코어테크 연구개발 1처 엔지니어 바이청홍(白承弘)
플라스틱 발포 사출 공정에서 초임계 상태의 유체(N2 또는 CO2)는 스크류를 통해 용융물과 균일한 단상 유체로 혼합됩니다. 이 균일한 혼합물은 사출 과정에서 순간적인 압력 방출로 인해 열역학적 불안정성이 일어나 용융물 중의 초임계 유체가 상 변화를 통해 수만 개의 미세한 기포를 형성하게 되므로, 몰드 냉각 응고를 거쳐 미세 다공성 구조의 제품을 얻을 수 있습니다.
Han and Yoo기포 성장 역학 모델을 사용하면 기포 성장의 과정과 기포 성장 역학을 시뮬레이션할 수 있습니다. 그러나 제품의 형상 외관이 복잡해지고 다양한 공정을 사용하는 경우, 몰드 내 압력은 항상 저압 상태가 아닙니다. 예를 들어, 얇은 영역의 용융 압력은 여전히 매우 높고, 심지어 포화 압력보다도 훨씬 높습니다. 반면에 코어 백 공정은 (그림 1) 추가적으로 보압을 가져오기 때문에, 몰드 내 기포가 압력 방출로 인해 계속 성장하지는 않지만 오히려 몰드 내 용융 압력의 증가로 인해 수축될 수 있습니다. 이때 Han and Yoo 모델은 한계가 있으므로 기포 수축 현상을 정확하게 시뮬레이션 할 수 없습니다.
그림 1. 코어 백 공정 개략도
기존 모델의 단점을 개선하기 위해, Moldex3D는 일본 가나자와 대학(Kanazawa University)과 협력하여 Modified Han and Yoo를 개발했습니다. 가나자와 대학 Prof. Taki가 제공한 기포 역학 모델과 시편의 실험 데이터[1]를 통해, 압력이 방출됨에 따라(그림 2 우측 상단 표시) 기포는 에너지 장벽(Energy Barrier)을 넘어 핵을 형성해 성장할 수 있으며, 기포에 가해지는 압력이 증가하면 기포가 용융물로 다시 용해될 때까지(즉 용융물과 가스 혼합물의 초기 상태로 돌아갈 때까지) 점차 수축될 수 있음을 알 수 있습니다. 이때 압력을 다시 방출하면 기포는 동일한 위치에서 핵을 형성하여 성장합니다. 실험 결과 역시 이 기포 역학 모델과 매우 근접한 경향을 보이므로 기포에 압력이 가해지면 수축되는 과정이 검증되었습니다 (그림 3).
그림 2. 기포 수축 실험
그림 3. 시뮬레이션 결과와 실험 비교
이전에 Han and Yoo 모델을 사용해 얇은 부품의 형상을 시뮬레이션 할 때는 기포 수축 과정을 정확하게 파악할 수 없었기 때문에, 압력 증가로 인해 사라진 많은 기포 수량이 저 평가 되었으나, 이제 Moldex3D 2021버전에는 Modified Han and Yoo 옵션이 추가되었습니다 (그림 4). 원래의 Modified Han and Yoo 모델에 비해 Modified Han and Yoo모델을 사용하면 이렇게 수축되는 기포를 정확하게 예측할 수 있으며 (그림 5), 마찬가지로 이 모델을 코어 백 공정에 적용하면 기포가 용융물로 다시 전부 용해되는데 필요한 보압 시간도 더 정확하게 얻을 수 있습니다.
그림 4. Moldex3D 2021에 추가된 Modified Han and Yoo 옵션
그림 5. Han and Yoo와 Modified Han and Yoo 모델의 기능 비교
발포 공정은 매우 다양하고 복잡한데다 그 응용 범위 또한 매우 광범위하기 때문에 그 과정의 변화를 정확하게 파악하는 것은 특히 중요합니다. 미시적 모델을 통해 기포 크기를 정확하게 예측할 수 있다면, 열 전달, 기계 강도, 흡음, 낮은 유전계수 등 거시적 특성에 대한 예측에 도움이 될 수 있고, 나아가 제품 설계 및 생산의 효율을 크게 향상 시킬 수 있습니다.
Reference
[1] K. Taki et al., “3D NUMERICAL SIMULATION AND EXPERIMENTAL OBSERVATION OF BUBBLE GROWTH AND COLLAPSE IN NITROGEN-GAS SATURATED MOLTEN POLYMER FOR THE CORE-BACK FOAM INJECTION MOLDING”, ANTEC® 2021 – SPE.
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