미세 유출 채널 형상 설계 시뮬레이션 도구도 도움이 될 수 있어
고객 소개
고객 : 유니버시티 칼리지 더블린 & 톈진 대학
국가 : 아일랜드, 중국
산업 : 교육
솔루션 : Moldex3D Advanced 솔루션 : 유동 분석 모듈Flow, 보압 분석 모듈 Pack, 냉각 분석 모듈 Cool, Designer BLM
유니버시티 칼리지 더블린: 1854년에 설립된 아일랜드 최고의 대학이자 연구 지향적인 유럽 주요 대학의 하나로서, 학부 교육과 석사 및 박사 과정의 다양한 연구와 혁신적 환경을 제공한다. (출처: https://www.ucd.ie/)
톈진 대학: 1895년에 설립된 중국 최초의 현대적 대학으로, 중국 근대 고등 교육기관의 효시이다. 1959년 중국 중앙정부에 의해 국가 핵심대학으로 확정되었으며, 2000년 일류대학 육성을 위한 중국 「985프로젝트」대학으로 확정된 높은 수준의 연구형 대학이다. (출처: http://www.tju.edu.cn/)
개요
복잡한 3D플라스틱 제품의 제조는 일반적으로 시뮬레이션 기술을 사용해 몰드 설계를 최적화하지만, 사출 성형 중 미세 형상의 유동 행위를 정확하게 파악하는 것은 매우 어렵다. 본 프로젝트에서는 미세 유체 유세포 분석기 칩 속의 핵심인 전형적 미세 형상을 통해 미세 형상 유동 행위를 시뮬레이션하는 실행 가능 방법을 연구하는 동시에 열전도 계수, 배기, 벽면 미끄러짐, 응고 온도 등 요인의 영향을 연구하였다. 연구 결과 미세 형상의 충전 부족(미충전) 현상을 성공적으로 예측하고, 두 가지 미세 유체 몰드 도구 인서트 구성을 통해 매개변수를 검증할 수 있음을 알게 되었다. 본 프로젝트는 중요한 시뮬레이션 사례로서, 고분자 마이크로 계측기 제조 중의 미세 형상 사출 성형 및 미세 형상을 갖는 몰드 도구 인서트의 연구에 대해 매우 큰 도움이 되었다.
도전
미세 형상 캐비티 속 고분자 용융물의 유동 행위를 파악하기가 어렵다.
몰드 도구 제조 전에 미세 형상의 결함을 사전 설정하거나 일반적인 매개변수로 시뮬레이션 예측하기가 어렵다.
솔루션
Moldex3D Designer BLM을 이용해 특정한 메쉬 노드 시딩을 수정한다. 분석 과정 중 실제 기기 응답과 물리적 현상(열전도 계수, 배기, 벽면 미끄러짐 및 응고 온도 포함) 등의 실제 프로세스 조건을 결합시켜 미세 형상의 유동 문제를 예측할 수 있다.
효과
미세 형상의 불완전 충전을 성공적으로 예측한다.
제조 전에 대체 설계 방안을 평가하여 시간과 비용을 절약한다.
사례 연구
복잡한 기하학 형상과 높은 정밀도를 가진 초소형 폴리머 제품은 일반적으로 미세 구조 사출 성형 기술을 사용해 미세 유체 채널, 마이크로 광학 및 기능성 표면 등의 제품을 대량 생산한다. 더블린 대학팀은 사출 성형 분석 기술을 사용해 밀리리터(mm) 및 센티미터(cm) 보다 큰 복잡한 3D제품의 몰드 설계와 제조를 최적화하였으나, 동일한 시뮬레이션 방식은 더 작은 미세 형상의 성형 시뮬레이션 진행 시에는(예: 고분자 마이크로 계측기 등) 정확도가 떨어진다.
따라서 본 프로젝트는 미세 유체 유세포 분석기 칩 속의 핵심인 전형적 미세 형상을 통해, 미세 형상 유동 행위의 실행 가능한 시뮬레이션을 연구한다.
제 1 사례의 시뮬레이션과 실험 결과 비교에서, 소프트웨어 기본값을 사용해 시뮬레이션을 진행하는 경우, 실제 성형에서의 핵심적 결함을 예측할 수 없다 (그림 1).
제 2 사례에서, 시뮬레이션과 실험 결과의 차이, 특히 칩 속의 미세 구조로 알려진 제품 표면 기둥 구조인 주상체의 유동 행위를 검토해야 한다. 그림 3에서 보듯이, 시뮬레이션된 충전 거동 (a)와 (c)는 실험 결과 (b) 및 (d)와 큰 차이가 있다.
이어서 제 2 사례에서는 제어 변수의 최적화를 진행하여 미성형 현상의 시뮬레이션 결과가 실험과 일치하는 것을 관찰할 수 있었다 (그림 4).
결과
Moldex3D의 분석을 통해 더블린 대학 연구팀은 미세 유출 채널 칩 속의 미세 형상의 충전 행위와 매개변수 계산 사이의 상관 관계를 살피고, 미세 구조의 충전 불완전 행위를 재현할 수 있었다. 이를 통해 미세 형상 충전의 실제 문제를 예측하고, 즉각적으로 조정할 수 있었다. 만약 그렇지 않고 실제 몰드 제조 후에 문제가 발견된다면 더 많은 보완 비용이 발생할 것이다.