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[기술특집]금형 분야의 인더스트리 르네상스를 촉진하는 3DEXPERIENCE

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[첨단 헬로티]


다니엘 피작(Daniel Pyzak) 다쏘시스템즈


이 글에서는 3DEXPERIENCE 플랫폼을 이용하는 제조(적층조형을 포함) 분야의 유저가 여러 가지 최신 테크놀로지의 메리트를 어떻게 활용할 수 있는지를 소개한다. 


또한 컴포멀 냉각이나 경량화(토폴로지 최적화), CAE의 완전 검증, 궁극의 자동화를 실현하는 템플레이트 베이스의 설계 등 유저가 금형을 설계․제조하는 새로운 방법을 고안할 때에 3DEXPERIENCE 플랫폼이 어떻게 지원할 수 있는지도 설명한다.


금형 메이커를 둘러싼 어려운 상황


오늘날 금형 시장에서는 치열한 경쟁이 반복되고 있으며, 글로벌화도 추진되어 금형의 가격은 가급적 낮춰야 한다. 금형 메이커의 고객이 요구하고 있는 것은 품질을 희생하지 않고, 사이클타임을 단축해 자사의 생산 최대화가 가능한 신뢰성과 내구성이 우수한 생산 설비이다. 


금형 메이커나 대기업의 금형 부문에서 경쟁을 계속 리드해 시장 점유를 획득하고, 품질을 향상시키면서 최단기간에 저코스트에 의한 생산을 실현하는 것은 쉽지 않다. 


그러나 제조 분야에서도 IT(정보 기술) 분야에서도 이러한 과제의 실현을 촉진하는 여러 가지 새로운 테크놀로지가 등장하고 있다. 또한 동사가 3DEXPERIENCE 플랫폼을 개발, 이른바 인더스트리 프로세스 익스피리언스를 통해 금형 업계에 특화한 솔루션을 제공하고 있는 것도 좋은 재료이다. 


이 솔루션은 예를 들면 ‘자동차․운송기계․모빌리티’나 ‘산업기계’, ‘하이테크’ 등의 업계에 맞춰 내용이 조정되어 있으며, 주요 타깃은 플라스틱 사출성형이나 순차이송 프레스 금형 설계 등의 비즈니스 프로세스이다. 이하에서 각각 설명한다.


플라스틱용 금형의 설계


플라스틱용 금형 분야에 특화된 애플리케이션은 2가지로 분류되며, 그 중 하나는 그림 1에 나타낸 금형의 코어와 캐비티의 형상을 설계하는 것이다. 또 다른 하나는 그림 2에 나타낸 몰드베이스를 설계하기 위한 것이다.



이러한 애플리케이션의 큰 메리트가 컨커런트 엔지니어링에 있는 것은 분명하다. 즉, 프로젝트 관리자는 프로젝트에 복수의 설계자를 할당할 수 있다. 전원이 동시에 동일한 금형의 작업을 할 수 있기 때문에 리드타임을 대폭으로 단축할 수 있다(동일한 금형을 5명이 설계하고 있는 유저도 있다).



또 다른 하나의 큰 메리트는 이젝터나 냉각 등 금형의 가장 중요한 기능에 대해, 매우 초기 단계에서 설계 공간을 할당할 수 있는 것이다. 상세한 설계를 담당하는 금형 설계자는 이미 설계․검증이 완료된 기능을 재이용할 수 있다.


그리고 플라스틱 사출성형에서는 시뮬레이션에 의한 설계 내용의 검증이나 최적화도 중요하다. 3DEXPERIENCE 플랫폼을 이용하면, CAE와 CAD가 긴밀하게 연계되어 즉시 상승효과가 나온다(그림 3). 예를 들면 냉각관의 위치를 최적화해 금형의 효율성을 최대화할 수 있다.



실제로 3DEXPERIENCE 플랫폼에서는 사출의 모든 공정, 즉 충전에서 보압, 냉각(열기계해석이나 수치유체역학해석)까지를 실행해 사출작업을 충분히 검증할 수 있다. 


데이터베이스에서 최신의 상태로 유지되고 있는 동일한 모델을 모든 애플리케이션에서 참조하기 위해 데이터나 파일 전송도 필요 없다. 이것에는 금형의 구조적 완전성 평가도 포함되어 있으며, 가동 상태의 금형 내부 응력에서 피로수명의 계산에 이르기까지 확인이 가능하다.


프레스 금형의 다이페이스의 설계


동사는 프레스 금형 설계를 담당하는 주요 메이커와 철저하게 의론해, 프레스 금형의 다이페이스를 설계하기 위한 최첨단 솔루션을 개발하기로 했다. 


그리고 현재 가장 일반적인 2가지 절차로 이루어지는 프로세스 ①프레스 가공 공정의 개념을 설계하고, ②상세한 프레스 가공 공정의 설계를 하나에서부터 다시 한다고 하는 완전히 분리된 프로세스를 배제하는 이상을 실현했다(그림 4). 



이것에 의해 개념 설계에서부터 상세 설계에 이르기까지 동일한 서피스 품질로 동일한 모델 정의를 유지할 수 있다. 이것은 프레스 금형의 설계에서는 매우 중요하다.


그리고 이 공정 설계는 프레스 라인의 시뮬레이션에서 재이용할 수 있고, 완전히 분리되어 있던 프로세스가 통합됨으로써 정보를 일원 관리해 생산성을 최대화할 수 있다(물론 설계 변경 시에는 공정 설계 전체를 신속하게 갱신할 수 있는 것은 말할 것까지도 없다).


모든 작업의 개시점이 되는 것은 ‘드로잉 깊이’, ‘빼기구배’, ‘단열 방향’ 등의 중요한 3가지 파라미터를 고려해 프레스 가공의 방향을 최적화하는 툴이다. 최적의 솔루션이 자동 탐색되고 프레스 라인의 스트로크 속도가 최적화되는데, 동시에 트림이나 구멍뚫기에 대응하기 위한 캠기구의 필요성을 최소화해 금형 코스트의 절감도 실현한다.


또한 낭비를 없애고 효율성을 높이기 위해 이 애플리케이션에서는 다이페이스에 특화한 일련의 기능, 예를 들면 서피스의 연장과 구멍매우기, 추가 서피스의 작성, 트림 라인 등의 기능을 제공한다. 그리고 프레스 가공 공정에서 발생하는 스프링백을 부분적 혹은 전체적으로 보정하기 위한 툴도 제공한다. 


기능 베이스의 완전한 자동 조정 애플리케이션에 의해 동일한 부품을 설계할 때에 재이용할 수 있는 금형 템플레이트를 설계해 두면, 프로세스 전체를 대폭으로 단축할 수 있는 가능성도 있다. 정말로 유저에게 필수적인 솔루션이다.


금형의 경량화


주로 자동차나 트럭, SUV의 대시보드에 사용되는 플라스틱 성형품은 서서히 대형화되고 있다. 그렇기 때문에 이들 부품을 제조하기 위한 설비(플라스틱 사출성형 혹은 시트 모양 몰드 컴파운드-SMC)도 서서히 중량화되고 있으며, 설비를 이용해 부품을 제조하고 있는 유저의 공장 내에 설치되어 있는 크레인으로 매달 수 있는 한계(최대 Nt)를 넘고 있을 가능성이 있다. 


즉, 유저에게 있어 최우선 사항은 ‘금형 설비의 중량을 줄일 수 있을까’이다.


프레스 금형의 중량 절감에는 다른 큰 메리트가 있다. 예를 들면 프레스 가공에 필요한 에너지를 최대 20% 절감할 수 있으며, 재료 소비량도 절감할 수 있고 탄성변형이 억제되기 때문에 시험운전이나 수작업에 의한 조정 부하도 경감할 수 있다. 중량 절감의 메리트를 실현하는 것이 3DEXPERIENCE CATIA Function-Driven Generative Designer이다(그림 5).



예를 들면, 이른바 설계 공간(금형의 코어・캐비티 혹은 다이세트의 상하 베드를 설계하기 위한 용적)이나 재료(탄소공구강, 마레이징강 등), 하중 조건이나 경계 조건(형체력)을 정의하는 것만으로 CATIA는 조건을 만족시키는 최소 중량의 컨셉트를 생성하는 것이 가능하다. 정말로 최첨단의 솔루션이다.


컨포멀 냉각회로의 설계


이상적으로는 냉각회로를 성형품의 형상에 근접해 설치하면, 최적의 냉각이 가능해지고 부품 품질이 최적화되어 생산 사이클도 단축된다.


기존의 제조 공정(디프 구멍가공)으로는 이러한 것은 불가능한데, 파우더 베드 방식의 금속 적층조형장치를 이용하면, 그림 6에 나타낸 형상을 금형의 인서트나 소형에서 중형의 캐비티로 작성할 수 있다(현 시점에서는 비교적 큰 장치로 최대 500×500mm). 



실제로 어디에나 적용할 수 있는 것은 아니지만, 이러한 새로운 테크놀로지가 이미 제조현장에 등장, 사용되기 시작하고 있다. 


CATIA에서도 이미 기존의 디프 구멍가공에 의한 회로 설계에 더해 컨포멀 냉각회로의 설계도 가능하게 되어 있으며, 유저의 혁신적인 업무 전개에 대응하고 있다. 꼭 도입하면 어떨까 한다.


최신의 3DEXPERIENCE 플랫폼을 이용하면, 금형 메이커는 최첨단의 설계 방법을 도입․구축․활용해 업계에서 현안으로 되어 있는 모든 비즈니스 상의 과제에 대응, 어려워지고 있는 금형 시장을 계속 리드할 수 있다. 


즉, 컨커런트 엔지니어링이나 완전히 통합된 시뮬레이션 기능, 템플레이트 작성, 경량화, 적층조형 등의 최신 테크놀로지를 활용해 최적의 가격과 최고의 품질을 최단기간에 실현하는 것이 가능하다. 동사의 3DEXPERIENCE 플랫폼이 금형 메이커를 인더스트리 르네상스의 새로운 시대로 안내한다.

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