[사출금형 성형 기술 실무 1] 컴퓨터 해석을 기반으로 하는 사출금형 설계
[사출금형 성형 기술 실무 1] 사출성형의 핵심, 유동해석 기술
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
