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본 연구의 대상 모델은 가전제품 내부의 공조 모듈인 Housing Dry Fan 조립체이다. 형상이 복잡하고 치수 관리가 가장 까다로운 상부 커버(UP)를 분석 대상으로 선정하였다. 해당 부품은 내부의 팬과 모터를 보호하는 외관 부품으로 기본 치수는 약 168.0 × 74.0 × 18.5 mm이며 평균 두께는 1.5 mm이다. 얇은 두께의 구조와 복잡한 곡면 유로 형상을 포함하고 있어 사출성형 시 냉각 불균형에 의한 수축 및 변형 발생 가능성이 높다^[12]. Fig. 1은 Housing Dry Fan 부품의 3D 모델링과 품질 관리를 위한 핵심 치수 규격을 나타낸다. CTQ는 조립성능에 결정적인 영향을 미치는 외곽 원형부 직경 A(74.37 ± 0.50mm)와 축 지지부 직경 B(23.62 ± 0.20mm)로 선정하였다.

Fig. 1 
3D modeling of Housing Dry Fan parts and definition of critical to quality specifications: (a) UP part, (b) LOW part, and (c) KNOB part

연구의 변별력을 높이기 위해 물성적 거동이 상반되는 두 가지 수지를 선정하였다. 즉 비정질 엔지니어링 플라스틱인 PC (TRIREX 3022L1-12)와 결정성 범용 플라스틱인 PP(BI750)이다. 본 연구에 적용된 두 수지의 주요 물성과 성형 권장 조건, 소재의 결정화도 및 유동성 정보는 Table 1과 같다. 표에서 확인할 수 있듯이, 비정질 수지인 PC는 탄성계수가 높아 기계적 강성이 우수하고 수축률이 낮은 반면, 결정성 수지인 PP는 밀도가 낮고 유동성이 좋으나 결정화로 인해 높은 수축률과 이방성을 가짐을 알 수 있다. 이러한 물성 차이는 최종 성형품의 치수 정밀도에 결정적인 영향을 미치는 변수로 작용한다. 성형 공정의 예측 및 분석을 위해 Autodesk Moldflow Insight 2025 소프트웨어를 사용하였다.

제품 형상 정보는 3D CAD 데이터로부터 추출하였으며, 두께 방향의 유동과 열전달 현상을 정밀하게 모사하기 위해 약 178만 개의 요소를 갖는 3D Tetrahedral Mesh로 모델링하였다. Fig. 2는 생성된 유한요소 메쉬 모델과 사출 주입점(injection location) 및 냉각수 입출구 등의 경계 조건 설정을 보여준다. 해석 정밀도를 높이기 위해 제품의 살두께 방향으로 최소 5개 이상의 레이어가 생성되도록 메쉬를 조밀하게 구성하였다. 해석 시퀀스는 Cool - Fill - Pack - Warp를 연계하여 진행하였으며 해석에 적용된 주요 공정 조건은 Table 2와 같다. 해석의 신뢰도를 확보하기 위해 용융 온도와 금형 온도는 각 소재 제조사의 권장 값을 기준으로 설정하였다. 또한, 충전에서 보압으로 전환되는 V/P 전환 시점은 캐비티 체적의 98% 충전 시점으로 설정하여 과충전을 방지하였으며, 보압 크기는 사출 압력의 80% 수준으로 유지하여 수축을 효과적으로 보상하도록 설계하였다.

Fig. 2 
Finite element mesh model and runner system configuration for CAE analysis: (a) 3D tetrahedral mesh model, (b) hot runner system design and injection location

해석 결과의 실증적 검증을 위해 실제 양산 조건에 준하는 사출 금형을 설계하였다. 금형의 크기는 300 × 350 × 525 mm이며, 베이스 재질은 내마모성과 가공성이 우수한 P20강(Pre-hardened steel)을 사용하였다.

유로 시스템은 수지 소모량을 줄이고 충전 압력 손실을 최소화하기 위해 Hot Runner System을 적용하였다. 주요 치수는 Sprue Ø15.0 mm, 1차 Runner Ø15.0 mm, 2차 Runner 외경 Ø15.0 mm / 내경 Ø6.0 mm로 설계되었다. 게이트는 성형품의 외관 품질을 고려하여 직경 Ø4.0 mm의 Pin-point Gate 방식을 채택하였으며, 수지가 캐비티 전체로 균일하게 확산될 수 있도록 제품의 살두께가 가장 두꺼운 중심 부위에 배치하였다^[6]. 냉각 채널은 캐비티 표면 온도의 편차를 최소화하기 위해 제품 형상을 따라 균일한 냉각이 이루어지도록 최적화된 냉각 회로를 구성하였다^[13]. 상세한 금형 설계 사양은 Table 3과 같다. Fig. 3은 설계된 금형의 3D 모델링 형상을 보여준다. (a)는 제품의 외관을 형성하는 상측(cavity) 형판의 설계를 나타내고, (b)는 내부 형상과 런너 시스템이 배치된 하측(core) 형판의 설계를 나타낸다.

Fig. 3 
3D design modeling of the injection mold: (a) cavity plate design and (b) core plate design with runner system

사출 실험은 150톤급 전동식 사출성형기를 이용하여 수행되었으며, 공정 조건은 CAE 해석 조건(Table 2)과 동일하게 설정하여 외부 변수를 최소화하였다. 성형된 시편은 잔류 응력 완화와 치수 안정화를 위해 항온항습 조건(23±2°C, 50±5% RH)에서 24시간 동안 에이징(aging) 처리를 거쳤다. 정밀 치수 분석을 위해 3차원 측정기를 사용하여 각 조건당 5개의 시료를 무작위로 추출하여 측정하였다. 측정 대상은 상부 커버 부품의 조립 성능에 직결되는 외곽 원형부 직경 A와 축 지지부 직경 B로 선정하였다.

측정된 데이터를 바탕으로 공정능력지수를 산출하여 공정 안정성을 평가하였다. C_pk는 공정의 산포(variability)뿐만 아니라 평균의 치우침(bias)을 동시에 고려하여, 해당 공정이 규격 한계 내에서 양품을 생산할 수 있는 능력을 정량적으로 나타내는 지표이다^[14]. C_p가 공정의 잠재적 능력만을 평가한다면, C_pk는 실제 생산 능력을 반영한 실질적 지표로서, 통상적으로 1.33 이상일 때 공정이 안정적이라고 판단한다^[15]. C_pk는 규격 상한(USL)과 하한(LSL)에 대해 각각 산출된 값 중 최소값을 취하며, 그 계산식은 다음과 같다.

여기서, μ는 공정 평균, σ는 표준편차를 의미한다.

CAE 해석 결과, 두 소재는 점도 특성에 따라 상반된 공정 부하를 나타냈다. 고점도 수지인 PC는 유동 저항이 커 금형 내부를 채우기 위해 V/P 전환 시점에서 약 180 MPa의 높은 사출 압력이 필요하였다. 이는 고사양의 사출기와 높은 형체력이 요구됨을 의미한다. 반면, PP는 전단 박화 효과가 우수하여 약 30 MPa의 낮은 압력만으로도 충전이 완료되었다^[11]. 이는 성형 에너지 효율 측면에서는 높은 유동성을 보이는 PP가 유리하지만, 낮은 사출 압력으로 인해 보압 효과가 충분히 전달되지 못할 경우 수축 제어에 불리하게 작용할 수 있음을 의미한다.

PC와 PP 수지의 평균 체적 수축률 분포와 제품 전체 변형량을 통합하여 Fig. 4와 같이 비교하였다. 비정질 수지인 PC(Fig. 4(a))는 평균 수축률이 약 2.55% 수준으로 제품 전반에 걸쳐 균일한 분포를 나타냈다. 이는 냉각 시 등방성(isotropic) 거동을 보이기 때문이다. 반면, 결정성 수지인 PP(Fig. 4(b))는 평균 수축률이 5.23%로 PC 대비 2배 이상 높았으며, 특히 살두께가 두꺼운 리브(rib) 교차부에서 최대 15.36%의 국부적 고수축이 관찰되었다. 이러한 수축률 차이는 최종 제품의 변형으로 직결되었다. 변형 해석 결과를 구체적으로 살펴보면, PC(Fig. 4(c))는 최대 변형량 1.664 mm로 안정적인 형상을 유지한 반면, PP(Fig. 4(d))는 2.437 mm로 약 1.5배 더 큰 뒤틀림이 발생하였다. 이는 결정화 수축에 의한 이방성이 변형의 주된 원인임을 의미한다^[5].

Fig. 4 
CAE simulation results: (a) average volumetric shrinkage of PC, (b) average volumetric shrinkage of PP, (c) total deflection of PC, and (d) total deflection of PP

해석 결과를 검증하기 위해, 제작된 금형은 설계 모델링과 동일한 형상의 정밀도로 제작되었으며, 핫러너 시스템과 냉각 채널이 정밀하게 가공되었다. 사출 성형한 Housing UP 부품을 육안으로 관찰한 결과 PP 소재는 결정화 수축으로 인해 PC 대비 표면 굴곡이 심하고 뒤틀림이 육안으로 관찰되는 등 외관 품질에서도 차이를 보였다. 또한, 핵심 관리 치수(A, B)를 측정하고 CAE 해석 예측값과 실제 측정 평균값에 대한 공정능력지수를 Table 4에 통합하여 비교 분석하였다. 각 조건당 5개의 시료(n = 5)를 대상으로 측정한 치수 결과와 C_pk 분석 값을 요약하였다.