[사출금형 성형 기술 실무 1] 컴퓨터 해석을 기반으로 하는 사출금형 설계

[사출금형 성형 기술 실무 2] 사출성형의 핵심, 유동해석 기술

이 연재는 컴퓨터 해석을 기반으로 하는 사출금형 설계의 핵심 기술인 유동시스템 설계를 중심으로 사례를 들어 설명하고, 요소 기술의 특성들을 분석하여 설계자에게 관련 기술 정보를 제공하고자 한다. 사출성형 기술은 유체 성질에 관한 이론적 배경을 근거로 사출성형의 다양한 파라미터의 특성을 분석하여 성형기술자에게 유익한 정보를 제공할 것이다.

금형산업의 당면 과제는 글로벌 경쟁에서 이길 수 있는 기술 경쟁력이다. 경쟁력은 설계 기술에 달려 있음은 두 말할 것도 없다. 실력 있는 설계자는 금형의 구조, 소재, 요소 기술, 가공 기술, 성형 기술의 지식 능력을 가지고 있다. 금형 제작에 필요한 부품을 구매하는 담당자, 기계 가공하는 기술자, 사출성형 담당자, 품질관리 책임자도 설계자와 연결되어 있다. 이런 체계는 앞으로 더욱 심화될 것으로 예상된다.
독일의 프라운호퍼(WZL/Fraunhofer IPT)의 보고서는 유럽의 기업 혁신 프로그램에 참여하고 있는 10대 기업을 중심으로 흥미로운 조사한 결과를 담고 있다. 그림 1은 금형 제조 공장의 인력 운용 사례를 도식적으로 보여주고 있다. 이런 패턴은 미래에 우리 금형업체가 어떻게 변신해야 할지를 보여주는 한 예가 될 수 있다. 첫 번째는 개발과 설계 과정에서 기업의 노하우와 설계 영역의 인력 배치가 증가하고 있고, 두 번째는 첨단화된 제조 컨셉을 적용하기 위한 작업 준비에 인력이 늘어나고, 세 번째는 자동화된 제조 설비의 인력은 감소하고 있다. 네 번째로 조립 공정과 시험 생산에서는 성장과 전문화을 위해 인력 배치가 강화되고 있다. 기업 성장을 위한 협업 체계에서 개발과 설계에 인력과 시간과 자원을 더 투자하는 추세이며, 이것은 곧 기업의 경쟁력과 직결되고 있음을 보여주고 있다. 즉, 금형 제조를 위해 여러 협력업체들과 함께 서로 융합하고 공존하여 상생하겠다는 의지와 노력이 담겨 있다고 볼 수 있다.

그림 1. 선진 금형 제조산업의 인력 배치 변화

이 글은 매 회마다 주제가 있으며, 각 주제마다 경험과 지식을 제시할 때 과학적 근거를 바탕으로 작성할 것이다. 과학적 근거로는 첫 번째로 과학적 사고를 통해 문제의 원인을 찾아내고 최상의 결과값에 도달하기 위한 품질관리 기법을 도입한다. 두 번째로는 무결점을 지향하는 Design for Six Sigma(DFSS) 기법을 적용하여 문제 해결 논리를 제시하고, 세 번째로는 사출성형 이론을 근거로 금형의 유동시스템을 설계하는 것과 수지 거동 현상과의 상관관계 그리고 사출성형에 활용할 수 있는 지식을 제공한다.

1:10:100 규칙

금형 설계는 금형 제조의 총원가 구성 요소 중 가장 적은 부문을 차지하지만 총비용에 미치는 영향은 매우 크다. 수많은 연구에 의하면 제품의 총비용 중 약 70~80%가 설계에 의해 결정된다고 한다.
마이켈 헤리와 슈뢰더는 인건비나 제조간접비를 30% 절감할 경우 총비용은 1.5% 절감되는 반면, 설계 단순화를 30%만 개선해도 총원가의 21%를 절감할 수 있다고 한다.

그림 2. Sullivan Curve

그림 2는 6시그마에 나오는 Sullivan Curve이다. 금형 제작이나 사출성형에서 설계 단계의 중요성을 도식적으로 표현한 것으로 설계 단계가 그만큼 중요하다는 것을 보여준다. 특히 제품의 설계 단계에서 결함이 발견되어 수정하는데 드는 비용이 ‘1’이라면, 제조한 후 출하 검사 단계에서 결함이 발견되어 재작업을 거치게 되는 비용은 ‘10’으로 뛰어오르게 된다. 더구나 시장으로 출하되어 고객이 사용하는 단계에서 발견되면 ‘100’배로 비용이 증가하게 된다. 이와 같이 설계 단계와 검사 단계 그리고 고객 단계의 품질 비용의 증가를 ‘1:10:100의 규칙’이라고 한다.
• ‌설계 단계에서 제품의 결함이 발견되어 수정하는데 드는 비용 : ‘1’
• ‌출하 검사 단계에서 결함이 발견되어 수정하는데 드는 비용 : ‘10’
• ‌고객 사용 단계에서 결함이 발견되어 수정하는데 드는 비용 : ‘100’
이러한 사실에 주의하여 실천하기를 바란다. 설계는 무상이고 금형만 있으면 되는 것이 아닌가 하는 생각이야말로 얼마나 어리석은지 간과해서는 안 된다.
앞으로는 Soft Power가 기술을 지배하게 될 것이다. 아무리 비싼 프로그램을 설치해 두었더라도 사용할 줄 모르면 무용지물이고 폐타이어만도 못하다. 우리 금형산업도 엔지니어링 파워를 갖추어야 한다. 필요한 지식을 가르치고 활용할 지식을 가르쳐야 한다. 이 글이 금형을 배우고 성형기술을 배우고자 하는 모든 이들에게 조금이나마 길잡이가 될 수 있기를 기대한다.

DFSS(Design for Six Sigma) 활용

금형 설계는 원가, 신뢰도, 품질 및 궁극적으로 고객 만족도를 결정하며, 결정적으로 품질 문제의 80%는 설계 과정에서 발생하고 있다. 또한 품질 변동의 대부분은 설계 시 고객의 요구 조건을 확실히 정의하지 못하거나 품질 및 공차를 과학적으로 설정하지 않은 경우와 설계 조건이 공정 능력과 일치하지 않는 경우에 발생한다.
금형 설계나 사출성형에서 공급자의 능력이나 공정 관리도 중요하지만, 사출성형 과정에서는 금형 설계에 의해 제작된 금형을 개선하기 위해서는 추가적인 시간과 비용이 수반될 수밖에 없다. 설계가 적절하지 못하면 최상의 결과 대신에 차선의 결과만 얻을 수 있다. 따라서 성형품 및 품질 서비스가 무결점 6시그마 품질 수준을 달성하기 위해서는 제품 개발부터 생산에 이르기까지 최소 변동으로 설계되어야 한다. 이를 위해 DFSS는 처음부터 발주자의 기대를 충족시킬 수 있도록 금형 및 성형을 설계하는 엄격한 방법이다. 특히 DFSS는 자원을 능률적으로 사용하고 복잡성과 수량에 상관없이 높은 수율을 얻고, 프로세스 변동이 발생하지 않는 강건한 프로세스가 가능하도록 하기 위한 것이다.
이 글을 통해 무결점을 지향하는 6시그마 설계 방법을 사출금형의 유동기구 설계와 사출성형의 성형 조건 최적화에 적용하여 제시하고자 한다. 그림 3은 DFSS의 DIDOV 방식으로 주로 설계 영역에서 적용하는 방식이다. 여기에는 3D CAD, 유동해석, 통계분석 프로그램 등의 도구가 사용된다.

그림 3. 사출성형 최적화 DIDOV 방식

품질 관리

특성요인도(Cause & Effect Diagram)는 제공하는 원인에 따라 결과에 어떤 영향을 미치는가를 나타내는 그림이다. 일명 어골도(Fish-Bone Diagram)라고도 한다. 특성요인도를 작성하기 위해서는 우선적으로 그 분야에 종사하는 사람들로부터 VOC를 수집하는 단계가 필요하다. 그리고 브레인 스토밍을 통해 주 원인과 상세 원인을 분류하여 작성한다.

그림 4. 성형품 품질특성 특성요인도

아래의 그림 4는 사출성형을 위한 특성요인도이다. 고품질 제품을 얻기 위해서는 수지특성, 사출기 제원, 사출 공정, 성형품 정보, 금형특성 등을 주 원인으로 정하고 주 원인에 영향을 미치는 상세 원인을 찾아 정리해야 한다. 앞으로 대부분의 요인들은 아래 빨강색 항목의 변수들이 원인변수(X’s)로 작용하게 된다.
사출성형에 있어 품질특성(Y’s)은 현재 수준을 말한다. 발주자의 요구에 따라 이미 정해진 값이다. 품질특성을 충족시키기 위해서는 품질에 영향을 미치는 잠재적인 원인변수(X’s)을 찾아 품질특성(Y’s)를 최적화시키는 툴로 사용하기에 적합하고 다음과 같은 함수로 나타낸다.

Y = ?(?1, ?2,…,  ?k)

최적 사출성형 조건은 최고의 품질특성(Y’s)을 구현하는 것이고, 금형 설계기술자와 사출성형 기술자에게 최고의 목표이기도 하다. 사출성형에서 고품질 제품을 얻기 위한 최적 성형 조건은 매우 중요한 성형 인자로 이루어져 있다. 성형 조건은 수지특성, 온도, 압력, 시간, 속도의 요소에서 설정되며, 성형 사이클과 성형품의 외관, 품질, 치수정밀도, 생산성과 밀접한 관계가 있다. 이것은 수지특성, 금형 설계, 성형품의 디자인 등과도 긴밀한 상관관계가 있어 품질특성을 고려한 최적 성형 조건은 사출성형 기술의 핵심 요소이다.

글 : 박균명

저자 약력
공학박사, 금형기술사
한국생산기술연구원 금형기술센터 재직
사단법인 한국금형기술사회 회장 역임
한국산업기술대학교 겸임교수 역임
국가뿌리산업진흥센터 소장 역임