고객 소개

1994년에 창립된 Power Tech Mold Co., Ltd.는 플라스틱 사출 성형 제품의 제조에 주력하고 있다. Power Tech는 급속한 사업 성장과 함께 2005년 타이난 과학기술공업단지로 이전하였다. 현재 공장 면적은 21,600 평방미터이고 직원 수는 240여명이며 자본금은 4,300만 달러 규모이다. Power Tech는 한 대의 단일 사출 성형기와 세 대의 다중 사출 성형기를 구매하고 ODM(Original Design Manufacturer, 제조자 개발 생산)으로 전환하면서 고객에게 제품의 설계, 제조 및 생산 서비스를 제공하게 되었다. Power Tech는 금형 및 사출 부문을 설립하고, 2007년 6월에는 전체 제조 공정을 모니터링하기 위해 품질 보장 부문을 설립함으로써 최종 프로젝트의 품질을 효과적으로 향상시키고 고객의 권리와 만족도를 보장하고 있다. (출처: Power Tech Mold Co., Ltd.)

품질 향상 및 생산 비용 절감은 다양한 업계의 고객들에게 매우 중요한 요소이며, 따라서 설계 및 생산 단계 이전에 생산 계획 단계에서 금형 충진 해석에 대한 정확한 매커니즘을 보유하는 것이 필수적이다. Moldex3D는Power Tech가 플라스틱 업계의 전통적인 방법, 제조 공정 및 계획의 전통적인 관점에서 벗어날 수 있도록 귀중한 지침을 제공하였다. 이 글에서 사용할 예는 팔걸이의 컵 홀더이다. 우리는 컵 홀더에 대한 CAE 해석을 수 차례 진행하면서 각 매개변수 변경이 가져오는 차이점을 알아낼 수 있다. 설계자는 이러한 차이점을 인식함으로써 제품을 생산하기 전에 오류를 검토하고 방지할 수 있으며, 회사는 비용과 시간을 크게 절감하여 경쟁력을 향상시킬 수 있다.

이 사례 연구는 위에서 언급한 팔걸이에 관한 것이다(그림1). 컵 홀더 부분과 컵의 주요 두께 사이에 커다란 차이가 존재하여(그림2), 용융 수지가 금형에 충진될 때 뚜렷한 에어 트랩 현상이 발생한다. 제품의 형태를 변경할 수 없는 상황에서 아이템의 두께를 변경하는 것 이외에는 다른 해결책이 없는 것처럼 보인다. 문제 해결을 위한 선행 분석 및 시행착오를 통한 방식은 프로세스 기간을 장기화하고 불필요한 비용을 유발한다.

그림1 팔걸이 모델 기하학	그림2 원래 두께 분포

이 상황에서 Power Tech가 취할 수 있는 최선책은 CAE 해석을 통해 최적 게이트 위치를 찾아내어 용융 수지의 안정적인 유동을 구현하고 두께를 변경하여 첫 샘플에서 에어 트랩의 발생을 방지하는 것이다.

Moldex3D 예측과 일치하는 실제 샘플

그림3~5는 용융 수지의 유동 진행 상태를 보여준다. 이 그림들에서 상단부의 유동 속도가 하단부보다 빠른 것을 볼 수 있다. 문제는 금형의 상단부가 충진이 완료되었을 때 하단부는 아직 충진이 완료되지 않아 에어 트랩과 웰드 라인 문제가 발생한다는 것이다. 용융 수지가 금형의 A 부분을 향해 흘러갈 때 컵 프레임 하단의 오목한 부문 B가 채워지게 된다. 아래 그림은 충진이 83% 및 91% 완료된 상태를 보여준다.

유동 조건 측면에서, 컵 밑면의 유동 속도는 컵 상단부의 유동 속도보다 상대적으로 느리기 때문에 에어 트랩을 제거하는 주요 관건은 최종 제품의 외관도 변경된다는 전제 하에 두께를 변경하는 것이다. 이 사례에서는 시뮬레이션 시나리오처럼 수지 유동을 빠르게 진행하기 위해 컵의 밑면 두께를 증가하기로 선택하였다.

그림3. 83% 충진 단계에서 유동 선단 예측	그림4. 91% 충진 단계에서 유동 선단 예측	그림5. 96.8% 충진 단계에서 유동 선단 예측

그림6은 두께 변화를 보여준다. 그림6에서 빨강 부분은 금형에서 3mm 두께를 나타낸다. 에어 트랩 문제를 해결하기 위해 일부분의 두께를 2.5mm로 줄였다.

그림6(a) 노랑 부분의 두께를 3mm에서 2.5mm로 줄임	그림6(b)

다음 그림들은 시뮬레이션 결과가 실제 미성형 샘플과 매우 유사함을 보여준다(그림7~14). 또한 이 해석 결과는 두께 변화로 인해 원래 에어 트랩이 발생했던 위치에 웰드 라인이 발생한 것을 보여주며, 이것은 실제 미성형 샘플에서도 동일하게 나타난다.

그림7. 75% 충진 단계에서 유동 선단 예측	그림8. 실제 미성형 샘플	그림9. 90% 충진 단계에서 유동 선단 예측

그림10. 실제 미성형 샘플	그림11. 92% 충진 단계에서 유동 선단 예측	그림12. 실제 미성형 샘플

그림13. 96% 충진 단계에서 유동 선단 예측 그림13. 96% 충진 단계에서 유동 선단 예측	그림14. 실제 미성형 샘플

정확성 향상, 신뢰도 증가

상기 해석을 바탕으로 유동 조건을 변경해야 하거나 주요 문제를 해결해야 할 경우에 회사는 주요 두께를 얇게 변경하는 방법을 주로 적용한다. 이 사례를 통해 주요 두께를 변경하여 에어 트랩 문제를 해결할 수는 있지만 컵의 두께를 그대로 유지하면 최종 제품에 다른 문제가 발생할 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 외관이 변경되지 않는다는 전제 하에 유동의 방향과 속도를 변경하는 또 다른 방법은 두께의 일부분을 두껍게 만드는 것이다. 설계의 시험 성형, 금형 생산 전에 CAE 해석 결과를 토대로 대응책을 마련함으로써 엔지니어는 성형 문제를 성공적으로 최소화할 수 있다.