CAE 트렌드/유동해석의 이해와 실사례 비교분석

민 병 무 / 삼성SDS CAD/CAM사업부 CAD사업팀 전임으로, CAD/CAM/CAE, 금형/가스성형 관련한 프로젝트와 컨설팅 업무를 주로 하고 있다.

E-Mail은 bmmin@samsung.co.kr

사출성형 CAE에 있어서 유동 해석은 금형내 수지의 흐름에 대한 유동 현상을 컴퓨터 시뮬 레이션으로 수지의 유동 패턴에 대한 예측을 통해 제품의 최적 설계와 금형의 최적 설계가 이드를 얻기 위한 목적에서 수행된다.
사출 공정 과정 중에 고분자 수지는 높은 온도를 유지하면서 차가운 금형벽면을 따라 유동을 하게 되며, 계속적인 레이어(Layer)간의 마찰과 냉각 현상이 발생한다. 이러한 과정은 단 면형상의 차이가 클수록 높게 나타나며, 특히 수지가 캐비티(Cavity)로 유입되는 게이트 (Gate)의 위치에 따라 재료의 동적 거동은 매우 큰 차이를 보인다. 이러한 과정에서 성형기 의 노즐에 작용하는 압력은 크게 나타나며, 금형을 지탱하는 힘(Clamp Force) 또한 크게 작용하게 된다.
이는 결과적으로 과다한 성형기 운용 비용을 부담하게 되므로 비용 절감 측면 에서 불리하게 작용한다. 또한 충진의 불균형에 의하여 다양한 성형 불량이 발생할 수 있으므로 균일한 Cavity 충진은 성형품의 품질 향상에 중요한 포인트(Point)가 될 수 있다. 이러한 유동 과정을 해석하기 위하여 사출성형 CAE에서는 사출성형 공정조건과 유사한 Input Data를 입력하여 실제 사례와 유사한 조건을 설정하여 주며, 최적의 Input Data를 설 정하는 것에 따라서 결과값의 차이가 다르게 나타날 수 있다.

유동해석 수행을 위한 Input Data

사출시간
사출시간은 수지가 Cavity를 100% 충진하는데 소요되는 시간을 의미하는데, 성형시 발생하는 Stress에 많은 영향을 주므로 적정한 시간을 찾아낼 필요가 있으며, <그림 1>과 같이 작성하여 봄으로써 추정이 가능하다. <그림 1>에서 보듯이 사출압이 최저점을 통과하는 지 점에서 화살표가 지시하는 지점의 영역이 최적 사출 시간이라고 할 수 있다. 즉 최적 사출 을 설정할 수 있는 사출시간의 설정이 사출압과 많은 연관 관계가 있다는 것을 알 수 있다. <그림 2>는 사출성형 공정의 사이클 시간에 대하여 나타나는 것으로 수지가 금형내 충전되 는 시간, 냉각 시간, 금형 개폐 시간의 사이클을 보여준다.
– 수지의 주입 온도
– 금형의 온도 및 냉매의 컨트롤 방식
– F/P Switch Over By Volume %
– Hot Runner Control Profile
– Ram Speed Profile

성형기의 사출속도를 제어하는 입력 데이터로서 Flow Induced Residual Stress에 밀접한 관계를 가지고 있으며, 이를 제어함으로써 성형 후 나타나는 휨의 양상을 개선할 수 있다. 이 것은 금형내에서의 압력의 변화, 수지선단의 단면적과 속도의 변화를 해석하여 봄으로써 Ram Speed의 조절시점을 예측할 수가 있다.
예를 들어 최초 수지가 입력되었을 때의 압력 과 수지가 금형내를 흐르다가 단면적의 변화가 큰 지점을 만나게 되면 수지 선단 단면적이 커지게 되므로, 압력은 낮아지고, 수지 선단 속도는 빨라지게 된다. 이러한 부위에서의 사출 기 속도는 초기 속도보다 늦추어 줌으로써, 수지선단부에서의 급격한 수지흐름 속도의 변화 를 제어할 수 있다.
<그림 3>에서 보는 바와 같이 Ram Speed는 초기 Stroke에 낮은 속도로 시작하여 최종 끝단에 갈수록 높아지는데, 끝단에서의 Ram Speed가 높아지는 것은 보압공정시 금형내에 높은 압력을 가하여 금형내에 수지가 충분히 채워져야 하므로, 압력이 높아진다.

유동해석의 결과와 최적 Feed System 설계
CAPA 유동해석의 결과로 압력 분포, 수지 충전 후의 온도와 금형내 수지의 유동 패턴 등에 대하여 그래픽적인 Output과 수치적인 정보를 얻을 수 있다. 이러한 정보는 금형설계에 필요한 게이트의 위치, 형상, 스프루, 런너의 최적설계를 위해 필요하다. 즉 게이트의 위치에 따라 금형내 압력 분포의 편차가 크게 발생할 수 있으며, 웰드라인 발생 위치가 달라질 수 있다. CAE 해석 결과에 대한 올바른 분석을 통하여 수지가 금형내를 균일한 속도로 충진하 고 필요에 따라 웰드라인의 위치를 제품 설계자가 원하는 위치에 자리잡도록 하는 CAE 해 석을 통한 시뮬레이션을 할 수 있다.

Pressure
CAE의 결과로 나타나는 Pressure는 Nozzle부의 끝단에 작용하는 압력을 의미한다. 일반적으로 Pressure는 제품의 형상과 공정조건에 따라 크게 영향을 받으므로 적정한 분포를 유지하기 위한 제품설계와 Gate System의 설계에 중점적인 고려가 필요하며, 공정조건의 Set-Up도 중요성을 띤다. <그림 4>는 Cavity를 흐르는 압력의 분포를 표로 나타내었으며, 수지 선단부위의 압력이 가장 낮아짐을 알 수 있다.

Bulk Temperature
Cavity를 충진한 수지의 온도는 시간과 위치뿐만 아니라, 두께에 따라 변화한다. 이러한 Property는 일정 싯점의 속도를 말하는 일반적인 속도개념이 아닌 유동층의 위치와 시간을 고려한 Bulk Temperature라는 Property로 표현한다. Bulk Temperature는 두께에 대한 가공 평균 온도로써, 단순한 평균온도 보다는 더 많은 물리적 특성을 갖는다. 즉 Bulk Temperature는 어떤 특정 위치를 통하여 전달되는 측정 가능한 에너지에 해당한다고 볼 수 있으며, 다음의 식으로 표현된다.
위의 식에서 정의된 바와 같이 Bulk Temperature는 수지가 유동 상태일 때는 속도 가중 평균온도를 의미하며, 유동이 정지되었을 때에는 단순한 평균온도이다. Bulk Temperature는 유동의 분포를 결정하는 중요한 요소가 된다. 계속적인 유동이 발생하는 지역은 더 높은 Bulk Temperature를 유지하며, 유동이 정지하는 지역에서는 급속히 감소하게 된다.
따라서 수지가 금형을 충진하는 동안에는 Bulk temperature는 유동의 분포를 결정하는 중요한 요소가 된다. 계속적인 유동이 발생하는 지역은 더 높은 Bulk Temperature를 유지하며, 유동이 정지하는 지역에서는 급속히 감소하게 된다. 다라서 수지가 금형을 충진하는 동 안에는 Bulk Temperature를 균일하게 유지하는 것이 중요하며, 과다한 온도의 차이는 성형 후, 불균일 수축과 이로인한 휨이 발생하기 쉽다.
<그림 5>는 Bulk Temperature와 깊이 관련된 Frozen Layer Fraction을 나타낸다. <그림 5>는 Frozen Layer Fraction과 Melt Front의 전진과정을 나타내며, 이 값이 크다는 의미는 Melt Front Area(Mfa)가 감소하여 성형압력이 증대되고, 이로인한 유동의 정체로 Cavity내 에 열전달의 증가로 Bulk Temperature의 차이가 크게 발생할 수 있다.
보다 나은 성형품을 얻기 위한 방법으로 다음과 같은 공정기술을 적용할 수 있으며, 가장 기본적인 방법은 제품설계의 완벽을 기함과 동시에 2차적으로 금형설계 측면에서 보정하는 것이 이상적이다.
Shear Thinning 효과를 얻기 위하여 낮은 온도에서 고속 사출하는 방법 Gate를 추가하여 Flow Path의 길이를 단축하여 낮은 온도로 사출하는 방법 Gate 부위의 Shear Thinning을 줄이기 위하여 Diameter를 확대하는 방법 Cavity내에서 Shear Heating을 줄이기 위하여 Melt-Front Velocity를 정속 유지 Cavity내에서 수지가 균일하게 충진되도록 Gate Point 조절 금형 벽면 온도를 균일하게 유지

Melt Front Advancement
시간에 따른 수지의 이동경로를 나타내는 Output의 형태이며, 이 결과를 분석함으로써 Cavity의 균일충진 형태를 진단할 수 있다. <그림 6>은 Melt Front Advancement를 나타내며, <그림 6>은 Melt Front Area의 형태에 따른 수지의 Melt Front Velocity(Mfv)를 표현 한다.

Weld Line & Meld Line, Air Trap
Weld Line은 Weld Mark 또는 Knit Line으로도 불리며, 두 개의 다른 방향으로 흐르는 수지가 접할 때에 생성된다. 이러한 현상은 Part의 Hole부와 Insert부에서 발생하며, Multi-Gate System에서 흔히 발생할 수 있다. 수지는 분자 구조상으로 방향성(Orientation) 을 가지므로 Wled 또는 Meld Line 생성 부위는 구조적으로 불안정한 구조로 배열된다. 그러므로 이들은 Gate System의 위치와 크기를 조정함으로써, 보다 낮은 점성상태에서 생성 토록 유도할 필요가 있으며, 집중응력이 작게 작용하는 부위에 생성토록 해야 한다. <그림 7>은 Weld Line과 Meld Line 생성과정을 나타내며, 이들의 구분은 개략적으로 입사 각이 135도를 기준으로 이보다 크면 Weld Line으로 분류하며, 이보다 작으면 Weld Line으 로 구분한다.

CAE 해석을 통한 유동해석의 결과와 실사례의 비교
<그림 8>은 CAPA를 이용하여 FAX COVER의 유동패턴 해석 결과와 실제 성형품의 유동 패턴을 비교한 그림이다. 그림에서 보듯이 GATE의 위치가 우측에 2점, 좌측에 1점이 있어, 충진 속도가 우측이 빠르게 나타남을 볼 수 있다. 또한, 구조적인 문제에서 볼 때 FAX의 좌측 하단에 있는 사각 홀이 유동속도를 방해하는 요소로 작용하여 전반적으로 좌측부위의 충진 속도가 늦어짐을 알 수 있다.
<그림 9>의 결과는 최종 충진 후 발생하는 웰드라인의 위치를 보여주는 것이다. 웰드라인 은 <그림 7>에서 수지흐름에 영향을 미치는 분기 역할을 하거나, 2개 이상의 게이트 시스 템을 사용할 경우에 수지 선단이 만나는 부위에서 발생함을 알 수 있다.

맺음말
사출성형 CAE에서의 유동해석은 수지의 유동 패턴의 분석을 통하여 제품 외관에 대한 불량문제의 예측과 해결방안, 온도 분포 분석에 따른 냉각 채널 레이아웃의 설계안을 얻을 수 있다. 이외에 압력분포에 대한 분석을 통하여 게이트와 최종 충진 부위와의 압력 차에 대한 분석을 통하여 게이트의 위치와 개수 및 형상, 크기 등에 대한 설계안을 설정할 수 있다.
사출성형 CAE를 통한 해석 결과가 실제의 사출성형공정을 100% 신뢰를 주는 결과라고는 할 수 없으나, 현장기술자의 경험과 이론적인 경험, 최적 성형 해석 결과를 얻기 위한 최적 Input Data의 설정에 대한 기술이 신뢰성을 높일 수 있다고 할 수 있다.
사출성형 CAE는 전통적으로 수행하여 오던 품질 개선 활동에 대한 새로운 방법을 제시하여 주고, 불필요한 경비와 시간, 인력의 낭비를 감소시킬 수 있다. 예를 들면 전통적인 방법 을 수행하는 현장에서는 최소한 금형이 제작 완료되어 사출기에 결합되어 실제 제품을 사출 하여 보지 않고는 그 경향이나 불량 문제를 정확히 확인할 수 없다.
오랜 현장기술 경험이 제품 도면을 보고 어느 정도의 예측을 가능하게 하지만, 이미 금형이 만들어진 이후에 발생 하는 문제에 대해서는 금형의 수정에 필요한 많은 경비가 투입되게 된다. 결과적으로 금형 에 대한 수리에 의한 납기 지연, 금형 수리를 통한 제품 신뢰성의 감소로 기업의 손실이 발 생한다.
사출성형 CAE에서의 유동해석은 일반적으로 발생할 수 있는 많은 문제를 컴퓨터를 통한 시뮬레이션을 통하여 검증하여 보므로 이러한 문제를 해결할 수 있다. 기업은 불량 발생에 대한 문제를 사후 처리가 아닌 사전 처리 및 예방을 통하여 손실을 줄일 수 있다.