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.
게이트 시스템
1. 게이트의 기능
게이트는 러너와 캐비티를 연결하는 중간 매체이다. 그림 1에서와 같이 게이트는 캐비티에 용융수지를 충진하도록 안내하는 기능과 충진 완료 후 캐비티 내의 수지가 역류하는 것을 방지하는 기능을 가지고 있다. 게이트는 게이트의 위치, 게이트의 수, 형상 치수는 성형품의 외관이나 성형 효율 및 치수 정밀도에 큰 영향을 준다.
따라서 게이트는 용융수지가 캐비티 안에서 흐르는 방향, 웰드라인(Weld Line)의 생성, 성형 후 게이트의 제거 등을 고려하여 결정해야 하며, 설계자가 어떤 결정을 하느냐에 따라 성형품의 품질에 결정적인 영향을 미치므로 각별한 검토와 지식이 필요한 부분이기도 한다.
전체적인 금형의 성형 시스템(구조)에 있어서 대체로 가장 얇은 부분이다. 크기와 위치는 여러 가지의 필요 사항들을 고려하여 정해지며, 게이트에 영향을 미치는 항목들은 그림 2와 같다. 이들은 게이트의 위치, 모양 그리고 크기를 정하는 요인으로 금형 설계 시 고려될 사항들이다.
이 글에서는 게이트의 일반적인 지식과 전산모사 사례를 소개하고, 실험계획법을 적용하여 최적 설계의 묘미를 소개하고자 한다. 다음은 게이트의 기능과 역할이다.
① 충진되는 용융수지의 흐름 방향과 유량을 간섭하고 성형품을 이젝팅시키기에 충분한 상태로 고화될 때까지 캐비티 안의 수지를 막아 러너로의 역류를 방지한다.
② 스프루, 러너를 통과한 냉각된 수지는 좁은 게이트를 통과하는 동안 유동 속도가 빨라져 마찰력이 발생되며, 이 열에 의해 수지 온도가 상승되어 플로마크(Flow Mark)나 웰드라인 생성을 예방하기도 한다.
③ 다수 캐비티나 다점 게이트의 경우 단면적의 크기를 변화시켜 캐비티로의 충진 밸런스를 맞출 수 있다.
④ 러너가 성형품에서 용이하게 절단되도록 한다.
그림 1. 게이트의 기능과 역할
그림 2. 게이트 위치, 모양, 크기를 결정하는 요인
2. 게이트의 위치
① 게이트는 성형품의 가장 두꺼운 부분에 설치하는 것이 이상적이다.
② 성형품의 외관 상 눈에 띄지 않는 곳, 게이트의 끝손질이 용이한 부분에 설치한다.
③ 웰드라인이 생기지 않는 곳에 설치한다.
④ 높은 사출압력에 견딜 수 있는 위치에 설치해야 하며, 가는 코어나 리브 핀이 설치된 인접 위치는 가능한 한 피한다.
⑤ 가스가 고이기 쉬운 반대편에 설치하고 게이트 반대편에는 에어벤트를 설치한다.
⑥ 휨 하중이나 충격 하중이 크게 작용하는 부분에는 게이트를 설치하지 않는다. 게이트 부근은 보압에 의해 잔류변형이나 응력이 발생되므로 휨이나 충격에 매우 약하다.
⑦ 성형품의 기능, 외관 품질을 손상시키지 않은 곳에 설치한다.
⑧ 인서트 등 기타의 장애물을 피할 수 있는 곳을 선택한다.
3. 게이트의 크기와 개수
① 충진 시간은 게이트가 클수록 유리하고, 게이트 부분의 수지 응고 시간은 게이트가 작을수록 유리하다. 게이트의 크기를 크게 하면 고속 성형이 가능해지고 물성, 외관 치수, 성형 사이클 등에서 고품질 성형품을 얻을 수 있지만, 게이트가 응고할 때까지 보압을 걸어 두어야 하므로 사이클 타임이 길어진다.
② 잔류응력에 의한 변형, 휨에 관해서는 게이트가 작은 쪽이 유리하다. 단, 게이트가 작으면 사출압력 저항이 커지고 무리하게 사출압력을 높이면 게이트부에 마찰열이 발생하여 제팅(Jetting) 현상이 발생할 수 있다.
③ 게이트 개수는 유동길이와 살두께와의 비(L/t)에 따라 일점 게이트로 할 것인지, 다점 게이트로 할 것인지 결정한다. 사출성형에서 변형, 뒤틀림, 불균일한 살두께, 기하학적으로 대칭성이 부족한 것 등의 관점에 볼 때 일점 게이트보다는 다점 게이트를 채택하는 것이 영향을 적게 할 수 있다. 다점 게이트인 경우에는 에어트랩과 웰드라인의 원인을 제공할 수 있어 면밀한 검토가 선행돼야 한다.
④ 게이트의 제거 및 끝손질 작업을 고려하면 게이트는 작은 쪽이 유리하고 대부분 게이트 개수도 적을수록 좋다. 단, 게이트 크기와 개수를 결정하기 위해서는 전산모사를 통해 유동 특성을 분석하여 결정할 것을 권장하며 더 나아가 실험계획법을 통해 최적 게이트 크기를 정하는 것이 가장 좋은 방법이다.
이와 같이 게이트의 위치 및 크기는 매우 중요한 의미를 가지고 있으며, 또한 관련 요소가 많으므로 충분히 검토해 결정해야 한다.
4. 게이트 실
일반적으로 사출기 노즐을 지나는 용융수지는 게이트를 통과할 때 매우 빠른 속도로 유동하기 때문에 용융 온도를 잘 유지하고 있으나, 캐비티 내에 수지가 충전되어 유동이 멈추면 금형 표면에 열을 빼앗기며 서서히 냉각되기 시작하여 중심부까지 고화된다.
이때 게이트는 캐비티보다 두께가 얇기 때문에 캐비티 부의 중심부가 응고되기 전에 게이트가 먼저 응고가 일어난다. 그림 3은 이 현상을 도식적으로 표현한 것으로 게이트 실(Gate Seal)이라고 한다.
이것은 게이트의 중요한 역할로서 게이트부가 먼저 응고되면 성형기의 플런저 또는 스크루가 가하고 있는 성형압력은 게이트부에서 차단되어 캐비티에 영향을 미치지 않는다. 이로 인해 아직 굳지 않은 부분은 성형압력에서 벗어나 수축할 수 있으므로 응력이 없는 상태에서 굳어지기 때문에 균열, 스트레인, 휨 등의 결점을 방지할 수 있다.
한편으로 충분한 압력으로 충진되지 못한 성형품은 성형압력으로부터 영향을 받지 않은 관계로 원하지 않는 수축이 발생하여 뒤틀림이나 싱크마크가 발생하는 원인이 되기도 한다. 고품질 성형품을 생산하기 위해서는 게이트의 형상과 치수 결정은 매우 중요한 것이다.
그림 3. 게이트 실
게이트의 종류
게이트는 일반적으로 표 1과 같이 비표준 게이트와 표준 게이트, 핫러너 게이트 등 3종류로 분류한다. 표준 게이트는 비표준 게이트에 비해 용융수지의 응고가 급속히 일어나도록 크기를 제한하는 것을 말하며 제한 게이트라고도 한다. 반면에 비표준 게이트는 게이트를 급속히 고화되지 않아도 되는 게이트를 말하며 직접 게이트가 여기에 속한다.
표 1. 게이트 분류
표 2는 게이트 종류에 따라 형상과 선정 기준을 요약했으며, 현장에서 주로 사용되고 있는 게이트에 따라 사이드 타입, 핀 포인트 타입, 핫러너 타입의 게이트 적용과 설계 기준을 제시했다. 아울러 엣지 게이트 형상에 따라 유동특성이 어떻게 변화되는지를 전산모사를 통해 구현하고, 나아가 최적화 과정과 결과를 공유하고자 한다.
1. 직접 게이트
일명 스프루 게이트(Sprue Gate)라고도 하며 널리 이용된다. 직접 게이트의 장단점은 다음과 같다.
① 압력 손실이 적다.
② 수지가 절약된다.
③ 금형 구조가 간단하고 고장이 적다.
④ 성형 사이클 타임이 길어지기 쉽다.
⑤ 게이트의 끝손질이 필요하다.
⑥ 게이트 부위에 잔류응력에 의한 크랙이 발생하기 쉽다.
⑦ 게이트의 반대편에 온도가 저하된 수지가 캐비티 내로 흘러들어가는 것을 막기 위해 성형품 살두께의 1/2이 되는 두께로 콜드 슬러그 웰을 설치할 필요가 있다.
⑧ 스프루 입구 지름은 노즐 구멍에 좌우되며, 노즐 구멍 지름의 0.5mm~1.0mm 정도 크게 하고 테이퍼 각도는 2~4도 정도로 한다.
표 2. 게이트의 종류 및 형상
직접 게이트는 그림 4에 나타낸 것처럼 원추 형상의 게이트로서 가장 일반적인 것이다.
다수 캐비티의 경우에는 스프루 게이트라고도 하며, 1개 캐비티의 경우 성형기의 노즐에서 스프루에 들어간 수지를 직접 캐비티에 충진시킨다. 깊이가 깊은 대형 성형품에 널리 이용되고 있으나, PE, PP 등과 같이 유동 방향과 직각 방향과의 수축률 차이가 큰 수지에서는 얇고 넓은 성형품을 직접 게이트로 성형할 경우에는 굽힘, 또는 휨이 발생하는 경우가 있다. 그림 5는 직접 게이트의 제품 형상이다.
그림 4. 일반적으로 사용하는 직접 게이트의 치수
그림 5. 직접 게이트 제품
2. 표준(제한) 게이트
게이트에서의 충진량을 조정하고 게이트 부분에서 급속한 고화를 얻을 수 있도록 단면적을 제한한 것이다. 특징으로 다음과 같은 것들이 있다.
① 게이트 부근의 잔류응력이 감소된다.
② 성형품의 변형이 감소되기 때문에 굽힘, 크랙 등이 감소된다.
③ 수지가 게이트를 통과할 때 재가열되기 때문에 점도가 저하되어 유동성이 개선된다.
④ 게이트의 고화 시간이 짧으므로 성형 사이클을 단축시킬 수 있다.
⑤ 다수 캐비티, 다점 게이트일 때 게이트 밸런스를 얻기가 용이하다.
⑥ 게이트의 제거 및 끝손질이 쉽다.
⑦ 게이트 통과 시의 압력 손실이 크다.
(1) 사이드 게이트 (Side Gate)
소형에서 중형까지의 다수 캐비티 성형품에 많이 사용되고 있으며, 이것은 게이트에 의해서 충진량이 제한되고 게이트부에서 급속히 고화시켜서 사출압력의 손실을 방지하는 방식이다.
그림 6은 사이드 게이트의 실제 제품이다. 사이드 게이트의 이점은 다음과 같다.
그림 6. 사이드 게이트 제품
① 단면 형상은 단순하므로 가공이 용이하다.
② 게이트의 치수를 신속하고 정밀하게 수정할 수 있다.
③ 캐비티의 충진 속도를 게이트 고화 시간에 거의 영향을 받지 않고 조절할 수 있다.
④ 보통의 성형 재료는 대부분 이 형식의 게이트로 성형할 수 있다.
직사각형 형상의 게이트의 크기는 폭(W), 깊이(h), 랜드길이(L)에 의해 정해지며 게이트에서의 압력 강하는 거의 랜드길이에 비례한다. 깊이는 게이트의 고화 시간에 영향을 주는 것으로 그림 7과 같은 경험식을 적용한다.
그림 7. 사이드 게이트
만약 W의 값이 러너의 지름보다 클 때에는 팬 게이트(Fan Gate)를 이용한다.
(2) 오버랩 게이트 (Overlap Gate)
성형품에 플로마크가 발생하는 것을 방지하기 위해 표준 게이트 대신에 사용되는 것으로서, 성형품의 에지부가 아니고 평면부에 평행하게 설치한 게이트이다. 게이트의 제거 및 끝손질 작업이 곤란하다.
(3) 디스크 게이트 (Disk Gate)
그림 9에 표시한 것처럼 디스크 모양의 러너를 거쳐 디스크 게이트는 설치된다. 성형품의 원형 구멍에 게이트를 배치한 것으로 어느 정도 성형품의 형상에 의해 제한을 받게 된다. 중앙부에 구멍이 있는 경우 대부분 웰드라인이 발생하지만 디스크 게이트를 사용함으로써 웰드라인의 발생을 방지할 수 있다.
그림 8. 오버랩 게이트
그림 9. 디스크 게이트
게이트의 치수는 일반적으로 게이트 깊이는 0.2~1.5mm, 랜드의 길이 L은 0.7~1.2mm 정도로 한다. 이들 게이트 및 서브 러너부는 성형 후 원형 펀치로 전단하거나 대형인 경우 드릴 가공으로 제거한다.
(4) 탭 게이트 (Tab Gate)
그림 10에 나타낸 것처럼 탭의 바로 앞 게이트에서 재가열된 상태의 수지는 탭의 벽에 충돌하여 유동 방향이 고르게 되면서 캐비티 안으로 유입된다. 게이트 부근에 잔류응력이 감소되기 때문에 사출압력에 의한 변형을 피할 수 있다. 주로 유동성이 나쁜 수지, 예를 들면 PVC, 아크릴 등에 적용된다.
그림 10. 탭 게이트
그림 11. 링 게이트
탭 게이트는 러너에 대해서 직각으로 붙이는 것이 보통이고, 탭은 플로마크나 웰드라인을 피하기 위해 두꺼운 부분에 설치한다. 탭의 치수는 그림 10의 표시된 변수에 따라 다음의 경험식을 이용하여 결정하며, 일반적으로 탭의 폭은 6mm 이상이고 캐비티 두께의 약 75%를 적용한다.
• 탭의 폭 (Y) = D (러너의 지름)
• 탭의 깊이 (X) = 0.9t (t는 성형품의 두께)
• 탭의 길이 (Z) = 1× 1/2 D
(5) 링 게이트 (Ring Gate)
디스크 게이트가 성형품의 내측에 설치되는 것과는 반대로 링 게이트는 원형 성형품의 외측에 성형품과 동심 형상으로 러너를 설치해서 게이트를 성형품 전체 둘레에 걸쳐 설치하는 것이다.
소형물에 대한 다수 캐비티 금형으로 만년필 뚜껑 등의 원통형 성형품을 성형하기 위해 사용되고, 특히 긴 원통형의 성형품인 경우에는 링 위의 게이트에서 균일하게 캐비티 안으로 수지가 주입되므로 웰드라인의 방지나 사출압력에 의한 금형 코어핀의 경사(편심) 등도 방지되어 두께가 균일한 성형품이 얻어지는 장점이 있다.
다음회에 계속됩니다.
박균명 _ 공학박사, 금형기술사
저자 약력
공학박사, 금형기술사
한국생산기술연구원 금형기술센터 재직
사단법인 한국금형기술사회 회장 역임
한국산업기술대학교 겸임교수 역임
국가뿌리산업진흥센터 소장 역임
