성공 사례: 마쓰이 MFG 주식 회사
본 사례의 목적은 형상적응냉각설계( conformal cooling design)과 표준냉각설계( normal or conventional cooling design)간 냉각효과를 비교하고자 함에 있다. 아래 그림에서 보듯이, 본 모델은 매우 복잡한 형상으로 두께변화가 심하다. 형상적응냉각설계로 냉각시간을 10초(약33%) 단축하였다.
종래에는, 냉각채널은 제품형상에 맞추어 제조할 수 없었기 때문에 냉각효율이 제한적일 수 밖에 없었고, 특히, 복잡한 형상의 제품인 경우 더욱 그러하다. 근래들어, 고등제조기술의 발전으로 형상적응냉각채널의 제조가 가능해졌다. 반면, 그 복잡한 형상으로 인해 냉각채널설계의 검증과 최적화 자체는 더욱 난해해진 것도 사실이다.
Moldex3D냉각해석은 요구냉각시간을 결정할 뿐만 아니라, 금형내 온도변화를 쉽게 파악할 수 있게 해준다. 나아가, 3차원 냉각채널해석을 통하여 냉매유량, 압력손실, 와/사류 영역등과 같은 냉의 거동을 예측할 수 있다. 이로써, 형상적응냉각 채널설계의 최적화를 통하여 냉각효율을 개선하는 것을 더 이상 문제가 되지 않는다.
Moldex3D의 형상적응냉각해석으로 구현할 수 있는 것은 다음과 같다:
- 냉각효율 증대. 파트전체에 걸친 냉각율 차이를 최소화
- 사이클타임 단축 및 원가 절감
- 보다 나은 제품품질 획득
제품치수정보는 다음과 같다:
- 길이:162.23 mm
- 폭:105.15 mm
- 높이:44.51 mm
- 주요두께: 약 3mm
본 사례에서, 표준냉각설계와 형상적응냉각설계의 효율을 비교하고자 한다. 표준냉각설계는 코어측에 배플을 사용하는 반면, 형상적응냉각설계는 제품형상에 꼭맞는 냉각채널을 사용한다.
a. Conventional cooling design b. Conformal cooling design
형상적응냉각은 캐비티표면에서 수직으로 일정한 거리가 떨어지도록 파이프를 위치시켜 설계한다. 그러나, 형상의 제약조건으로 냉각라인을 위치시킬 수 없는 장소가 여전히 존재하기도 한다. 여기서, 평균채널직경은 4mm; 캐비티표면에서 파이프중심까지의 거리는 8.3mm; 파이프간 거리는 9mm이다.
본 설계의 시뮬레이션 결과는 아래와 같다:
표준설계에 대하여 냉각종료후(EOC) 파트표면의 온도분포를 보여준다. 온도범위는 60.04 – 134.2℃이고, 캐비티측은 온도가 낮고 꽤 균일한 분포를 나타내지만, 코어측은 파트표면온도의 지역별 편차를 보여준다. 적색원으로 표기한 최고온도영역을 살펴보면 냉각채널이 전혀 통과하지 않은 결과가 자명하다.
a. surface temperature is around 57.82 – 129.95 ℃
b. Highest temperature is shown in red circle.
아래그림은 지시된 영역에 대하여 요구되는 냉각시간을 보여준다. 냉각시간은 보압종료이후 취출온도까지 냉각시키는 데 필요한 시간으로 정의된다. 예측값이 약 101.55초이므로 기본 냉각시간 20초는 충분하지 않음을 알 수 있다.
다음으로, 형상적응냉각에 대하여 냉각종료 후의 파트표면의 온도분포를 보여준다. 온도범위는 57.82. – 129.95℃로, 표준설계 경우보다 낮을 뿐만 아니라, 코어측 온도분포가 더 균일함을 알 수 있다.
냉각시간을 보아도, 최대요구냉각시간 또한 96.51초로 단축되었다.
두 경우 모두 동일한 온도범위에서 살펴보면, 형상적응냉각채널이 코어측에서 대부분의 열을 효과적으로 제거한다는 것을 알 수 있다. 그러나, 냉각채널이 해당영역(적색원 표기)을 통과하지 않기 때문에 최대온도영역은 여전히 존재한다.
다음은 냉각효율비교를 나타낸다. 표준설계에서 배플이 파트의 코어측까지 도달하지 않기 때문에, 하측 냉각채널은 전체열의 1/3만을 흡입하는 반면, 형상적응냉각설계에서는, 냉각효율이 최고 53.73%에 달한다. 형상적응냉각과 함께 사용한 배플냉각채널의 효율은 매우 낮은 1.16%에 지나지 않는다.
사이클타임 역시 냉각설계에서 고려해야 할 주요한 요소로서, 표준냉각과 교할 때, 형상적응냉각은 동등한 제품품질을 얻었음에도, 10초까지 즉33%까지 단축시켰다.
다른 예로, 싱크마크를 제품품질의 한 지표롤 사용될수 있는데, 냉각시간이 각각 30초와 20초인 표준설계와 형상적응설계의 싱크마크를 비교한 결과를 아래에서 볼 수 있다. 이 경우 각각 0.07mm와 0.08mm로 거의 차이가 없다.
Displacement 0-0.148mm Displacement 0-0.105mm
요약하면, 냉각채널이 제품표면까지 다달으지 못하는 표준냉각설계에서의 냉각효율은 제한적이고, 개선하는데 그 한계에 부딛치게 된다. 이러한 경우, 형상적응냉각설계로 동등한 제품품질을 유지하면서도 효과적으로 냉각시간을 줄이고 냉각효율을 개선할 수 있다. Moldex3D가 이 형상적응 냉각설계의 효과를 면밀히 예측하는 유용한 도구를 제공한다.