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위기 타파를 위한 설계단의 움직임

프로슈머, 크로스오버 소비, 바겐헌터, 트레져 헌터, 큐레이 슈머…. 달라진 소비자의 구매 행동을 일컫는 신조어다. 날이 갈수록 다양해지는 소비자의 요구는 자연스레 제품 트렌드를 변화시켰다. 소비 트렌드의 변화는 생산 트렌드 역시 달라지게 했다. 다품종 소량 생산체제로 변화된 수요산업의 요구에 금형 업계는 어떻게 대응하고 있을까?

제품 출시 경쟁 심화, 짧아진 제품 라이프사이클로 인해 금형산업은 급속도로 짧아진 개발 기간 안에 고품질의 제품을 생산해야 하는 상황에 놓였다. 단납기에 맞추기 위해 금형 업계는 설계단부터 긴밀한 협업 방법을 모색하고 있다. 오랜 경험으로 쌓은 데이터베이스에 기반한 예측 시스템을 활용해 사전에 설계를 예측하고 대응하는 방식이다.

설계와 CAM 공정의 표준화와 시스템 자동화도 금형 업계의 솔루션 중 하나다. 다양한 설계 솔루션이 대두된 건 일관된 품질의 금형 생산이 어느 때 보다 중요해졌기 때문이다. 금형은 치수 안정성, 외관 확보 등 품질에 요구되는 조건이 까다롭다. 냉각 채널 설계를 최적화하여 금형 벽면의 온도 편차를 최소화 하고, 온도 편차에 따라서 제품 수축률이 감소된다는 점을 고려해야 한다. 제품 생산 이후에도 냉각 채널의 수분과 불순물을 제거해 금형을 보관해야 한다.

설계 자동화로 품질 유지나서

일정한 금형 품질을 유지하기 위해 금형 업계는 표준화를 통한 자동 설계 시스템 구축을 연구하고 있다. 금형은 제품 설계부터 해석, 금형 설계,제작 및 시험까지 전 공정이 밀접한 유기성을 갖고 있어 표준화가 되면 품질과 납기를 맞추는 제작이 가능해진다.

금형 설계 시간을 단축하고, 최적의 조건을 단시간에 찾아 설계하기 위한 움직임도 있다. 설계 해석으로 사전에 품질을 확보하는 것은 물론 충격 테스트, 낙하 테스트 등 구조 해석을 통해 금형 개발 기간을 단축하는 방향도 연구 중이다. 이미 일부 설계에 대해서는 Full 3D 기반의 자동 설계 시스템을 완료했고, 몇몇 기업에서는 설계 불량 자동 검출 시스템도 운영 중이다.

나아가 빅데이터를 활용해 AI를 기반으로 사전 검증 시스템 구축도 시도되고 있다. 전문가들은 “Full 3D 기반으로 자동 설계 시스템을 완료 하면 금형 완성도, 양산성 검증, 조립성 자동 검증 시스템이 함께 구축되어 불량률 0%가 실현될 것”이라고 주장한다. 이같은 주장이 가능 한건 과거의 실패가 설계에 반영되고, 금형의 생산성 향상과 관련된 요소 기술을 실시간으로 검토하는 연구가 지속되고 있어서다. 설계·해석의 자동화가 주목받는 건 표준화된 공정 관리를 위해서다. 설계 요구사항이 설계·해석 자동화 시스템에 반영되면 그 결과물이 금형 제작으로 연결되는 실시간성을 확보할 수 있다.

사이클 타임단축을 위한 최적 설계

금형 설계에 적용되고 있는 다양한 솔루션은 궁극적으로 사이클 타임을 단축하기 위함이다. 특히 사출성형은 전체 사이클 타임 중 50~60%를 차지하는 냉각 시간을 줄이는 것이 관건이다. 사이클 타임 단축을 위해 박육성형을 이용한 중량 절감, 다수 부품의 일체화, 확산 접합 등 냉각 관련 금형 요소 기술이 설계 단계에도 적용되고 있다.

최근에는 트리즈(TRIZ) 기법을 적용해 사출성형 사이클 타임을 단축한 최적 설계 사례가 발표되기도 했다. 트리즈 기법은 문제를 단순화  시켜 기능 위주로 정리하는 방법론이다. 근본 원인 도출, 기술 시스템, 상·하위 시스템 분석, 공정별 분석 등으로 문제를 해결할 수 있다.

LG전자 PRI 금형설계팀 홍형식 책임연구원
LG전자 PRI 금형설계팀 홍형식 책임연구원

지난해 한국금형비전포럼에서 ‘사출성형의 사이클 타임 단축 최적설계’를 발표한 LG전자 PRI 금형설계팀 홍형식 책임연구원은 “트리즈는 창의적인 방식으로 문제를 해결하는 이론이다. 주어진 문제의 가장 이상적인 결과를 도출하기 위해 모순을 찾아 정리하고, 여러 가지 방법을 적용해 단시간에 문제를 혁신적으로 해결한다”며 방법론에 대해 설명했다. 홍 책임연구원은 사이클 타임 단축을 위한 두 가지 방법을 제시했다. 금형 구조의 단순화와 핫스팟(Hot Spot) 되는 부분의 효율적인 제거다.

금형 구조의 단순화가 필요한 건 효율적인 냉각 배치를 위함이다. 형상이 복잡하면 경사 코어나 슬라이드 구조가 많아져 냉각 배치가 제한된다. 이젝팅 단계에서도 추가적인 시간이 필요해 복잡한 형상 부분의 냉각라인을 추가하기 위한 제한 요소가 많아진다. 핫스팟의 효율적인 제거를 위해서는 사출성형 해석을 이용해 금형의 온도 분포를 예측해야 하는데, 이 역시도 금형 설계단에서 고려돼야 할 부분이라는것.

LG전자 PRI 금형설계팀 홍형식 책임연구원은 사이클 타임 단축을 위 해 “제품 설계단부터 최대한 단순화하는 게 중요하다. 제품을 균일한 두께로 설계하거나 언더컷을 최소화하는 방식도 도움이 된다. 2단 취출 구조를 삭제하거나 각종 언더컷 형상에 대한 취출이 쉽도록 간략화하는 과정의 선행도 필요하다”고 언급했다.

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