- 고객: Faurecia Interior Systems India Pvt. Ltd., Pune
- 국가: 인도
- 산업: 자동차
- 솔루션: Moldex3D eDesign
Faurecia는 시트 프레임과 시트 미케니즘, 배출제어기술품 및 자동차 내장재에서 세게 1위의 공급사이다. 이 그룹은 또한 풀 시트시스템에서 세계 3위의 공급사이기도 하며, 자동차 외장재 분야에서는 유럽에서 선도자로 이름을 날리고 있다. Faurecia는 Pune에 R&D센터와 2개의 생산공장을 보유하고 있다.
(출처: www.faurecia.com )
수행 요약
본 사례는 중요한 자동차 내장 부품인 중앙콘솔박스(fascia)를 다룬다. 눈에 띄는 부품이므로 고수준의 미적 품질과 호감이 요구된다. 싱크마트, 웰드라인 및 플로마크 등 가시적 결함은 부품의 비가시적 영역으로 이동되어야 하며 가능한 최소화해야 한다. 또한, 부품의 변형은 부품조립을 보장하기 위해 틈새와 플러시 공차 내의 치수정밀도를 확보하기 위하여 최소로 감소되어야 한다. 그러나, 이전에 축적된 성형지식과 경험을 근거 만으로는 변형을 완전히 제어하거나 결함을 제거하기란 매우 어려운 도전이다. 그래서, Faurecia는 Moldex3D 시뮬레이션 해법의 도움을 받아 부품과 금형 설계의 최적화에 대해 신뢰성있는 결정을 하고자 하였다. Moldex3D의 상세한 해석을 통해, 성형 양상의 전체적 스펙트럼을 즉 충진, 보압, 냉각 및 변형에 대한 상세한 해석결과를 관찰할 수 있었으며, 주요한 제품결함과 제조난점을 해결할 수 있는 가능한 해결안임을 확인하였다. 궁극적으로, Faurecia는 자신의 목표를 성취할 수 있었고 프로젝트를 성공적으로 마무리할 수 있었다.
그림 1. 본 사례는 주요한 자동차 내장부품인 중앙콘솔박스(fascia)의 경우이다.
도전과제
- 부품의 가시영역 상에서 싱크마크, 웰드라인 및 플로마크 등 외관결함을 회피할 것
- 부품조립에 위하여 틈새와 플러시 공차내로 변형을 감소시킬 것
- 과도보압과 미충진을 방지하기 위하여 적절한 온도와 압력으로 제어할 것
해결안
본 프로젝트의 목표는 앞으로 닥칠 난관과 도전을 금형시작 단계에서 접하지 않고 설계개발 단계에서 미리 극복하는데 있었다. 본 과제의 경우, 전체적인 충진, 보압, 냉각 및 변형을 아우르는 전반적인Moldex3D eDesign해석을 하여 상세한 고찰과 설계 최적화에 활용토록 하였다.
장점
- 눈에 띄는 부위에서 웰드라인을 성공적으로 회피함.
- 부품 조립용 허용공차내로 틈새와 플러시를 잘 유지하여 부품변위를 현격히 감소시킴.
- 툴 튜닝비용을 68%까지 상당히 감소시킴.
- 전통적으로 고폐기율이었던 것을 예상 못할 정도로 무시한만한 수치까지 성공적으로 감소시킴.
연구 사례
본 사례에서, Faurcia 는Moldex3D eDesign 풀패키지를 사용하여 원설계로 실제 성형 시 발생할 것에 대해 상세한 통찰력을 얻을 수 있었다. Moldex3D 해석결과를 통해, Faureci는 원설계로 웰드라인이 부품의 가시영역에 발생하였고 변형이 과도하여 부품정밀도에 위해 하였으며 후 부품조립 시 실패의 원인이 될 것임을 간파할 수 있었다. 또한, 과격한 압력과 온도하강으로 과도보압이 게이트주위에서 관찰되었고, 미충진이 얇은 리브영역에서 발견되었다. 상기 언급된 문제를 해결하고 미적외관과 호감도를 갖는 세련된 부품을 산출하기 위하여, Faurecia는 문제를 해결하고자 부품두께의 변화에 따라 다른 유동시스템 설계를 제안하였다.
그림 2. 원래의 유동시스템 설계: 한 개의 핫드롭과 한 개의 역 서브게이트.
그림 3. Moldex3D 충진해석에 의거, 웰드라인이 원설계 부품의 가시영역에서 관찰됨.
무엇보다도, 본 프로젝트의 주요 목표가 웰드라인, 싱크마크, 플로마트 등 모든 형태의 가시적 결함을 회피하거나 최소화하는 것에 있음을 염두에 두고, Faurecia 는 필렛에서의 두께감소를 제안하여(그림 4) 모서리 효과와 Y 및 Z방향에서의 상당한 변형을 회피하도록 하였다. 부품두께의 변화와 함께, Faurecia는 충진시스템 설계를 개선하였다. 캐비티 내 압력과 온도 강하를 보다 잘 제어하기 위하여 Faurecia는 단 한 개의 노즐만으로 사출하는 것 대신에 한 개의 핫노즐을 추가한 다음, 유동을 보다 균일하게 하기 위하여 서브머린 게이트로 콜드러너에 하나 이상의 가지를 추가하였다. 사출리브 또한 서브머린 게이트가 제자리를 잡도록 부품내에 추가되었다(그림 5). Moldex3D의 해석결과의 도움으로, 개선된 설계가 가시적 결함을 개선하는 데 보다 효과적이었고 긍정적인 결과를 보여주었음이 증명되었다.
그림 4. 폐곡선으로 표시한 영역은 개선된 설계에서 부품두께의 변경을 나타냄.
그림 5. 콜드러너에 하나 이상의 핫노즐과 하나 이상의 가지가 개선된 충진시스템 설계에 추가됨.
다음의 Moldex3D 해석결과는 개선된 설계에서 웰드라인의 위치가 상당히 개선되었음을 나타낸다. 웰드라인이 성공적으로 모서리부로 이동되었고, 부품의 가시 영역에는 거의 보이지 않게 되었다(그림6).
그림 6.두개의 웰드라인이 모서리로 이동되었으며, 한 개의 웰드라인(우측상단)
이 보이긴 하지만 조립 시 다른 부품에 의해 가려지게 될 것임.
다음으로, Faurecia는 시뮬레이션 결과와 실 사출시작결과 사이의 관계를 고찰하였다. 시뮬레이션의 정확도를 관찰하고 자신의 제안이 제대로 효과가 있는 지를 확인코자 수행하였다. Moldex3D의 충진과 충진 결함예측은 실 사출시작 결과와 완벽히 일치하였다(그림 7과 8).
그림 7. Moldex3D 충진 예측이 실 사출시작과 완전히 일치함.
그림 8. 실 사출시작(좌)에서 발생된 웰드라인과 유동교란으로 표면 상에 다소의 광택변화가 관찰됨(우).
실 사출시작에 따라, Moldex3D의 변형예측은 매우 신뢰할만한 것으로 증명되었다. 개선된 설계로, Y 및 Z 방행에서의 부품처짐이 상당히 감소되었다. 그리하여, 변형이 성공적인 콘솔조립을 보장하기에 충분토록 틈새와 플러시 공차내로 상당히 감소하였다.
그림9. 완전한 콘솔조립상태에서 페인트된 부품위에 틈새와 플러시를 3차원 측정(CMM) 검사함.
그림 10. 시뮬레이션과 실 3차원 측정사이의 변형비교로 실제와 매우 유사함이 증명됨.
결론
Moldex3D의 정확한 시뮬레이션 결과를 통해, Faurecia는 시뮬레이션 데이터를 사용하여 충진과 보압 프로파일을 최적화하고 부품의 가시 영역 내 웰드라인의 발생을 성공적으로 회피하였다. 성공적인 콘솔조립을 충분히 보장할만큼 틈새와 플러시을 획득하여 Y 및 Z 방향에서 상당히 감소되었다.
또한, Moldex3D의 시뮬레이션 결과를 통한 개선을 설계와 개발 단계에 반영하여, 툴 튜닝비용을 – 통상 최소한 전체 툴비용의 4%에 상당하지만 – 68% 까지 현격히 절감시킬 수 있었다. 더구나, 일반적으로 유사한 형태의 구성품의 폐기율이 엄격한 사양요구로 매우 높은 편이었는데, 본 부품의 경우 전례없이 무시할만한 수치로 상당히 감소하였다. Faurecia는 각각의 설계변경을 Moldex3D 해석으로 검증을 하였고, 그 결과로 제품 개발과 최적화 단계에서 믿을 만한 결정을 도출할 수 있었다. 다시말해, 부품과 충진시스템 설계를 최적화하여, 이렇게 놀라운 결과를 성취할 수 있었다. 툴수명을 연장시키고, 부품폐기를 감소시켰으며, 성공적으로 프로젝트를 완수하였다.