Korean Journal of Rheology, Vol.9, No.1, 16-26, March, 1997
보압과 냉각 과정을 고려한 사출 성형 제품의 잔류 응력 예측
Prediction of Residual Stresses in Injection Molded Parts Considering Packing and Cooling Stages
초록
사출 성형된 제품에서 발생하는 잔류 응력은 최종 제품의 기하학적 정밀도와 기계적 성질 및 열적 성질에 영향을 미친다. 사출 성형된 제품의 잔류 응력을 예측하기 위해서는 먼저 열 및 유동장의 해석을 수행하여야 하고 이를 위해서는 사출 성형의 세 단계, 즉 충전, 보압, 냉각을 모두 고려해야 한다. 검사체적 방법에 기초한 혼합 유한 요소/유한차분방법을 사용하는 수치 해석적 기법에 의하여 충전 과정과 후충전 과정의 유동장 해석을 수행하였다. 일반화된 헬레쇼 유동을 가정하였고 보압과 냉각 과정시의 고분자의 압축성을 고려하였다. 점도의 전단 변형률의 크기와 온도에 대한 의존성은 개선된 크로스 모델 (Modified Cross Model)을 사용하여 나타내었다. Tait에 의해 제안된 상태방정식은 고분자의 온도, 압력, 부피의 상호 관계를 묘사하는 좋은 방법을 제공하였다. 유동 해석을 통하여 전 공정에 걸쳐서 온도와 압력장의 변화에 대한 데이터를 얻었고 제품의 고체 응력 해석의 입력 데이터로 사용하였다. 유한 요소 응력 해석에는 평면 응력 요소를 사용하였다. 다양한 형태의 금형에 대해서 공정 변수들을 달리하여 유동장의 해석과 잔류 응력의 계산을 수행하였다. 이로부터 공정 조건과 유동장의 관계를 밝히고 최종 제품의 잔류 응력에의 영향을 고찰하였다.
Residual stresses which are developed in injection molded parts affect dimensional accuracy and mechanical and thermal properties of the final products. To predict the residual stresses in injection molded parts, three stages of injection molding, i. e., filling, packing, and cooling, must be taken into consideration for the thermal and flow analyses. Flow field analysis during filling and postfilling has been carried out by using the control volume based FEM/FDM hybrid method. The generalized Hele Shaw flow is assumed. Compressibility of the polymer melt is calculated during packing and cooling stages. Modified Cross model is employed to reflect the dependency of the viscosity upon shear rate and temperature. An equation of state proposed by Tait offers efficient means to describe pvt-relationship of the polymer. Variation in temperature and pres-sure field is obtained over all stages through the flow analysis and used as input data for the solid state stress analysis of the part. Plane stress elements, such as shell elements, are used for finite element stress analysis of injection molded parts with appropriate boundary conditions both in the mold and after ejected from the mold. Numerical analysis yields useful informations which are relevant to the mechanical properties of solid state for the final products, e. g., residual stress distribution, shrinkage, displacement field, strain distribution, warpage, and weld line locations. Other results are also obtained; pressure field, temperature field, sink marks, and proper operating conditions.
Keywords:polymer processing;injection molding;Hele-Shaw flow;residual stresses;finite element;finite difference
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