CAE,Moldex3D를 통해 카메라 렌즈 케이스 진원도 개선사례

Customer Profile

• 고객: 중원대학
• 국가: 타이완
• 산업: 교육
• 솔루션: Moldex3D Solution Add-on; 섬유배양모듈

중원대학 모듈센터는 2001년 타이완 교육부에 의해「정밀전기 및 기계기술 교육 개선 프로젝트」를 담당하며 설립되었으며, 그 주요 임무는 금형 및 성형 분야에서 학교간 자원 통합, 산업인력 양성과 연구개발 기지로서의 미래지향적 특색실험실 설립, 산업계와 학계의 협력 강화 및 국제적 기준 충족을 통한 국제적인 실질적 교류와 협력 촉진에 있다. (출처. (Source: http://www.cycu.edu.tw)

개요

우수한 사진 품질을 얻기 위해, 광학카메라 렌즈 케이스는 반드시 진원도를 포함하여 적당한 치수 정확성에 도달해야 한다. 본 사례의 카메라 렌즈 케이스는 섬유강화재료로 제조되며, 개선해야 할 그 진원도 문제는 반드시 각 프로세스 조건 변화 검사에서부터 시작해야 하기 때문에, 중원대학팀은 Moldex3D를 도입하여 프로세스 설정을 최적화하였다. 먼저 Moldex3D로 유동과 섬유 분석을 진행한 후, 뒤틀림 분석 결과 중에서 제품의 진원도 불량을 발견하고, 그 결과의 정확성 역시 실험을 통해 검증하였다. 시뮬레이션 결과에 따르면, 금형 온도를 높이면 진원도를 개선할 수 있다. 그러나 유리섬유를 추가하면, 섬유의 배향이 제품을 균일하지 않게 수축시켜서 그 진원도가 나빠진다. 제품 진원도에 대한 섬유의 영향을 줄이기 위해, 중원대학은 섬유 첨가량을 조정하고 런너 시스템 설계를 수정한 후, 시뮬레이션 검증을 진행했다. 마지막으로 Moldex3D 시뮬레이션을 통해 최상의 섬유량과 런너 설계를 찾아서 제품의 진원도를 뚜렷하게 개선했다.

목표

• 카메라 렌즈 케이스 진원도가 불량하면 사진 이미지가 왜곡된다.
• 유리섬유는 예상대로 치수 정확도를 향상시킬 수 없고, 도리어 진원도를 약화시킨다.

해결안

Moldex3D로 프로세스 조건의 영향을 연구하고, 이에 따라 제품 설계를 수정하여 진원도를 개선한다.

장점

• 각 프로세스 조건이 제품 진원도에 미치는 영향을 이해할 수 있다.
• 게이트 위치의 변경을 통해 진원도를 35% 이상 개선한다.

사례

본 사례의 목적은 최상의 프로세스 조건 조합을 찾아서 카메라 렌즈 케이스 제품의(그림 1) 진원도를 개선하는 데에 있다. Moldex3D를 이용해 각 프로세스 조건을 최적화하면, 중원대학팀은 플라스틱 속 유리섬유의 최적 함량을 알아낼 수 있다.

그림 1　본 사례의 카메라 렌즈 케이스 제품

사용자가 Moldex3D를 통해 다양한 프로세스 조건을 평가하고, 제품 설계를 최적화할 수 있으므로 과도한 인력과 비용이 필요하지 않다. 본 사례 중에서, 원래는 플라스틱에 첨가하는 유리섬유가 제품 수축을 감소시켜서 우수한 진원도를 달성할 수 있다고 예상했으나, 실제 상황에서는 섬유강화 플라스틱을 추가하면 종종 치수 정확성을 향상시킬 수 없으며, 심지어 역효과가 일어날 수도 있다. Moldex3D 시뮬레이션 결과에 따르면, 제품의 섬유 배향이 Z축 방향으로 나타나 체적이 균일하지 않게 수축됨에 따라 진원도에 나쁜 영향을 일으킨다. 그림 2는 Moldex3D의 시뮬레이션 분석과 실험 결과의 비교이며, 이 둘은 높은 일치성을 보여준다. 또한 섬유 첨가가 진원도를 악화시킬 수 있다는 것도 보여준다.

그림 2　섬유가 제품 진원도를 악화시킬 수 있는 시뮬레이션과 실험 결과

표 1은 서로 다른 프로세스 조건의 검증 결과이며, 그 중, 재료 온도 290~310℃，금형 온도 100~150℃，사출 속도 30~90 mm/s이다. 표에서 알 수 있듯이, 재료 온도와 사출 속도는 제품 진원도에 영향이 크지 않지만, 금형 온도를 올리면 진원도의 값을 뚜렷하게 감소시킬 수 있고, 즉 제품이 진원에 근접해진다.

표 1　서로 다른 프로세스 조건의 시뮬레이션 검증 결과

그림 3은 섬유 배향이 플라스틱 유동 방향과 동일하다는 것을 보여준다(Z축 방향). 이러한 상황은 제품의 불균일한 수축을 초래하며, 진원도 수치를 지나치게 높이는 주요 원인이다.

그림 3　동일한 섬유 배향과 플라스틱 유동 방향(Z축 방향)

유동 밸런스를 개선하기 위해, 중원대학팀은 게이트 3개 위치 설계를 변경하였고(그림 4), 예상대로 이 설정 변경은 제품의 두껍고 얇은 곳을 동시에 충전시켜서 제품의 진원도를 개선할 수 있었다.

그림 4　게이트 3개 위치의 설계 변경

설계를 변경하면, 표 2와 같이 PC원료이든 PC+30% GF이든 진원도가 모두 35% 이상 개선되었다.

표 2　게이트 설계 변경 후 진원도의 개선

결론

중원대학은 이 사례 연구를 통해 카메라 렌즈 케이스 제품에서 플라스틱 섬유 첨가가 진원도를 개선시키지 않는다는 것을 알았으며, 과정 중에서 Moldex3D를 사용한 시뮬레이션 분석도 실험 결과와 매우 일치했다. 앞으로 논문 및 관련 연구에도 활용함으로써 본 제품의 유동 밸런스가 맞지 않는 문제를 계속해서 최적화시킬 예정이다.