플라스틱 사출 성형해석의 이해

1. 사출 성형 해석

1) 사출성형

플라스틱 제품을 성형하는 방법에는 여러 가지가 있지만 가전, 통신기기, 자동차, 의료기 등의 복잡한 구조를 가지는 제품을 대량 생산하기 가장 일반적인 방법이 사출 성형이다. 사출 성형을 위해서는 최소한 제품, 러너 시스템, 냉각시스템 등이 가공되어 있는 금형과 플라스틱 수지 그리고 사출 성형기가 요구된다. 플라스틱 수지는 사출 성형기에 의하여 용융되어 러너 시스템과 제품이 가공된 금형으로 사출 성형기에 설정된 성형 조건으로 충전되고 금형의 냉각시스템에 의하여 냉각되어 충분한 온도까지 고화되면 취출 된다. 이러한 사출성형 방법은 점도가 높고, 수축률이 큰 수지를 고속, 고압으로 금형에 주입하고 균일하지 않은 보압과 냉각이 가해지게 함으로써 여러 가지 성형 불량 (미성형, 웰드라인, 에어 트랩, 크랙, 싱크 마크, 변형 등)을 일으킨다.

2) 사출성형해석

사출성형해석은 플라스틱 수지의 유동과 냉각과정을 컴퓨터의 도움으로 시뮬레이션하는 것을 말한다. 이것은 사출성형 공정이 많은 성형 불량을 유발하기 때문에 설계 단계에서 이러한 불량 요인들을 미리 예측하여 설계에 반영하지 못한다면 생산 단계에서 여러 가지 성형 불량 문제에 직면하게 된다. 성형 불량이 단순히 성형 조건 변경으로만 해소될 수 있다면 문제가 없겠지만 대부분의 경우에 적합하지 못한 제품 설계 및 금형 설계에서 그 원인을 찾을 수 있다. 따라서 사출성형 해석은 제품 설계 또는 금형 설계 단계에서 사출성형 공정을 컴퓨터로 시뮬레이션하여 수지의 유동과 냉각 과정에서 예상되는 문제점들을 미리 예측하여 제품 설계, 금형 설계를 최적화 하는 것이다. 물론 성형 해석으로 사출성형 공정에서 발생하는 모든 성형 문제점들을 미리 확인하고 제거할 수 있는 것은 아니다. 이론적 성형 해석을 통하여 쉽게 분석 가능한 부분도 있고, 유추하여 분석 가능한 부분도 있고, 분석이 불가능 부분도 있다. 그러나 최소한 기본적인 성형문제 (성형성, 외관 불량, 사이클 시간, 변형)들은 미리 해석을 통하여 예측하고 개선할 수 있으므로 보다 짧은 시간과 비용으로 완성된 금형을 제조할 수 있다는 것이다.

3) 사출성형해석의 목적

사출성형 해석의 기본적인 목적은 사출성형 공정에서 예상되는 성형 불량을 미리 검토하여 해소하는 것이지만, 더 넓은 의미에서는 제품 설계와 금형 설계의 최적화이다. 제품 설계와 금형설계의 최적화란 결국 성형품의 품질 향상과 제조 비용 절감을 말한다. 성형품의 품질 향상은 사출성형 과정에서 예상되는 성형 불량을 최소화 되게 하는 것이고, 제조 비용 절감은 제품 중량과 스크랩 비중을 줄이며, 사이클 시간을 단축하는 것이다. 따라서 사출성형 해석을 통하여 제품 설계 업체는 제품의 품질을 향상하고 제품 단가를 낮추며, 제품 개발 기간을 단축하는 효과를 얻을 수 있으며, 금형 업체는 금형의 품질을 향상하고 제작기간을 단축하며, 금형 제작 비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있다. 또한 사출성형 해석을 통하여 사출성형 공정을 이론적으로 심도 있게 이해함으로써 기업의 제품 설계 및 금형 설계 기술력이 향상되고 누적될 수 있다.

4) 사출성형해석의 요소

성형해석을 위해서는 최소한 모델링(제품설계, 금형설계), 플라스틱 수지, 공정조건을 입력하여야 하며, 이러한 입력 값들은 해석 프로그램 Solver에 의하여 계산되어 해석 결과로 나타내어진다. 그러면 사용자는 이러한 해석 결과를 참조하여 예상되는 성형 문제를 해결하기 위하여 입력 변수들 중에서 무엇을 변경할 것인가를 판단하여 수정 후 재해석한다. 결국 만족스러운 결과가 도출될 때까지 반복적으로 이러한 과정이 반복된다. 여기에는 두 가지 문제점이 있을 수 있다. 하나는 해석 결과의 신뢰성이고 두 번째는 해석 결과 분석과 대안 도출 능력이다. 첫 번째 해석 결과의 신뢰성은 당연히 해석의 입력 값들의 정확성과 해석 프로그램 Solver의 정확성에 의존한다. 해석 프로그램 Solver의 정확성은 사용자 측면에서는 평가하기 힘드므로 결국 해석 결과의 신뢰성을 높이기 위해서는 정확한 수지 물성, 정확한 모델링 그리고 정확한 성형 조건이 입력되어야 한다. 부정확한 입력 값은 부정확한 해석 결과를 제공하며 결국 잘못된 대안을 도출하게 한다. 두 번째 해석 결과의 분석과 대안 도출 능력은 사용자가 사출성형 공정을 얼마나 이론적으로 잘 알고 있는가에 달려 있다. 이러한 능력이 부족한 사용자는 잘못된 결과 분석으로 잘못된 대안을 도출하게 된다.

5) 사출성형해석의 시점

사출 성형 해석을 누가 어떤 시점에 진행하여야 할 것인가를 판단하여야 한다. 일반적으로 이 질문에 대한 답은 "금형 설계자가 금형 설계 전에 수행하여야 한다.” 일 것이다.
그러나 이 경우 두 가지가 문제점이 있을 수 있다. 첫 번째는 금형 설계 즉 러너 시스템 및 냉각 시스템 변경만으로 성형 문제가 해결되지 않는 경우가 많다는 것이다. 성형품의 성형 불량의 많은 경우가 제품 설계 즉 제품의 형상 구조, 제품의 두께 그리고 리브의 구조 등에 의하여 발생한다. 두 번째는 제품 설계 변경이 요구되는 경우에 시기적으로 늦다는 것이다. 금형 설계가 시작되는 시점에는 이미 제품의 구조가 확정된 시점이어서 이를 변경하기 위해서는 다시 많은 노력이 요구되며, 경우에 따라서는 불가능 할 수 있다. 따라서 사출성형 해석은 최소한 제품 설계 과정에서 제품 설계자에 의하여 진행되어야 사출성형 해석의 효과를 극대화할 수 있다. 물론 제품 설계자의 경우 사출성형 공정과 금형에 대한 지식이 부족하여 현실적으로 어려운 경우가 많이 있다. 그러나 금형 설계자와 협력하여 진행한다면 이러한 문제점들은 극복될 수 있다. 또한 선진 기업에서는 제품 설계자에게 이러한 사출성형 해석을 통하여 제품 설계를 최적화할 것을 요구하고 있다.

 

2. CAE

1) 기본개념

CAE는 Computer Aided Engineering의 약자로 컴퓨트를 이용한 해석, 분석 등의 과정을 의미한다.

CAE는 제품의 설계, 개발 분야에 컴퓨터를 응용하는 새로운 기술로서 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션을 통해 테스트 기간 및 비용을 대폭 감소시킬 수 있는 기술이며, 공학 해석, 비용 해석, 제품 계획, 공정 관리 등 제품 개발의 모든 과정을 통합하는 개념이다.

2) 해석 적용의 구성

① 프리 프로세서(Pre-Process)

입력 자료를 준비하는 과정으로 수치해석을 하기 위한 준비 과정이다. 모델의 기하학적 형상을 수정하여 수치해석 모델로 만들어 하중 및 변위 조건 등의 경계 조건을 작성하는 과정이다.

② 프로세스(Process)

프리 프로세스에서 준비된 입력 자료를 가지고 직접 수치해석을 수행하는 과정이다.

③ 포스트 프로세스(Post-Process)

해석 결과를 도식적 또는 가식적으로 출력하여 결과에 대한 타당성 여부를 체크하는 과정이다.