초소형 플라스틱 기어의 금형설계 및 사출성형에 관한 연구 = (A) Study on the Mold Design and Injection Molding for a Micro Scale Platic Gear

국문 초록 (Abstract)

초소형 플라스틱 기어는 일반 금속 기어와는 달리 플라스틱 수지를 사용하여 성형하기 때문에 제품의 경량화 및 저비용으로 대량생산 할 수 있는 장점이 있다. 제품의 소형화 정밀화 추세에 따라 휴대용 모바일 기기에 적용되는 플라스틱 기어는 제품설계, 금형설계, 사출성형에 이르기 까지 정확한 설계와 성형 조건의 제어가 요구된다.
모듈이 0,1인 기어는 표준기어가 아니므로 설계가 어렵다. 따라서 금속 기어를 기준으로 측정하여 제품 설계 하였고 POM수지 FW-700A(LG화학)의 수축률 2%를 일괄적으로 적용하여 금형 설계하였다. 플라스틱 기어의 사출성형에 앞서 사출성형 해석에서 사용된 Moldflow와 Moldex-3D를 사용하여 해석한 결과에서 성형수축률과 변형을 비교하였고 최적의 성형조건을 제시하였다. 그러나 Moldflow와 Moldex-3D 결과값은 큰 차이를 보여 최적의 조건을 실제 사출성형 조건으로 적용하기 보다는 해석 조건에 따른 결과 값을 통해 경향만을 분석하여 실제 사출성형 시 가이드라인으로 사용해야 한다고 판단된다.
각조건별 성형해석에 의해 얻어진 수축률 결과값을 토대로 신호대 잡음비(Signal to Noise)를 구하여 잡음에 대해 영향력이 작은 인자를 구할 수 있었다.
수지 고유의 수축률 2%를 일괄적으로 적용하여 금형설계 하였을 경우 성형된 기어는 Flash가 발생하였으며, 측정 결과 금속기어의 치수에서 벗어나는 결과를 보였다. 모터 구동테스트 결과 12개 스틸기어에서 플라스틱 기어로 2개까지만 대체조립 시 구동이 가능하였다.
기어의 각 위치별 수축률을 계산하여 설계된 금형은 압력조건을 변화하여 플라스틱 기어를 성형하였다. 성형된 기어의 구동테스트를 실시한 결과에서 1번 조건인 10MPa에서 가장 좋은 구동테스트 결과를 보였다. 이는 성형된 플라스틱 기어의 치수정밀도에 따라 비례하는 결과를 보였다.
따라서 성형수축률을 일괄적으로 적용하여 금형설계 하는 것 보다 제품의 두께와 모양에 따라 수축률이 부분별로 다르게 일어나기 때문에 기어의 위치별 성형수축률을 계산하여 금형설계를 하는 것이 초소형 플라스틱 기어의 치수가 더욱 정확한 결과를 보였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Unlike general metal gear, micro-scale plastic gear is molded using plastic resin and has advantages of lighter products and low-cost mass production. As mobile devices are getting more compact and precise, accurate design and control of molding conditions are required in the molding process from product design and mold design to injection molding.
The gear of which module is 0.1 is not standard, and it is difficult to design. Therefore, measurements were made based on metal gear in designing product, and 2%, the shrinkage of POM(Polyacetal) FW-700A (LG Chemical) was equally applied in designing mold.
In order to choose resin, structure analysis and specimen test were performed and the most wear- and abrasion resistant one that meted the strength requirement was selected.
Moldflow and Moldex3D were used to analyze injection molding. Based on the analysis results, part shrinkage and displacement were compared and the optimum conditions were suggested. However, the results from Moldflow and Moldex-3D turned out greatly different from each other. Therefore, it is desirable to analyze a trend from the results of different analysis conditions and use it as a guideline for injection molding, rather than use the optimum conditions.
Signal to noise was obtained from the shrinkage results of molding analysis under different conditions, and factors that had a small effect on noise were determined.
In case 2% of shrinkage, a characteristic of resin was equally applied in mold design, flash occurred in the molded gears, and the gears were out of dimensions of metal gears. In motor drive test, it was possible to replace at most 2 of the total 12 steel gears with plastic gears.
In case different shrinkage rates of gear according to locations were calculated and applied in mold design, different pressure conditions were used to mold plastic gears. In drive test, it was possible to drive all of the 12 plastic gears of No. 1 condition of 10MPa, after replacing them with plastic gears. It was shown that this was proportionate to the dimensional precision of molded plastic gears.
In sum, it turned out that dimensions of micro-scale plastic gears were more accurate when different part shrinkages according to locations were used for mold design than when an equal shrinkage was applied, because shrinkage rates are different according to thickness and shape of product.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• 요약 = ⅰ
• 표목차 = ⅲ
• 그림목차 = ⅳ
• Ⅰ. 서론 = 1
• 1. 연구개요 및 배경 = 1
• 2. 연구 목적 및 방법 = 3
• Ⅱ. 이론적 배경 = 5
• 1. 사출성형 공정 = 5
• 2. 치수안정성과 공정변수 = 8
• 3. 성형수축의 발생요인 = 12
• 4. 기어의 설계 = 13
• 5. 강건설계 = 23
• Ⅲ. 제품설계 및 금형설계 = 26
• 1. 수지 선정을 위한 기어의 구조해석 = 26
• 2. 재료의 선정 = 30
• 3. 플라스틱기어의 제품설계 = 32
• 4. 플라스틱기어의 금형설계 = 36
• Ⅳ. 사출성형 = 41
• 1. 성형조건 및 사출기의 선정 = 41
• 2. 사출성형 = 43
• Ⅴ. 결과 및 고찰 = 44
• 1. 성형해석에 의한 조건별 수축률 결과 = 44
• 2. 성형해석 수축률 결과의 S/N비 계산결과 = 52
• 3. 일괄적 수축률을 적용한 결과 = 53
• 4. 최적조건에서의 사출성형 및 구동 테스트 = 58
• 5. 설계 변경된 금형을 이용한 사출성형 및 구동테스트 = 60
• Ⅵ. 결론 = 65
• 참고문헌 = 66
• Abstract = 69