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.

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‌러너리스 금형

 

사출 금형에서 스프루와 러너는 용융된 수지를 캐비티 내부로 안내하는 유동기구이다. 그러나 이 스프루와 러너는 성형품을 얻기 위한 보조 수단일 뿐으로 매 사이클마다 성형품과 동시에 성형된다. 이것을 제품 취출 시에 제품과 분리하고 제품면을 마무리해야 하기 때문에 스크랩이 발생하게 된다. 러너리스 금형은 이러한 스프루 러너가 나오지 않도록 하는 금형을 말하는 것이다. 일반적으로 사출 금형에서 유동기구는 다음과 같이 구분한다.

게이트 : 게이트는 러너와 캐비티를 연결하는 중간 매체로서 성형할 제품의 캐비티에 용융수지를 충진하도록 안내하는 기능과 충진 완료 후 캐비티 내의 수지가 역류하는 것을 방지하는 역할을 하며 콜드러너와 핫러너에 반듯이 존재해야 하는 유동기구이다.

콜드러너 : 금형에서 일반적인 유동기구는 스프루 러너 게이트를 말하는데 이것이 제품과 같이 취출되어 나오면 콜드러너 금형이라고 하고, 이 때 나오는 유동기구를 냉각되어 제품과 같이 나온다 하여 ‘콜드러너’라고 부른다. 

핫러너 : 일반적으로 이런 유동기구가 생략되고 제품만 취출되는 금형 구조를 핫러너 금형 구조라고 한다. 여기서 핫러너는 유동기구를 뜨거운 상태로 유지해서 유동성을 확보하는 의미로서 ‘핫러너’라고 부른다. 

러너리스 금형(Runerless Mold)은 이와 같은 의미로서 러너가 없는 상태로 제품만 취출되는 구조의 금형을 말하며, 사출성형기의 노즐을 이용하여 용융 수지를 직접 캐비티에 충진하는 것을 말한다. 

이미 앞서 게이트와 콜드러너에 대해서는 다양한 사례를 들어 소개한 바 있으므로, 이번에는 2회에 걸쳐 러너리스를 중심으로 관련 기초 지식과 핫러너를 적용한 컴퓨터 해석 응용 지식을 공유하고자 한다.

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러너리스 금형의 종류

1. 익스텐션 노즐 금형 (Extention Nozzle)
성형기 노즐에서 직접 캐비티에 사출하는 방법으로 가장 간단한 러너리스 금형이라고 할 수 있다. 그림 1은 사출기의 노즐이 연장되어 금형의 게이트 부분까지 확장된 형태로서 하나의 게이트가 금형의 중심에 설치되어 있는 금형에만 적용할 수 있는 러너리스 금형이다.

그림 1. 익스텐션 노즐의 예

사출기의 연장 노즐 형태와 금형이 러너 없이 연결되어 있는 구조이다. 지금도 캐비티 압력이 높지 않고 단순 형태의 제품에 많이 사용된다.

2. 웰타입 노즐 금형 (Well Type)
성형기 노즐이 접촉되는 스프루의 접촉부에 용융 수지의 공간을 설치하여 용융 수지가 수지 자체의 단열성을 이용하여 스프루 중심부의 수지를 용융 상태로 유지하는 방법으로 익스텐션 노즐 금형을 응용한 형태의 간단한 러너리스 금형이다. 이것도 익스텐션 노즐과 마찬가지로 하나의 게이트가 금형의 중심에 설치되어 있는 금형에만 적용할 수 있다. 이와 같은 제품은 PP나 PE 등과 같은 범용 수지를 중심으로 사용되고 있다.

그림 2. 웰타입 노즐의 예

3. 인슈레이티드 러너 (Insulated Runner)
금형 형판에 스프루, 러너의 직경을 크게 설치하여 수지 자체의 단열성을 이용하여 수지가 흐르는 중심부를 용융 상태로 유지하는 방법이다. 극히 제한된 수지와 성형품에만 적용이 가능하다. 보조적으로 별도의 히터를 러너의 중심에 설치하는 경우가 있지만, 이는 이미 핫러너의 일종으로 보아야 할 것이다. 인슈레이티드 러너 시스템은 용융 수지를 이송하는 가장 오래되고 간단한 방법이다. 

이 시스템은 러너를 가열하지 않으면서도 러너의 단면을 콜드러너 금형이나 핫러너 금형의 러너보다 훨씬 크게 가공하여 제작한다. 사출기에서 사출된 수지는 이 러너를 통과할 때 러너 표면은 고화가 일어나고, 이것이 어느 정도 시간 동안은 단열 역할을 하게 되고 중심부는 용융 상태를 유지하게 된다. 중심부의 용융 수지가 고화되기 전에 다음 사이클이 진행되면 지속적으로 중심부의 용융 상태를 유지하면서 사출이 가능해진다. 

그러나 이 시스템은 일정 시간 이내에 다음 사이클이 진행되지 않으면 러너의 고화가 일어나고 사출이 불가능해진다. 이 경우 금형을 분해하여 러너 내의 고화된 수지를 제거하는 불편함이 있다. 사출 시에는 핫러너 금형에 비해서 훨씬 높은 사출압력이 필요하게 되는데, 이는 러너 내의 수지에서 열손실에 의해 고화층이 발생되고 중심부도 냉각이 서서히 진행되면서 사출 시 압력 손실이 크게 작용하기 때문이다. 사용할 수 있는 수지도 한정되는데, 주로 저밀도 폴리에틸린(LDPE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS) 등 일부 수지에서만 사용할 수 있다. 

현재는 거의 사용하지 않는 시스템으로 상대적으로 금형 제작비는 적게 드는 반면에, 수지 손실이 많아지고 정밀 성형에는 적합하지 않아 극히 일부의 제품에서만 적용되고 있다. 그림 3은 인슈레이티드 러너이다.

그림 3. 인슈레이티드 러너

보통 러너의 직경은 30mm 내외로 유지하여 내부의 용융 온도를 유지하고 사이클 타임을 30초 이내로 하여, 시간으로 인한 유동 수지의 고화를 최소화 하여 유동성을 확보한다. 이 때 필요하다면 러너부에 부분 히터를 두어 유동성을 유지할 수도 있다. 게이트 크기에도 여유를 두어 고화가 되지 않도록 하고 고화 수지가 유동부에 남지 않도록 해야 한다.

4. 핫러너 금형
오늘날에는 기술의 진보로 인하여 ‘러너리스 금형=핫러너’로 인식될 정도로 핫러너는 가장 광범위하게 사용되고 있는 러너리스 금형이다. 러너가 냉각 고화하는 것을 막기 위해 별도의 히터를 설치하여 사용하는 방식으로 싱글 게이트의 경우에는 금형 내에 핫러너 노즐(이하 노즐)만 설치되고, 다점 게이트 금형의 경우에는 일반적으로 매니폴드 블록과 노즐이 설치된다. 

다른 러너리스 금형과 달리 거의 모든 형태의 제품과 수지, 싱글 게이트나 다점 게이트 금형에 모두 적용할 수 있으며, 용융 온도를 정밀하게 제어할 수 있으므로 정밀한 제품의 성형이나 엔지니어링플라스틱 등의 수지에도 사용되고 있다.
그림 4는 원 캐비티 금형일 때 적용된 핫러너 시스템을 보여주고 있다.

그림 4. 원 캐비티 금형의 핫러너 시스템 구조

원 캐비티 금형은 간단하게 스프루만을 가열할 수 있는 노즐만 설치하면 핫러너 시스템을 구성할 수 있다. 이러한 노즐을 싱글 노즐이라고 부르는데 일반적으로 오픈 게이트 시스템을 채용하여 가장 간단한 핫러너 시스템을 구성하여 사용할 수 있으나, 최근에는 이러한 싱글 노즐에도 밸브 시스템을 채용하여 오픈 게이트 시스템의 문제점을 보완한 제품이 시판되고 있어 고품질의 원 캐비티 금형에 많이 채용되고 있다. 

그림 5는 멀티 캐비티 금형에 적용된 핫러너 시스템의 구조를 보여주고 있다.

그림 5. 멀티 캐비티에서 핫러너 시스템의 구조

성형기의 노즐에서 사출된 수지가 각 게이트까지 전달될 수 있도록 러너를 용융시켜 주는 매니폴드 블록이 설치되고 그 하단에 노즐을 조립한 구조이다.
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핫러너 금형의 장점

1. 원가적인 측면
(1)재료비 절감
스프루 러너만큼의 재료가 절감된다. 콜드러너일 경우 러너를 수거하여 러너를 재생하여 다시 사용해야 한다고 해도 수지에 따라 성형품에 적용해야 하는 혼합비율이 제한되어 폐기해야 하는 수지의 손실을 무시할 수 없다.

(2)성형 사이클 타임의 단축
콜드러너 시스템에서는 스프루, 러너는 일반적으로 제품부에 비해 고화 시간이 긴 것에 비해 핫러너 금형의 경우 캐비티만 충전하면 되므로 사출 시간 및 계량, 보압, 냉각, 형개폐 시간 등 성형 사이클의 거의 모든 프로세스의 시간 단축이 가능해진다.

2. 품질적인 측면
핫러너 시스템의 유로 내 수지는 항상 용융 상태를 유지하고 있으므로 사출 시 유로 내에서의 압력 손실이 콜드러너 금형에 비해 작아지게 되어 상대적으로 적은 사출압력으로도 캐비티 내의 사출이 가능해진다. 이러한 압력 손실을 최소화하면 이를 이용해서 캐비티를 늘리거나 혹은 제품 품질의 윈도 프로세스가 넓어져 품질 관리가 용이하다. 특히 밸브 핀 시스템의 경우 시퀀스 컨트롤을 통해 밸브 핀에 의한 게이트의 개폐 시간에 시차를 부여함으로써 웰드라인의 위치를 바꾸거나 발생하지 않도록 할 수 있게 되어 외관 개선에 유리한 점이 많아졌다.

3. 금형의 수명
핀 포인트 게이트를 채용한 콜드러너 금형에서는 3플레이트 방식의 금형을 채용하게 되고 스프루 러너를 취출해 내기 위해 러너 스트리퍼 플레이트의 반복적인 활동에 의해 금형의 수명이 단축될 수밖에 없는 구조적인 한계를 가지고 있으나, 핫러너 시스템은 이러한 스프루, 러너의 취출이 필요 없게 되어 금형의 수명도 연장시켜 주는 요인이 되기도 한다.

‌‌핫러너 시스템의 가열 방식

핫러너 시스템을 가열하는 방식은 크게 내부 가열 방식과 외부 가열 방식이 있다. 매니폴드 블록뿐 아니라 노즐에도 모두 내부 가열 방식과 외부 가열 방식을 적용할 수 있다. 현재 시판되고 있는 핫러너 시스템은 매니폴드 블록의 경우 거의 대부분이 외부 가열 방식을 채택하고 있고, 노즐의 경우에도 내부 가열 방식보다는 외부 가열 방식을 채택하여 사용하는 경우가 많다. 그림 6에서 (a)와 (b)는 내부 가열 방식이고, (c)는 외부 가열 방식을 도식적으로 나타내고 있다.

그림 6. 내부 가열 방식 (a), (b)와 외부 가열 방식 (c)의 개략도

1. 내부 가열 방식
내부 가열 방식은 유로의 중앙에 히터를 집어 넣어 유로 중앙의 히터의 열에 의해 바깥쪽에 형성된 유로 내의 수지를 용융시키는 방식이다. 내부 가열 방식의 경우 유로의 외벽에 수지 고화층이 생기게 되고, 이 수지 고화층이 단열의 역할도 하게 된다. 

유로는 히터 표면에서부터 용융된 일정한 두께만큼만 형성되게 되고, 용융된 수지의 온도 분포도 히터쪽은 고온이지만 바깥쪽으로 갈수록 저온이 되기 때문에 수지의 온도 편차에 의한 내부 응력이 발생하기 쉽게 된다. 이러한 온도 분포의 불균형은 사출압력의 손실을 유발할 수도 있어 대형 금형에 적용하기에는 어려움이 많다. 또한 유동 개선을 위해 히터의 온도를 올리면 국부적으로 과열이 발생할 수도 있다. 

또한 고화층이 유로보다 훨씬 두꺼운 층을 이루게 되어 수지의 색 교환이 많은 제품에는 적합하지 않을 수 있다. 그러나 비교적 구조가 간단하고 조립이 용이하며, 캐비티 간 피치를 최소화할 수 있기 때문에 소형 제품의 멀티 캐비티 금형에 사용하고 있으나 지금은 거의 사용되지 않고 있다.

2. 외부 가열 방식
외부 가열 방식은 매니폴드 블록의 유로 바깥쪽에 히터를 삽입하거나 매니폴드의 표면에 히터를 매립하여 유로에 용융된 수지가 일정한 온도를 유지할 수 있도록 하고, 노즐에는 노즐의 외곽에 히터를 삽입하거나 몰딩하여 온도를 유지할 수 있도록 하는 방식이다. 

외부 가열 방식의 경우 유로 내의 수지 온도가 일정하고 유로 내의 고화층이 발생하지 않으므로 내부 가열 방식에 비해 수지의 색 교환이 용이하지만, 블록이나 노즐 전체를 항상 일정한 온도를 유지할 수 있을 정도의 가열이 필요하므로 내부 가열 방식에 비해 큰 용량의 히터가 필요하게 된다. 외부 가열 방식에서 주의할 점은 히터가 바깥쪽에 구성되어 있어 금형과 조립되어 있는 부분을 통해 직접적으로 열이 금형 내로 옮겨질 가능성이 매우 높다. 

따라서 외부 가열 방식의 핫러너 시스템을 사용할 경우, 핫러너 시스템과 금형 간의 단열을 위한 공간을 충분히 설치해 주어야 하며 접촉부의 재질을 열전도가 나쁜 재질을 선정하여 사용해야 한다. 보통은 티타늄 재질의 인슐레이터를 사용하고, 그 접촉 면적을 최소화하여 열전달을 최소화한다. 이러한 점만 충분히 고려하여 제작되면 내부 가열 방식에 비해 많은 장점을 보이고 있기 때문에 현재 가장 일반적으로 사용되는 가열 방식이다.

 

‌‌매니폴드 블록

매니폴드 블록은 용융수지를 사출기의 노즐에서 공급받아 각 캐비티에 분배시키는 유로를 형성해 주는 기능을 한다. 노즐에서 유입되는 수지를 용융 상태로 유지시키는 가열 방식은 다음과 같은 방식이 있다. 

내부 가열 방식은 러너 내에 카트리지 히터를 삽입하여 수지를 직업 가열하는 방식으로 러너의 외벽 즉 금형면에 가까운 쪽으로는 고화층이 형성되고, 히터쪽 즉 러너의 중심으로 용융층이 형성된다. 여기서 형성된 고화층은 단열층 역할을 하게 된다. 

그러나 이러한 내부 가열 방식은 유로의 외벽에 형성된 이 고화층으로 인해 색 교환이 빈번한 제품에는 적합하지 않다. 또한 용융부의 수지도 단면 상의 위치를 따라 수지의 온도 분포가 일정하지 못해 압력 손실이 크게 일어나고 내부 응력이 발생되어 제품의 변형의 원인이 될 수 있어 대형 제품이나 고속 사출이 요구되는 제품, 박막 제품 등에는 사용하지 않는 것이 바람직하다. 그림 7은 내부 가열 방식을 사용한 핫러너 시스템이다.

그림 7. 내부 가열 방식을 사용한 핫러너 시스템

외부 가열 방식은 여러 가지 형태의 히터를 매니폴드 러너의 외부에 설치하여 러너 내부의 수지 온도를 지속적으로 유지하는 방법이다. 가열 방법에 따라 다음과 같은 히터가 사용된다. 매니폴드 중앙에 수지 유로를 형성하고 유로의 바깥쪽으로 적당한 간격으로 카트리지 히터를 삽입하여 사용한다. 이 방식은 비교적 간단하게 히터를 삽입할 수 있고, 히터의 단선이 발생되었을 때 교환이 용이하다. 

그러나 복잡한 형상을 갖는 매니폴드 블록에서는 히터의 배치가 용이하지 않고 대형 매니폴드 블록의 경우, 삽입할 수 있는 길이에 한계가 있어 길이 방향으로 히터를 배치하지 못하고 상하로 히터를 배치하여 사용하는 경우도 있으나 이러한 경우 배선이 복잡해지고 히터 단선 시에 히터의 교환이 용이하지 못하다는 단점이 있다.

카트리지 히터 사용 시에 매니폴드 블록의 히터 삽입 홀과 히터 사이에 간격이 발생하지 않도록 가공공차를 유지하는 것이 중요하다. 홀과 히터 사이의 갭이 발생할 경우 이 부분의 열전달이 현저히 저하되고 이로 인해 히터 열선에 과부하가 발생, 쉽게 단선되어 버리는 결과를 초래할 수 있다. 히터와 홀의 갭을 0.1mm 이내로 유지해 주어야 한다.

그림 8. 오픈 게이트 시스템

‌‌핫러너 게이트 시스템

핫러너 시스템에서 사용되는 게이트 시스템은 게이트 실링 방식에 따라 크게 오픈 게이트 시스템, 밸브 게이트 시스템으로 나누어진다. 오픈 게이트 시스템은 별도의 게이트 실링 장치가 없이 캐비티에 오픈된 게이트 시스템이고, 밸브 게이트 시스템은 기계적 장치에 의해 동작하는 밸브 핀이 게이트를 개폐할 수 있도록 노즐 유로의 중앙에 장치된 시스템이다. 

그 밖에 오픈 게이트 방식을 개선한 일렉트리컬 셧오프 방식이 있는데 이것은 게이트부에 별도의 팁을 갖는 구조로, 이 팁에 가열장치를 설치하여 사출 시에 팁을 가열하여 게이트부를 용융시켜 게이트를 열어주고 사출이 끝나면 팁 가열을 중지하여 게이트부를 고화시켜 제품 취출 시에 게이트 끊김이 양호해지도록 하는 방식이다. 표 1은 오픈 게이트와 밸브 게이트를 비교한 것이다.

표 1. 오픈 게이트와 밸브 게이트의 장단점

1. 오픈 게이트 시스템
오픈 게이트 시스템은 별도의 게이트 실링 장치가 없이 캐비티에 오픈된 게이트 시스템이다. 이는 가열 히터와 게이트부의 냉각에 의한 열균형에 의해 취출 시에 단 상태를 결정한다. 사출 시에 유동성이 유지되어 게이트가 열린 상태에 있다가 사출이 끝난 뒤에 유동성이 떨어지면 게이트부 냉각에 의한 열균형으로 취출 시 절단 상태 및 게이트 실링 상태가 결정된다.

게이트 직경을 크게 할 수 없고, 일정한 수준 이하의 크기를 넘지 않아야 한다. 그렇지 않으면 오픈된 게이트를 통해 수지가 새어 나오는 Drooling 현상이 발생될 수 있다. 따라서 고압 사출이 요구되는 제품의 경우 러너 내에 잔류하는 압력으로 인한 수지의 흐름과 이에 따른 게이트 자국 발생 등의 트러블이 발생할 수 있다. 

오픈 게이트에서 특히 주의해야 할 사항은 사출 후 수지가 새는 현상을 막기 위해 주로 조절하는 사출성형의 공정인 석백(Suck Back)을 사용하게 되는데 이는 사출 시에 생성된   금형 내의 압력을 가급적 해제하기 위한 공정으로, 이를 제대로 적용할 수 있는 러너의 구성과 배치 설계가 필요하다. 따라서 사출기 노즐에서부터 게이트에 이르는 통로가 압력 손실이 최소한으로 유지되도록 해야 하며, 각각 노즐에서부터 같은 거리에 배치되도록 해야 한다.

2. 오픈 게이트의 종류
오픈 게이트는 표 2에 나타난 것처럼 다양한 게이트 구조를 응용하여 사용할 수 있으며, 각 타입별 특징과 적용 및 효과 사례를 보여주고 있다.

표 2. 각 타입별 특징과 적용 및 효과

박균명 _ 공학박사, 금형기술사