기술과 솔루션
ANSYS를 이용한 플라스틱 성형 및 금형 시뮬레이션(4화)
작성자 : 이용우
2018-05-09 |
조회 : 2787
ANSYS Polyflow 소개
ANSYS Polyflow는 압출(Extru-sion) 해석, 압출기(Extruder) 해석 및 성형(Blow molding & Thermofor-ming) 해석, 그리고 필름 캐스팅(Film Casting) 해석 등의 고점도, 고분자 및 점탄성 유변물질에 대한 사출을 제외한 거의 대부분의 공정 해석을 위한 기능들을 제공한다. 또한 구조물에 대한 선형구조 및 연성해석 기능을 제공함으로써 공정상에 발생하는 구조물에 적용되는 복합적인 현상 구현을 가능하게 하여 보다 신뢰성 높은 결과를 얻게 해준다.
ANSYS Polyflow 해석을 수행하여 제품에 대한 다양한 평가가 가능하고, 제품의 불량을 최소화 하거나 시제품 생산의 부담을 줄일 수 있다.
그림 1. ANSYS Polyflow 해석 사례
ANSYS Polyflow를 이용한 압출기 해석
일반적인 연속식 압출기는 단축(Single Screw) 또는 이축(Twin Screw) 압출기로 스크류의 형태 및 배열을 어떻게 설계하느냐에 따라 압출기의 성능이 결정된다. ANSYS Polyflow를 사용하면 해석을 통해 스크류의 형상과 배열 등의 다양한 조건에 따른 압출기의 성능을 미리 확인해볼 수 있다. 또한 기존에 설계된 압출기의 설계상의 문제를 확인할 수 있고, 압출기가 구동되는 동안 발생하는 스크류와 배럴(Barrel)의 구조적인 문제에 대한 부분도 확인이 가능하다.
ANSYS Polyflow의 압출기 해석은 그림 2와 같이 단축과 이축 압출기 모두 적용이 가능하다. ANSYS Polyflow에서는 해석을 통해 스크류가 받는 압력, 온도와 전단응력 등을 확인할 수 있으며, 배럴 내부의 유체의 압력, 온도, 속도, 전단 등의 결과를 확인할 수 있다. 그림 2에서 보이는 것처럼 해석을 통해 설계가 잘못된 이축 압출기의 문제점을 파악하고 이를 개선할 수 있다.
그림 2. ANSYS Polyflow 압출기 해석 사례
ANSYS Polyflow를 이용한 압출 해석
압출기를 통해 공급된 원료가 금형(Die)을 통해 밀려나와 성형이 되는데, 이 과정에서 원료의 특성과 공정 조건에 따라 금형을 통과한 형상이 부풀거나 줄어드는 현상이 발생하게 된다. 이런 현상으로 인해 원하는 제품 형상으로 금형을 설계하면 최종 제품의 형상은 금형과 다른 형상을 얻게 된다. 이를 실험을 통해 개선 하려면 매번 금형을 새로 만들어야 하지만, 압출 해석을 이용하면 보다 쉽고 빠르고 효율적으로 제품의 최종 형상을 예측할 수 있다.
그림 3과 같이 ANSYS Polyflow는 Inv-erse Technique나 Co-Extrusion 등의 기능을 제공함으로써 제품의 최종 형상을 쉽게 예측하고 설계자가 원하는 제품 형상을 얻기 위한 금형설계를 가능하게 한다.
또한, 앞서 언급한 것처럼 ANSYS Polyflow는 선형 구조해석 기능을 제공하기 때문에 압출과정에서 발생하는 금형이 받는 응력에 대한 구조해석이 가능하다. 이를 통해 압출과정에서 발생할 수 있는 금형의 변형문제도 개선이 가능하다.
그림 3. ANSYS Polyflow 압출 해석 사례
그림 4. ANSYS Polyflow 금형 최적 설계
ANSYS Polyflow를 이용한 성형 해석
ANSYS Polyflow는 압출관련 해석뿐만 아니라 다양한 성형문제에 대한 해석기능도 제공하고 있다. 블로우 성형(Blow molding), 압축 성형(Compression molding), 그리고 열성형(Thermoforming) 등의 다양한 성형해석 기능을 제공하고 있으며, ANSYS Workbench의 연성해석 기능을 통해 성형이 완료된 최종 형상과 두께를 ANSYS 구조해석으로 넘겨 최종 결과물에 대한 구조해석도 가능하다.
성형해석을 통해 최종 형상의 두께 분포와 미성형성을 확인할 수 있으며, 다양한 초기 파리손(Parison, preform) 두께 분포와 형상에 따른 최종 결과물의 두께분포를 예측하여 최적의 파리손 형상 및 양을 예측할 수 있다. 공정에 사용되는 파리손의 양을 줄이면 그만큼 생산단가를 줄일 수 있기 때문에 파리손의 양을 줄이기 위한 노력을 많이 한다. 하지만 무작정 파리손의 양을 줄이면, 최종 제품의 두께나 강도, 성형성 등의 기준을 만족할 수 없기 때문에 이를 만족할 수 있는 최적의 초기 파리손 형상과 양을 결정하는 것은 매우 중요하다.
ANSYS Polyflow를 이용하여 최적의 초기 파리손 설계를 할 수 있고, 공정조건에 대한 부분도 최적화가 가능하기 때문에 성형공정에서 그동안 경험적으로 수행하던 업무들을 보다 정확하게 예측하여 수행할 수 있다.
그림 5. ANSYS Polyflow 성형 해석 사례
그림 6. ANSYS Polyflow 블로우 성형 해석 과정
그림 7. ANSYS Polyflow & ANSYS 구조 연성 해석
맺음말
이번 화에서는 ANSYS Polyflow 프로그램을 소개하고 이를 사용하여 유변물질의 압출과 성형에 대한 해석적 접근방법 및 가능성을 확인해보았다. 사출해석은 프로그램들도 비교적 다양하고, 해석도 많이 진행되고 있지만 그에 반해 압출 및 성형 해석은 많이 수행되고 있지 않다. 압출이나 성형 공정에 대한 해석적인 접근과 다양한 사례가 늘어나길 기대한다.
