편집 : 코어테크 유럽 사업처 고객 책임자 린윈롱(林運融)

개요

두께가 두꺼운 플라스틱 제품 성형 과정에서 가장 큰 도전 과제 중 하나는 바로 치수 정확도 문제입니다. 본 프로젝트에서 자동차 부품인 플라스틱 후크(그림 1)는 첫 번째 시뮬레이션 테스트 시에 큰 변형이 발생했으며, 공정 조건을 조정해도 변형 문제는 개선되지 않았습니다. 슬로바키아 공과대학의 재료과학 및 기술학부(MTF STU)는 Moldex3D를 사용해 변형의 원인을 연구하고 실행 가능한 솔루션을 찾았으며, 최종적으로 Moldex3D의 변형 분석 결과에 따라 금형 설계를 최적화하여 변형 문제를 성공적으로 해결하고 불필요한 재작업을 방지했습니다.

그림 1. 본 사례의 플라스틱 후크

도전 과제

• 과도한 변형량 제어 및 감소
• 단시간 내에 실행 가능한 솔루션 찾기

솔루션

MTF STU팀은 Moldex3D변형 분석에 따라 최적의 솔루션을 찾아 금형 설계를 수정하도록 지원하였습니다.

효과

• 치수 요구사항 충족
• 금형 수정 및 재작업으로 인한 비용 낭비 방지
• 문제 해결 기간 단축

사례 연구

두께가 두꺼운 제품 제조 과정의 최대 난제는 필요한 치수의 정확도를 달성하는 것으로, 본 사례의 목표는 플라스틱 후크의 변형 문제를 해결하는 것입니다. 해당 제품의 치수 오차 허용도는 ± 1.5mm이지만, 초기 설계에서 후크 영역의 변형은 1.86mm에 달했습니다(그림 2).

그림 2. 원래 설계 및 변형이 발생하기 쉬운 위치

이러한 경우 일반적인 절차는 먼저 공정 매개변수를 최적화하는 것입니다. 하지만 공정 매개변수를 여러 차례 수정한 후에도 변형 결과는 개선되지 않았기 때문에, 제품 제조업체는 Moldex3D의 해석 기술을 통해 가능한 솔루션을 검증하기 위해 MTF STU에 도움을 요청했습니다.

이어서 Moldex3D로 다음의 연구 프로젝트가 수행되었습니다.

• 설계 변경 후의 냉각 시스템 검증.
• 가스 사출 기술 적용 검증.
• 성형 제품에 필요한 형상 및 치수 정확도를 달성하기 위한 금형 설계 변경.

이 단계에서 금형에 여러 개의 냉각 채널 및 배플을 추가하고(그림 3, 그림 4), Moldex3D를 통해 냉각 시스템의 설계 변경을 평가했으나, 제품의 변형 문제는 여전히 개선되지 않았습니다. Moldex3D냉각 분석 결과에 의하면 원래 냉각 시스템의 냉각 효과는 이미 매우 충분하므로 추가 채널을 추가할 필요가 없는 것으로 나타났습니다.

그림 3. 초기 냉각 시스템

그림 4. 배플이 추가된 냉각 시스템

일반적으로 가스 사출 기술을 사용하면 벽이 두꺼운 제품의 변형 문제를 효과적으로 개선할 수 있기 때문에, MTF STU는 이어서 가스 사출 몇 가지를 시뮬레이션하였습니다(그림 5). 그러나 시뮬레이션 결과에 따르면, 이러한 방법을 사용하면 금형 내의 가스 유동이 최적의 결과를 얻지 못하기 때문에(가스 핑거링 효과 발생) 충전과 보압, 냉각 단계가 충분히 균형을 이루지 못하는 것으로 나타납니다. 따라서 프로세스를 최적화하려면 원래 의도와는 반대로 반드시 몰드를 대폭 수정해야 합니다.

그림 5. 가스는 각각 (a) 러너 시스템, (b) 좌측 입구, (c) 우측 입구 및 (d) 후크 전단에서 주입된다.

결국 제품 제조업체는 시뮬레이션 결과에 따라 금형 캐비티의 설계 변경에 동의했지만, 제품의 외부 윤곽이 유지되고 부품 벽과 리브가 재구성되는 기존의 방식이 아니라, Moldex3D의 변형 분석 결과에 따라 역방향 변형 프로파일로 형상 설계 변경을 수행하였습니다 (그림6).

그림 6. 금형 설계 변경 과정 : 초기 금형 설계(회색), 금형 역설계(파란색).

금형 수정을 통해 후크에 필요한 치수가 달성되었는데(그림 7), 표 1은 기존 설계와 역설계한 금형의 치수 측정 결과 비교입니다.

그림7. 변형 결과 검증 : (a) 초기 설계 및 (b) 역설계된 제품

표 1. 초기와 설계 변경 간의 최대 치수 편차값 비교

결과

본 사례는 두께가 두꺼운 제품의 변형을 예측함에 따라, 역방향 변형 분석을 통해 제품 변형을 보상하여 문제를 수정하는 Moldex3D의 기능을 보여줍니다. 최종 제품은 필요한 치수 정확도 도달, 형상 편차 허용도 충족, 변형 문제 해결의 결과를 얻었습니다.