코어테크 연구개발부 디렉터 Ethan
사출 성형 제품의 변형 예측은 초기 설계 단계나 또는 금형 검증 테스트, 설계 변형 단계를 막론하고 제품 설계 주기에서 제품 설계자가 가장 관심을 기울이는 문제의 하나입니다. 그러나 유독 변형 검증은 재료 특성, 제품 형상, 몰드 설계, 가공 조건 등 다양한 요소가 반영된 최종 결과입니다. 따라서 사출 성형 CAE 도구의 변형 예측 품질을 보장하기 위해서는 Solver 자체의 이론적 프레임워크 및 계산 정확도뿐 아니라 신뢰할 수 있는 수지 데이터베이스 및 사출기의 실제 성형 데이터를 통해 매개변수를 보정해야 합니다. 다음은 시뮬레이션 소프트웨어가 변형 예측에 필요한 기초 엔지니어링을 어떻게 보장하는 지에 대한 설명입니다.
Molding 센터에 대한 투자를 지속적으로 확대하여 실제 성형 데이터 확보
코어테크 Molding센터에는 Arburg 사출기 1대 및 고정밀 플레이트 금형이 갖추어져 있습니다. 이 금형에는 9개의 압력 센서와 9개의 온도 센서가 장착되어 있고, 사출기의 노즐을 개조하여 그림 1과 같이 노즐 위치에 압력 센서 및 온도 센서가 추가되어 있습니다.
표준 검증 프로세스의 비교 항목은 다음과 같습니다.
- 노즐 센서에서 얻어진 압력 그래프와 해석을 통해 얻어진 압력 그래프를 통해 경향과 수치 차이 비교
- 금형 내 압력 센서 결과와 해석에서 예측한 금형 내 압력 및 온도 변화 그래프 비교.
- screw 위치와 충전 위치의 상관관계 비교. 실물과 해석의 비교.
- 제품 중량 비교.
- 제품 흐름 방향 및 직교 방향의 수축 값 비교.
그림 1. Moldex3D Molding 센터
이 과정에서 고분자 재료의 해석 결과와 실제 Data의 차이를 확인하는 데 사용될 수 있고, 이러한 데이터는 시뮬레이션 해석 소프트웨어에 매개변수의 미세 조정 및 최적화를 위해 제공될 수도 있으므로 후의 변형 해석에 큰 도움이 될 수 있습니다.
신뢰할 수 있는 수지 데이터베이스
우리는 성형 과정에서 제품 형상, 금형 설계, 가공 조건 등과 같이 변형에 영향을 미치는 요인이 매우 많지만, 가장 중요한 것은 수지 파일의 parameter라는 점을 알고 있습니다. parameter에는 유변학적 특성, 열적 특성, 점탄성 특성, 기계적 특성이 포함되고, 결정화 재료의 경우에는 결정화 이론 모델 및 매개변수를 추가적으로 고려해야 합니다. 변형은 최종적인 결과입니다. 현재 8,000개 이상의 재료를 보유하고 있는 Moldex3D 수지 데이터베이스의 경우, 이 8,000개 이상 재료의 예측 품질을 어떻게 보장할까요? Moldex3D 재료 연구부는 Studio API를 이용해 각 재료의 품질을 평가하는 자동화 테스트 프로그램을 구축하였습니다. 그림 2를 예로 들면, 이것은 가상의 테스트 치수를 나타내는 표준 플레이트입니다. 그림 2 아래 그림의 가로축은 수지 데이터베이스 중 PP의 재료 공급업체이고, 세로축은 시뮬레이션 해석 후 표준 플레이트 해석의 수축률 데이터입니다. PP 재료의 경우, 일반적인 수지 공급업체가 제공하는 data sheet에 따르면 수지의 금형 수축 보상 범위는 1.2%~1.7%입니다. 수지 데이터베이스의 모든 PP 데이터의 자동 스캔을 비교하면, 현재 95% 이상의 재료가 모두 수지 공급업체가 예상하는 수축 범위 내에 있고, 소수의 재료만이 이상치를 나타냄을 알 수 있습니다. 이는 Moldex3D가 수지 데이터베이스의 품질을 확인하는 데 도움이 될 뿐 아니라 Moldex3D 수지 데이터베이스에 대한 사용자의 신뢰성을 향상시킵니다.
그림 2. 소형 플레이트 테스트 자동화
해석과 실물 데이터의 비교 – 제품 중량
한편, 시뮬레이션 소프트웨어를 사용해 실물 데이터와의 비교에서, Moldex3D Molding 센터는 제품의 형상, 중량 및 수축률을 기록합니다. 그림 3은 실제 제품의 형상이고, 플레이트 부분의 치수는 300 mm x 100 mm x 3 mm입니다. 먼저 사출 성형 산업에서 가장 많이 사용되는 PP 재료를 비교 대상으로 사용합니다. 실제 중량 및 시뮬레이션 중량 비교 결과 데이터는 그림 4에 정리된 바와 같습니다. 가로축은 실제 제품 중량 데이터이고, 세로축은 해석 중량 데이터입니다. 해석 데이터 포인트는 파란색 점으로 표시되고, 회색 선은 실물 데이터를 나타냅니다. 파란색 점이 회색 선에 매우 근접함을 알 수 있습니다. 평균 오차는 약 1%입니다.
그림 3. 실제 제품 사진
그림 4. 중량 비교표
위의 설명에서 코어테크는 수지 데이터베이스의 정확도와 해석과 실물간 비교 정확도에 주목합니다. 따라서 우리는 Molding 센터에 지속적으로 투자하고, 더 많은 기하학적 특징을 갖는 금형을 개발하여 해석과 실물 비교를 위한 더 많은 항목을 제공할 것입니다. 수지 데이터베이스는 CAE 시뮬레이션을 위한 가장 중요한 기반입니다. 우리는 수지 데이터베이스 품질을 지속적으로 보장하여 사용자에게 신뢰할 수 있는 매개변수 및 데이터를 제공할 것입니다. 또한 소프트웨어 출시 전에 수지 데이터베이스와 소프트웨어 Solver가 높은 정확도의 변형 수축 예측을 제공할 수 있도록 표준 플레이트에 대한 테스트 프로세스를 확립할 것입니다. 해석 사용자가 금형 수정 횟수 및 개발 비용을 확실하게 효과적으로 절감할 수 있을 것으로 기대됩니다.