[Success Story] 형상 적응형 냉각 설계를 활용한 냉각 시간 단축

안녕하세요.

이티에스소프트입니다.

오늘 소개해드릴 성공 사례는

형상 적응형 냉각 설계를 활용한 냉각 시간 단축

입니다.

아래 내용 확인해보시죠!

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유우키 공업 주식회사(Yuuki INDUSTRY Co., Ltd.)는 자동차 및 전자 산업 분야의 고객들을 대상으로 다양한 분야에서 금형 제작, 성형, 조립의 생산 통합을 제공하고 있습니다. 또한, 유우키 공업은 ISO9001 인증을 받았으며, 일본에 2개의 공장, 중국과 베트남에 각각 1개씩의 자회사를 보유하고 있습니다.

개요

물 분사식 진공청소기 수조(물탱크)의 핫러너 노즐에서 온도 문제가 발견되어 외부 재료가 제대로 응고되지 못하는 현상이 발생했습니다. 이를 분석하고 해결하기 위해 Moldex3D가 활용되었습니다. 특히 유우키 공업은 Moldex3D의 3D 냉각 시뮬레이션 기술을 활용하여 형상적응형 냉각(Conformal Cooling) 설계를 검증하였으며, 결과적으로 성형 문제를 극복함으로써 양품률을 99.7%까지 향상시켰습니다. 

도전과제

·         미성형 (Short shots)

·         외관 불량

·         긴 사이클 타임

솔루션

유우키 공업은 새로운 형상 적응형 냉각 시스템의 효과를 검증하기 위해 Moldex3D를 적극 활용했습니다. 그 결과 금형 사이클 타임을 단축하고, 양품률을 99.7%까지 끌어올리는 성과를 달성했습니다.

효과

·         고품질 외관 달성

·         냉각 시간 75% 단축

·         양품률 99.7% 달성

·         제조 원가 절감

사례 연구

본 사례의 제품은 직경 140mm, 높이 180mm, 중량 270g의 오수탱크입니다(그림 1). 이때 그림 2는 오수탱크와 해당 부품의 핫러너 레이아웃 설계를 보여줍니다. 이후 성형 과정에서 핫러너 노즐의 온도가 최대 230℃에 달하는 고온 조건으로 인해 용융된 플라스틱이 응고되는 데 120초가 소요되었습니다. 이에 사이클 타임을 단축하고 제품 품질을 향상시키기 위해 직경이 각각 2.5mm, 3.0mm, 4.0mm인 세 가지 핫러너 게이트 설계 디자인이 제안되었습니다 (그림 3). 이때, 본 제품에 사용된 냉각 시스템 설계는 그림 4와 같습니다.

그림 1. 오수탱크 부품

그림 2. 해당 부품의 핫러너 레이아웃 설계

그림 3. 게이트 위치 및 수정된 게이트 크기

그림 4. 냉각 시스템 설계

Moldex3D 해석 결과, 세 가지 핫러너 게이트 레이아웃에서 모두에서 미성형(Short shot) 현상이 확인되었습니다. 이때, 직경 2.5mm, 3.0mm, 4.0mm의 최대 유동 선단 온도(Melt front temperature)는 각각 241℃, 239℃, 236℃에 도달했습니다(그림 5). 스프루 압력은 모든 구간에서 최대치인 200MPa까지 도달했습니다. 이 수치는 미성형 발생의 주요 원인일 가능성이 있으며, 관련 결과는 그림 6에 정리되어 있습니다.

그림 5. 충전 패턴 및 유동 선단 온도 결과

그림 6. 게이트의 세 가지 직경 설계에 대한 Moldex3D 해석 결과 요약

Moldex3D의 해석 결과에 따르면 지금까지의 미성형 원인은 충전 종료 시 낮은 온도 때문이었으며, 이에 따라 냉각 채널 설계의 최적화가 필요했습니다(그림 7). 이에 따라 냉각 설계 최적화의 목표를 충전 시간 8초에서 4초로 단축 및 더욱 균일한 냉각으로 설정하였습니다(그림 8).

그림 7. 개선된 3D 냉각 회로

그림 8. 개선 계획

수정된 냉각 채널의 시뮬레이션 결과, 미성형 문제는 해결되었습니다(그림 9). 특히 금형 베이스 온도 분포 결과를 보면 수정된 냉각 채널이 더 우수한 냉각 효율과 균일한 온도 분포를 가진 것을 알 수 있습니다(그림 11). 반면, 스프루 압력은 여전히 높게 나타나고 있었습니다. 결과를 분석해보면 스프루 압력은 게이트 직경이 2.5mm, 3.0mm, 4.0mm일 때 각각 200MPa, 198MPa, 197MPa이었습니다(그림 10).

그림 9. 최적화된 냉각 채널의 충전 패턴 및 유동 선단 온도 결과

그림 10. 수정된 냉각 채널의 해석 결과 개요

그림 11. 기존 냉각 채널(위)과 수정된 3D 냉각 채널(아래)의 비교

스프루 압력을 낮추기 위해 수지 온도와 금형 표면 온도를 각각 250℃와 80℃로 높였습니다. 이를 통해 스프루 압력을 170.27 MPa까지 낮출 수 있었습니다(그림 12). 

그림 12. 스프루 압력을 낮추기 위해 수지 및 표면 온도를 높인 결과

결론

유우키 공업은 Moldex3D를 활용하여 미성형과 같은 잠재적 결함을 예측하고, 사이클 타임을 120초에서 40초로 단축하며, 불량률을 0.2% 미만으로 낮추는 데 성공했습니다. 결과적으로 Moldex3D를 통해 유우키 공업은 품질, 시간, 비용 측면에서의 불균형 문제를 극복할 수 있었습니다