사출 성형의 또 다른 해법, 3D 시뮬레이션 기술

초정밀 사출 성형에서의 정확성 높은 시뮬레이션 기술
사출 성형 산업의 변화에 따라 기업들은 초정밀 사출 성형의 완벽한 기술을 구현해내기 위해서 금형 디자인 및 공정 제어, 그리고 재료 성질들을 완벽하게 이해해야 한다. 이는 더 짧은 성형 시간, 가격 경쟁력, 높은 정밀도 등으로 이어지며 기업의 경쟁력을 한층 더 높일 수 있다.

 

성형 효율은 충진과 보압의 압력에 의해 크게 좌우된다. 충진압은 용융 선단을 이끌고 고점도 재료들은 더 높은 압력이 요구된다. 점도는 전단율, 온도, 압력 등과 같은 좀 더 복잡한 요인들에 의해 좌우되며, 대부분의 유변학적 실험에서 유체는 상압 하에서 압축되기 때문에 압력 효과는 일반적으로 무시된다.

 

사출 성형 공정에서 전단율과 사출 압력은 일반적인 재료 측정 범위를 넘어서게 되며, 따라서 점도의 압력 의존성을 이해해야 한다. 실험에 의하면 폴리스치렌(PS)의 경우 190℃의 온도에서 압력이 0에서 124MPa로 증가될 때, 겉보기 전단 점도(Apparent Shear Viscosity)가 135배 증가한다. 압력 하에서 재료의 점도 측정 없이는 충진 압력을 제대로 예측하는 것이 불가능하다.

 

Moldex3D는 전문적인 재료 측정 실험실을 보유하고 있으며, 이를 통해 전 세계 유저들이 각각의 특허 재료에 관한 재료 데이터베이스를 구축할 수 있어 초정밀 성형에서의 정확한 시뮬레이션이 가능하다.

 

플라스틱 광학 산업의 경우, 치수 안정성을 확보하는 것이 조립품을 성공적으로 개발하는 열쇠가 된다. Moldex3D는 금형 설계, 제품 설계, 공정 조건, 재료 특성 등을 통합적으로 분석, 최적화된 공정 설계를 실현할 수 있다.

 

 

 

 

▲ 초정밀 사출 성형에서의 시뮬레이션 기술

 

 

 

제품의 품질력을 향상시키는 급속가열냉각 프로세스
노트북이 점점 얇고 가벼워지는 가운데, 제조사들은 이런 트렌드를 유지하면서 제품 단가를 줄일 수 있는 방안을 찾고 있다.

 

세계적인 부품 제조업체인 MiTAC Precision Technology는 금속 섀시를 유리섬유강화플라스틱으로 대체했는데, 이는 제품을 더욱 가볍고 얇게 할 뿐만 아니라, 금속에 비해 가격도 저렴한 특징이 있다.

 

하지만 유리섬유 재질은 표면에 웰드라인 문제 등 제품 품질이 떨어지는 문제점을 안고 있다. 급속가열냉각은 이러한 문제점을 확실하게 해결할 수 있다. 충진 단계에서의 용융수지 유동성을 증가시켜 합리적인 사이클 타임 내에 부품의 품질을 더욱 향상시키는데, 여기에는 급속가열냉각, IHM(유도가열성형), E-Mold(전기가열성형) 등 여러 가지의 동적 Variotherm 기술들이 있다.

 

이러한 여러 가지 진보된 기술 중 어떤 기술은 전체 몰드베이스의 온도를 올리는가 하면 어떤 기술은 금형 표면의 온도만 올리는 경우가 있다. 하지만 현실에서는 금형 온도를 조절하는 메커니즘이 상당히 복잡하기 때문에 이러한 Variotherm 기술을 시행하고 유지하는 것은 사출성형 시스템에서 상당히 도전적인 일이 된다.

 

사출성형 소프트웨어인 Moldex3D를 통해 Variotherm 기술을 시뮬레이션하여 적절하게 설정이 되었는지 확인할 수 있다.

 

<그림 1>은 CIM 냉각관 설계이고, <그림 2>는 스팀가열 냉각관이다. <그림 3>은 두 개의 다른 방식의 시간 순차를 보여준다.

 

 

 

 

그림 1. CIM 냉각관

 

 

그림 2. 스팀 가열 냉각관

 

 

 

 

CIM

 

 

Steam Heating

 

 

 

그림 3. CIM과 급속가열냉각의 시간 순차

 

 

 

CIM 공정에서, 냉각수의 온도는 코어와 캐비티면 측 모두에서 80℃로 설정되어 있다. 냉각시간과 사이클 타임은 각각 10.7초와 19.2초이다. 급속가열냉각 공정에서, 냉각수의 온도는 코어 측은 80℃로 설정된다. 캐비티 측의 표면을 150℃로 올리기 위해 180℃의 스팀이 캐비티 면에 25초간 가열된다. 냉각시간과 사이클 타임은 각각 25초와 58.5초이다.

 

 

 

 

(a)

 

(b)

 

그림 4. 충진이 시작되는 순간의 금형온도. (a) CIM (b) 급속가열냉각

 

 

 

Moldex3D의 삼차원 열전달 시뮬레이션을 통해, 어떤 특정한 시간에서의 온도 분포도 예측할 수 있다. <그림 4>는 두 가지 경우에 충진 단계에서 금형 온도 분포의 단면을 보여준다. 또한, 충진 완료 시점에서 부품의 온도 분포를 확인함으로써, 웰드라인 위치에서의 온도 증가를 확인할 수 있고(Table 1), 이는 웰드라인이 외관적으로 보이지 않게 하는데 도움을 준다.

 

                                                                

	웰드라인 온도(℃)
CIM	170~200
급속가열냉각	190~220

Table 1. 충진 완료 단계에서의 웰드라인 온도 범위

 

 

 

 

Moldex3D는 빠른 설계 검증을 위한 효과적인 방법을 제시한다. 입체적인 온도 분포를 예측함으로써, 사용자는 Variotherm 기술의 효과를 예측하고, 금형제작 단계 이전에 잠재적인 문제점을 피할 수 있다.

 

 

 

- Variotherm 해석 설정
Variotherm 성형 과정에 대한 CAE 해석의 요구를 충족하기 위하여 Moldex3D는 충진, 보압, 냉각 단계에서의 상호작용을 고려함으로써 진정한 3D 수치 접근방식을 통합해 다양한 급속 가열 냉각 성형 조건을 시뮬레이션할 수 있는 도구를 제공한다.

 

다음은 Mokdex3D에서의 Variotherm 해석을 수행하는데 필수적인 팁을 나타낸다.

 

 

 

STEP 1.  Process condition > Cooling Settings에서 사용자는 Variotherm 공정을 시뮬레이션하기 위해 ‘Cooling method’를 Transient로 변경해야 한다.

 

 

 

 

 

 

STEP 2. 다음, Process condition > Cooling Settings > Cooling Channel/Heating Rod에서, 온도와 냉각매체를 시간별로 설정할 수 있다.

 

 

 

 

아래의 차트에서, 하나의 사이클 시간에서 온도 설정을 보여준다.

 

 

One Cycle Time	Mold Temperature
0~0.5sec	충진: 금형 온도는 180℃ 이상 유지
0.5~28.5sec	보압/냉각: 제품 취출을 위해 55℃로 급속 냉각
28.5sec	형개 및 다음 사이클을 위해 형폐: 180℃로 급속 가열

 

 

티알테크(Moldex3D 한국총판)
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