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한국폴리텍대학 온라인 오픈 강의
제목: 응력-변형률 선도 이해하기
내용: 재료역학, 인장시험, 응력, 변형률, 탄성구간, 소성구간
저작권: 대학(원)교 비대면 온라인 교육용 강의자료로 모든 저작권은 본 교수자에게 있으며 무단으로 배포시 법적 책임이 따르게 됩니다.
한국폴리텍대학
기계시스템학과
교수 염상훈
e-mail: [email protected]
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PC와 ABS 플라스틱재료의 반복적인 충격하중에 의한 기계적 …
Keywords : PC Plastic, ABS Plastic, Impact, Tensile Strength, Elongation, Cyclic. Harding Behavior … 재료에 대한 응력-변형률 선도를 나타낸 것으로.
Source: www.koreascience.kr
Date Published: 9/1/2022
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FEGM을 이용한 자동차용 플라스틱의 – 진응력-변형률 선도 도출
important in a prediction of deformation mode of the plastic component which … stress-strain curve (공칭응력-변형률 선도), Strain rate sensitivity (변형률 …
Source: www.koreascience.or.kr
Date Published: 2/10/2021
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격자법을 이용한 자동차용 플라스틱의 진응력-변형률 선도 도출
자동차용 플라스틱 #진응력-변형률 선도 #공칭응력-변형률 선도 #변형률 속도 민감도 #격자법 #Auto-body plastics #True stress-strain curve #Engineering …
Source: scienceon.kisti.re.kr
Date Published: 5/17/2021
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주제에 대한 기사 평가 플라스틱 응력 변형률 선도
- Author: SamTube
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- Date Published: 2021. 6. 16.
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응력-변형률 선도(Stress-Strain Diagram)
1. 응력-변형률 선도(Stress-Strain Diagram) 개요
: 재료의 기계적 성질(탄성계수, 항복응력, 파단응력 등)을 알아내기 위해서, 시험편을 만들고
인장시험을 수행한다. 시험을 통해 측정된 재료의 하중과 변형 데이터를 이용하여 시험편 내의
응력과 변형률 값들을 계산한다. 이 계산된 값들을 그래프로 그린 것이 응력-변형률 선도이다.
응력(σ)을 종축, 변형률(ε)을 횡축으로 그래프를 그린다.
이를 그리는 방법에는 “공칭응력”과 “진응력”을 적용하는 두 가지가 있다.
1) 공칭 응력-변형률 선도
(1) 공칭 응력(nominal stress) (또는 공학 응력(Engineering stress))
: 하중 P를 시험편의 원래 단면적 A 0 로 나눈 것.
단면적 전체와 표점거리 전체에 걸쳐서 응력이 일정하다고 가정한 것.
KEP :: for a better future
하중제어(S-N)방법은 단지 탄성응력만을, 변형률제어(e-N)방법은 탄성-소성, 응력-변형률의 특성을 파악할 수 있다. 피로시험에서 일반적인 시험방법은 없으며, 각제어법에는 장점과 한계가 있으므로 재료, 하중이력, 사용환경 등을 기초로 선정하도록 하고 있다. 하중제어(S-N)방법은 거의 모든 상황에서 대략적인 수명을 평가하는데 사용될 수 있으며, 일정 진폭하중에 적용되며, 그 예로 동력전달축, 밸브 스프링, 기어 등을 들수있다. 변형률 제어법은 초기 균열을 유발시키는 소성변형률을 모델화 할 수 있다. 따라서 소성변형률이 현저한 곳에 적용이 가능하다.
구조 설계 및 해석은 부품에 일정한 하중을 가하였을 때 부품이 파괴가 되지 않고 정상적으로 구동을 할 수 있는 지의 결과로 부품이 1회의 하중만 받은 것에 대한 해석이 이루어 진 것이다. 실제 부품은 장시간에 걸쳐 주기적으로 반복된 응력 또는 변형이 주어지게 되면 피로현상이 발생한다. 이러한 현상에 의해 일어나는 파괴 또는 구동의 실패를 피로파괴라고 한다. 따라서 구조물의 설계시에는 이러한 플라스틱의 피로 특성을 반드시 고려하여야 한다. 플라스틱의 피로 특성을 평가하는 방법은 크게 3가지가 있다.
크리프 파괴는 부품에 일정한 부하를 장시간 계속해서 받으면 변형이 발생하고 결국에는 파손되는 현상이다. 플라스틱은 점탄성 특성을 가지고 있기 때문에 금속 재료 대비 쉽게 크리프 변형이 나타난다. 특히 파이프, 내압용기, 나사체결, 인서트성형, 후가공 공정에서의 압입품 등과 같은 부품을 설계시에는 반드시 사전에 크리프 특성이 고려가 되어야 한다. 그림 2-15는 KEPITAL F20-03의 크리프 파괴 특성을 보여주고 있다.
열가소성 수지는 점탄성 특성(Viscoelastic property)을 보유하고 있기 때문에 하중에 의한 초기 변형 이외에 시간이 경과함에 따라 추가 변형이 발생한다. 크리프 변형은 일정한 하중에 의해 장시간에 걸쳐 변형이 일어나는 현상이다. 하중의 정도와 시간에 따라 다르지만, 주어진 하중을 제거하게 되면, 성형된 제품은 원래의 모양으로 일부 또는 전체적으로 복원되는 특성을 나타낸다. KEPITAL의 크리프 변형에 미치는 영향인자는 다음과같다.
일반적인 구조해석에 사용되는 재료의 물성치는 인장탄성계수(E)와 포아송비(ν)이다. 재료의 신장이 일어날 때 신장의 길이 방향 뿐만 아니라 수직 방향으로도 변형이 일어나기 때문에 그 비율을 정한 것이 포아송비(ν)이며 E와 ν값을 알고 있으면 전단탄성계수(G) 값을 구할 수 있다.
포아송비(Poisson’s ratio, ν)는 길이가 L이고 폭이 H인 막대기에 당김힘이 가해졌을 때 길이 방향의 변형률에 대한 폭 방향의 연신율의 비율이다. 플라스틱 재료의 포아송비는 시험 시간, 온도, 응력 등 환경의 영향을 받는다. KEPITAL F20-03의 포아송비는 약 0.35이다.
플라스틱 재료의 경도는 주로 로크웰 경도(Rockwell hardness)로 나타낸다. 로크웰 경도(ASTM D785)는 압입하는 강구 크기 및 하중에 따라 15종류의 시험 조건이 나뉘어진다. 플라스틱의 경도는 보통 M scale 또는 R scale로 나타내며 측정한 값이 클수록 단단한 것을 나타낸다.KEPITAL 표준 Grade의 점도에 따른 경도 변화는 다음과 같다.
사출성형시 수축이 발생하는 가장 근본적인 원인은 용융상태에서 냉각이 이루어질 때, 온도 저하에 따른 열수축과 KEPITAL의 결정화에 의한 수축이 함께 발생하기 때문이다. 아울러 냉각 속도가 빠르거나, 고압하에서 냉각이 될수록 체적 변화는 적게 발생한다. KEPITAL의 비체적 곡선은 그림 2-7과 같으며, KEPITAL의 용융점 부근인 160 ℃ 전후를 통해서 급격한 체적 변화가 발생하는 것을 알 수 있다.
파단 전에 그 재료가 유지될 수 있는 최대 전단 응력을 전단강도라 한다. 전단강도는 전단응력의 영향을 받은 재료의 최대강도로 시편이 완전히 전단되는데 필요한 최대하중이다. 전단부의 단면형태에 따라 응력의 단위로 나타낸다(ASTM D732).
충격강도는 시험편에 순간적인 충격하중을 가하여 재료의 파괴에 필요한 에너지를 나타내는 물성이다. 충격강도를 평가하는 방법은 샤르피 시험법(Charpy impact test, ISO 179)과 아이조드 시험법(Izod impact test,ASTM D256)이 주로 사용된다. 충격강도는 노치(notch), 비노치(unnotch) 시험 방법으로 평가할 수 있으나, 일반적으로 충격 하중의 응력이 집중될 수 있도록 시험편에 노치를 만든 후에 평가한다. KEPITAL의 충격강도는 온도, 습도에 대한 영향이 적어서 넓은 온도 범위와 환경에서도 고유의 물성을 유지한다.
KEPITAL은 넓은 온도 범위에서 균형있는 물리적, 기계적 특성을 유지한다. 그림 2-4는 온도별 인장시험의 응력 변형률 곡선이며, 그림 2-5는 온도별 인장강도 의존성을 나타낸다.
그림 2-2는 KEPITAL 주요 Grade의 인장시험의 응력 변형률 곡선이다. 인장시험의 응력 변형률 곡선에서 최대 응력값이 인장강도이다. KEPITAL 주요 Grade의 인장강도는 다음과 같다.
인장시험(ISO 527)은 플라스틱의 강도, 탄성률, 신율을 평가하는 방법이다. 인장시험의 결과는 시편에 가해진 응력(stress)을 길이의 변형(strain)에 대하여 표시하여 응력 변형률 곡선(S-S curve)으로 나타낸다. 변형의 초기에는 응력이 사라지면 원래 상태로 되돌아오지만 특정한 응력, 즉 항복점(yield point) 이상에서는 변형이 영구적으로 발생한다. 그래프에서 A가 항복점이며 이때의 항복강도는 탄성변형이 일어나는 한계응력이며 B는 파괴가 일어나는 파단점이다. 인장강도는 응력 변형률 곡선(S-S curve)에서 재료가 견딜 수 있는 최대응력(σmax)이다.
플라스틱 재료의 물리적, 기계적 특성은 제품 설계자가 재료를 선정하는데 기본적이고 유용한 자료로 이용된다. 플라스틱 재료의 기계적 물성은 온도, 응력, 시간에 의존하는 특성이 있기 때문에 강도, 탄성률, 신율, 충격강도 등의 단기적 물성과 크리프, 응력완화, 피로성 시험 등의 장기적 물성이 모두 중요하다.
그림 3-4는 KEPITAL의 인장강도가초기와 비교하여90 % 유지되는시간을사용온도에대해나타낸것이다. 장기내열성결과를이용하면재료가일정한 시간동안물성이특정한 값이상으로유지되며사용될수있는온도를알수있다. 플라스틱의 장기 내열성을 나타내는 또 다른 방법은 UL746B 규격의 RTI(Relative Temperature Index)이다. UL Card에 표기된 수치는 연속적으로 10만 시간 사용후에도 초기 물성치의 최소 50%가 유지되는 온도를 나타낸다. KEPITAL 주요 Grade의 전기적 성질, 충격강도, 기계적 강도의 RTI 온도를 표3-2에 나타내었다.
플라스틱의 내열성은 용융점, 열변형온도, 선팽창계수 등의 항목 및 장기적으로 사용 가능한 온도는 장기 내열성을 통해 알 수 있다. 플라스틱은 고온에서 계속적으로 노출되는 경우에 물성의 점차적인 저하가 발생한다.물성 저하의 수준은 온도, 하중, 시간 등의 환경에 따라영향을 받기 때문에 사용 환경에 따라 KEPITAL Grade의 선택이 필요하다. 그림 3-3는 KEPITAL F20-03을 표시된 온도에서 장시간 체류한 후 초기의 인장강도와 대비하여 평가한 인장강도 유지율이다. F20-03은 100 ℃까지 열적으로 안정한 물성을 나타내고 있다.
금속과 달리 플라스틱 재료는 단열특성을 보이고 있어 낮은 열전도도를 갖는다. KEPITAL의 고체 상태에서 열전도도는 0.31 W/m∙K로 열적으로 부도체이다.
KEPITAL 주요 Grade의 온도 범위별 선팽창계수는 그림 3-2와 같다. 용융지수(Melt Index)의 값이 서로 다른 F10-02, F20-03, F30-03의 선팽창계수는 비슷한 값을 나타내어 분자량의 영향은 매우 작다.
플라스틱은 온도가 상승하면 팽창을 하게 된다. 재료를사용하는 온도 범위가 크거나, 금속과 함께 사용되는 경우에는 제품의 치수 변화, 치수 변화에 의한 간섭 또는 파괴가 일어나는지를 파악하기 위해 선팽창계수는 매우 중요하다. 그림 3-1은 수지 흐름방향에 따른 선팽창계수의 차이를 나타내었다. 비강화소재인 F20-03은 수지 흐름방향 및 수직방향 모두 동등수준의 선팽창계수를 가지나 유리섬유 강화 소재인 FG2025는 사출성형 시의 유리섬유 배향으로 인해 흐름방향(//)은 직각방향(⊥) 대비 매우 작은 선팽창계수를 가진다.
비열은 단위 질량의 물질이 단위 온도까지 상승하는데 필요한 열량으로 KEPITAL은 상온에서 150 ℃까지 서서히 증가하며 용융점에서 급격히 증가한다. 용융점 이상의 온도에서는 용융 상태의 비열을 나타낸다. KEPITAL의 비열은 상온의 고체 상태에서 0.35 kcal/kg∙K이며 용융 상태에서는 0.63 kcal/kg∙K이다.
열가소성 플라스틱은 고체상태에서 무정형(amorphous) 상태 또는 결정(crystalline) 영역과 무정형(amorphous) 영역이 혼합된 상태로 존재한다. 결정성의 플라스틱을 가열할 때 결정 부분의 녹는 온도를 용융점(Tm)이라 한다. 용융점 이상의 온도에서 플라스틱은 유동성을 나타내어 흐름이 생기며 가공할 수 있게 된다. 용융점의 측정(ISO 3146)을 통해 플라스틱 재료의 가공 조건 설정과 고체상태로 존재하는 온도에 대하여 알 수 있다. KEPITAL은 다른 결정성 플라스틱과 비교하여 비교적 높은 65 %의 결정화도를 보유하고 있어 우수한 강도, 탄성률을 보이고 있다.
열적인 성질은 플라스틱 재료의 가공 조건과 제품의 사용이 가능한 온도를 설정하는데 중요한 요소이다. 열적 성질의 중요한 특성들은 용융점, 열변형온도, 선팽창계수, 열전도도, 장기 내열성 등이 있다.
마찰 거동에서 압력과 속도가 점차 증가하면 일정 시점에서 소재가 더 이상 견디지 못하고 용융된다. 이러한 구동이 가능한 조건의 최대치를 한계 PV치라 하며, 높은 한계 PV치를 지닌 소재는 더욱 가혹한 구동 환경에서도 사용 가능한 소재임을 의미한다. TS-25H는 그림 4-3과 같이 표준 Grade인 F20-03 및 기타 내마찰마모 특성의 Grade와 비교하여 월등한 한계 PV치 특성이 있다.
마모는 물체의 표면에서 기계적인 운동에 의해 물체가 점차적으로 부스러지면서 떨어져 나가는 현상이다. 그림 4-2와 같이 불소 수지가 함유된 FL2020이 對금속의 경우 가장 우수한 내마모성을 가진것을확인할 수 있다
동마찰 계수가 낮을수록 내마찰마모 특성이 우수한 것을 나타낸다. 그림 4-1의 결과에서 對수지의 내마찰마모 시험에서 실리콘이 함유된 TS-25H가 가장 우수한 내마찰 특성을 갖는다.
표면 접촉을 하고 있는 두 고체가 상대 운동을 하려고 할 때는 항상 그 운동에 대한 저항이 발생한다. 이러한 현상을 마찰이라 하며 이 때의 저항력이 마찰력이다.
마찰 및 마모는 각 소재의 고유한 물성이 아닌 구동 조건 과 환경에 의해 결정되는 특성이다. 최근 제품의 수명 및 비용 절감에 대한 관심이 증대되면서 마찰 및 마모 특성은 점차 중요시 되고 있다. KEPITAL은 우수한 내마찰 및 내마모 특성을 통해 다양한 제품에 적용되고 있으며 특히 윤활제의 사용이 제한되는 특수 분야에 적합한 Grade가 다양하게 개발되어 있다.
내아크성(ASTM D495)은 절연체의 표면에 걸리는 전류에 의해 절연의 특성이 파괴되는데 걸리는 시간이다. 내아크성은 표면에 붙어있는 수분이나 먼지 등에 의해 영향을 받는 경우가 있다.
전기장 사이에 부도체가 삽입되는 경우에는 부도체내의 전하는 서로 전기장의 반대 전하 방향으로 유리된다. 유전율(ASTM D150)은 이때 유기되는 양전하와 음전하가 분리되는 정도를 나타낸다.
절연체에 전압을 인가하여 단계적으로 증가시킬때 어느 한도를 넘으면 갑자기 대전류가 흘러서 절연이 파괴되는데 이때 전압의 한계값을 내전압 또는 절연 파괴강도라고 한다. 플라스틱의 내전압 측정(ASTM D149)은 사출성형된 시험편을 두 전극사이에 장착한 후 전압을 0에서부터 단계적으로 증가시켰을 때, 전류가 흐르게 되는 때의 전압을 시편 두께로 나누어 구한다.
체적저항률(ASTM D257)은 시험편의 단위 입방체의 반대편 사이에 전위가 가해질 때 측정되는 재료의 전기적 저항이다. 체적 저항률은 재료의 내부 전류만을 기준으로 측정된 저항으로 이를 통해 절연체로서의 사용 여부를 판단할 수 있다.
KEPITAL ET-20A는 내연료성이 우수한 KEPITAL 소재의 특성을 유지하며 도전성을 부여한 Grade이다. 특히 자동차 연료에 접촉되는 부품에 사용되도록 설계되어 일반적인 도전성 Grade와 비교하여 내연료성이 우수하다.KEPITAL FA-20은 고강성과 도전성을 함께 요구하는 부품에 적합한 Grade이다. 도전성과 함께 내크리프성 등 우수한 기계적 강도가 필요한 부품에 적용할 수 있다.
표면저항률(ASTM D257)은 시험편의 표면적 사이에 전압이 인가될 때 측정되는 재료의 전기적 저항이다. 일반적으로 플라스틱 재료에 있어서 도전성, 대전방지성 및 절연성을 표현할 때, 가장 널리 사용되는 특성이다. 표면 저항률에 따른 Grade의 분류는 다음과 같다.
일반적으로 KEPITAL은 전기적 특성이 부도체에 가까운 수지로 알려져 있다. 최근 전기전자 및 반도체 산업의 발전에 따라 기존의 절연 특성 뿐만 아니라 도전성 또는 대전방지성이 요구되는 소재에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다. KEPITAL은 도전성, 대전방지성 등이 요구되는 제품에 적용할 수 있는 다양한 특수 Grade가 있다.
KEPITAL은 다음과 같은 용제에 우수한 내약품성을 가지고 있다. – 유기 용제 : 알코올, 에스테르, 케톤, 탄화수소계 & 방향족탄화수소계 – 자동차용 용제 : 각종 와셔류, 오일, 냉각수 등 하지만 강산, 산화제, 할로겐계(염소 등), 염화아연과 같은 물질은 KEPITAL을 분해시킬 수 있으므로 함께 사용하지 않도록 주의가 요구된다.
자동차의 연료는 기본적으로 가솔린과 디젤로 구분되며 사용 지역에 따라 각각의 조성에 차이가 있다. 조성의 차이에 대하여 일관성 있는 시험이 가능하도록 시험용 연료가 선정되어 사용되고 있다. KEPITAL F20-03은 가솔린과 디젤을 포함하여 다양한 시험용 연료에 대한 내연료성 특성을 보유하고 있다. 그림6-1와 6-2는 국내에서 사용되는 가솔린, 디젤을 포함하여 시험용 연료에 대하여 평가한 물성 결과이다. KEPITLA은 높은 온도에서 연료에 접촉되더라도 기계적 특성이 우수하고 치수변화 측면에서 안정한 특성을 보여주고 있다. 따라서 KEPITAL은 다양한 자동차의 연료 부품에 널리 사용되고 있다. 또한 주변 온도가 상승하는 환경에서도 높은 내연료성을 유지한다.
플라스틱 재료는 화학 물질과 접촉하는 환경에서 기계적 물성, 치수 등의 변화가 발생할 수 있다. 주변 환경의 온도와 접촉/침지 시간은 재료의 물성에 영향을 미친다. KEPITAL은 자동차 연료, 유기용제 및 무기화학약품에서도 우수한 내화학성의 특성을 나타낸다.
플라스틱은 대기 환경에 노출되는 기간에 따라 손상이 일어난다. 가장 주요한 요인은 자외선이며 이로 인해 성형품 표면의 색상 및 광택 저하와 함께 강도 저하, 분해로 인한 백화(chalking)현상 등이 나타난다. 광 안정제(light stabilizer)는 플라스틱의 분해를 지연시키는 역할을 하며 효과적으로 분해를 지연시키기 위해서는 특정 안료(pigment), 광 안정제 또는 이러한 것들을 조합하여 적용한다. 광 안정제에 의한 효과는 옥외폭로 시험 또는 촉진내후성시험을 통해 평가한다. 옥외폭로 시험은 Florida, Arizona 시험장에서 주로 실시되며 국내는 서산 시험장이 있다. 서로 다른 시험장에서 얻어진 결과는 근본적으로 다르며 따라서 호환성은 없다.
표 7-1. 옥외폭로시험 환경 Florida Arizona 연간 맑은 날 비율 69 % 85 % 연간UV 조사량(<385nm) 280 MJ/㎡ 334 MJ/㎡ 연간 빛 조사량 6588 MJ/㎡ 8004 MJ/㎡ 여름 평균온도 32 ℃ 40 ℃ 연간 강우일 수 111 일 32 일 촉진내후성시험기는 광원에 따라 카본 아크(carbon arc)와 제논 램프(xenon lamp), UV lamp 등 3 가지가 있다. 최근에는 자연광과 스펙트럼이 유사한 제논 램프를 적용하는 것이 일반적이며 광 강도(radiation intensity)및 다른 조건(필터조합, 온도, 싸이클 구성)도 선택하여 시험한다. 촉진내후성시험에 적용되는 SAE(Society of AutomotiveEngineers) 규격은 자동차 내장재와 외장재에 따라 다른 조건을 적용하도록 규정하고 있으며 이는 실제 외부환경을 반영한 것으로 내장재는 낮과 밤을 고려한 사이클(cycle) 조건이 반영되어 있고 외장재는 강우조건인 스프레이 (spray)가 추가되어 있다. 내광성 및 내후성은 일정 기간 옥외폭로하거나 촉진내후성시험기에서 시험한 후 물성 및 표면 변화를 측정한다. 내광성 Grade KEPITAL Fxx-52, Fxx-52G는 내광성이 향상된 제품으로 내장재 적용을 위한 제품이다. 기본적인 Natural 색상 외에 다양한 색상으로 착색되어 사용되기도 한다. 그림 7-1은 SAE J2412 (≒J1885)를 적용하여 촉진 내후성 시험기에서 내광성 시험 후 색상 변화를 측정한 결과로 표준 Grade와 대비하여 색상 변화가 적게 나타난다. 내후성 Grade KEPITAL Fxx-51, Fxx-51U는 내후성이 향상된 제품으로 외장재 적용을 목적으로 개발되었으며 검정색이다. 그림 7-2는 SAE J2527 (≒ J1960)규격에 따라 촉진 내후성 시험기에서 내후성 시험 후 색상변화를 측정한 결과이다. 사출성형기 KEPITAL을 포함한 대부분의 엔지니어링 플라스틱은 사출성형을 이용하여 제품을 만들기 때문에 사출성형의 과정 및 주의할 점에 대해 이해하는 것이 매우 중요하다. 기본적인 공정은 매우 단순하여, 먼저 KEPITAL과 같은 펠릿(pellet)형태의 수지를 필요에 따라 건조시켜 준비한다. 준비된 수지를 실린더에서 녹여 용융 상태의 수지를 압력을 이용해 금형 내로 밀어 넣은 뒤(사출), 일정한 시간 동안 냉각한 후 금형을 열어 제품을 취출하고 나서 다시 금형을 닫는 공정을 반복하면 되는 것이다. KEPITAL을 사용하여 보다 좋은 품질의 제품을 얻기 위해서 사출성형기는 다음과 같은 사양을 갖고 있는것이 좋다. 1) 스크류헤드(screw head)에 역류방지용 체크링(check ring)이 있으며, 마모가 되지 않았을 것. 체크링(check ring)이 마모될 경우 수지가 역류하여 싱크마크(sink mark)나 치수 및 중량 불균일의 원인이 된다. 2) 노즐(nozzle)은 오픈타입(open type)으로, 가열용 밴드히터(band heater)가 부착되어 별도로 온도 조절이 가능한 것. 노즐(nozzle) 부분이 냉각되어 막히면, 실린더(cylinder)내에 분해된 가스의 압력이 높아져서 위험할 때가 있다. 3) 스크류(screw)의 압축부(compression zone)의 비율이 25 % ~ 30 %일 것.압축부(compression zone)가 작을 경우 급격한 전단발열로 인해 소재의 분해 현상이 발생할 수 있다. [ KEPITAL의 추천 사출기 사양 ] 1) 사출용량: 1 shot의 중량이 최대 사출 용량의 20~50 % 2) 스크류(screw) 직경 : Small or medium (A or B type screw) 3) 압축비(compression ratio) : 1.8/1 ~ 2.5/1 4) L/D : 18 ~ 22 사출성형 공정 실제의 사출성형에서는 수지의 유동 특성, 성형수축률, 치수정도, 성형품의 품질 안정성, 균일성, 경제성 등을 고려할 필요가 있고 이러한 것은 금형 제작 전에 검토하는 것이 바람직하다. ㅣ8-2-1. 재료의 예비건조ㅣ KEPITAL 표준 Grade는 흡수율이 낮으므로 개봉 후 바로 사용이 가능하다. 하지만, 성형품의 외관을 좋게 하거나, 노즐부 흘러내림(drooling) 방지, 실버(silver streak) 방지 등이 요구되는 경우에는 열풍 건조기에서 80 ~ 90 ℃, 3 ~ 4시간의 예비 건조를 할 필요가 있다. 또한 건조하여 사용하면 금형 부착물(mold deposit)의 발생이 적다. ㅣ8-2-2. 수지 온도ㅣ 수지 온도는 190 ~ 210 ℃ 범위가 일반적이며, 수지의 실제 온도가 실린더(cylinder) 설정 온도보다 10 ~ 15 ℃ 상승하는 경우가 있는데 이는 스크류(screw) 회전에 의한 전단 발열에 기인하는 것이다. GRADE NOZZLE 실린더 전부 실린더 중부 실린더 후부 표준 내후 내충격 180 ~ 210 ℃ 190 ℃ 180 ℃ 170 ℃ FG MF FB 200 ℃ 190 ℃ 170 ℃ 주)상기 온도는 표준 조건에 의한 것이며 사출기 및 금형의 크기에 따라 변경 될 수 있다. 수지를 고온의 실린더 내에 방치하게 되면 고열로 인해 열화가 발생하며, 이로 인해 수지의 황변, 가스 등이 발생 할 수 있다. 그림 8-2는 KEPITAL 표준 Grade의 실린더 체류 시간에 따른 성형이 가능한 온도 구간 그래프이다. ㅣ8-2-4. 사출 압력ㅣ설정된 사출 속도를 낼 수 있도록 사출 압력을 충분히 높게 설정해야 하며, 사출 압력이 낮아 사출 속도가 저하되지 않도록 해야 한다. 사출 압력은 일반적으로 600 ~ 1200 bar 사이가 적당하다. ㅣ8-2-5. 금형 온도ㅣ 금형 온도는 특히 결정성 수지의 사출 성형에 있어서 중요한 조건으로 60 ~ 120 ℃ 중 상황에 따라 설정할 수 있으나, 일반적으로 70 ~ 90 ℃로 설정하는 것이 좋다. 특히 제품 외관이 중요하거나 제품의 실제 사용 온도가 높은 경우에는 금형 온도를 높게 할 필요가 있다. 특히, 양질의 제품을 얻기 위해서 금형온도가 일정하게 유지되고, 금형 내 온도 분포의 균일 제어가 가능하며, 수지에 의해 발생된 열의 제거가 가능해야 한다. ㅣ8-2-6. 사출 속도ㅣ 사출 속도는 수지의 유동성, 외관(finger print, flow mark, sink mark 등)을 고려하여 조절해야 한다. 양호한 외관을 얻기 위해서는 사출 속도를 높이고, 플래쉬(flash)와 탄화 자국(burn mark)을 줄이거나 사출 시 발생하는 전단력을 감소시키기 위해서는 사출 속도를 줄이는 것이 일반적이다. ㅣ8-2-7. 보압 조건ㅣ보압은 수지가 금형에서 냉각 수축이 일어나며 발생하는 체적 수축을 보상하기 위해 수지를 더 공급해주는 공정이다. 보압 시간은 게이트가 완전히 고화되는 시간(gate sealtime) 이상으로 설정하여야 균일한 제품을 얻을 수 있다. 그림 8-3에 보는 바와 같이 보압 시간에 따라 제품의 중량이 증가하다가, 게이트 고화 시간(gate seal time) 이후에는 중량이 일정해짐을 알 수 있다. 제품의 중량이 일정해야 균일한 치수의 제품을 생산할 수 있다. 일반적으로 1 ~ 4 mm의 두께를 갖는 성형품의 경우, 성형품의 두께 x 8초/mm 를 보압 시간으로 설정한다. 압력의 경우 제품의 치수, 싱크마크(sink mark) 등을 감안하여 설정해야 하며, 일반적으로 사출 압력의 50 ~ 80 % 수준으로 설정한다. ㅣ8-2-8. 계량조건ㅣ과도한 속도로 계량 시 전단발열로 인해 수지의 분해를 유발할 수 있으므로 사이클타임(cycle time)에 영향이 없는 한 가급적 낮은 속도로 계량하는 것이 좋다. 일반적으로 100 rpm 이하의 속도가 추천되나, 동일한 rpm이라도 스크류(screw)의 직경에 따라 선속도가 다르기 때문에 성형기 크기가 커질수록 rpm을 낮추어야 한다. 표 8-2. 일반적인 스크류(screw)직경에 따른 계량 rpm Screw Φ 25 mm 40 mm 55 mm 계량 RPM 120 100 70 배압의 경우 50 ~ 100 bar 수준이 적당하다. 하지만, 컬러 마스터뱃치(color M/B)나 안료의 분산성을 증대하기 위해서 배압과 속도를 높여 계량할 수도 있다. ㅣ8-2-9. 냉각 조건ㅣ실제 냉각 시간은 보압시간 + 추가적인 냉각 시간(계량시간+ α)으로 표현될 수 있다. 따라서 보압 시간이 적절하게 설정되었다면 추가적인 냉각 시간은 계량 시간만을 고려하면 된다. KEPITAL과 같은 고결정성 수지의 경우 잔류 응력을 제거하기 위해 냉각 시간을 늘리기도 한다. ㅣ8-2-10. 이론적인 냉각 시간의 계산ㅣ KEPITAL 주요 Grade의 유동성을 평가한 유동장 시험결과는 그림 8-5와 같다. 분자량에 따라 유동성의 영향이 크게 나타나고 있다. 또한 그림 8-6는 F20-03의 사출압력에 따른 유동장 시험 결과로 사출 압력에 따라 유동성이 증가하는 경향이 있다. ㅣ8-2-11. 사이클타임(cycle time)ㅣ사이클타임(cycle time)은 사출 시간, 보압 시간, 냉각시간, 사이클 간 유보 시간 등에 의해 달라진다. 보압시간은 게이트 고화(gate seal)가 완료될 때까지 유지하는 것이 좋다. 게이트 고화 시간(gate seal time)은 게이트 단면 형상, 금형 온도에 따라 변화하기 때문에 성형품의 중량, 치수가 일정 범위 내에 있도록 적정 사출 시간을 찾아낼 필요가 있다. ㅣ8-2-12. 수축률ㅣ수축률은 성형시 초기수축과 후수축의 결과로 제품의 치수를 결정하는 가장 중요한 인자이며, 변형을 일으키는 가장 큰 요인이다. 수축률은 플라스틱의 특성뿐만 아니라 가공 조건, 제품 디자인에 의하여 변하게 된다. 따라서 제품 디자인 과정에서 반드시 수축률을 고려해야 한다. 금형 온도가 증가하게 되면, 성형수축률은 증가하게 되고, 후수축률은 감소하게 된다. 일반적으로 사출 압력이 증가하게 되면, 수축률은 감소하게 된다. 사출 압력 및 보압의 변화를 통해 제품의 치수를 조정할 수 있다. 그림 8-10에서 보는 바와 같이, 보압 시간이 게이트 고화 시간보다 짧을 경우에는 수축률이 큰 것을 알 수 있다. 제품의 두께가 얇을 경우에는 캐비티 내에서 압력 손실이 크기 때문에 증가하게 된다. 반면 제품의 두께가 두꺼울 경우에는 압력 손실이 적게 되는 효과와 서서히 냉각이 이루어짐에 따라 결정화가 용이해지는 효과 때문에 성형 수축률이 증가하게 된다. 재료 교환, 작업 중단 ㅣ8-3-1. 재료 교환ㅣ일반적으로 실린더(cylinder)내 재료 교환시에는 PE나 PP를 넣어 깨끗이 한다. ㅣ8-3-2. 작업 중단, 분해 청소ㅣ실린더(cylinder)내 수지는 벽면에서는 거의 흐르지 않기 때문에 장시간 작업 중단하는 경우 분해 수지층이 형성되어 서서히 탄화된다. 이때 형성된 탄화층은 금방 떨어지지 않으나 작업 중단이나 정지 후 실린더(cylinder) 내부 온도가 상온까지 내려가면 수축에 의해 떨어져 나와 다음 성형작업 시 혼입되기 때문에, 일시 작업 중단하는 경우에는 가열온도를 150 ℃이하로 유지하는 것이 좋다. 그리고 때때로 실린더(cylinder) 분해 청소를 하여 탄화층을 제거하는 것이 필요하다. ㅣ8-3-3. KEPITAL의 재생ㅣ재생재 혼합 사용에 있어 색차, 강도, 성형성에 특별히 지장이 없으나 재생률이 높은 경우에 이물의 혼입 등 문제발생의 여지가 높으며 재생 회수에 따라 용융 흐름 지수 (Melt Index)의 증가가 수반된다. 안전상 주의사항 일반적으로 KEPITAL 사출 성형기 바로 위에 배기용 후드 설치를 추천한다. KEPITAL을 240 ℃ 이상의 고온으로 가열하거나, 200 ℃ 이상의 실린더(cylinder)에서 장시간 체류시키는 일은 가급적 피해야 한다. KEPITAL도 다른 회사의 폴리아세탈(POM) 수지와 마찬가지로 매우 높은 온도로 가열되거나, 실린더 내에서 오랜 기간 방치되면 열분해가 일어나 포름알데히드(formaldehyde) 가스가 발생하기 때문이다. 이 가스는 매운 냄새가 나며 눈을 따갑게 만들기 때문에 수지가 과열된 경우에는 실린더(cylinder) 온도를 내림과 동시에 수지를 배출한 뒤 과열수지를 즉시 물속에 담가 포름알데히드(formaldehyde)가스가 발생하지 않도록 처리하는 것이 바람직하다. 또한, 노즐(nozzle)이 막힌 상태에서 수지가 실린더 내에서 체류 할 때를 매우 주의해야 하는데, 이는 체류 시 발생한포름알데히드(formaldehyde) 가스가 축적되어 실린더내의 압력을 높이기 때문이다. 압력이 어느 정도 이상으로올라갈 경우 실린더 내의 수지와 가스가 폭발하듯이 호퍼(hopper) 쪽으로 분출되는데 이는 작업자와 사출기에치명적인 손상을 줄 수 있다. 따라서, 노즐(nozzle)이 고화된 수지나 이물에 의해 막히지 않았는지 주의를 기울여야 한다.KEPITAL 수지는 거의 모든 종류의 다른 소재와 섞어 사용할 수 없다. 만일 다른 소재가 혼입될 경우 오염, 박리및 물성 저하 등의 문제가 발생하기 때문에 주의가 요구되며, 색상을 구현하기 위한 마스터배치(master-batch)의 경우도 KEPITAL을 베이스로 한 제품이 추천된다. 특히, PVC 수지의 경우 소량이라도 혼입될 경우 KEPITAL수지에 심각한 분해를 유발하기 때문에 소재의 혼입 방지 노력뿐만 아니라, PVC 소재용 사출기와 KEPITAL 사출기는 완전 별도로 사용하는 것이 좋다.
응력 – 변형률 선도 – stress – strain diagram
물체에 작용하는 힘을 점진적으로 증가시키면 물체의 형상변화인 변형(deformation)과 내부의 저항력인 응력(stress)도 점진적으로 증가한다. 물체 변형률(strain)의 크기를 수평축으로 하고 변형에 따른 물체 내부의 응력을 수직축으로 하여 그래프로 나타낸 것을 응력-변형률 선도라고 부른다. 이 선도는 인장시험기(tension test machine)라 불리는 재료물성 시험기에 표준시편(standard specimen)이라 불리는 시험규격에 맞도록 제작된 재료의 시편을 사용하여 구한다.
이 선도는 재료의 고유한 인장 거동을 나타내며, 재료의 종류에 따라 각기 다른 형태를 나타낸다. 가장 일반적인 강철(steel)의 경우, 비례한도(proportional limit)라 불리는 응력값까지 변형률과 응력은 직선적인 관계를 유지하며, 이 직선의 기울기를 탄성계수(elastic modulus)라고 부른다. 이 지점 이내로 물체에 힘을 가하면 물체는 탄성변형(elastic deformation)을 일으켜 힘을 제거하면 물체는 원래 모양 그대로 복원된다.
이 지점을 지나면 곧바로 항복점(yielding point)이라 불리는 응력값에 도달하게 되고, 이 지점보다 큰 하중을 물체에 가하면 물체는 하중을 제거하여도 영구적인 변형이 남는 소성변형(plastic deformation)을 일으키게 된다. 이 지점을 통과하여 힘을 가하면 물체는 극한강도(ultimate strength)라 불리는 응력값에 도달하게 되고 이 응력값이 바로 물체가 지탱할 수 있는 최대 강도를 나타낸다. 이 이상으로 물체에 힘을 가하면 물체가 끊어지는 파단점에 도달하게 된다.
응력을 물체의 변형 전 단면적으로 계산한 공칭응력(nominal stress)으로 구한 선도를 공칭응력-변형률 선도라고 부르고, 변형된 실제 단면적으로 계산한 진응력(true stress)로 구한 선도를 진응력-변형률 선도라고 부른다. 하지만 전자의 경우가 많이 사용되고 있다.
[논문]격자법을 이용한 자동차용 플라스틱의 진응력-변형률 선도 도출
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