[Success Story] Microfluidic 형상 설계 및 성형 문제 예측

안녕하세요.

이티에스소프트입니다.

오늘 소개해드릴 성공 사례는

사출성형해석에서 활용 가능한

Microfluidic 형상 설계 및 성형 문제 예측 사례

입니다.

아래 내용 확인해보시죠!

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개요

시뮬레이션은 복잡한 3D 제품의 금형 설계를 최적화하기 위해 흔히 사용되지만, 마이크로 사출 성형 공정의 정밀한 시뮬레이션은 어려운 과제입니다. 본 프로젝트에서는 미세유체 유세포분석기 칩의 핵심 마이크로 구조를 활용하여, 미세 구조의 충전 시뮬레이션 접근방식을 연구했습니다.

이 과정에서 열전달 계수, Venting, Wall slip, 고화 온도 등을 포함한 파라미터들을 연구했으며, 특히 미세구조의 미성형을 성공적으로 예측해냈습니다. 또한, 선택된 파라미터들은 인서트의 배치 구성 2가지를 추가하여 검증하였습니다. 본 프로젝트는 고분자 마이크로 스케일 생산 및 인서트 개발에 있어, 미세 사출 성형 공정에서 시뮬레이션을 활용한 핵심 사례입니다.

도전과제

• 마이크로 크기의 캐비티 내 고분자 용융액 충전 거동 파악 어려움

• 금형 제작 전, 기본 파라미터를 적용한 시뮬레이션으로는 미세 형상 불량 예측 불가

솔루션

Moldex3D Designer BLM을 사용 시, 노드 시딩을 특별히 변경하여 적용했습니다. 또한, 미세구조 충전 시 발생하는 문제들을 정확히 예측할 수 있도록 실공정 조건, 실제 사출기 반응, 열전달 계수, Venting, Wall slip, 고화 온도를 포함한 물리현상을 모두 해석에 반영했습니다.

효과

• 마이크로 크기 구조의 미성형 현상 예측 성공

• 생산 전 대체 구조 검토를 통한 시간 및 비용 절감

사례 연구

마이크로 사출 성형은 미세유체 소자(Microfluidics), 미세 광학 부품(Micro-optics), 기능성 표면과 같은 고분자 마이크로/나노 부품의 대량 생산을 위한 대표적인 방법 중 하나입니다.

일반적인 사출 성형 시뮬레이션은 밀리미터(mm)나 센티미터(cm) 이상의 복잡한 3D 제품의 금형 설계를 최적화하는 데 큰 도움이 됩니다. 하지만 이러한 기존 시뮬레이션은 고분자 마이크로/나노 소자에서 핵심인 미세 형상의 성형 공정을 구현할 때는 정확도가 떨어집니다.

본 프로젝트에서는 미세 형상의 충전 시뮬레이션에 대한 실용적인 접근법을 개발하기 위해, 미세유체 유세포 분석기 칩의 핵심 미세 형상을 대표 부품으로 활용하였습니다.

첫 번째 케이스에서 시뮬레이션의 기본 설정만을 적용했을 때, 실제 성형 공정에서 발생하는 치명적인 결함을 예측하지 못한다는 사실을 발견했습니다 (그림 1).

그림 1. (a) 기본 설정의 충전 단계 미세 형상 시뮬레이션 결과 및 (b) 실험을 통해 관찰된 실제 미세 형상

따라서 해석 과정에서 미세 사출 성형에 핵심적인 열전달 계수, Venting, Wall slip, 고화 온도 등의 영향을 모두 고려했습니다. 또한, 미세유체 칩 기판의 거시적 고분자 유동을 사출 압력, 유동 선단 프로파일, 단면 프로파일 관점에서 함께 검토하였습니다. 그 결과, 예측 정확도를 더 최적화하였고, 실제 성형 과정에서 발생하는 불량 문제를 성공적으로 예측할 수 있었습니다(그림 2). 

그림 2. (a) 기존 설계 적용 시 사출 단계 이후의 실험결과 (b) 수정된 설계 적용 시 보압 및 냉각 단계를 포함한 전체 사이클 완료 이후의 실험결과 (c) 전체 사이클 완료 후의 실제 실험 결과

두 번째 케이스의 목표는 시뮬레이션과 실험 결과를 비교 분석하는 것이었습니다. 특히 전체 칩 크기 대비 미세 형상으로 간주되는 표면 원기둥들의 충전 거동을 중점적으로 검토하였습니다. 그 결과, 그림 3에서 볼 수 있듯이 시뮬레이션상의 충전 거동 (a),(c)는 실제 실험 결과 (b),(d)와 상당한 차이를 보였습니다.

그림 3 기존 설계의 시뮬레이션과 실제 실험 결과 간의 비교

이후 연구 팀은 두 번째 케이스에서 비교 분석한 변수를 최적화하기 위해 동일한 방법을 적용하였습니다. 그 결과, 시뮬레이션의 미성형 결함 예측이 실제 실험 결과와 정확히 일치함을 확인하였습니다(그림 4)

그림 4. 최적화된 설계의 시뮬레이션 결과와 실제 실험 결과의 비교

결론

UCD 연구 팀은 Moldex3D 해석을 활용해 계산 파라미터와 충전 거동 간의 관계를 조사하고, 마이크로 유체 칩 내 미세 형상의 미성형 현상을 성공적으로 예측할 수 있었습니다. 그 결과, 실제 충전 공정에서의 문제를 사전에 예측했으며, 금형 도구 제작 후 수정 작업에 소요되는 불필요한 비용을 크게 절감할 수 있었습니다.