개요

복잡한 3D플라스틱 제품의 제조는 일반적으로 시뮬레이션 기술을 사용해 몰드 설계를 최적화하지만, 사출 성형 중 미세 형상의 유동 행위를 정확하게 파악하는 것은 매우 어렵다. 본 프로젝트에서는 미세 유체 유세포 분석기 칩 속의 핵심인 전형적 미세 형상을 통해 미세 형상 유동 행위를 시뮬레이션하는 실행 가능 방법을 연구하는 동시에 열전도 계수, 배기, 벽면 미끄러짐, 응고 온도 등 요인의 영향을 연구하였다. 연구 결과 미세 형상의 충전 부족(미충전) 현상을 성공적으로 예측하고, 두 가지 미세 유체 몰드 도구 인서트 구성을 통해 매개변수를 검증할 수 있음을 알게 되었다. 본 프로젝트는 중요한 시뮬레이션 사례로서, 고분자 마이크로 계측기 제조 중의 미세 형상 사출 성형 및 미세 형상을 갖는 몰드 도구 인서트의 연구에 대해 매우 큰 도움이 되었다.

도전

• 미세 형상 캐비티 속 고분자 용융물의 유동 행위를 파악하기가 어렵다.
• 몰드 도구 제조 전에 미세 형상의 결함을 사전 설정하거나 일반적인 매개변수로 시뮬레이션 예측하기가 어렵다.

솔루션

Moldex3D Designer BLM을 이용해 특정한 메쉬 노드 시딩을 수정한다. 분석 과정 중 실제 기기 응답과 물리적 현상(열전도 계수, 배기, 벽면 미끄러짐 및 응고 온도 포함) 등의 실제 프로세스 조건을 결합시켜 미세 형상의 유동 문제를 예측할 수 있다.

효과

• 미세 형상의 불완전 충전을 성공적으로 예측한다.
• 제조 전에 대체 설계 방안을 평가하여 시간과 비용을 절약한다.

사례 연구

복잡한 기하학 형상과 높은 정밀도를 가진 초소형 폴리머 제품은 일반적으로 미세 구조 사출 성형 기술을 사용해 미세 유체 채널, 마이크로 광학 및 기능성 표면 등의 제품을 대량 생산한다. 더블린 대학팀은 사출 성형 분석 기술을 사용해 밀리리터(mm) 및 센티미터(cm) 보다 큰 복잡한 3D제품의 몰드 설계와 제조를 최적화하였으나, 동일한 시뮬레이션 방식은 더 작은 미세 형상의 성형 시뮬레이션 진행 시에는(예: 고분자 마이크로 계측기 등) 정확도가 떨어진다.

따라서 본 프로젝트는 미세 유체 유세포 분석기 칩 속의 핵심인 전형적 미세 형상을 통해, 미세 형상 유동 행위의 실행 가능한 시뮬레이션을 연구한다.

제 1 사례의 시뮬레이션과 실험 결과 비교에서, 소프트웨어 기본값을 사용해 시뮬레이션을 진행하는 경우, 실제 성형에서의 핵심적 결함을 예측할 수 없다 (그림 1).

그림 2　(a) 원래 설계의 사출 단계 후 상황
(b) 설계 변경된 보압, 냉각 단계 및 성형 주기 완료 후의 상황
(c) 성형 종료 후의 실험 결과

제 2 사례에서, 시뮬레이션과 실험 결과의 차이, 특히 칩 속의 미세 구조로 알려진 제품 표면 기둥 구조인 주상체의 유동 행위를 검토해야 한다. 그림 3에서 보듯이, 시뮬레이션된 충전 거동 (a)와 (c)는 실험 결과 (b) 및 (d)와 큰 차이가 있다.

그림 2　(a) 원래 설계의 사출 단계 후 상황
(b) 설계 변경된 보압, 냉각 단계 및 성형 주기 완료 후의 상황
(c) 성형 종료 후의 실험 결과

제 2 사례에서, 시뮬레이션과 실험 결과의 차이, 특히 칩 속의 미세 구조로 알려진 제품 표면 기둥 구조인 주상체의 유동 행위를 검토해야 한다. 그림 3에서 보듯이, 시뮬레이션된 충전 거동 (a)와 (c)는 실험 결과 (b) 및 (d)와 큰 차이가 있다.

그림 3　기본 설계의 시뮬레이션과 실험 결과 비교

이어서 제 2 사례에서는 제어 변수의 최적화를 진행하여 미성형 현상의 시뮬레이션 결과가 실험과 일치하는 것을 관찰할 수 있었다 (그림 4).

그림 4　설계 최적화 후의 시뮬레이션과 실험 결과 비교

결과

Moldex3D의 분석을 통해 더블린 대학 연구팀은 미세 유출 채널 칩 속의 미세 형상의 충전 행위와 매개변수 계산 사이의 상관 관계를 살피고, 미세 구조의 충전 불완전 행위를 재현할 수 있었다. 이를 통해 미세 형상 충전의 실제 문제를 예측하고, 즉각적으로 조정할 수 있었다. 만약 그렇지 않고 실제 몰드 제조 후에 문제가 발견된다면 더 많은 보완 비용이 발생할 것이다.