고객 소개

• 고객: 후창전자기술(Fu Chang Electronic Technology Co., Ltd)
• 국가: 중국
• 산업: 전자
• 솔루션: Moldex3D eDesign

후창전자기술(Fu Chang Electronic Technology Co., Ltd)은 정밀 플라스틱금형, 3C (컴퓨터, 통신, 소비성 가전) 및 사출품을 개발, 설계 및 제조하는 뛰어난 OEM 공장이다. 후창전자기술은 잘 알려진 여러 국제기업에서 인증한 공급회사이기도 하다. Huawei Technologies, Brother Industries, ZTE Corporation, Harman International Industries, China Mobile, China Telecom, British Telecom, Vodafone, AT&T과 DETECON 등이 동사의 고객이다. 수 년 동안 기술혁신에 전념하며 정밀 금형기술, 표면처리기술, 미세 전자기계시스템 기술 및 환경친화처리 기술을 개선하여 왔다. 동사의 기술센터는 고수준의 R&D 관리시스템을 갖추고 지적재산권을 존중하고 방어하는데 집중하여 왔다. 회사는 사회적 책임에 충만하여 에너지절약, 배출감소, 조림 등 여타 환경방호문제에도 정진하여 왔다. (출처: www.fosunny.com) 

수행 요약

원가와 에너지소모 절감을 위하여 사출성형의 CAE기술이 여러 산업에 폭넓게 적용되고 있다. 후창전자기술도 이 기술을 휴대폰 케이스, 통신제품 등 다양한 제품을 생산하는 데 활용하고 있다. 본 사례는 Moldex3D eDesign 해석솔루션을 통하여 후창전자기술이 플라스틱 충진거동과 사출성형공정 중 발생할 수 있는 잠재적 문제들을 예측할 수 있었음을 잘 보여준다. 이처럼 가치있는 해석으로 후창전자기술은 문제가 될 만한 것을 적시하고 나아가 게이팅 설계를 최적화하거나 가장 최적결과를 성취하기 위하여 실 생산에 앞서 냉각채널 레이아웃과 다른 성형조건도 최적화 할 수 있었다. 그로 인해, 소재를 감소시키고 사이클타임을 줄이고자 한 후창전자기술의 목표가 달성되고 최종제품품질의 개선도 함께 성취할 수 있었다.

과제

• — 변형
• — 웰드라인
• — 응력 마크

해결안

후창전자기술은 Moldex3D eDesign을 사용하여 제품설계(그림1)와 금형설계를 개발초기단계에서 검증하였다. Moldex3D 해석결과에 의거, 제품설계최적화를 위해 게이팅설계와 형상설계를 변경하였고, 설계변경은 실 테스트를 시행하고 해석기술로 분석을 수행하였다.

그림1. 제품설계

사례 연구

본 프로젝트의 주목적은 가장 최적화된 게이팅설계와 냉각채널 레이아웃 및 충진 난점, 과도압, 박육으로 인한 변형, 경량제품설계 등과 같은 성형문제를 해결하기 위해, 성형 설계파라미터를 Moldex3D 해석솔루션을 통하여 발췌하는 것이었다. 근래, 모바일/휴대폰 제품을 제조할 때, 3점 게이트 또는 다중 게이트 설계를 사용하는 것이 꽤 보편화되어 있다. 하지만, 이러한 종류의 게이팅 설계를 사용하면, 불균등 압력분포를 야기하여 제품 수축과 변형(그림2 참조)이 발생되기 쉽다. 그 결과, 그 결함을 감추기 위해 제품에 후 처리작업이 요구되어 제품원가가 상승되었다. 이와 같은 설계는 웰드라인 형성도 쉬운 편으로, 두터운 스프레이 코팅으로만 감출 수 있는 정도이다. 그러나, 고객에게 최고로 매력을 끌 정도의 외관을 갖는 아주 매끈한 제품품질을 얻기 위하여, 본 방법은 더 이상 적용할 수 없었다. 또한 제품 사이클타임마저 길 수 밖에 없는 상황이었다.

그림2. 전통적 3점 게이트 설계는 불균등 압력분포(좌도 적색원)와 확연히 드러나는 웰드라인 (우도 적색선)을 유발시킴.

이 문제를 해결코자, 후창전자기술은 Moldex3D eDesign을 사용하여 가장 적합한 게이트 설계를 찾아 내어, 3점 게이트 설계를 1점 게이트 설계(그림3)로 설계변경 하였다. 해석결과를 바탕으로 한, 이 게이팅 설계변경은 압력분포를 상당히 개선하고 불균등 수축으로 야기된 변형문제를 성공적으로 해결할 수 있었다. 더구나, 웰드라인 형성의 발생 자체가 극소화되어 원 설계의 모양에서 기인되는 구멍주위에 자연스럽게 형성된 웰드라인만 소소하게 잔존하였다. 이러한 미미한 결함은 사출성형공정 중 후기 단계에서 금형온도를 상승시켜 완전히 보이지 않게 할 수 있었다.

그림3. 1점 게이트 설계로 변경한 결과, 게이트 주변 압력이 더 높음(좌도 적색원). 반면 여타 지역의 압력분포는 보다 균일함.
또한, 웰드라인 형성의 발생이 상당히 최소화되어 단지 미미한 결함만 존재함(우도 적색원)

게이팅 설계문제에 외에도, 원 제품설계는 불균등 두께형상설계로 응력마크에 부딪히게 되었으나, 1점 게이트 설계를 사용하여, 후창전자기술은 두께가 변화하는 곳에 전이구역을 두어 해결 하였다(그림4).

그림4. 원 제품설계는 중앙부가 더 얇음(좌). 전이구역을 두께가 급변 구역에 추가하여 최적설계를 도출함(우)

설계변경 후, 후창전자기술은 Moldex3D eDesign을 사용하여 원 설계와 최적설계 모두를 해석하였다. 원 제품설계의 해석결과(그림5)는 전단응력이 두께변화 발생지역에 확연히 집중됨을 보여준다. 이로 인해 가시적인 응력마크가 형성되었다. 최적설계에서는, 확연한 전단응력집중 영역이 없어 졌고, 표면결함이 성공적으로 제거되었으며, 매끈한 표면을 갖는 제품을 얻었다. 나아가, 실 금형시작품 결과와 비교했을 때, Moldex3D 해석결과와 아주 잘 일치함을 알 수 있었다(그림6).

그림5. 원설계는 불균일 두께로 인해 명백한 전단응력집중(좌)을 나타내는
반면 최적설계는 전단응력집중이 크게 드러나지 않음(우)

그림6. 실 금형시작품을 보면, 원설계가 불균일 두께로 인해 응력마크가 뚜렷하게 나타나고(좌),
최적설계는 이러한 문제가 나타나지 않음(우). 실 금형시작품이 해석결과와 매우 잘 일치함을 보여줌.

요약하면, Moldex3D eDesign로 사용자는 여러 게이팅 설계안과 냉각채널 레이아웃에 대해, 여러 재질 및 다양한 성형 파라미터로 해석할 수 있도록 해 준다. 성형 파라미터는 충진시간, 충진압력, 스크류 위치, 냉각온도, 성형사이클 등을 포함한다. 후창전자기술은 Moldex3D eDesign으로 원 설계를 포괄적으로 해석하여 잠재적 문제영역을 도출, 웰드라인, 변형 및 압력분포를 직접 적시하였으며, 궁극적으로 가장 최적의 결과 즉 사이클타임의 감소시키고 제품품질을 개선할 수 있었다.

성과

최종결과를 보면, 압력은 20% 정도 감소, 변형변위는 허용범위 내 성공적으로 들어 왔다. 특히, X축 방향으로 50%, Y축 방향으로 55%, Z축 방향으로 변형변위가 개선되었다(그림7). 박육 경량 제품을 생산할 때의 전통적인 제조상 난점 즉 웰드라인, 표면결함 및 불균형 압력분포 등을 잘 지적하여 이를 극복할 수 있었다. 이와 같은 개선으로 사이클타임이 단축되었고, 나아가 후처리 작업에 소모했던 불요 비용을 제거함으로써 제품원가를 월등히 감소시킬 수 있었다.

그림7. 원설계에 대한 Z축 방향의 변형변위(좌)와 최적설계에 대한 변형변위의 상당한 개선(우)

Moldex3D eDesign의 도움으로, 후창전자기술은 여러 설계 대안에 대해 신속히 해석을 수행하여 실 생산이전에 가장 타당성 있고 최적인 제품의 설계와 제조 파라미터를 도출해 낼 수 있었다. 잠재적 제품결함 또한 소프트웨어로 예측하여 미리 방지할 수 있었다. 따라서, 제품품질이 월등히 개선되었고 전반적인 생산원가가 현저히 감소되었다. Moldex3D 는 제품최적화와 설계검증을 위해 신뢰할 수 있고 스마트한 도구로 또 다시 증명이 된 것이다.