개요

사출 성형에서 냉각 시스템의 품질이 좋지 않으면 고르지 않은 온도 분포로 인해 냉각 시간이 연장되고 뒤틀림이 증가하고, 모서리가 있는 냉각 채널이라면 응용 방면의 난도가 더 높아집니다. 냉각 채널의 최적화는 과거 많은 비용과 시간이 필요했지만, Moldex3D를 도입한 후에는 이러한 문제를 크게 개선하여 최적화 프로세스가 단축되고 리소스의 소비가 절감되었습니다. 이 프로젝트에서 BME팀은 스마트 성형을 활용해 워크플로우를 간소화할 수 있는 아이디어와 냉각 채널의 최적화를 통해 제조 시간을 단축하는 방법을 설명합니다. BME 팀은 3가지 다양한 재질의 몰드 인서트(그림 1)와 기존의 방법 및 Moldex3D로 만든 냉각 채널(그림 2)을 테스트했으며, 서로 다른 조합에 대한 테스트를 통해(그림 3) 최상의 냉각 채널 설계를 원활하게 선정하여 주기 시간을 단축하고 뒤틀림을 감소시켰습니다.

그림 1. 다양한 재질의 몰드 인서트

그림 2. (a) 기존 냉각 채널, (b1) 이중 캐비티 및 (b2) 단일 캐비티를 포함한 (b) 등각 냉각 채널

그림 3. 다양한 몰드 재질과 냉각 채널 조합을 사용한 실험: (a) 기존 냉각 채널 방식의 P20몰드, (b) 기존 냉각 채널 방식의 구리 몰드, (c) 등각 냉각 채널 방식의 DMLS: MS1몰드, (d) 등각 냉각 채널 방식의 Hybrid: MS1 및 구리의 하이브리드 몰드

도전

• 기존의 냉각 채널 설계로는 적절하게 냉각시킬 수 없는 자동차 루프탑 부품.
• 부적절한 냉각으로 인해 길어지는 냉각 시간과 늘어나는 생산 비용.
• 고르지 않은 냉각으로 인한 큰 뒤틀림
• 많은 리소스가 소비되는 기존 방식의 냉각 채널 최적화.

그림 4. DMLS 설계(상단) 및 Hybrid 설계(하단)를 사용해 각각 냉각 (a) 4초, (b) 5초, (c) 5.5초 및, (d) 6초 동안 냉각한 후 이젝트했을 때의 온도 분포 실험.

솔루션

연구원들은 각각 기존 및 등각 냉각 채널이 매치된 3가지 재질의 몰드 인서트를 테스트했는데, Moldex3D는 냉각 최적화 속도를 가속화하고 워크플로우를 간소화하며 비용을 절감하는 데 도움이 될 수 있습니다. Moldex3D를 통해 캐비티 내부의 기능을 시각화할 수 있기 때문에 BME팀은 온도 분포 및 냉각 효율을 확인할 수 있었습니다. 등각 냉각 채널을 사용하면 냉각이 균일해지고 주기 시간이 단축되며 뒤틀림도 감소될 수 있습니다 (그림 5, 6).

그림 5. 주기 시뮬레이션 시작 후 이젝트 온도에 도달할 때의 등가면: (a) t = 9.95 s, (b) t = 10.95 s, (c) t = 11.95 s, (d) t = 12.95 s

그림 6. 몰드 오픈 시뮬레이션 시의 표면 온도: (a) t = 0 s, (b) t = 1.5 s, (c) t = 3 s, (d) t = 4.5 s

효과

• 냉각 시간 80% 단축
• 재료 사용량이 5kg에서 0kg으로 감소
• 에너지 사용량 감소
• 뒤틀림 30% 감소
• 냉각 시간 18% 단축

사례 연구

이 프로젝트의 목적은 기존의 냉각 채널과 “스마트” 냉각 채널 설계의 효율을 비교하는 것으로, BME팀은 실험을 통해 성형 주기를 단축하고 뒤틀림을 감소시키기 위해 노력했습니다. 먼저 원래의 성형 매개변수로 시뮬레이션을 실행한 결과, 제품이 뒤틀린 후 형상이 변하지 않았고, 등각 냉각 채널을 사용할 때 뒤틀림 정도가 기존의 것보다 덜하다는 것을 알게 되었습니다. P20인서트 설계의 뒤틀림이 가장 적고 하이브리드 인서트의 뒤틀림이 가장 컸습니다 (그림 7).

그림 7. 몰드 인서트의 뒤틀림 시뮬레이션 결과: (a) P20, (b) 구리, (c) DMLS, (d) Hybrid

BME팀은 GOM광학 측정기를 사용해 그림 8과 같이 실제 뒤틀림을 측정했습니다. 구리 냉각 채널 제품의 뒤틀림이 시뮬레이션 결과와 달리 가장 크게 발생했는데, 그 원인은 실제 냉각 시간이 비교적 짧았기 때문일 것입니다(그림 9). 구리 인서트는 셸의 냉각 속도가 매우 빠르지만 코어의 온도가 여전히 매우 높기 때문에 제품이 이젝트된 후 비교적 큰 뒤틀림이 발생합니다.

그림 8. GOM광학 측정기

그림 9. 실제 측정한 다양한 인서트의 뒤틀림: (a) P20, (b) 구리, (c) DMLS, (d) Hybrid

그 다음 실제 실험을 통해 설계를 검증한 결과, 기존의 냉각 채널 및 스마트 냉각 채널의 검증 결과는 일치했습니다. 실제로 구리 인서트는 빠르게 생산 목표에 도달했지만 제품에서 매우 큰 뒤틀림이 발생했습니다. 따라서 BME팀은 하이브리드 몰드 인서트가 뒤틀림이 가장 적고 주기 시간이 가장 짧기 때문에 최상의 설계로 판단했으며(그림 10), Moldex3D의 지원을 통해 전체적인 검증 시간을 1/4로 단축하고 리소스 소비를 줄일 수 있었다고 생각합니다.

그림 10. 실험 및 시뮬레이션 결과 비교

결과

BME팀은 Moldex3D를 사용하지 않은 경우에 비해 Moldex3D의 지원으로 냉각 시간을 80% 단축하고 재료의 사용을 5kg에서 0으로 줄였으며, 에너지 소비도 절감하였습니다. 냉각 채널 최적화 후 냉각 시간이 18% 단축되었고, 뒤틀림 역시 성공적으로 30% 감소했습니다.