실리콘 오일을 이용한 유체사출성형이 중공제품의 내벽 품질에 미치는 영향에 관한 연구

Abstract

중공형 플라스틱 제품 생산에 사용되는 물사출성형은 물의 불안정한 유동과 비등현상의 영향으로 불균일한 잔류 벽두께 및 기포 등을 발생시킨다. 특히 물의 높은 열용량과 열전도도의 영향으로 온도에 따른 민감한 점도 변화를 보이는 ABS는 잔류벽두께 불균일성이 크게 나타나며, 반면에 PP와 같이 온도에 따른 점도 변화가 둔감한 수지는 상대적으로 작은 영향을 미치는 것으로 알려져 있다 본 연구에서는 중공제품의 잔류벽두께 균일도, 동심도, 그리고 내벽 품질 향상을 위해서 유체의 불안정한 유동과 비등효과를 억제할 수 있는 고점도 실리콘 오일을 적용한 유체사출성형에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해서 다양한 유체를 적용하여 중공제품을 성형할 수 있도록 기존의 가스사출성형 장비를 이용하여 유체의 압력을 제어하는 가스사출성형 기반 유체사출성형 시스템과 노즐을 개발하였다. 개발된 시스템을 이용한 유체사출성형 실험에는 물(0.86 mPa•s @ 25℃)과 고점도 유체인 실리콘 오일(970 mPa•s @ 25℃)을 적용하였으며, 유체의 유변학적, 열적 물성과 공정조건의 영향이 중공제품의 잔류벽두께 분포 및 동심도 변화에 미치는 영향에 대해서 비교 분석하였다. 물에 비해서 실리콘 오일은 높은 점도와 비등점을 갖기 때문에 안정적인 잔류벽두께를 형성하였다. 또한 물과 실리콘 오일의 충전과정을 분석함으로써 내벽의 불균일한 잔류벽두께 및 기포 발생이 노즐부 유로 형상과 분무화 영향에 의해서 발생되며, 낮은 점도의 물은 불안정한 유동 영향이 크지만 높은 점도의 실리콘 오일은 초기 불안정한 유동이 빠르게 안정화되었다. 적용 유체의 점도는 유동선단부 형상을 결정짓는 모세관 수에 영향을 미쳤다. 높은 점도의 실리콘 오일은 높은 모세관 수를 형성하여 폭이 좁고 긴 포물선 형상을 나타내었다. 이는 물에 비해서 유동선단부 경계면의 안정화된 유동을 유도하여 더욱 균일한 잔류벽두께를 형성하였다. 특히 실리콘 오일의 유동선단부 형상은 용융수지의 중심부로 더욱 가깝게 침투시켜 높은 동심도를 갖는 중공단면을 형성하였다. 물과 실리콘 오일의 열용량과 열전도도의 영향은 PP (Polypropylene : 반결정성 수지)와 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene : 비결정성 수지)의 적용 효과가 다르게 나타났다. PP의 내벽 품질은 결정화 영향으로 물을 적용한 경우가 우수한 표면 품질을 나타냈으며, ABS의 내벽 품질은 구성 성분인 부타디엔의 연신으로 실리콘 오일을 적용한 경우가 우수한 표면 품질을 나타냈다. 유체의 열적 특성이 수축공 형성에 미치는 영향을 분석하였으며, 실험과 해석을 통하여 낮은 열용량과 열전도도를 갖는 실리콘 오일은 내벽의 고화층 형성이 지연되어 유체의 압력에 의한 체적 수축 보상이 원활히 이루어져 수축공 발생이 저감됨을 확인하였다.