[Success Story] 점탄성 특성을 통한 변형 예측 정확도 향상

안녕하세요.

이티에스소프트입니다.

오늘 소개해드릴 성공 사례는

점탄성 특성을 통한 변형 예측 정확도 향상

입니다.

아래 내용 확인해보시죠!

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요하네스 케플러 린츠 대학교(JKU)는 50년이 넘는 역사를 가지고 있으며, 오늘날 20,000명 이상의 학생들이 학업을 이어가고 있습니다. 현재는 오스트리아 북부 최대 규모의 연구 및 교육 기관으로서 높은 수준의 학위 프로그램을 제공하고 있습니다.

개요

사출 성형 제품을 제작할 때, 미충전을 예방하고 제품 품질 사양을 준수하기 위해서는 변형 예측이 필수적입니다. 특히 정확한 시뮬레이션 결과를 얻기 위해서는 열가소성 소재의 점탄성 특성이 고려되어야 합니다. 본 프로젝트에서는 Moldex3D를 활용하여 점탄성이 변형 해석에 미치는 영향을 연구했으며, 변형 거동 모델링과 시뮬레이션 방법론, 검증 과정을 개발했습니다. 결과적으로 점탄성 거동에 대한 이해와 해석 반영이 정확한 변형 예측의 핵심 요인임을 확인했습니다.

도전과제

·         제품 변형 시뮬레이션 및 검증을 위한 방법론 개발

·         변형 해석에서 점탄성의 중요성 이해

·         실제 생산 시 변형 감소 및 치수 안정성 유지

솔루션

변형 거동을 예측하기 위해 Moldex3D의 Standard 및 Enhanced 변형 솔버를 적용하여 전과정 과도 해석(Full Transient Analyses, Ct-F-P-Ct-W)을 진행했습니다. 이후 GOM GmbH사의 ATOS Triple Scan III 장비를 활용한 3D 스캔을 통해 시뮬레이션 결과를 검증했습니다.

효과

·         점탄성 특성 반영으로 변형 예측 정확도 향상

• 호모폴리머의 경우 520% 개선

• 단섬유 강화 폴리머의 경우 78% 개선

·         제품 변형의 핵심 요인 파악

·         가상 프로토타이핑 도입으로 금형 설계 및 제작 비용 절감

사례 연구

본 연구는 박사과정의 필립 지그프리트 스텔처(Philipp Siegfried Stelzer) 연구원이 JKU 폴리머 제품 공학 연구소 및 독일 Polyplastics Europe GmbH와의 협업을 통해, Moldex3D 본사 인턴십 프로그램 기간 중 진행되었습니다. 

소재 물성은 제품 품질 향상과 정확한 변형 예측을 위해 필수적인 역할입니다. 본 연구에서는 변형 예측 정확도 측면에서 점탄성 거동의 중요성을 검증하는 것을 목표로 하였습니다.

연구 과정에서 PBT 열가소성 폴리머와 30wt%의 짧은 유리섬유가 포함된 열가소성 폴리머를 사용한 벤치마크 테스트를 진행했습니다. 이 과정에서 Moldex3D 시뮬레이션에 필수적인 열-유변학적 및 기계적 특성을 얻고자 소재의 다양한 특성 분석을 병행했습니다. 특히 점탄성 모델 보정에 핵심적인 마스터 곡선을 생성하고, 이를 프로니 급수로 피팅하기 위해 동적 기계 열분석(DMA)을 실시했습니다. 실험의 벤치마크 부품으로는 사출 성형된 플라스틱 리브 박스를 활용하였으며, 시뮬레이션 결과의 검증을 위해 ATOS Triple Scan III 장비로 3D 스캔을 진행했습니다.

시뮬레이션을 위해 모델은 Moldex3D BLM 메쉬로 제작했으며, 모든 콜드 러너와 냉각 채널은 실제 금형 설계를 기반으로 모델링하였습니다. 특히 Z-방향 변위의 정량적 검증을 위해 21개의 측정 노드를 배치했습니다(그림1).

그림 1.  벤치마크 부품의 시뮬레이션 모델

이후 Moldex3D를 이용하여 전과정 과도해석(Ct-F-P-Ct-W)을 진행하였고, 정확한 변형 예측을 위해 Standard 변형 솔버와 Enhanced 변형 솔버를 각각 적용하여 비교 분석했습니다.

해석 결과, 순수 PBT 폴리머의 경우 점탄성 거동을 반영하지 않은 Standard 솔버는 변형 경향성이 실제와 달랐습니다. 반면, 점탄성 거동을 고려한 Enhanced 솔버는 실제와 상당히 유사한 값으로 변형 경향을 예측해 냈습니다.

이와 달리 섬유 강화 PBT의 경우, 소재의 이방성 특성으로 인해 유동에 따른 섬유 배향이 변형 거동의 지배적인 요인으로 작용했습니다. 이로 인해 Standard 솔버와 Enhanced 솔버 모두 실제와 유사하게 변형 경향을 나타냈습니다(그림2). 그러나 섬유 강화 PBT 경우에도 점탄성을 고려했을 때, Z-방향 변위의 변형 예측 정확도를 크게 향상시킬 수 있음을 확인했습니다(그림3).

그림 2.  섬유 강화 소재의 이방성 특성

그림 3.  두 PBT 소재에 대한 변형 예측 검증 결과

결론

결과적으로, 시뮬레이션의 정확도 향상을 위해 소재의 점탄성 특성 반영이 필수적임을 검증하였습니다. 또한 Moldex3D 시뮬레이션에서 점탄성 특성을 고려함으로써, 순수 플라스틱과 섬유 강화 플라스틱 모두에서 높은 변형 예측 정확도를 얻을 수 있음을 확인하였습니다.