형상적응형 냉각, 기존 방식과의 차이점과 적용 효과

안녕하세요.

이티에스소프트입니다.

오늘 소개해드릴 Top Story는

형상적응형 냉각, 기존 방식과의 차이점과 적용 효과

입니다.

아래 내용 확인해보시죠!

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3D 프린팅 기술이 빠르게 발전하면서, 기존 방식과는 다른 복잡한 냉각 설계를 사출 성형 공정에 적용하는 사례가 점점 늘어나고 있습니다. DMLS(직접 금속 레이저 소결)와 같은 적층 제조 방식은 프린터 플랫폼의 크기나 출력 각도 제한 내에서 상상할 수 있는 거의 모든 형태의 복잡한 냉각 회로를 구현할 수 있으며, 이를 통해 제품 품질과 사이클 타임을 효과적으로 제어할 수 있습니다.

사출 성형 공정에서 냉각 단계는 전체 사이클 타임을 결정짓는 핵심 요소입니다. 이는 제품이 안전하게 배출될 수 있을 만큼 충분히 냉각되어야 하며, 냉각 속도를 정밀하게 제어해야 하는 경우가 많기 때문입니다. 최근에는 형상적응형 냉각 기술을 통해 일반적인 가공 방식으로는 접근이 어려운 제품 내부나 복잡한 형상 부위까지 냉각 채널을 설계할 수 있게 되었습니다. 이를 통해 냉각 시간을 단축하고 제품 품질을 향상시킬 수 있는 가능성이 열리고 있습니다.

적층 제조를 활용한 형상적응형 냉각은 단순히 복잡한 형상을 구현할 수 있을 뿐 아니라, 기존의 가공 방식보다 더 빠르게 제작할 수 있습니다. 특히 다수의 캐비티를 포함한 금형의 경우, 적층 제조를 통해 적응형 냉각 채널을 설계하면 그 효과가 더욱 두드러집니다.

적응형 냉각이 금형 제작 시간 단축, 사이클 타임 감소, 제품 품질 향상에 어떤 기여를 할 수 있는지 파악하는 데에는 플라스틱 성형 해석 소프트웨어의 활용이 효과적입니다. 예를 들어, 그림 1에서는 일반적인 나선형 냉각 채널과 형상적응형 냉각 채널 간의 금형 내 온도 분포를 비교하여 냉각 효율과 균일성을 분석할 수 있습니다. 기존 냉각 설계는 구조적인 제약으로 인해 인서트 및 제품에서 열을 효과적이고 균일하게 제거하지 못하는 반면, 형상적응형 냉각은 이러한 한계를 극복할 수 있습니다.

그림 1. 인서트에 적용된 일반 냉각과 형상적응형 냉각 설계의 온도 분포 해석 결과

변형을 최소화하는 데 있어 중요한 요소 중 하나는 수축 편차를 줄이는 것입니다. 금형 온도가 균일하게 유지되면 수축 편차가 줄어들고, 이는 곧 변형 감소로 이어집니다. 그림 2에서는 제품 표면에 배치된 센서 노드를 기준으로 사출 성형 사이클 동안의 온도 분포를 비교한 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 이를 통해 앞서 언급한 두 가지 냉각 채널 설계 간의 냉각 성능을 확인할 수 있습니다. 

그림 2. 인서트에 적용된 일반 냉각과 형상적응형 냉각 설계에 대한 제품 표면의 센서 노드 기준의 온도 분포 시뮬레이션 결과

형상적응형 냉각 설계를 적용한 경우, 최대 온도 차(∆T)는 약 2~3°C 수준으로 나타나며, 이는 기존 냉각 설계의 약 5~7°C 보다 낮습니다. 제품 내 온도 편차가 줄어들면 재료의 응고 및 수축 속도 차이도 줄어들어, 결과적으로 변형이 적은 제품을 얻을 수 있습니다.

요약하자면, 진공 브레이징이나 적층 제조 같은 최신 기술을 활용해 복잡한 냉각 채널을 설계함으로써, 사이클 타임을 단축하고 제품 품질을 높이려는 시도가 점점 늘어나고 있습니다. 특히 형상적응형 냉각 설계를 성형 해석 소프트웨어와 함께 적용하면, 사출 성형 공정에서 해당 냉각 방식의 효과를 검증하고 투자 대비 효과(ROI)를 보다 정확하게 판단할 수 있습니다.