[사출금형 성형 기술 실무 1] 러너 밸런싱

[사출금형 성형 기술 실무 2] 러너 밸런싱 사례

Runner Balancing 사례

우선 성형품 용량은 CAD 데이터에서 추출한 값으로 개당 11g이다. 러너 레이아웃은 그림 4 와 같으며, 편의 상 변수는 6개로 러너의 길이와 러너 직경으로 a, b, c 구분했다.
계산 순서에 따라 성형품 중량(g), 초기 러너 길이와 직경, 단계별 용융수지 용량, 사출 시간, 초당 사출량, 전단 변형률 속도, 점도와 압력저항 즉 압력손실을 구한다. 그림 5는 전단률(19,174.84/s)에서의 PA66 점도값을 구한 것이며, 그림 6은 실제 계산값이다. 

그림 4. 러너 레이아웃 및 변수

그림 5. 전단률(11624.56/s)에서의 PA66 점도

그림 6. 2차 러너 밸런스 계산 결과

다음은 위의 계산식에 따라 적용한 사례와 해석 프로그램을 통해 자동으로 러너 밸런스한 결과를 제시하며 비교하고자 한다. 먼저 그림 6은 2차 러너 밸런스를 위하여 계산한 결과이다. 사출 시간은 1.1초이다. 초기 1차 러너 직경 (‘φa’)은 ‘H’형 러너에 비하여 약 10% 크게 하여 적용했고, 2차 러너 직경은 (‘φb’=0.22cm, ‘φc’=0.38cm)로 했다. 경험적으로 ‘일자’형일 경우에는 ‘H’형에 비해 1차 러너 직경을 크게 해야 한다. 작을 경우에는 유동저항이 매우 상승하기 때문이다. 

캐비티 1과 캐비티 2의 사출압력 차이는 약 15PMa 정도의 차이가 있다. 위의 그림에서 처럼 P3의 값이 약 10MPa 정도가 되도록 2차 러너의 크기를 변화시켜 가며 계산을 반복하면, 2차 러너의 직경이 약 2.502mm 가 되는 것을 확인할 수 있다. 위의 과정을 거쳐 계산하고 적용하기에는 다소 시간이 소요되기는 하지만, 수치적으로 러너 직경을 구할 수 있는 것은 큰 의미가 있다고 할 수 있다. 왜냐 하면 컴퓨터 전사모사로 수지유동 거동을 확인할 수 없을 때에는 금형 제작 완료 후에 사출성형 과정에서 확인해야 하는데, 그러기에는 비용 부담에 대한 고민을 하지 않을 수 없기에 러너 밸런스가 필요한 금형 설계에는 큰 숙제가 아닐 수 없었다.

그림 7의 경우 성형품 개수는 총 8개로 금형의 캐비티가 8개로 되어 있는 구조이다. 사용 수지는 나일론 66이며, (a)는 ‘H’형 수지 충진 유동 패턴이고 (b)는 ‘일자’형 수지 충진 유동 패턴이다.

위의 그림에서 패턴 (a)는 일반적으로 가장 많이 사용되고 있는 러너 레이아웃 설계 방법이다. 사출 시간 약 1.2초에 충진이 완료되면 러너 시작 부근에서 약 29MPa 정도의 사출압력이 작용한다. 게이트 입구에서는 약 22MPa 정도의 사출압력이 작용하여 유동저항이 약 7MPa 정도 발생하고 있고 균일한 충진 현상을 확인할 수 있다. 러너의 직경을 최적화하고 최상의 수지 loss를 감안한 레이아웃이라 할 수 있다. 패턴 (b)는 1차, 2차 러너 직경이 같은 것으로 사출 시간 약 1.19초에서 충진이 완료됐다. 충진은 완료됐으나 러너 밸런스가 균일하지 않는 불량 유체 거동을 확인할 수 있다. 러너 밸런스가 되지 않으면 성형품의 품질 안정화를 절대 기대할 수 없다.

최근에는 해석 프로그램의 발달로 러너 밸런스 해석을 전산모사로 실현하는 경우가 있다. 아직까지는 금형 현장에서 적용하기에는 적합성 측면에서 우려하는 부분이 있으나 금형 설계자에게는 단비와 같은 희소식이기도 하기 때문이다. 왜냐 하면 다음의 유동해석 결과를 보면 그 이유가 설명될 수 있다. 여기서 말하고자 하는 것은 위의 계산 방법으로 도출한 설계 데이터와 해석 프로그램을 이용한 Auto 러너 밸런스 전사모사 설계 데이터를 비교 분석하고 보다 효율적인 러너 밸런스 설계를 제시하고자 한다.

그림 7. ‘H’형의 수지 충진 유동 패턴 (a)과 ‘일자’형 수지 충진 유동 패턴 (b)

그림 8은 ‘일자’형의 유동 거동 계산식을 적용하기 전·후를 비교한 것이다. (a)는 2차 러너의 초기값인 2.2mm이며, (b)는 위의 계산식에 의해 도출된 값인 2.5mm을 적용하여 유동 거동을 전산모사를 통해 확인한 유동 패턴이다. 만약 계산 결과값이 없다면 2.2mm에서 여러 차례의 해석 과정을 거쳐 유사한 값을 발견하게 될 때까지 계속 해석 과정을 수행하게 될 것이다. 최적화된 값을 갖기 위해서는 실험계획법을 전산모사로 구현하여 가장 적절한 값을 구할 수 있으나, 최적화 기법은 러너 밸런스에서는 다루지 않고 성형품 해석 단계에서 다루고자 한다.

그림 8. ‘일자’형 수지 충진 유동 패턴의 (a), (b)

그림 9는 ‘일자’형의 유동 거동을 8캐비티와 16캐비티 해석 프로그램의 Auto 러너 밸런스 기능을 이용해 유동 거동 패턴을 살펴본 것이다. 여기서 그림 (a)는 8캐비티이고, (b)는 16캐비티이다. 자동으로 계산한 2차 러너의 치수를 확인하면 사실 상 게이트 입구의 치수보다 작게 나타난 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 2차 러너의 직경을 금형에 적용하려면 금형가공 상의 제약이 따르는 결과를 초래하고 있어 이것을 해결할 대책을 고민해야 한다.

이런 고민에 앞서 먼저 (a)의 ‘일자’형 8캐비티와 (b)의 ‘일자’형 16캐비티 Auto 러너 밸런스 해석을 수행한 결과를 분석하고자 한다. Auto 러너 밸런스 해석을 수행하기 전에 항상 전제 조건을 염두에 두어야 한다. 먼저 Auto 러너 밸런스를 해석하기에 앞서 해석 조건을 입력하는 창이 나온다. 그림 10은 몇 단계 입력 과정의 한 과정으로 Auto 러너 밸런스를 위해 중요한 과정 중에 하나이다. 다시 말해 Edit Runner Balancing Constraints에서는 3가지 변수가 있다. 초기 러너 직경의 값을 Fixed 또는 Constrained 또는 Unconstrained할 것인지를 선택하여 확인해야 한다.

그림 9. 8캐비티 Auto 러너 밸런스 (a)와 16캐비티 Auto 러너 밸런스 (b)

현재의 시스템으로는 1차 러너, 2차 러너의 성질은 Unconstrained 로 부여하고 해석을 수행하면 무난하며, 여기서 제공하는 값을 가지고 수정 보완하면 좋은 결과를 얻어낼 수 있다. 또는 1차 러너를 Fixed 상태로 하고 2차 러너를 Unconstrained로 하면 소기의 목적을 달성할 수 있다. 단, Fixed로 선택할 경우에는 충분하게 러너 크기를 부여하지 않으면 예상하지 못한 결과를 제공하기 때문에 해석에 참고할 필요가 있다. 

이와 같은 방법에 따라 (a)는 1차, 2차 러너의 초기값은 3.8mm를 부여했다. (b)는 1차 러너의 초기값은 3.6mm, 2차 러너값은 2.8mm로 부여했다. 표 1은 1차 러너를 Fixed하고 2차 러너는 Unconstrained하여 해석을 수행한 결과값이다. 표 2는 1차와 2차 러너를 Unconstrained로 하여 해석한 결과값이다. 여기서 러너를 최소화하여 러너 밸런스를 구현 하려다 보니 1차 러너를 Fixed 또는 Constrained로 하여 해석하게 되면 전혀 예상하지 못한 결과를 확인하게 되어 Unconstrained를 부여해 얻은 결과값이라고 할 수 있다

그림 10. 러너 밸런스 입력 창

표 1. 8캐비티 Auto 러너 밸런스

표 2. 16캐비티 Auto 러너 밸런스

다음회에 계속 이어집니다.

박균명 공학박사 _ 금형기술사