파나소닉, 라디오스로 부정확한 낙하 충격 테스트 해결!

그림18

panasonic


* 고객 프로필
파나소닉 에콜로지 시스템즈(Panasonic Ecology Systems Co,. Ltd.)는 파나소닉 주식회사 에코 솔루션 컴퍼니 중 하나의 회사입니다. 환경에 미치는 영향을 최소화하면서 전 세계 사람들에게 보다 쾌적한 생활 공간을 제공하자는 비전을 가지고, 실내 공기의 퀄리티(Indoor Air Quality: IAQ)를 높이는 제품 및 솔루션 판매에 중요한 역할을 하고 있습니다.


낙하 충격 테스트… 믿을 수 있을까?

파나소닉 에콜로지 시스템즈의 IAQ 비즈니스 유닛 동시 개발 팀에서 일하는 히로나리 오가타(Hironari Ogata)는 “프로토타입의 낙하 테스트는 신뢰할 수 없는 부정확한 결과가 나오는 경우가 많습니다. 그 이유는 그들이 일반적으로 만드는 제품과, 그것들을 대량 생산으로 만들어낼 때의 물성이 다르기 때문입니다.” 라며, “그러면서 대량 생산으로 만들어진 시험 제품은 비싸게 다이가 수정될 수 있습니다.” 라고 설명합니다.

오가타는 최종 제품 제작 이전의 낙하 테스트를 통한 설계 평가는 손실을 줄여주며, 충돌 해석과 같이 동적 하중에서의 높은 비선형 문제 해결을 위한 구조 해석 솔버 “라디오스”를 사용하면 좋을 것이라고 생각했습니다. 컴퓨터 지원 엔지니어링(CAE) 툴인 알테어의 하이퍼웍스 제품군에서 핵심 솔버인 라디오스는, 이미 파나소닉이 다른 구조적 해석에 사용했던 CAE 제품이었습니다. 그는 “이것은 사용하지 않던 자원을 효율적으로 사용하도록 만들어줍니다. 새로 투자를 하지 않아도 되며 다른 제품 분야의 제품 개발에도 적용할 수 있습니다.” 라고 지적했습니다.

해결책은 알테어의 라디오스!

오가타의 팀은 개발 각각의 단계에서 제품 해석을 위한 단계별 계획을 만들었습니다. 그들은 하나의 컴포넌트부터 낙하 테스트를 시작하였고, 어셈블리 제품 및 패키지 제품과 같은 여러 컴포넌트의 조합으로 이동했습니다. 각 단계에서 팀은 낙하 테스트의 충격 계산을 위해 알테어의 라디오스를 사용했습니다.

시뮬레이션으로 개발 기간 단축, 비용 절감!

– 단품
첫 번째 단계에서 팀은 단품에 대한 충돌 해석을 수행하였습니다. 욕실 통풍구 건조기처럼 천정에 설치되는 통풍기의 앞쪽 판넬에 대한 충돌 조건을 세팅하였으며, 이 부품은 유지 관리 시 탈거 할 수 있는 구조입니다. ABS 수지로 제작된 판넬은 각 옆면 치수가 500mm이며, 1미터 높이에서 낙하되도록 하였습니다. 그리고 하이퍼메시로 모델링 된 전방 판넬 모델은 딱딱한 바닥 위에 위치시키고, 판넬의 모서리가 딱딱한 바닥에 떨어지도록 시뮬레이션을 하였습니다. 엔지니어들은 판넬이 떨어져서 충돌하고 변형이 발생하는 연속적인 과정을 관찰하기 위하여 하이퍼뷰를 사용하였습니다. 충돌에 의해 모서리에서 변형이 발생하여 마름모 형태로 변형하는 전체 과정을 검토하는데 하이퍼뷰는 대단히 유용하였습니다. Explicit 기법을 이용한 해석 결과, 가장 큰 응력은 모서리에서 발생하였으며 두 번째의 큰 응력은 필터 그리드에서 발생하였습니다. 결과를 바탕으로 엔지니어링 팀은 판넬의 두께를 수정하고 여러 곳의 형상을 변경할 수 있었으며, 이를 제품 설계에도 반영하여 금형 비용과 설계 기간을 줄일 수 있었습니다.

– 단품에 연결되는 와이어
두 번째로, 팀은 전방 판넬에 연결되는 2개의 와이어를 해석하였습니다. 와이어의 길이는 20cm이며, 역할은 판넬이 떨어지는 것을 방지하는 것입니다. 오가타는 “와이어의 연결 강도는 대단히 중요합니다. 만약 판넬이 떨어질 때 발생하는 충격에 대한 인장력으로 연결 부위가 파손된다면, 파손 방지라는 본래의 목적은 의미가 없어집니다.” 라고 말합니다. 낙하 해석 후에는 하이퍼뷰를 이용하여 다시 결과를 관찰하였는데, 애니메이션으로도 거동을 검토할 수 있고, 낙하 거동 과정에서 발생하는 응력의 변화도 그래프로 볼 수 있었습니다. 이 과정에서 와이어는 최대 길이로 늘어나고 큰 흔들림도 발생했는데 이 과정에서 최대 응력이 발생하는 것을 확인하였습니다. 팀은 판넬의 형상도 검토하였고, 발생응력을 낮추기 위하여 연결 부위의 위치와 개수도 변경시켰습니다. 이런 과정의 시뮬레이션을 통하여 개발기간을 단축시키고, 설계 변경 회수를 줄임으로 비용도 절감할 수 있었습니다.

그림26

– 여러 부품의 결합
다른 해석 예로는 가습 공기 정화기의 물탱크가 있습니다. 이는 좀 더 복잡한 어셈블리로 여러 부품들이 서로 결합되며 부품 간의 접촉도 발생하게 됩니다. ABS 커버가 탱크 축을 따라 부착되며 나사로 탱크와 결합이 됩니다. 폴리프로플린 재질의 스탠드는 물탱크에 물이 차게 되면 자중으로 휘어질 수도 있습니다. 탱크에 물이 가득 차게 되면 발생하는 슬라싱 문제도 고려해야 할 사항입니다. 해석에서 낙하 높이는 1m 또는 0.6m로 설정하였는데 이는 손 높이에서 낙하되는 조건을 설정한 것이며, 0.1m는 탱크를 바닥에 내려 놓는 조건입니다. 해석을 통해서 1m 높이의 낙하에서는 스탠드가 떨어져 나갔으며 0.1m 조건에서는 스탠드가 거의 분리될 정도의 상황이 재현되었습니다. 엔지니어들은 스탠드의 분리를 방지하기 위하여 형상을 변경하여 해석을 수행하였고, 이런 결과들은 모두 설계에 반영되었습니다. 이런 과정을 통해서 평가기간을 단축하였고, 평가를 위한 시제품 제작 개수를 줄임으로 비용을 절감할 수 있었습니다.

– 어셈블리 제품
좀 더 복잡한 어셈블리 제품의 예로는 많은 부품으로 이루어진 탁자용 가습기가 있습니다. 낙하 높이는 80cm로 이 높이는 시험규격이며 45도, 135도, 225도로 여러 번의 낙하시험이 진행됩니다. 45도 낙하에 최대 응력은 플레이트와 연결되는 홀에서 발생하였으며, 135도에서는 케이스의 탱크 손잡이에서 최대 응력이 발생하였습니다. 팀은 손잡이 형상을 변경하였고, 두께와 중량을 줄일 수 있는 방안도 찾아 내어 개발기간을 줄이고 재료비도 절감할 수 있었습니다. 좀 더 덧붙이자면, 고속 카메라로 촬영한 낙하 테스트 과정과 시뮬레이션을 통한 결과가 아주 잘 일치하였으며, 시험과 시뮬레이션 모두 탱크가 튀어 오르고 필터커버가 날아가는 현상을 잘 보여 주었습니다.

그림27

– Packaged product
파나소닉 해석 프로세스의 최종 단계는 포장된 제품을 해석하는 것으로, 제품을 포장한 상태로 낙하 시뮬레이션을 수행하였습니다. 이 사례에서는, 모든 면의 길이가 250mm인 수지 재질의 큐브, 포장 재질은 카드보드로 설정하였습니다. 제품의 낙하 높이는 80cm이며, 낙하 충격 해석은 시험 결과와 일치할 때까지 반복적으로 버퍼 재료의 탄성계수를 변화시켜 가면서 진행하였습니다. 해석을 통해서 버퍼 재료의 초기 분포는 부품들이 접촉할 수 있고 이것은 파손의 원인이 될 수 있다는 것으로 보여주었으며, 팀은 덕트를 지지하는 포장 부분을 삭제하여 손상을 방지할 수 있었습니다. 초기 레이아웃에 대한 확인 시험 결과도 동일한 손상 정도를 보여주었으며, 회사는 버퍼 재료를 더 이상 변경하지 않고 생산을 시작했습니다. 해석을 통한 형상 개선으로 제품 뿐 아니라 포장재의 비용까지 절감할 수 있었으며, 바로 제품을 시장에 출시할 수 있었습니다. 오가타는 “시뮬레이션을 통해 각 개발 단계에 적용하는 기술들을 개선함으로써, 우리는 포장된 제품의 낙하 충격 해석에 대해서도 기술을 적용할 수 있었습니다.” 라고 말합니다. 2010년 처음 해석을 수행한 이후로, 회사는 알테어 하이퍼웍스를 사용하여 꾸준히 낙하 충격 해석을 제품 개발에 적용하고 있습니다. 오가타는 덧붙여 “라디오스는 부품 간의 접촉 정의가 용이하며 시뮬레이션 결과도 실제 현상과 매우 일치합니다. 추가적으로, 개선된 하이퍼메시 기술을 통해서 모델링 속도를 개선할 수 있었습니다. 이러한 기능들은 최근에 큰 효과를 발휘하였고, 해석 기술도 설계 과정에 효과적으로 사용되었으며, 부품 간의 결합부 강도 평가에도 대단히 유효하였습니다. 우리는 해석 기술을 발전시켜 다른 분야에도 적용할 예정이며, 하이퍼웍스가 이런 우리의 목적 달성에 큰 기여를 할 것으로 기대하고 있습니다.” 라고 기대감을 나타냈습니다.

panasonic_success_story_A4_final


“라디오스는 손쉽게 부품 간의 접촉 정의를 내릴 수 있으며, 시뮬레이션 결과도 실제와 상당히 일치합니다.”


히로나리 오가타(Hironari Ogata),
파나소닉 에콜로지 시스템즈, IAQ 비즈니스 유닛 동시 개발 팀



* 업종
– 전자

* 과제
– 더욱 믿을 수 있는 제품 낙하 테스트

* 알테어 솔루션
– 각 스타일에 대해 제품 낙하 테스트 분석을 수행

* 효과
– 개발 및 제조 비용 감소
– 설계 및 개발 주기를 단축
– 높은 품질의 제품을 생산

[원문보기]

This entry was posted in Electronics Industry, 성공사례.

Comments are closed.