자동차 램프 사출금형 냉각회로 설계지원 시스템 개발
Development of a Cooling Circuit Design System for Injection Molding Die of Vehicular Lamp
조현욱1, 박정환1,, 박수정2, 신동진2, 이석중2 Hyeon Uk Cho1, Jung Whan Park1,, Soo Jung Park2, Dong Jin Shin2 and Seok Jung Lee2
1 영남대학교 기계공학부 (School of Mechanical Engineering, Yeungnam Univ.) 2 에스엘 금형기술팀 (Mold Engineering Team, SL Corporation)
Corresponding author: [email protected], Tel: 053-810-3524 Manuscript received: 2011.8.1 / Revised: 2011.9.12 / Accepted: 2011.11.1
The paper presents the development of a cooling circuit design system that automatically creates 3D cooling circuit on a given section plane conforming to design specifications, generates 3D solid model of cooling line segments defined on a 2D sketch plane, and verifies interference of 3D cooling channel with the molding die surface. The system was developed mainly for designing plastic injection molding die of vehicular lamp, which helps the mold designer to rapidly construct cooling circuits but also reduce designer's unintended mistakes by conforming to the dimensional design specifications. It is used by an injection molding die manufacturing company in Korea, and reported approximately 20% reduction of cooling channel design time.
Key Words: Plastic Injection Molding die (플라스틱 사출 금형), Vehicular Lamp (자동차 램프), Cooling Circuit Design (냉 각 회로 설계)
1. 서론
사출금형은 플라스틱 등의 열가소성 재료를 사 출 성형하여 제작하기 위한 도구로서, 현대 제조 업에 필수적인 생산도구이다. 사출성형 세부공정 을 충진/보압/냉각의 3 단계로 구분하였을 때 냉각 단계가 가장 긴 공정시간을 차지하기 때문에,
1사 출금형에 있어서 냉각회로(cooling circuit) 설계는 매우 중요하다.
일반적으로 사출금형 설계는 제품설계 이후 진 행되는데, 금형 구조부 설계와 냉각회로 설계로 구분할 수 있다. 최근 3 차원 솔리드 모델에 의한 제품설계가 일반화 되면서 금형 설계 또한 3 차원 솔리드 모델링 적용을 하고 있다. 금형 구조부 설 계는 제품 모델 및 표준 금형부품 등을 바탕으로
비교적 규정된 절차에 따라 진행하며, 다양한 연 구 및 상용 시스템이 존재한다.
2-6반면 3 차원 냉 각회로 설계는 자동화 및 최적화가 용이하지 않다.
기존의 냉각회로 설계 연구는 제품설계를 바탕 으로 냉각 해석을 통한 냉각회로 최적화 작업을 수행한 후 그 결과를 반영하는 방식이 일반적이
다.
1,2,7,13,14아울러 제품 형상을 고려하여 냉각회로
의 냉각 효율을 향상하기 위한 형상적응형 (conformal) 냉각회로 설계에 관한 연구도 찾아 볼 수 있다.
10-12그러나 해석 과정 자체가 많은 계산시간을 요
구하기 때문에 설계 과정에서 많은 시간이 소요된
다는 단점을 가진다. 또한 사출금형 구조부는 형
상부 코어(core), 밀핀(ejector pin), 슬라이드, 가이드
핀, 볼트 등의 다양한 부품이 복잡하게 배치되어
있기 때문에 냉각회로 설계 최적화 이후 금형 코 어 위치 변경 등의 설계 변경으로 최적화를 다시 수행해야 하는 경우도 발생한다.
또한 냉각회로 설계 과정에서 냉각관(cooling channel) 과 금형 부품 간의 간섭(interference)을 검 사하고 방지하는 작업은 매우 중요하다. 예를 들 어 냉각관 간 거리, 냉각관과 금형 부위(예: 형상 곡면, 드릴홀 등) 간 거리는 지정된 수치를 유지하 여야 하며 설계 과정에서 수치를 확인하여야 실제 사출성형 시 불량이 발생하지 않는데, 설계 과정 에서 설계자가 다양한 수치를 확인하고 점검하는 과정은 상당히 번거로운 일이다.
즉 사출금형의 냉각회로 설계작업은 숙련된 설 계자라 하더라도 적절한 보조 도구가 없을 경우 설계 실수를 유발할 수 있고, 과다한 설계 시간을 요구하거나, 설계 조건을 만족하지 못하는 설계 결과를 초래할 수 있다. 기존의 냉각회로 자동 설 계 연구의 경우 대부분 단순한 구조 및 형상에 대 해 제한적으로 적용하는 경우를 다루고 있다.
4,8,9일부 상업용 금형설계 시스템의 경우에도
5,6효율 적인 냉각회로 설계가 쉽지 않은 형편이다.
따라서 유사한 형상의 제품 성형을 위한 사출 금형을 설계함에 있어서 잘 정의된 냉각관 설계 표준(예: 냉각관 직경, 배치 방식 등)에 맞추어 쉽 고 빠르게 냉각회로 설계를 지원하는 냉각관 자동 설계 시스템을 구축함으로써 설계 시간과 설계 오 류를 줄일 수 있을 것이다. 본 연구는 자동차 램 프 사출금형을 대상으로, 냉각회로 설계 표준에 기반한 냉각관 자동 배치, 냉각관 편집, 냉각관 간 섭 검사를 지원하는 소프트웨어 시스템의 개발에 관해 다루고 있다.
2 절에서 설계 표준과 시스템 개요를 다루고, 3 절은 냉각회로 자동 모델링 기능에 대해 서술하고 4 절에서 예제를 살펴보고자 한다.
2. 설계 표준과 시스템 개요 2.1 냉각관 설계 개요
본 연구에서 다루는 자동차 램프 사출금형은 크게 상측 캐비티(upper cavity), 하측 캐비티(under cavity plate), 코어(optic main core) 및 기타 부품으로 구성되며(Fig. 1), 금형 설계과정에서 냉각회로를 설계한 후 건드릴 등의 절삭공구로 가공을 한다.
램프 사출금형 구성품 중 설계 시간이 많이 필요 한 캐비티 금형의 냉각관 설계 예를 Fig. 2 에 보이
고 있다. 그림에서 보듯이 전체 냉각회로는 수직 단면(vertical section plane) 별 냉각회로로 구분할 수 있으며, 단면 별 냉각회로는 수평, 경사 및 수직 냉각관으로 구성된다. 예를 들어 Fig. 2 의 경우 좌 우에 5 개씩 총 10 개의 단면을 정의하였으며, 이 때 단면 사이의 간격은 일정하다.
일반적으로 설계자는 냉각회로를 설치할 단면 을 정의하고 단면 별로 냉각회로를 설계한다. 전 체 냉각회로의 냉각수 입출구(inlet, outlet)를 결정한 후 단면 별 냉각회로를 연결한다. 냉각회로를 정 의하는 단면은 금형 좌표계의 z 축에 수직하는 평 면으로서 설계자가 위치와 방향(예: xy 평면에서 x 축과의 각도)을 결정한다.
Fig. 1 Components of injection molding die of vehicular lamp
Fig. 2 Cooling channel design example
2.2 냉각관 설계 표준
램프 사출금형의 단면 별 냉각회로의 냉각관
배치형식(cooling layout type)은 주 냉각관의 형태에 따라 수평(H), 경사 1 단(S1), 경사 2 단(S2)로 구분 하며, 설계자는 금형의 형상곡면 단면(part surface section) 을 고려하여 배치 형식을 선택하고 있다.
각 배치 형식의 주 냉각관 형태를 Fig. 3 에서 점선 으로 표시하였다. 주 냉각관 배치 후 필요에 따라 수직 및 수평 냉각관을 추가로 배치한다. Fig. 3 은 상측 캐비티의 금형의 한 단면에 대한 냉각관 배 치 예를 보이고 있는데, main core, slider body 등 다 른 구성품의 경우도 3 가지 배치 형식 중에서 선 택하여 설계한다.
Fig. 3 Layout types of cooling channel on a section plane
냉각관 배치 이외에도 수치와 관련된 표준을 정하고 있는데, 냉각회로 설계와 관련하여 본 연 구에서 적용하는 주요 설계 표준을 다음과 같이 정리하였다. Fig. 4 에 설계 변수 δ, τ, ω, θ를 개념적 으로 나타내었다.
•금형 종류(mold types)
- Cavity, core, slider body, 기타
•냉각관 배치 형식(cooling layout types) - 수평(H), 경사 1 단(S1), 경사 2 단(S2)
•냉각회로 정의 단면 간격: 50~60mm
•냉각관 중심~형상곡면 거리(δ): 20~40mm
•수직 냉각관 끝~형상곡면 거리(τ): 30mm
•수직 냉각관 간격(ω): 50~60mm
•경사 냉각관 경사각(θ): 30~85°
•최소 단위: 수평 간격 5mm, 수직 길이 1mm, 경사 각도 5°
Fig. 4 Major design parameters
2.3 시스템 개요
본 연구 내용은 CATIA V5 의 CAA(component application architecture)
15를 이용하여 Windows XP 64bit 환경에서 구동되는 시스템으로 개발하였다.
개발된 시스템의 개략적인 구조를 Fig. 5 에 나타내 었다.
본 시스템은 단면 별 냉각회로 설계만 고려하 였으며, 냉각회로 간 연결은 설계자가 별도로 고 려한다. 시스템 기능은 크게 수동 및 자동 냉각회 로 모델링, 간섭 검사로 구분하고, 다음과 같이 정 리할 수 있다.
Fig. 5 System overview
•수동 냉각회로 모델링
2D sketch plane 에 정의된 선분(line segment)을 3D 솔리드 모델로 변환.
•자동 냉각회로 모델링
냉각회로 정의 단면, 금형 곡면 단면곡선 정보 를 이용하여 냉각관 스켈레톤 모델(skeleton model) 생성 후 3D 솔리드 모델로 변환.
•냉각회로 간섭 검사(interference check)
금형 곡면(surface)과 3D 냉각관의 거리를 계산
하고 결과의 color display 및 log file 출력.
수동 냉각회로 모델링은 2 차원 스케치 평면에 설계자가 직접 정의한 냉각관 중심선을 3 차원 솔 리드 모델(hole)로 변환하는 기능이다.
자동 냉각회로 모델링은 설계자가 지정한 수 직 단면, 금형 형상 단면곡선과 옵셋곡선, 냉각관 배치 형식(cooling layout type), 금형 종류(mold type) 등을 입력으로 받아서 냉각관 중심선의 스 켈레톤 모델을 생성하면 이를 솔리드 모델로 변 환한다. 냉각관 스켈레톤 모델 생성은 3 절에서 설명한다.
냉각관 간섭 검사(interference check)는 금형 곡 면(surface)과 3D 냉각관 모델간의 거리를 계산한 후, 설계자가 지정한 공차(tolerance)를 기준으로 냉 각관의 색깔을 변경함으로써 설계자가 간섭 여부 를 쉽게 파악하도록 하였다. 동시에 냉각관 별 측 정 거리는 별도의 파일에 저장하여 추후 설계과정 에서 참조하도록 하였다.
3. 냉각관 스켈레톤 모델 생성 3.1 입력데이터와 C-space
냉각관 스켈레톤 모델 생성은 지정된 단면에서 냉각관 회로를 자동으로 구성하는 기능으로서 2.2 절의 설계표준을 준수하도록 한다. 입력 데이터는 금형 종류(캐비티, 코어), 냉각관 배치 형식(H, S1, S2), 형상 단면곡선(part section curve), 단면곡선의 옵셋곡선(offset curve)이다. 이때 형상 단면곡선은 금형 좌표계 z 축에서 내려다 보았을 때 보이는 (visible from top view) 부분을 추출하며, 모두 3 개 의 옵셋 곡선은 단면곡선을 -z 방향으로 20, 30, 40mm 옵셋한 곡선이다(Fig. 6). 곡선 데이터는 점 열(point sequence) 형태로 입력된다.
개별 냉각관 배치를 위해 본 연구에서는 C- space(Configuration space) 개념을 도입하였다. C- space 는 일종의 feasible region 개념으로서, 냉각관 중심선은 이 영역 내부에 위치하는 것이 원칙이다.
C-space 영역은 2 절에서 언급한 설계표준의 냉 각관 중심 ~ 형상곡면 허용 거리(δ)로부터 정의하 는데, C-space 경계는 형상 단면곡선의 20mm 옵셋 곡선과 40mm 옵셋곡선이며, C-space 의 중심곡선은 30mm 옵셋 곡선이다(Fig. 6).
본 연구를 적용한 사출금형 설계업체의 경우 냉각관 중심선의 위치는 δ =30mm 를 우선 고려하 므로, 원칙적으로 냉각관 중심선은 30mm 옵셋 곡 선에 맞추고자 한다.
Fig. 6 Input data and C-space map
3.2 생성절차
먼저 냉각관 배치의 절차를 다음과 같이 정리 하고, 각 과정에 대한 설명을 진행한다. 참고로 step 3~6 은 Fig. 7 에 개념적으로 나타내었다.
Procedure Generate_Skeleton;
0. Input: mold_type(cavity, core), layout_type(H, S1, S2), section_cv, offset_cv_20, offset_cv_30, offset_cv_40;
1. Mapping curves to 2D sketch coordinate frame;
2. Construct 2D C-space map → Mcp;
3. Lay out backbone channel segment ← layout_type, Mcp;
4. Lay out horizontal in/out channels (if req.), and link(vertical) channel;
5. Construct uncovered_map (Mu);
6. Lay out vertical channels ← Mu;
7. Return Cooling skeleton;
Fig. 7 Skeleton generation process
입력데이터는 2 차원 좌표계로 변환하고 옵셋 곡선을 이용하여 C-space map(Mcp)을 만든다. 참고 로 C-space map 은 z-map 으로 구현하였다.
다음으로 지정된 냉각관 배치 형식(H, S1, S2)에
따라 주 냉각관(backbone channel) 배치 작업을 수
행하며, 다음과 같이 정리할 수 있다.
•H (horizontal)
(i) 30mm 옵셋곡선(offset_cv_30)의 최저 높이 (global minimum height) 를 구한 후 이 높이에 수평 냉각선을 배치한다(Fig. 8a).
•S1 (slant 1)
(i) Offset_cv_30 의 directed global min, max height 위치를 구한 후 두 점을 연결하는 직선(L)을 구한다(Fig. 8b).
(ii) L 의 위치와 방향을 변화시키면서 Mcp 에 가장 많이 포함되는 위치와 방향(L')을 결정 한다.
이때 L'은 offset_cv_30 과 접하도록 한다(접점: P
T).
이후 L'은 아래쪽으로 금형 바닥면까지 연장하고 위쪽으로는 offset_cv_30 까지 연장 한다(Fig. 8b).
•S2 (slant 2)
(i) S1 의 (i), (ii)를 이용하여 L'을 구한다(Fig. 8b).
(ii) L' 이 offset_cv_30 과 접하는 점(P
T) 을 경계로 L' 을 두 개의 선분(L
1', L
2') 으로 분리 한다(Fig. 8c).
(iii) L
1', L
2' 각각에 대해 S1 의 (i), (ii)를 이용하여 위치와 방향을 결정하여 최적 배치 L
1'', L
2'' 를 구한다(Fig. 8d).
Fig. 8 Backbone channel layout
여기서 directed global min, max height 는 offset_cv_30 의 좌/우 경계에서부터 우측/좌측으로 이동하면서 찾은 local min, max height 이다. 이 두 점을 잇는 선 분을 초기 냉각선(L)으로 두고, offset_cv_30 과 접 하는 상태에서 L 의 상하 위치(position)와 방향 (orientation) 을 변화시키면서 최적 배치를 탐색한다.
이때 L 의 방향은 수평선과의 각도를 의미한다. 3 가지 형식의 주 냉각관 배치 실 예를 Fig. 9b, Fig.
10a 및 Fig. 11a 에 나타내었다.
주 냉각관 배치가 완료되면 S1, S2 형식이고 cavity 금형의 경우 양쪽 경계까지 수평 냉각관을 배치 하고 수직 연결 냉각관을 배치한다(step 4).
이 예를 그림에 나타내었다(Fig. 10b, 11b).
다음으로 수직 냉각선을 배치하기 위하여 uncovered map(Mu) 을 만든다. Uncovered map 이란 offset_cv_30 곡선의 아래쪽 영역 중 현재 배치된 냉각관에 의해 냉각 효과가 미치는 영역(즉 냉각 선에서 일정 거리(예: 20mm) 이내 영역)을 제외한 부분을 의미한다(Fig. 9c, 10c, 11c).
수직 냉각선은 Mu 를 참조하여 수평선(x 축)을 따라 설계 표준에 정한 간격으로 배치한다(Fig. 9d, 10d, 11d). 만약 Mu 의 넓이가 매우 작다면 더 이상 의 냉각관 배치는 필요 없을 것이다.
Fig. 9 Skeleton generation for H type layout
Fig. 10 Skeleton generation for S1 type layout
Fig. 11 Skeleton generation for S2 type layout
4. 구현
Fig. 12 User interface (dialog) in CATIA V5
Fig. 13 Automatic cooling channel modeling
Fig. 14 Manual cooling channel modeling
Fig. 15 Interference check
본 시스템은 CATIA V5 CAA 를 이용하여 구현 하였으며, Fig. 12 에 사용자 메뉴를 보이고 있다.
이어서 자동 냉각관 모델링(Fig. 13), 수동 냉각관 모델링(Fig. 14), 간섭 검사(Fig. 15) 예를 보이고 있다.
5. 결론 및 토의
본 연구는 자동차 램프 사출금형의 냉각회로를 설계함에 있어서, 별도의 해석과정 없이 설계표준 에 따른 자동 냉각관 모델링 및 간섭검사를 통하 여 신속하게 냉각관 설계를 지원하는 소프트웨어 시스템을 개발하였다.
기존 설계 방법은 설계 표준을 숙지한 설계자 의 판단에 따라 수동으로 냉각관을 순차적으로 배 치함으로써 설계 시간이 많이 필요하고 치수 불량 이나 간섭 등의 설계 실수 가능성이 높다는 단점 을 가진다.
본 시스템은 설계자의 의도를 최대한 반영하면
서 자동으로 설계 표준을 준수하도록 냉각관을 배 치하고 3D 모델을 제공한다. 아울러 2D sketch plane 에서 냉각 회로를 수정한 후 자동으로 3D 모 델로 변환하는 기능과 간섭 검사 기능을 제공함으 로써 이러한 단점을 보완하도록 하였다.
현재 개발된 시스템은 국내 자동차 램프 사출 금형 업체에서 활용하고 있으며, 약 20% 가량의 냉각회로 설계시간 감소 효과가 나타난 것으로 보 고되었다.
본 연구와 관련한 추가 개발 고려사항을 다음 과 같이 정리하였다.
• 수직단면 주변의 금형 형상을 고려한 옵셋곡 선 및 C-space map 구축
• 형상 변경에 따른 냉각회로 수정
• 금형 형상곡면에 따른 최적 냉각관 배치 형 식 결정
참고로 첫 번째 항목은 냉각회로가 놓이는 수 직단면의 주변 곡면 형상을 고려하지 않을 경우 냉각관~형상곡면 거리가 설계표준을 지키지 못하 는 상황에 대한 고려가 필요함을 의미한다(Fig. 16).
그림과 같은 경우 단면의 위치를 조정하거나 옵셋 거리를 조정하는 등의 조치가 필요하다.
또한 설계 과정에서 냉각회로 설계 이후 냉각 관이 포함된 부분의 형상이 변경되는 경우 설계자 가 쉽게 냉각관 재배치를 할 수 있도록 하는 기능 이 필요하다. 그리고 현재 설계자가 지정하는 단 면 별 냉각관 배치 형식을 자동으로 결정함으로써 설계시간을 단축하는 노력이 필요하다.
마지막으로 본 연구는 기존 설계 방식을 충실 하게 반영하는 것이 일차적인 목적이므로 기존 설 계와 비교하였을 때 냉각효율의 차이는 없다고 사 료된다. 향후 냉각효율을 향상하기 위한 추가 연 구가 필요하다.
Fig. 16 Consideration of 3D shape
후 기
