낙하 시험이란?

낙하 시험은 특정 높이와 방향으로 제품을 단단한 표면에 떨어뜨렸을 때 제품에 어떤 일이 발생하는지 통제된 방식으로 연구하는 것입니다. 엔지니어는 각 시험 후 충격 규모, 기능성에 미치는 영향 및 외관 손상을 평가합니다. 이러한 정보를 사용하여 설계를 개선하거나 구성이 허용 가능한지 판단합니다.

대부분의 사람들은 휴대전화와 같은 소비자용 전자 제품 시험에 익숙하지만, 엔지니어들은 항공우주, 소비재, 중장비, 의료 기기, 심지어 핵 물질 운송을 포함한 다양한 산업에서 낙하 시험을 실시합니다.

낙하 시험의 목표는 제품 및 패키지 설계에 대해 안전하고 올바르게 작동하며 외관상 손상을 입지 않고 적당한 횟수의 낙하에도 견딜 수 있도록 하는 것입니다. 대부분의 기업은 물리적 시험 외에도 설계 프로세스 초기에 더 낮은 비용으로 시뮬레이션을 사용하여 가상으로 낙하 시험을 수행합니다.

낙하 시험은 두 가지 소유 영역에서 잠재적인 제품 손상을 확인합니다. 첫 번째는 사용 전 운송 및 보관 중이고, 두 번째는 장치를 사용 중일 때입니다. 제품은 일반적으로 사용 전 단계에서 일부 유형의 패키징에 포함되므로 패키지 낙하 시험은 패키징의 내구성을 평가하기 위해 수행됩니다. 그런 다음 최종 사용자가 제품을 떨어뜨리면 어떤 일이 일어나는지 확인하기 위해 자체적으로 시험을 실시합니다. 

효과적이고 유익한 낙하 시험의 핵심은 업계 표준을 충족하고, 설계팀에 유용한 정보를 제공하며, 패키징 및 제품 설계의 유효성을 검증하는 낙하 시험 절차를 확립하는 것입니다. 

낙하 시험 목표

모든 낙하 시험 프로젝트의 첫 번째 단계는 시험의 목표와 목적을 확립하는 것입니다. FedEx와 같은 배송업체나 Amazon 또는 Sam's Club과 같은 유통업체의 필수 표준을 충족하는 것이 유일한 목표인 경우도 있습니다. 다른 경우에는 설계 팀이 시험 데이터를 사용하여 제품 또는 패키지 설계를 최적화합니다. 목표를 명확하게 문서화하고 시험 계획을 개발하는 데 사용해야 합니다. 

낙하 시험에 사용되는 변수

제품은 무한한 높이, 여러 방향, 다양한 환경 조건에서 떨어질 수 있습니다. 이러한 모든 변수는 표준 또는 설계 팀에서 정의할 수 있습니다. 효과적인 낙하 시험에는 다음 변수에 대한 명확한 정의가 포함되어야 합니다. 

• 낙하 높이: 중력은 자유 낙하 시 물체를 가속하므로 낙하 높이에 따라 충격 표면에 닿는 시험편의 속도가 결정되고, 이에 따라 충격 에너지도 결정됩니다. 
• 제품 방향: 물체가 모서리나 가장자리에 떨어지면 물체에 가해지는 하중이 집중되어 크고 평평한 표면에 떨어질 때보다 손상이 더 큽니다. 그래서 낙하 시험에는 여러 방향이 포함됩니다. 
• 낙하 횟수: 제품이나 패키지는 한두 번의 낙하는 견딜 수 있지만, 충격을 받을 때마다 추가적인 손상이 발생할 수 있습니다. 많은 시험에 높이별로 물체가 견뎌야 하는 낙하 횟수에 대한 사양이 있습니다. 
• 충격 표면 재료의 성질: 평평한 충격 표면의 재료의 성질은 떨어지는 물체에 전달되는 에너지의 양에 상당한 영향을 미칩니다. 일반적인 낙하 시험 표면은 콘크리트, 광택 콘크리트, 강철, 콘크리트 위의 합판, 콘크리트 위의 비닐 타일입니다. 
• 온도 및 습도: 특히 판지 패키징의 중요한 변수는 시험실의 온도와 습도입니다. 이 두 변수는 제품, 패키징 및 낙하 표면의 재료 특성에 영향을 미칩니다. 

낙하 시험 표준

낙하 시험을 위한 표준은 매우 다양합니다. 일부는 업계에서 정하고, 일부는 제품을 운송하거나 유통하는 회사에서 정하고, 나머지는 국제 표준 그룹에서 정합니다. 가장 일반적인 예는 다음과 같습니다. 

• ASTM D5276: 자유 낙하에 의해 적재된 컨테이너의 낙하 시험을 위한 표준 시험 방법
• ASTM D7386: 단일 소포 배송 시스템용 패키지의 성능 시험을 위한 표준 지침
• ISTA 3A: 소포 배송 시스템 발송물 70kg(150파운드) 이하
• ISO 2248: 낙하를 통한 수직 충격 시험
• IEC 60068-2-31: Tests - Test Ec: 주로 장비 유형 표본을 대상으로 하는 거친 취급 처리
• MIL-STD-810G 516.6: 환경 공학 고려 사항 및 실험실 시험: 시험: 충격

낙하 시험 장비

수직 낙하 시험은 일반적으로 작은 시험 장비 세트를 사용하여 시험을 수행하고 결과를 측정합니다. 시험 계획자는 시험 물체의 크기와 질량을 처리할 수 있는 장비를 지정하고, 시험에 대한 입력 변수를 정확하게 측정하고, 시험에서 필요한 데이터를 캡처해야 합니다. 

낙하 시험기

낙하 시험기는 높이, 방향 및 충격 표면에 대해 원하는 파라미터를 사용하여 시험 물체를 일관되게 떨어뜨리는 데 사용됩니다. 충격 표면과 원하는 높이와 방향으로 시험 물체를 고정했다가 해제하는 메커니즘으로 구성됩니다. 대부분의 기계는 시험편을 들어올리고 내리는 작업을 자동화합니다. 

회전 드럼 낙하 시험기

휴대전화와 같은 소형 전자 부품과 장치는 회전 드럼 낙하 시험 기계로 시험합니다. 시험 물체를 회전하는 드럼에 넣고 시험 물체를 들어 올렸다가 떨어뜨리기를 반복합니다. 기업에서는 이러한 유형의 장비를 사용하여 시험을 통해 모든 잠재적 낙하 방향을 확인합니다. 

가속도계

가속도는 엔지니어가 충격 발생 시 제품에 어떤 하중이 가해지는지 이해하는 데 필요한 핵심 정보입니다. 테스터는 가속도계를 사용하여 패키징과 제품의 주요 위치에서 가속도를 측정합니다. 

광학 검사기

엔지니어는 충격 후 시험 물체의 외관 손상 및 물리적 변형도 파악해야 합니다. 이는 다양한 보정된 측정 장치를 사용하는 기술자의 시각적 검사, 고품질 카메라 또는 광학적 광 스캐닝을 통해 변형된 표면을 얻음으로써 수행할 수 있습니다. 

제품 시험 픽스처

제품 기능성이 시험 요구 사항 중 하나인 경우 시험 픽스처를 사용하여 기능 시험을 자동화합니다. 

낙하 시험의 일반적인 단계

1. 계획: 시험 엔지니어는 목표, 제품 사양, 산업 또는 회사 표준을 사용하여 모든 요구 사항을 충족하는 가장 효율적인 시험 세트를 계획합니다.
2. 장비 보정 및 설정: 낙하 시험 장비는 시험에 맞게 보정하고 구성해야 합니다. 여기에는 안전 문제를 해결하고 필요한 경우 자동화와 데이터 수집을 구현하는 것이 포함됩니다. 
3. 시료 준비: 그런 다음 기술자가 시험 물체를 직접 준비해야 합니다. 이는 패키징 및 제품의 프로토타입이거나 시험을 위해 생산에서 가져온 시료일 수 있습니다. 가속도계가 부착되어 있으며 필요에 따라 표시를 해놓습니다. 이 단계에서 질량도 확인해야 합니다. 
4. 실행: 시험은 낙하 시험 계획에 설명된 대로 시험 장비를 사용하여 수행됩니다. 실행의 모든 단계가 일관되고 시험 계획을 따르는 것이 중요합니다. 
5. 검사 및 분석: 각 낙하 시험 후 기술자와 엔지니어는 시험 물체를 검사하고 형상, 외관 또는 기능 변화를 포착합니다. 또한 결과를 분석하여 시험 또는 엔지니어링 팀에서 요구하는 데이터를 얻습니다. 
6. 문서화 및 보고: 시험 프로그램의 결과는 수행된 작업, 얻은 데이터 및 시험 계획의예외 사항에 대한 완전하고 상세한 보고서입니다. 

신제품이 개발 중일 때 엔지니어링 팀은 정상 작동 시 제품이 얼마나 잘 작동하는지에 초점을 맞춥니다. 이러한 정상 작동에는 제품 수명 주기 전반에 걸쳐 여러 지점에서 장치를 떨어뜨리는 것이 포함됩니다. 낙하 시험은 다음과 같은 다양한 이유로 제품 품질에서 중요한 부분이 되었습니다.

1. 안전

낙하 시험의 가장 중요한 이점은 제품 안전입니다. 제품이 떨어진 후 구조적 무결성이 손상되면 화학 물질이 누출되거나 과열되거나 화재가 발생하거나 해를 끼칠 수 있는 방식으로 제품이 작동할 수 있습니다. 설계 팀은 낙하 시험 또는 낙하 시험 시뮬레이션을 사용하여 안전 사양을 충족하도록 제품 및 패키징의 재료와 구조를 최적화합니다.

2. 제품 내구성 및 기능성

안전 요구 사항을 충족한 후 낙하 시험의 다음 목표는 낙하 후 제품이 제대로 작동할 만큼 내구성이 있는지 확인하는 것입니다. 이것이 의미하는 바는 시험 중인 제품에 따라 달라집니다. IoT 센서는 찌그러지거나 긁혔더라도 정확한 데이터를 계속 수집하는 한 정상 작동하는 것으로 간주됩니다. 

의료 및 방위 산업에서는 기능성이 매우 중요하며, 이러한 산업에서 기능 상실은 환자와 전투원에게 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 낙하 시험은 설계 팀이 적절한 횟수의 낙하를 통해 설계의 내구성을 검증하는 데 도움이 됩니다. 

3. 고객 만족도

낙하 후 제품의 상태는 제품 및 브랜드에 대한 고객의 느낌에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 특히 기능성이 저하된 경우 더욱 그렇습니다. 또한 배송 시 패키지의 외관 상태 또는 낙하 후 제품 자체는 고객 만족도에 상당한 영향을 미칩니다. 패임, 긁힘 및 균열은 기능성에 영향을 미치지 않지만 제품에 대한 고객의 인상에 부정적인 영향을 미칩니다. 

낙하 시험은 이런 손상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 설계 팀이 마케팅 및 고객 지원 팀과 협력하여 견딜 수 있는 낙하에 대한 최종 사용자의 기대치를 설정하는 데 도움이 될 수도 있습니다. 

4. 크기, 재료, 배송 및 보관 비용 절감

다양한 높이에서 자유 낙하해도 제품이 견딜 수 있도록 하는 간단한 방법은 패키징과 제품 자체에 재료를 추가하는 것입니다. 그러나 이렇게 하면 재료, 배송 및 보관 비용이 증가하여 제품의 전체 비용이 증가합니다. 낙하 시험은 엔지니어가 낙하 요구 사항을 충족하면서 패키징 및 제품이 비용을 최소화하는지 여부를 확인하는 데 도움이 됩니다. 

5. 교체, 수리 및 보증 비용 절감

배송 중 또는 사용 중에 손상된 제품을 교체하는 데 드는 비용은 금방 늘어날 수 있습니다. 낙하 시험은 보증이 적용되는 낙하 유형과 배송업체의 요구 사항을 확인하는 데 도움이 됩니다. 또한 낙하 시험은 제품의 내구성과 패키징을 개선하여 낙하 손상과 관련된 잠재적 비용을 줄일 수 있습니다. 

물리적 낙하 시험은 품질 보증에서 잘 이해되고 효과적인 부분이지만, 물리적 시험은 패키징 설계 및 시험 가능한 제품 버전이 존재하는 경우에만 수행할 수 있습니다. 또한 개발 프로세스 후반에 설계를 변경하는 데 드는 비용은 말할 것도 없고 비용과 시간이 많이 소요됩니다. 그래서 많은 기업들이 시뮬레이션을 사용하여 설계 프로세스가 완료된 후의 단계가 아닌 제품 설계 프로세스의 일부로 가상 낙하 시험을 수행합니다. 

Ansys LS-DYNA® 소프트웨어는 대부분의 산업에서 낙하 시험 시뮬레이션을 위한 표준 시뮬레이션 도구입니다. 이는 시간 영역에서 해석하고 질량, 운동량, 복잡한 재료 및 복잡한 접촉 조건을 고려하는 유한 요소 해석(FEA) 플랫폼입니다. 이는 엔지니어가 낙하 시험을 시뮬레이션하는 데 필요한 바로 그 기능입니다. 시뮬레이션은 엔지니어가 제품 및 패키징의 낙하 거동을 이해하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 이러한 설계를 추진하기 위한 파라메트릭 '"가정(what-if)" 연구를 신속하게 수행할 수 있습니다.

시뮬레이션은 엔지니어가 패키지나 제품 내부를 살펴보고 충격 발생 시 시간에 따른 내부 거동을 확인할 수 있는 추가적인 이점을 제공하며, 실제 시험보다 더 큰 통찰력을 제공합니다. 낙하 시험을 위해 시뮬레이션을 활용하는 엔지니어는 어셈블리의 어느 위치에서나 가속도, 응력, 변형, 접촉력, 소성 변형 및 변위 정보를 얻을 수 있습니다.

시뮬레이션을 사용하여 가상으로 낙하 시험을 수행할 때 엔지니어는 다음과 같은 모범 사례를 고려해야 합니다.

• 가능한 경우 육면체 요소를 사용하고, 두께 방향으로는 충분한 요소를 사용하고, 필요한 경우 고차 요소를 사용하여 고품질의 정확한 메시를 생성합니다. 요소 크기를 비교적 균일하게 유지하는 것도 중요합니다. Ansys 제품군에는 이 과정에 도움이 되는 다양한 mesh tools가 있습니다. 
• Bonded contact을 사용하여 제품에서 서로 붙어 있는 부품을 부착하고, 마찰 접촉을 사용하여 충격 발생 시 서로 상대적으로 미끄러질 수 있는 표면을 표현합니다. LS-DYNA 소프트웨어에는 Contact 연결을 설정하고 관리할 수 있는 다양한 도구가 있습니다. 
• 모든 새 릴리스에서 LS-DYNA 소프트웨어에 추가된 새로운 기능을 활용하십시오. 다중 케이스 모델링, 판지 재료, 새로운 메싱 도구와 같은 기능은 낙하 시험의 성능과 사용자 경험을 개선합니다. 
• 자체 하드웨어 또는 클라우드에서 고성능 컴퓨팅(HPC)을 활용하십시오. LS-DYNA 소프트웨어는 멀티코어 병렬 처리를 지원하여 더 큰 모델을 구현하고 해석 시간을 단축할 수 있게 합니다.

고객과 유통업체의 기대는 끊임없이 변화하며, 이로 인해 낙하 시험에 대한 기술과 기대도 함께 변화합니다. 지속 가능성은 제품에 사용되는 재료와 패키징 방법에도 상당한 영향을 미칩니다. 

다음은 엔지니어가 향후 낙하 시험 작업을 계획할 때 고려해야 할 5가지 동향입니다.

지속 가능성

지속 가능성은 제품을 패키징하는 시스템에서 가장 큰 변화를 주도하고 있습니다. 어떤 경우에는 소비자와 소매업체 모두 배송을 위한 보호 포장재 없이 자체 포장재로 제품을 배송할 수 있기를 기대하는 경우도 있습니다. 환경 문제로 인해 제품과 패키징에 더 지속 가능한 소재를 사용하고 전체적으로 소재 사용량을 줄이려는 움직임도 커지고 있습니다.

비용 절감

제조, 패키징 및 운송 비용은 상당할 수 있으며, 기업은 비용을 최대한 절감할 수 있는 방법을 끊임없이 찾고 있습니다. 낙하 시험은 엔지니어가 설계를 변경하여 제품 및 패키징 비용을 절감하는 동시에 충격 내구성이 사양을 충족하도록 하는 데 있어 더욱 중요한 역할을 합니다. 특히 낙하 시험을 위한 시뮬레이션은 더욱 중요합니다. 

사용자 기대치 증가

패키징의 외관에 대한 사용자의 기대치는 물론, 제품이 점점 더 높은 곳에서 떨어져도 견딜 수 있는 능력에 대한 사용자의 기대치가 높아지고 있습니다. 엔지니어는 이러한 기대에 부응하고 제품에 경쟁 우위를 제공하기 위해 설계 과정 초기에 시뮬레이션 낙하 시험을 사용해야 합니다. 

시각적 효과 및 개봉 경험

사용자 기대치가 높아지고 있는 또 다른 영역은 제품이 물리적 선반과 가상 진열대에서 어떻게 보이고 개봉 경험이 어떤 것인가입니다. 이러한 미적 문제는 충격 내구성에 필요한 설계 기능에 점점 더 큰 영향을 미칠 것입니다. 또한 시뮬레이션된 낙하 시험을 통해 엔지니어는 개발 주기 초기에 시각적으로 더 만족스러운 패키징 디자인을 시도하는 데 필요한 도구를 얻을 수 있습니다. 

다중물리 시뮬레이션

시뮬레이션 분야에서는 LS-DYNA 소프트웨어와 Ansys Mechanical™ 소프트웨어, Ansys Sherlock™ 소프트웨어, Ansys Icepak® 소프트웨어, Ansys Fluent® 소프트웨어과 같은 제품의 Multiphysics 기능을 활용하려는 움직임이 강해지고 있습니다. 이를 통해 낙하로 인한 하중과 변형이 제품의 성능과 신뢰성에 어떤 영향을 미치는지 평가합니다. 

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