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[소비재] [Amcor] Abaqus로 용기 무게 30% 절감 실현
도입제품: SIMULIA Abaqus Unified FEA[2022-02-03]


 

Amcor


플라스틱 용기 제조 분야의 선도기업인 Amcor는 견고하고 비용 효율적이며 동시에 원자재 사용량을 줄일 수 있는 음료 용기를 제작하는 방법을 지속적으로 모색하고 있습니다.



■ 도전 과제

최소한의 원자재를 사용하여 최대한 저렴한 비용으로 짧은 기간 내에 견고한 패키징을 설계해야함


■ 해결책 

•통합 해석 솔루션:  SIMULIA Abaqus Unified FEA(시뮬리아 아바쿠스) 


■ 결과

• 고온 충전 스프츠 음료 용기에 대해 30% 무게 절감 실현

• 새로운 컨셉 출시 시 일반적인 방식으로 6~8년 소요되던 것을 3년 이내로 출시 가능해짐

• 재사용 가능한 탄화 용기의 환경 균열을 극복하는데 시뮬레이션을 활용하여 스트레스 수준을 줄이고 재사용 주기를 늘림



■ 전문 보기 

대부분의 사람들이 당연하게 생각하는 것: 플라스틱 병의 뚜껑을 비틀어 내용물인 아이스티나 청량음료를 마신 후 재활용 쓰레기통에 버릴 때를 제외하고는 용기에 대해 전혀 생각하지 않습니다. 병이 제대로 설계되지 않는다면, 세게 비틀경우 찌그러질 수 있다고 그 조악함에 대해 불평할 수는 있겠지만, 내용물이 무릎에 흘러내리지 않는다면 누가 크게 신경을 쓰겠습니까?


그런데 Hansong Huang은 신경을 많이 쓰고 있습니다. Amcor Rigid Plastics의 정밀 엔지니어링 이사로서, 그와 그의 동료들은 가볍고 강하면서도 미학적으로 만족스럽고 제조 비용 효율성이 높아야 하는 고객의 요구 사항을 충족시키는 플라스틱 용기를 디자인하는 데 대부분의 시간을 보냅니다.


결코 쉬운 작업이 아닙니다. 지속가능성과 환경에 대한 우려가 전 세계적으로 증가하는 가운데 더욱 치열해진 시장의 요구를 충족해야 하는 동시에 최소한의 원자재를 사용하여 최대한 저렴한 비용으로 짧은 기간 내에 견고한 패키징을 설계해야 한다는 엄청난 압박에 직면해 있습니다.


사실적인 시뮬레이션을 위한 다쏘시스템 브랜드인 SIMULIA의 Abaqus 통합 유한 요소 해석(FEA) 소프트웨어 없이는 그러한 목표를 달성하는 것이 불가능하지는 않더라도 매우 어려울 것입니다. "우리는 업계 최고의 성능, 품질과 출시 속도를 자랑스럽게 생각합니다."라고 그는 말합니다. "제품 설계부터 시작하여 수명 주기 종료까지 Abaqus는 우리가 이를 달성하도록 도와줍니다."




 Amcor의 예술과 과학

Amcor Limited는 전 세계에 분포하는 35,000명 이상의 직원과 200개의 제조 현장을 자랑스럽게 여깁니다. 150년의 역사를 지닌 이 회사는 식음료 산업, 의료, 홈, 퍼스널 제품 등을 위한 다양한 패키징을 책임을 가지고 설계하고 제조합니다. 오늘 아침에 마신 커피 한 잔, 점심에 먹었던 요구르트, 그리고 오늘 밤 먹을 저녁 식사와 취침전에 복용할 혈압약의 용기는 Amcor에서 제작된 것일 가능성이 높습니다. Amcor는 어디에나 있습니다.


Amcor Rigid Plastics 부서는 수 많은 다양한 용기를 책임지고 있습니다. 미시간 주 앤아버에 본사를 두고 있는 65개 공장과 6,600명의 직원이 펩시콜라와 코카콜라부터 Kraft Foods, Jim Beam, Bausch, Lomb까지 매년 200억 개 이상의 용기, 프리폼과 마개를 생산합니다.


이러한 제품들을 최대한 빠르고 효과적으로 설계하기 위해 Huang과 인근 맨체스터 R&D 센터 연구 개발 부서의 구성원들은 Abaqus와 다쏘시스템의 소프트웨어 툴을 포함하는 고급 디지털 엔지니어링 기술을 사용합니다. 이를 통해 불과 몇 개월 만에 컨셉에서 생산으로 이동할 수 있습니다.



줄일수록 더욱 풍요로워집니다.

잠시 생각해 봅시다: Amcor와 고객이 매년 생산하는 수십억 개의 용기에서 1g 또는 0.5g씩 원자재를 줄이면 전체 비용을 크게 절감할 수 있습니다. PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트) 및 기타 열가소성 수지가 덜 필요하기 때문에 이를 만드는 데 사용되는 화석 연료의 소비가 줄어듭니다. 이것은 또한 자재 처리 과정과 완제품 제품에 필요한 에너지를 절약하고 재활용 폐기 부담을 줄이는 것을 의미합니다. 


Amcor는 이 모든 것을 이해합니다. 2006년부터 회사의 경량화 계획은 PET 수지 소비량을 연간 1억 파운드 이상 감소시키는 것이었습니다. 지난 10년 동안 전형적인 고온충전 병의 무게를 35-50% 줄이는 데 도움이 되었습니다. 또한 이 회사는 최근 2025년까지 재활용 또는 재사용 가능한 모든 패키징을 개발하고 보다 많은 재활용 재료를 사용하겠다고 약속했습니다. "우리 제품은 생산에 자원과 에너지를 소비하는 식품, 유아용 조제분유, 주스 등을 보호합니다."라고 Huang은 말합니다. "유출과 폐기물을 줄이는 고품질 용기를 설계함으로써, 우리는 아마도 대부분 사람들이 생각하는 것보다 훨씬 많이 지속가능성에 기여하게 될 것입니다."



우리의 엔지니어링 시뮬레이션 기능은 Amcor를 업계에서 유일한 기업으로 만든 것 중 하나입니다. 최고의 엔지니어링 도구를 활용하여 잠재적인 문제를 조기에 정확하게 예측하여 제품을 최적화하기 때문에 가장 가벼운 경량 용기를 생산할 수 있습니다. 

Hansong Huang, PhD

Amcor Rigid Plastics 고급 엔지니어링 이사


높은 요구 수준 설정


다쏘시스템의 고급 설계 및 시뮬레이션 소프트웨어에 투자하기 이전 Amcor의 설계 프로세스는 업계 대부분의 프로세스와 유사했습니다. 엔지니어는 고객 승인을 위해 몇 가지 디자인을 개발하고 프로토타입 금형을 제조하며 견본 용기로 실험실에서 테스트했습니다. 그런 다음 하나 또는 두 개의 설계가 파일럿 생산에 들어가 고객의 충전 라인과 공급망에서 테스트됩니다. 그 모든 비용과 시간이 빠르게 합산되었습니다. 엔지니어들은 보수적이어야 했고 경량화 한계를 밀어붙이기를 꺼려했습니다. Abaqus를 사용한 시뮬레이션은 모든 것을 바꾸어 놓았습니다.


현재 Amcor 설계자는 원하는 만큼 가상 설계 반복을 손쉽고 빠르게 생성하고 금속 절단 이전에 성능을 검증할 수 있습니다. 프로세스 전반에 Abaqus를 사용하면 잠재적인 실패 지점이 식별되고 실제 사용이 평가되어 구조적 무결성을 검증할 수 있습니다. 가상 프로세스에 대한 확신을 바탕으로 사내의 급속한 몰딩과 견본 생산은 디자인 반복에 앞서 고객 평가에 보다 적합합니다.


"우리의 엔지니어링 시뮬레이션 역량은 Amcor를 업계에서 유일한 기업으로 만든 것 중 하나입니다." Huang은 말합니다. 최고의 엔지니어링 도구를 활용하여 잠재적인 문제를 조기에 정확하게 예측하여 제품을 최적화하기 때문에 가장 가벼운 경량 컨테이너를 생산할 수 있습니다. 우리는 고객의 요구에 신속하고 신속하게 대응함으로써 경쟁 업체와 차별화됩니다."



전원 공급

비타민워터나 다른 스포츠 음료의 밑 바닥을 자세히 살펴보면 꽃 모양의 패턴이 보이시나요? PowerStrap이라고 하는 Amcor의 특허 디자인입니다. 병을 더 단단하게 만들지만 경쟁 제품이나 레거시 디자인보다 플라스틱을 덜 사용합니다. 병의 2/3 지점인 보틀 립 상단이 강화 부분입니다. 이와 같은 개선 사항은 Abaqus를 사용한 시뮬레이션과 유한 요소 해석을 통해 제공되었습니다.


재료를 떠나서 경량화에는 보다 많은 것이 있습니다. 스포츠 및 에너지 드링크, 차 음료나 향미가 가미된 물은 탄산 음료에 비해 PH가 낮아 변질되기 쉽기 때문에 살균을 위해서 "고온충전"을 해야 합니다. 액체가 약 85ºC 충전 온도로부터 냉각되면서 생성되는 진공이 병의 형태를 변형시킬 수 있습니다. 이제 Amcor는 무게를 늘리는 대신 전체 강성을 유지하면서 진공 상태를 상쇄하기 위해 베이스나 리브와 같은 특정 영역에서 유연하게 용기를 설계합니다.


"유연하면서도 강한 얇은 벽 구조 개발은 그 자체만으로도 매우 까다롭지만, 지속적인 중량 감량의 필요성이 더해지면서 고도의 기술로 최적화되고 있습니다."라고 Huang은 말합니다. "예를 들어, 우리는 60회 이상 반복한 후에야 비로소 고온충전 스포츠 음료 용기에 대해 30%의 무게 절감을 실현했습니다. 시뮬레이션이 없었다면 불가능했을 것입니다."



 




상업적 성공을 위한 시간과 비용 절감

제품 설계를 시뮬레이션하는 기능은 비즈니스에도 유용합니다. 엔지니어는 정기적으로 애니메이션과 플롯을 사용하여 고객에게 가상 보틀을 보여주고 설계와 제조 뒤에 숨겨진 복잡성을 이해하도록 돕습니다. Huang은 "시각적 일러스트레이션을 사용하면 고객이 원하는 재료의 최종 1g을 제거하는 것이 실제로 잘못된 생각이 될 수 있음을 쉽게 설득할 수 있습니다."라고 말합니다.


주어진 요구 사항 집합에 대한 이상적인 설계가 결정되면 Abaqus는 프로토타입 제작 이전인 컨셉 단계에서 이미 해당 설계를 고객과 쉽게 공유하고 승인을 요청할 수 있습니다. 그 결과 다운스트림 위험이 줄어들고 고객 참여가 증가하여 확실성이 높아집니다.


Abaqus를 사용하면 프로토타입 툴링 및 테스트에 대한 투자 우려가 감소되므로 Amcor 엔지니어는 이제 자유롭게 새로운 아이디어를 브레인스토밍하고 증명할 수 있습니다. 최적의 설계를 달성하는 일은 더 이상 사치가 아니라 반드시 필요하고, 앞으로 더욱 기대되는 점이기도 합니다. 산업 디자이너와 엔지니어는 최적의 입찰 제안을 위해 매일 디자인을 반복할 수 있습니다. 예를 들어 컨테이너를 떨어트려 튀어나온 것과 같은 문제가 발생하는 경우 시뮬레이션을 통해 단 몇 주 만에 프로젝트를 정상 궤도에 올릴 수 있는 솔루션을 제공할 수 있습니다.


Abaqus는 또한 Amcor R&D 팀의 효율성을 높이는 데 도움이 되었습니다. Abaqus에서 생성된 훌륭하게 문서화된 성능 보고서가 있다는 것은 프로젝트를 처음부터 시작할 필요가 없다는 것을 의미합니다. 새로운 제품 설계에서 이전의 효과가 좋았던 것을 활용합니다.



한계를 뛰어넘고 혁신을 주도합니다.

어린 두 자녀가 있는 Huang이 미래 세대를 위한 환경 보존에 대해 우려하는 것은 당여한 일입니다. 그것이 적은 원자재 사용으로 보다 가볍고 견고한 제품을 계속해서 만들어가는 이유 중 하나입니다. 고온충전 제품 전반에 걸쳐 20-30%의 중량 절감을 유도하는 PowerStrap 기본 설계 개념의 경우, 개발은 가상 DOE를 위한 SIMULIA의 Isight 최적화 소프트웨어와 Abaqus를 사용한 컨셉-제품 시뮬레이션 프로세스에 크게 의존했습니다. Huang은 다음과 같이 설명합니다. "시뮬레이션은 말 그대로 종이 스케치에서 수백만 병에 이르는 이 개발에서 중요한 구성 요소였습니다. 그 결과 우리는 이전 일반적인 방식으로 6~8년이나 소요된 것을 현재는 3년 이내로 컨셉 출시를 할 수 있게 되었습니다. 우리의 새로운 컨셉은 더욱 빠르게 적용돼고 있습니다."


재활용성과 재사용성은 Amcor의 R&D 전략에서 가장 중요한 요소입니다. "재생 가능한 소스로 만든 새로운 폴리머 재료를 탐색할 때 해당 속성을 시뮬레이션에 연결하여 실제 상황에서 성능과 비용 위치를 예측합니다."라고 Huang은 말합니다. "수 많은 사례 중 하나로 재사용 가능한 탄화 용기의 환경 균열을 극복하는데 시뮬레이션을 활용하여 스트레스 수준을 줄이고 재사용 주기를 늘렸습니다."


"물론 우리가 약속한 바를 이행하려면 사회로부터 많은 지원이 필요합니다."라고 그는 말합니다. "100% 재활용 및 재사용 가능성을 목표로 제품을 출시함에 따라 수명 및 재사용 측면에서 고객 및 공급업체와 함께 해결해야 할 과제가 많이 남아 있습니다. 시뮬레이션은 이를 위한 소중한 도구입니다."


한편, Huang은 완벽한 컨테이너를 위해 계속 노력할 것입니다. "최근 우리는 자주 1그램의 분수를 놓고 싸우고 있습니다."라고 그는 말합니다. "우리는 제조과정에서 제거한 플라스틱 양을 매우 자랑스럽게 생각합니다. 수년에 걸쳐 우리가 책임감 있는 패키징에 가장 크게 기여한 것 중 하나입니다. 우리의 목표는 엔드 투 엔드 가상 제품 설계, 개발 및 제조 프로세스를 실현하여 고객에게 최고의 가치를 제공하는 것입니다. Abaqus는 향후 성공 사례의 핵심 부분이 될 것입니다."




 

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