[사출] 사출금형 냉각회로 자동최적설계 기술
사출금형에서 냉각회로는 제품의 변형과 치수 안정성 등에 매우 큰 영향을 준다. 제품이 커질수록 냉각회로의 중요성은 증가한다. 일반적으로 사출금형이 설계, 제작되는 프로세스를 살펴 보면 제품 설계 업체가 기본적인 설계를 담당하고 금형 내의 구체적인 기구물과 냉각회로는 금형업체가 담당한다. 기존 대형 사출금형의 설계와 제작 프로세스는 그림 1과 같으며 금형업체에서 냉각회로까지 설계가 완료되면 이를 제품 업체로 보내 검토를 받고 최종 승인을 받게 된다. 그러나, 여러 가지 이유로 납기가 지연되는 문제가 발생하면 냉각회로의 검토가 완료되기 전에 금형 가공에 들어가게 되고 이후 냉각회로의 결함이 발견되어도 이를 수정할 기회를 놓치게 된다.
[그림 1] 대형 사출금형의 기존 설계, 제작 프로세스
이와 같은 프로세스의 단점을 보완하고자 제품 설계 단계에서 금형 냉각회로 설계를 완성하기 위해 냉각해석을 진행하려 하지만 냉각회로 설계는 금형업체에서 담당하므로 냉각해석을 실시한 자료가 부족하며, 냉각해석을 진행할 전문가가 제품 업체에 없고 냉각해석을 진행하는 시간이 무척 오래 걸린다는 문제가 있다. 따라서 전문적인 냉각회로 설계 경험이나 지식이 부족하여도 빠르게 제품 설계 단계에서 냉각회로를 자동으로 최적설계 처리를 하는 기술을 개발하였다. 본 과제는 산학협력과제로 진행되었으며 완성된 최적설계 프로그램을 산업체에 공급하였다. 이후 사용상의 문제점을 보완하기 위해 2차 연구를 진행한 후 개선된 프로그램을 산업체에 공급하였다.
[그림 2] 개선된 대형 사출금형 설계, 제작 프로세스
본 과제에서 개발한 프로그램은 대상을 자동차용 범퍼와 대시보드 금형으로 하였다. 자동차 범퍼금형의 냉각회로는 2가지의 냉각회로를 사용하고 있다. 직선의 냉각관 (줄냉각 이라 칭함)과 줄냉각관에서 제품 표면으로 배치된 배플냉각관으로 구성된다. 이는 범퍼의 형상이 3차원의 곡면을 가지고 있어 효율이 높은 줄냉각관만을 적용할 수 없기 때문에 효율이 낮더라도 배플냉각관을 함께 사용한다. 이 같은 냉각회로는 그림 3에 나타나 있다. 줄냉각관이 범퍼의 외곽을 따라 배치되고 각 냉각관에서 굴곡진 표면까지 배플냉각관이 배치되는 형태이다. 냉각회로 설계의 최종 목표는 제품 표면온도 분포의 산포를 최소화하는 것이다.
[그림 3] 자동차 범퍼 금형에 사용되는 줄냉각관과 배플냉각관을 혼합한 냉각회로
최적설계는 여러 단계의 시험을 거쳐 최종적으로 설계 변수를 줄냉각관의 제품표면 기준 깊이와 간격, 배플냉각관 끝점의 위치와 냉각관의 간격으로 결정하였다. 프로그램에서 냉각해석을 담당하는 소프트웨어는 산업체의 요청에 따라 몰드플로우를 사용하였고, 최적설계 기법은 실험계획법을 적용하여 얻어진 설계변수를 메타모델로 구성하여 산업체의 추가적인 비용부담이 없도록 Fortran언어로 작성된 최적화 프로그램을 이용하였다. 그리고 이들 최적화 계산과 냉각해석 전체를 통합하여 제어하기 위해 Visual Basic을 이용하였다. 전체적인 최적설계 구성은 그림 4에 나타나 있다.
[그림 4] 최적설계 구성도
본 프로그램은 설계자의 간섭이 없이 100% 자동으로 처리되는 특징을 가지고 있다. 그리고 범퍼와 같이 금형 구조가 복잡한 경우에도 최적설계를 달성하기 위해 단계적으로 최적설계를 진행하도록 제작되었다. 그림 5에 전체적인 최적설계 진행도가 나타나 있다. 실제 제품의 금형에 적용한 결과 매우 우수한 냉각 특성을 나타내었으며 설계자의 경험과 지식에 무관하게 최적의 냉각회로를 짧은 시간 내에 설계하였다.
[그림 5] 최적설계 진행 순서도
두번째 버전에서는 대상을 램프금형으로 변경하여 대형 금형이 아닌 중형 금형을 대상으로 자동 최적설계 프로그램을 개발하였다. 기존 설계방식의 특징을 최대한 반영하여 구체적인 설계 조건 유형별로 구분하였으며 기존의 조건을 적극적으로 감안하여 매우 상세하게 자동으로 최적설계를 진행할 수 있도록 하였다. 일례로서 기구물이 우선 배치된 경우 이를 자동적으로 피하도록 제작되었고 금형의 경계면 정보를 제공하여 실제적인 냉각회로의 위치정보가 도출되어 바로 CAD 도면에 반영할 수 있도록 제작하여 현장 실효성을 높였다. 또한 두번째 버전에서는 실험계획법에 의한 메타모델을 이용한 첫번째 프로그램의 최적설계 방식을 크게 변경하여 열전달의 기본 원리를 반영하여 열원이 되는 제품의 영역을 열용량 기준으로 영역 구분을 하고 구분된 영역에 냉각관을 배치하는 방식으로 변경하여 최적설계 시간을 획기적으로 감소하였다. 그림 6에서는 최종 설계된 램프 금형의 냉각회로 정보를 CAD 로 이관하여 만들어진 3차원 금형도면과 다양한 구조의 냉각회로를 보여준다.
[그림 6] 두번째 작성된 금형 냉각회로 자동 최적설계 프로그램의 결과를 반영한 3차원 금형도면과 다양한 형태의 냉각회로 설계 결과
[관련 논문]
이병옥, 장형건, 정현우, 이영주, 박천수, “Automatic generation of optimum cooling circuit for large injection molded parts”, INTERNATIONAL JOURNAL OF PRECISION ENGINEERING AND MANUFACTURING, KOREAN SOC PRECISION ENG, Vol.11, No.3, pp.439-444, 2010
이병옥, 최재혁, 최순호, 최동훈, 박창현, 박도현, “Design optimization of an injection mold for minimizing temperature deviation”, INTERNATIONAL JOURNAL OF AUTOMOTIVE TECHNOLOGY ,KOREAN SOC AUTOMOTIVE ENGINEERS, Vol.12, No.1, pp.273-277, 2011
