BATZ, CAE로 워터 인젝션 기술 적용된 제품 최적화

 

고객 소개
Since 1963, BATZ S. Coop. has evolved into a strong, global industrial group, with more than 20 facilities all around the world. Originally a stamping dies manufacturer, nowadays it has expanded its activity developing also automotive products, such as pedal modules, handbrake levers, spare wheel kits and active headrests among other mechanisms. In 2005 BATZ diversified the automotive main activity to the Renewable Energy Industry, and in 2010 FPK joined to found BATZ Lightweight Technologies, the company’s composite materials division. Today as heretofore, working in close relationship with its customers, BATZ’s knowledge and expertise allows providing innovative solutions to solve their challenges. (Source: http://www.batz.com/)

수행요약

워터 인젝션 기술(WIT)은 제품의 생산 사이클 타임 단축 및 전체 비용 절감에 있어서 큰 이점이 있다. 또한 중공 형태의 제품에서, 더 나은 기계적 성능뿐만 아니라 적은 재료비로 사출이 가능하게 한다. 그러나 이렇게 하기 위해서는 제품의 잔류 벽 두께(RWT) 분포에 의한 구조적 거동을 정확하게 예측할 수 있어야 한다. BATZ는 Moldex3D와의 협업을 통해 WIT시뮬레이션 모듈의 성능 개선을 했다.

과제

  • 구조적으로 중요한 제품(클러치 페달)
  • 정확한 RWT분포 예측으로 제품 개발 단계에서 최적화
  • 더 정확한 공정 시뮬레이션을 위한 소프트웨어 튜닝
  • 구조 해석을 수행하기 위한 결과 출력
  • 가상 프로토 타입과 실제 제품의 연관성 확보

해결 방안

철저한 실제 제품 검사와 테스트, 결과 비교와 소프트웨어 튜닝 그리고 업데이트된 입력 데이터가 포함된 반복적인 업무 흐름

평가

RWT 분포와 질량 예측 정밀도가 크게 향상되었고 메쉬 내려 보내기(Mesh Exportation) 기능이 추가 

연구 사례

금속에서 플라스틱으로 대체되는 것이 자동차 산업 분야의 세계적인 추세이다. 연료 소비 절감과 점차 강화되는 규제들은 경량화 디자인이 적용되는 이유이기도 하며 플라스틱 소재는 이 시나리오 속에서 중요한 역할을 하고 있다. 한편으로는 안전에 대한 요구사항들이 엄격해지고 있기 때문에 새로운 플라스틱 솔루션들은 과거 금속 재질의 그것에 비해 더 까다로운 기계적 사양과 타협을 해야 한다. 

페달 모듈과 클러치 페달들은 이러한 추세의 구체적인 예들이다. 그것들은 기본적으로 굽혀진 두꺼운 강판이었고, 회전 축과 차종별 그리고 사용자 인터페이스를 제공하기 위해 추가되는 각 요소들은 서로 용접해 붙여야만 했다. 오늘날의 페달들은 가벼워야 할 뿐만 아니라, 페달 릴리즈 시스템이나 더 복잡한 형상을 요구하는 센서 인터페이스와 같은 추가적인 기능이 요구된다. 이러한 점에서 플라스틱 디자인은 경량화와 기능 통합 간에 간편하게 절충을 할 수 있다. 더 나아가 일반적으로 용접이나 기계화와 같은 추가적인 공정들이 필요 없기 때문에 생산비용이 절감된다.

이런 이유로 오늘날 대부분의 차량에서 플라스틱 페달들을 찾아 볼 수 있다. 하지만 대부분의 경우 그것들은 기하학적인 리브 패턴의 특성을 가진 전형적인 사출 성형 제품들이다. 경량화 디자인 철학에 따라, BATZ는 더 높은 경량화를 달성하기 위해 그 형상에서 위상 최적화 툴을 시행하기 시작했다. 결과는 놀라웠고 제품은 판매되었지만 이것으로 충분하지 않았다. 그래서 BATZ는 한 단계 더 나아가야 했고, 워터 인젝션 기술(WIT)의 적용을 고려하게 되었다.

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워터 인젝션 기술(WIT)의 장점들인 용융 냉각 특성에 의한 싸이클 타임의 단축과 전체 비용 절감에 대해서는 잘 알려져 있다. 그러나 구조 부품 개발자로서 BATZ에게 피력하는 것은 중공 형태의 플라스틱 제품 디자인의 가능성이다. 동일한 역학적 성능을 위해 폐쇄적인 단면 형태와 같은 적은 재료를 필요로 했고 이것을 통해 높은 관성 모멘트를 얻을 수 있다. 하지만 구조적인 성능은 잔류 벽 두께(RWT) 분포와 직접적인 관계가 있고 적절한 재료 양의 예측을 위해 제품 개발 단계에서의 최적화, 실험과 수정의 최소화, 재료 비용의 절감과 경쟁력 유지를 해야 한다.

WIT시뮬레이션 모듈 덕분에 Moldex3D는 제품 내부의 중공형태 예측의 기회를 제공하여 구조적 해석이 수행될 수 있었다. 지난 2012년 BATZ와 Moldex3D는 소프트웨어의 튜닝에 공동으로 작업하는 것에 합의했다. Moldex3D는 시뮬레이션 능력이 있고 BATZ는 WIT사출 제품의 생산 준비가 되어 있는 효과적인 파트너십이 가능했다. 따라서 이 프로젝트는 수 개월 동안 이루어졌다. 프로젝트 기간 동안 사출 공정의 시뮬레이션 및 실제 제품의 측정과 실험 그리고 결과의 연관 분석 작업이 반복적으로 수행되었다.

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BATZ는 실제 제품의 형태와 사출 파라메터 및 수지의 물성과 같은 입력 데이터를 Moldex3D에 제공하기 시작하였고, 그에 따른 사출 공정을 시뮬레이션하고 BATZ는 철저하게 일련의 제품 측정과 결과들을 비교하였다. Moldex3D는 실물과 시뮬레이션 결과의 편차를 확인하고 솔버를 튜닝하기 위해 이러한 피드백들을 수집했다.

가상 및 물리적 프로토타입의 적절한 상관관계가 비용 절감의 핵심이기 때문에 제품의 역학적 성능에 대해 특히 주의하였다. 애당초에 메쉬 내려보내기(Mesh Exportation) 문제는 약간의 재작업이 필요하였으나 계산에 큰 시간이 소요되지는 않았다. 그런데 프로젝트가 진행되는 동안 강력한 메쉬 내려보내기 도구가 통합된 Moldex3D R12가 릴리즈되었고, 이제는 전체 프로세스가 정말로 간단하게 되어 전체 개발기간이 크게 감소하였다.

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이러한 반복적인 업무 흐름은 수 개월 동안 계속되었고, 상황은 초기 실험 이후 크게 개선되었다. 앞서 언급한 메쉬 내려보내기(Mesh Exportation) 옵션을 제외하더라도, 새로운 커널은 그 전보다 더 나은 성능을 제공하였다. Moldex3D와 BATZ의 협력은 큰 성공을 거두었고, 현재 질량 예측 정밀도가 30% 더 나은 구조 분석의 상호 관계로 바뀌어 최대 60%이상 높아졌다. 전반적으로 Moldex3D가 빠르고 최적화된 WIT제품 개발의 핵심 도구인 것으로 드러났다.

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Moldex3D 의 가치

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워터 인젝션 기술(WIT)은 정말로 유망한 기술이지만, 효과를 내기 위해서는 Moldex3D와 같은 정확한 시뮬레이션 툴의 지원을 필요로 한다.

         

– Fernando Burguera, Advanced Engineering Manager at BATZ


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