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2-1 최종 사용 요구조건의 설정
ESTABLISH END-USE REQUIREMENTS

어느 부품 설계시나 제일 먼저 예상되는 최종 사용 요구조건에 대하여 세심하게 검토하여야 한다. 일반적으로 금속이나 나무에 비해 수지의 강도가 낮으므로 프라스틱 제품설계시에는 가능한한 수지강도를 최대한 이용하여 설계하여야 한다.

최종사용 요구조건 설정시에 필요한 사항은 다음과 같다.

1) 예상되는 구조적인 요구조건
(ANTICIPATED STRUCTURAL REQUIREMENTS)

① 하중 - 수지에 작용하는 응력과 제품의 변형을 파악할 수 있다.

② 하중의 속도 - 열가소성 프라스틱은 하중이 가해지는 속도 변화에 따라 각각 다른 거동(BEHAVIOUR)이 나타나므로 하중이 가해지는 속도의 빠르기를 조사하여야 한다.

③ 하중의 작용기간 - 작은 하중에 의해 초기에 발생된 미소변형이라도 하중이 지속되는 경우 변형이 점점 더 심해져서 나중에는 사용할 수 없을 정도로 커질 수가 있다.

④ 충격하중 - 짧은 시간동안 큰 하중이 작용하는 경우 조기에 파손이 일어나는 수가 있다. 그러므로 제품에 작용되는 충격하중의 특성을 파악하여야 한다.

⑤ 진동 - 진동은 응력과 변형에 변화를 일으킨다.

이 응력과 변형들은 적지만 일정하게 반복을 하므로 제품의 파손을 일으킬 수 있다.

⑥ 예상되는 남용 - 구조적인 요구조건을 만족하고 적절하게 잘 설계된 경우라도 남용을 하여 사용하므로서 파손이 일어날 수 있다.

예상되는 위험 수준을 설정하기 위하여 사용시의 제품의 위험에 대한 사용평가를 하여야 한다.

2) 예상되는 사용환경 (ANTICIPATED ENVIRONMENTS)

① 극한온도 - 모든 수지들은 그 사용한도 범위를 갖고 있다.

이 범위외에서는 부품이 그 의도된 기능을 적절하게 수행할 수 없다.

또한 수지의 물성은 그 사용한도범위 내에서도 상당히 변한다.

② 내화학성 - 모든 열가소성 프라스틱은 어떤 화학약품들에 의하여 영향을 받으므로 부품의 사용환경 조건이 설정되어야 한다.

③ 내후성 - 오랜 기간동안 외부에 노출시 수지의 물성 저하를 가져온다.

3) 조립과 2차가공 (ASSEMBLY AND SECONDARY OPERATIONS)

① 조립 - 대개의 프라스틱 부품은 혼자서 사용되는 경우는 거의 없고 완제품을 이루는 수많은 부품중의 하나로서 사용된다.

조립을 쉽게 하거나 자동화 조립시의 취급을 잘하기 위하여 eh는 수리나 재생사용을 위한 분해를 쉽게 하기 위하여 부품을 최적화시켜야 하고, 기계적인 체결이나 용착 및 접착제 접착등의 조립에 사용되는 방법을 초기설계시에 검토하여야 할 필요가 있다.

② 2차가공 - 수축자국이나 급격한 형상 변화등을 피하고 원하는 제품표면 상태를 얻기 위하여 도장이나 인쇄 또는 핫스탬핑(HOT STAMPING)등의 가장 좋은 표면 형상을 얻을 수 있는 2차 가동 공정도 초기에 검토되어야 한다.

4) 가격한도 (COST LIMITS)

① 이익을 내면서 판매할 수 있는 부품가의 설정

② 연간 수량의 설정

③ 추정 사이클 시간에 따른 경제적인 성형 방법

④ 선정된 성형 방법에 따른 금형비

⑤ 부품의 예상 수명

5) 규정/표준에 적합성 (REGULATIONS/STANDARDS COMPLIANCE)

수지나 부품은 특정요구 조건을 만족해야 할 필요가 있다.

보통 자주 사용되는 규정이나 표준은 다음과 같다.

［표준］

① 국제전기위원회 IEC

유럽전기위원회 CEE

② 국제표준기구 ISO

유럽표준위원회 CEN

③ 독일산업표준 DIN

④ 영국표준연구소 BSI

⑤ 프랑스표준 NF

⑥ 미국재료시험협회 ASTM

［규정］

① 보험업자의 실험실 UL

② 카나다표준협회 CSA

③ 유럽전기위원회 규정 CEE

④ 공장과 건물규정 FACTORY AND BUILDING CODES.

2-2 예비설계도면의 작성
ESTABLISH A PRELIMINARY DESIGN

계획된 부품의 예비개념 스케치는 요구되는 성능을 얻기 위하여 어떤 부분은 수정할 수 없고 어떤 부분이 수정가능한가를 설계자가 결정하는데 도움을 준다.

그러므로 이 예비 도면 스케치는 고정된 치수와 변경 가능한 치수 모두를 포함하여야 한다.

2-3 초기에 설정된 최종사용요구 조건을 만족하는 지이 프라스틱 수지의 그레이드 선정
SELECT A GE PLASTICS MATERIAL GRADE

최종사용 조건에 맞는 그레이드를 선정하기 위하여는 먼저 수지의 물성 비교자료를 검토하여야 한다. 초기 수지 선정후 계속해서 특정 용도에 관한 시간 온도 및 환경에 따른 수지의 물성을 재검토하여 추린다.

내마모성이나 연성 같은 보충자료가 수지선정을 확신하기 위하여 필요할 수도 있다. 수지의 특성은 다음과 같이 2개의 주 영역으로 구분된다.

1) 부품설계 계산에 필수적으로 사용되는 기계적 특성 (MECHANICAL PROPERTIES USED ESSENTIALLY FOR COMPONENT DESIGN CALCULATIONS)

① 탄성 한계

② 인장 강도

③ 탄성계수대 온도

④ 포아송의 비

⑤ 크리이프 탄성계수

⑥ 피로한도

⑦ 열팽창 계수

⑧ 마찰계수

⑨ 열전도도

⑩ 밀도

⑪ 금형수축율

2) 수지의 성능을 나타내는데 관련된 특성 (OTHER RELEVANT PROPERTIES ALSO INDICATING MATERIAL PERFORMANCE)

① 경도

② 충격강도

③ 내화학성

④ 내후성

⑤ 연성

⑥ 난연성

⑦ 열변형 온도

⑧ 전기적 특성

프라스틱 부품을 설계하기 위하여는 수지의 물성과 관련된 어떤 정보도 필요하다.

2-4 필요한 경우 제품도를 수정
MODIFY THE DESIGN IF NECESSARY

1) 선정된 그레이드의 특정물성의 균형 (THE SPECIFC PROPERTY BALANCE) - 인장 강도, 충격 강도등

2) 성형성의 제한 (PROCESSING LIMITATIONS) - 제품 두계대 흐름길이등

3) 조립방법 (ASSEMBLY METHODS) - 스냅 핏(SNAP PITS), 접착제 접착등

재료의 강도 계산식은 수지의 특성자료에 의해 제품 두께와 같은 필요한 치수를 계산하기 위하여 사용되어야 한다.

기본적인 형상의 경우는 제 5장의 구조설계 계산에서 자세히 설명하였다. 특히 컴퓨터지원 설계(CAE)와 관련된 자료조사가 필요한 경우도 있다.

유한요소법을 이용한 사출성형의 유동해석과 최종부품의 응력해석은 작고 다루기 쉬운 부품이나 유한요소로서 부품의 형상과 물리적 특성을 고려하는 방법이다.

구조의 각요소는 그 부근의 요소와 관련되어 별개로 조사되고 전체 구조는 계에 물리적으로 가해지는 조건에 의해 조사된다.

동시에 수많은 방정식이 컴퓨터의 반복적인 계산능력에 의해 해를 얻는다.

2-5 간이 사용시험 및 부품의 보관시험 실시
CONDUCT TEST TO SIMULATE USE AND STORAGE

시험실이나 실제의 조건에서 선정된 부품의 요구조건을 반영한 시험이 실시되어야 한다. 때로는 간이 시험용으로 개발된 시험 장비로 양산시의 부품 품질관리 시험을 실시하는 경우도 있다. 제품의 성능 시험은 간이 생산제품이나 양산 제품에 대한 기능을 시험한다.

간이 생산제품은 양산금형이 아닌 간이 금형으로 만들거나 제품의 모형을 만들기 때문에 시험방법과 결과를 판단하는데 주의를 하여야 한다.

간이 생산제품은 양산제품과 똑같은 결과가 나오지는 않는다.

초기 양산제품도 제품의 성능 시험을 확인하기 위하여 이와 같은 시험을 실시하여야 한다. 제품의 성능 시험에 사용되는 여러 가지의 특수한 시험 방법이 다음에 나와 있다.

1) 변형율 게이지 분석 (STRAIN GAUGE ANALYSIS)

2) 취성재료 도포분석 (BRITTLE COATING ANALYSIS)

3) 광 탄성법 (PHOTOELASTICITY)

4) 열반사에 의한 응력분석 (STRESS ANALYSIS BY THERMAL EMISSION)

5) 복사열 효과 측정을 위한 적외선 빛의 띠 (INFRA-RED LIGHT BANKS)

6) 온도 사이클 시험을 위한 환경시험챔버 (ENVIRONMENTAL CHAMBERS)

7) 유사 사용조건 하에서의 수명시험 (LIFE TESTING)

8) 높은 온도, 높은 습도 또는 자외선 방사조건하에서의 노화가속시험 (ACCELERATED AGEING)

9) 전광 반사장치시험 (HOLOGRAPHY)

컴퓨터 지원 기술은 제품 설계의 모델링(MODELLING)을 정밀하게 해주지만 제품의 성능 시험을 배제하거나 대체할 수는 없으므로 간이 생산제품의 제작이 추천된다.

그림 1. 제품설계 개발단계