편집: 코어테크 기술지원부 엔지니어 왕징위안(王靖元)

개요

본 사례의 서랍 레일 제품은 그 주요 기능이 서랍이 원활하게 움직이는 것이기 때문에 제품의 평탄도에 대한 요구사항이 높고, 슈트의 사이즈가 반드시 정확하고 왜곡이나 변형이 발생하지 않아야 합니다. 본 사례에 사용된 내마모성 POM재료는 그 자체의 수축성이 매우 큰데, 이는 제조 공정 중 반드시 고려해야 할 중요한 요소입니다. 와이즈 실업은 Moldex3D 시뮬레이션 분석 도구를 통해 솔루션을 찾고, 제품 설계 및 시뮬레이션 설계를 최적화하기 위해 제품 성형에 영향을 미치는 핵심적 정보를 파악하였으며, 성형 불량 문제를 해결하여 상당한 몰드 제작 비용 및 시간을 절약함으로써 제품을 원활하게 양산하게 되었습니다.

문제점

• 엄격한 제품 평탄도 사양
• 제품의 변형 문제 개선
• 성형 주기 단축

솔루션

와이즈 실업은 Moldex3D 시뮬레이션을 통해 적절한 게이트 및 냉각 설계를 평가하고, 보압 분석을 통해 고르지 않은 수축이 제품의 왜곡 변형을 일으키는 주요 원인임을 파악하였습니다. 동시에, 냉각 분석을 통해, 균일하지 않은 냉각이 제품에 미치는 영향 정도를 확인하고 성형 주기 시간을 예측하였습니다. 마지막으로 엔지니어는 변형 해석을 사용해 X와 Y, Z방향의 변위량을 검사하고, 설계 변형을 통해 부품의 변형을 줄이는 최적의 설계 방안을 얻었습니다.

효과

• 몰드 수정 비용 절감
• 성형 주기 55% 단축
• X방향 변위 300% 개선

사례 연구

서랍 레일은 서랍 제품에서 가장 중요한 구성요소로, 그 주요 기능은 서랍이 원활하게 움직이는 것이기 때문에 제품 사이즈의 정확도에 대한 요구사항이 높고, 변형이 허용되지 않습니다. 정확한 부품 사이즈를 달성하기 위한 핵심적 요소는 성형 공정 중에 부품이 각 영역에서 균일하게 수축되도록 하는 것입니다.

본 사례에서 와이즈 실업은 Moldex3D Professional 솔루션을 사용해 기존 사출 성형 조건으로 초기 설계안을 시뮬레이션하였는데(그림 1), 변형 분석 결과 실제 제품 상황과 매우 유사하여 모두 심각한 변형 문제가 발생했습니다(그림 2). 이 문제의 해결을 위해서는 반드시 먼저 제품 변형의 원인을 찾아내야 했는데, Moldex3D의 분석을 통해 제품 양변의 온도 차이가 매우 커서 제품 내부의 수축률이 외부보다 크기 때문에 변형이 발생한다는 사실을 알게 되었습니다(그림 3). 또한 초기 설계는 3개 게이트 방식었지만 제품 양쪽의 유량이 낮아 역시 유동 불균형 문제가 발생했습니다.

그림 1. 기존의 사출 성형 프로세스에서 원래 설계의 시뮬레이션 결과	그림 2. 제품의 초기 설계에 발생한 심각한 변형 문제

그림 3. 기존 설계의 유동 분석 결과 취출 온도에 도달하면 두께가 두꺼운 영역에 열 축적 현상이 발생하였으며, 이 영역에서도 더 큰 부피 수축이 관찰된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 와이즈 실업은 기존의 3개 게이트 설계를 단일 게이트로 변경함으로써 유동 불균형 문제를 해결하고, 동시에 3개 게이트로 인해 발생하는 웰드 라인도 제거했습니다(그림 4). 또한 와이즈 실업은 냉각 속도를 균일하게 하기 위해, 제품 설계를 변경하여 서랍 레일 양변의 두께를 더 균일하게 조정하였습니다(그림 5).

그림 4. 기존 설계에 나타난 웰드 라인(왼쪽). 게이트 설계를 변경한 후 이 문제가 성공적으로 해결되었다(오른쪽)

그림 5. 더 균일하게 수정된 레일 양변 두께

그러나 제품 Z방향은 불균일한 수축 이외에 불균일한 냉각 문제로 인해서도 변형이 발생합니다. Z방향의 변형을 개선하려면 반드시 금형 설계, 냉각 시스템 등을 포함한 전체적 설계 변경 문제를 고려해야 하기 때문에, 와이즈 실업은 Z방향의 변형을 보정하는 방식을 채택하기로 결정하였습니다.

마지막으로 Moldex3D를 통해 최적화 실험을 수행했습니다. 기존 설계와 비교해서 설계를 최적화한 후 러너 부피가 감소되었기 때문에 제품 부피가 50% 감소했고, X방향의 변형도 300% 이상 감소했습니다. Z방향의 변형 보정 처리를 통해 변형이 거의 발생하지 않았으며(그림 5, 그림 6), 동시에 성형 주기도 55% 단축되었습니다.

그림 6. X방향 변형을 정확하게 예측할 수 있는 Moldex3D 시뮬레이션

그림 7. 수정과 검증을 거쳐 변형 문제를 해결하였고, 실제 성형 제품 역시 시뮬레이션 결과와 유사하다.

결과

와이즈 실업은 Moldex3D의 분석을 통해 제품 변형을 일으키는 요인을 명확하게 찾아내고, 설계 변경 및 제품 검증을 진행하였으며, 이를 통해 개발 시간을 단축하고 신뢰할 수 있는 품질의 제품을 제조할 수 있었습니다.