코어테크 재료과학 연구 센터 엔지니어 차이유제(蔡友傑)
실무에서 사출 성형 결과를 완전하게 재현하기 위해서는 모든 세부사항을 파악하기 쉽도록 Moldex3D를 사용해 완전한 성형 분석을 수행하는 것이 좋습니다. 그러나 모델링 및 분석에 많은 시간을 투자하기 전, 이전의 과학자들은 각종 이론을 이용해 특정 상황의 이론 값을 계산하여 표준 계산식으로 변환했습니다. 예를 들면, 특정 게이트 크기 및 외형에서 다양한 유량에 해당되는 비뉴턴 유체의 전단율을 계산하거나, 특정 두께에서 플레이트의 냉각 시간과 온도 분석 등을 계산하는 것입니다. 이에 MHC는 이들 이론 공식을 통합하고 사용자의 편리한 이론 계산을 위해 대화형 인터페이스를 구축했습니다. 두 가지 이론 수치 계산 사례를 이용해 설명하겠습니다.
그림 1 고전적 이론을 바탕으로 특정 매개변수의 이론 값을 즉시 구하기 위해 MHC를 이용한 추정기 설계.
플라스틱 부품 냉각 시간의 이론적 계산
사출 성형에서 냉각 시간은 제품 품질 및 생산성에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 성형 주기에서 냉각부터 몰드를 열고 플라스틱 부품을 꺼내는 것이 대부분의 시간을 차지하므로, 냉각 시간을 정확하게 평가할 수 있다면 생산성이 효과적으로 향상되고 시간 비용이 절감될 수 있습니다. 플라스틱은 열전도율이 낮기 때문에 플라스틱 부품의 두께는 냉각 효율에 영향을 미칩니다. 두께가 다양한 플라스틱 부품의 냉각 시간을 정확하게 평가하기 위해 과학자들은 몰드 베이스에서 플라스틱 부품의 평균 온도에서 이젝션 온도까지 냉각되는 데 필요한 시간, 특정 시간에 따른 플라스틱 부품의 온도 분포 등이 포함된 플레이트 플라스틱 부품의 냉각 거동을 완전하게 분석하였으며, 도출된 플레이트 냉각 시의 공식은 그림 2와 같습니다.
그림 2 이젝션 온도에 도달하는 플레이트의 평균 온도에 대한 이론식
MHC 설계 추정기의 ｢플라스틱 부품 냉각 시간｣ 기능을 이용해 플레이트 플라스틱 부품의 이론적 냉각 시간을 편리하게 계산할 수 있습니다. 사용자는 재료 데이터베이스에서 재료의 열적 특성 및 가공 조건을 포함하는 재료 매개변수를 직접 가져올 수 있고, 필요에 따라 계산하는 플라스틱 부품의 두께 범위를 조정할 수 있습니다. 추정기는 다양한 두께에서 이젝션 온도까지 냉각되는 시간을 계산하고, 해당 시점의 중심 위치로부터 온도 분포 곡선을 그립니다.
그림 3 재료 데이터베이스의 데이터를 직접 가져올 수 있는 MHC 설계 추정기의 ｢플라스틱 부품 냉각 시간｣
그림 4 (1) 두께가 다양한 플라스틱 부품의 냉각 시간 평가 및 (2) 냉각 시간에 도달하는 온도 분포를 그릴 수 있는 MHC 설계 추정기
게이트 전단율 이론적 계산
플라스틱은 충전 과정에서 전단열이 발생하며, 전단율이 너무 높으면 플라스틱 온도가 비정상적으로 높아지고 균열 또는 황변 현상까지 발생할 수 있습니다. 게이트의 단면은 일반적으로 전체 부품의 가장 작은 영역이므로 종종 가장 큰 전단율이 발생합니다. 따라서 게이트 크기 최적화에 있어서 중요한 고려 사항 중의 하나는 바로 게이트 최대 전단율입니다. 게이트 크기를 선택할 때 게이트가 너무 크면 냉각 시간이 증가되어 생산성에 영향을 미치고, 게이트가 너무 작으면 보압 효과가 감소되고, 플라스틱이 게이트를 통과할 때 전단율이 너무 커지기 쉽습니다. 따라서 게이트 크기를 설계할 때는 최대 전단율의 평가가 매우 중요합니다. MHC 설계 추정기의 ｢게이트 전단율｣ 기능을 이용하면 사용자는 게이트 크기를 조정하고 공식을 사용하여 다양한 유량에서 표준 슬릿 게이트 유형 게이트와 라운드 게이트 전단율 수치를 계산할 수 있습니다. 라운드 게이트의 계산식은 그림 5와 같습니다.
그림 5 라운드 게이트와 슬릿 게이트의 전단율에 대한 이론식
그림 6 다양한 유량 및 게이트 외형/크기에 따른 전단율 계산 결과
결론
설계 추정기를 통해 모델링하여 완전한 시뮬레이션 분석을 수행하기 전에 사용자는 먼저 고전적 이론을 통해 게이트 크기, 냉각 시간 등 문제의 이론 값을 사전 평가할 수 있습니다. MHC는 다양한 고전적 이론식을 바탕으로 계산된 결과를 시각화 방식으로 표현합니다. 또한, 간단한 입력 인터페이스를 통해 사용자는 이론적 근거를 깊이 이해할 필요 없이 이론 값을 빠르게 계산하여 CAE 시뮬레이션 수행 전에 각 성형 매개변수에 대한 사전 평가를 편리하게 완료할 수 있습니다.