최단 시간으로 최적의 제품 형상 설계를 찾는 방법


코어테크 제품처 기술 매니저 알버트 후(胡珅滕)





일반 플라스틱 제품의 생산 프로세스에는 제품 모델링 및 구조 설계, 몰드 설계, 몰드 제조부터 사출 성형까지 수많은 단계가 포함되어 있습니다. 전단 설계에 미비한 점이 있으면 후단의 생산에서 어려움을 겪을 수 있거나 또는 제품 설계, 몰드 설계 조정이나 몰드 수정을 위한 제 의사소통이 필요하게 될 수도 있습니다. 본문에서는 플라스틱 제품의 설계 단계에 중점을 두어 시뮬레이션 분석을 통해 최적의 제품 설계에 접근하고, 이를 통해 제품을 원활하게 양산할 수 있도록 잠재적인 문제를 미리 제거하는 방법에 대해 설명하겠습니다.


제품 설계 단계에는 일반적으로 제조 가능성을 위한 설계(DFM) 검사가 있습니다. 일반적인 DFM 항목에는 플라스틱 재료의 수축값, 구배 각도, 미늘이 있는지가 포함되며, 두께 설계, 리브 또는 보스(boss) 설계 및 허용 오차 등을 제안하기도 합니다. 이러한 사양 검사는 CAD의 기능에 의해서나 수동으로 도면을 검사해서 완료할 수 있습니다. 예를 들어, 일반적으로 균일한 두께를 원하지만, 두께 변화가 필요한 경우에는 그림 1의 설계를 제안할 수 있습니다. 리브 설계에서는 그림 2, 그림 3과 같은 제안을 보여줄 수 있고, 보스 부분도 마찬가지로 그림 4와 같이 제안되는 설계 치수가 있습니다. 그러나 실제로 플라스틱 사출 성형은 동적인 생산 과정이므로 동일한 종류의 플라스틱 재료일지라도 제조업체, 모델이 다르면 재료 특성에 매우 큰 차이가 나타날 수 있습니다. 또 사출기가 달라도 기계 응답이 다르고, 다양한 가공 조건도 제품 품질에 영향을 미칠 수 있습니다. 이 점이 바로 DFM을 했더라도 실제 생산 시에 여전히 문제가 발생하는 이유 중 하나입니다. 예를 들어, 제안된 두께 및 리브에 따라 설계했지만 완제품에 여전히 과도한 왜곡 변형이 발생하고, 구조 강도가 부족하고, 외형 결함 심지어 불완전한 충전이 발생하여 성형할 수 없는 상황이 발생하기도 합니다.


▲그림 1. 두께 변화 시의 제안 설계 기준


▲그림 2. 제안 된 리브 치수 설계


▲그림 3. 등가의 리브 참고 설계


▲그림 4. 참고 두께 및 제안된 보스 형상 설계


따라서 제품 치수 설계 시에 절대적으로 정확한 규칙은 없기 때문에, 설계 제안을 위한 초기 기준으로 간주하는 것이 좋습니다. CAD로 DFM 검사를 수행하는 것 이외에도 추가로 CAE시뮬레이션 분석을 통해 형상 치수를 다시 조정하고, 최적화 설계를 반복적으로 분석 검증하거나 문제를 해결할 수 있지만, 이러한 반복적인 설계 변경 및 검증은 긴 작업 과정을 거쳐야 합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 Moldex3D SYNC는 2021 버전부터 사용자가 몇 가지 간단한 조작 단계만을 통해 모든 치수 변화 및 해당되는 CAE 분석 결과를 얻을 수 있도록 CAE 분석 워크 플로우를 크게 단순화하게 도와주는 형상 최적화 도구를 지원합니다.


다음의 커넥터 사례는 최적화된 형상 설계를 얻기 위해 Modex3D SYNC를 활용하는 방법을 보여줍니다. 그림 5는 DFM 검사를 통과한 원래 제품 모델이고 그림 6은 초기 시뮬레이션 결과인데, 유동 분석에서 보면 커넥터 양쪽에 모두 유동 불균형 현상이 발생했습니다. 그림 7은 왜곡 변형 결과인데, 이 왜곡 상황으로 인해 핀 헤더가 정상적으로 삽입될 수 없음으로 반드시 생산 전에 개선해야 합니다. 원래 설계의 단면에서 보면 양쪽의 두께가 다르므로 두께가 두꺼운 쪽을 약간 수정할 수 있습니다. 두께를 변경하면 유동 균형과 왜곡을 개선할 수 있을 것으로 추정되지만(여전히 구조 강도 분석은 필요함) 최적의 두께를 얻으려면 얼마나 수정해야 하는지 판단할 수 없으며, 두께가 서로 다른 설계를 하나하나 분석한다면 그림 8과 같이 매우 많은 시간이 소요될 수밖에 없습니다. 이때 Moldex3D SYNC 형상 최적화 도구를 사용하면 변경된 매개변수를 빠르게 지정하고 모든 분석 그룹을 설정할 수 있으며, 최종적으로 그중에서 최적의 분석 결과를 얻을 수 있습니다 (그림 9). 용융 선단이 거의 말단에서 일치함에 따라 왜곡 결과가 개선되었습니다.


▲그림 5. 커넥터 사례 및 그 단면도


▲그림 6. CAE 시뮬레이션 결과에 나타난 양쪽의 유동 불균형


▲그림 7. 유동 불균형으로 인해 발생할 수 있는 왜곡 변형


▲그림 8. 형상 매개변수의 변경 범위 설정 및 모든 분석 그룹을 한 번에 생성


▲그림 9. 양쪽 용융 선단이 거의 말단에서 일치하는 특정 그룹의 분석 결과



상기 예시 사례를 통해 제조 가능성을 위한 설계(DFM)의 정적 검사는 동적 생산 과정으로 인해 발생하는 문제를 100% 반영할 수 없음을 알 수 있습니다. CAE 시뮬레이션 분석은 사용자가 이 부분을 보완하는 데 도움이 될 수 있고, Moldex3D SYNC 형상 최적화 도구는 사용자가 분석에 필요한 워크 플로우를 더욱 단순화하도록 도와줍니다. 시뮬레이션 분석이 제공하는 분석 결과 항목도 제품 제조 가능성의 일부로 간주하여 CAE와 CAE의 이점과 기능을 결합한다면, 제품 설계의 효율성을 효과적으로 높이고 제품 출시 시간을 단축할 수 있습니다.





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