가상 물리 시스템(Cyber-Physical System, CPS)은 인더스트리 4.0 시스템 핵심 기술의 하나로서, 사출 성형 영역, 즉 성형 시뮬레이션과 실제 사출 기계의 가상 물리 시스템에 활용할 수 있다. 그러나 기계 가공, 재료, 컨트롤러 성능 등 관련 요인의 제한으로 인해 이론은 기계의 실제 상황과 항상 일부 차이가 발생하기 때문에, 가상과 실제 사이의 차이를 줄여서 가상 물리 시스템의 효과를 효율적으로 보여주는 방법은 중요한 과제이다.

일반적으로 사출기의 속도와 압력 응답에서 전자식 사출기의 속도 응답이 비교적 빠르고 유압식 사출기의 속도 응답이 비교적 느리며 (그림 1), 기계는 충전 속도와 보압 압력의 설정값만큼 충전 속도와 보압 압력을 갖는다. 그러나 실제적으로 사출기에서 컨트롤러의 제어 모드 및 성능 등의 문제로 인해 응답 결과는 이론과 약간의 차이가 나타난다. 그림 2는 특정 브랜드 전자식 사출기의 속도와 응답 결과인데, 설정 속도는 90mm/sec이다. 그림을 통해 알 수 있듯, 사출 속도에서 즉시 시작되지 않고 저항 극복으로 인한 지연 시간 후에야 점차 설정된 속도에 도달한다. 실제 사출 속도가 대략 설정 속도의 95%에 도달하면, 사출 속도가 설정 속도 값에 도달할 때까지 기계의 응답 속도가 감소하기 시작한다. 이러한 속도 응답 규칙은 수동 방식으로 설정하기가 매우 어렵다.

그림 1　전자식 사출기와 유압식 사출기의 응답 차이

그림 2　특정 전자식 사출기의 속도 응답 변화

그림 3은 동일한 사출 속도(120mm/sec) 설정 및 (설정에 대한 다양한 속도 응답 설정으로) 다르게 수정한 속도 응답으로 발생한 영향을 비교한 것이다. 그림에서 알 수 있듯, 설정 응답 시간이 더 빠를수록 속도 설정값에 더 빨리 도달하고, 설정 응답 시간이 느릴수록 속도 설정값 도달이 더 오래 걸린다. 또한 사출 압력 결과를 통해서도 알 수 있듯, 비록 동일한 속도 설정값을 설정했더라도 속도 응답 값이 다르기 때문에, 사출 압력 값도 달라져서 VP 전환 위치에 도달하는 시간도 달라진다.

그림 3　시간과 압력에 대한 다른 속도 응답의 영향

실제 기계의 응답 영향을 파악하기 위해, Moldex3D는 사용자가 실제 기계 상황을 시뮬레이션할 수 있는 솔루션을 제공한다. Moldex3D는 실험 방식을 사용해 기계 응답 데이터를 수집하고, 그 기계 응답 실험 절차는 그림 4와 같이 사용자가 공장에서 사용하는 사출 성형기 종류, 몰드와 재료를 선택해 다양한 속도 및 압력 설정의 실험 결과를 수집한 후 제어 이론을 통해 사출기의 응답 매개변수를 식별하고, 나아가 Moldex3D 분석에 적용할 수 있다. 기계 매개변수 식별이 완료되면, 사용자는 기계 매개변수 파일을 Moldex3D 프로세스 마법사의 기계 데이터베이스 내에 저장한 후 (그림 5), 프로세스 마법사의 기계 페이지에서 식별된 기계를 선택하고 설정 모드를 변경할 필요가 없다. Moldex3D Solver가 분석을 진행할 때는 자동으로 실제 기계 응답에 따라 분석 시의 설정 조건을 결정하므로, 분석 결과가 실제의 상황에 보다 더 일치할 수 있다 (그림 6).

그림 4　기계 응답 실험 절차

그림 5　기계 매개변수를 기계 데이터베이스에 입력

그림 6　기계 매개변수 식별 후의 속도 변화

사출성형 해석 소프트웨어에 실제 기계 응답을 고려해 대입하면, 실제 기계 및 완제품 품질과 일치하는 결과를 정확하게 예측할 수 있고, 시뮬레이션과 제조 사이의 일치성을 향상시킬 수 있어서, 현장 작업자는 Moldex3D의 성형 조건 최적화 결과를 직접 응용해 가상 물리 시스템의 목표를 달성할 수 있다.