[Success story] 패밀리 금형의 충진 균형 최적화를 통한 제조 효율 향상

안녕하세요.

이티에스소프트입니다.

오늘 소개해드릴 성공 사례는

패밀리 금형의 충진 균형 최적화를 통한 제조 효율 향상

입니다.

아래 내용 확인해보시죠!

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LMT Mercer Group은 미국과 캐나다 지역에서 PVC 울타리, 발코니, 난간 액세서리 등을 공급하는 업계 선두 기업입니다. 뉴저지와 오하이오에 총 3곳의 공장을 운영하고 있으며, Servo-Robotics와 질소 가스 사출 기능을 갖춘 최신 사출기를 30대 이상 보유하고 있습니다. LMT 그룹은 2013년부터 제품 개발 과정의 최적화를 위해 Moldex3D를 도입해 활용하고 있습니다.

개요

본 사례의 LED 조명 제품은 동일한 원재료로 제작되는 두 개의 부품으로 구성되어 있으며, 하나의 금형에서 동시에 사출됩니다. 그러나 두 부품의 크기 차이가 커서 유동 불균형 문제가 발생했습니다. LMT 그룹은 Moldex3D를 통해 형체력 톤수의 급증 현상을 발견했고, 러너와 게이트 및 냉각 시스템을 최적화하여 유동 불균형과 형체력 문제를 개선했습니다. 동시에 냉각 시간을 단축해 냉각 효율성과 제품 평탄도 문제를 해결하며 시간과 비용을 크게 절감했습니다.

도전 과제

• 두 부품을 동시에 충진 완료

• 과도한 변형 방지를 위한 러너와 게이트 및 냉각 채널의 크기와 위치 최적화

솔루션

Moldex3D는 충진, 보압, 냉각, 변형에 대한 해석을 제공합니다. 이를 통해 러너와 게이트 및 냉각 시스템의 설계 변경이 충진 시간, 성형 주기, 냉각 효율, 제품 평탄도 개선에 어떤 영향을 미치는지를 사전에 확인할 수 있었습니다.

효과

• 보압 최종 단계에서 필요한 형체력을 225톤에서 175톤으로 감소, 프레스 장비 소형화 가능

• 두 부품 모두 정확히 1.28초 충진 달성 (기존 설계: 큰 부품 1.28초, 작은 부품 1.07초)

• 최적의 냉각 채널 설계 적용, 냉각 시간 11.99% 단축 및 냉각 효율 개선

• 큰 부품 6.18%, 작은 부품 2.56% 평탄도 개선

• 금형 및 샘플 품질 관리 비용 $11,500 절감

사례 연구

본 사례의 목적은 최적화된 러너와 게이트를 통해 더 작은 프레스 장비를 선정하고 공정 시간을 단축하여 비용을 절감하는 것입니다. 또한 성형 주기를 줄이고 제품의 평탄도를 허용 오차 범위 내로 유지함으로써 금형 공정과 초기 비용 감소를 목표로 합니다.

LMT 그룹은 Moldex3D eDesign을 활용해 하나의 금형 안에 서로 다른 두 개의 캐비티를 설계하는 데 성공했습니다(작은 부품: LED 보드 홀더, 큰 부품: 광원 반사판). 아울러 Moldex3D를 통해 Melt Front의 불균형, 형체력 급증, 최대 냉각 시간, 과도 냉각 라인, 두 부품의 Y축 변위 등에 대한 해석을 진행했습니다.

러너 레이아웃과 냉각 시스템에 적용된 설계 변경 내용은 그림 1과 그림 2에 제시되어 있습니다.

그림 1. 기존 설계(왼쪽 그림)에서는 작은 부품에 엣지 게이트를, 큰 부품에 점프 게이트를 사용한 반면, 변경된 설계(오른쪽 그림)에서는 큰 부품에는 점프 게이트를 그대로 유지하고, 작은 부품에는 확장된 점프 게이트를 사용.

그림 2. 기존 설계(왼쪽 그림)와 달리, 변경된 설계(오른쪽 그림)는 큰 부품용 루프 냉각채널의 상·하단을 분리하고, 하단에 냉각채널을 추가로 배치함.

Moldex3D 해석 결과에 따르면, 기존 설계에서는 작은 부품의 충진 시간이 큰 부품보다 더 빨랐던 반면, 변경 설계에서는 작은 부품의 이동 경로를 길게 수정하여 큰 부품의 충진 시간과 일치하도록 개선했습니다(그림 3).

그림 3. 기존 설계(왼쪽 그림)의 74% 충진 Melt Front Time과 변경 설계(오른쪽 그림)의 96% 충진 Melt Front Time 비교 시, 두 캐비티의 불균형 충진 공정이 해결되었음을 확인 가능.

이 밖에도 냉각채널 시스템을 최적화하여 최장 냉각 시간이 기존 21.009초에서 18.489초로 단축되었습니다. 성형 주기 역시 줄었으며, 부품의 평탄도를 의미하는 Y축 변위 수치도 개선되었습니다. 기존 설계에서 큰 부품과 작은 부품의 변형은 각각 0.6985mm, 0.1981mm였으나, 변경 설계에서는 각각 0.6561mm, 0.1930mm으로 개선되었습니다.

그림 4. 큰 부품과 작은 부품의 Y축 변위 해석 결과, 기존 설계(왼쪽 그림)의 변위량이 변경 설계(오른쪽 그림)의 변위량보다 더 큼.

설계 변경의 효과는 실제 사출품에서도 확인되었습니다. 공정 엔지니어는 충진 완료 이전에 미성형 발생을 사전에 파악할 수 있었으며, 그림 5에서 확인할 수 있듯이, 실제 사출품과 Moldex3D 해석 결과가 일치함을 알 수 있었습니다.

그림 5. 설계 변경 후, 실제 사출품에서 크고 작은 두 부품의 미성형이 해석 결과와 일치하는 모습.

결론

본 사례는 생산 비용 절감과 제품 품질 개선이라는 두 가지 목표를 동시에 달성한 사례입니다. 금형 소재 가공 이전에 러너와 게이트 설계 변경과 냉각 시스템 최적화를 통해 값비싼 재설계와 재작업을 피할 수 있었습니다. Moldex3D를 통해 다양한 설계 검토와 가상 시험을 손쉽게 진행할 수 있었으며, 금형 샘플 제작과 시장 출시를 제때 수행할 수 있었습니다. 결과적으로 제조 시간과 비용을 크게 절감했고, 해석 결과와 실제 충진 결과가 일치하여 사전 검증 효과를 얻을 수 있었습니다.