코어테크 기술지원처 엔지니어 허쯔민(賀資閔)

개요

Alfred Kärcher SE & Co. KG는 연간 백 만 개의 부품을 제조합니다. 변형이 부품의 기능성 및 모양에 매우 중요하기는 하지만, 비용 효율성은 오히려 제조에 필요한 사출기의 사이클 시간과 크기에 따라 결정됩니다. 우리는 Moldex3D를 사용해 위의 목표를 완전 자동화 및 최적화하는 시뮬레이션 워크 플로우를 제시합니다. 이 워크 플로우는 부품 형상, 프로세스 조건 및 몰드 설계를 동시에 매개변수화함에 따라 부품 개발에서 몰드 제작, 그리고 최종 양산 단계에 이르기까지 전체 설계 및 프로세스를 고려할 수 있다는 데 이점이 있습니다.

도전

• 형상 설계, 몰드 설계 및 프로세스 조건의 최적화
• 부품의 품질 및 생산 비용
• 전체 시뮬레이션 프로세스의 자동화

솔루션

Moldex3D API를 사용한 시뮬레이션 프로세스 자동화

효과

• 변형, 충전 거동 및 사이클 시간의 전체 최적 값 찾기
• 완전 자동화된 시뮬레이션
• 개발 시간 단축

사례 연구

이 사례의 목표는 배터리 슬롯 제품의 변형 문제를 해결하는 것입니다. 이 제품의 부품은 1. 직선 조립면, 2. 직선 배터리 슬라이드, 3. 나사 돔 위치의 총 3가지 품질 요구사항이 있습니다(그림 1). Alfred Kärcher팀은 최적화된 솔루션을 찾기 위해 먼저 다양한 변수를 설정한 후 Moldex3D로 검증하였는데, 그 변수 설정 단계는 다음과 같습니다.

그림 1. 제품의 원래 설계 및 주요 품질 요구사항.

단계 1 : 제품 설계 변경

Alfred Kärcher팀은 기존의 리브 설계 변경 및 리브 추가 등을 포함하여 총 38개의 형상 관련 비의존적 매개변수를 변경했습니다 (그림 2).

그림 2. 형상 최적화 매개변수

단계 2 : 몰드 설계 변경

본 사례에서는 게이트 위치만 변경했습니다 (그림 3a).

단계 3 : 매개변수 조건 변경

충전 시간, 보압 시간, 용융 온도, 변환 시간, 냉각수 온도(그림 3b) 및 냉각 시간 등을 포함하여 총 14개의 공정 관련 매개변수를 변경했습니다.

그림 3. (a) 게이트 위치 변경, (b) 냉각수 온도 변경

매개변수 변경을 완료한 후 Moldex3D API로 검증을 진행하고(그림 4), 12 코어의 단일 컴퓨터로 200번의 시뮬레이션을 수행하였는데, 계산 시간은 1주일이 걸리지 않았습니다. 여러 시뮬레이션을 동시에 수행하면 시뮬레이션 시간을 더욱 단축할 수 있습니다.

그림 4. Moldex3D API 개략도

최적화된 개별 응답 값을 얻기 위해 팀은 관심 영역에 프로브 노드를 추가하였으며, 32개 위치에서 변형 감지를 수행하고 5개 그룹의 제곱 평균을 통해 최적화했습니다(그림 5).

그림 5. 변형 최적화를 수행하는 영역

Alfred Kärcher팀은 그중 두 가지 최적화 방향을 선택해 변형과 성형 사이클 결과를 관찰했습니다. 특히 변형에 최적화 중점을 둔 경우, 변형량을 뚜렷하게 줄이고 성형 주기를 허용 가능한 수준으로 유지할 수 있으며(그림 6), 성형 주기에 최적화 중점을 두면 성형 주기를 단축시키면서 변형을 크게 줄일 수 있습니다 (그림 7).

동시에 Moldex3D의 시뮬레이션 결과가 실제 제품과 매우 일치하는 것을 발견할 수 있었습니다 (그림 8).

그림 6. 원래 설계와 설계 변경 비교 (변형 중심의 최적화)

그림 7. 원래 설계와 설계 변경 비교 (성형 주기 중심의 최적화)

그림 8. 시뮬레이션 결과 검증

Moldex3D는 높은 수준의 자동화 및 맞춤형 시뮬레이션 워크 플로우를 제공, 단일 워크 플로우에서 제품 형상, 몰드 설계 및 성형 프로세스를 수정할 수 있고, 신뢰할 수 있고 오차가 작은 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있습니다.

결과

이번 사례에서 Alfred Kärcher는 Moldex3D API의 시뮬레이션을 통해 70%의 변형을 줄이는데 성공하고, 성형 시간을 단축했습니다. Moldex3D API는 시뮬레이션 프로세스를 자동화하므로 어떤 사용자 입력도 필요 없이 완전한 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다. 또한 다른 기능도 통합하여 CAD 시스템을 사용해 부품 형상을 자동 생성하고 수정할 수 있습니다. 이 소프트웨어를 이용하면 부품 형상과 몰드 설계 및 성형 과정에 관련된 다양한 매개변수를 수정할 수 있고, 변형, 충진 거동, 주기 시간 및 기타 대상 지표에 대한 전반적인 최적치를 찾아 개발 시간을 크게 단축할 수 있습니다.