[기고] SOLIDWORKS Plastics 플라스틱 사출 성형 해석 솔루션 :: 산업뉴스

파트와 금형 설계 초기 단계에서 제조상의 결함을 예측하고 방지함으로써 값비싼 금형 재작업을 피하며, 파트의 품질을 향상시키고 시장 출시 기간을 단축시킬 수 있는 솔루션에 대해 소개한다.

[들어가며]
플라스틱은 우리 생활 어디에든 존재한다. 일상적으로 접하는 플라스틱 파트 중 약 80% 이상은 사출 성형 방식으로 제조된 제품이다. 이처럼 대량 생산이 가능한 사출 성형 공정은 가장 일반적으로 사용되고 있다. 하지만 사출 성형은 시간, 온도, 압력, 재료 및 툴링 등의 다양한 변수가 혼합된 복잡한 공정이다. 또한 사출 금형의 비용은 1000만 원에서 1억 원까지 매우 다양하며 10억 원이 넘는 것도 있다. 따라서 문제가 발생하면 이를 해결하는데 많은 비용과 시간이 필요하게 된다. 현재 시장 상황에서 우수한 제품을 만들기 위해서는 지속적인 금형 재작업이 필요하다. 최근 설문 조사에 따르면 응답자의 69%가 수용할 만한 품질의 부품이 제작되려면 금형을 두 번 이상 재작업해야 한다고 밝혔다. 사출 금형이 복잡하고 비싸다는 점을 고려해 볼 때, 일반적인 사출 성형 공정 프로세스는 불필요한 비용과 시간을 발생시킨다.

SOLIDWORKS Plastics는 플라스틱 사출 성형 해석 솔루션 으로 제품 개발 초기 단계에서 제조상의 결함을 예측하고 방지 함으로써, 재작업을 피하고 품질은 향상시켜 불필요한 비용과 시간문제를 해결할 수 있다.

[SOLIDWORKS Plastics]
SOLIDWORKS Plastics는 SOLIDWORKS에 완벽하게 통합되어있기 때문에, 설계 변경 후 바로 적용되어 원하는 해석을 진행할 수 있다. 이 특징은 제품 개발 초기 단계부터 해석을 진행할 수 있게 해주며, 결과적으로 앞서 말한 일반적인 프로세스의 문제점을 해결해 줄 것이다.

간단한 Sink Mark 예제를 이용해 제품 설계와 검증을 동시에 진행하는 과정을 설명하고자 한다.

[메시 작성 및 인터페이스]
SOLIDWORKS Plastics는 솔리드와 쉘 메시 유형을 이용하여 메시를 작성할 수 있다. 모든 해석들이 그렇듯 메시 작성 부분은 해석 시간과 결과 정확성에 큰 영향을 미치기 때문에 적절한 메시 유형 및 크기를 이용하여 작성하는 것이 중요하다. 현 예제에서는 SOLIDWORKS Plastics가 조언해 주는 메시 크기로 해석을 진행했다.

메시 작업을 진행하고 나면 메시 메뉴 외 나머지 메뉴들이 나타난다. 인터페이스가 직관적으로 구성되어 있을 뿐만 아니라 순차적으로 정렬 되어있기 때문에 전문가가 아니더라도 필요한 설정 사항 등을 쉽게 정의할 수 있다.

그림 1. 메시 작성 및 인터페이스

재질 입력 및 해석 조건 설정
SOLIDWORKS Plastics에서는 5,000여 개 재질 데이터 베이스를 제공하며, 완벽한 사용자 정의가 가능하다. 현 예제 에서는 ABS, Generic material을 사용했다.

그림 2. 플라스틱 재질 데이터베이스

SOLIDWORKS Plastics는 공정 파라미터와 경계 조건을 이용해 해석 조건을 설정할 수 있다. 사출 성형 조건표에 맞게 공정 조건을 설정해줘야 한다. 충전과 보압 설정에서는 다단 사출 압력/속도와 다단 보압 압력에 대해 유량 및 압력 프로파일로 적용할 수 있다.

그림 3. 프로파일 설정

주입구 위치 설정 및 해석 실행

간단한 클릭만으로 주입구 위치를 설정해줄 수 있다. 또한 주입구를 여러 개 위치시켜 다중 사출 해석도 진행할 수 있다.

충전, 보압, 냉각, 변형 해석 중 원하는 해석을 선택해 해석을 진행하면 된다. 현 예제에서는 충전 해석만 진행했다. 진행하 고자 하는 해석이 한 개 또는 여러 개 인 경우 Batch Run 기능을 이용해 원하는 시간에 해석을 진행시키거나 일괄 실행시킬 수 있다.

그림 4. 수지 주입구 위치 설정

그림 5. 해석 실행

해석 결과 확인
SOLIDWORKS Plastics는 충전, 보압, 냉각, 변형 탭에서 각각의 내용과 관련된 다양한 결과들을 확인할 수 있다. 시간, 압력, 온도, 공기 갇힘, 웰드라인 등 다양한 결과뿐만 아니라 시각적으로 결과를 표현해주기 때문에 문제가 발생될 부분을 쉽게 시각적으로 파악할 수 있다. 현 예제에서는 리브가 있는 표면 쪽에서 심각한 싱크마크가 발생된다는 것을 예측했다.

그림 6. 해석 결과 확인(싱크마크)

설계 변경
싱크마크는 성형된 제품이 식으면서 발생하는 수축을 보상하기 위해 표면이 안쪽으로 빨려 들어가는 것을 말한다. 상대적으로 두꺼운 벽이 있는 부분이나 리브, 보스 등의 외측 면에서 발생된다.

싱크마크가 생기면 파트의 표면이 함몰되며 외관상으로 오목하게 들어간 것으로 보인다. 현 예제에서는 리브 부분에 싱크마크가 발생될 것으로 예측되었다. 따라서 예측되는 싱크마크를 개선시키기 위해 리브의 두께 및 필렛 반경을 적절한 값으로 변경했다.

그림 7. 설계 변경 전(위), 설계 변경 후(아래)

재해석 및 해석 결과 확인
앞서 말했듯 SOLIDWORKS Plastics는 SOLIDWORKS와 완벽하게 통합되어있다. 모델 수정으로 인한 설계 변경이 바로 적용되기 때문에 시간을 단축시키고 빠른 피드백을 얻을 수 있다. 또한 단일창에서 이루어지는 작업이기 때문에 파일 변환 문제도 회피할 수 있다.

제품의 결함 예측 후 리브 두께와 필렛 반경을 바꾸는 설계 변경을 진행했다. 그 결과 싱크마크 부분이 눈에띄게 개선된 것을 확인할 수 있었다.

그림 8. 재해석 결과 확인(싱크마크)

SOLIDWORKS Plastics 기대 효과
만약 SOLIDWORKS Plastics를 도입하지 않은 상황이었다면 싱크마크 문제를 예측하지 못하기 때문에, 기존의 프로세스처럼 문제 발생 후 다시 처음부터 설계를 변경하고 금형을 수정하는 재작업을 반복했을 것이다. 하지만 SOLIDWORKS Plastics를 사용하면 금형 제작 이전에 제품을 보다 세부적으로 파악하고 결함을 예측할 수 있다. 설계 변경에 대한 피드백도 빠르게 얻을 수 있기 때문에 품질을 향상시켜 제품을 최적화시키는 것은 물론 금형 재작업을 감소시키고 출시 시기도 단축시킬 수 있다. 결과적으로 시간과 비용을 절약할 수 있다.