기술과 솔루션
ANSYS를 이용한 플라스틱 성형 및 금형 시뮬레이션(1화)
작성자 : 이용우
2018-02-06 |
조회 : 6522
1화 : ANSYS 소개 및 ANSYS를 이용한 금형의 구조 해석
1. ANSYS로 수행하는 유한요소 해석
최근 여러 산업분야에서는 다양한 프로그램을 사용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행한다. 이 프로그램들을 사용하여 제품의 성능을 검토하거나, 작동환경에서의 거동을 평가하고, 제품의 중량을 줄이기 위해, 또는 사용가능 수명을 예측하고 있다. ANSYS는 이러한 해석 프로그램들 중의 하나로 다양한 물리계의 역학 시뮬레이션이 가능한 다물리계(Multiphysics) 유한요소 해석 프로그램이다.
그림 1과 같이 ANSYS는 해석이 가능한 물리계를 크게 3개의 파트로 구분하여 해석을 수행한다. 구조체/유체에 대한 물리계 별로 구조 해석, 유동 해석, 전자기장 해석을 독립적으로 진행할 수 있으며, 각 물리계 해석들의 결과를 연동하여 연성해석(Multiphysics Analysis)을 수행할 수 있다. 해석결과에서 구조물의 변형, 응력 결과 및 열이동, 전자기장 등을 확인 할 수 있고, 이 정보들을 기반으로 상호작용을 고려할 수 있다.
2. ANSYS 구조 해석 소개
이번 화에서 중점적으로 소개할 내용은 ANSYS의 여러 물리계 해석 중에 구조체 해석에 특화되어 있는 ANSYS 구조 해석에 대한 내용이다. ANSYS 구조 해석은 열전달 해석 및 선형/비선형 변형해석, 그리고 동해석 등의 구조체에서 발생할 수 있는 모든 현상을 해석하기 위한 기능들을 제공한다. 또한 열-응력, 열-전기, 압전과 같은 연성 해석 기능을 제공함으로써 구조물에 적용되는 복합적인 현상 구현이 가능하여 보다 신뢰성 높은 결과를 얻을 수 있도록 돕는다.
ANSYS 구조 해석을 수행하여 제품에 대한 다양한 평가가 가능하고, 제품의 불량을 최소화 하거나 시제품 생산의 부담을 줄일 수가 있다. 특히 이번 화에서는 플라스틱 사출품 및 금형에 대한 구조 해석을 소개할 예정으로 큰 관심을 요한다. 플라스틱 사출품에 대한 구조 해석의 경우, 이어서 연재되는 2화에서 소개될 예정이고, 이번에 소개할 내용은 ANSYS를 이용한 금형의 구조 해석에 대한 것이다.
3. ANSYS를 이용한 금형의 구조 해석
플라스틱 사출성형에 사용되는 금형은 해석적으로 접근하는 방법이 매우 다양하다. 냉각 회로 및 수지 유동에 의한 금형의 열전달 해석, 금형의 강도 확인을 위한 변형 해석, 반복 적용되는 형체력, 수지 압력 및 열하중에 대한 피로 해석 등이 있다. 그림 2와 같이 시스템들을 구성하여 각각의 해석들을 독립적으로 수행하거나 상호작용을 고려한 연성해석이 가능하다. 또한 타 프로그램으로 수행한 사출 해석 결과를 적용하여 구조 해석 수행이 가능하다.
ANSYS에서 수행하는 금형 구조 해석을 열전달 해석, 변형 해석, 피로 해석 순서로 아래와 같이 정리하였다.
A. 금형의 구조 열전달 해석
플라스틱 사출성형에 있어서 금형의 역할은 매우 중요하다. 특히 금형의 온도 및 온도분포는 제품의 품질과 생산성에 큰 영향을 주기 때문에 금형을 제작하기 전에 이를 해석적으로 먼저 검토해볼 가치가 있다. 금형의 온도 및 온도 분포는 금형 내의 냉각회로, 냉각시간, 스프루, 런너 위치 등에 따라 달라지고 유입되는 수지의 종류 및 온도에 따라서도 달라진다.
ANSYS를 이용한 구조 열전달 해석에서는 이를 다양한 형태의 열하중으로 금형에 적용하여 해석을 수행할 수 있다. 그림 3과 같이 외부에서 주어지는 온도 프로파일을 적용하거나 내부 수지에 의해 전달되는 열, 냉각회로를 통해 이동하는 열 등의 다양한 조건의 하중을 사용할 수 있다. 내부 수지에 의해 전달되는 열은 평균값을 취하여 금형에 온도 값을 설정하거나 또는 사출해석 수행을 통해 계산되는 제품의 표면온도 결과를 금형 내부에 직접 적용할 수도 있다.
ANSYS에서 금형에 대한 구조 열전달 해석을 수행하면 그림 4와 같이 금형의 온도 분포, 열유속 결과 확인이 가능하며, 이를 통해 최적의 냉각회로 설계 및 런너 위치, 냉각 시간 등에 대한 검토가 가능하다.
B. 금형의 구조 변형 해석
금형은 수시로 열, 압력 등의 다양한 형태의 힘을 받는데, 보통 이러한 힘들이 반복적으로 금형에 가해지면 금형이 변형되거나 파손이 발생할 수 있다. 금형이 변형되는 경우에는 제품의 품질에도 영향을 미치게 되며, 파손 시에는 금형의 수명에 문제가 발생한다. 이러한 현상 확인 및 보완을 위하여 ANSYS에서 금형의 구조 변형 해석을 수행할 수 있다.
금형에 가해지는 힘에는 공정상에 걸리는 내부 압력 및 열하중, 형체력 등이 있다. 그 중에서 금형에 가해지는 열하중의 경우, 금형의 열전달 해석 수행 결과를 반영하여 해석을 수행할 수 있다. 또한 금형 내부에 걸리는 압력 하중은 평균압력 값을 단순히 설정하거나 또는 그림 5와 같이 ANSYS에서 시스템을 구성하여 사출 해석에서 구해진 제품 표면 압력 결과를 적용하여 보다 정확한 금형의 구조 변형 해석 수행이 가능하다.
ANSYS에서 구조 변형 해석을 수행하면 그림 6과 같이 금형의 변형 및 내부에 발생하는 응력 분포 확인이 가능하다. 금형의 변형으로 인해 생산되는 제품의 치수 및 형상에 문제가 발생하면 불량으로 이어질 수 있으므로 이에 대한 확인이 중요하다. 또한 내부에 발생하는 응력을 평가하여 금형 내부에 발생할 수 있는 표면 갈라짐, 파손 등을 확인할 수도 있다. 이외에 형체력 적용에 대한 금형의 기밀 유지 여부에 대한 결과까지 확인이 가능하여 실제 구동에 필요한 형체력을 역으로 확인하는 것이 가능하다.
C. 금형의 구조 피로 해석
ANSYS에서는 금형의 변형 해석을 수행한 후, 피로 해석 수행을 통해 구조물의 수명을 확인할 수 있다. 구조물에 발생하는 응력 및 변형률을 사용하여 제품의 수명을 계산하기 때문에 금형의 변형 해석에서는 열전달 해석 결과가 선택이었다면, 피로 해석에서는 구조 변형 해석 수행이 필수적이다.
금형의 변형 해석을 수행한 후에 피로 해석 결과를 쉽게 바로 확인 할 수 있으며, ANSYS에서 그림 7과 같이 하중이 어떤 크기로 반복될지, 어떤 이론을 사용할지를 선택해주면 제품의 수명이 나타난다.
맺음말
이번 화에서는 ANSYS 프로그램을 소개하고 이를 사용하여 금형에 대한 해석적 접근 방법 및 가능성을 살펴보았다. 금형에 적용 가능한 해석으로 열전달, 변형, 피로 해석이 있고 그 결과로 금형의 온도 분포 및 강도, 수명을 예측할 수 있음을 확인하였다. 이어서 연재될 2화에서는 금형이 아닌 사출품에 대한 구조해석 및 3D 프린트를 사용한 적층가공물에 대한 해석을 소개할 예정이다.
