[Success Story] 코너 효과로 인한 사출 유동 불균형 개선

안녕하세요.

이티에스소프트입니다.

오늘 소개해드릴 성공 사례는

코너 효과로 인한 사출 유동 불균형 개선

입니다.

아래 내용 확인해보시죠!

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Free-Free는 아크릴 소재의 수납용기, 식기류, 테이블용품, 욕실용품, 사무용품, 3C IT 액세서리 및 반려동물 용품 분야를 선도하는 전문 제조업체입니다. 1985년 마이크 리우(Mike Liu) 회장과 실비아 장(Sylvia Chang) 총괄에 의해 설립되었습니다. "Felli"라는 브랜드명으로도 잘 알려진 Free-Free Industrial Corp은 약 30년에 달하는 풍부한 아크릴 제조 및 개발 노하우를 보유하고 있습니다.

개요

본 프로젝트는 식품 보관 용기의 대량 생산을 위해 진행되었습니다. Felli 엔지니어들의 개발 목표는 생산 주기 단축과 양산 수율 향상, 그리고 후가공 단계의 최소화였습니다.

원자재 절감 및 표면 결함 방지를 위해 밸브 게이트 핫 러너 시스템을 설계했지만, 이 과정에서 밸브 게이트로 인한 코너 효과가 발생하여 유동 불균형을 유발하는 웰드 라인, 에어 트랩, 헤일로 마크 등의 불량을 만들어냈습니다.

이를 해결하고자 Felli 엔지니어들은 Moldex3D를 활용한 성형 해석을 진행했고, 코너 효과의 원인을 찾아 개선안을 검증했습니다. 그 결과 균일한 고품질 제품을 안정적으로 대량 생산할 수 있게 되었습니다.

도전과제

·         유동 불균형

·         에어트랩과 웰드라인

·         헤일로 마크

솔루션

Moldex3D의 유동 해석과 Hexa 기반 메시를 활용하여 유동 불균형의 원인을 분석하고 해결책을 도출했습니다.

효과

·         표면 결함 완전 제거

·         양산 성공률(수율) 99% 향상

·         균일한 고품질 연속 생산 달성

사례 연구

본 제품은 AS 수지 재질의 투명 보관 용기로, 크기는 140mm × 140mm × 210mm입니다(그림 1). 금형은 2캐비티 구조로 설계되었으며, 용기 하단부에서 밸브 게이트 핫 러너를 통해 수지가 충전되는 방식입니다.

해당 프로젝트는 24시간 연속 가동되는 대량 생산을 목표로 기획되었기 때문에, ‘안정적인 연속 생산’이 가장 핵심적인 과제였습니다.

표면 결함을 개선하고 성형 사이클을 단축하기 위해 밸브 게이트 핫 러너 시스템과 개선된 냉각 채널 설계를 적용하였습니다. 하지만 여전히 유동 불균형으로 인한 웰드 라인, 에어 트랩, 헤일로 마크등의 불량이 여전히 발생했습니다.

그림 1.  대상 제품: 투명 보관 용기

Moldex3D 시뮬레이션 결과, 실제로 유동 불균형 현상이 나타나는 것을 확인할 수 있었습니다(그림2). 온도 해석 결과를 살펴보면, 용융 수지가 밸브 핀을 우회하면서 발생하는 코너 효과로 인해 고온의 수지가 외곽 쪽으로 쏠리게 되고, 이 현상이 제품 끝단까지 지속되는 것을 알 수 있습니다(그림3).

그림 2.  Moldex3D 유동 선단 결과(좌)와 실제 실험 결과(우)와의 유동불균형 일치

그림 3.  온도 프로파일 관찰 결과 : 용융 수지가 밸브 핀을 통과 후 온도 분포(좌) 제품 영역까지 확장 후 온도 분포(우)

시뮬레이션 결과와 실제 실험을 통해, 유동 균형에 영향을 미치는 핵심 원인은 밸브 핀인 것을 확인할 수 있었습니다.

이에 Felli는 시뮬레이션을 통해 밸브 핀 길이를 조절과 제거를 조건으로 검증을 시도했습니다. 그 결과, 밸브 핀 제거 시 유동 균형이 현저히 개선되는 것을 확인했습니다(그림 4). 실제 금형 사출 검증 결과 역시 이러한 시뮬레이션 예측과 정확히 일치했습니다(그림 5).

그림 4.  밸브 핀 제거 시 시뮬레이션 결과

그림 5.  실제 실험 검증 결과 

최종적으로 Felli는 Melt Flipper 기술을 적용해 러너 설계를 최적화하였습니다. 그 결과, 용융 수지가 밸브 게이트를 통과한 후의 온도 차를 줄일 수 있었고(그림 6), 유동 불균형을 개선할 수 있었습니다(그림 7).

그림 6.  Melt Flipper 통한 밸브 핀 통과 후의 온도 차 감소 결과(좌), 유동 불균형 개선 결과(우)

그림 7.  설계 최적화를 통한 유동 불균형 개선 결과

Felli는 Moldex3D 해석과 저비용 실증 테스트를 거쳐 문제 원인을 찾아냈고, 이를 바탕으로 밸브 핀을 효과적인 개선 방향을 확인했습니다.

Moldex3D를 통해 개선안을 재검증한 결과, 해석상 불량률을 100%에서 0%로 낮췄을 뿐만 아니라 실제 양산 과정에서의 불량률도 0.05% 수준까지 줄일 수 있었습니다. 이를 통해 불필요한 임시방편이나 비효율적인 금형 작업 등의 비용 손실을 사전에 방지할 수 있었습니다.

결과

Felli의 엔지니어들은 Moldex3D의 유동 해석과 Hexa 기반 메시 기술을 활용하여 유동 불균형과 내부의 정밀한 온도 분포를 확인할 수 있었습니다.

또한 Moldex3D를 통해 밸브 핀이 유동 균형에 미치는 영향을 분석하였습니다. 그 결과, 시뮬레이션 결과는 실제 실험 결과와 매우 높은 일치도를 나타냈으며 밸브 핀이 유동 불균형 개선의 핵심인 것을 확인할 수 있었습니다.

Felli는 Moldex3D를 활용하여 코너 효과의 원인을 확인하고, 용융 수지가 밸브 핀을 통과할 때 발생하는 온도 차를 줄이도록 러너 설계를 최적화하였습니다. 최종적으로 코너 효과로 유발된 유동 불균형을 성공적으로 개선할 수 있었습니다.