- 고객: 국립 타이완 과학기술대학
- 구역: 타이완
- 산업: 교육
- 솔루션: Moldex3D Advanced / 광학해석모듈
(출처: www.mirdc.org.tw/English/index.aspx )
개요
Moldex3D광학해석모듈은 광학산업에서 이미 널리 적용되고 있으며, 제품의 품질향상과 생산비용을 낮추는 데 기여하고 있다. MIRDC는 Moldex3D 실험계획법(DOE)과 광학분석모듈을 통해 레이저 빔 프로젝터 내 어레이 렌즈의 복굴절 현상과 성형 파라미터 간의 관계을 고찰하여, 잔류응력과 휨 문제를 개선하고 있다. 실제 금형시작을 통해서도 Moldex3D의 시뮬레이션 결과와 실제 제조의 결과가 매우 부합되었으며, 실제 제조에 돌입하기 전 성형 파라미터의 최적화를 실현하여 개발시간과 금형시작 비용을 낮출 수 있다.
해결과제
- 복굴절 현상 개선
- 휨 문제 개선
- 빔일관성 개선
해결방안
Moldex3D의 광학분석 모듈과 실험계획법(DOE)을 통해 성형 파라미터를 최적화하고, 복굴절 현상을 줄여 휨 문제 및 빔일관성을 개선한다.
이점
- 제품 품질에 영향을 주는 핵심 요소인 사출 속도와 보압을 도출
- 복굴절 현상을 52.3% 개선
- 총 변위량을 5.7×10-2mm에서 1.7×10-2 mm로 감소
연구 사례
광학렌즈는 반드시 고투명도를 충족해야 하기 때문에 사출성형 시 대부분 비결정 소재를 사용한다. 사출과정에서 플라스틱은 사출온도와 압력변화의 영향을 받기 때문에, 제품 수축 거동을 제어하기 쉽지 않다. 또한 플라스틱 소재는 과도한 압력을 받으면 플라스틱 균열이 쉽게 야기되고, 온도가 지나치게 높으면 열분해를 초래할 수 있다. 성형 파라미터를 어떻게 최적화할 것인가가 광학렌즈의 품질을 좌우하는 관건이라 할 수 있다.
본 사례의 제품은 레이저 빔 프로젝터의 어레이 렌즈로, 성형해석을 통해 최적의 공정 파라미터를 도출하여, 복굴절 현상과 제품 휨 문제 및 빔일관성을 개선하고 잔류응력을 최저 수준으로 낮추는 것이 목표이다.
그림1. 본 사례의 제품: 레이저 빔 프로젝터의 어레이 렌즈
MIRDC는 Moldex3D 광학모듈 해석으로 오리지널 설계와 이의 변경설계를 비교하였다. 금형온도, 사출속도, 보압 압력 및 보압 시간 등을 변경하여 설계변경을 수행하였다. Moldex3D DOE모듈 분석을 통해서 사출속도를 높이면 복굴절 현상이 개선되고 높은 보압을 사용하면 휨 현상을 개선할 수 있음을 알 수 있었다. 그러나 사출속도와 보압을 동시에 높여주면 높은 압력으로 높은 잔류응력이 초래되었고, 주입구 주위의 빔일관성에 영향을 끼치게 되었다. 최종적으로 MIRDC는 보압 상승을 무시하는 방법을 택하였다. 그 이유는 총 변위량을 비교해 보니, 오리지널 설계와 변경 설계간의 차이가 1μm보다 작았기 때문이었다. 각 항목의 해석 파라미터의 영향을 종합하여 MIRDC는 성공적으로 최적의 제품을 얻을 수 있었다.
그림2는 오리지널 설계와 설계 변경(사출속도 제고)의 해석결과를 비교한 것이다. 사출속도가 높을수록 광로차가 작은 것으로 드러났다. 변경설계의 실험결과(우) 역시 해석결과와 매우 부합한다.
| 오리지널 설계 | 변경 설계 | 변경설계의 실험결과 |
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그림2. 사출속도를 높이면 광로차가 현저히 낮아지며 실험을 통해 해석의 정확성이 증명되었다.
(그림에서 시뮬레이션과 실험결과의 색상이 상반되는 것은 명시야와 암시야가 다르기 때문이다)
결과
Moldex3D의 해석을 통해 MIRDC는 공정 설정이 제품 품질에 끼치는 영향을 이해하고 제품의 잠재적 결함을 예측할 수 있었다. 또한 실험결과 유동선단의 대조를 통해 해석의 정확성이 입증되었다(그림3). 성형 파라미터를 최적화 했을 뿐 아니라 금형시작에 낭비되는 인적자원도 절감할 수 있었다. 향후 Moldex3D의 더 많은 해석모듈을 광학 사출 압축성형 공정과 멀티 캐비티 공정 개발에 적용하여, 잔류응력, 유동 균형 및 휨 문제 간의 관련성을 보다 심도있게 연구할 것이다.
