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기고문 : 플라스틱 파트에 대한 사출 성형 해석 소프트웨어, SOLIDWORKS Plastics

작성자
솔리드웍스
작성일
2016-09-29 10:54
조회
5584
우리 주변에는 매우 다양한 종류의 플라스틱 제품들이 존재한다. 스마트폰, 컴퓨터, 자동차, 가전제품, 완구 제품, 생활용품, 화장품 등 매우 많은 제품들에 플라스틱이라는 재료가 사용된다. 플라스틱이라는 열가소성 재료는 열을 가하면 비교적 낮은 온도에서 그 형태가 액체와 같은 상태로 변화하여 제조 방법이 다른 재질을 이용하는 제조 방식보다 쉬워 가장 흔하게 사용되는 재료이다. 플라스틱 제품을 대량으로 생산하기 위해서는 '금형'이라는 것이 필요한데, 액체 상태의 수지를 금형 내부의 캐비티에 충전시켜서 제품을 성형한다. 이렇게 수지와 금형을 이용하여 제품을 대량으로 생산하는 제조 방식을 '사출 성형 가공법'이라고 한다.

사출 성형 가공법 은 플라스틱 펠렛을 성형된 파트로 전환하는 가장 일반적인 제조 프로세스이며 우리 주변의 최소 80% 이상의 플라스틱 제품이 사출 성형 가공법을 통해서 제조된다. 사출 성형 가공법은 시간, 온도, 압력, 재료 그리고 금형 및 사출기 관련 변수들이 복잡하게 혼합된 제조 방법이며 이는 문제를 발생시킬 수 있는 변수들이 그만큼 많다는 것을 의미한다. 또한, 사출 성형을 위한 금형의 가격은 수백만 원에서 수억 원까지 다양하며 금형 한 개의 금액이 10억 원이 넘는 것도 있다고 한다. 따라서 한번 제작된 금형의 실수를 수정하기 위해서 많은 비용과 시간을 투자해야 하는 경우들이 많이 발생하고 있다. 이런 문제를 미리 예측하고 회피하여 엄청난 비용을 절감할 방법은 여러 가지가 있을 수 있다. 그중에서도 가장 널리 사용되고 있는 방법이 3D CAD 데이터를 이용하여 가상 환경에서 시뮬레이션을 수행하는 것이다.

SOLIDWORKS Plastics는 플라스틱 파트나 사출 금형을 설계하는 기업을 위한 제품이다.

3D CAD 데이터를 활용해 가상 환경에서 시뮬레이션해 제품 개발 초기 단계에서 파트와 금형에서 발생할 수 있는 제조 결함을 예측하고 회피하기 위한 목적으로 활용할 수 있는 플라스틱 파트 사출 성형 해석 소프트웨어이다.

위 그림에 표시된 것처럼 SOLIDWORKS Plastics를 이용하면 금형 내부의 캐비티가 충전되는 과정을 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있다. 마치 금형 내부를 들여다볼 수 있는 창을 제공하는 것과 같이 수지가 충전되는 과정을 직관적으로 파악할 수 있다. SOLIDWORKS Plastics가 없다면 금형 내부에서 발생하는 현상들을 이해하는 것은 불가능할 것이다. 이를 통해서 금형을 직접 제작하지 않아도 성형되는 파트에 필요한 여러 가지 파라미터에 대한 최적화가 가능하고 그 과정에서 발생할 수 있는 여러 문제를 미리 파악하여 문제를 해결할 수 있다.

SOLIDWORKS Plastics 제품은 세 개의 패키지로 구성되어 있는데 아래 그림과 같이 패키지별로 해석 기능에 차이가 있다.


SOLIDWORKS Plastics Standard 패키지
는 균일한 두께를 가진 파트를 최적화하거나, 수지를 캐비티에 주입하기 위한 최적의 위치를 결정하기 위한 기본적인 해석을 수행할 수 있는 플라스틱 파트 설계자를 위한 패키지다. 사출 성형 프로세스의 충전 단계를 시뮬레이션하고 충전 여부 및 시간, 웰드라인 생성 위치, 공기 갇힘 발생 위치, 필요한 형체력 등에 대한 결과를 얻을 수 있으며 아주 큰 플라스틱 파트를 충전할 때 필요한 다중 게이트에 대한 시뮬레이션도 가능하다.


SOLIDWORKS Plastics Professional 은 금형 설계자와 금형 제조자를 위한 패키지이며 프로세스에 대한 좀 더 깊이 있는 해석을 수행할 수 있다. 사출 성형 프로세스의 충전 및 보압 단계를 시뮬레이션할 수 있고 단일 캐비티, 다중 캐비티 및 패밀리 금형 레이아웃을 해석하고 최적화할 수 있다. 또한 자동으로 러너 시스템에 대한 균형을 맞춰주며 요구되는 최대 사출압 및 사출기의 크기를 결정할 수 있는 데이터를 획득할 수도 있다. 인서트 오버 몰딩, 2 샷 몰딩, 보조 가스 사출 몰딩, 밸브 게이트, 복굴절 및 섬유 충전 재료 등과 같은 해석을 수행할 수 있다.

SOLIDWORKS Plastics Premium 패키지 는 파트의 냉각 과정에 대한 시뮬레이션이 가능하며 파트의 변형에 대한 예측도 가능한 패키지이다. SOLIDWORKS Plastics Professional의 모든 기능 외에도 파트 및 금형 설계자가 금형 냉각 라인 레이아웃을 분석하고 성형된 파트에 대한 변형을 예측할 수 있는 시뮬레이션 기능이 포함되어 있다. 사용자는 간단하거나 복잡한 금형 냉각 라인 레이아웃을 설계 및 해석할 수 있다. 또한 냉각 시스템 설계를 최적화하여 시간을 최소화하고 제조 비용을 절감할 수 있으며, 파트 및 금형 설계, 재질 선택 및 공정 관련 파라미터를 최적화하여 성형된 파트의 변형을 감소시키거나 제거할 수 있다.

SOLIDWORKS Plastics는 SOLIDWORKS
CAD 소프트웨어와 완벽하게 통합되어 있어 SOLIDWORKS 사용자 인터페이스에서 사용할 수 있도록 구성되어 있다.


이 통합이 의미하는 것은 여러 가지가 있는데,
첫째 는 SOLIDWORKS를 사용해본 설계자/엔지니어라면 누구나 쉽게 배워서 사용할 수 있다는 것이다.
둘째 는 SOLIDWORKS CAD 소프트웨어를 이용하여 3D CAD 지오메트리를 변경하면 SOLIDWORKS Plastics 해석 모델에 자동으로 반영된다. 따라서 3D CAD 지오메트리가 변경될 때마다 별도의 해석 모델로 변환할 필요가 없으며, 변환을 위해서 소비했던 시간을 절약하여 설계 및 설계 검증에 집중할 수 있다.


SOLIDWORKS Plastics는 '시작하기 마법사 기능' 을 제공한다. 이걸 이용하면 SOLIDWORKS Plastics에 대한 전문적인 지식이 없어도 시뮬레이션에 필요한 모든 설정 사항들을 쉽게 정의할 수 있다. 다음 그림과 같이 메시 생성, 재질, 공정 파라미터, 사출 위치, 실행(해석), 결과와 같이 한 단계씩 마법사가 안내하는대로 진행하면 된다.

SSOLIDWORKS Plastics는 130여종 4,200여개의 재질 라이브러리를 기본적으로 제공하며 주기적인 업데이트를 통해 고객의 요구 사항에 대응하고 있다. 수지 종류별 혹은 제조사별로 정렬하여 수지에 대한 재질 데이터를 확인 가능하며 원하는 재질 정보를 빠르게 확인할 수 있도록 검색 기능 또한 제공한다. 기본 재질 라이브러리에서 제공하지 않는 재질 데이터의 경우 사용자가 직접 데이터를 입력하여 사용할 수 있도록 구성되어 있으므로 사용하고자 하는 재질 데이터를 이용하여 사출 성형 해석을 수행할 수 있다.

플라스틱 파트에 대한 사출 성형 해석이 완료된 후 해석 결과를 분석하는 것은 매우 중요한 과정 중의 하나이다. 결과를 분석하여 설계에 대한 통찰력을 획득할 수 있고 이를 기반으로 설계 변경 및 공정 파라미터 변경에 대한 전반적인 아이디어를 얻을 수 있기 때문이다.

SOLIDWORKS Plastics는 해석 결과를 실시간으로 확인할 수 있기 때문에 해석이 완료될 때까지 기다릴 필요가 없다. 해석이 진행되는 도중에도 해석 결과를 확인하고 그 결과가 이상하다면 해석을 중단하고 새로운 설정으로 신속하게 다시 시작할 수 있다. 또한, 사출 성형 해석 결과에 대해 전반적인 조언을 해주는 '결과 조언자'라는 기능이 있으므로 해석 결과 분석을 위해 전문가가 될 필요가 없다. 결과 조언자에서 제시되는 내용을 기반으로 설계나 공정 파라미터를 어떻게 변경할지에 대해서만 고민하면 된다.


SOLIDWORKS Plastics를 제품 개발 프로세스에 도입하면 다양한 혜택을 누릴 수 있다.

첫째, 제조 결함 예측 및 회피가 가능해진다. 3D CAD 데이터를 이용하여 가상 공간에서 해당 플라스틱 파트에 대한 사출 성형 해석을 수행하여 플라스틱 파트가 제조되기 전 제조 과정에서 발생할 수 있는 문제점을 미리 예측하고 회피할 수 있다.

둘째, 값비싼 금형 재작업 횟수를 감소시킬 수 있다. 금형 재작업은 시간과 비용이 많이 소요되는 작업이다. 사출 성형 해석을 통해서 제조 전에 미리 금형 재작업이 필요한 영역을 파악하고 이를 설계에서 수정하여 문제를 해결할 수 있다. 값비싼 금형 재작업을 한번이라도 감소시킬 수 있다면 엄청난 비용을 감소시킬 수 있다.

셋째, 플라스틱 파트에 대한 품질을 향상시킬 수 있다. 여러 가지 설계 시나리오 및 공정 파라미터에 대한 시뮬레이션을 수행함으로써 설계 및 공정 파라미터에 대한 최적화가 가능하다. 또한, 제품이 제조되기 전에 미리 문제점을 파악하여 해결하므로 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.

넷째, 제품 출시 시기를 단축할 수 있다. 물리적인 프로토타입이나 금형 재작업을 감소시켜 주므로 빠른 시간 내에 제품 개발을 완료할 수 있으므로 개발 비용을 감소시키고 제품 출시 시기를 단축할 수 있다.

SOLIDWORKS Plastics를 이용하여 단 한번의 금형 재작업을 감소시킬 수 있다면 SOLIDWORKS Plastics에 투자하는 비용을 합리화하는 충분한 근거가 될 것이다.
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