- 고객: 펑자 대학
- 산업: 교육
- 솔루션: Moldex3D Advanced Package; Designer BLM; Flow; Foam Injection Molding
1961년 펑자 공학원이 설립되고, 1980년 대학으로 개편되면서 펑자대학교(FCU)로 교명을 변경하였습니다. 펑자대학교의 장기적 비전은 탁월한 교육과 획기적인 연구를 장점으로 아태지역의 명망 있는 대학이 되는 것입니다. 펑자대학교는 이와 동시에 세계관, 전문 지식, 인문학적 소양을 갖춘 후학 양성에도 힘쓰고 있습니다. (출처)
개요
오늘날 신발산업 시장의 추세는 구조 경량화를 지향합니다. 펑자대학 연구팀은 Moldex3D의 발포 모듈(FIM)을 통해 기포를 함유한 재활용 성형 재료(SEBS 엘라스토머)의 충전 과정에서 게이트 배치 영향 및 성형 압력의 변화를 연구하고 있습니다. 시뮬레이션 및 실험을 통합하여 게이트 위치 및 두께 변화가 기포 구조 및 분포에 미치는 영향을 검증하였을 뿐 아니라, 최종 결과에서도 발포 사출 성형이 발포제를 대체하여 제품 무게를 10% 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다.
도전
- 게이트 설계가 용융 유동 및 성형 품질에 미치는 영향 연구
- 전통적 성형 과정에서 제품에 발생할 수 있는 표면 결함 해결
- 기포 구조의 성장 예측 및 재료의 사용량 절감
솔루션
본 사례의 신발 밑창 제품은 SEBS 엘라스토머를 소재로 재활용 및 재사용이 가능하여 녹색 순환 경제의 요구사항을 충족할 수 있는 동시에, 제품의 무게를 줄이고 제품 표면 수축의 결함을 극복할 수 있습니다. 다양한 게이트 설계 및 균일하지 않은 제품 두께가 유동 거동 및 발포 특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 Moldex3D를 사용해 실험 및 시뮬레이션을 수행하였습니다.
효과
- 매우 일치하는 시뮬레이션과 실험 결과를 통해 가상 및 현실의 통합 달성
- 제품 무게를 10% 줄여 제품 경량화 달성
- 녹색 순환 경제, 제품 경량화 달성 및 FIM 공정에 대한 이해
사례 연구
전통적인 신발 제조 산업에서 밑창은 일반적으로 플라스틱과 화학 발포제를 몰드에 넣어 만들기 때문에 제조 및 재료 원가가 높은 편입니다. 제품 경량화 및 녹색 경제 발전 추세에 따라 혼합 가스를 첨가하는 발포 사출 성형(FIM)을 이용하면 제품의 재료 사용량 및 무게를 동시에 줄일 수 있습니다. 펑자 연구팀의 SEBS 엘라스토머를 이용한 연구는 적합한 게이트 위치를 찾고 기포 분포를 최적화하며, 시뮬레이션과 실험 결과를 검증하는 데 목적이 있습니다. 그림 1은 6 게이트를 갖는 기성 몰드입니다. 이를 샘플로 제품의 3D 모델 및 경계층 메쉬를 생성하고, Moldex3D를 이용해 제품의 유동 거동 및 발포 특성을 관찰하였습니다.
그림 1. 신발 밑창 몰드 베이스 및 제품
분석 결과에 따르면 게이트 위치에 따라 게이트 압력, 캐비티 압력 및 기포 크기의 변화가 발생합니다(그림 2 및 그림 3에 표시). 플라스틱이 두꺼운 영역부터 주입되면 제품 두께가 유동 방향을 따라 감소하며, 게이트 압력 및 캐비티 압력은 충전 종료 시에 증가하기 때문에 캐비티의 고압이 기포의 성장을 제한하는 것으로 나타났습니다. 이에 비해 얇은 영역부터 주입되면 충전 단계 종료 시 몰드 내의 압력이 비교적 낮아서 보다 나은 발포 효과를 얻을 수 있습니다.
그림 2. 게이트 위치에 따른 게이트 유동 및 압력
그림 3. 캐비티 압력 및 해당되는 셀 크기 (a) 두꺼운 위치에서 충전, (b) 얇은 위치에서 충전
Moldex3D의 유동 패턴도 FIM 실험을 통해 입증되었으며(그림 4), 유동선단 시뮬레이션 결과는 실험 결과와 매우 일치하였습니다. 그러나 게이트의 위치가 좌, 우 양측으로 변경되면, 균일하지 않은 두께가 기포 크기 및 기포 밀도에 영향을 미칩니다. 제품 두께 및 유동의 차이가 캐비티 압력 분포를 변경시킴에 따라 기포의 성장이 제한됩니다.
결과에 따르면, 양측에서 충전하는 것이 밑창 중간에서 충전하는 것보다 더 좋고 더 균일한 발포 효과를 얻는 것으로 나타났습니다(그림 5).
그림 4. Moldex3D의 선단 흐름도(위) 및 미성형 테스트(아래)
그림 5. 게이트 위치의 영향을 받는 기포 크기 및 밀도
기포 분포의 미세 구조 역시 실험을 통해 연구할 수 있습니다(그림 6). 시뮬레이션 및 실험 결과의 비교를 통해 발포 도중 캐비티 압력 및 유동 패턴의 영향을 받는 과정을 보다 쉽게 이해할 수 있습니다. 결과에 따르면 기포는 표면보다 코어층에서 더 잘 생장하는 것으로 나타났습니다. 또한, FIM으로 제조된 신발 밑창은 무게가 기존의 사출 성형보다 10% 가벼워 제품 경량화의 목표를 달성할 수 있습니다.
그림 6. 기포 분포의 미세 구조
결과
본 연구에 따르면, 게이트 위치 및 균일하지 않은 제품의 두께가 게이트, 캐비티 압력 및 유동 거동에 영향을 미침에 따라 다양한 기포 크기 및 기포 밀도가 발생하는 것으로 나타났습니다. Moldex3D시뮬레이션과 FIM 실험 결과가 매우 일치함에 따라, 펑자 연구팀은 더 나은 발포 특성을 갖도록 게이트 위치를 최적화하였습니다. SEBS/FIM을 사용한 제조를 통해 신발 밑창 산업은 녹색 순환 경제 및 경량화 제품의 목표를 달성할 수 있게 되었습니다.
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