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. ‌‌

밸브 게이트 시스템

밸브 게이트 시스템은 기계적 장치에 의해 동작하는 밸브 핀이 게이트를 개폐할 수 있도록 노즐 유로의 중앙에 장치된 시스템으로 밸브 핀을 작동시키는 방법으로는 스프링과 사출압력을 이용하는 방법, 별도의 실린더에 캠기구 등을 이용하는 방법, 금형 내에 실린더를 설치하여 유공압을 이용하는 방법 등이 있다. 현재 주로 실용화되어 있는 대표적인 것은 실린더에 의한 밸브 게이트 시스템이다.
그림 1은 국내에서 가장 많이 사용하고 있는 밸브 게이트 시스템의 구조를 나타낸 것이다.

그림 1. 밸브 시스템의 구조

1. 밸브 시스템의 특징과 사용 효과

밸브 핀의 작동은 사출 후 사출압력이 유지되는 동안 닫을 수 있고 다음 숏 재료 공급을 위해 가소화를 할 수 있으며, 또한 금형이 닫힘과 동시에 게이트를 열어 사출압을 캐비티로 전달할 수 있다. 성형품의 수량, 형상이 다른 몇 개의 캐비티로 구성되어 있는 경우나, 대형 성형품이 복수의 게이트로 구성되어 있는 경우, 시퀀스 시스템을 이용하여 밸브 핀의 개폐 시간을 개별 제어함으로써 각 캐비티의 충전량을 조절할 수 있고 웰드 라인 등을 없애거나 원하는 위치로 이동시킬 수 있다. 밸브 게이트 시스템은 게이트를 크게 할 수 있어 저압 성형 및 고속 성형이 가능하며 제품의 끝단까지 성형이 무리 없이 이루어질 수 있다.
게이트가 밸브 핀에 의해 차단되므로 게이트 실을 완전하게 할 수 있으며, 게이트 흔적이 미려한 제품 표면을 얻을 수 있다. 또한 내부 응력이 감소되어 성형 변형률이 적고 제품 품질이 향상되며, 금형의 수명도 연장된다.

2. 실린더의 구조

일반적으로 밸브 시스템의 실린더는 금형의 고정측 고정판에 설치된다. 그림 2는 밸브 시스템의 실린더 구조를 나타내고 있다. 사출 신호를 받으면(사출이 시작되면) 그림의 하방향 회로로 작동매체가 유입되고 피스톤이 상승되면서 피스톤에 설치되어 있는 밸브 핀이 열리게 되면서 사출이 시작된다.

그림 2. 밸브 시스템의 실린더 구조

사출 공정이 끝나면 그림에서 상방향 회로로 작동매체(유압 또는 공압)가 들어가면 피스톤은 하강하고 피스톤에 설치된 밸브 핀이 금형의 게이트를 닫아주게 되면서 완벽한 게이트 실링을 하게 된다.
밸브 시스템 작동매체의 누설을 막기 위해 각종 O링이 설치되어야 한다. 이러한 O링은 정확한 핀 작동과 마찰로 인한 마모 등에 대처하기 위해 내열 재질로 이루어진 마모 링, 글라이드 링, 바이턴 O링 등이 사용된다. 정확한 핀 작동과 마찰로 인한 마모에 대처하기 위해 마모 링, 글라이드 링, 바이톤 O링 등의 링이 필요하다.

3. 밸브 시스템에서 사용되는 자동매체

밸브 시스템에 사용되는 작동 매체는 유압이나 공압을 사용할 수 있다. 유압과 공압의 장단점을 비교하면 다음 표 1과 같다.

표 1. 유압과 공압의 장단점

유압 시스템은 비교적 큰 힘을 낼 수 있어 핀의 작동이 원활하고 게이트 끊김 상태가 양호하나, 금형의 게이트부 손상이 발생하기 쉽고, 일정 수준 이하의 압력을 유지할 수 있도록(일반적으로 30Bar 이하) 별도의 유압 공급장치를 설치하거나 일정 수준 이상의 압력이 작동될 경우 작동 유체를 바이패스할 수 있는 안전 밸브 등을 장치해야 한다.

이에 비해서 공압 실린더는 비교적 적은 압력으로도 반응 속도가 빠르고 설치하기가 간단해서 최근에는 거의 유압 시스템을 사용하지 않고 공압 시스템을 사용하고 있다. 적은 압력으로 큰 힘을 내게 하기 위해서는 비교적 큰 실린더를 설치해야 한다.

밸브 게이트 시퀀스 시스템

다수 캐비티이면서도 사출량과 형상이 다르거나 큰 성형 제품을 다수 게이트로 성형할 경우 부분적인 미성형과 웰드라인이 발생하는 경우가 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 타이머, 솔레노이드 밸브, 에어를 이용하여 선택적인 게이트를 사용하거나 게이트의 개폐 시간을 조정하여 성형 효율을 도모한다. 시퀀스 시스템을 사용할 때의 효과는 다음과 같다.

① 웰드라인을 없애거나 이동
사출 제품의 전면이나 취약 부위에 웰드라인이 발생했을 때 이를 없애거나 이동시켜 사출품의 품질을 개선한다.
② 게이트별 사출량 조절
게이트별 사출량을 조절하여 플래시 발생이나 미성형을 개선한다.
③ 형체력의 감소
게이트를 동시에 전체를 열지 않으므로 최소의 형체력으로 사출한다.
④ 플로마크 감소
게이트별 사출률 높여 플로마크를 최소화한다.

시퀀스 시스템은 시퀀스 타이머 컨트롤러의 파워 인풋 커넥터에 전원을 연결하고, 성형기에서 사출신호를 받을 수 있도록 인젝션 시그널 인풋 커넥터를 연결한다. 그리고 제어된 신호를 금형의 솔레노이드에 전달하여 게이트 개폐 시간을 조정할 수 있도록 타이머 케이블을 연결한다. 그리고 시퀀스 타이머 컨트롤러 전면의 제어 버튼을 이용하여 제어 모드를 설정하고, 각 게이트별 사출 지연 시간과 게이트 오픈 시간 등을 조정하여 제어하도록 되어 있다. 어느덧 기술의 진보로 인해 사출기에서 활용하여 제어하는 것은 일상화되어 가고 있다. 상대적으로 핫러너의 매니폴드와 밸브 게이트 시스템은 고가이기 때문에 금형 제조 원가에 미치는 영향이 크고, 이를 적용할 시 고품질 제품 생산을 담보할 수밖에 없다. 그렇기 때문에 기술의 구현과 적용에 남다른 관심을 쏟고 관리할 수밖에 없어 사출성형 현장에서 잘 적용하고 있는 것이다. 여기서는 사출성형기에 장착된 핫러너와 밸브 게이트의 유동 패턴을 전산모사로 구현하고, 논 시퀀스 컨트롤과 시퀀스 컨트롤의 차이점을 분석하여 사출성형의 이해를 높이고자 한다.

1. 사출성형 조건

2. 시퀀스 컨트롤

다음의 성형품은 나일론66로 결정성 수지로 만드는 탱크 라디에이터 하우징 제품이다. 본 제품 생산을 위해 핫러너 적용 시 시퀀스 없는 제어와 시퀀스 제어가 있는 유동 패턴에 대해 살펴보고자 한다. 여기서는 해석의 최적화를 수행하기 보다는 유동 패턴에 주안점을 두고 작성했다.
본 제품의 살두께는 약 2mm이며, 좌우 샤프트 부위의 두께는 2배 정도 큰 두꺼운 제품이다. 제품의 품질특성은 외관 표면상에 웰드라인이 나타나면 안 되는 것이다. 콜드 게이트를 사용하든 핫 게이트를 사용하든 제품 외관에 웰드라인이 발생하면 불량이다. 현재 상태에서 시퀀스 제어를 하지 않을 경우, 웰드라인의 크기는 1.805deg로 선명하게 나타나는 수준이다. 이럴 때 제품 특성은 외관 불량은 물론 크랙이 발생할 수 있는 첫번째 트러블의 요인을 안고 있는 것이다. 그림 3은 시퀀스 제어를 통해 얻은 유동 패턴과 핫러너를 사용하되 시퀀스를 제어하지 않은 유동 패턴을 보여주고 있다.

그림 3. 필링 패턴 - 웰드라인 액티브

그림 4는 부분적인 유동 패턴을 보여주고 있으며 시퀀스 제어를 이용할 경우 중앙에서 유입된 수지가 좌우 게이트 부위를 통과할 때, 약 1.012s의 지연 시간이 있음을 알 수 있다.

그림 4. 세미 필링 패턴 - 웰드라인 액티브

지연 시간은 다양하게 변경하여 용융 수지의 유동 패턴을 다스릴 수가 있다. 시퀀스를 제어할 때 주의할 점은 수지가 2차 게이트를 지나가기 전에 열리게 하면 안 된다. 만약 2차 게이트를 지나가기 전에 열리게 되면 수지의 순간 정체 현상으로 플로마크가 발생할 우려가 매우 높다. 이런 현상은 그림 5에서 일부분 확인할 수 있으며, 압력 차이로 급격히 튀는 현상을 줄일 경우 뛰어난 표면을 얻을 수 있다.

그림 5. 사출 압력 변화

시퀀스 제어를 통해 성형 효율을 높이는 것은 당연한 것이다. 아울러 제품의 변형 부분도 급격히 개선할 수 있는 장점이 있다.
전산모사를 통해 얻은 결과 값은 표 2와 같다.

표 2. 시퀀스 제어 결과 값

필링 컨트롤은 오토매틱으로 한 값이다. 1.896s에 성형을 완료할 수 있으며, 패킹이 작용하는 시간은 논 시퀀스에서는 3.1s만큼 균일하게 작용하도록 되어 있다. 시퀀스에서는 중앙의 게이트와 좌우 게이트의 오픈 타임을 다르게 주었다. 해석할 때 입력 변수를 적용할 경우, 타임으로 할 것인가, 아니면 플로 타임으로 할 것인가를 결정하면 된다.
해석 과정에서 최적화를 할 경우 얻을 수 있는 이점은 핫러너를 적용할 시 적합한 시스템을 찾아낼 수 있는 장점이 있다. 그것은 곧 금형 제조 원가를 절약하고, 그 만큼 부가가치를 창출할 수 있는 기회가 생기게 된다. 따라서 핫러너를 도입할 경우에도 최적화는 필수적인 과정이 될 것이다.

‌‌싱글 밸브 게이트 시스템

싱글 노즐인 경우 밸브 시스템을 채용하는 데 어려움이 있다. 일반적으로 밸브를 작동시킬 수 있는 기구인 실린더가 매니폴드 상단의 고정측 고정판에 설치되는 것이 상례이므로 이 위치에 성형기 노즐이 접촉되어야 하는 싱글 노즐에서는 밸브 게이트 시스템을 채용하는데 어려움이 있었다. 그러나 최근에는 그림 6과 같이 이러한 것을 극복한 좋은 제품이 다양하게 나오고 있으며, 싱글 노즐에서 밸브 시스템을 적용하는 불편함이 없도록 개발되어 있다.

그림 6. 싱글 밸브 시스템 구조

1. 써머커플

핫러너 시스템에서 시스템의 각 제어 존별로 온도감지장치를 설치하게 되는데, 핫러너에서 사용되는 온도감지장치는 써머커플이 사용된다. 써머커플은 두 개의 다른 물질이 접합되어 있는 곳에 열을 가하면 온도에 따라 일정한 기전압이 발생되는데, 이를 측정하여 현재의 온도를 환산할 수 있도록 한 감지장치이다. 핫러너 시스템에서 사용되는 써머커플에는 사용되는 재질에 따라 K 타입(CA 타입), I 타입(IC 타입)이 있고, 형태에 따라 카트리지 타입, 버튼 타입 등이 있다. 카트리지 타입은 그림 7과 같이 주로 노즐이나 노즐 로케이터의 온도를 감지하는 데 사용하고, 버튼 타입은 매니폴드 블록 표면에 설치하여 온도를 감지하는 데 주로 사용한다.

그림 7. 핫러너 시스템에서 온도 감지 위치

그러나 매니폴드 블록에도 카트리지 타입의 써머커플을 사용하는 경우도 많이 있다.
표 3은 IC 타입과 CA 타입의 차이를 나타낸 것이다.

표 3. 써머커플 타입별 비교

IC 타입과 CA 타입은 온도에 따라 발생되는 기전압에 차이가 있어 TC 타입을 바꿀 경우 실제 온도와 상당한 차이를 나타낸다. 따라서 금형에 핫러너 시스템을 적용할 때는 사용 고객의 TC 타입을 반드시 확인하여 동일한 TC가 적용되도록 해야 한다.
표 4는 온도별로 측정되는 기전압을 비교하여 표시한 것이다. 표에서 보는 바와 같이 성형온도에 따라 50~70℃ 정도의 측정온도 차이가 발생됨을 확인할 수 있다.

 표 4. T/C 타입에 따른 기전압 비교

핫러너 시스템의 치수적인 확인

핫러너 시스템의 치수 검사는 금형과 밀접한 관계가 있기때문에 치수를 측정하여 금형 조립 시 중요한 데이터로 사용되므로 정확하게 측정해야 한다.

1. 매니폴드의 치수

그림 8은 매니폴드 두께 및 라이저 패드의 두께이다. 매니폴드 두께 공차는 최소한 +0.05~0을 유지해야 라이저 패드의 두께는 매니폴드 상측에 단열공간을 형성하는 두께가 되는 치수로 라이저 패드를 조립한 상태에서 공차가 -0.02 ~+0.02를 유지해야 한다.

그림 8. 매니폴드의 치수

 
그러나 이러한 공차 적용은 제작사에 따라 핫러너 시스템의 구조에 따라 차이가 있을 수 있으므로 사전에 확인해 두어야 한다.

게이트의 위치는 다월 핀 센터에서 각 게이트 센터까지의 거리를 확인한다. 매니폴드 게이트 거리는 열팽창량이 감안되어 있는 치수이므로 몰드 도면의 게이트 거리와는 차이가 있다. 열팽창량 계산은 아래의 공식을 적용해 설계 제작된다.

◆ 열팽창량 공식
‌ΔL=(1.23×10-5)×L×ΔT  
ΔT=(To-Tm)      
ΔL=열팽창량         
(1.23×10-5)=열팽창 계수
‌To=매니폴드 온도  
Tm=몰드 온도        
L=매니폴드 센터에서 게이트까지의 거리
Ex) L=127mm
To=280℃
Tm=60℃
ΔT=(280-60)=220℃
ΔL=(1.23×10-5)×127×220=0.34366mm
매니폴드 센터에서 게이트까지의 거리는 126.6563mm임.
길이에 따른 열팽창량은 그림 9의 그래프와 같다.

그림 9. 매니폴드에서의 열팽창량

2. 노즐의 치수

노즐은 매니폴드와 동일하게 열 팽창량을 적용하여 확인한다. 노즐 ?D, D1 부분과 30mm 부분의 치수를 확인한다. 노즐 L1의 치수를 확인한다. L1의 치수는 열팽창량을 감안하여 짧게 가공되어 있다. 도면 상의 정치수는 열팽창 후의 치수이므로 제품은 열팽창량만큼 짧다(열팽창량의 적용 부품은 공급업체에 따라 차이가 있을 수 있다. 열팽창량만큼 노즐을 짧게 제작하여 납품하는 업체와 열팽창량을 금형업체에서 계산하여 적용하는 경우와 노즐에 적용하여 제공되는 경우도 있다).

◆ 공식
ΔL=(1.08×10-5)×L×ΔT, 
ΔT=(Tn-Tm),
ΔL=열팽창량
(1.08×10-5)=열팽창계수
Tn=노즐 온도       
Tm=몰드 온도     
L=노즐 터치부의 몰드 사이즈

그림 10. 노즐의 치수

핫러너를 끝으로 사출금형 성형 기술 실무에 대한 연재를 마치게 됐다. 그 동안 10회에 걸쳐 가능한 한 설계현장에서 겪고 있는 실질적인 문제점을 짚어보며 설계자와 제품 성형기술자들에게 도움이 될 수 있기를 기대하며 준비했으나, 부족한 부분이 많이 있었던 것이 사실이다. 해석기술의 최적화에 대해 더 깊은 내용을 다루고 싶었으나, 경험이 일천하고 기업기술 부분은 공개하기 어려운 한계가 있어 많은 부분을 나누지 못한 점을 아쉽게 생각한다.
앞으로 더 보완하여 실무자 여러분에게 도움이 될 수 있도록 사례 중심의 최적 해석 기술과 냉각 기술의 정보를 잘 정립하여 함께 공유할 수 있기를 기대한다.

박균명 _ 공학박사, 금형기술사