두꺼운 이중사출 광학 제품의 냉각 시간 55% 단축사례

Customer Profile

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• 고객: 국립 가오슝 응용 과학기술대학
• 국가: 대만
• 산업: 학술 연구
• 솔루션: Moldex3D Advanced, MCM

국립 가오슝 응용 과학기술대학(KUAS)은 엔지니어링, 전자 통신, 관리, 인문사회 등 4개 단과대를 운영하고 있다. 2012년 교육부가 추진한 「발전사례 과학기술 대학 계획」학교로 선정되었으며, 최선을 다해 실무 능력 및 전문성을 갖춘 인재를 양성하고 있다. 또한 산업 자원에 교육의 힘을 투입하고, 산학의 긴밀한 협조를 통해 국제 시장에서의 경쟁력을 제고시키기 위해 노력하고 있다. (출처: www.kuas.edu.tw)

개요

두꺼운 플라스틱 제품의 사출 성형 문제는 매우 다양하며 싱크 마크와 제팅, 기포는 흔히 발견되는 결함이다. 두꺼운 제품의 경우 온도 전달 효과가 낮아 냉각 시간이 길어지고 생산 효율에 매우 심각한 영향을 미친다. 본 사례에서는 12mm 두께의 플라스틱 광학 렌즈 제품에 관한 연구이다. 다중 레이어 다단계 사출 방식을 활용해 B-A-B 형식으로 사출 성형을 진행한 후, Moldex3D 다재료 사출성형(MCM) 모듈로 A와 B 레이어의 두께 변화를 분석해 냉각 시간이 광학 성질에 미치는 영향에 대해 분석한다. 이를 통해 각 레이어를 위한 최적의 두께 조합을 찾아냄으로써 더욱 품질 높은 광학 제품의 생산과 생산 주기의 단축이라는 목표를 실현한다.

목표

• 최적의 두께 조합을 찾아냄으로써 냉각 시간을 단축
• 투명도, 잔류 응력 등 모든 광학 조건에서 최적의 결과를 도출
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솔루션

Moldex3D 다재료 사출성형(MCM) 모듈을 사용해 각 레이어를 최적의 두께로 설계함으로써 냉각 시간 단축

장점

• 냉각 시간 50~60% 단축 성공
• 싱크 마크 85% 감소
• 설계 변경 후 대부분의 잔류 응력 제거, Moldex3D의 예측 결과와 일치

사례

본 사례의 제품은 12mm 두께의 광학 렌즈 제품(그림 1)으로, 다중 레이어 사출 성형 방식으로 제작되었다. 작업은 제품 각 레이어의 두께 비율을 조절함으로써 최적의 광학 성질을 확보하고 냉각 시간을 단축하는 것을 목표로 진행되었다. Moldex3D 시뮬레이션에 따르면 원본 설계는 냉각 시간이 길어 최적의 온도까지 냉각시키는데 384초가 소요되었다. 또한 Moldex3D 변형 분석을 통해 심각한 싱크 마크까지 발견되었는데, 이는 두꺼운 재료의 냉각이 제대로 이루어지지 않았기 때문이다.

그림 1. 본 사례의 12mm 두께 광학 렌즈

이 문제를 해결하기 위해 가오슝 응용 과학기술대학은 다재료 사출성형 방식을 도입했다. 제1샷으로 중간 레이어(A 레이어)의 두꺼운 재료를 생성하고 제2샷으로 상하 두 레이어(B 레이어)를 생성해 제품을 완성했다(그림 2). 하지만 여전히 각 샷을 통해 생산되는 두께는 어떻게 설정해야 할 것인가라는 문제가 남아있었다. 가오슝 응용 과학기술대학팀은 4개의 설계 변경본을 제작한 후 Moldex3D 시뮬레이션을 통한 검증 작업을 통해 서로 다른 두께 조합의 냉각 시간 차이를 확인했다. Moldex3D의 냉각 분석 결과를 통해 중간 레이어 6mm, 상하 레이어를 3mm로 설계했을 때 최단 냉각 시간인 172초에 도달함을 확인할 수 있었으며, 이는 기존에 비해 55% 단축된 냉각 시간이다(그림 3).

그림 2. 두 번의 사출을 통해 생산된 제품 중간 및 상하 레이어

그림 3. 설계 변경 후 384초에서 172초로 냉각 시간 단축

원본 설계의 잔류 응력 측정 결과 역시 Moldex3D의 프린지 패턴 분석 결과와 일치했다(그림 4). 이어 제품의 싱크 마크 및 투명도 등과 같은 광학 성질에 대한 검증 작업을 실시했다. 검증 결과(그림 5)에 따르면 싱크 마크가 크게 줄어들었으며 이에 따라 제품 상하 레이어의 두께 비율 역시 변화를 보였다. 또한 변경된 설계의 투명도 역시 원본 설계에 비해 개선되었다.

그림 4. 원본 설계의 잔류 응력 측정량이 Moldex3D 프린지 패턴 분석 결과와 일치

그림 5. 싱크 마크 및 투명도 측정 결과

결론

Moldex3D는 두꺼운 광학 제품의 냉각 시간이 광학 성질에 미치는 영향을 분석함으로써 광학 렌즈 설계의 품질을 개선시키는 데 큰 도움을 주었다. 또한, 잔류 응력 측정 결과를 통해서도 Moldex3D 시뮬레이션 결과의 신뢰성과 정확성을 확인할 수 있었다. 가오슝 응용 과학기술대학은 Moldex3D를 사용해 최적화된 레이어 두께 조합을 찾아냄으로써 냉각 시간을 55% 단축하고 광학 품질을 개선할 수 있었다.