열성형공정의 3차원 유한요소해석

남기준; 손동수; 이재욱

Korean Journal of Rheology, Vol.11, No.1, 18-27, March, 1999

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열성형공정의 3차원 유한요소해석

3-Dimensional Finite Element Analysis of Thermoforming Processes

남기준, 손동수, 이재욱

초록

본 연구에서는 3차원 열성형 공정 알고리듬과 이에 membrane approximation을 도입한 근사적인 알고리듬을 개발하였고, 이 알고리듬을 이용하여 몇몇 열성형계에 대한 수치모사를 수행하여 그 결과를 비교 분석하였다. 3차원 알고리듬의 경우에는 구성한 유한요소 평형 방정식에 벌칙함수를 도입하여 비압축성 조건을 만족시켜 해를 얻었으며, membrane approximation을 도입한 알고리듬의 경우에는 두께 방향의 응력을 무시하여 구성한 방정식으로부터 해를 얻었다. 구성방정식은 2nd Piola-Kirchhoff 응력 텐서와 Cauchy-Green 변형 텐서를 사용하여 표현하였고 수지의 물질 모델식으로는 2항의 Mooney-Rivlin 모델을 사용하였으며, total Lagrangian coordinate를 도입하여 지배방정식을 유한요소화함으로써 알고리듬을 구성하였다. 대상계로 선정한 사각평판 수지의 자유 부풀림 거동과 금형이 있는 경우에서의 수지의 부풀림 거동을 3차원 알고리듬과 membrane approximation 알고리듬을 각각 이용하여 분석하였으며 3차원 알고리듬의 경우 clamping 부분의 경계조건을 달리하여 결과를 비교하였다. 금형이 있는 계에 대해서는 silp 경계조건과 no-slip 경계조건을 각각 부여하여 수치모사를 수행, 수지의 변형거동과 응력분포를 비교 분석하였으며, 두께를 달리한 수지에 대해 두께 방향의 응력을 비교 분석함으로써 membrane approximation 알고리듬의 한계에 대하여 논하였다. 한편 수지 온도 변화에 따른 성형품의 두께 분포의 변화를 살펴보기 위하여 ABS 수지를 대상으로 하여 137.8℃에서 171.1℃ 사이의 온도에서 수행한 인장 실험 데이터를 수치모사에 사용하였다. 그 결과 수지의 온도가 높을수록 두께의 표준편차가 감소하여 균일한 두께 분포를 얻을 수 있음을 확인하였고 이는 수지의 흐름성이 증가함으로써 나타나는 현상으로 해석할 수 있다.

Predicting the deformation behaviors of sheets in thermoforming processes has been a daunting challenge due to the strong nonlinearities arising from very large deformations, mold-polymer contact condition and hyperelasticity constitutive equations. Nonlinear numerical analysis is always required to face this challenge especially for realistic processing conditions. In this study a 3-D algorithm and the membrane approximation are developed for thermoforming processes. The constitutive equation is expressed in terms of the 2nd Piola-Kirchhoff stress tensor and the Cauchy-Green deformation tensor. The 2-term Mooney-Rivlin model is used for the material model equation. The algorithm is established by the finite element formulation employing the total Lagrangian coordinate. The deformation behavior and the stress distribution results of 3-D algorithm with various point boundary conditions are compared to those of the membrane approximation algorithm. Also, the slip boundary condition and the no-slip boundary condition are applied for the systems that have molds. Finally, the effect of sheet temperatures on the final thickness distribution is investigated for the ABS material.

Keywords:Thermoforming Process;Finite Element Method;3-D Analysis;Membrane Approximation;Total Lagrangian Formulation

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