기술지원처　엔지니어 덩융신(鄧詠心)

개요

오늘날 신발산업 시장의 추세는 구조 경량화를 지향합니다. 펑자대학 연구팀은 Moldex3D의 발포 모듈(FIM)을 통해 기포를 함유한 재활용 성형 재료(SEBS 엘라스토머)의 충전 과정에서 게이트 배치 영향 및 성형 압력의 변화를 연구하고 있습니다. 시뮬레이션 및 실험을 통합하여 게이트 위치 및 두께 변화가 기포 구조 및 분포에 미치는 영향을 검증하였을 뿐 아니라, 최종 결과에서도 발포 사출 성형이 발포제를 대체하여 제품 무게를 10% 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다.

도전

• 게이트 설계가 용융 유동 및 성형 품질에 미치는 영향 연구
• 전통적 성형 과정에서 제품에 발생할 수 있는 표면 결함 해결
• 기포 구조의 성장 예측 및 재료의 사용량 절감

솔루션

본 사례의 신발 밑창 제품은 SEBS 엘라스토머를 소재로 재활용 및 재사용이 가능하여 녹색 순환 경제의 요구사항을 충족할 수 있는 동시에, 제품의 무게를 줄이고 제품 표면 수축의 결함을 극복할 수 있습니다. 다양한 게이트 설계 및 균일하지 않은 제품 두께가 유동 거동 및 발포 특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 Moldex3D를 사용해 실험 및 시뮬레이션을 수행하였습니다.

효과

• 매우 일치하는 시뮬레이션과 실험 결과를 통해 가상 및 현실의 통합 달성
• 제품 무게를 10% 줄여 제품 경량화 달성
• 녹색 순환 경제, 제품 경량화 달성 및 FIM 공정에 대한 이해

사례 연구

전통적인 신발 제조 산업에서 밑창은 일반적으로 플라스틱과 화학 발포제를 몰드에 넣어 만들기 때문에 제조 및 재료 원가가 높은 편입니다. 제품 경량화 및 녹색 경제 발전 추세에 따라 혼합 가스를 첨가하는 발포 사출 성형(FIM)을 이용하면 제품의 재료 사용량 및 무게를 동시에 줄일 수 있습니다. 펑자 연구팀의 SEBS 엘라스토머를 이용한 연구는 적합한 게이트 위치를 찾고 기포 분포를 최적화하며, 시뮬레이션과 실험 결과를 검증하는 데 목적이 있습니다. 그림 1은 6 게이트를 갖는 기성 몰드입니다. 이를 샘플로 제품의 3D 모델 및 경계층 메쉬를 생성하고, Moldex3D를 이용해 제품의 유동 거동 및 발포 특성을 관찰하였습니다.

그림 1. 신발 밑창 몰드 베이스 및 제품

분석 결과에 따르면 게이트 위치에 따라 게이트 압력, 캐비티 압력 및 기포 크기의 변화가 발생합니다(그림 2 및 그림 3에 표시). 플라스틱이 두꺼운 영역부터 주입되면 제품 두께가 유동 방향을 따라 감소하며, 게이트 압력 및 캐비티 압력은 충전 종료 시에 증가하기 때문에 캐비티의 고압이 기포의 성장을 제한하는 것으로 나타났습니다. 이에 비해 얇은 영역부터 주입되면 충전 단계 종료 시 몰드 내의 압력이 비교적 낮아서 보다 나은 발포 효과를 얻을 수 있습니다.

그림 2. 게이트 위치에 따른 게이트 유동 및 압력

그림 3. 캐비티 압력 및 해당되는 셀 크기 (a) 두꺼운 위치에서 충전, (b) 얇은 위치에서 충전

Moldex3D의 유동 패턴도 FIM 실험을 통해 입증되었으며(그림 4), 유동선단 시뮬레이션 결과는 실험 결과와 매우 일치하였습니다. 그러나 게이트의 위치가 좌, 우 양측으로 변경되면, 균일하지 않은 두께가 기포 크기 및 기포 밀도에 영향을 미칩니다. 제품 두께 및 유동의 차이가 캐비티 압력 분포를 변경시킴에 따라 기포의 성장이 제한됩니다.

결과에 따르면, 양측에서 충전하는 것이 밑창 중간에서 충전하는 것보다 더 좋고 더 균일한 발포 효과를 얻는 것으로 나타났습니다(그림 5).

그림 4. Moldex3D의 선단 흐름도(위) 및 미성형 테스트(아래)

그림 5. 게이트 위치의 영향을 받는 기포 크기 및 밀도

기포 분포의 미세 구조 역시 실험을 통해 연구할 수 있습니다(그림 6). 시뮬레이션 및 실험 결과의 비교를 통해 발포 도중 캐비티 압력 및 유동 패턴의 영향을 받는 과정을 보다 쉽게 이해할 수 있습니다. 결과에 따르면 기포는 표면보다 코어층에서 더 잘 생장하는 것으로 나타났습니다. 또한, FIM으로 제조된 신발 밑창은 무게가 기존의 사출 성형보다 10% 가벼워 제품 경량화의 목표를 달성할 수 있습니다.

그림 6. 기포 분포의 미세 구조

결과

본 연구에 따르면, 게이트 위치 및 균일하지 않은 제품의 두께가 게이트, 캐비티 압력 및 유동 거동에 영향을 미침에 따라 다양한 기포 크기 및 기포 밀도가 발생하는 것으로 나타났습니다. Moldex3D시뮬레이션과 FIM 실험 결과가 매우 일치함에 따라, 펑자 연구팀은 더 나은 발포 특성을 갖도록 게이트 위치를 최적화하였습니다. SEBS/FIM을 사용한 제조를 통해 신발 밑창 산업은 녹색 순환 경제 및 경량화 제품의 목표를 달성할 수 있게 되었습니다.