[헬로티]

사출성형이란 플라스틱의 성형가공법으로 열가소성수지를 성형하는 대표적인 방법이다. 다양한 무게의 제품을 성형하며, 반복해서 제작할 수 있으므로 대량생산에 적합한 기술 중 하나다. 금형기술 9월호에서는 사출성형공정에 알맞은 형체력을 비롯해 공정에 영향을 미치는 온도와 계량, 배압 등에 대한 내용 그리고 성형 불량 종류에 대해 알아보고자 한다. 

LS엠트론 김영기 고문 기고

형체력

형체력은 금형전진이 완료되고 사출이 시작되기 전의 장력(Tensile stress)하에 타이바 혹은 타이바레스에서 프레임에 걸리는 힘의 합이다. 로킹력(Locking force)은 재료를 금형으로 밀어 넣는 사출 동작의 장력 하에서 타이바 혹은 타이바레스에서 프레임에 걸리는 최대 힘의 합이다. 

형개력은 금형에서의 평균내부압력과 사출성형품의 투영면적으로부터 산출된다. 금형의 밴팅은 캐비티 양이 형폐 방향으로 증가하는 곳에 금형 캐비티 압력이 동작할 때 금형파팅면에서 형체력으로부터의 금형보호다. 

밴팅뿐 아니라 다른 탄성의 변형도 형체장치와 금형, 형체력과 로킹력, 형개방력의 견고함에 달려있다. 형체력을 증가시켰을 때 나타나는 현상은 다음과 같다.

⦁ 금형의 독립적인 치수가 감소된다.

⦁ 제품의 치수 변화가 감소된다.

⦁ 금형의 변형이 감소된다.

⦁ 플래시 발생에 따른 금형의 손상이 감소된다.

⦁ 금형 캐비티 충진 중 밴팅 가능성이 악화된다.

⦁ 토글식에서는 링크마모가 증가한다. 

⦁ 유압식에서는 로킹에너지가 증가한다.

형체력 계산공식은 다음과 같다.

 

형체력 Fs = 제품의 투영면적 Aproj x 캐비티내 압력 PA + 100 / 100 [kN]

과충전을 피하기 위해 금형파팅면에서의 잔류형체력이 생산 중 로킹력의 최소 10%는 있어야 한다. 금형시험 초기에는 안전을 이유로 잔류형체력이 큰 것을 사용하는 편이 유용하다. 토글식 기계에서 형체력은 타이바 연신과 크로즈드루프의 금형두께 조정에 의해 측정된다. 유압식 기계에서는 유압압력이 형체력을 결정한다. 

용융온도

가소화 장치의 역할은 열적·기계적으로 균질한 용융재료를 생산하는 것이며, 일정한 사출량을 공급하기 위함이다. 용융온도에 영향을 미치는 요인은 실린더 내부 요인과 금형 내부 요인으로 나눌 수 있다. 

실린더 내에서는 실린더 내벽 온도, 배압, 스크류 회전속도, 실린더 내에서의 용융재료의 체류시간 등이 변동 요인이 된다. 금형 내에서는 핫러너 내에서의 용융재료의 체류시간, 핫러너 설정온도, 금형에 충진 시 발생되는 전단열, 금형벽 온도가 영향을 미친다. 용융온도가 증가하면 다음과 같은 현상이 나타난다.

⦁ 웰드라인의 발생이 감소하게 된다.

⦁ 결정화도가 증가하게 된다.

⦁ 재료점도가 감소하게 된다.

⦁ 배향정도가 감소하게 된다.

⦁ 금형 내에서 압력손실이 감소하게 된다.

⦁ 용융재료의 열적응력이 증가하고 열분해에 의한 가스 방출을 향상시킨다.

⦁ 냉각시간이 약간 증가하게 된다. (대략 0.3% / ℃)

⦁ 노즐스프루 게이트 시스템에서 분자체인의 파손과 금형에서의 수많은 바이패스와 좁은 단면적에 의해서 용융재료의 기계적 응력(전단)이 감소하게 된다.

실린더온도

실린더온도는 가열실린더의 길이방향 구멍(용융채널 근처 노즐) 근처에서 측정한 온도다. 운전하는 경우에 따라 재료용융에 필요한 에너지의 60%에서 85%까지 구동에너지에 의해 발생하지만, 용융온도는 실린더벽온도 특히 후열 두 개 영역에 의해 강한 영향을 줄 수 있다. 

그것은 초기에 평균추천값으로 시작돼야 한다. 열적으로 민감한 플라스틱 재료에 있어 용융재료에 열을 적게 가하기 위해 노즐방향으로 증가하는 온도 프로파일을 사용한다. 이 프로파일은 용융재료의 잔류시간이 긴 경우 유리하다.

⦁ 냉각시간이 매우 긴 경우

⦁ 계량 스트로크가 매우 작은 경우

⦁ 스크류 채널 또는 핫러너 내에 큰 재료용적을 가지는 경우

노즐방향으로 증가하다 감소하는 온도 프로파일을 사용하는 경우는 오픈노즐을 사용하는 경우 다음과 같은 현상을 방지하기 위해 사용된다.

⦁ 늘어짐(Stringing, 실바리) 현상을 방지하기 위한 경우

⦁ 많은 양의 누출 손실을 방지하기 위한 경우

용융재료에 좀 더 많은 열을 전달하기 위해 호퍼부에서 노즐방향으로 약간 감소하는 온도 프로파일을 사용하는 경우는 다음과 같다.

⦁ 큰 계량 스트로크에 의해 많은 양의 수지가 충진되며, 짧은 냉각시간을 가지는 경우

⦁ 날이 깊은 스크류 또는 베리어 스크류를 사용하는 경우

수지공급부의 온도제어는 공급성능과 성형재료 이송의 안정성을 위해 결정적이다. 재료입자와 실린더벽 사이의 마찰율이 온도에 의존하므로 이곳의 온도제어가 해당 온전조건과 마찰에 관한 환경에 적합해야 한다. 

하지만 마찰 동작을 알지 못할 때 수지공급부의 최적온도는 기계를 설정할 때 결정돼야 한다. 여기서 스크류 스트로크에 의한 공급 성능의 가이드로서 계량용량의 일정함이 고려될 수 있다. 평균추천값으로 시작하고 가소화 장치가 쇼트별로 일정한지 점검하는 것을 추천한다. 그렇지 않을 때 가능한 수지공급부 온도의 점진적 변화는 보다 좋은 기계설정에 인도한다.

한편, 실린더와 노즐가열을 위한 열가소성 플라스틱의 성형을 위한 사출성형기에서 운모나 운모절연 히터가 사용된다. 좋은 기계의 온도상승을 위해 히터밴드가 고정볼트에 의해서 장착된다. 그렇지 않으면, 나쁜 열전도로 인해 이른 파손이 일어난다. 

실린더표면의 표준 히팅 용량은 3 – 3.5Watt/㎝다. 일반적으로 공급 영역에서 스크류팁까지 온도가 올라가는 프로파일이 설정된다. 특수장비로 용융온도와 압력측정을 위한 측정용 플렌지가 추천되는데, 이는 중요한 공정변수로 평가될 수 있다. 

실린더 히팅 작업은 흑줄(과열에 의한 재료의 열 손상), 완전히 용융되지 않은 재료입자(매우 작은 이송에너지), 늘어짐 등으로 인해 성형제품에 영향을 미친다. 

계량

재료는 스크류 회전을 거쳐 스크류 채널로 공급되고 압축되면서 열로 인해 계량된다. 이 과정에서 용융의 추가적인 가열의 원인이 되는 전단력이 나타난다. 

용융재료가 스크류 전방의 공간으로 전송되고, 조정 가능한 배압 하에서 스크류를 뒤로 미는 승압 그리고 설정한 사출량에 상응하는 계량된 재료를 스크류 전방 공간에 채운다. 이 공정에서 사출장치는 전진돼 있다. 

노즐이 금형에 접촉돼 계량공정 중 실린더로부터 수지가 새는 것을 방지한다. 계량공정이 성형제품에 미치는 주요한 영향으로는 색줄(스크류에 의한 안료의 불충분한 분산), 흑줄, 완전히 용융되지 않은 재료입자, 미 충전된 성형제품(너무 작은 계량량) 등이 있다. 작업자는 계량을 위해 다섯 단계의 계량속도와 배압 프로파일을 설정할 수 있다. 각각의 계량속도와 배압이 계량스트로크를 다섯 등분해 동작한다. 

설정값은 그래픽 이미지에서 배압과 계량속도 절환위치를 수동으로 변화할 수 있다. 그리고 다섯 등분으로의 자동분할은 계량스트로크 C1에 같은 값을 두 번 입력하면 가능하다. 

계량 스트로크

계량스트로크는 한 사이클 내의 스크류의 전 스트로크다. 선택한 계량스트로크가 스크류 직경대비 상대적으로 너무 적거나 너무 큰 경우 열적 문제나 표면 불량이 발생할 수 있다. 

계량 스트로크가 스크류 직경보다 작은 경우 열적으로 민감한 플라스틱에 긴 체류시간을 제공하고, 상대적으로 긴 반응시간이 소요되며, 역류방지밸브의 반응시간 편차가 발생한다. 

계량 스트로크가 스크류 직경보다 세 배 이상인 경우에는 완전히 용융되지 않은 재료에 의한 줄 발생과 기포 발생, 열적으로 불균일한 용융상태가 일어난다. 보압절환점에 의해 금형 캐비티를 충진하기 위해서는 초기에 스크류 전방 공간에 충분한 용융량이 어느 정도 큰 계량스트로크의 설정에 의해 확보돼야 한다. 충진 상태 확인에 있어서는 초기에 적은 계량스트로크를 설정한 뒤 조금씩 증가해야 한다.

배압

배압은 스크류가 계량시간 동안 전달하는 스크류 전방공간에서 용융재료에 작동하는 압력이다. 유압실린더의 출구에서 압력을 변화시킴으로써 바꿀 수 있다. 배압의 역할은 다음과 같다.

⦁용융재료의 열적 균질화를 제공한다. 특히 스크류의 전단작용에 의해 용융되지 못해 입자상태로 존재하는 플라스틱에 있어 반드시 필요로 한다. 

⦁기계적인 동질성, 예를 들어 안료 또는 첨가제를 고르게 분산시키게 된다.

⦁입자상태의 플라스틱 재료와 함께 침투한 공기를 호퍼방향으로 배출시킨다.

⦁계량공정 중 유효 스크류 길이의 감소에 따라 발생하는 온도감소에 대해 축 방향의 온도프로파일을 상승시켜 보상하게 된다. 

⦁갇힌 공기에 의해 매 쇼트마다 발생하는 재료잔량(쿠션량)의 편차를 감소시키게 된다.

배압이 증가하면 계량용량은 떨어진다. 즉, 계량시간이 늘어난다. 요구되는 배압 크기는 사용 플라스틱 재료의 용융점도와 열적 민감도에 따라 다르다. 초기에는 적은 배압으로 시작해야한다.

계량속도

계량속도는 분당 스크류 회전수다. 스크류 원주속도는 회전수를 곱하는 스크류 원주와 시간의 비율이다. 원재료에서 용융으로의 계량이 스크류 회전에 의해 일어난다. 

회전에 대한 기준은 스크류의 원주속도다. 너무 높은 스크류 회전속도는 종종 용융재료의 열적 손상, 유리섬유의 길이 감소, 스크류와 실린더의 마모 증대 등의 불량을 야기한다.

계량에서 전체의 가용시간이 사용돼야 한다. 계량용량이 증가되는 양은 감소하는 계량시간이 말해준다. 사이클을 결정하는 계량시간을 줄이기 위해서는 배압을 줄일 수 없을 때, 계량용량을 증가시키기 위해서는 깊은 골을 가진 스크류나 직경이 큰 스크류를 사용하는 것이 안전한 편이다. 

열적으로 민감한 패키징처럼 흐름이 아주 좋은 재료에서의 최대원주속도인 0.1m/s까지는 재료와 기계 제조업체의 공정데이터표에서 얻을 수 있다. 하지만 최대속도의 적용은 전단력에 민감할 수 있는 안료나 난연제 같은 첨가제에 의해서 제한된다. 허용 가능한 최대원주속도(v) 0.1m/s인 재료에 직경 40mm의 스크류가 장착된 기계에서 허용되는 계량속도는 아래와 같이 계산한다. 

계량속도n = 60 x v / π x Ds = 60 x 0.1 / π x 0.04 = 48 [U/min] 

계량시간 감시

계량시간 ZDx는 계량속도, 배압, 스크류 구조와 재료의 공급효율에 달려있다. 동일한 기계 설정값에서 계량시간 변화는 스크류와 실린더의 마찰과 마모의 다른 율로 인한 다른 공급효율에 관한 것을 의미한다. 

계량감시시간 ZD를 ON시키면 계량과 석백이 설정시간 내에 마쳐야 한다. 그렇지 않으면 계량시간초과 에러가 발생함과 동시에 계량과 다음 사이클이 중단된다.

계량수

계량공정의 서류와 감시를 위해 치수 없는 계량수가 공정분석의 화면에서 결정되고 표시된다. 이 공정변수는 계량에 필요한 평균압력을 뜻한다. 이것은 계량모터의 필요한 힘 혹은 토크에 비례한다. 

계량수(PLZ)는 계량작업과 계량공정에서의 연속성을 알려준다. 계량수는 항상 계량시작에서부터 완료까지 결정된다. 이것은 품질데이터프로그램인 QDP에서 선택하고, 기록되고 감시된다. 

성형 불량의 종류

다음은 사출 성형 불량의 종류에 대한 몇 가지 사례를 확인해보려고 한다. 

▲싱크 마크

싱크 마크(Sink Mark near Ribs)는 고화가 느릴 때, 보압 시간이 짧거나 보압이 낮을 때 주로 발생한다. 형상 중 금형온도를 낮춰 고화층을 빠르게 진행시키면, 표면의 싱크 마크는 방지할 수 있으나 내부에 보이드가 발생해 제품의 강도를 저하시킬 수 있다. 

▲탄 줄

탄 줄(Burnt Streaks)은 높은 수지온도, 긴 체류시간, 높은 전단력 등으로 인해 발생하는 성형 불량이다. 

▲수분 줄

수분 줄(Moisture Streaks)은 불충분 건조나 보관불량, 누수나 응축 등으로 인해 발생하는 성형 불량이다. 

▲색 줄

색 줄(Color Streaks)은 낮은 배압이나 색소가 너무 클 때 발생하는 성형 불량이다. 

▲반짝이

반짝이(Gloss Difference)는 낮은 금형온도, 낮은 사출속도로 인해 발생하는 성형 불량이다.