SimpaTec Simulation & Technology Consulting GmbH는 시뮬레이션을 통한 공정 및 부품의 최적화를 바탕으로 플라스틱 가공 산업 제품과 서비스를 제공하고, 중국에 기술을 이전하고 있으며, 이러한 사업 분야에 풍부한 경험을 지닌 우수한 경영 관리 역량을 자랑한다. (출처: https://www.simpatec.com)
2007년 1월, 한 자동차 업계 고객은 Schuster Kunststofftechnik GmbH과 IML 방식으로 에어컨 시스템의 패널 모듈을 개발하고 생산하는 계약을 체결하였다. 요구되는 가격과 고품질 사양을 만족시키기 위해서는 공정 변수, 특히 사이클 타임, 게이트 시스템 및 금형에 데코 필름 가공을 위한 특별한 요구 사항이 서로 조화를 이루어야만 한다. 이를 위해 IML 전문가는 플라스틱 업계의 공정 및 부품 최적화 전문 컨설팅 기술 업체인 SimpaTec Simulation & Technology Consulting GmbH에 사출성형 전체 공정에 대한 시뮬레이션을 의뢰하였다.
충진에서 휨에 이르는 전체 공정 시뮬레이션
Schuster사는 실제 경험을 바탕으로 시뮬레이션에서 PC 필름의 기계적 속성과 열 속성을 정밀하게 모델화하는 것이 필요하다는 것을 알고 있었으며, SimpaTec은 이에 따라 독일 자동차 업계에서 다년간 우수한 실적을 올리고 있는 대만의 사출 성형 시뮬레이션 소프트웨어 Moldex3D를 사용하여 충진에서 휨에 이르기까지의 전체 공정에 대한 시뮬레이션을 실행하였다.
Moldex3D는 2.5D 시뮬레이션도 가능하지만 SimpaTec은 완전한 3D 시뮬레이션만을 고집한다. 이를 통해 매우 신뢰도 높은 휨 해석이 가능해진다. 이 프로그램의 우수성은 특히 고품질 메쉬 작업에서 증명된다. 사면체 이외에도 육면체, 각기둥 및 피라미드형 요소를 사용할 수 있으며, 금형 또한 3차원적인 시뮬레이션이 가능하다. 이것은 금형 기술에서 형상적응형 냉각회로와 같은 새로운 개발에 특히 중요하다.
처음으로 수행한 작업은 원래 계획했던 전통적인 콜드 러너 매니폴드를 소형의 콜드 러너 매니폴드로 구성된 핫 러너 시스템으로 교체하는 것이었다. 1.05g의 매니폴드 무게만이 유지되도록 핫 러너 노즐을 캐비티에 가능한 가깝게 위치함으로써 시뮬레이션을 실현하였다. 콜드 러너의 원래 무게 13.50g과 비교할 때, 이것은 충진 당 12.45g의 재료 소모를 줄임으로써 6년의 생산기간 동안 EUR 60,000 이상의 비용 절감 효과를 가져올 수 있다. 정밀한 게이트 위치와 유동 제어는 소프트웨어에 의해 결정되었으며, 이를 통해 130 bar 감소된 압력으로 금형을 완전하게 충진할 수 있었다. 이것은 용융 수지가 유동하는 중심에서 필름 내 구조를 유지하는데 효과가 있다. 계산된 유동 경로의 끝에서 공기 배출에 특별히 신경을 썼다.
휨에 영향을 미치는 것은 무엇인가?
IML방식 부품 설계의 가장 어려운 점은 부품의 휨이다. 휨 판단을 위한 시뮬레이션은 놀라운 결과를 보여준다. 휨은 게이트 시스템 및 공정 변수와는 별로 관계가 없다. 부품의 형상 및 필름 기술로 인해 발생한 비대칭적 구조가 뚜렷한 휨 현상을 야기한다. 이 부분은 보이는 면에 볼록하게 나타난다.
중앙에서 살짝 접히는 현상은 반구형에서 두꺼운 부분의 부피가 크게 수축되고, 절단면으로 인해 받침판의 강도가 줄어들기 때문에 발생한다. 이 현상은 게이트 위치의 조정이 아닌 형상의 변경을 통해서만 보정할 수 있다
프로젝트 매니저들은 심층 논의를 통해 휨의 원인을 분석하고 개선해야 할 점을 강구하였다. 공정의 모든 측면을 Moldex3D에서 완전하게 시뮬레이션하였으며, 따라서 필름의 3D 시뮬레이션은 격리 효과를 선명하게 보여주었다. 이 특성은 IML 공정의 신뢰도 높은 시뮬레이션을 위해 필수적인 것이다. 결국, 휨을 억제하는 것은 필름과 부품간 경계층의 온도 분포이다. IML 공정에서 냉각 시스템을 효율적으로 구현하기 위해 금형의 열 조건 역시 이 소프트웨어를 통해 3차원으로 재현할 수 있었다. Schuster Kunststoffechnik은 이러한 결과를 바탕으로 부품의 내부 영역에 대한 더욱 효율적인 냉각 회로를 구축하였다. 금형을 제작한 후에 냉각 회로를 변경하는 것은 슬라이드와 이젝터의 위치 재조정을 통한 금형의 부분적인 수정이 필요하기 때문에 그 비용이 매우 높다.
회사는 휨이 부품의 형상에 크게 기인한다는 것을 고객에게 알려주었다. 정해진 빛 반사율과 작동 장치의 설계로 인해 형상 조건을 근본적으로 변경할 수 없었기 때문에 대안을 찾는 것이 어려웠다. 고객은 솔루션을 절충하기로 결정하였다. 인접 부품과의 허용 오차를 고려하여 휨으로 영향 받는 모든 중요 치수를 검사하였으며, 이러한 분석 결과 금형 제작을 시작하기 전에 개구부와 중심부를 다시 설계할 수 있었다.
금형이 완성되면 시뮬레이션용 공정 변수를 먼저 불러온다. 이 단계는 샘플링 과정을 크게 축소시킨다. 시뮬레이션의 충진 압력 비교에서 본 작동 지점이 실제와 매우 근접한다는 것이 확인되었다.
시뮬레이션에서 해석된 휨 현상도 실제와 정성적, 정량적으로 일치한다는 것을 보여주었다. 처음에 예측된 휨 정도에 놀라움을 금치 못했던 고객은 이제 금형을 설계할 때 이 점을 보완할 수 있다는 것에 안심하고 있다. 이것은 또한 하우징과의 스냅 연결을 최적화하여 설치 시 휨을 최소화할 수 있다. 이러한 과정을 통해 이 프로젝트는 예정된 일정 안에 성공적으로 완료할 수 있었다.
요약
이 프로젝트를 통해 3D 시뮬레이션으로 제조 공정에서 발생할 수 있는 주요 문제를 파악할 수 있다는 것을 확인하였다. IML 공정에 사용되는 필름의 사실적인 시뮬레이션은 공정지향적인 금형 설계의 중요 문제를 해결할 수 있는 새로운 방법이다. 이러한 도움 없이 휨 현상을 예측하는 것은 매우 어렵다. 이를 통해 자동차 산업의 품질과 비용, 자유로운 설계, 매력적인 외관과 정확한 출시 일정에 대한 높은 요구 사항을 모두 충족시킬 수 있다. 이번 적용 사례는 특수한 사출성형 공정에서 완벽한 3D 사출성형 시뮬레이션의 융통성과 향후 부품 개발에 대한 잠재력을 확실히 보여주었다.
* 이 기사는 Kunststoffe international 2007/11, P. 60-62에 게재되었음