사출 성형을 통한 VR 제조

아이반 서덜랜드의 첫 번째 VR 헤드셋인 “다모클레스의 검'은 무게가 약 10파운드(약 4.5kg)에 달했습니다. 무겁고 장시간 착용하기에는 불편했습니다. 따라서 기계식 팔을 사용하여 천장에서 지지했습니다. 최신 VR 제조 기술은 장시간 착용해도 편안하게 착용할 수 있도록 경량화를 두 배로 향상시켰습니다.

최신 VR 헤드셋의 평균 무게는 스트랩과 배터리 팩을 제외하고 1.1~1.5파운드(약 500~800그램)입니다. 예를 들어 2023년에 출시된 메타 퀘스트 3의 무게는 약 1.14파운드(515그램)였습니다. 같은 해에 출시된 Pico 4의 무게는 약 1.3파운드(586그램)였습니다.

VR 부품 제조 기업의 초점은 가볍고 인체공학적인 고정밀/고해상도로 옮겨가고 있습니다. 이러한 추세에 따라 부피가 큰 헤드셋이 하루 종일 착용할 수 있는 세련된 웨어러블 기기로 변모하고 있습니다.

경량 VR 제조의 핵심인 플라스틱 부품

VR 제조 플라스틱 부품의 진화는 제조업체가 경량화를 달성하기 위해 사용하는 중요한 전략이었습니다. VR 부품의 약 50~70%를 플라스틱이 차지하기 때문에 이는 특히 중요합니다. 외부 케이스, 헤드 스트랩, 내부 구조는 주로 내구성이 뛰어난 플라스틱으로 만들어집니다. 진화하는 VR 부품 제조 전략에는 다음이 포함됩니다: 

• 고급 소재 사용: VR 제조업체는 구조적 무결성을 유지하면서 무게를 줄이기 위해 기존 플라스틱을 탄소 섬유와 같은 첨단 엔지니어링 대체재로 대체하고 있습니다.
• 무게 분포: 2025년의 많은 디자인은 무게 중심을 사용자의 머리에 더 가깝게 이동시키기 위해 헤일로 스타일의 스트랩 시스템을 사용하는 것이 특징입니다.
• 고밀도 상호 연결(HDI) 인쇄 회로 기판: HDI 기술은 마이크로비아와 더 미세한 트레이스 폭을 사용하여 컴포넌트를 더 가깝게 포장하는 데 사용됩니다.
• 정밀 제조 기술: 플라스틱 부품에 정밀 VR 사출 성형 및 기타 첨단 기술(예: 렌즈용 유리의 고온 성형)을 사용하면 제조업체가 고정밀 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

사용자의 신체적 불편함(목의 피로와 두통)을 해결해야 할 필요성과 진정한 무선 VR 헤드셋을 개발하려는 노력은 업계에서 지속적인 혁신을 이끄는 원동력 중 일부입니다.

VR 헤드셋의 구조적 및 기능적 구성 요소

VR 헤드셋은 복잡한 기기입니다. 바이저라고도 불리는 앞부분은 가장 중요한 부분입니다. 렌즈와 센서, 그리고 기기의 “두뇌'가 들어 있습니다. 단단한 외부 플라스틱 쉘은 내부 전자 장치를 보호하는 동시에 착용자에게 안정성과 편안함을 제공합니다.

VR 헤드셋은 외부 구조 부품, 기능 부품, 광학 관련 부품의 세 부분으로 나눌 수 있습니다.

VR 제조 컴포넌트를 위한 머티리얼 옵션

VR 제조에 사용되는 소재는 사용자의 편안함과 성능을 위해 무게의 균형을 맞추는 데 중점을 둡니다. VR 제조업체가 소재를 선택할 때 고려하는 또 다른 요소는 내구성과 열 관리입니다. 예를 들어, 케이스 또는 외부 쉘은 고성능 플라스틱을 사용하여 정밀하게 제작하여 경량과 내구성의 균형을 맞춥니다. 정밀도가 높으면 광학 장치를 정렬하는 데 도움이 됩니다.

• VR 케이스: 폴리카보네이트(PC), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 또는 PC+ABS 혼합물과 같은 플라스틱은 강성과 가벼움의 균형을 맞추기 위해 케이스에 사용됩니다. 무게를 더욱 줄이기 위해 VR 사출 금형 제조업체는 종종 얇은 벽과 격자가 있는 늑골 디자인을 사용합니다.
• 광학 구성 요소: 렌즈에는 스크래치 저항성이 뛰어난 특수 투명 소재가 사용됩니다. VR 렌즈 제작에 사용되는 소재의 좋은 예로는 광 투과율이 92% 이상인 고리형 올레핀 코폴리머(COC)가 있습니다.
• 편안한 착용감: 미끄럼 방지 부품에는 유연하고 부드러운 소재인 열가소성 엘라스토머(TPE)가 사용되어 특히 장시간 사용 시 착용감이 향상됩니다.

VR 사출 금형 설계의 핵심 기술

VR 헤드셋 생산을 위한 금형 설계 과정에는 고정밀의 전문 기술이 필요합니다. 핵심 기술의 초점은 복잡한 형상과 우수한 표면 마감을 갖춘 경량 부품을 제공하는 것입니다.

VR 사출 성형용 금형을 제작하는 프로세스는 제조용 설계(DFM)를 보장하기 위해 Moldflow 분석과 함께 SolidWorks 또는 ProE와 같은 고급 CAD, CAM 또는 CAE 소프트웨어를 사용하는 것으로 시작되는 경우가 많습니다. 고급 소프트웨어는 벽 두께와 냉각을 최적화하는 데 매우 중요합니다. VR 사출 금형 설계의 세 가지 주요 측면은 다음과 같습니다:

1. 정밀 제어: 고속, 고정밀 CNC 가공은 금형의 극도의 치수 정확도를 보장하기 위해 사용됩니다. VR 케이스의 주요 사출 성형 과제는 결함 없는 고광택 표면을 구현하는 것입니다. 이는 속도, 압력, 온도와 같은 사출 성형 파라미터를 최적화함으로써 극복할 수 있습니다. 복잡한 형상의 뒤틀림이나 수축과 같은 일반적인 결함은 냉각 시스템을 최적화하여 줄일 수 있습니다.
2. 구조 최적화: 곡선형 하우징과 복잡한 버클은 기존의 두 부분으로 구성된 금형으로는 여러 가지 문제에 직면하는 경우가 많습니다. 커브드 VR 하우징을 성형할 때 흔히 발생하는 문제로는 불완전한 디테일 성형과 디몰딩의 어려움 등이 있습니다. 멀티 슬라이드 + 인서트 구조는 이러한 문제를 해결하기 위해 설계되었습니다. 복잡한 다방향 언더컷과 복잡한 형상의 부품을 제작하는 데 사용할 수 있습니다.
3. 표면 처리: 흐름 자국과 용접선은 일관되지 않은 용융 플라스틱 흐름으로 인해 발생할 수 있는 외관상의 결함입니다. 금형 표면의 미세 표면 거칠기를 줄이거나 거울 연마를 하면 용융된 플라스틱과 금형 캐비티 사이의 마찰 저항이 크게 줄어듭니다. 초기 가공 자국은 180~600 그릿 크기의 오일 스톤을 사용하여 제거합니다. 스무딩은 400~1600 그릿의 습식 사포를 사용하여 수행합니다. 최종 연마는 다이아몬드 페이스트(0.25µm 또는 0.5µm)를 사용하여 이루어집니다.

고객 요구 사항

VR 웨어러블 기기 제조를 전문으로 하는 한 고객은 맞춤형 VR 헤드셋 전면 커버가 필요했습니다. 이전 공급업체는 부품의 매우 얇은 벽으로 인해 발생하는 뒤틀림 문제를 극복하지 못했습니다. 또한 조립 정밀도가 표준 이하라는 문제도 있었습니다.

고객은 이러한 문제를 극복할 수 있는 VR 사출 금형 제작사를 찾고자 했습니다. 고객은 퍼스트몰드의 시설을 둘러보고 이전 프로젝트의 앨범을 검토한 후 문제를 해결할 수 있는 퍼스트몰드의 역량을 확신하게 되었습니다. 고객의 세부 요구 사항도 포함되었습니다:

• 부품 벽 두께 1.0mm,
• 무게 ≤25g,
• 표면에 흐름 자국이 없습니다,
• 조립 공차 ±0.03mm,
• 대량 생산 수율 ≥98%

도전 과제

25g 이하의 무게를 달성하려면 단순히 소재를 바꾸는 것 이상의 노력이 필요했습니다. 먼저 금형 엔지니어는 고객과 협력하여 설계를 다시 생각해야 했습니다. 유한 요소 분석(FEA)을 사용하여 중요하지 않은 영역을 식별해야 했습니다. 강성을 위해 솔리드 소재 대신 리브가 추가되었습니다.

VR 헤드셋의 무게를 더 낮추기 위해 나사 대신 스냅핏 설계가 선호되었습니다. 하지만 조립 과정에서 부품이 단단히 결합되도록 하기 위해서는 엄격한 공차가 필요했습니다.

솔루션

퍼스트 몰드는 VR 사출 금형 설계를 위해 가스 보조 사출 성형(GAIM) 구조를 채택했습니다. 이 방식은 가압 질소 가스를 사용하여 중공 부분을 생성함으로써 기존 성형 방식에 비해 상당한 이점을 제공했습니다. GAIM은 레진 사용량을 20% 이상 줄였습니다. 또한 재료 분포를 최적화하고 전반적인 표면 품질을 개선할 수 있었습니다.

가스 보조 사출 성형은 차동 냉각을 통해 중공 섹션을 생성합니다. 즉, 중공 섹션은 솔리드 섹션보다 더 빨리 냉각됩니다. 따라서 정밀한 냉각 채널을 도입해야 했습니다. 냉각 채널을 최적화하는 것은 뒤틀림으로 이어질 수 있는 고르지 않은 냉각을 방지하는 데 중요했습니다. 최적화된 냉각 채널은 생산 속도를 극대화하는 데에도 중요했습니다.

파티션은 보이지 않는 부분에 최적화되었습니다. 이 설계 결정은 CAD 단계에서 솔기 라인을 숨기도록 하기 위해 이루어졌습니다. 퍼스트몰드는 파팅 라인을 숨겨서 VR 헤드셋 케이스 표면에서 100%의 미적 결함을 완벽하게 유지할 수 있었습니다.

프로세스 조정

VR 플라스틱 부품 제조를 위해 선택한 소재는 유리섬유 강화 PC+ABS 혼합 소재였습니다. 이 소재를 질소 보조 사출 성형과 결합하면 소재의 분해를 방지할 수 있습니다. 질소는 배럴과 금형 내에서 산소를 대체하는 불활성 기체 역할을 하기 때문입니다.

산소의 치환은 고온에서 폴리머의 열화를 방지합니다. 이 기술은 또한 변색을 방지하고 플라스틱의 기계적 강도를 유지합니다.

품질 관리 시스템

퍼스트 몰드는 금형 내 압력 센서를 통한 실시간 모니터링을 사용했습니다. 이 센서는 캐비티 압력(최대 2,000bar)과 온도를 측정했습니다. 금형 충진, 포장 및 게이트 동결에 대한 즉각적인 데이터를 제공하여 결함을 즉시 감지할 수 있었습니다. 이를 통해 불량품을 줄이는 데 도움이 되었습니다.

먼저 몰드 엔지니어들은 3차원 측정기(CMM)를 사용하여 완성된 부품을 철저히 검사했습니다. 스캐너는 외부 형상을 측정하여 육안으로 쉽게 놓칠 수 있는 휨을 찾아냈습니다. 측정값을 제품 청사진과 대조하여 일관성을 확인했습니다.

최종 결과 및 고객 평가

퍼스트 몰드는 단순히 금형만 납품한 것이 아닙니다. 이 회사는 VR 사출 성형 시스템을 제공하여 고객이 이전 공급업체에서 겪었던 제조상의 문제를 극복하는 데 도움을 주었습니다. 퍼스트 몰드가 제공한 솔루션은 고객이 경량 VR 부품을 제작하는 데 도움이 되었습니다. 그 결과 시중의 경쟁 브랜드 제품보다 더 가벼운 제품을 만들 수 있었고, VR 애호가들이 더 오래 착용할 수 있는 편안함을 제공했습니다.