코어테크 기술지원처 엔지니어 허쯔민(賀資閔)

개요

본 연구는 Moldex3D를 활용하여 대형 수납 바스켓의 설계를 최적화하였으며, 제품 두께를 줄이고 파라미터를 조정하여 변형(翹曲)과 체적 수축률을 개선하였습니다. 최적화 후 리브 두께를 3mm에서 2.5mm로 줄여 변형을 20%, 체적 수축률을 7% 감소시키면서 35kg의 하중 지지 능력을 유지하여 최적 설계 목표를 성공적으로 달성하였습니다.

도전 과제

• 체적 수축률과 변형을 줄이며 얇은 리브 구조를 설계한다.
• 기존 제품과 동일한 하중 지지 능력을 유지하면서 사출 성형 시간과 비용을 절감한다.

솔루션

포모사 국립대학교 팀은 Moldex3D Expert Simulation을 활용하여 최적 솔루션을 결정하고, Abaqus의 유한 요소 분석(FEA)을 통합하여 제품의 하중 지지 능력을 해석하였습니다. 최종 검증은 실제 사출 성형 생산 결과를 통해 이루어졌습니다.

효과

• 제품 품질 개선: 변형 및 체적 수축률 감소
• 하중 지지 사양 충족
• 생산 비용 및 시간 절감

사례 연구

본 연구는 리브 두께를 기존 설계 3mm에서 최적화 설계 2.5mm로 줄이는 것부터 시작하였습니다(그림 1 참조). Abaqus 구조 해석을 사용하여 내부에 35kg의 분포 하중을 적용하였습니다. 기존 설계의 응력은 22.7 MPa, 최적화 설계는 36.3 MPa로, 둘 다 소재의 항복 강도 이하로 안전성을 확인하였습니다. 이로 인해 부품 체적이 22.75% 감소하였습니다. 그림 2는 3mm와 2.5mm 리브 두께에 대한 Abaqus 응력 결과를 보여줍니다.

그림 1. 대형 수납 바스켓의 리브 두께 – 기존 설계: 3mm, 최적화 설계: 2.5mm

그림 2. 대형 수납 바스켓의 Abaqus 응력 결과: (a) 리브 두께 3mm, (b) 리브 두께 2.5mm

변형을 더 줄이고 최적의 공정 조건을 수립하기 위해 NFU 팀은 Moldex3D Expert Simulation을 활용하여 변형와 체적 수축률을 품질 타겟으로 설정하고 두 값 모두 최소화하는 것을 목표로 하였습니다. 주요 파라미터로는 수지 온도(A), 금형 온도(B), 사출 제한압(C), 보압 제한압(D), 냉각 시간(E), 보압 시간(F)를 선택하였습니다.  2.5mm 리브 두께 설계에 대해 L18 다구치 방법을 사용하여 분석하였습니다.

표 1: 실험 설계(DOE) 다구치 방법

해석 결과, 수지 온도, 보압 제한압, 사출 제한압, 냉각 시간, 금형 온도 순으로 제어 요인이 확인되었습니다. 최적 파라미터는 표 2에 표시되어 있습니다.

표 2. 최적화된 성형 파라미터

이러한 최적화 파라미터를 적용한 결과, 변형량은 8.063mm에서 6.29mm로 28.1% 감소하였습니다. 체적 수축률 최댓값은 10.557%에서 9.436%로 11.8% 감소하였습니다.

그림 3. 리브 두께 2.5mm의 대형 수납 바스켓 설계: (a) 기존 조건의 변형량, (b) 최적화 조건의 변형량, (c) 기존 조건의 체적 수축률, (d) 최적화 조건의 체적 수축률

본 연구는 실제 사출 성형 결과를 사용하여 시뮬레이션의 정확성을 검증하였습니다. 그림 4에 표시된 5개의 대각선 빨간 점에서 변형량을 줄자로 측정하였으며, 4번의 데이터를 측정하였습니다. (표 3 참조).

그림 4. 실제 사출 성형 부품의 변형량 측정

시뮬레이션은 변형을 6.29mm로 예측하였습니다. 바스켓의 설계 폭 535mm를 고려할 때, 사출 후 예측 치수는 528.71mm였습니다. 표 3의 실험 데이터 평균 측정값은 529.4mm로, 설계 범위 528.71mm~535mm 내에 속하여 본 연구 시뮬레이션의 높은 정확도를 확인하였습니다.

표 3: 실제 사출 성형 제품의 변형량 측정 (단위: mm）

결과

본 연구는 Moldex3D 시뮬레이션 소프트웨어를 활용하여 대형 수납 바스켓을 성공적으로 최적화하였으며, 리브 두께를 3mm에서 2.5mm로 줄여 두께 감소와 파라미터 최적화를 달성하였습니다. 최적화된 제품은 35kg 하중을 견디며, 체적을 22.75%, 변형을 28.1%, 체적 수축률을 11.8% 감소시켰습니다. Abaqus 유한 요소 해석과 실제 사출 성형 실험을 통합하여 검증된 결과는 목표치를 충족하였으며, 경량성과 구조적 강도를 균형 있게 설계하는 데 강력한 증거와 신뢰성을 제공하였습니다.