공동 사출 성형 부품의 메커니즘 분석 및 변형 문제 해결

안녕하세요.

이티에스소프트입니다.

오늘 소개해드릴 성공 사례는

공동 사출 성형 부품의 메커니즘 분석 및 변형 문제 해결

입니다.

아래 내용 확인해보시죠!

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개요

다중 재질 사출 성형(MCM)은 다양한 산업 분야에서 오랫동안 활용되어 왔지만, 소재와 공정이 복잡하게 얽혀 있어 제품 개발 과정에서 제어와 관리가 쉽지 않습니다. 이런 문제를 해결하기 위해 국립 윈린 과학기술대학 YunTech는 기존의 오버몰딩 방식에서 공동 사출 성형(Co-injection Molding) 방식으로 연구 범위를 확장해, 제품 변형이 발생하는 물리적 메커니즘을 분석했습니다.

오버몰딩 방식에서는 성형 후 발생하는 체적 수축의 불균형과 열의 축적 또는 방출로 인해 제품이 안쪽이나 바깥쪽으로 휘는 현상이 발생할 수 있습니다. 그러나 적절한 공정 제어를 통해 이러한 변형은 충분히 개선할 수 있습니다.

반면 공동 사출 성형에서는 코어 소재가 얼마나 깊이 침투하느냐가 뒤틀림에 큰 영향을 미칩니다. 이번 연구에서는 침투 거리가 임계값을 넘을 경우, 제품의 변형이 눈에 띄게 줄어드는 것을 확인했습니다.

YunTech는 Moldex3D 시뮬레이션을 활용해 최적의 공정 조건을 찾아냈고, 이를 통해 변형 문제를 효과적으로 해결했습니다. 앞으로 해당 연구 결과는 다중 소재 공동 사출 성형 분야의 기술 개발과 연구 방향 설정에 중요한 기반이 될 것으로 예상됩니다.

도전 과제

• 공동 사출 성형 공정에서의 소재 특성, 코어/스킨 비율, 공정 조건 등 성형 파라미터 제어

• 제품의 변형 개선

• 제품의 치수 정밀도 제어

솔루션

Moldex3D의 공동 사출 모듈을 활용하여 최적의 코어/스킨 비율과 공정 조건을 결정함으로써, 코어 침투(Core Penetration)와 제품 변형을 효과적으로 제어합니다.

효과

• 변형 53% 감소

• 사전 예측으로 비용 절감

• 시장 경쟁력 확보

사례 연구

이 프로젝트의 주요 목표는 제품의 변형을 개선하고, 이러한 품질 향상에 기여한 물리적 메커니즘을 파악하는 데 있습니다. 순차적 공동 사출 공정을 보다 깊이 있게 이해하기 위해, YunTech는 Moldex3D 소프트웨어를 활용하기로 결정했습니다. 제품 형상 모델에는 러너 시스템과 그림 1에 제시된 치수가 포함되어 있으며, 변형 정도를 평가하기 위해 그림 2에 정의된 기준을 적용했습니다.

그림에서 확인할 수 있듯이, S₀는 제품의 원래 설계 길이를 의미합니다. 코너 A에서 측정된 길이 S₁이 S₀보다 짧다면, 해당 부위는 안쪽으로 휘어진 것으로 판단할 수 있습니다. 마찬가지로, 코너 B의 S₂가 S₀보다 작을 경우에도 안쪽 방향으로의 변형이 발생한 것으로 볼 수 있습니다. S₁과 S₂의 차이는 두 팔(arms) 부위의 상대적인 변형 경향을 나타내며, 이를 통해 비대칭 변형의 정도를 평가할 수 있습니다.

그림 1. 파트의 형상 및 치수

그림 2. 안쪽 및 바깥쪽 변형의 정의: (1) 코너 A에서 S₁<S₀일 경우, 변형은 안쪽 방향으로 나타남. (2) 코너 B에서 S₂<S₀일 경우에도 변형은 안쪽 방향으로 나타남.

분석 결과에 따르면, 변형 개선은 임계 코어 침투 거리 기준(그림 3)을 통해 설명할 수 있습니다. 코어가 빨간 대각선을 넘어설 경우, 변형이 완화되는 경향이 있으며, 이때 기준이 되는 중심 침투 거리는 36mm입니다. 즉, 중심 코어 침투 거리가 36mm를 초과하면 변형이 개선된다는 의미입니다. 실제로 초기 설계 조건에서 코어 비율이 20%를 넘고 중심 침투 거리가 36mm 이상일 경우, 제품 품질이 눈에 띄게 향상되는 것으로 나타났습니다. 이러한 분석을 바탕으로 YunTech에서는 다음과 같은 설계 변경을 적용하였습니다: (1) 코어 비율 조정 (2) 용융 온도 감소 (3) 1차 사출 유량 감소

그림 3. 임계 침투 거리 도식 (게이트에서 대각선까지의 거리)

그 결과, Moldex3D의 분석 지원을 바탕으로 YunTech는 코어/스킨 비율을 조정하여 변형을 0.792mm에서 0.378mm로 줄이는 데 성공했습니다. 이는 무려 52.7%에 달하는 의미 있는 개선 효과로, 제품 품질 향상에 크게 기여한 것으로 나타났습니다(그림 4).

그림 4. 다양한 코어 비율 및 제어 인자에 따른 S2-S1 결과

결과

Moldex3D는 공동 사출 성형 공정에서 코어의 침투 거동을 정밀하게 예측할 수 있어, 성형 과정 중 발생하는 문제를 효과적으로 해결하는 데 큰 도움이 됩니다. 실험 결과 역시 Moldex3D의 높은 예측 정확도를 뒷받침하고 있습니다(그림 5). 이러한 성과는 YunTech가 향후 다양한 소재를 활용한 복합 제품을 제조하는 데 있어 Moldex3D를 보다 효과적으로 활용할 수 있는 기반을 제공해줍니다.

그림 5. 실제와 유사한 시뮬레이션에서의 용융 거동