스마트폰의 보급이 급속도로 증가하고 폰카메라의 성능이 비약적으로 발전함에 따라 폰카메라 렌즈를 사출성형으로 제조하는 과정에서 높은 생산성과 정밀도가 요구되고 있다. 일반적으로 폰카메라 렌즈는 크기가 매우 작아 금형의 크기가 아주 소형으로 분류되는데 생산성을 높이기 위해 하나의 금형에서 8 – 16 개의 렌즈를 동시에 사출하도록 만들어진다. 금형의 크기가 작고 전체 사출금형 내 유로에서 제품 캐비티가 차지하는 체적이 5 – 10 % 정도로 매우 작아 제품의 품질을 조절하기 위한 공정변수도 매우 제한되어 있는 편이다. 그러나 생산되는 렌즈는 품질이 매우 까다로운 초정밀 제품으로서 매우 정교한 생산 공정을 유지하여야 한다.

다수 캐비티 렌즈금형에서 발생할 수 있는 공정 문제 중 하나는 충전 불균형으로 인한 제품 치수의 불균일 이다. 이는 일반적으로 다수 캐비티 금형에서 흔하게 발생하는 문제인데 이는 전단가열로 인한 원인과 금형 가공의 미세한 차이 등에서 비롯된다. 본 연구에서는 이와 같은 충전 불균형을 탐지하고 이를 개선할 수 있도록 사출속도를 조절하여 불균형을 최소화할 수 있는 사출속도를 탐색하였으며, 근본적인 불균형 해소를 위해 미국에서 발전시킨 Melt Flipper 기술을 적용하여 효과를 검증하였다. 이와 같은 외부에서 탐지할 수 없는 공정 상태를 지속적으로 모니터링하여 안정되고 높은 생산성을 유지할 수 있도록 렌즈금형에 센서를 장착한 모니터링 시스템을 개발하였다.

금형 내부의 공정 상태를 탐지하기 위해서는 공정 상태 모니터링 시스템을 개발하여 장착하는 것이 가장 우선적인 일이다. 렌즈금형은 매우 소형이고 센서를 광학 제품 표면에 닿도록 설치할 수 없는 제약이 있어 렌즈금형의 특성을 활용하였다. 렌즈금형은 렌즈표면을 구성하는 코어를 상하로 금형에 원통형 인서트로 정밀 조립하여 사용한다. 렌즈 코어는 금형과 매우 작은 공차를 가지고 조립되지만 기계적으로 구속되어 있지 않아 캐비티 내부에서 발생하는 압력을 코어를 통해 전달할 수 있어 코어 뒤쪽에 압력센서가 아닌 워셔방식의 로드셀을 장착하였다. 이를 통해 각 캐비티의 압력 상황을 모니터링 함으로써 제품 품질 차이를 탐지할 수 있다. 실험용 금형에는 16개의 캐비티가 있었지만 충전 패턴을 거의 대칭을 이루고 있어 8개의 센서만을 장착하였다. 캐비티 압력은 러너 내부의 불균형 상태를 민감하게 탐지할 수 없어 각 게이트 바로 앞 부분의 러너에 온도센서를 설치하여 러너의 충전 상황을 탐지하도록 하였다. 그림 1에는 금형에 설치된 온도센서와 로드셀을 보여준다.