The design and manufacture of injection molded polymeric parts with desired properties is a costly process dominated by empiricism, including the repeated modification of actual tooling. Among the tasks of mold design, designing the secondary geometry, usually on the core side, is quite complicated by the inclusion of projections and depressions in order to reinforce the structure, to facilitate the melt flow, or to function on purpose. Depending on the shape of the part and the material to be used, the choice of types, number and positions of gates should also be made accordingly considering the moldability, the possible occurrence of mechanical defects, such as deteriorative weldlines, and the acceptable mechanical performance of the product. However, adding ribs, bosses, and other secondary geometrical features to the given primary geometry, and determining the types and positions of gates have been done by the ad hoc use of expertise accumulated over the years, which often results iterative prototype tooling and/or overdesigned products.
This thesis presents an interactive computer-based design system for the secondary geometry of injection molded plastic parts. It is composed of three functional groups of software; a geometric modeler, modular expert systems and CAE programs. The geometric modeler displays the primary shape of the part, accommodates the secondary geometry effectively, and provides graphical information for the flow simulation or structural analysis as required. Heuristic knowledge of adding ribs, bosses and other secondary features is formalized as production rules of an expert system module, the RIBBER. It generates recommendations of optimal rib structure for a given primary geometry. Locations, frequencies and shapes of ribs are synthesized with the knowledge-base which contains characteristics of the primary geometry, material, loading conditions and structural requirements. The GATEWAY is another expert system module which has a collection of knowledge for the selection of type and number of necessary gates, and their positions. Each expert module then triggers necessary CAE modules, such as; the flow simulation program for moldability and shrinkage check and the structural analysis program for the proof of reinforcing performance. CAE programs perform analyses as needed by the expert system's decision and supply of necessary data to verify the synthesis of adequate secondary geometry. Therefore, the human judgement and expert knowledge to execute CAE programs and to evaluate the output data can be minimized.
The knowledge-based CAD system for the secondary geometry synergistically combines a rule-based expert system for heuristic knowledge with CAE programs for analytical knowledge and a solid modeling CAD system for graphical operations. It provides non-expert designers as well as experts with cross-disciplinary knowledge of the injection molding to design a plastic parts rationally. This modular structure of the knowledge-based CAD system will be easily expanded to cover most attributes of injection molding by adding expert modules in future, such as; parting line decision, undercut design, anisotropic shrinkage compensation, and such. A knowledge-based CAD system is a new tool which enables the concurrent design and CIM with integrated and balanced design decisions at the initial design stage of injection molding.
사출 성형 제품의 부형상설계를 위한 합리적 설계 시스템을 구축함에 있어서 기존의 CAD 시스템의 문제점을 지적하고 가공성을 고려한 CAD 시스템의 구축을 위해 제시된 특징형상 기반 CAD 시스템의 개념과 현재 연구되고 있는 내용을 소개하였다. 기존의 특징형상 기반 CAD 시스템은 설계단계에서 주로 기계가공을 용이하게 하기위한 고려를 포함하기 위해 제안되어졌으나 사출 성형과 같이 성형공정상의 문제가 반드시 고려되어야 하는 경우 공정의 깊은 이해를 통한 성형성과 미세조직의 기계적 성능에 관한 지식이 필수적으로 요구되게 되는 데 이러한 지식의 제공을 위해서는 표면수준(Surface Level)의 지식과 심층 수준(Deep Level)의 지식이 상호 보완적으로 결합되는 다중구조의 지식 기반 시스템이 필요함을 논의하였다. 기존의 CAE 해석 프로그램과 특징형상 기반 CAD 시스템 그리고 전문가 시스템을 전문가 시스템의 제어기능을 이용하여 연결.종합함으로써 합리적인 설계시스템이 구축될 수 있음을 설명하였다.
사출 성형 제품의 부형상의 설계합성을 위해 요구되는 사출전문가의 이론적 지식과 오랜 기간 축적된 경험적 지식을 지식베이스로 구축하였다. 사출 성형 제품의 설계는 고분자 재료의 특성에 의존하게 되게 되며 고유한 낮은 열전도도때문에 성형이 가능한 제품의 두께가 각각의 재료별로 범위가 제한되게 되어 보강이 필요하게 되는 데리브는 이러한 경우 재료를 절약할 수 있게 하며, 성형 사이클을 단축할 수 있고 사출제품 설계에 있어 가장 중요한 설계규칙인 균일한 제품 벽 두께 유지를 가능하게 해주기 때문에 빈번하게 사용되는 해결방법이다. 그러나 리브의 설계는 잘못 설계될 경우 도리어 강도가 저하되고 싱크마크, 이형불량, 쇼트 샷, 응력 집중(Stress Concentration), 변형등의 원인이 되기 때문에 사출전문가라 할 지라도 단번에 좋은 설계를 얻기 어렵다. 본 연구에서는 리브의 설계합성과정을 리브의 설계과정을 보강의 필요성 판단, 경험적 설계규칙에 의한 리브 단면의 합성, 리브 주파수 개념을 이용한 리브의 갯수 및 위치의 최적설계등의 과정으로 파악하였으며 리브의 설계를 일반화하기 위한 방법으로 리브설계가 요구되는 주형상을 3가지 경우로 제안하였으며 이는 필요할 경우 쉽게 확장될 수 있도록 하였다. 사출공정상의 문제점을 방지하기 위하여 61가지의 고분자 재료에 대해 요구되는 보강의 정도에 알맞는 최적리브를 설계합성하기 위한 지식을 규칙의 형태로 구현하였다. 또한 부품의 조립시 많이 사용되는 부형상인 보스의 지식베이스가 구축되었으며 이러한 규칙들이 지식 베이스 모듀울인 RIBBER에 수록되어 있다. 아울러 이러한 부형상설계에 적절한 게이트를 합성할 수 있는 지식베이스 모듀울인 GATEWAY가 작성되었으며, 게이트의 종류 선정, 갯수, 위치, 형상 파라미터 결정을 위한 기초적인 연구가 수행되었다.
설계 합성되어 제안된 설계는 정량적인 결과를 얻기 위한 해석과 진단 및 평가의 과정이 요구되며 이를 위하여 유동 시뮬레이션과 구조해석의 CAE 모듀울과의 결합이 시도되었다. 사출 성형 제품을 성공적으로 성형하기 위한 최적 사출조건이 이 단계에서 결정될 수 있으며 아울러 시간대 별로 유동 선단의 위치, 온도, 압력, 전단률, 전단응력, 속도분포를 얻을 수 있다. 뿐만 아니라, 게이트의 위치에 따른 유동패턴의 변화, 런너의 최적설계등이 추구될 수 있다. 압입 해석을 수행하면 제품의 부위별 체적수축률의 변화도 예측이 가능하다. 이러한 해석 및 평가과정을 통해서 설계단계에서 공정상의 문제점 발생가능성을 최소화한 후 시제품제작에 들어가게 된다. 구조해석 프로그램인 ANSYS와의 결합을 통하여 전단계 해석(Pre-Analysis)을 통하여 합성된 리브의 보강효과를 검증하였으며 합성된 결과가 해석 결과와 상당히 일치함을 보였다.
본 연구에서 제안된 지식형 CAD 시스템의 전반적인 구성과 연계 및 설계의 순서. 흐름의 과정을 설명하였다. 3개의 기능적 그룹 즉 기하학적 모델러, 지식베이스, CAE 프로그램들이 부형상의 합리적인 설계를 위하여 연결.종합되었다. 설계의 흐름은 기하학적 모델러 상에서 호출된 주형상에서 마우스를 이용하여 대화식 반자동의 방법으로 근사영역화 작업을 수행하여 근사영역의 형상정보를 도출(Extraction)하여 지식베이스 모듀울에 자동으로 전달하고, 지식베이스 모듀울 RIBBER에서는 이 근상여역의 형상정보와 사용자와의 대화를 통하여 고분자 재료의 종류, 하중조건, 설계제어인자등의 정보를 입력받아 부형상의 설계합성, 정성적 평가, 조언, 경고, 도움말등을 출력하고, 합성된 부형상의 형상 파라미터는 RIBBER에 의해 직접 구동되는 본 연구에서 개발된 C 언어로 된 인터페이스 프로그램에 의해 PRO/ENGINEER의 명령어 화일로 변환되게 된다. 사용자는 PRO/ENGINEER상에서 이 명령어 화일을 구동함에 의해 부형상의 기하학적 모델을 자동으로 얻게된다. 생성된 부형상의 기하학적 모델은 사용자의 선택에따라 자동 또는 반자동으로 지능적인 만남조건을 부여함에 의해 주형상과 조립될 수 있다. 이렇게 얻어진 최종 형상은 해석 및 평가를 위해서 CAE모듀울로 보내지거나, 공정설계를 위해 CAPP모듀울로 보내질 수 있다.
