[첨단 헬로티]
사이토 타쿠시 (齊藤 卓志), 하세가와 히데키 (長谷川 英紀) 東京공업대학
시라이시 유타카 (白石 豊), 조우타 케이이치 (造田 敬一) 三菱가스화학(주)
1. 서론
플라스틱 사출성형에서는 수지 충전에 앞서 금형을 가열함으로써 성형품에 생기는 여러 가지 문제의 경감을 도모하고 있다. 구체적으로는 금형에 전기히터를 설치하거나, 온조용 유로를 설정하거나 한다. 이들은 공통적으로 금형 전체를 가열하게 되기 때문에 에너지 소비량이 크고, 사이클 타임을 늘리는 경향이 있다.
이에 필자 등은 금형 표면에 설치된 박막 발열체만을 통전 가열하는 방법에 주목하고 있다. 해당 방법은 금형 베이스 상에 단열층으로서 지르코니아 세라믹스(이하 ZrO2)를 설치, 그 위에 니켈인(이하 NiP) 박막(～10µm 정도)을 도금한다. 이 NiP 박막을 통전 가열함으로써 금형 표면만이 효율적으로 고속으로 가열된다.
이번 연구에서는 실제로 사출성형기에 탑재 가능한 금형 구조를 검토한 결과를 기초로, 박막 발열체를 가지는 급속 가열 금형의 성능을 정량적으로 평가하는 것을 목적으로 적외선 카메라에 의해 발열층 표면의 온도 분포 측정을 하는 동시에, 시뮬레이션을 통해 에너지 효율 평가를 했다. 또한 금형 표면에 미크론 레벨의 미세 구조를 설정함으로써 성형품 표면에 대한 전사성 평가도 했다.
2. 금형의 구조
연구 그룹에서 시제작한 금형 중에 고정측의 개요를 그림 1에 나타냈다(가동측도 개략은 동일). 그림 중의 ①은 금형 베이스, ②는 금형 베이스와 ③의 전극을 절연하기 위한 절연판, ③은 NiP층에 급전하기 위한 놋쇠제 전극, ④는 전기 절연 및 단열을 위한 ZrO2층으로, 그 표면에 NiP층이 도금되어 있다.
또한 고정측 금형에는 ZrO2제의 캐비티판 ⑤(성형품 형상은 20×20×3mm)가 장착되어 있다. 이것에 의해 고정측과 가동측의 금형을 전기적으로 절연하고, 또한 높은 사출 압력, 용융 수지의 온도에도 견딜 수 있다.
3. 금형의 성능 평가
(1) 발열 상황의 계측
우선 적외선 카메라를 이용해 금형 표면의 발열 상황을 평가했다. 그림 2에 전류 9A로 60초간 가열한 결과를 나타냈다. 그림 중 좌우의 전극 부근이 고온으로 되어 있으며, 중앙에 띠 모양의 볼록 분포(중앙부는 고온으로 마커는 192.5℃를 표시, 상하 부분은 저온)이 얻어졌다.
발열 영역 중앙부의 온도 변화를 그림 3에 나타냈다. 이번 연구에서는 폴리카보네이트 수지(이하 PC)의 유리 전이 온도 150℃를 목표 온도로 하고 있으며, 예를 들면 9A에서는 약 20초, 10A에서는 약 10초로 목표값에 도달하는 것을 알 수 있다.
(2) 수치 시뮬레이션에 의한 에너지 효율의 검증
적용 시뮬레이션 소프트웨어를 이용해 박막 발열체를 이용한 방법과 기존 방법인 전기히터를 이용한 경우의 에너지 소비량을 비교했다(그림 4). 박막 발열체를 이용함으로써 계산 상의 에너지 소비량은 기존법의 약 1/50이 되는 것이 증명됐다.
(3) 성형 실험
사출성형기(FANUC ROBOSHOT α-15iA, 형체력 15t, 스크류 지름 16mm)에 의해 성형 실험을 했다. 성형 조건은 수지 온도 270℃, 유지 압력 15MPa, 냉각 시간 25초로 하고, 금형 초기 온도는 실온에서 180℃까지 변경했다. 또한 PC는 흡수에 의한 성형품의 변색을 방지하기 위해 성형 전에 120℃로 6시간 건조시켰다.
전사성의 정량 평가를 위해 NiP층의 표면에 직접, 미세 구조를 설정하는 것으로 했다. 단 NiP의 박막은 15µm, 미세 구조 깊이는 3µm로 했다. 또한 미세 구조의 형상은 V홈으로 하고, 5개의 V홈을 교차시킴으로써 교차부에 피라미드 구조를 설정했다. 이 미세 구조는 수지 유동 방향을 따라 3군데에 설치했다. 또한 실제 발열체 표면의 미세 형상을 공초점 현미경에 의해 확인한 결과, 평균 깊이는 5.4µm였다.
성형품 중앙의 미세 구조에 대한 전사 상황을 그림 5에 나타냈다. 금형 초기 온도 상승에 의해 전사 상황이 개선됐는데, 180℃에서는 성형품의 이형 시에 미세 구조가 끌려 변형되는 것에 의한 ‘쓰러짐’이 발생했다.
보통 미세 구조의 전사성 평가에서는 전사 높이를 이용하는데, 앞에서 말했듯이 구조의 쓰러짐이 생기고 있었기 때문에 여기에서는 전사된 구조의 단면적에 의해 평가를 실시했다. 또한 평가 부분은 미세 홈의 교차 부품에서 10µm 상류측(게이트측)으로, 수지 흐름을 따른 방향이다. 단, 해당 부분의 금형 측 미세 구조 단면적은 80µm2이었다.
그림 6에 각 금형 온도, 사출 속도의 평가 결과를 나타냈다. 기본적으로 금형 초기 온도의 상승에 의해 전사 상황은 개선되고, 예측한 대로 유리 전이 온도(150℃)을 넘으면 거의 최대값으로 일정해졌다.
4. 맺음말
이번 연구에서는 박막 발열체를 가지는 급속 가열 금형을 시제작해, 그 성능에 대해 정량 평가를 했다. 구체적으로는 발열층 전체의 온도 거동의 측정, 에너지 효율의 평가에 더해, 성형품의 전사성 실험을 실시했다.
콘셉트대로 박막 발열체를 이용함으로써 금형의 급속 가열을 우수한 에너지 효율로 실현할 수 있다는 것을 나타냈다. 또한 성형품의 전사성에 관해 금형을 수지의 유리 전이 온도까지 가열함으로써(이번 시제작 금형에서는 10초 정도로 가열 완료) 양호한 전사 상황을 얻을 수 있다는 것을 확인했다.
