[Success Story] 가스 보조 사출 성형(GAIM)을 통한 부품 설계 최적화

안녕하세요.

이티에스소프트입니다.

오늘 소개해드릴 성공 사례는

사출 성형 해석에 있어서

가스 보조 사출 성형(GAIM)을 통한 부품 설계 최적화

입니다.

아래 내용 확인해보시죠!

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슬로바키아 트르나바에 위치한 슬로바키아 공과대학교(STU) 재료과학기술학부는 1986년에 설립되었습니다. 이 학부는 특히 산업 생산 및 기계 공학 분야의 전문 인재 양성에 집중하고 있으며, 현재 약 5,000명의 학생이 다양한 교육 과정을 이수하고 있습니다.

개요

이번 사례 연구에서는 Moldex3D의 가스 보조 사출 성형(GAIM) 시뮬레이션 기능을 활용해 제품의 변형 문제를 개선합니다. 분석 대상은 자동차 사이드 미러의 토글 부품입니다. 기존 방식인 일반 사출 성형으로 제작했을 때, 제품 중앙의 텅 빈 영역에서 큰 변형이 발생했고 리브 인근에서는 내부 Void 현상이 나타났습니다. 일반적으로 이러한 변형을 개선하려면 보압 시간을 늘려야 하지만, STU 팀은 Moldex3D를 통해 GAIM 공정의 도입 가능성을 검토했습니다. 시뮬레이션 결과, GAIM 설계가 변형을 최소화하고 사이클 타임을 크게 단축할 수 있음을 입증했습니다.

도전 과제

• 조립 공정에서 치명적인 결함이 될 수 있는 중앙 중공부의 큰 변형 (그림 1)

• 리브 주변 영역의 내부 Void 발생 (그림 2 참조)

그림 1. 중앙 중공부의 변형 양상

그림 2. (a) 내부 Void 발생 영역 vs (b) 체적 수축률이 높게 나타난 영역

솔루션

STU 팀은 Moldex3D의 일반 사출 성형 모듈과 가스 보조 사출 성형(GAIM) 모듈을 모두 활용하여 공정을 비교 분석하고 최적화했습니다.

효과

• 변형의 근본 원인을 파악하여 성공적으로 변형 감소

• GAIM 공정 적용의 효과를 사전에 검증

• 냉각 효율 약 40% 향상

• 제품 변형 대폭 감소

• 전반적인 냉각 온도를 낮추어 수축률을 줄이고 Void 문제 해결

사례 연구

이번 프로젝트의 목표는 부품의 변형을 줄이고 내부 Void를 제거하는 것이었습니다.

먼저 STU 팀은 Moldex3D의 일반 사출 모듈을 사용하여 결함의 근본 원인을 분석했습니다. 기존 제품 설계로 시뮬레이션을 수행한 결과, 실제 현장에서 발생한 문제와 정확히 일치하는 결과를 얻었습니다. 제품의 변형 추세가 정확하게 예측되었으며, 내부 Void의 위치 또한 Moldex3D가 예측한 높은 수축 영역과 일치했습니다. 시뮬레이션 결과에 따르면, 두꺼운 리브 부분에 열이 축적되는 것이 이러한 결함의 주요 원인이었습니다.

STU 팀은 열 축적을 해결하기 위해 냉각 채널과 배플을 추가하여 냉각 효율을 높이려 시도했지만, 기대만큼 만족스러운 결과를 얻지 못했습니다. 이후 보압 시간을 늘려 수축을 줄여보았으나, 비현실적으로 긴 보압 시간을 적용해야만 결함이 제거되는 것을 확인했습니다.

이에 따라 STU 팀은 GAIM 공정을 적용하기로 하고, 수지 주입구와 가스 주입구 위치를 변경하며 여러 차례 설계를 시도했습니다. 리브 부분을 적절하게 Cored-out(리브 내부를 속이 빈 구조로 설계하여 두께를 줄이는 기법)한 결과, 냉각 온도를 획기적으로 낮출 수 있었습니다(그림 3, 그림 4). 시뮬레이션 결과 변형과 체적 수축률이 감소했으며(그림 5), 사이클 타임 역시 단축되었습니다. 결과적으로 STU 팀은 Moldex3D를 통해 공정을 비교 분석함으로써 최적의 금형 설계와 공정 조건을 도출할 수 있었습니다.

그림 3. GAIM 토글 부품의 러너 게이트 위치 변경: (a) 가스 채널이 잘못 형성된 초기 설계 (b) 최종 최적화 설계

그림 4. 일반 사출 성형과 GAIM의 냉각 온도 비교

그림 5. 기존 일반 사출 방식에서는 가장 큰 변형이 발생한 반면, GAIM 방식에서는 가장 높은 치수 정밀도를 확보함. (녹색: 원본 CAD 모델, 적색: 일반 사출 방식 적용 후 변형된 모델, 보라색: GAIM 적용 후 변형된 모델)"

결론

STU 팀은 Moldex3D 분석을 통해 제품 결함을 정확히 예측하고 그 원인을 규명했습니다. Moldex3D를 활용하면 공정 조건과 부품 및 금형 설계를 가상으로 테스트하고 최적화할 수 있어, 비용이 많이 드는 시행착오 과정을 생략할 수 있습니다. 또한 일반 사출 성형 외에도 다양한 첨단 성형 공정을 시뮬레이션하여 비교할 수 있습니다. 결론적으로 슬로바키아 공과대학교는 성공적으로 최적의 GAIM 설계를 완성하여 금형 트라이아웃에 소요되는 시간과 비용을 크게 절감했습니다.