[사출금형 성형 기술 실무(9)]  러너리스 금형
[사출금형 성형 기술 실무(9)]  핫러너 시스템의 가열 방식

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.

박균명 _ 공학박사, 금형기술사