고객 소개

• 고객: Shape Corp.
• 국가: 인도, 미국, 유럽, 아시아
• 산업:자동차 산업
• 솔루션:Moldex3D eDesign

Shape Corp. 는 탑승자, 보행자 및 차량을 보호하는 충격에너지관리시스템 분야의 글로벌 리더이다. 미국 미시간주 그랜드 헤븐에 본사를 두고 있는 모회사 Shape Corp. 는 북미, 유럽 및 아시아 지역에서 플라스틱 및 금속 솔루션에 대하여 설계, 엔지니어링, 시험 및 제조 전반에 걸쳐 솔루션을 제공하는 서비스 공급사이다. Shape Corp. 는 고급 맞춤형 롤포핑 분야와 사출성형분야에서 선도업체로 인식되고 있다. 동분야 전문지식으로 에너지관리시스템에 적용함은 물론, 자동차, 사무가구, 건강관리, 농업 외 타 산업에도 적용하고 있다.(출처:: www.shapecorp.com)

A fender protector fits on top of the wheels of a vehicle, and its function is to protect
the vehicle steel inner body from being hit at a high speed and damaged by stones, dust or unwanted items.

수행요약

본 사례는 자동차부품인 펜더 프로텍터(fender protector) 이다. 펜더 프로텍터는 모든 종류의 자동차에 널리 사용되고 있다. 이 부품은 기본적으로 자동차 휠의 상부에 끼워져, 돌, 먼지 또는 원치 않은 아이템들에 의해 고속으로 부딪혀 파손되지 않도록 자동차 강종 인너바디를 보호하는 기능을 한다. 이 펜더 프로텍터는 밸브게이트형 핫러너를 사용하는데, 이것은 사출성형에서 유동, 시간조절, 웰드라인 위치 및 캐비티 내 압력 등을 조작한데 널리 사용되어 진다. 더구나, 자동산업은 부품무게감소를 위해 더 얇고 더 가벼운 부품으로 이동하고 있다. 동시에, 부품들이 여전히 내구성 표준을 만족시킴을 확인코자 노력하고 있다. 본 사례의 경우, 유동 리더(flow leaders)의 서로 다른 두께에 따라 밸브게이트시스템을 사용하고 있었으며, 그것들을 부품의 여러 영역에 위치시켜 유동패턴을 최적화 시키거나, 에어트랩을 감소시키거나 톤수를 감소시키도록 하였다. 이러한 공정을 해석하기 위하여, 쉘메쉬를 사용, 웰드라인 형성을 최소화하고 부품 전체에 걸친 유동 패턴을 균일화하기 위하여 부품형상에 여러 다른 위치에 다양한 두께의 유동리더들을 추가하는 여러 설계변경을 시도하였다. Moldex3D 소프트웨어를 실행하여 가장 최적화된 유동 상태를 얻은 후, 수정할 변경내용을 최종 부품형상에 반영하였다. Shape 기술팀은 Moldex3D eDesign을 활용 3D메쉬를 만든 후, 쉘과 3D메쉬의 최종결과를 비교하였다. 그 결과, Moldex3D 셀 해석이 신뢰할만한 결과를 주고 단 시간 내 신속한 설계수정을 할 수 있음을 알게 되었다. 또한, Moldex3D eDesign 3D 메쉬 해석으로 실 금형제조 전에 정확하고 실제에 가까운 결과로 최종설계를 검증하는데 보다 도움이 되었다.

도전 과제

제품설계 및 금형설계 중 부딪히는 여러 도전과제:

• 유동균형 성취 위한 이상적 밸브게이트 설계수행
• 요구범위 내 제품무게 유지 조건하 적정 충진 보장위한 유동 리더(flow leader) 추가 하기
• 지정 톤수한계 이하 원설계 요구 톤수 대비 초과톤수 감소
• 금형 시작횟수 제거 및 향후 제품에 대한 반복과 재작업 회피

Melt front time-75%

Melt front time-75% (left): Air trap & weld line formation leading to part weakness are highlighted in red.
Melt front time-100% (right): The left side of the part is filled earlier than the right side.
The right side part indicates a short shot problem.

해결안

도전과제를 극복하고 초기목표를 달성하기 위하여, 게이트수, 게이트 위치, 유동 리더 위치 및 두께 변경 등을 조정하여 유동해석을 수차례 반복해야 했다. 더구나, 충진해석을 위해 2주간의 짧은 전환요구로 쾌속으로 진행해야만 하였다. Shape 사는 리모트연산을 활용하여 Moldex3D 쉘 메쉬 해석을 수행, 신속한 해석결과로 기술회의에서 차기 수행방향을 허용시간 내에 할 수 있었다. 이렇게 하니, 정말로 작업진척이 원활하게 되어, 단시간 제한적 시간 내에 이상적인 유동시나리오를 얻을 수 있었다. 다음에, Moldex3D eDesign 3D 해석을 통해 최종설계를 보다 검증하였다. 즉 3D 해석결과는 실 금형시작 결과와 엄격히 일치하는 지를 검증하는데 활용하었다.

연구 사례

우선, Shape 사는 유동패턴, 요구 압력 및 톤수에 대한 초기 아이디어를 얻고자 기본적 게이트 위치 배열로 해석을 수행하였다. 연산속도를 가속하기 위해 Moldex3D의 저수준 메쉬옵션을 활용하였고, 8 CPU 능력 모두 가동하여 신속한 결과를 얻었다. 다음에, 초기 해석결과를 바탕으로, 게이트 위치와 게이트 수를 변경을 시도하였다. 톤수 제한으로 유동 리더 없이 이상적 유동시나리오를 성취하기 불가능할 것으로 보였다. 유동 리터의 개별 수정을 하고 자사의 기술팀과 고객 기술팀의 협조로 검증 수행하였다.

더구나, Shape 기술팀은 전 개발공정을 통해 시간 단축에 대한 단호한 단축에 직면하고 있었다. 그래서, 쉘 모델링을 사용하기로 방향전환 하여 보다 빠르게 결과를 얻을 수 있었고, 개별 20번 이상의 반복을 하여 유동 리더를 수정하는데 필요한 충분한 시간을 확보할 수 있었다. 게이트 위치를 수정하고, 유동 리더 두께와 위치를 튜닝하여 요구조건을 만족시킬 수 있었다. 결국, 2000톤수 이하 요구 톤수로 낮출 수 있었고, 제품의 좌우측에 2초내 차이로 거의 동시 유동도달시간이 되도록 할 수 있었다. 또한, 에어트랩은 관리범위내로 제어 되었고, 그 밖의 후처리를 통해 제품을 충진하는데 단지 몇 개의 외부 러너만을 사용하여 최소화된 형태를 유지할 수 있었다.

Using Moldex3D Shell mesh, Shape was able to run the analysis for the original part and then
make appropriate modifications by adding flow leader and removing & shifting the
partprofile in a very quick time to achieve the ideal results.

다음에, Shape 기술팀은 해석결과를 제품설계자에 피드백하여 최종설계를 수정하도록 하였다. 최종설계에 대해, 기술팀은 Moldex3D eDesign 3D 모델링 해석을 수행하고, 그 결과를 원 쉘모델과 실 금형시작 결과와 상호 검토하였다. 해석결과는 쉘과 3D 모델 모두 실 성형시나리오 잘 일치 반영되었다.

The simulation analysis results are almost closely matched with a real-life
molding part including flow pattern, pressure, tonnage, etc. 

장점

Moldex3D 쉘과 3D 모델링 해석을 사용하여, Shape 사는 바람직한 유동패턴을 성취하고 최적 게이트 수와 위치를 결정할 수 있었으며, 요구 톤수를 낮출 수 있었다. 이렇게 하여, Shape사는 성공적으로 잠재적 금형 변경과 수정에 대한 상당한 손실금액을 회피할 수 있었다.

부가적으로 Moldex3D 연산파라미터 (다중코어, 원격연산 및 고속 해석) 옵션의 덕분으로, Shape사는 해석결과를 신속하고 효율적으로 성취할 수 있었다. 유동결과를 내 손 안에 가용하게 됨으로써, 보다 적은 노력으로 Shape사 고객에게 제때에 제품설계변경을 할 수 있다는 신뢰를 줄 수 있었다. 그로 인해, 금형 제조 또한 제때에 완성할 수 있었다. 금형툴이 조립되고 시작품이 나온 후, 실 제품으로부터의 실 충진결과는 Moldex3D 해석 예측과 완벽히 일치하였다. 고객을 포함하여, 자사 내 전체 팀은 긍정적인 결과와 신속한 처리 시간으로 환상적인 느낌까지 받았다.

결론적으로, Moldex3D CAE 도구의 도움 없이, Shape 사가 전반적인 생산비 절감을 유도하면서도 최고품질제품을 고객에게 제공하는 목표를 성취하는 것은 극히 어려웠을 것이다. Moldex3D 해석기술로 성공적으로 가장 최적결과을 얻고 잠재적 생산손실비용을 현저히 절약할 수 있었다. 본 사례는 Moldex3D 해석이 사용자에게 복잡하고 도전적인 설계 및 제조 문제를 해결하기 위하여 제품설계와 최적화를 위하여, 어떻게 최고의 의사결정을 할 수 있는 지를 보여주는 완벽한 사례라고 할 수 있겠다.