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고급 재료 데이터의 사용으로 사출 성형 압력 예측 개선


 

  • Customer: SABIC

  • Country: India

  • Industry: Chemicals /Plastic Material /Metal Manufacturing

  • Solution: Moldex3D Professional, Flow, Pack, Cool, Warp, BLM, Machine Mode

SABIC은 사우디아라비아 리야드에 본사를 두고 있는 다각화 화학 분야의 글로벌 리더입니다. 미주, 유럽, 중동 및 아시아 태평양 지역에서 세계적인 규모로 제조하며 화학 제품, 상품 및 고성능 플라스틱, 농업 영양소 및 금속과 같이 뚜렷하게 다른 종류의 제품을 만듭니다. SABIC의 Specialties 사업부는 특수 엔지니어링 열가소성 수지 및 컴파운드, 복합재, 열경화성 수지 및 첨가제, 적층 제조 솔루션을 포함하는 고도로 차별화된 제품을 생산합니다. 광범위한 산업에 서비스를 제공하기 위해 고유한 다기능 물리적 특성 세트를 제공하는 브랜드 포트폴리오에는 ULTEM™ 수지, LNP™ 화합물, NORYL™ 수지, LEXAN™ 공중합체 및 EXTEM™ 수지가 포함됩니다.


SABIC의 글로벌 응용 기술 센터는 제품 엔지니어와 재료 가공 전문 지식을 활용하여 설계, 응용 프로그램 개발 및 테스트에 대한 특정 요청이 있는 고객을 지원하여 혁신적인 제품을 더 빨리 출시할 수 있도록 지원합니다. 재료 데이터 팀은 최첨단 재료 특성화 실험실, 예측 엔지니어링 기능 및 부품 수준 테스트를 사용하여 애플리케이션 설계에 사용되는 재료 데이터를 검증합니다.

 

요약

  • 최근 산업 동향에 따르면 고충전 수지의 사용이 증가함에 따라 사출 성형 응용 분야가 점점 더 얇아지고 있습니다. 이를 위해서는 정확한 프로세스 시뮬레이션을 위한 새로운 분석 방법, 재료 모델 및 CAE 솔버 기능의 개발이 필요합니다.

  • CAE 시뮬레이션의 결과는 부품, 금형, 기계 및 프로세스 설계에 대한 확신 있는 결정을 내릴 수 있도록 정확해야 합니다. SABIC은 CAE에서 실제 성형 시나리오를 복제하는 체계적인 접근 방식과 세부 단계를 개발하고 수지 점도의 특성을 개선했습니다. 이를 통해 SABIC은 평가한 수지의 실제 값의 10% 이내에서 사출 압력을 예측할 수 있었습니다.

  • 이를 통해 설계 팀은 부품, 금형 및 프로세스 개발 중에 재작업을 줄이고 개발 시간을 단축하며 개발 비용을 최적화하는 결정을 내릴 수 있습니다.



과제


CAE에서 복잡한 다중 영역 문제를 복제할 때 부품, 도구, 재료 및 기계를 적절한 경계 조건으로 표현하는 방법을 전체적으로 살펴봐야 합니다. 금형 표면 온도, 용융 온도 측정과 같은 중요한 측면을 살펴보고 CAE의 입력을 사용하면서 불확실성을 줄여야 합니다. 상세한 in-mold rheological 연구를 통해 사출 속도가 부품 성형 압력에 미치는 영향을 연구하여 최적의 성형 창을 도출하도록 해야 합니다. 기계 나사 배럴에서 발생하는 압력 손실은 상당할 수 있으며 에어 샷 연구를 통해 포착해야 합니다. 이러한 모든 연구는 프로세스에 대한 통찰력을 제공하고 CAE에서 모델을 설정하기 위한 토대를 마련합니다. 이는 부품, 재료, 흐름 채널, 용융 및 금형의 초기 온도 조건으로 구성된 실제 프로세스를 나타내는 CAE 모델을 만드는 데 도움이 됩니다.


전통적으로 점도에 대한 폴리머 재료 특성화 중에 온도 및 전단 속도의 영향을 포함하여 수행됩니다. 점도에 대한 압력의 영향은 고려하지 않습니다. 압력은 중합체 점도를 크게 증가시키며 이는 무정형 수지와 매우 관련이 있습니다. 비정질 재료에서 Tg는 폴리머가 받는 압력이 증가함에 따라 증가합니다. 이는 압력이 증가함에 따라 자유 부피가 감소하여 점도가 더욱 증가하기 때문에 발생합니다. 개선된 방법에서는 사용되는 Cross-WLF 점도 모델에서 D3 매개변수로 표시되는 점도에 대한 압력의 영향을 고려했습니다.


[그림 A]


위의 그림 A는 실험적 성형과 CAE 사이의 사출 압력 차이를 보여줍니다. 여기서 재료 파일에는 D3(압력 의존성)가 없습니다.



솔루션


SABIC 팀은 체계적인 방식으로 이에 접근했습니다.


1. 재료 특성화 - 기존의 Cross-WLF 매개변수 외에도 Cross-WLF 모델의 압력 의존성 항인 D3도 높은 사출 압력에서 수지의 흐름 거동을 정확하게 예측하는 데 중요합니다. SABIC은 D3 측정을 위한 방법론을 가지고 있습니다.



2. 실험 설정 - 건조제를 사용하여 필요한 설정에 따라 재료를 사전 건조하고, 과학적인 성형 기술을 사용하여 공정 설정을 최적화한 후 SABIC은 측정을 수행하기 전에 공정이 안정화되고 평형에 도달할 수 있도록 설정을 1시간(60주기) 동안 실행했습니다. .



3. 데이터 기록 - 용융 온도 및 금형 온도와 같은 입력은 각각 열 프로브를 사용하여 캐비티 표면을 퍼지 및 확인하여 측정됩니다. 스트로크 및 속도와 같은 모든 스크류 이동 매개변수는 기계에서 시간에 따른 압력 변화의 연속 곡선으로 캡처됩니다.



4. CAE 모델 – 게이트, 콜드 러너 및 핫 드롭을 포함하는 부품 및 피드 시스템은 모두 3D 요소를 사용하여 모델링 되었습니다. 모델을 결정하기 전에 압력 및 flow 패턴과 같은 일부 주요 결과에 대한 모델의 메쉬 감도를 이해하기 위해 상당한 노력을 기울였습니다. 기계 나사 배럴에서 발생하는 압력 손실을 포함하기 위해 기계 노즐 형상의 전면 부분이 공급 시스템 모델에 포함되고 마지막으로 부품 형상과 통합됩니다. 이 모든 부분은 3D 요소를 사용하여 메쉬되어 기본을 형성합니다. FE 메쉬 모델의 경우. 금형으로 설계된 벤트도 측정 되며 CAE 모델에서도 동일하게 모델링됩니다.



5. 후처리 – 전형적인 충진 및 보압 연구와 관련된 성형 공정 시뮬레이션이 Moldex3D에서 수행되었습니다. 실험적 성형과 시뮬레이션(CAE) 간의 피크 압력 비교, 여기서 CAE 시뮬레이션에 사용된 재료 데이터는 점도 모델에 D3가 없습니다. 시뮬레이션은 약 28.9% 낮게 예측합니다. 점도 모델에 D3가 포함된 피크 압력 비교는 상당히 개선되었으며 측정된 압력과 잘 일치합니다. 이제 시뮬레이션은 측정된 최고 압력을 4.2% 낮게 예측합니다.





효과


이 FE 모델은 물리적 문제를 가장 정확하고 사실적으로 표현합니다.

  • 유변학적 특성이 개선된 수지

  • 정확한 측정 및 용융 및 금형 온도 포함.

  • flow 경로에 기계 노즐을 자세히 측정 및 포함

  • FE 모델에 사용된 벤트의 자세한 렌더링

  • 충진 및 보압 공정의 입력으로 기계 설정 복제

이러한 모든 결과는 용융 속성 및 성형 조건에 대한 최소한의 가정을 만들어, 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있도록 데이터를 제공하는 견고한 CAE 시뮬레이션 모델로 이어집니다.



결론


성형 실험을 수행하는 동안 여기에서 사용된 접근 방식은 체계적이고 과학적인 접근 방식으로 수행되었습니다. 실험 성형과 시뮬레이션(CAE) 사이의 성공적인 상관 관계를 달성하기 위한 핵심은 재료 거동의 특성화, 사출 속도, 용융 온도 및 전체 수지 유동 경로 모델링과 같은 주요 공정 매개변수의 정확한 측정 및 기록에 있다는 것이 관찰되고 문서화 되었습니다. 시뮬레이션 영역에서는 가능한 한 실제 시나리오를 나타내는 FE 모델을 개발하는 것이 중요합니다. 이러한 방식으로, 검증 결과는 최고 압력 예측을 위한 사출 성형 시뮬레이션에서 좋은 상관 관계를 성립할 수 있음을 보여줍니다. 이를 통해 설계 팀은 부품, 금형 및 프로세스 개발 중에 자신 있게 결정을 내릴 수 있습니다.


SABIC과 같은 선도적인 글로벌 재료 공급업체는 정확한 예측에 필수적인 D3 점도 계수와 같은 고급 재료 데이터를 제공할 수 있습니다. 고급 재료 데이터와 올바른 시뮬레이션 기술을 선택하면 시간과 비용 등을 절약할 수 있습니다.

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