[HEEDS] 지속 가능성을 위한 골판지 포장 최적화: Simcenter HEEDS 디자인 탐구

 

이 블로그는 Siemens의 고급 시뮬레이션 및 최적화 도구인 Simcenter HEEDS, Simcenter 3D, NX CAD를 사용하여 보다 효율적이고 지속 가능한 판지 포장을 설계하는 방법을 탐구합니다. 이 연구는 실제 스트레스 테스트를 시뮬레이션하고 주요 설계 매개변수를 최적화함으로써 잘 확립된 포장 형식도 어떻게 개선할 수 있는지 보여줍니다. 그 결과 지속 가능성과 비즈니스 목표 모두에 부합하는 더 강력하고 가벼우며 비용 효율적인 포장 솔루션이 탄생했습니다. 

지속 가능한 포장에서 카드보드의 역할 

오늘날 빠르게 변화하고 소비가 주도하는 세상에서 포장은 제품이 전달, 보관, 지각되는 방식에 중요한 역할을 합니다. 그러나 플라스틱과 같은 전통적인 포장재가 환경에 미치는 영향과 과도한 종이 사용량에 대한 우려가 커지고 있습니다. 업계와 소비자 모두 친환경적인 대안을 모색함에 따라 골판지는 포장 지속 가능성으로 전환하는 데 있어 선도적인 솔루션으로 부상했습니다. 

골판지 포장은 플라스틱과 다층 종이 제품에 대한 의존도를 낮추는 데 도움이 됩니다. 분해하는 데 수세기가 걸릴 수 있는 플라스틱과 달리 골판지는 생분해성이며 널리 재활용할 수 있습니다. 플라스틱 랩, 버블 메일러, 폼 인서트를 골판지와 성형 펄프로 대체함으로써 기업은 재생 불가능한 소재의 사용을 줄이고 소비자의 재활용을 간소화할 수 있습니다. 

골판지와 플라스틱 포장 비교하기 

골판지의 가벼운 특성은 핵심 장점입니다. 나무나 단단한 플라스틱과 같은 무거운 소재에 비해 골판지는 배송 무게를 줄여 운송 비용과 탄소 배출량을 줄입니다. 이는 특히 배송 효율성이 지속 가능성과 경제적 성과에 직접적인 영향을 미치는 이커머스에서 중요합니다. 

골판지는 일반적으로 지속 가능한 관리가 가능한 숲의 목재 펄프나 재활용 종이와 같은 재생 가능한 자원으로 만들어집니다. 현재 많은 제조업체에서 소비자 이후 재활용 콘텐츠의 비율이 높습니다. 접이식 구조물과 미니멀한 포장과 같은 디자인 혁신은 폐기물과 자원 사용을 더욱 줄여줍니다. 적절히 관리되면, 골판지는 재료가 재사용되고 재활용되며 생산에 재통합되는 순환 경제를 지원합니다.

골판지와 플라스틱의 비교

Simcenter HEEDS를 사용한 골판지 포장 테스트 및 최적화

골판지 포장은 운송, 보관 및 취급의 어려움을 견딜 수 있도록 다양한 강도 테스트를 거쳐야 합니다. 이러한 테스트에는 일반적으로 다음이 포함되지만 이에 국한되지는 않습니다:

• 에지 크러쉬 테스트: 압력 하에서 재료가 분쇄되는 것을 견딜 수 있는 능력을 평가합니다
• 압축 테스트: 포장이 압축하는 힘을 견딜 수 있는 능력을 측정하여 적층 및 보관을 처리할 수 있는지 확인합니다.
• 낙하 테스트: 낙하로 인한 충격을 시뮬레이션하여 포장의 내구성을 평가하고, 취급 및 운송 중 내용물을 보호할 수 있도록 합니다.
• 인장 시험: 포장 재료의 강도를 측정하기 위해 재료가 부러질 때까지 당겨서 신축력을 견딜 수 있도록 합니다.
• 진동 테스트: 운송 중 진동에 대한 포장의 저항성을 평가하여 내용물이 안전하고 손상되지 않도록 합니다.

이러한 테스트는 포장 성능을 검증하는 데 필수적이지만, 이러한 표준을 효율적으로 충족하도록 설계를 최적화하는 것이 바로 Simcenter HEEDS와 같은 고급 도구의 활용입니다. Simcenter HEEDS는 엔지니어가 재료 두께, 플루트 유형, 구조 기하학 등 다양한 설계 변수를 자동으로 탐색하면서 여러 성능 기준을 고려할 수 있는 강력한 설계 탐색 및 최적화 플랫폼입니다.

Simcenter HEEDS는 시뮬레이션 도구와 통합하여 시뮬레이션 테스트 조건에서 다양한 골판지 디자인이 어떻게 작동하는지 평가할 수 있으며, 엔지니어가 가장 효과적이고 지속 가능한 솔루션을 식별하는 데 도움을 줍니다. 이를 통해 디자인 프로세스를 가속화할 뿐만 아니라 물리적 프로토타입의 필요성을 줄이고 시간, 비용 및 재료 낭비를 줄일 수 있습니다.

궁극적으로 Simcenter HEEDS는 패키징 디자이너가 강력하고 신뢰할 수 있을 뿐만 아니라 지속 가능성과 경제 효율성에 최적화된 골판지 솔루션을 만들 수 있도록 지원합니다.

방법론 및 최적화 접근법

최근 몇 년 동안 구조적 성능과 지속 가능성을 향상시키는 이중 목표에 힘입어 골판지 포장 디자인 최적화에 대한 관심이 높아지고 있습니다. Pyr'yev et al. (2024)은 견고한 골판지 최적화를 목표로 박스 압축 강도를 예측하는 모델을 개발했습니다. Fernandes et al. (2022)은 퍼지 논리를 사용하여 구조적 무결성과 품질을 유지하면서 주름을 줄여 제조를 간소화하여 효율성과 디자인을 모두 향상시켰습니다.

이 연구에서 Simcenter Engineering Services는 유한 요소 시뮬레이션 도구인 Simcenter 3D와 Simcenter HEEDS를 통합했습니다. 우리는 Simcenter 3D를 사용하여 두 가지 다른 로딩 시나리오에서 단층 판지 구조를 시뮬레이션했습니다. Simcenter HEEDS를 사용하여 플루트 두께, 라이너 두께, 플루트 모양 등 다양한 설계 매개변수를 최적화하여 강도와 내구성을 저하시키지 않으면서 재료 사용량을 줄이는 목표를 달성했습니다.

매개변수 NX 골판지 기하학

최적화 워크플로우는 다음과 같이 진행됩니다: 매개변수적 단층 골판지 기하학 모델은 NX CAD를 사용하여 처음 개발되었습니다. 이 모델은 플루트 두께, 라이너 두께, 높이 및 비율과 같은 매개변수와 플루트 모양을 정의하는 두 가지 추가 변수에 의해 지배됩니다. 이 CAD 모델을 기반으로 Simcenter 3D에서 유한 요소 모델이 구축되었습니다.

플루팅 및 라이너 재료는 탄성 직교방성 특성으로 모델링되었으며, 이는 입자를 따라 더 단단하고 유연한 골판지처럼 힘의 방향에 따라 강도와 강성이 달라진다는 것을 의미합니다. 이러한 재료 특성의 방향은 A.C. 길크리스트(1999)의 참조 데이터를 기반으로 합니다.

두 가지 테스트 시나리오가 시뮬레이션되었습니다:

두 가지 주요 방향으로의 굽힘 테스트:

• 기계 방향(MD): 판지가 더 높은 강성과 강도를 보이는 경우.
• 교차 방향(CD): 일반적으로 판지가 더 유연하고 약합니다.

이 시험들은 판지의 굽힘 강성을 평가합니다.

평탄 분쇄 시험: 이 시뮬레이션은 골판지의 압축 강도를 평가합니다.

판지의 FEA 변형 결과 (a) 교차 방향 굽힘 시험 (b) 기계 방향 굽힘 및 (c) 평평한 분쇄 시험

그런 다음 매개변수 유한 요소 모델을 Simcenter HEEDS로 가져와 최적화된 설계 구성을 탐색했습니다. 이 최적화 문제는 두 가지 주요 목표를 포함했습니다:

1. 굽힘 테스트와 평평한 분쇄 테스트 모두에서 굽힘을 최소화하세요. 굽힘이 낮을수록 구조적 강도가 더 강하다는 것을 의미합니다.
2. 재료 사용량과 비용을 줄이기 위해 판지의 총 무게를 줄입니다.

최적화 과정은 기본 설계로 Type C 단일 벽 플루트를 사용하여 시작되었습니다. 이 선택은 이미 Type C 플루트가 고도로 최적화된 것으로 간주되고 포장 산업에서 널리 채택되고 있기 때문에 상당한 도전 과제가 되었습니다.

최적화 워크플로우

최적의 솔루션에 도달하기

100가지 디자인 변형을 평가한 후, Simcenter HEEDS는 판지 강성 극대화와 재료비 최소화라는 두 가지 주요 목표 간의 상충 관계를 시각적으로 표현한 파레토 전면을 생성했습니다. 이 곡선의 각 지점은 한 목표를 개선하기 위해 다른 목표를 타협해야 하는 최적의 디자인을 나타냅니다. 2D 플롯에서는 각 디자인이 원으로 표시되며, 큰 원은 전체 성능 순위가 더 높다는 것을 나타냅니다. 

기본 디자인(타입 C 플루트)은 최상위 랭크(랭크 1)를 차지하며 강력한 출발점 역할을 합니다. 그러나 몇 가지 대체 디자인은 눈에 띄는 개선을 보여줍니다: 

• 디자인 89는 플루트 두께를 줄이고 라이너 두께를 늘리며 플루트 모양을 더 높고 밀도 있게 수정하여 구조를 개선합니다. 이 구성은 비용을 1% 절감하는 동시에 강성을 3% 향상시킵니다. 
• 디자인 57은 비용을 4% 증가시키지만 강성이 18% 크게 향상되어 비용보다 강도가 우선시되는 응용 분야에 적합합니다. 
• 디자인 6은 강성이 5% 감소하는 대가로 9%의 비용 절감을 달성하여 성능 절충이 가능한 더 경제적인 옵션을 제공합니다. 

이 결과는 엔지니어링 설계 최적화에서 핵심 고려 사항인 비용 효율성과 기계적 성능 사이의 본질적인 균형을 강조합니다.

Simcenter HEEDS 2D 파레토 전면 플롯

Simcenter HEEDS 최적화 설계

지속 가능성을 위해 다른 포장재로 최적화 확장

이 프로젝트는 골판지에 초점을 맞추었지만, 성형 펄프, 바이오플라스틱, 유연 필름, 층상 패키징과 같은 다른 재료에도 동일한 접근 방식을 사용할 수 있습니다. 엔지니어는 Simcenter 3D, Simcenter Amesim, Simcenter HEEDS와 같은 도구를 사용하여 이러한 재료의 작동 방식을 시뮬레이션하고 실제 조건에서 테스트하며 디자인을 개선할 수 있습니다. 이러한 유연성은 기업이 변화하는 규정과 고객의 요구를 충족하는 새롭고 친환경적인 패키징을 만드는 데 도움이 됩니다.

최종 생각

이 연구는 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 판지 포장 디자인을 개선하여 지속 가능성을 높이는 방법을 보여줍니다. NX CAD, Simcenter 3D, Simcenter HEEDS와 같은 도구를 결합하여 유연한 모델을 만들고, 현실적인 조건에서 테스트했으며, 강도와 비용 사이의 최적의 균형을 찾기 위해 다양한 디자인 옵션을 탐색했습니다.

타입 C 플루트와 같이 이미 널리 사용되고 있는 디자인도 특정 기능을 조정하여 개선할 수 있습니다. 예를 들어, 디자인 89와 57은 모양과 두께의 작은 변화가 어떻게 더 나은 성능 또는 더 낮은 비용으로 이어질 수 있는지 보여줍니다.

SimCenter 도구를 사용하면 설계에서 시뮬레이션으로 원활하게 전환하고, 판지 동작을 정확하게 모델링하며, 많은 설계 가능성을 자동으로 테스트할 수 있어 이 프로세스가 더 쉬워졌습니다. 이를 통해 물리적 프로토타입이 적고 더 나은 솔루션을 더 빠르고 쉽게 찾을 수 있었습니다.

지멘스의 심센터 엔지니어링 서비스 팀은 고객이 시뮬레이션 기반 디자인을 최대한 활용할 수 있도록 지원합니다. 초기 디자인 아이디어와 3D 모델링부터 고급 테스트 및 최적화에 이르기까지 모든 것을 지원합니다. NX, Simcenter 3D, Simcenter HEEDS와 같은 도구를 사용하여 성능, 지속 가능성, 비용에 대한 목표를 충족하는 맞춤형 솔루션을 제공합니다. 포장 강도를 개선하든, 재료를 줄이든, 개발 속도를 높이든, 저희 전문가가 여러분의 성공을 돕기 위해 이 자리에 있습니다.

[출처]https://blogs.sw.siemens.com/simcenter/optimizing-cardboard-packaging-for-sustainability/