이 연재는 컴퓨터 해석을 기반으로 하는 사출금형 설계의 핵심 기술인 유동시스템 설계를 중심으로 사례를 들어 설명하고, 요소 기술의 특성들을 분석하여 설계자에게 관련 기술 정보를 제공하고자 한다. 사출성형 기술은 유체 성질에 관한 이론적 배경을 근거로 사출성형의 다양한 파라미터의 특성을 분석하여 성형기술자에게 유익한 정보를 제공할 것이다.

 

금형산업의 당면 과제는 글로벌 경쟁에서 이길 수 있는 기술 경쟁력이다. 경쟁력은 설계 기술에 달려 있음은 두 말할 것도 없다. 실력 있는 설계자는 금형의 구조, 소재, 요소 기술, 가공 기술, 성형 기술의 지식 능력을 가지고 있다. 금형 제작에 필요한 부품을 구매하는 담당자, 기계 가공하는 기술자, 사출성형 담당자, 품질관리 책임자도 설계자와 연결되어 있다. 이런 체계는 앞으로 더욱 심화될 것으로 예상된다.

 

독일의 프라운호퍼(WZL/Fraunhofer IPT)의 보고서는 유럽의 기업 혁신 프로그램에 참여하고 있는 10대 기업을 중심으로 흥미로운 조사한 결과를 담고 있다. 그림 1은 금형 제조 공장의 인력 운용 사례를 도식적으로 보여주고 있다. 이런 패턴은 미래에 우리 금형업체가 어떻게 변신해야 할지를 보여주는 한 예가 될 수 있다.

 

 

첫 번째는 개발과 설계 과정에서 기업의 노하우와 설계 영역의 인력 배치가 증가하고 있고, 두 번째는 첨단화된 제조 컨셉을 적용하기 위한 작업 준비에 인력이 늘어나고, 세 번째는 자동화된 제조 설비의 인력은 감소하고 있다. 네 번째로 조립 공정과 시험 생산에서는 성장과 전문화을 위해 인력 배치가 강화되고 있다. 

기업 성장을 위한 협업 체계에서 개발과 설계에 인력과 시간과 자원을 더 투자하는 추세이며, 이것은 곧 기업의 경쟁력과 직결되고 있음을 보여주고 있다. 즉, 금형 제조를 위해 여러 협력업체들과 함께 서로 융합하고 공존하여 상생하겠다는 의지와 노력이 담겨 있다고 볼 수 있다.

그림 1. 선진 금형 제조산업의 인력 배치 변화

이 글은 매 회마다 주제가 있으며, 각 주제마다 경험과 지식을 제시할 때 과학적 근거를 바탕으로 작성할 것이다. 과학적 근거로는 첫 번째로 과학적 사고를 통해 문제의 원인을 찾아내고 최상의 결과값에 도달하기 위한 품질관리 기법을 도입한다. 두 번째로는 무결점을 지향하는 Design for Six Sigma(DFSS) 기법을 적용하여 문제 해결 논리를 제시하고, 세 번째로는 사출성형 이론을 근거로 금형의 유동시스템을 설계하는 것과 수지 거동 현상과의 상관관계 그리고 사출성형에 활용할 수 있는 지식을 제공한다.

1:10:100 규칙

금형 설계는 금형 제조의 총원가 구성 요소 중 가장 적은 부문을 차지하지만 총비용에 미치는 영향은 매우 크다. 수많은 연구에 의하면 제품의 총비용 중 약 70~80%가 설계에 의해 결정된다고 한다.

 

마이켈 헤리와 슈뢰더는 인건비나 제조간접비를 30% 절감할 경우 총비용은 1.5% 절감되는 반면, 설계 단순화를 30%만 개선해도 총원가의 21%를 절감할 수 있다고 한다.

그림 2. Sullivan Curve

그림 2는 6시그마에 나오는 Sullivan Curve이다. 금형 제작이나 사출성형에서 설계 단계의 중요성을 도식적으로 표현한 것으로 설계 단계가 그만큼 중요하다는 것을 보여준다. 특히 제품의 설계 단계에서 결함이 발견되어 수정하는데 드는 비용이 ‘1’이라면, 제조한 후 출하 검사 단계에서 결함이 발견되어 재작업을 거치게 되는 비용은 ‘10’으로 뛰어오르게 된다. 더구나 시장으로 출하되어 고객이 사용하는 단계에서 발견되면 ‘100’배로 비용이 증가하게 된다. 이와 같이 설계 단계와 검사 단계 그리고 고객 단계의 품질 비용의 증가를 ‘1:10:100의 규칙’이라고 한다.

 

• ‌설계 단계에서 제품의 결함이 발견되어 수정하는데 드는 비용 : ‘1’
• ‌출하 검사 단계에서 결함이 발견되어 수정하는데 드는 비용 : ‘10’
• ‌고객 사용 단계에서 결함이 발견되어 수정하는데 드는 비용 : ‘100’

 

이러한 사실에 주의하여 실천하기를 바란다. 설계는 무상이고 금형만 있으면 되는 것이 아닌가 하는 생각이야말로 얼마나 어리석은지 간과해서는 안 된다.

 

앞으로는 Soft Power가 기술을 지배하게 될 것이다. 아무리 비싼 프로그램을 설치해 두었더라도 사용할 줄 모르면 무용지물이고 폐타이어만도 못하다. 우리 금형산업도 엔지니어링 파워를 갖추어야 한다. 필요한 지식을 가르치고 활용할 지식을 가르쳐야 한다. 이 글이 금형을 배우고 성형기술을 배우고자 하는 모든 이들에게 조금이나마 길잡이가 될 수 있기를 기대한다.

DFSS(Design for Six Sigma) 활용

금형 설계는 원가, 신뢰도, 품질 및 궁극적으로 고객 만족도를 결정하며, 결정적으로 품질 문제의 80%는 설계 과정에서 발생하고 있다. 또한 품질 변동의 대부분은 설계 시 고객의 요구 조건을 확실히 정의하지 못하거나 품질 및 공차를 과학적으로 설정하지 않은 경우와 설계 조건이 공정 능력과 일치하지 않는 경우에 발생한다.

 

금형 설계나 사출성형에서 공급자의 능력이나 공정 관리도 중요하지만, 사출성형 과정에서는 금형 설계에 의해 제작된 금형을 개선하기 위해서는 추가적인 시간과 비용이 수반될 수밖에 없다. 설계가 적절하지 못하면 최상의 결과 대신에 차선의 결과만 얻을 수 있다. 따라서 성형품 및 품질 서비스가 무결점 6시그마 품질 수준을 달성하기 위해서는 제품 개발부터 생산에 이르기까지 최소 변동으로 설계되어야 한다.

 

이를 위해 DFSS는 처음부터 발주자의 기대를 충족시킬 수 있도록 금형 및 성형을 설계하는 엄격한 방법이다. 특히 DFSS는 자원을 능률적으로 사용하고 복잡성과 수량에 상관없이 높은 수율을 얻고, 프로세스 변동이 발생하지 않는 강건한 프로세스가 가능하도록 하기 위한 것이다.

 

이 글을 통해 무결점을 지향하는 6시그마 설계 방법을 사출금형의 유동기구 설계와 사출성형의 성형 조건 최적화에 적용하여 제시하고자 한다. 그림 3은 DFSS의 DIDOV 방식으로 주로 설계 영역에서 적용하는 방식이다. 여기에는 3D CAD, 유동해석, 통계분석 프로그램 등의 도구가 사용된다.

그림 3. 사출성형 최적화 DIDOV 방식

품질 관리

특성요인도(Cause & Effect Diagram)는 제공하는 원인에 따라 결과에 어떤 영향을 미치는가를 나타내는 그림이다. 일명 어골도(Fish-Bone Diagram)라고도 한다. 특성요인도를 작성하기 위해서는 우선적으로 그 분야에 종사하는 사람들로부터 VOC를 수집하는 단계가 필요하다. 그리고 브레인 스토밍을 통해 주 원인과 상세 원인을 분류하여 작성한다.

그림 4. 성형품 품질특성 특성요인도

아래의 그림 4는 사출성형을 위한 특성요인도이다. 고품질 제품을 얻기 위해서는 수지특성, 사출기 제원, 사출 공정, 성형품 정보, 금형특성 등을 주 원인으로 정하고 주 원인에 영향을 미치는 상세 원인을 찾아 정리해야 한다. 앞으로 대부분의 요인들은 아래 빨강색 항목의 변수들이 원인변수(X’s)로 작용하게 된다.

 

사출성형에 있어 품질특성(Y’s)은 현재 수준을 말한다. 발주자의 요구에 따라 이미 정해진 값이다. 품질특성을 충족시키기 위해서는 품질에 영향을 미치는 잠재적인 원인변수(X’s)을 찾아 품질특성(Y’s)를 최적화시키는 툴로 사용하기에 적합하고 다음과 같은 함수로 나타낸다.

Y = ?(?1, ?2,…,  ?k)

최적 사출성형 조건은 최고의 품질특성(Y’s)을 구현하는 것이고, 금형 설계기술자와 사출성형 기술자에게 최고의 목표이기도 하다. 사출성형에서 고품질 제품을 얻기 위한 최적 성형 조건은 매우 중요한 성형 인자로 이루어져 있다. 성형 조건은 수지특성, 온도, 압력, 시간, 속도의 요소에서 설정되며, 성형 사이클과 성형품의 외관, 품질, 치수정밀도, 생산성과 밀접한 관계가 있다. 이것은 수지특성, 금형 설계, 성형품의 디자인 등과도 긴밀한 상관관계가 있어 품질특성을 고려한 최적 성형 조건은 사출성형 기술의 핵심 요소이다.

 

유체 유동

 

오늘날 플라스틱 유동해석 기술은 플라스틱 성형 기술에 있어서는 필수품이 되었다. 유동해석은 용융된 수지가 금형에 충전되는 과정 중의 거동에 관한 것을  유한요소법으로 계산하고, 유체 유동의 거동 결과를 컴퓨터 화면을 통해 확인하고 진단 분석하여 처방하는 도구이다. 계산은 컴퓨터에서 하지만, 진단하고 분석하여 최적의 해법을 제시하는 것은 전문가의 몫이다. 앞으로의 내용들은 유동해석을 기반으로 과학적 해결 방법의 배경으로 사용되며, 문제가 발생하기 전에 미리 전산모사를 통해 해법을 제시하는 지식을 제공하게 된다.

 

고체 상태에서 용융된 상태로 상태를 변화시켜 제품을 만들어내는 사출성형 기술은 성형품의 특성상 기본적으로 어떻게 성형되느냐에 따라 다르게 나타난다. 똑같은 치수, 같은 재료로 된 두 개의 성형품일지라도 각기 다른 조건 하에서 성형된다면 서로 다른 응력 및 수축 크기로 서로 다른 성형품이 된다. 따라서 이것은 두 성형품의 품질을 결정하는 아주 중요한 요인이 된다. 전산모사를 통해 제품 생산 전에 금형 캐비티 내의 압력, 온도, 응력을 예측할 수 있다는 것은 충전 과정을 확실히 해석할 수 있고 고품질의 제품을 생산할 수 있다는 것이다.

그림 5. 사출성형 공정 및 압력 강하

사출성형 과정은 복잡하지만 크게 구분하여 충전 단계, 가압 단계, 보압 단계의 3단계로 나눌 수 있으며 그림 5에 나타난 것처럼 실린더 노즐부에서 가해진 압력으로 유입된 수지가 캐비티 끝단에서 급격히 떨어지는 압력 강하를 도식적으로 보여주고 있다. 대부분의 노즐에서 캐비티까지 사이에 일어나는 압력 강하를 압력센서를 부착하지 않는 한 전혀 확인할 수 없고 예측할 수 없는 것이 현실이다. 적어도 캐비티 내에서 일어나는 압력 강하를 비례적으로 유추해 볼 수 있는 근거가 된다.

 

(1) 충전 단계 (Filling Phase)
사출기의 스크류가 전진함에 따라 처음에는 금형의 캐비티 내로 수지가 유입된다. 이 단계를 충전 단계라고 하며 수지가 금형의 캐비티에 채워질 때까지 지속된다.

 

(2) 가압 단계 (Pressurisation Phase)
스크류가 더욱 전진하여 금형의 캐비티에 압력이 가해지는 단계를 가압 단계라고 한다. 캐비티가 충전되면 속도는 감소되며 계속 천천히 전진한다. 이것은 수지가 압축성의 재료이기 때문이며, 이로써 충전 단계에서 수지를 추가로 15%만큼 더 캐비티 내로 밀어 넣을 수 있다. 수지의 압축성은 노즐을 막은 후 스크류를 전진시키면 확인할 수 있다. 스크류는 압력이 가해질 때 앞으로 신속히 전진하지만 압력을 제거하면 스프링 백(Spring Back) 현상으로 인해 뒤로 밀려난다.

 

(3) 보압 단계 (Compensating Phase)
가압 단계 이후에도 스크류는 완전히 정지하지 않고 한동안 천천히 계속해서 전진한다. 일반적으로 수지는 용융 상태에서 고체 상태로 될 때 약 25%의 체적 변화가 생긴다. 이와 같은 현상은 심한 요철이 생긴다. 이때 캐비티와 성형품의 체적 차이는 상기의 체적 변화 때문이다. 이 단계를 보압 단계라고 하며 상기와 같은 체적 차이를 보상하기 위한 것이다. 성형품의 체적 변화는 일반적으로 25%인데 비하여, 압축 단계에서는 15%만을 압축하므로 항상 보압 단계가 필요하다.

성형 공정

사출성형은 플라스틱(열경화성 수지, 열가소성 수지)을 원하는 형태의 성형품으로 만드는 성형 기술이다. 성형품은 사출기에서 수지를 용융시켜 금형 캐비티 안으로 강제로 주입시켜 용융수지를 고화시켜서 만든다. 금형은 설계된 도면에 따라 생산하고자 하는 성형품과 똑같은 형태로 가공한 성형상의 모체가 된다.

그림 6. 결정성 수지와 비결정 수지의 게이트 주변 온도 변화 성형 조건 도식화

아래 8단계를 사출성형 공정 1사이클이라고 하는데, 그림 6은 1사이클 시간 동안 이루어지는 과정을 도식적으로 표현한 것이다. 열가소성 수지의 비결정성 수지와 결정성 수지를 게이트의 온도와 사출압력으로 표시했다.

 

① ‌재료에 흡입된 수분을 제거하기 위해 재료를 1차 건조시킨 다음 사출성형기에 부착되어 있는 재료받이실인 호퍼에 채워지고, 사출기의 실린더 내에 있는 사출스크루의 회전에 의해 원재료는 호퍼의 밑 부분에 있는 것부터 실린더 내로 유입되어 가소화된다. 이때 실린더는 외부가 히터로 감겨져 있어 유입된 재료는 가열 용융되어 유동성을 갖는다.

 

② ‌사출성형기의 노즐부(고정측 체결부)에 금형의 상형이 체결되고 이젝터부(가동측 체결부)에 금형의 하형이 체결되어진 상태에서, 사출기의 가동측이 고정측 방향으로 이동함으로써 금형의 하형과 상형이 닫힌다. 이때 금형이 강한 사출압에 열리지 않도록 강한 조임력으로 금형이 닫혀져야 한다.

 

③ ‌금형의 상형 부위 유동 부분의 시작점인 스프루에 사출기의 노즐을 접촉시키고 난 다음, 유압실린더로 사출스크루를 전진시켜 가열실린더 안에 있는 수지를, 금형의 유동 부위를 거쳐 캐비티 내에 완전하게 골고루 충전되도록 높은 압력으로 사출한다. 이때 강한 사출압에 의해 금형이 열리지 않도록 강한 클램핑력이 금형에 작용해야 한다. 그렇지 않으면 금형이 열려 제품의 열림면에 플래시가 발생한다.

 

④ ‌금형 안에 충전된 플라스틱은 제품을 고화시키기 위해 금형을 냉각시키는 공정에 의해 수축된다. 캐비티 안에서 플라스틱이 수축될 경우 제품의 품질(치수정밀도 및 외관)이 저하되므로 이것을 방지하기 위해 고화되지 않은 상태에서 사출압을 계속 유지해 준다. 이것을 보압이라고 한다. 이렇게 하면 재료가 수축되어 캐비티에 공간이 생긴 부위에 원재료를 더 보충할 수 있게 되어 품질 저하를 막을 수 있게 된다. 

또한 강한 압력으로 사출을 하였기 때문에 강력한 압력으로 뒤에서 바쳐주지 않으면 원재료가 역류하여 밖으로 흘러나올 수 있다. 이 두 가지를 위해 필요한 공정이 보압 공정이며, 이 공정은 게이트가 굳어 원재료가 흘러나오지 않거나 보충할 수 없을 때까지 지속된다.

 

⑤ ‌금형을 냉각시켜 제품이 고화되는 동안 사출실린더 내의 사출스크루는 유압 모터에 의해 회전되면서 호퍼로부터 재료를 공급받아 스크루의 산 사이를 통해 노즐 쪽으로 보낸다. 이때 재료는 실린더 벽면과의 사이에 압축되어 마찰되므로 열이 발생하고, 밴드히터에 의해 가열되므로 용융되어 앞부분인 노즐 쪽으로 이동된다. 노즐 부분인 앞부분에 원재료가 계속 채워지고 스크루는 수지 계량을 위해 설치한 리미트 스위치를 누를 때까지 후진한다.

 

⑥ ‌사출기의 가소화 작업이 끝난 후 사출기의 노즐이 뒤로 후퇴하고 금형이 열린다.

 

⑦ ‌금형이 열린 후 사출기의 가동측 부위에 설치되어 있는 이젝터 봉이 유압실린더의 작동에 의해 앞으로 전진하여 금형에 설치되어 있는 이젝터 봉을 앞으로 전진시켜 이젝터 판을 밀고 이젝터 핀이 제품을 밀어내어 취출시킨다.

 

⑧ ‌다시 금형이 닫힌다. 이러한 공정을 계속 반복하는 것이 성형 공정의 원리이며 ①~⑧까지 각 공정이 수행된 것을 1사이클이라고 한다. 

박균명 박사 _ 한국생산기술연구원 금형기술센터