서울과학기술대학교, Moldex3D로 냉각성능 연구를 수행하다

 

고객 소개
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서울과학기술대학교(이하 서울과기대)는 엔지니어링, 과학 및 기술 프로그램에 대한 산학협동과 신뢰증진에 목적을 두고 1910년에 설립된 동 분야 리딩 대학이다. 서울과기대는 실용과학과 응용연구의 교육에 중점을 둔 직업학교에서 유래하였다.

수행요약

2005년이래, 서울과기대는 Moldex3D 해석결과를 활용하여 기계적 시스템설계의 시험검증을 중점적으로 수행하였고, 학문적 및 산업적 개발 양측면에 상당한 영향을 끼치는 수많은 논문을 출판하였다. 본 연구는 그중의 하나로, 세계적 회사인 LG전자 금형기술센터와 펄스형 금형온도제어를 사용하여 냉각성능을 조사하기 위한 공동개발을 협업한 박 근교수의 논문을 발췌한 것이다.

과제

최근 모든 제조업체는 더 얇고 더 가벼우면 구조강도에도 더 우수한 전자제품을 제조하기 위해 새로운 접근방법에 고군분투하고 있다. 제품품질을 확보하기 위하여 사출성형공정중 웰드라인이나 잔류응력과 같은 잠재적 문제를 방지코자 금형온도를 올려야 한다. 제품파트의 표면품질이 개선되겠지만, 더 높은 금형온도로 냉각시간과 주기시간 역시 상대적으로 증가된다. 따라서, 금형온도를 유지하면서 냉각시간을 더 짧게하는 방법은 효율적이고 비용 효과적인 제조을 고려하는 금형설계자에게는 중요한 이슈이다

솔루션

금형온도의 동적제어가 이러한 이슈를 처리하는 방법으로 채택되었다. 본 연구에서, 펄스형 금형온도제어가 성형단계 전후 온수 및 냉수를 교대로 순환시켜 생산성뿐만 아니라 제품품질을 개선하는데 제안되었다. 냉각단계에서 주기시간에 영향을 끼치지 않고 온도를 빠르게 더 낮출 수 있었다. 가열 및 냉각 효율의 관점에서 전통적인 금형냉각시스템과 해석결과를 비교하였다.

사례

본 연구에서, 서울과기대는 Moldex3D의 정확한 해석능력에 기반하여 금형의 트렌지언트 온도를 조사하였다. 펄스형 금형온도제어 기술을 채택하여 금형표면의 온도결과를 전통적 냉각시스템과 비교하였다. 그림3에서, 전통적 냉각시스템을 사용할 때 전 주기시간은 21초, 각 주기당 온수온도를 60도씨로 연속 주입되었다. 반면, 펄스형 냉각시스템은 80도씨 물로 주입을 시작하여 냉매가 40도씨까지 변화되고, 충진단계의 0.5초 이후 연속으로 11.5초동안 연속 주입되었다. 냉각단계 동안 80도씨 물이 9초 동안 재주입되었다.

seoul-national-university-science-technology-utilizes-moldex3d-to-conduct-study-of-cooling-performance-1그림3. 전통적 냉각법과 펄스형 냉각법과의 냉각시간 비교

Moldex3D의 3차원 트랜지언트 열전달해석 능력으로, 특정시간에서의 온도분포가 정확하게 예측될 수 있었다. 그림4와 그림5는 전통적냉각시스템과 펄스형 냉각시스템과의 금형온도 변화를 보여준다. 펄스형 냉각법으로, 온수 및 냉수가 교대로 순환될 때, 주기시간을 증가시키지 않고 금형온도는 올릴 수 있다.

seoul-national-university-science-technology-utilizes-moldex3d-to-conduct-study-of-cooling-performance-2그림4 전통적 냉각법에 의한 금형온도분포의 변화(℃)
seoul-national-university-science-technology-utilizes-moldex3d-to-conduct-study-of-cooling-performance-3그림5 펄스형 냉각법에의한 금형온도분포의 변화(℃)

그림6(a)은 펄스형 냉각시스템로 성형주기시간을 20초 가량 단축시킬 수 있음을 보여준다. 냉각단계의 최종온도로 비교 시, 펄스형 냉각제어의 최고온도는 전통적 냉각의 온도보다 3.2℃더 높고, 펄스형 냉각제어의 최저온도는 전통적 냉각의 온도보다 7.3℃더 낮다(그림6(b)).

seoul-national-university-science-technology-utilizes-moldex3d-to-conduct-study-of-cooling-performance-4그림6(a) 전 성형주기                                          그림6(b) 최종 성형주기

결과

Moldex3D의 3차원 트랜지언트 온도분포 결과로, 사용자는 정확하게 바리오썸(variotherm) 기술의 영향을 예측하고 금형 제조단계 이전에 잠재적 문제를 방지할 수 있다. 본 연구에서, 가열 및 냉각 효율을 쉽게 가시화하여 해석결과를 신속한 시험 검증의 효과적방법으로 사용하였다. Moldex3D Advanced 패키지와 추가 모듈을 사용하여 서울과기대는 압축몰딩, 가스주입 사출성형 등 여러 종류의 특수 제조공정에 대한 시험검증도 수행 할 수 있었다. 현재 Moldex3D는 전세계 많은 선도 교육기관에서 교육적 목적 뿐만 아니라 학문적으로나, 경제적으로나 기술적으로 경쟁력을 유지하려는 학생들을 지원하기 위하여 사용되고 있다.

*주: 본 논문은 2012 제조, 기계설계 및 트리볼로지 국제컨퍼런스에 발표되었다.


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