차량 선루프의 폴리우레탄 성형 공정에 대한 CAE 검증 및 개선에 대한 연구

2.1 폴리우레탄 성형해석 이론

폴리우레탄 성형해석은 일반적인 플라스틱 성형해석과는 달리 경화와 발포 반응을 고려한다. 게다가 발포반응도 발포제를 따로 이용하지 않고 물 만을 이용해 발포 반응이 이루어지는 특이한 점이 있다.

식 (1), (2)는 Isocyanate와 Polyol이 반응하여 경화되는 현상과 Isocyanate와 물이 반응하여 이산화탄소를 발생시키는 발포반응을 화학적 기호로 표시하였다.

이러한 반응성에 대해 과거 Mitani 등⁵⁾ 논문에서는 경화와 발포 반응을 고려한 폴리우레탄 성형에 대해 해석적으로 검토하였다. 성형 조건은 금형 온도 300 ^oC, 초기 용융온도 300 ^oC, 물과 Isocyanate, Polyol의 비율은 각각 0.91 : 45.31 : 53.78이었으며, 해석 결과 유동 패턴 및 사출 볼륨에서 시험과 해석이 실제 유사함을 입증하였다(Fig. 1). 이는 폴리우레탄 성형해석의 발포성형이 정합성 있는 결과를 도출함을 보여준다.

Fig. 1

PU forming test(a), PU forming analysis(b)4)

2.2 모델 및 공정 조건

폴리우레탄 성형해석 모델은 Fig. 2.1과 Fig. 2.2에 표시된 바와 같다. 글라스 위에 인서트 부품인 SPCC 재질의 보강재가 자리 잡고 이를 폴리우레탄이 감싸고 있는 형태이다.

Fig. 2.1

Sunroof assembly in ISO view

Fig. 2.2

Sunroof assembly in top and side view

제품 제원은 약 895 mm × 539.18 mm이며 Top view 방향으로 게이트가 설정되어 있고, 선루프 중심부 기준으로 오버플로우가 세 군데 배치되어 있다.

폴리우레탄 성형해석을 위해 Autodesk 사의 Moldflow Insight 2021.1을 사용하였다. Moldflow Insight에서는 경화 반응모델은 N차항의 반응 특성을 고려한 Kamal 모델을 사용하며 식 (3) ~ (5)와 같다. α는 경화도(0-1)이고, T는 온도(K), t는 시간(sec), m, n, A₁, A₂, E₁, E₂는 재료 상수이다.

폴리우레탄 유동지배방정식은 질량 보존, 운동량 보존 및 에너지 보존 방정식을 기본으로 사용하고 있다. 이것을 식 (6) ~ (8)으로 구성하였다. 여기서, ρ는 수지의 밀도, C_p는 수지의 비열, k는 열전도도, η는 수지의 점도, $$ \dot{\gamma }$$는 수지의 전단율이다.

발포 반응으로 용해된 가스는 폴리우레탄 점도에 영향을 주며, 사용하는 점도모델은 식 (9)와 같다. 는 발포 반응에 따른 폴리우레탄의 점도, ηr은 발포 반응 전 가스가 없는 폴리우레탄의 점도, Φ는 발포가스의 체적분율, C는 가스 농도, v₁, v₂, v₃는 데이터 피팅 계수이다.

Table 1은 해석에 사용된 재질 정보이다. 인서트 부품인 보강재는 ㈜현대제철에서 공급하는 SPCC 강재이며 글라스는 ㈜KCC에서 공급하는 선루프 강화유리이다. 폴리우레탄 경우는 BASF사에서 제공하는 Elastolit _KR8919 물성을 사용하였다.⁶⁾Table 2의 공정 조건도 실제 생산에서 진행된 공정 조건을 적용하였다.

Table 1

Material information

Table 2

Molding process condition

3.1 Flow analysis 정합성 검증 해석

폴리우레탄 성형해석의 정합성을 검증하기 위해 실제 생산결과에 대한 비교 검증을 진행하였다. 비교 검증 내용은 동의 흐름성을 검토하였으며, 미성형 시험(Short Shot Test, 이하 SST) 결과와 Flow analysis 결과가 얼마나 유사한지 평가하였다. SST는 성형 시 폴리우레탄 양을 제어하여 200 g, 400 g, 600 g, 800 g, Full 조건으로 진행하였으며, Flow analysis 결과 SST 패턴이 실제 제품 결과와 매우 유사함을 확인하였다(Fig. 3).

Fig. 3

Short shot test(left) and flow analysis result(right)

3.2 게이트 에어트랩 개선 해석

Fig. 4는 실제 제품에서 발생된 게이트 주위의 에어트랩 현상이다. 성형 공정 중 에어트랩 현상이 발생되면 성형불량으로 간주한다. 에어트랩은 제품의 외관상 좋지 않을 뿐만 아니라 내구성에도 문제가 발생될 수 있음으로 개선이 필요하다. 에어트랩 발생원인에 대해 파악하기 위해 먼저 발생 원인부터 분석하였다. 에어트랩의 발생 인자는 온도, 게이트 형상, 인서트 부품 지지 홀 형상으로 추정하였으며, 이를 판단하기 위해 총 6 Case의 해석을 진행하였다.

Fig. 4

Gate air trap

해석 결과 에어트랩 발생 인자로 판단한 온도 및 게이트 형상에 따른 성형성 차이는 발생하지 않았고, 인서트 부품의 지지 홀 형상이 가장 큰 원인으로 판명되었다. Fig. 5는 온도별(Case1:25 ^oC, Case2:60 ^oC, Case3:95 ^oC), 게이트 변경(Case 4), 냉각 채널 적용(Case 5), 지지 홀 제거(Case 6)에 대한 해석 결과이며 Case 6의 인서트 부품의 지지 홀 제거 시 에어트랩 현상이 개선되는 것으로 나타났다.

Fig. 5

Results according to temperature(case 1 25 oC, case 2 60 oC, case 3 95 oC), gate shape(case 4), cooling channel(case 5), remove support hole(case 6)

그러나, 선루프 금형 특성상 지지 홀은 인서트 부품 고정 시 꼭 필요한 부분이기 때문에 추가로 해석 개선 방향을 지지 홀 삭제에서 지지 홀 위치를 이동하는 것으로 변경하였다. Fig. 6은 지지 홀 위치를 이동하였을 때 결과로 지지 홀 위치가 30 cm 이동하였을 때 에어트랩이 발생하지 않는 것으로 나타났다. 이로써 게이트 부근의 홀 위치는 유동의 흐름이 집중되는 중앙에 위치하는 것은 바람직하지 못하며, 중앙에서 30 cm 이상 떨어진 형태로 유지되어야 함을 입증하였다.

Fig. 6

Air trap when support hole location is changed

3.3 코너 부 에어트랩 개선 해석

폴리우레탄 성형을 진행하면서 가장 자주 발생하는 에어트랩 위치는 인서트 부품이 포함된 코너 부분이다. 폴리우레탄 성형 시 유동이 코너 부분을 돌면서 채워지는데 이때 코너 부분의 형상에 따라 미성형 발생 빈도가 높다. 코너 부분의 경우 유속의 영향이 큰 것으로 판단되어 해석 인자는 유속과 코너 부의 R값으로 설정하였다. Fig. 7은 코너 부분 R값 모델링 형상이며, Table 3은 해석 Case 별 조건을 나타낸다.

Fig. 7

Comparison of design changes in roundness value

Table 3

Analysis case for flow rate and corner roundness value

R값의 기준은 현재 미성형 발생 부위의 R값인 1을 기준으로 하고 설계 표준상 최대 R값인 3R을 비교 대상으로 검토하였다. Flow rate의 경우 Base 수준인 200 cm³/sec를 기준으로 하고 기준 Flow rate의 약 1/4 수준인 50 cm³/sec를 비교 대상으로 검토하였다.

각 Case 별로 해석을 진행한 결과 Flow rate가 1/4 수준인 50 cm³/sec일 때 에어트랩이 덜 발생하는 것으로 나타났다. R값을 1.0 mm에서 3.0 mm로 변경하였을 때 에어트랩 현상이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 8). 따라서, Flow rate 속도 감소와 코너 부 R값 증대가 에어트랩 개선을 위한 인자임을 입증하였다.

Fig. 8

Corner part analysis result (a) Base R1, 200 cm3 /sec, (b) Case 1 R1, 50 cm3/sec, (c) Case 2 R3, 200 cm3/sec, (d) Case 3 R3, 50 cm3/sec

3.4 냉각 채널을 고려한 변형 해석

일반적인 사출성형 공법의 냉각 채널은 금형 온도를 낮추기 위해 사용되지만, 선루프 폴리우레탄 성형에서는 금형 온도 유지를 위해 사용된다. 이때 금형 온도는 약 105 ^oC를 유지해야 점도를 낮추어 유동성을 확보하고 경화 과정을 촉진하여 수축 및 변형을 개선할 수 있다. 해석에서도 제품 생산과 동일한 조건으로 냉각 채널이 고려되어야 하며, 이는 해석의 정합성을 올려주는 역할을 한다. Fig. 9.1과 Fig. 9.2는 냉각 해석 결과이며 냉각 회로의 온도와 금형 외부의 온도를 보여준다. 냉각 회로는 입수구와 출수구 차이가 1 ^oC 미만으로 양호하게 나타났으며, 금형 외곽 온도는 약 20도(금형 외곽과 금형 중심의 온도 차)의 편차를 보인다.

Fig. 9.1

Cooling circuit temperature

Fig. 9.2

Mold temperature

다음 스텝으로 앞서 진행한 냉각 채널 해석 결과를 토대로 변형 해석을 진행하였다. 성형 후 발생하는 변형은 제품의 치수 불량을 유발하기 때문에 매우 중요한 부분 중의 하나이다. 변형을 미리 해석을 통해 예측하면, 제품 설계 및 금형 제작 시 변형에 대해 미리 대응할 수 있기 때문에 해석 검토를 진행하였다.

Fig. 10은 사출한 제품의 후 변형 결과와 해석을 비교한 자료이다. 전체적인 후 변형 양상은 유사하였다. 실제 제품과 해석 모두 중심이 들림 현상이 발생하고 코너 부분의 처짐이 발생하였다. 세로방향은 “A”, 가로방향은 “B”로 지정하였으며, 사출 제품결과의 경우 “A” 방향으로 1.2 mm ~ 1.37 mm, “B” 방향으로 0.67 mm ~ 0.92 mm 각각 변형 수치를 보였다. 해석에서는 “A” 방향으로 0.88 mm ~ 1.19 mm, “B” 방향으로 0.56 mm ~ 0.88 mm의 수치를 보였다. 평균값 기준으로 할 때 후 변형 수치는 “A” 방향으로 80.5 % 유사한 수준을 보였으며, “B” 방향으로는 90.6 % 유사한 수준을 보였다. 이는 해석 데이터의 정확성이 입증된 결과이며 제품 생산 이전에 후 변형 값을 예측하여 제품 품질 향상에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 10

Compare product measurement to warpage analysis