호모 폴리머 및 단 섬유 강화 폴리머의 휨 예측을 통한 점탄성의 중요성 확인
고객 : JKU/Institut für Polymer Product Engineering
국가 : 오스트리아
산업 : 교육
솔루션：Moldex3D Advanced Package; Flow, Pack, Cool, Warp, Fiber, Designer BLM
개요
기대하는 제품 품질을 얻고 공차 요구사항을 충족하기 위해선 변형 예측은 매우 중요하며, 섬유 강화 플라스틱에서는 특히 더 그렇습니다. 때문에 보다 정확한 시뮬레이션 결과를 위해서는 열가소성 수지 폴리머의 점탄성을 고려하는 것이 중요합니다. 본 연구에서는 점탄성이 변형 분석에 미치는 영향을 연구하는데 Moldex3D를 사용했습니다. 섬유 강화 플라스틱의 비등방성 점탄성 거동 모델링과 시뮬레이션 방법을 개발함과 동시에, 리브를 함유한 테스트 구성요소 및 3D 스캐닝을 이용하여 실험 검증을 진행합니다. 그 결과, 점탄성에 대한 정확한 측정과 묘사는 보다 완벽한 변형 예측에 필수적인 것으로 나타났습니다.
도전
제품의 부분 변형을 시뮬레이션 할 수 있고 실험 검증이 가능한 시스템 개발.
변형 분석에서 점탄성의 중요성 이해.
실제 제품에서 변형을 줄이고 형상 안정성 유지 방법 연구.
솔루션
Moldex3D를 이용해 완벽한 과도 상태 분석을 진행하고, 표준 변형 및 점탄을 함유한 향상된 변형 솔버를 통해 변형 예측값을 획득한 후, 마지막으로 GOM GmbH의 ATOS Triple Scan III 3D를 통해 스캔해서 시뮬레이션 결과를 확인합니다.
효과
점탄 모델을 도입하면, 일반 변형 솔버와 비교했을 때 변형 결과 중 최대 절대 변위 지점을 가진 점에서 호모 폴리머의 경우 약 520% 향상되었고, 단 섬유 강화 폴리머의 경우 약 78% 향상되었습니다.
변형에 영향을 미치는 주요 요인을 식별합니다.
가상 프로토 타입 방법을 통해 금형 설계에서 비용이 많이 드는 시행 착오 과정을 피했습니다.
사례 연구
이 프로젝트는 Moldex3D 박사 과정생인 Philipp Siegfried Stelzer가 본사의 인턴기간동안 오스트리아의 고분자 제품 공학 연구소(Institute of Polymer Product Engineering)의 Major 교수 및 독일 Polyplastics Europe GmbH사와 공동으로 진행한 연구입니다.
제품 품질을 보장하기 위해, 정확한 변형 예측은 필수적인 것입니다. 변형의 추세 및 값을 정확하게 예측하려면 먼저 재료의 특성을 파악하는 것이 중요합니다. 이 프로젝트의 목적은 재료의 점탄성이 변형 예측에 미치는 영향을 검증하는 것입니다.
벤치마크 테스트에서는 PBT열가소성 고분자 재료 및 30% 단섬유를 함유하는 PBT를 포함한 두 가지 재료를 사용하였습니다. 이 프로젝트가 재료의 전면적 측정을 포함하여 얻은 재료의 열유변학 및 기계적 특성은 모두 Moldex3D 시뮬레이션 진행 시에 필수적인 정보입니다. 이어서 동적 기계 열분석(DMA)을 진행하고, Prony 급수를 이용해 점탄성 모델의 마스터 곡선을 맞추고 생성합니다. 이 테스트에 사용된 벤치마크 구성요소는 사출 성형된 리브 박스이고, ATOS Triple Scan III장비로 3D스캔을 진행해서 시뮬레이션 결과를 검증했습니다.
시뮬레이션에서 Moldex3D BLM메쉬로 모델을 준비하고, 콜드 러너 및 냉각 채널은 모두 실제에 따라 제작했습니다. 동시에 모델에 측정 노드 21개를 배치하여 Z방향의 변형값을 검증했습니다. (그림 1)
이어서 Moldex3D표준 변형 모듈을 통해 과도 상태 분석(Ct-F-P-Ct-W)을 진행하고, 고급 변형 솔버를 사용해 변형 행위를 예측하였습니다. 먼저 표준 변형 솔버를 사용해 순수 PBT를 시뮬레이션 했으나, 점탄성을 고려하지 않았기 때문에 제품의 변형 추세를 정확하게 예측할 수 없었습니다. 반면, 점탄성을 고려한 고급 솔버를 사용했을 때는 실제적인 변형 결과 포착에 성공하였습니다. 한편, 섬유 강화 PBT 부분에서, 표준 솔버와 고급 솔버 모두 정확한 변형 현상을 예측할 수 있었는데, 그 이유는 재료의 비등방성 특성으로 인해 유동이 발생시키는 섬유 배향이 변형 행위를 주도하기 때문입니다. (그림 2) 그러나, 점탄성을 고려하면, Z 방향 변형 절대값의 정확성이 두드러지게 향상될 수 있다는 점을 알 수 있습니다. (그림 3)
결과
이 연구를 통해, 정교한 시뮬레이션에는 재료의 점탄성적 특성이 매우 중요하다는 점이 증명되었습니다. Moldex3D는 점탄성 고려를 통해, 순수 플라스틱이든 섬유 강화 플라스틱이든 모두 변형 예측 결과의 정확성을 향상할 수 있습니다.
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