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.
![conformal cooling design](https://kr.moldex3d.com/assets/2012/02/conformal-cooling-design.png)
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.
![EOP cooling temperature](https://kr.moldex3d.com/assets/2012/02/EOP-cooling-temperature.png)
![conventional cooling temperature](https://kr.moldex3d.com/assets/2012/02/conventional-cooling-temperature-e1328084049844.png)
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.