개요

대형 트레일러 카 마운트의 앞 커버는 조립측면과 외관측면에서 반드시 제품 변형 문제를 해결해야 한다. 오리지널 설계에서 최대 변형량은 표준 규격인 0.3mm이내 범위를 훨씬 초과한 2.3mm에 달했다(그림1). TomTom은 Moldex3D해석 소프트웨어를 통해 여러 설계안으로 휨 변형 현상을 해석하여 성공적으로 최적화된 설계 방안을 도출하여 제품 치수 요구사항을 충족하였다.

문제점

• 금형시작 결과 심각한 제품 변형 발견
• 제품 이음매가 허용 한계 범위 초과 (0.33mm보다 미만)

그림1. 제품 변형으로 이음매가 표준규격을 초과해 2.3mm에 달함

해결안

TomTom은 Moldex3D eDesign과 섬유 배향성 모듈을 통해 휨 변형 문제를 진단하고, 여러 설계 변경의 온도 및 압력 강하, 기계 성질을 시뮬레이션하여 제품 설계를 최적화하고 변형문제를 개선하였다.

이점

• 제품 이음매 대폭 축소, 기존3mm에서 0.25mm로 축소
• 금형시작 횟수 3차례 감소
• 수율이55%에서 92%로 상승
• USD$20,000의 원가 절감, 연구개발 시간 6주 단축

연구 사례

본 사례의 제품은 대형 트레일러의 카 마운트로, 주요 기능은 내비게이션을 지지하는 것이다. 심각한 휨 문제를 해결하기 위해 TomTom은 Moldex3D eDesign을 통해 오리지널 설계의 성형조건으로 해석한 결과, 오리지널 설계에서 제품 조립 접합부위에 표준 규격(0.3mm보다 작아야 함)을 초과한 2.3mm의 틈이 생기는 것을 알아내었다. Moldex3D 해석 결과(그림2) 제품 가장자리에 심각한 휨 현상이 발생했음을 알 수 있다. 그림2의 점선 부분은 변형 모습을 나타낸 것이다. 이 현상으로 조립에 문제가 발생하거나 결함이 발생할 수 있으며, 제품 기능에도 직접적인 영향을 줄 수가 있다.

또한, Moldex3D 시뮬레이션 해석(그림3)에 따르면, 오리지널 설계에 심각한 압력강하가 발생했고, 이는 제품변형을 야기시킨 주요 원인이 된다. 또 다른 원인은 균일하지 않은 열 분포이다. 따라서 두 요소를 설계 변경의 주요 고려사항으로 하면 제품의 미관과 품질을 모두 보장할 수 있다.

그림2. 오리지널 설계의 CAD모델(좌)과 금형설계 해석 결과(우)

그림3. 오리지널 설계의 게이트 압력(좌)과 제품 중앙 영역 열집중(우) 시뮬레이션 결과

TomTom은 제품의 열집중, 구조 강도, 압력 강하, 세 요소를 모두 고려하여 총 여섯 종류의 설계 변경을 진행하였다. 자세한 내용은 표1과 같다.

표1. 여섯 종류의 설계 변경

표2는 오리지널 설계와 상술한 여섯 종류 설계변경의 압력강화와 휨 현상의 시뮬레이션 결과를 비교한 것이다. 결과에 따르면 설계 변경C, D, E, F의 휨 현상 감소에 대한 효과가 두드러졌다. 따라서 TomTom은 이 4개의 설계 변경을 종합하여 최적화 설계를 이뤄내었다. 그림4는 최적화 설계와 제품CAD 모델 비교이다. 이를 통해 최적화 설계의 압력이 이미 최소치(31.25MPa)에 도달하였으며 형상 오프셋 역시 가장 작은 것을 알 수 있다.

표2. 오리지널 설계 및 여섯 종류 설계 변경의 압력강화와 휨 현상 시뮬레이션 결과

그림4. 최적화 설계의 측면 곡선 오프셋 상황

위와같이 수정하여, TomTom은 Moldex3D eDesign으로 오리지널 설계와 최적화 설계의 휨 현상을 시뮬레이션 하였다. 해석 결과 최적화 설계의 이음매가 허용가능 범위로 축소되었고, 휨 문제도 크게 개선되었다. TomTom은 실제 금형시작을 통해 검증을 진행하였고 금형시작트 결과와 Moldex3D 해석결과의 높이가 서로 부합함을 발견하였다. 금형시작 결과(그림5)에 따르면 오리지널 설계의 이음매 간격은 2.3mm이며 최적화 설계의 이음매 간격은 0.25mm에 불과해 크게 개선되었음을 알 수 있다.

그림5. 오리지널 설계와 최적화 설계의 몰드 테스트 결과

결과

Moldex3D 해석을 통해 TomTom은 실제 생산 전, 휨 현상을 야기시키는 각 인자와 그 기여도를 명확히 알 수 있었다. 그 중 유효한 인자를 통합하여 해석을 진행해 최적의 휨 변형 개선율을 얻었으며, 실제 설계변경 금형 수정을 진행하여 제품의 휨 현상을 개선시킴으로써 성형 지그를 다시 사용할 필요 없이 수율을 92%까지 올렸다.