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[D&M Report] 최적 사출성형공정과 성형 불량 케이스Ⅲ - 사출성형공정에 알맞은 보압 조건 알아보기

입력 : 2020.10.13 15:10

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[헬로티]


사출 성형이란 플라스틱의 성형가공법으로 열가소성수지를 성형하는 대표적인 방법이다. 다양한 무게의 제품을 성형하며, 반복해서 제작할 수 있으므로 대량생산에 적합한 기술 중 하나다. 금형기술 10월호에서는 사출성형공정에 적절한 사출 및 보압 조건에 대한 내용 그리고 성형 불량 종류에 대해 알아보고자 한다. 


LS엠트론 김영기 고문 기고


사출과 보압


사출공정에서 스크류가 플런저 역할을 수행한다. 완전한 균질의 용융재료가 고압력과 일정한 속도 프로파일로 스크류의 전진동작에 의해 금형 안으로 사출된다. 


캐비티가 충진될 때 압력 제어로 절환되고 성형품이 금형 안에서 냉각되는 동안 재료의 수축을 보상하기 위해 유동체 중앙에 압력을 가한다. 사출속도가 성형제품에 미치는 영향은 다음과 같다. 


- 탄 자국 : 에어밴트가 원활히 이루어지지 않은 경우

- 미성형 제품 : 캐비티가 완전히 충진되기 전에 수지가 고화되는 경우

- 플래시 발생 : 사출 도중 충진된 재료가 급속히 고화돼 필수적으로 높은 압력이 발생되는 경우)

- 젯팅, 갇힌 공기(기포) : 사출초기에 매우 높은 속도를 가지는 경우

- 박리 : 충진 마지막 단계에서 용융재료가 첨가제 주위를 더 이상 흐르지 않는 경우

- 크라우드 : 용융재료가 표면에서 고화된 상태에서 여전히 밀려지는 경우

- 레코드판 효과 : 표면부에서 용융재료의 고화속도가 매우 빠른 경우, 유동저항이 커져 유동선단부의 흐름에 영향을 주는 경우며, 이러한 이유로 생성된 레코드판 형상은 보압에 의해 사라지지 않는다. 


보압이 성형제품에 미치는 영향은 다음과 같다, 


- 싱크마크, 기공(용융재료의 중앙부가 고화 시 일으키는 수축에 의해 발생)

- 플래시 생성(높은 보압에 의해 금형이 열리는 경우)

- 응력크랙, 이형성 문제 (높은 보압에 의해 과충진이 일어난 경우)

- 성형제품의 중량과 치수


스크류전진속도


스크류전진속도는 스크류가 스크류 전방 공간에 계량된 성형혼합물을 금형으로 밀어넣는 속도다. 금형에서의 유동선단 속도는 금형 캐비티 구조와 스크류전진속도에 의해 유동선단의 일어나는 유동율이다. 


특히 큰 유동과 벽두께율을 갖는 성형품에서 유동선단부에서의 신속한 충진이 벽에 밀착한 게이트로부터 동작한다. 금형 캐비티에 발생된 전단열이 순간적인 냉각효과에 의해 유동선단의 이른 용융흐름의 정체를 막아야 한다. 


짧은 충진시간이 거대 분자의 내부 마찰로 인한 전단에 의한 추가적인 열로 짧은 열전도 기간으로 캐비티벽의 열손실을 방해한다. 그래서 낮은 용융점도가 스프루로부터 멀리 떨어진 성형품 곳곳으로 보다 나은 압력전달을 시킨다. 


또한, 용융재료에 대해 일정한 압축이 이뤄진다. 낮은 금형 캐비티 압력에 의해서만 보다 적은 형체력이 필요하다. 금형 충진에 필요한 스크류전진속도에 도달하기 위해서는 금형충진단계 중의 유압압력이 충분히 높게 설정돼야 한다. 


벽 근처 층에서의 융융재료가 갑자기 고화되는 것처럼, 금형충진단계는 외관, 배향, 결정화도 같은 표면층의 특성에 특히 책임이 있다. 스크류 전진속도를 향상시키게 되면 다음과 같은 현상이 발생한다.


- 외관상 나타나는 웰드라인의 감소

- 웰드라인 생성위치의 접합성 향상

- 전체적인 배향의 감소

- 제품표면의 배향 증가

- 결정화도의 증가

- 금형 내에서 수지온도의 상승

- 형체력의 상승 및 표면불량 증가


작업자는 최적의 충진시간을 결정하기 위해 보압 압력이 없는 상태에서 스크류 전진속도를 낮게 설정하고 시작해야 한다. 하지만 이 때 계량양은 충분하게 설정돼야 한다. 


설정한 스크류 전진속도에 도달하기 위해 충진을 위한 유압압력은 반드시 실제 필요한 압력 이상으로 설정돼야 한다. 그런 후 캐비티 체적이 충진될 때까지 보압절환점을 소량씩 감소시켜간다. 


만약 보압절환위치가 스크류에 의해 도달되지 않으면 스크류 전진속도를 조금씩 증가시켜 냉각효과에 의한 미성형 제품이 나오지 않도록 한다.


스크류 전진속도의 프로파일


충진 시작 시 스크류 전진속도를 낮게 설정한다. 이는 금형 변형의 감소, 제팅 발생의 최소화, 게이트 주변의 뿌연 점을 감소시키기 위함이다. 한편, 충진 완료 시에는 스크류 전진속도를 낮게 설정한다. 


이는 제품의 특정 특성에 대한 재연성 향상 기대, 형체력의 감소 가능, 정확한 보압절환 가능, 금형 내에서 공기 압축을 감소시켜 밴팅효과를 향상하기 위함이다. 


사출속도 설정


금형에 충진단계에서 특정한 사출속도 프로파일이 성형품의 구조, 용융과 금형온도 그리고 다른 최적의 목표를 고려해 설정한다. 이 10속의 프로파일이 해당 금형에 기계의 최적 응용을 가능하게 해준다. 각 사출속도는 계량 스트로크 C1을 10등분해 동작한다. 



기능키 F3의 설정값 그래픽 화면에서 속도절환점을 수동으로 변환시킬 수 있다. 계량 스트로크 C1에 동일값을 두 번 입력하면 자동적으로 10등분으로 나눠진다.



만약 사출 중에 사출압력이 설정한 한계값 P6에 도달하면, 그래픽 화면의 Sp에 그때의 스크류 위치값과 수직라인이 해당하는 위치에 표시된다. 


사출공정에서 필요한 사출압력은 필수적으로 수지의 점도, 온도, 사출속도와 금형의 흐름저항(스프루 단면적, 성형품의 벽두께, 금형온도 등)에 달려있다. 


사출에서 기계는 보압절환점에 도달할 때까지 재료의 점도변화나 온도변화가 사출저항을 변화시키는 것처럼 요소가 변할지라도 설정속도를 정확하고 재현성 있게 제어할 수 있어야 한다. 


이때 설정한 사출압력 P6가 실제로 필요한 사출압력보다 높게(대략 20 bar 이상) 설정했을 때만이 가능하다. 최대 유압시스템압력이나 설정한 사출압력 P6가 사출 중에 도달하지 않아야 함이 반드시 확보돼야 한다.(실제압력은 PHx로 확인) 이 설정한 사출압력한계는 안전한 설정값으로 고려돼야만 한다.


사출공정과 보압공정에 적합한 압력 및 속도제어



사출프로세스는 사출과 보압구간으로 구분되는데, 사출구간에서는 사출압력한계 P6를 설정하여 피드백제어에 의해 설정된 10단의 사출속도로 사출한다. 이때 설정한 사출속도가 나오지 않을 경우에는 사출압력한계 P6의 압력을 높여줘야 한다. 


이것은 사출속도가 압력이 받쳐줘야만 원하는 속도를 낼 수 있기 때문이다. 즉 사출압력한계 P6의 범위 내에서 각 단계의 사출속도를 내는데 필요한 압력만을 공급해준다. 이 10단의 사출속도는 실제 속도 단위인 mm/sec의 값으로 설정해 크로즈드루프 제어에 의해 항상 동일한 속도제어를 구현한다.


보압으로 절환된 후에는 마지막 사출속도(V21)로 피드백 제어에 의해 설정된 10단의 보압을 정확하게 제어한다. 이 10단의 보압도 실제 압력 단위인 bar(kg/cm2)의 값으로 설정해 크로즈드루프 제어에 의해 항상 동일한 압력제어를 구현한다. 


결론적으로, 사출압력한계(P6)와 보압속도(V21)는 사출구간에서 사출속도와 보압구간에서 압력을 정확하게 크로즈드루프 제어에 의한 피드백을 위해 보조역할을 할 뿐이다. 


사출시간감시


일정한 사출시간은 속도에서 압력으로의 오픈루프나 크로즈드루프로의 위치에 의한 보압절환 시에 재현성의 사출속도를 보장한다. 


대부분 성형품의 품질측면에서 가장 많이 사용되는 ‘위치에 의한 보압절환’ 방식 등을 선택할 경우 하기 사출화면의 사출시간감시에 실제 소요되는 사출시간이 ZSx에 표시된다. 


이에 최소값과 최대값을 실제값 ZSx에 근접하게 설정해 사출시간감시 범위를 벗어날 경우에 해당 사이클 종료 후 성형품의 양부를 판별하고자 하는 것이다.





사출시작에서 보압절환될 때까지의 사출시간이 너무 빨리 진행되면, #31 사출시간미달 에러가 발생되고, 역으로 사출시간이 너무 오래 걸리면 #30 사출시간초과 에러가 발생돼 사출이 중단되면서 한 사이클이 완료된 후 기계가 정지한다. 이때 생산된 제품은 불량처리한다. 



사출장치는 일반적으로 3개의 다른 스크류직경 중에 하나를 선택할 수 있다. 한 예로, 650 사출장치는 40, 45, 50㎜ 직경의 스크류 중에서 선택해 장착할 수 있다. 


적은 직경의 스크류는 사출압력이 높으나 이론사출용적과 사출율은 적어지고, 큰 직경의 스크류는 사출압력이 낮아지나 이론사출용적과 사출율은 커진다. 이를 사출압력선도라고하며 상기 그림과 같이 스크류직경에 따라서 노즐선단에 걸리는 이론사출압력(절대압력)이 바뀐다. 


따라서 스크류직경이 적은 것은 높은 사출압력을 필요로 하는 엔지니어링 플라스틱에 사용하고, 스크류직경이 큰 것은 사출율과 가소화율이 커지기에 속도로 사출을 요하는 시장제품에 선호한다. 


하지만 E사 사출성형기는 하나의 스크류직경으로 사출압력증가 여부를 선택할 수 있도록 설계돼 있어 2개의 스크류를 장착한 것과 동일한 효과를 낸다. 


즉 엔지니어링 플라스틱 같이 높은 압력을 요구하는 경우에는 사출압력 증가를 선택해야 하며, 고속사출을 원하는 경우에는 사출압력 증가를 선택하지 않으면 일반 압력에서 고속사출이 가능하다. 

사출압력증가

최대사출속도

최대사출압력- VC 650/40mm 스크류 장착 시

O

84mm/s

240bar(167bar)

X

112mm/s

1930bar(180bar)


사출속도 계산식

- 사출속도(/s) = 이론사출율(/s ) ÷ 스크류단면적() x 10

- 스크류스트로크() = 이론사출용적() ÷ 스크류단면적() x 10

- 스크류단면적() = 3.1416 x 스크류반경() x 스크류반경() 으로 계산한다.


성형불량의 종류


다음은 사출 성형 불량의 종류에 대한 몇 가지 사례를 확인해보려고 한다. 


▲월드 라인(Weld Line)


웰드 라인(Weld Line) : 웰드 라인은 낮은 금형온도나 용융수지 온도 혹은 낮은 사출속도 등의 이유로 발생하는 성형 불량. 


▲디젤 효과(Diesel Effect)


디젤 효과(Diesel Effect) : 밴팅 불량, 높은 사출속도 등의 이유로 발생하는 성형 불량. 


레코드판 효과(Record Groove Effect)


레코드판 효과(Record Groove Effect) : 낮은 용융수지온도나 금형벽온도, 낮은 사출속도 등의 이유로 발생하는 성형 불량. 


응력 균열과 백화(Stress Crack / Stress Whitening)


응력 균열과 백화(Stress Crack / Stress Whitening) : 낮은 보압, 금형온도나 수지온도의 이상 등의 이유로 발생하는 성형 불량.


▲미성형(Short Shot)


미성형(Short Shot) : 계량량 부족, 낮은 사출압력이나 사출속도 등의 이유로 발생하는 성형 불량.


플래시(Flash)


플래시(Flash) : 낮은 형체력, 늦은 보압절환이나 높은 보압 등의 이유로 발생하는 성형 불량. 

/서재창 기자(prmoed@hellot.net)

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