줄냉각 방식 사출 금형의 냉각효율 최대화를 위한 냉각회로 설계

Abstract

본 연구에서는 사출성형(injection molding) 제품의 냉각해석(cooling analysis)을 통하여 냉각회로(cooling circuit)의 연결 방식과 냉각채널(cooling channel)의 직경 변화에 따른 냉각효율의 변화를 확인함으로써 가장 효율적인 냉각회로의 연결방식과 직경의 조합을 확인하였으며 또한 펌프 성능 중 유량 변화에 따른 냉각회로의 성능변화를 검토하였다. 본 연구의 설계 대상인 TV 리어커버(rear cover) 제품의 금형 냉각회로는 동일한 직경의 채널이 일정 간격으로 구성된 줄 냉각(straight line cooling) 방식을 채택하고 있다. 해당 제품의 냉각회로는 설계자의 경험을 바탕으로 입수부(inlet)와 출수부(outlet)가 하나의 채널로 연결된 직렬 연결방식으로 설계되고 있으나 병렬 연결회로 및 절충형 회로는 냉각수 펌프 성능의 차이로 인하여 정확한 설계 표준안이 없는 실정이다. 또한 냉각채널의 직경도 경험적 지식을 기준으로 설계되고 있으며, 직경 변경에 따른 냉각효율의 검증이 미미한 수준이다. TV 리어커버 유한요소모델(finite element model)은 상용 유한요소 모델링 툴인 Hypermesh를 이용하여 3D element 형태로 모델링 하였다. Moldflow Insight 2012를 이용한 냉각해석 수행을 위해 사출 공정에서 일반적으로 널리 사용되는 성능의 냉각수 펌프를 기준으로 회로의 직렬 및 병렬 연결 방식에 따라 6가지 case로 냉각회로를 구성하였으며, 각 냉각회로의 냉각채널 직경을 각각 6, 8, 10, 12mm로 설정하여 최종적으로 24개의 냉각회로를 생성하였다. 냉각해석의 주요 공정변수인 냉각수 유량(flowrate)을 결정하기 위해 3회의 가해석을 실시하여 회로별 압력강하 곡선을 PR(Polynominal Regression)법으로 산출하고, 압력강하 곡선과 펌프의 성능곡선과의 교차점을 찾음으로써 24개의 실제 운전점 유량을 결정하였다. 24개 회로 별로 산출된 냉각수 유량을 입력하여 냉각해석을 수행하였으며, 최종적으로 제품표면의 평균온도를 비교함으로써 냉각효율 및 성능의 변화를 확인하였다. 또한 24개의 냉각회로에 대해 냉각수 순환 펌프의 성능변화를 가정하여 냉각해석을 수행함으로써 펌프의 성능 변화에 따른 냉각성능의 변화를 비교하였다. 이상의 비교 분석을 통해 펌프 성능 별로 가장 뛰어난 냉각효율을 나타내는 분기 조합 및 채널의 직경을 결정할 수 있었으며, 펌프의 성능변화에 따라 최적점(best point)이 어느 방향으로 이동하는지 확인함으로써 냉각효율 최대화를 위한 줄 냉각 방식 냉각회로 설계의 기준을 제시하였다.