기술과 솔루션
가상공학 실현을 위한 고분자가공의 CAE
작성자 : 편집부
2019-07-10 |
조회 : 1737
세계적으로 고분자 재료의 쓰임은 철강 등 다른 소재보다 많아졌고 환경오염의 이슈가 끊이지 않고 있지만, 그 쓰임의 증가는 막을 수 없는 현실이 되어버렸다. 인류가 지구에 터전을 마련한 후 오랜 세월이 지나면서 선조들의 시대를 구분할 때 당시에 사용하던 재료로 분류하고 있는걸 보면, 재료는 인간의 사회와 문화에 기여하는 바가 매우 크다고 하겠다.
그리고 후손들이 지금의 시대를 고분자 시대의 초기라 부르지 않을까 하는 상상을 하게 된다. 작금의 산업 변화는 예전의 변화와는 비교할 수 없을 정도로 큰 속도로 변화하고 있으며, 4차 산업이라고 불리는 신산업에 올바로 적응하기 위해 모든 사회구성원이 불안한 마음으로 그 초점을 찾기 위해 고민하고 있다.
고분자 재료의 쓰임이 증가함에 따라 고분자제품을 성형하는 방법 또한 중요한 역할을 하고 있으며, 예전의 접근과는 사뭇 다른 과학적이면서 시대에 적응된 시도가 필요한 시점이다. 고분자성형에서의 주안점은 경쟁력 있는 가격으로 품질의 만족을 꾀할 수 있도록 하기 위한 소재의 선택과 제품설계, 금형설계, 그리고 성형기계의 운전이라고 할 수 있다.1 이러한 일련의 작업들이 서로 고립된 상태에서 독자적으로 수행되고, 각각의 결과를 물리적으로 연결하면 제품이 되는 프로세스는 이제 더 이상 시대에 맞지 않을 뿐 아니라 경쟁력이 없는 방식이 되어버렸다. 실제로 제품설계, 금형설계, 그리고 성형의 일관적인 작업에 있어서 시행착오를 줄이며 효과적으로 성형작업을 하기 위해 CAE를 많이 응용하고 있긴 하지만, 총체적으로 그의 응용방법을 제고할 시기가 왔다고 판단된다.2
컴퓨터 성능의 급속한 발전과 다양한 공정에 맞는 정확성이 개선된 CAE 프로그램의 출현으로 이를 유기적으로 활용하여 짧은 시간에 총체적인 작업이 수행될 수 있도록 하는 연출이 필요하다. 고분자제품 생산에서 가상공학(Virtual Engineering)은 제품성형의 총체적인 작업이 일관성 있게 이루어지고 각 단계들이 유기적인 관계로 연결되도록 하는 코어 역할을 한다고 판단된다.
따라서 고분자성형공정의 가상공학에서는 CAE의 응용이 더욱더 활발히 적용되어야 하며, 각 공정들이 유기적인 관계로 엮어지도록 하는 연출이 중요하다. 하나의 제품을 생산하는 여러 공정단계에서 각각의 단계들이 유기적인 연계가 되도록 하기 위해서는 각 단계들의 해석이 완벽해야 하고, 각 단계에서 전체적인 해석의 목적에 맞는 결과를 얻어야 하는 것이 선행되어야 한다. 따라서 본 보고서에서는 여러 고분자성형공정에서 더욱 정확하고 문제해결에 필요한 해석을 하기 위한 방법을 제고하고자 한다.
고분자성형공정에서 고분자 용융체의 흐름을 해석하기 위해서는 질량보존(continuity equation)이 만족되는 조건에서 운동 방정식(equation of motion)과 에너지 방정식(energy equation)을 풀어서 결과를 관찰한다. 이때 재료의 물성에 따라, 또는 해석에 따라 재료의 모델(material model, constitutive equation)을 선정하여 사용한다. 본 보고서에서는 이러한 수학적인 설명을 제외하고, 일반적인 상용 프로그램을 통해 해석한 내용을 소개하고자 한다.
