[사출] 사출성형 CAE

1. 기출 이력

2024년 132회 1교시 10. 성형해석을 위한 메쉬 형태에 대하여 설명하시오.
2022년 127회 2교시 4. CAE(Computer Aided Engineering) 작업순서를 설명하고, 사출 성형 해석 결과와실제사출 성형의 차이가 발생하는 이유에 대하여 설명하시오.
2022년 126회 2교시 5. 사출성형 프로그램으로 유동해석 시 사출압력(injection pressure) 해석결과에영향을미치는 설계인자를 ①제품설계 ②금형설계 ③공정조건 측면에서 각각 설명하시오.
2021년 123회 2교시 4. 사출성형 해석 시 보압 해석을 통하여 얻을 수 있는 정보에 대하여 설명하시오.
2019년 118회 4교시 2. 사출성형 보압해석에 대하여 설명하시오.
2019년 117회 4교시 5. CAE 사출 냉각해석 결과 중 4가지를 선택하여 그 결과의 활용 방안에 대하여설명하시오.
2016년 108회 3교시 4. 제품개발에서 사출성형 CAE의 목적과 활용방안에 대하여 단계별로 설명하시오.
2012년 97회 1교시 8. 사출금형설계용 CAE의 사용목적을 5가지 설명하시오.
2012년 97회 4교시 2. 사출성형 CAE에서 냉각해석을 통하여 얻을 수 있는 정보와 기능에 대하여 설명하시오.
2010년 91회 2교시 1. 사출성형 해석 소프트웨어를 활용한 보압과정 해석을 통해 최적의 보압유지시간을결정하기 위한 방법을 체적수축율과 연관하여 설명하시오.
2009년 88회 4교시 4. 사출성형 CAE 프로그램에서 사용하고 있는 메쉬(Mesh) 모델 중 미드플레인(Midplane) 메쉬 모델과 Full 3D(Tetrahedral) 메쉬 모델에서 적용하고 있는 가정(Assumption)들과 응용상의 장․단점에 대하여 설명하시오.
2008년 85회 2교시 1. 사출성형해석 소프트웨어(CAE for injection molding)를 이용한 보압해석의 목적을, 이를 통하여 얻을 수 있는 해석결과와 연관하여 설명하시오.
2006년 79회 2교시 2. 사출성형해석 소프트웨어(CAE for injection molding)에 관하여 구체적으로 기술하시오.
2005년 76회 4교시 5. 사출성형 해석(CAE)의 결과와 실제 사출성형된 성형품과는 차이가 나는 것을 볼수 있다. 그 이유에 대하여 설명하시오.
2003년 70회 3교시 5. 사출금형에서 CAE의 적용범위를 제품설계, 금형설계, 사출성형 측면에서 각각 기술하시오.

2. 일반적인 내용

사출성형 CAE(Computer-Aided Engineering)는 사출성형 공정을 컴퓨터를 이용하여 설계, 시뮬레이션, 분석하는 기술입니다. 이 기술은 제품의 설계 단계에서부터 생산성, 품질, 비용 효율성을 개선하기 위해 사용됩니다. 사출성형 CAE를 이용하면 사출성형 공정 중 발생할 수 있는 다양한 문제들을 사전에 예측하고, 최적의 설계와 공정 조건을 도출할 수 있습니다.

주요 사출성형 CAE 소프트웨어에는 Autodesk Moldflow, Moldex3D 등이 있습니다. 이러한 소프트웨어들은 재료의 유동, 냉각, 변형, 응력 분포 등을 분석하여 제품의 결함을 최소화하고, 제품의 품질을 향상시키는 데 기여합니다.

사출성형 CAE를 이용하는 주요 이점은 다음과 같습니다:

1) 제품 설계 최적화: 사출성형 공정에서 발생할 수 있는 문제들을 사전에 예측하고, 이를 바탕으로 제품 설계를 개선할 수 있습니다. 이를 통해 재작업 비용을 줄이고, 제품 출시 시간을 단축할 수 있습니다.
2) 생산성 향상: 최적의 공정 조건을 사전에 도출함으로써 생산성을 높일 수 있습니다. 또한 공정 중 발생할 수 있는 문제를 최소화하여 생산 효율성을 개선할 수 있습니다.
3) 품질 개선: 유동과 냉각 분석을 통해 용접선, 공기 함정, 수축 등의 결함을 줄일 수 있으며, 이를 통해 최종 제품의 품질을 향상시킬 수 있습니다.
4) 비용 절감: 재료 사용량을 최적화하고, 생산 공정 중 발생할 수 있는 결함을 최소화함으로써 재작업 및 폐기물을 줄일 수 있습니다. 이는 재료 및 생산 비용 절감으로 이어집니다.

사출성형 CAE는 제품의 설계부터 생산까지의 전 과정에 걸쳐 중요한 역할을 하며, 제품 개발의 효율성과 품질을 향상시키는 데 기여합니다.

3. 사출성형 CAE 프로그램에서 사용하고 있는 메쉬(Mesh) 모델 중 미드플레인(Midplane) 메쉬 모델과 Full 3D(Tetrahedral) 메쉬 모델에서 적용하고 있는 가정(Assumption)들과 응용상의 장․단점에 대하여 설명하시오.

사출성형 CAE 프로그램에서 사용되는 두 가지 주요 메쉬 모델, 즉 미드플레인(Midplane) 메쉬 모델과 풀 3D(전체 3차원, Tetrahedral) 메쉬 모델은 각각 고유한 가정(assumptions)을 바탕으로 하며, 응용 상에서의 장점과 단점을 가집니다. 이러한 메쉬 모델들은 사출성형 공정의 시뮬레이션을 위해 설계된 부품의 정확도와 계산 효율성을 극대화하기 위해 개발되었습니다.

미드플레인(Midplane) 메쉬 모델
1) 가정: 미드플레인 모델은 부품의 두께가 일정하다고 가정합니다. 이 모델은 부품의 중앙면을 따라 생성되며, 부품의 두께 변화는 중앙면에서의 두께를 통해 간접적으로 고려됩니다.
열전달과 유동을 중앙면을 따라 일어나는 것으로 가정하고, 이를 바탕으로 부품의 냉각과 충전 과정을 시뮬레이션합니다.
2) 장점: 계산 속도가 빠릅니다. 미드플레인 메쉬는 간단한 구조로 인해 계산 부담이 적으며, 빠른 시뮬레이션 결과를 제공합니다.
얇은 벽체를 가진 부품에 적합합니다. 일정한 두께를 가정하기 때문에, 얇은 벽체를 가진 부품의 시뮬레이션에 효과적입니다.
3) 단점: 복잡한 형상이나 두께 변화가 큰 부품의 시뮬레이션 정확도가 떨어집니다. 미드플레인 모델은 두께가 일정하다는 가정 때문에, 실제로 두께가 변하는 부품을 정확하게 모델링하는 데 한계가 있습니다.

풀 3D(Tetrahedral) 메쉬 모델
1) 가정: 풀 3D 모델은 부품의 전체 볼륨을 테트라헤드럴(사면체) 요소로 분할하여 모델링합니다. 이는 부품의 복잡한 형상과 두께 변화를 정확하게 반영할 수 있게 합니다.
모든 방향에서의 열전달과 유동을 고려할 수 있으며, 3차원적인 현상을 보다 정확히 시뮬레이션할 수 있습니다.
2) 장점: 복잡한 형상과 두께 변화가 있는 부품에 대한 높은 시뮬레이션 정확도를 제공합니다. 풀 3D 모델은 부품의 모든 세부 사항을 포착할 수 있어, 복잡한 부품의 설계와 최적화에 유용합니다.
열전달과 유동 현상을 3차원적으로 분석할 수 있어, 보다 정밀한 결과를 얻을 수 있습니다.
3) 단점: 계산 시간과 자원이 많이 소요됩니다. 풀 3D 메쉬는 높은정확도를 달성하기 위해 더 많은 계산 자원을 필요로 합니다. 따라서, 더 긴 시뮬레이션 시간과 높은 컴퓨터 성능이 요구됩니다.
메모리 사용량이 많아, 대형 부품이나 매우 세밀한 메쉬가 필요한 경우, 하드웨어에 대한 요구 사항이 증가합니다.

결론
미드플레인 메쉬 모델과 풀 3D 메쉬 모델은 사출성형 CAE 시뮬레이션에서 각기 다른 응용 분야와 요구 사항에 따라 선택될 수 있습니다. 미드플레인 모델은 비교적 간단하고 빠른 분석이 필요할 때 유리한 반면, 풀 3D 모델은 복잡한 형상과 두께 변화를 가진 부품의 정밀한 분석에 적합합니다. 각 모델의 선택은 분석의 목적, 필요한 정확도, 시뮬레이션에 할당할 수 있는 시간 및 자원 등 여러 요인을 고려하여 결정되어야 합니다.

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