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LG POLYMER JOURNAL | 2014 AUTUMN. 35
●
제품설계팀
Troubleshooting.?
01 개요
플라스틱제품은재료의무게가가볍고재료비가금속
대비상대적으로저렴하며, 사출성형을통해대량생산
이가능하고복잡한형상을쉽게제작할수있다. 때문에
기존의플라스틱제품과더불어금속을대체하는플라스
틱제품의생산도점점증가하고있는추세이다. 이처럼
생산이증가함에따라시장경쟁이치열해지고있기때문
에 설계자에게는 보다 효율적이고 경제적인 생산방식의
개발이 요구된다. 제품 생산비용은 조립 과정과 시간에
의해큰영향을받으며, 제품에따라서조립비용이전체
생산비의 50%를 넘는 경우도 있다. 따라서 생산원가를
절감하면서 구조적 효율성을 높일 수 있는 적절한 조립
방법의선택이필요하다.
플라스틱제품의조립방식으로는결합하고자하는부품
간의 상호 결합, 보조부품 없이 기계적 결합이 가능한
integral attachment와상호결합시보조부품을이용하
여물리적결합혹은체결을이루는 fastening 으로구분
된다. Integral attachment의 종류로는 press-fit이나
snap-fit이대표적이며, fastening은 bolt, nut, screw,
self-tapping screw와 같이 나사선을 가지는 형상들과
pin, nail, rivet, clip, washer와 같이 나사선을 가지지
않는형상들이있다. 이중 snap-fit은가장간편한결속
장치이며 조립과 분리가 간편하여 생산품의 조립단가를
줄일수있다. 또한분리력은큰반면에결합력은작게만
들수있고, snap-fit의탄성을이용하여지속적인체결
과분리를수행할수도있는장점을갖고있어널리사용
되고있다.
Snap-fit은 설계 초기단계에서 재료의 물성과 구조적
강성(stiffness)이 고려되어야 하며, 또한 사출성형 가능
성유무도예측되어야한다. Snap-fit의형상, 치수, 위치
등을적절히설계합성하고적합한재료를선택하는작업
이 재료공급자가 제공하는 설계가이드나상용 CAE소프
트웨어를이용하여결정되기도하지만, 금형설계자의오
랜기간축적된경험과지식에의존하는경우도많다. 금
형 설계자가 제품 도면을 받으면 자신의 경험에 맞추어
최대변형또는과도한응력집중이예상되는부분에직관
적으로 부형상을 덧붙이고, 부형상의 치수나 위치 등도
스냅핏(Snap-fit)을활용한ESS Battery Pack 설계개선사례
경험에비추어설계하게된다. 그러나이와같은설계방
법은오랜경험이축적되지않으면매우어렵고, 그경험
이특정한고분자재료에국한되기때문에새로운형상과
고분자재료를이용한신규제품개발의경우전문가의경
험도단번에좋은설계가나오기힘들어여러번의시행착
오를거쳐야하기도한다.
따라서본투고의ESS Battery Pack 기술지원사례를
예로들어 snap-fit의설계에대해설명하고자한다.
02 Snap-fit의 적용
LG화학에서 자동차 headlamp의 구성소재 및 설계
trend를분석하기위해수행하였던, Toyota사 Camry와
Volkswagen사 Golf 차량의 headlamp teardown
report에서도 조립부에 snap-fit이 적용됨을 확인할 수
있다. 최근자동차산업에서경량화, 원가절감, 조립공수
절감을목적으로여러부품에서 snap-fit을적용하고있
으며, Golf의 headlamp housing의경우에는모든조립
부가 snap-fit으로체결되고있다.
또한국내의자동차 Lamp 제조업체인A사에서는최근
LG화학과의협업을통해최적의성능을발휘하는조립설
계 가이드를 도출하고, 기존의 screw 체결 방식에서
snap-fit으로대체하는것을목표로공동연구를진행하
고있다.
이와같이플라스틱용 snap-fit은다양한목적으로자
동차, 항공, 가전, 생활용품등여러분야에서널리사용
되고있다.
03 외팔보 변형 이론을 통한 snap-fit설계
외팔보변형거동을갖는 snap-fit의설계에있어무엇
보다 중요한 것은 강도와 적절한 결합력의 균형을 찾는
것이다. snap-fit의설계시고려되어야하는인자는부
품간접촉시발생하는마찰력, 적절한변형을위한강성,
충분한체결력을유지하기위한강도등이있다. 마찰력
과강성은결합력을좌우하는재료의물성에서기인하는
동시에최적화된형상을통해결정할수있다. 그림 2와
같이 snap-fit이체결/탈거되는과정에서의결합력및분
리력(mating force, Q and separation force, Q′)은수
직력, 마찰에의한저항력 R, 돌출깊이, 리드각α, α′및
강성의함수이다. α가작으면결합력은감소하고α′과돌
출깊이가증가할수록분리력은커진다. 일반적으로α의
크기는 15~30°가 적당하다. α′의 크기는 적절한 분리력
을위해 90°보다작은범위내에서적당한수준으로결정
해야한다. α′이 90°에가까울경우사출시언더컷과미
LG POLYMER JOURNAL | 2014 AUTUMN. 36
[ 그림 1 | Camry VS Golf headlamp housing ]
Toyota Camry
VW Golf
Screw 8ea
Snap-fit 8ea
Troubleshooting.?
LG POLYMER JOURNAL | 2014 AUTUMN. 37
스냅핏(Snap-fit)을활용한 ESS Battery Pack 설계개선사례
성형(undercut and slot)을고려하여야한다.
Snap-fit 체결에서필요한결합력Q는변형을위한외
력과같은크기를갖는및마찰력의함수인식 (1)과같이
표현된다.
(1-a)
(1-b)
(1-c)
여기서, μ는 entrance side와상대부품사이의마찰계
수이다. F는처짐력(deflection force)이며, 식 (2)와같고
k는 강성(stiffness), Y는 최대 처짐량(maximum
deflection)을나타낸다.
(2)
식 (2)의 k는 외팔보의 단면관성모멘트(cross-section
moment of inertia)로서외팔보의형상에따른처짐-변
[ 그림 2 | Key factors for mating and separation force ]
[ 그림 3 | Stiffness and deflection of cantilever beam ]
(a) uniform cross-section
(b) uniform width, variable height
(c) uniform height, variable width
형률의관계는그림 3에서확인할수있다. 여기서ε는허
용변형률, E는재료의탄성계수이다.
동일한하중조건에서유한요소해석을통해계산된변
형량은그림4와같다. 결과에서확인할수있듯이변형량
의크기는B>C>A 의순으로나타나며이는식 (2)의물리
적의미를확인해볼수있는결과이다. 그러나그림 3은
단순한외팔보형상의이론적의미에지나지않으므로실
제다양한형상을갖는 snap-fit에서는수치해석과같은
계산도구를이용하여야한다. 대부분의 snap-fit의경우
체결/탈거의형태가반복적으로발생하므로반드시항복
Troubleshooting.?
LG POLYMER JOURNAL | 2014 AUTUMN. 38
[ 그림 5 | Deformation of cantilever beam under same load with different stiffness ]
[ 그림 4 | Deformation of cantilever beam under same loadwith different stiffness ]
(a) uniform cross-section
(b) uniform width, variable height
(c) uniform height, variable width
Stress concentration factor
Radius/wall thickness (R/T)
3.0
3.5
2.5
201.5
1.0
2.0
0 1.41.21.00.80.60.40.2
[ 그림 6 | Designs for improved strength ]
LG POLYMER JOURNAL | 2014 AUTUMN. 39
스냅핏(Snap-fit)을활용한 ESS Battery Pack 설계개선사례
강도및항복변형률을고려하여설계되어야하며, 항복
강도의 70% 미만의범위에대한설계값을추천한다. 나
일론과같은재료의경우굴곡탄성계수는습도에민감한
점을고려해야하며, 그이외의재료에서도사용환경에
따라계산된값보다보수적인설계를권장한다.
Snap-fit의설계에있어그림 2와같이리드각및돌출
깊이의적절한값을통해결합/분리력을조정할수있음
을확인하였다. 여기에더하여체결이완료된후체결구
조를 유지하는 것 또한 매우 중요하다. 그림 6과 같이
snap-fit 구조의하단부즉, 기저부의형상에따라굽힘,
비틀림및인장강도는다르게나타난다. (a)와같이적절
한곡률이없는예리한형상으로설계될경우과도한응
력집중이발생하여외력에대한저항은크게감소하게된
다. (a)와같이예리한형상의경우에서 0.5t의크기를갖
는곡률을도입할경우동일한굽힘하중하에서약 25%
의응력집중을감소시킬수있다. 일반적으로곡률의반
지름은기저두께의최소 1/2 이상을추천한다. 그러나곡
률의크기와응력의관계는선형적이지않다. (c)의곡률
은 0.75t이나응력의감소는 (b)에비하여작게나타난다.
또한과도한곡률의크기는결합력을증대시켜체결/탈거
의 과정에서 불필요한 외력이 요구된다. 따라서, 곡률의
크기는결합에필요한외력의크기, 재료의탄성계수및
체결강도를고려하여결정하여야한다.
04 Snap-fit 설계지원 사례
ESS(전력저장장치)에 공급되고 있는 배터리를 개발하
는 B사에서원가절감을목적으로기존제품의 screw 체
결방식을 snap-fit 체결방식으로 변경하여 구조의 설계
검토와안정성을검증해줄것을요청하였다. 해당제품
은총 14개의 catridge가적층되어조립되는형태로그림
7의B사에서제안한다양한형상의 snap-fit을해석모델
로하여CAE를통해최적의 snap-fit을선정하고자하였
다.
각 snap-fit 형상을체결시발생하는응력을확인한결
과, 그림 8과같이모든형상에서체결전에소재의파단
강도이상의응력이발생하는결과를나타냈다.
이는유리섬유보강소재사용에따라고강성이지만낮
은신율을갖는물성특성의영향이있으며, 해당모델에
서는미미한변형에도파단이발생하는것으로판단되었
다. 따라서높은항복강도에낮은신율을갖는소재보다
는다소낮은항복강도에높은신율을가지는소재가잦
은탄성변형과탄성복원이요구되는조립구조에보다적
합하며, 1차개선안으로적정소재로변경을제안하였으
[ 그림 7 | Snap-fit of battery pack catridge ]
Snap-fit
Case 1 Case 2
Case 3 Case 4
나제품의다른사용상의이유로소재변경은불가하여서
snap-fit의형상과치수최적화를추가로진행하였다.
최적의치수를선정하기위해앞서설명한외팔보형태
의 snap-fit 설계이론을바탕으로주요설계인자를변경
하였고, 다른부품과의간섭이나가공상의문제를고려하
여형상을변경하였다. 그림 9는개선된 snap-fit 모델이
고그림 10은완전체결시의유한요소해석결과로, 체결
중발생한최대응력은소재의항복강도대비 70% 수준의
결과를보였다.
추가로체결후의hook부걸림량이미소하게치수가변
경됨에 따라 hook의 형상을 안쪽으로 기울어지게 각을
주어서체결후에쉽게이탈되지않도록제안하였다.
[ 그림 10 | Stress contour of analysis result ]
Troubleshooting.?
LG POLYMER JOURNAL | 2014 AUTUMN. 40
[ 그림 8 | Stress contour of analysis result ]
Case 1 Case 2
Case 3 Case 4
[ 그림 9 | Improved snap-fit design ]
LG POLYMER JOURNAL | 2014 AUTUMN. 41
스냅핏(Snap-fit)을활용한 ESS Battery Pack 설계개선사례
05 결론
Snap-fit의설계에있어핵심이되는인자는앞서살펴
본바와같이재료의기계적물성, 사출과정에서의언더
컷 및 미성형, 결합력과 분해력 및 체결강도 등이 있다.
가장빈번히사용되는 snap-fit은외팔보형태에근거한
형상을갖고있으며, 이는외팔보의처짐-변형률관계를
이용하여최적의강성을확보할수있다. 최근에는반복
적인 체결/탈거의 거동을 갖는 snap-fit의 응용 부품이
증가함에 따라 재료의 피로 거동을 나타내는 응력-수명
선도(S-N curve)를참고할필요성도대두되고있다.
당사에서는 snap-fit의설계개선을위한다양한설계
자료를확보하고있으며, 유한요소해석을이용하여설계
근거를 검증하고 있다. 또한 2006년부터는 고객 요구에
보다 신속하고 적극적으로 대응하기 위해 PC환경에서
snap-fit을 포함한 각종 Integral attachments의 설계
치수선정및최적소재선정이가능한자동설계시스템
(LG-WEPPER)을개발하여활용하고있다.