[사출금형 성형 기술 실무 2] 러너의 형상 및 특징, 설계
[사출금형 성형 기술 실무 2] 러너 분석 결과와 레이아웃
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.
러너 시스템
사출금형은 플라스틱 성형품을 생산하기 위한 필수도구이다. 성형품의 형상을 가지고 있는 것을 캐비티라고 한다. 캐비티에 용융된 수지를 안내해 주는 역할을 하는 것을 러너(Runner)라고 한다. 러너의 크기와 범주는 각종 플라스틱 종류와 특성에 따라 다르다.
플라스틱 재료에 따라 비열, 열전도율, 점도 등이 각각 다르기 때문이다. 러너의 특징은 제품 성형을 위해 용융수지를 안내하는 통로 역할이지 우리가 얻고자 하는 제품은 아니다.
그러나 러너의 크기는 제품의 품질과 플라스틱 재료비, 기업의 수익성과 매우 밀접한 관계를 가지고 있다. 열가소성 수지는 성형 후 러너와 스프루에 대한 재활용이 가능하여 그나마 재료 손실을 최소한 보상할 수 있지만, 열경화성 수지는 재활용 자체가 안 되기 때문에 스프루와 러너의 최적화는 매우 중요한 관심사이다. 그러므로 최적화된 러너 치수 설계는 매우 중요하다.
CAE(Computer Aided Engineering)는 컴퓨터를 이용한 공학적 해석을 의미하는 것으로, CAD로 작성된 형상을 컴퓨터 내에서 상세히 검토하여 그 데이터를 토대로 기계적 성질을 확보하고 원하는 형상으로 최적화하는 도구이다. 즉 CAE는 가상공간에서 전사모사를 통해 제품의 성능이나 특성, 야기될 문제점을 금형 제작 전에 미리 예측하여 시행착오를 최소화하고 개발 기간의 단축, 공정 비용 절감 등을 실현하는데 유용한 도구이다.
그림 1은 앞으로 다룰 사출성형 시에 발생하는 사출압력 변화를 도식적으로 표현한 것으로, 이번 회에서는 러너를 중심으로 러너의 형상과 특징, 설계 시 고려할 사항, CAE 해석 상에서 나타나는 거동 현상 등을 분석하고자 한다. 즉, 러너에서 일어나는 다양한 물리적인 현상을 유체의 성질과 컴퓨터 해석(CAE)을 통해 관련 지식을 습득하고자 한다.
그림 1. 사출압력선도
러너의 형상 및 특징
러너의 형상은 제품의 형상과 설계 위치에 따라 여러 가지 형태를 적용할 수 있다. 금형 설계 시에 어떤 형상인지 인지하고 적용하는 것은 매우 중요하다. 그림 2에 나타낸 바와 같이 여기서는 보편적으로 많이 사용하고 있는 원형, U형, 사다리꼴형 등 3가지 형상을 중심으로 다루고자 한다.
우선 원형 형상 러너는 작은 단면인 반면, 중심에 이르는 냉각속도가 늦고 낮은 열과 마찰손실을 최소화할 수 있어 다른 러너 형상에 비해 우수하다. 더구나 효과적인 packing & Holding 압력을 전달할 수 있고 수지 손실을 최소화하여 경제적인 러너 형상을 많이 적용하고 있다. 다만, 파팅라인을 중심으로 가동측과 고정측에 각각의 반원형 형상으로 가공하고 형상 모서리가 눌리지 않도록 관리해야 한다.
러너 직경은 성형품의 최고 두꺼운 부분을 기준으로 1.5mm를 더하여 사용하고 있으나, 성형품의 크기, 러너의 길이, 수지별 특성에 따라 계산하여 크기를 결정한다. 러너 직경은 러너 직경 구하기에서 소개하기로 한다.
두번째 U형 러너는 러너 형상을 가동측 한쪽에만 만드는 것으로, 볼 엔드밀을 이용하여 가공한다. 원형 가공에 비해 공구경로를 이용하여 가공해야 하므로 다소 제작 공수가 늘어나지만, 러너로서는 가장 적합한 단면 형상으로 유동성이 우수한 장점이 있다. U형 형상은 원형 단면에 비해 열손실과 스크랩이 많이 발생하여 열경화성 수지를 이용하는 러너에는 적합하지 않으며 재료 손실이 많이 발생할 수 있다.
사다리꼴 형상의 러너는 가동측에만 설치하는 것으로 테이퍼 엔드밀이나 평엔드밀을 이용해 가공하고, 가공하기 쉬어 일반적으로 널리 사용되고 있다. 다면 원형 러너에 비해 약 29.2%의 수지량이 필요한 만큼 단면 형상이 크고 열손실과 유동성이 떨어지며 스크랩이 많이 발생한다.
그림 2. 러너 형상과 특징
러너 설계
러너 설계의 기준은 우선 압력 전달 측면에서는 최대 단면적 형상이 돼야 하고 열 전달 측면에서는 원주 표면적이 최소여야 가장 효율적인 러너의 역할을 한다.
용융수지의 온도 저하를 최소화하기 위해서는 러너 형상의 단면적을 원주길이(단면적/원주길이)로 나누어 최대값이 되는 형상이 동일 유량에 대해 가장 유동저항이 적고 열 손실이 적은 형상인 것으로 확인됐으며 원통형과 정사각형이 있다.
다만, 정사각형은 빼기구배가 없어 구배를 줘야 하는 불편함이 있고, 구배을 줬을 경우 추가로 재료 손실로 이어지는 부작용이 있어 일반적으로 원형 단면이 가장 많이 사용되고 있다. 아울러, 설계 시에 고려할 사항과 러너 치수를 결정할 때에 고려할 사항은 아래와 같다.
(1) 러너 설계 시의 고려 사항
① 러너의 단면 형상은 성형품의 살두께보다 크게 하기
② 러너의 길이는 가능한 짧아야 하며 냉각라인을 고려 하기
③ 성형품의 형상과 캐비티의 배열을 고려 하기
④ 노즐을 통과한 용융수지의 온도는 캐비티까지 유지하도록 설계 하기
⑤ 러너 내에서 압력 손실은 최소화하기
(압력 손실 수식 참조)
⑥ 다수 캐비티 충전 시에 러너 밸런싱 계산 하기
⑦ 가능한 러너의 체적은 성형 제품보다 작게 하기
(단, 성형품의 재질과 크기에 따라 다를 수 있음)
⑧ 낮은 융융수지가 캐비티에 유입되지 않도록 콜드 슬러그 웰(cold slug well) 설계 하기
(2) 러너 치수 결정할 때의 고려 사항
① 성형품의 살두께 및 중량, 스프루와 러너에서 캐비티까지의 거리, 러너의 냉각, 러너 가공 공구의 형상, 사용 수지 등의 검토가 필요하다.
② 러너의 단면 형상은 성형 제품보다 러너가 먼저 고화되는 현상이 발생하지 않도록 성형품의 살두께보다 크게 하고, 러너의 단면 형상이 성형 제품보다 작으면 러너가 먼저 고화되는 현상이 발생하여 성형 상의 각종 트러블을 야기시킨다. 용융수지가 고화되어 더 이상 유동이 일어나지 않는 것을 천이온도(Transition Temperature)라고 한다. 일반적으로 컴퓨터 해석 결과에서 천이온도는 수지메이커에서 제공하고 있다. 제품에 따라 성형 제품의 고화가 80~90% 수준에 도달하면 취출이 가능한 시점으로 진단하며 사이클 타임을 예측하기도 하고, 러너는 50~60% 정도 고화가 진행되면 취출이 가능해 전체 사이클 타임에 막대한 영향을 미치므로 러너의 크기는 중요하다.
③ φ3.2mm 이하의 러너는 소형 성형품에 적용하며, 일반적으로 길이 20~30mm가 필요한 2차 러너에 주로 적용한다.
④ 러너의 길이는 가능한 짧아야 한다. 왜냐하면 성형품의 크기와 형상에 따라 길이가 다르게 나타날 수 있으며, 설계 시에 사전에 발견하지 못하면 손실 비용이 많이 소요된다. 러너의 단면과 길이의 최적화 기술은 전산모사와 실험계획법으로 제시하게 될 것이다.
⑤ 러너의 형상에 따라 성형사이클이 달라지는 설계는 지양해야 한다. 대부분의 수지에는 φ9.5mm 이하에서 이루어지도록 추천하고 있으며, 경질 PVC나 PMMA(아크릴)처럼 유동성이 좋지 않은 수지는 φ13.0mm 정도까지 사용하고 있다.
⑥ 콜드 슬러그 웰의 크기는 보통 러너 지름의 1.5~2.0배로 한다. 슬러그 웰의 길이가 짧게 되면 스프루를 통해 유입되는 용융수지가 고화층를 안고 진행하기 때문에 고화층의 일부를 슬러그 웰에 담기도록 하는 것이다. 사출성형 시에 고화층 유입을 허용하면 플로우마크 등 성형품 외관에 불량의 원인을 제공하게 된다. 러너와 직접 닿아 있는 스프루의 슬러그 웰도 같은 임무를 맡고 있다. 또한 스프루 끝단의 콜드 슬러그 웰은 직접 게이트를 제외하고는 스프루를 가동측 형판에 확실하게 붙어 있게 하는 역할도 하고 있으므로 콜드 슬러그 웰은 사출성형 공정에 있어 매우 중요하다.
표 1은 러너 지름을 결정하기가 곤란하거나 계산하기 쉽지 않을 경우, 열가소성 수지에 대한 성형 재료별 러너 단면 크기를 추천하고 있다.
표 1. 성형 재료별 권장 러너 지름
표 2는 성형품의 중량과 투영 면적에 대한 러너 단면의 지름 관계를 표시한 것으로, 러너 크기를 결정하는데 유익한 정보가 될 것이다.
표 2. 러너 지름과 성형품의 중량과 투영면적에 대한 상관관계
표 3은 러너 지름과 러너 길이의 상관관계이다. 저점도와 고점도의 수지에 따라 러너 길이가 다르다는 점을 유의해야 한다.
표 3. 러너 지름에 따른 최대 러너 길이
정리 : 김정아 기자 (prmoed@hellot.net)
