[사출금형 성형 기술 실무 1] 다수 캐비티 러너 밸런스
이번 연재는 컴퓨터 해석을 기반으로 하는 사출금형 설계의 핵심 기술인 유동시스템 설계를 중심으로 사례를 들어 설명하고, 요소 기술의 특성들을 분석하여 설계자들에게 관련 기술 정보를 제공하고자 한다. 사출성형 기술은 유체 성질에 관한 이론적 배경을 근거로 사출성형의 다양한 파라미터의 특성을 분석하여 성형기술자에게 유익한 정보를 제공할 것이다.
다수 캐비티 러너 밸런스
지난 회에서는 사례로 독립된 캐비티가 다수일 때 ‘일자’형과 ‘H’형의 러너 밸런스를 고찰했다. 이번에는 멀티 캐비티로서 다수 게이트가 요구되는 제품 성형의 경우를 고찰하고자 한다. 여기서는 Knob Push Preset을 일체형으로 성형하는 것으로, 성형품의 형상이 조금씩 상이한 편이다. 일체형으로 되어 있어 동작 기능에는 인근 Knob Push Preset에 영향이 미치지 않도록 레이아웃 설계를 했고, 대량 생산에 필요한 금형과 성형 기술이 관건이 된 제품이다.
러너의 형태를 ‘일자’형과 ‘H’형 중심으로 분석하고, 이를 토대로 러너의 형상과 배열의 중요성을 고찰해 보기로 한다.
그림 1은 ‘일자’형 러너 레이아웃이며, 성형품은 7개로 구성된 것으로 Shot당 28개의 제품이 성형되도록 설계됐다.
그림 1 ‘일자’형 러너 레이아웃
1차 러너는 Occurrence number가 2이고, 2차 러너는 Occurrence number를 4로 세팅했다. Occurrence number는 해석 시간을 줄이고 성형품 28개를 해석한 결과와 동일한 결과를 얻기 위한 과정이다. 러너 임의 직경은 1차 2차 공히 6mm를 input 데이터로 했으며, 6mm는 경험에 의한 임의의 크기이다.
해석 과정에서 해석 결과에 따라 러너 직경의 유연성 구속 여부를 가지고 경우의 해석으로 유동 패턴을 검증했다. 그림 2의 (a)는 첫 번째 사례로 1차 러너와 2차 러너가 고정된 사례이며, (b)는 두 번째 사례로 1차 러너 는 고정하고 2차 러너는 구속하지 않았다.
그림 2. ‘일자’형 러너 해석 결과
(c)는 세 번째 사례로 1차 러너는 구속하고(2mm~8mm) 2차 러너는 구속하지 않은 사례이며, (d)는 네 번째 사례로 1차 러너와 2차 러너를 구속하지 않았다. 해석 기본 입력 조건은 금형 온도 60도, 수지 용융 온도 240도, 사출 시간은 1.0s, 압력 V/P는 99%이다. 러너 밸런스의 목표 압력은 50MPa를 기준으로 가공 허용공차는 0.01mm, 시간 허용공차 5%, 압력 허용공차 5MPa로 했다.
해석 결과를 바탕으로 1차 러너와 2차 러너가 성형품에 어떤 영향을 미치고 어떤 형상으로 변화되고 유동 특성을 갖게 되는지를 살펴보고자 한다. (a)의 경우는 그야말로 임의의 러너 직경 값을 부여하고 계산한 결과이다. 러너와 스프루 중량은 28.92g이며, 사출 압력은 56.85MPa이다. 캐비티에 충진되는 속도는 스프루에서 먼 곳에 있는 캐비티가 먼저 충진되는 것을 확인할 수 있다. 이것은 지난 회에서 소개한 유체의 성질 때문이다. 동일한 러너 직경에 일정한 압력을 주었을 때 일정한 양이 통과하기 때문이다. 유체의 성질에 대한 기본 지식은 다음에 다루고자 한다.
(b)의 경우는 1차 러너는 6mm로 고정하고 2차 러너를 50MPa의 압력으로 충진하는 조건이다. 러너와 스프루 중량은 21.32g이고, (a)에 비해 러너 중량이 약 33% 줄어들었으며 상대적으로 2차 러너의 직경이 작아지므로 사출 압력은 약 11% 정도 증가했다.
(c)의 경우는 1차 러너는 구속(2mm~8mm)하고 2차 러너 직경을 구속하지 않은 해석 결과이다. 러너의 직경을 살펴보면, 1차 러너의 최대 크기로 나타난 부위가 D4 부위로 8.52mm이고, 최소 크기는 D1 부위로 4.43mm이다. 러너 스프루 중량은 27.44g, 압력은 69.9MPa로 (b)보다 증가했다.
(d)는 1차 러너와 2차 러너 직경을 구속하지 않고 주어진 압력에 따라 러너의 치수를 자동으로 계산하도록 해석했다. 러너 스프루 중량은 해석 (a)보다 약 44%를 줄일 수 있었다. 사출 압력과 속도는 먼 곳인 경우 압력이 낮아지고 속도는 빨라지는 연속방정식을 따르고 있다. 해석 (d)의 사례는 러너 레이아웃으로 설계할 경우 가장 이상적인 러너 밸런스 결과를 얻을 수 있으나 기계가공 등 현실적인 어려움이 있을 것이다.
최적의 러너 레이아웃 구현은 설계자의 경험과 지식에 근거하여 판단하는 것이 현실적인 대안이다. 만약 위의 4가지 경우 중에 하나를 구상하고 있다면, 설계 적용 여부를 신속하게 판단하는데 도움이 될 것이다.
표 1. 타입별 해석 결과 값
표 2. 1차 러너의 직경
표 3. 2차 러너의 직경
지금까지 러너 밸런스에 대하여 여러 사례를 중심으로 분석하고 검증한 결과를 제시했지만, 설계자에게 속 시원한 해답을 제시할 수 없어 아쉬움이 남는다. 제품마다 특성이 다르고 크기도 다르기 때문에 ‘이것이 최상이다’라는 정답을 제시하는 것은 어떻게 보면 무모한 시도일지도 모른다. 추가로 그림 3과 그림 4를 제시하고자 한다. 러너 밸런스를 위한 판단 기준에 도움이 될 수 있기를 바란다.
그림 3. 오리지널 러너 레이아웃
그림 4. Runner Wizard를 활용한 러너 레이아웃
그림 3은 다년간 금형 설계 경험을 가진 전문가가 설계한 오리지널 금형 레이아웃이다. 물론 금형 제작을 완료하여 생산했던 제품이다. 계속되는 생산 제품의 트러블로 인해 러너의 중요성을 공감하기 위해 본 제품을 사례로 공유하고자 한다. Fine Element는 Dual Mesh와 3D Mesh의 두 가지 타입으로 검증했다. Dual Mesh는 66,584 Elements이고, 3D Mesh는 987,399 Elements이다. 여러 형태의 러너 레이아웃을 전사모사로 분석한 진단 결과는 오리지널 금형 레이아웃은 근본적으로 수정해야 한다는 것이다. 당초 설계된 레이아웃은 미성형부가 발생하여 주된 불량 원인이 되고 있다. 이른바 1차 러너와 ‘A’ 부위가 직접 연결되어 있다 할지라도 용융 수지는 결코 가운데부터 먼저 채워지지 않는다는 사실을 간과한 대표적인 레이아웃 설계이다. 이것은 설계자에게 제공되는 중요한 팁이 될 수 있다. 지금 당장은 금형을 재제작 할 수 없는 형편이라 성형 조건을 개선하여 보압 시간을 0.5초 늘리고, 전체 사이클 타임을 당초 50초에서 35초로 단축하여 생산은 중단하지 않고 진행했던 사례이다.
위의 러너 레이아웃을 조정하고 변경하려면 그림 2와 같은 다양한 적용 방법이 있다. 러너 레이아웃을 설계하기 위해서는 해석 프로그램에서 제공하는 기능을 활용하는 방법이 있다. 그림 4는 Knob Push Preset를 runner wizard를 이용하여 얻은 레이아웃이다. 본 runner wizard는 레이아웃 체적 설계를 위한 좋은 모듈이라 생각된다. 아쉬운 것은 러너의 직경을 제공하지 않고 설계자가 입력하는 것이다. 그리고 1차 러너와 2차 러너로 연결되는 분기점에서 러너의 크기가 만들어질 때 설계자의 임의로 조정할 수 없는 것과 러너의 직경이 다스려지지 않는다는 아쉬움이 있다.
예를 들면, 1차 러너의 분기점에서 2차 러너의 분기점의 간격 치수이다. 실질적으로 이젝터 구멍이나 냉각라인, 슬라이드 코어 같은 간섭 부위가 나타나지 않는다면 러너 직경의 1.5D 정도면 좋다. 그림 4에서 나타난 1차와 2차의 분기점 거리가 35mm인 것은 금형의 크기와 금형의 최적화에는 장애 요인으로 작용할 수 있다. 당초 스프루 위치는 원점에서 중심 위치가 -50mm까지 이동해야 하므로 최소한 금형의 크기는 한쪽 방향으로 100mm는 커져야 한다. 분기점 간의 간격을 가능한 줄이려 할 때 두 가지 트러블이 생기는 것을 확인할 수 있으며, 그림 4의 ‘a’ 부를 유심히 살펴볼 필요가 있다. 하나는 러너의 직경이 바뀌지 않기 때문에 러너 간에 겹치는 것과 또 다른 하나는 전혀 다른 모양으로 생성된다는 것이다.
본 과정을 검증하며 얻은 결론은 가능한 한 러너 밸런스는 균등하게 배치하는 것이 중요하다는 것이다. 금형 설계자는 설계의 기본을 잘 지키면 아주 적합한 캐비티 레이아웃은 물론이고, 금형 설계 전문가로서 설계를 잘할 수 있을 것으로 기대한다.
박균명 공학박사 금형기술사
