소프트웨어 통합을 넘어선 완벽한 드레이핑 성형 공정 이해

압축성형은 주로 크기가 비교적 크고 복잡한 섬유 강화 플라스틱(FRP) 제품의 제조 공정에 응용된다. 이에 사용되는 소재는 크게 열경화성 시트(SMC)와 벌크 몰딩 컴파운드(BMC), 그리고 글라스 매트 열경화성 유리섬유 강화 시트(GMT)와 장섬유 강화 열경화성 복잡 소재(LFT)의 두 가지로 구분할 수 있다: 이러한 소재들은 각기 필요한 기계적, 전기적 특성 및 성형 가능성을 구비한데다 동시에 제품 품질 저하 없이 비용 효율성까지 높일 수 있어 수십 년간 자동차와 전자 산업에서 주로 활용되어 왔다. 다른 대체 공정으로는 사출과 압축성형을 혼합한 성형 공법으로, 자동화가 가능하고 성형 주기를 단축할 수 있다는 장점이 있다.

압축 성형 공정에서 먼저 몰드를 신속하게 폐쇄한 후 압축 분사로 복합 소재가 전체 캐비티를 채우고 완성품을 제작할 때까지 유동하게 만든다. 소재는 외부로부터 힘을 받음으로써 좁고 가는 코너, 립 등 충진이 비교적 쉽지 않은 공간에까지 원활하게 도달할 수 있다. 금형 내부에 국부적인 압력 구배가 유동 과정 중 국부적 속도 차 및 섬유 배향 차를 만들어 낸다. 압축 과정 중 플라스틱이 섬유 속에서 밀려 나오는 현상이 종종 발생하는데, 이는 전체 플라스틱 제품의 섬유 밀도 분포에 큰 영향을 미칠 수 있다. 섬유 배향의 변화와 섬유 농도는 최종 제품의 기계적 성질과 표면 결함에 영향을 준다. 열적인 제조 공정 파라미터뿐 아니라, 유동 역시 플라스틱의 특성에 영향을 주는 주 요인 중 하나이다. 플라스틱 유동 거동을 완벽하게 분석하고 제조 시간과 비용 절감을 위한 최적의 제조 파라미터를 찾는 일은 제조업체에게 있어 매우 중요하다.

제조업체는 컴퓨터 이용 공학(CAE) 시뮬레이션 툴을 사용해 제품 성형 과정의 모델, 잔류응력, 소재 특성, 후처리 수축 및 왜곡 등의 현상을 예측하고 최적화할 수 있다. CAE 툴은 테스트 과정에서 발생하는 시간과 비용의 낭비를 막아 주기도 한다. Moldex3D와 LS-DYNA를 동시에 활용해 압축 성형과 몰딩 성형 공정을 분석할 수 있다. 이 경우에 Moldex3D는 유체역학, LS-DYNA는 고체역학 시뮬레이션 기능을 제공한다. Moldex3D R16 버전은 LS-DYNA 몰딩 성형 분석 후 “dynain” 파일을 생성할 수 있다. 이러한 종합적 분석 작업에서는 LS-DYNA로 고체화 단계의 플라스틱 및 프리프레그(Prepreg) 번형을 분석하며, 시트 컴파운드 변형 시뮬레이션을 진행한다. LS-DYNA가 제공하는 플라스틱 소재의 변형 결과는 Moldex3D에서 바로 초기 조건으로 활용해 후속 압축 성형 유체 단계 분석을 진행할 수 있다. 이 단계의 분석은 매우 중요한데 그 이유는 유동 특성, 온도, 몰드 내 플라스틱의 고체화 등의 요소가 최종 제품의 섬유 배향 분포와 섬유 농도에 큰 영향을 줄 수 있기 때문이다.

아래는 압축 성형 시뮬레이션 예시이다. 기존의 몰드 및 소재 온도는 각각 100°C 와 300°C 이다. 1단계에서는 LS-DYNA로 대기 상태에서 중력을 고려한 드레이핑(Draping) 분석을 진행한다. 그림 1 (a)와 (b)는 대기 상태 냉각 분석 후의 온도 분포와 중력을 고려한 드레이핑 분석 시의 온도 분포를 각각 보여준다. 드레이핑 분석 후의 최종 플라스틱 메쉬 기하학 및 온도 분포는 Moldex3D로 불러와 후속 유동 분석의 초기 조건으로 활용할 수 있다. 분석 과정에서 발견된 유동선단 및 최종 왜곡 변형 결과는 각각 그림 1 (c)와 (d)에 표시되어 있다.

 

그림 1 Moldex3D 및 LS-DYNA의 압축 성형 시뮬레이션 결과

종합적으로 볼 때 Moldex3D와 LS-DYNA의 결합을 통해 사용자는 압축 성형과 드레이핑 공정을 보다 완벽하게 이해하고, 성형 과정 중의 플라스틱 및 프리프레그의 유동 및 변형 행위를 관찰할 수 있다. 동시에, CAE 툴을 사용해 적합한 플라스틱 체적 및 위치, 열 조건 등의 공정 파라미터를 최적화함으로써 비용과 시간을 절감할 수 있다.


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