략 48
• 3.1.1. 최적설계 기본 개념 48
• 3.1.2. 최적설계 도구 48
• 3.2. 밸브 게이트 배치 최적설계 문제 정의 52
• 3.2.1. 설계 요구조건 52
• 3.2.2. 목적 함수 54
• 3.2.3. 설계 변수 57
• 3.2.4. 최적화 기법 57
• 3.2.5. 설계 난이도 감소 전략 58
• 3.3. 밸브 게이트 배치 최적설계 알고리즘 66
• 3.3.1. 최적설계 목표와 조건 설정 66
• 3.3.2. 1차 밸브 게이트 후보위치 선정 및 해석 67
• 3.3.3. 1차 밸브 게이트 후보위치 해석 결과 추출 68
• 3.3.4. 1차 밸브 게이트의 목적함수 계산 68
• 3.3.5. 회귀모델을 사용한 위치 최적화 68
• 3.3.6. 최적 1차 게이트 해석 69
• 3.3.7. 최적 1차 밸브 게이트 해석결과 추출 69
• 3.3.8. 밸브 게이트 추가배치 판단 및 선단곡선 추출 69
• 3.3.9. 2차 게이트 개수 결정 70
• 3.3.10. 2차 밸브 게이트 후보 위치 선정 및 해석 71
• 3.3.11. 해석결과 추출 71
• 3.3.12. 추가 밸브 게이트의 목적함수 계산 71
• 3.3.13. 회귀모델 사용한 2차 밸브 게이트 배치 최적화 71
• 3.3.14. 최적 2차 밸브 게이트 배치 해석 72
• 3.3.15. 최적 2차 밸브 게이트 해석결과 추출 72
• 3.3.16. 밸브 게이트 차수 증가 72
• 3.3.17. 밸브 게이트 추가 배치 판단 72
• 3.4. 밸브 게이트 배치 최적설계 알고리즘 타당성 검증 93
• 3.4.1. 사출성형 해석 프로그램의 타당성 조사 93
• 3.4.2. 밸브 게이트 배치 최적설계 알고리즘 검증 94
• 3.4.3. 밸브 게이트 배치 최적설계 알고리즘 확장성 조사 96
• 제4장 밸브 게이트 작동 지연시간 최적화 122
• 4.1. 최적화 요구조건 122
• 4.2. 최적화 문제 정의 123
• 4.2.1. 목적함수 123
• 4.2.2. 설계변수 124
• 4.3. 최적화 결과 125
• 제5장 결론 129
• 참고문헌 133
• 부록 139