코어테크 기술지원처　엔지니어　린밍위(林明瑜)

개요

이 연구는 압력/유량계를 갖춘 열화상 카메라로 구성된 모니터링 시스템을 사용하여 적층 제조(3D 프린팅)로 생산된 인서트의 표면 온도와 등각 냉각 채널의 유동 성능을 실시간으로 모니터링합니다. 동일한 조건에서 결과를 Moldex3D 시뮬레이션 결과와 비교함으로써 시뮬레이션 결과가 실제 테스트와 밀접하게 일치하여 복잡한 제품의 개발 비용을 효과적으로 대폭 절감할 수 있었습니다.

도전

• 생산 전에 등각 냉각 채널 설계 시 베릴륨 구리를 스테인리스 스틸로 대체하는 것의 이점을 확인.
• 시뮬레이션 결과가 현실과 밀접하게 일치하는지 확인.
• 모니터링 시스템을 활용하여 3D 프린팅 된 등각 냉각 채널 금형의 성능을 검증하는 것이 목표 입니다.

솔루션

금형 예열 모듈을 사용하여 등각 냉각 채널의 온도 분포를 실제 확인하는 것.

효과

• 시뮬레이션 결과는 실제 테스트 결과와 매우 일치하였고,
• 몰드의 수명이 두 배로 늘어났으며,
• 금형 제조 비용은 원래 베릴륨 구리 금형의 약 50%까지 절약 할 수 있었습니다.

사례 연구

냉각 채널의 설계는 플라스틱 성형에서 매우 중요하며, 금형 온도와 휨에 큰 영향을 미치게 됩니다. 적층 제조(3D 프린팅)를 통해 생산된 등각 냉각 채널은 핫스팟 온도를 낮추고 사이클 시간을 줄이는 등 전통적인 성형의 단점을 개선할 수 있습니다.

그러나 제조 비용이 더 높고 채택률을 높이기 위해서는 더 정밀한 시뮬레이션 분석이 필요합니다. 이 연구에서는 금형 온도 필드와 유동 필드를 모니터링하기 위한 모니터링 시스템을 구축할 것입니다. 실제 열을 활용한 후 모델 생성 및 매개변수 설정에 도움을 주는 성능을 발휘하여 등각 냉각 시스템의 설계 효율성을 대폭 향상시킬 것입니다.

그림 1에 표시된 원래 냉각 시스템 설계는 베릴륨 쿠퍼를 사용합니다. 높은 열전도율의 장점을 제공하지만, 환경에 미치는 영향에 대한 우려가 존재 합니다. 또한 부품 소재에 유리 섬유가 포함되어 있기 때문에 베릴륨 구리의 내마모성이 부족하여 금형 수명이 단축되고 이 현상은 결국 최종적으로 제조 비용의 증가로 이어질 수 있습니다.

그림 1 원래 냉각 시스템 설계

위의 고려 사항을 바탕으로, 더 긴 수명과 뛰어난 냉각 효율을 모두 달성하기 위해 3D 프린팅을 사용하여 또 다른 금형을 제작할 것입니다. 선택된 금형 소재는 고경도 스테인리스 스틸 소재 입니다. 생산 전에 Moldex3D 시뮬레이션을 통해 금형의 특정 부위가 기대에 부합하는지 여부를 고객이 판단하는 데 큰 도움을 제공 할 것입니다. 최종 결과의 평가 기준에는 온도 분포와 등각 냉각 시스템의 흐름이 포함됩니다. 설정은 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2 냉각 시스템 설정

분석이 완료된 후, 아래 그림의 냉각 시스템 시뮬레이션 속도 결과는 출구의 유속이 약 84.35 cm/s임을 나타냅니다. 유량으로 환산하면 3.97L/min에 해당하며, 측정된 유량은 3.80L/min으로, 시뮬레이션 결과와 매우 일치합니다.

그림 3: 시뮬레이션된 출구 속도 대 실제 유량

이 실험은 열화상 카메라를 활용하여 금형 가열 과정에서 온도 분포를 기록했습니다. 아래 그림의 온도 결과를 비교하면 시뮬레이션과 실험 결과가 일치하고 유사한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있습니다.

시간이 지남에 따라 온도 분포는 점차 균일하고 안정적으로 변하는 것을 확인 가능합니다. 열화상 카메라로 촬영한 온도 데이터는 그림 5와 같이 곡선으로 표시되어 시뮬레이션 결과와 비교되었습니다. 전체적인 경향은 대체로 일관되며 초기 값에는 약간의 차이가 존재 합니다. 마지막 순간의 온도를 비교했을 때, 실험과 시뮬레이션 간의 온도 차이는 약 1.3°C입니다.

그림 4 온도 분포 비교

그림 5 온도 분석에 따른 이력 비교

원래 디자인(베릴륨 구리)과 최적화된 디자인(스테인리스강)을 비교하면 스테인리스강의 열전도율은 베릴륨 구리보다 낮지만, 컨포멀 냉각 시스템의 설계가 단점을 보완합니다. 또한 스테인리스 스틸의 높은 경도는 금형의 내마모성을 개선하고 수명을 연장합니다. 

사용자의 실제 테스트를 통해 금형이 동일한 사이클 시간 내에 동일한 냉각 효과를 달성할 수 있으며, 또한 최적화된 설계로 금형 온도 분포가 보다 균일해지는 것을 확인 가능합니다. 아울러 균일한 온도 분포는 금형 온도 차이로 인한 제품의 휨과 변형을 최대한으로 줄여줍니다.

그림 6 오리지널(BeCu) 대 최적화된 디자인(스테인리스 스틸)

결과

이 연구에서는 Moldex3D를 사용하여 등각 냉각 시스템의 온도와 유동장을 예측했으며, 현장 테스트를 통해 이를 명확하게 검증했습니다. 고비용의 베릴륨 구리 몰드는 더 비용 효율적인 스테인리스 스틸 몰드로 성공적으로 교체되었습니다. 이는 우리의 일상 생활에서 환경에 미치는 영향을 줄일 뿐만 아니라 금형의 수명을 두 배로 늘리는 동시에 금형 온도 분포를 사용자가 원하는 범위까지 개선했습니다.

금형 개발 및 최적화, 특히 개발 비용이 높은 복잡한 제품의 경우 Moldex3D를 활용하면 사용자는 개발 시간을 크게 단축하고 개발 오류를 최소화하며 전반적인 효율성을 대폭 향상시킬 수 있습니다.