호모 폴리머 및 단 섬유 강화 폴리머의 휨 예측을 통한 점탄성의 중요성 확인

고객 소개

•                       고객 : JKU/Institut für Polymer Product Engineering
•                       국가 : 오스트리아
•                       산업 : 교육
•                       솔루션：Moldex3D Advanced 
• Package; Flow, Pack, Cool, Warp, Fiber,  Designer BLM

설립된 지 약 50여 년이 지난 JKU는 현재 20,000명 이상의 학생들이 학위 과정을 진행하고 있습니다. JKU는 북부 오스트리아 최대 연구 및 교육기관으로서 다양한 교과 과정을 제공합니다. (출처：https://www.jku.at/en/)

Edited by Alvin Hsu, Account Manager of Moldex3D Europe

개요

기대하는 제품 품질을 얻고 공차 요구사항을 충족하기 위해선 변형 예측은 매우 중요하며, 섬유 강화 플라스틱에서는 특히 더 그렇습니다. 때문에 보다 정확한 시뮬레이션 결과를 위해서는 열가소성 수지 폴리머의 점탄성을 고려하는 것이 중요합니다. 본 연구에서는 점탄성이 변형 분석에 미치는 영향을 연구하는데 Moldex3D를 사용했습니다. 섬유 강화 플라스틱의 비등방성 점탄성 거동 모델링과 시뮬레이션 방법을 개발함과 동시에, 리브를 함유한 테스트 구성요소 및 3D 스캐닝을 이용하여 실험 검증을 진행합니다. 그 결과, 점탄성에 대한 정확한 측정과 묘사는 보다 완벽한 변형 예측에 필수적인 것으로 나타났습니다.

도전

• 제품의 부분 변형을 시뮬레이션 할 수 있고 실험 검증이 가능한 시스템 개발.
• 변형 분석에서 점탄성의 중요성 이해.
• 실제 제품에서 변형을 줄이고 형상 안정성 유지 방법 연구.

솔루션

Moldex3D를 이용해 완벽한 과도 상태 분석을 진행하고, 표준 변형 및 점탄을 함유한 향상된 변형 솔버를 통해 변형 예측값을 획득한 후, 마지막으로 GOM GmbH의 ATOS Triple Scan III 3D를 통해 스캔해서 시뮬레이션 결과를 확인합니다.

효과

• 점탄 모델을 도입하면, 일반 변형 솔버와 비교했을 때 변형 결과 중 최대 절대 변위 지점을 가진 점에서 호모 폴리머의 경우 약 520% 향상되었고, 단 섬유 강화 폴리머의 경우 약 78% 향상되었습니다.
• 변형에 영향을 미치는 주요 요인을 식별합니다.
• 가상 프로토 타입 방법을 통해 금형 설계에서 비용이 많이 드는 시행 착오 과정을 피했습니다.

사례 연구

이 프로젝트는 Moldex3D 박사 과정생인 Philipp Siegfried Stelzer가 본사의 인턴기간동안 오스트리아의 고분자 제품 공학 연구소(Institute of Polymer Product Engineering)의 Major 교수 및 독일 Polyplastics Europe GmbH사와 공동으로 진행한 연구입니다.

제품 품질을 보장하기 위해, 정확한 변형 예측은 필수적인 것입니다. 변형의 추세 및 값을 정확하게 예측하려면 먼저 재료의 특성을 파악하는 것이 중요합니다. 이 프로젝트의 목적은 재료의 점탄성이 변형 예측에 미치는 영향을 검증하는 것입니다.

벤치마크 테스트에서는 PBT열가소성 고분자 재료 및 30% 단섬유를 함유하는 PBT를 포함한 두 가지 재료를 사용하였습니다. 이 프로젝트가 재료의 전면적 측정을 포함하여 얻은 재료의 열유변학 및 기계적 특성은 모두 Moldex3D 시뮬레이션 진행 시에 필수적인 정보입니다. 이어서 동적 기계 열분석(DMA)을 진행하고, Prony 급수를 이용해 점탄성 모델의 마스터 곡선을 맞추고 생성합니다. 이 테스트에 사용된 벤치마크 구성요소는 사출 성형된 리브 박스이고, ATOS Triple Scan III장비로 3D스캔을 진행해서 시뮬레이션 결과를 검증했습니다.

시뮬레이션에서 Moldex3D BLM메쉬로 모델을 준비하고, 콜드 러너 및 냉각 채널은 모두 실제에 따라 제작했습니다. 동시에 모델에 측정 노드 21개를 배치하여 Z방향의 변형값을 검증했습니다. (그림 1)

그림 1　벤치마크 구성 요소의 시뮬레이션 모델

이어서 Moldex3D표준 변형 모듈을 통해 과도 상태 분석(Ct-F-P-Ct-W)을 진행하고, 고급 변형 솔버를 사용해 변형 행위를 예측하였습니다. 먼저 표준 변형 솔버를 사용해 순수 PBT를 시뮬레이션 했으나, 점탄성을 고려하지 않았기 때문에 제품의 변형 추세를 정확하게 예측할 수 없었습니다. 반면, 점탄성을 고려한 고급 솔버를 사용했을 때는 실제적인 변형 결과 포착에 성공하였습니다. 한편, 섬유 강화 PBT 부분에서, 표준 솔버와 고급 솔버 모두 정확한 변형 현상을 예측할 수 있었는데, 그 이유는 재료의 비등방성 특성으로 인해 유동이 발생시키는 섬유 배향이 변형 행위를 주도하기 때문입니다. (그림 2) 그러나, 점탄성을 고려하면, Z 방향 변형 절대값의 정확성이 두드러지게 향상될 수 있다는 점을 알 수 있습니다. (그림 3)

그림 2　섬유 강화 플라스틱의 비등방성

그림 3　두 가지 PBT재료의 변형 예측 검증 결과

결과

이 연구를 통해, 정교한 시뮬레이션에는 재료의 점탄성적 특성이 매우 중요하다는 점이 증명되었습니다. Moldex3D는 점탄성 고려를 통해, 순수 플라스틱이든 섬유 강화 플라스틱이든 모두 변형 예측 결과의 정확성을 향상할 수 있습니다.