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.
다수 캐비티 러너 밸런스
지난 회에서는 사례로 독립된 캐비티가 다수일 때 ‘일자’형과 ‘H’형의 러너 밸런스를 고찰했다. 이번에는 멀티 캐비티로서 다수 게이트가 요구되는 제품 성형의 경우를 고찰하고자 한다. 여기서는 Knob Push Preset을 일체형으로 성형하는 것으로, 성형품의 형상이 조금씩 상이한 편이다. 일체형으로 되어 있어 동작 기능에는 인근 Knob Push Preset에 영향이 미치지 않도록 레이아웃 설계를 했고, 대량 생산에 필요한 금형과 성형 기술이 관건이 된 제품이다.
러너의 형태를 ‘일자’형과 ‘H’형 중심으로 분석하고, 이를 토대로 러너의 형상과 배열의 중요성을 고찰해 보기로 한다.
그림 1은 ‘일자’형 러너 레이아웃이며, 성형품은 7개로 구성된 것으로 Shot당 28개의 제품이 성형되도록 설계됐다.
그림 1 ‘일자’형 러너 레이아웃
1차 러너는 Occurrence number가 2이고, 2차 러너는 Occurrence number를 4로 세팅했다. Occurrence number는 해석 시간을 줄이고 성형품 28개를 해석한 결과와 동일한 결과를 얻기 위한 과정이다. 러너 임의 직경은 1차 2차 공히 6mm를 input 데이터로 했으며, 6mm는 경험에 의한 임의의 크기이다. 해석 과정에서 해석 결과에 따라 러너 직경의 유연성 구속 여부를 가지고 경우의 해석으로 유동 패턴을 검증했다.
그림 2의 (a)는 첫 번째 사례로 1차 러너와 2차 러너가 고정된 사례이며, (b)는 두 번째 사례로 1차 러너 는 고정하고 2차 러너는 구속하지 않았다.
그림 2. ‘일자’형 러너 해석 결과
(c)는 세 번째 사례로 1차 러너는 구속하고(2mm~8mm) 2차 러너는 구속하지 않은 사례이며, (d)는 네 번째 사례로 1차 러너와 2차 러너를 구속하지 않았다. 해석 기본 입력 조건은 금형 온도 60도, 수지 용융 온도 240도, 사출 시간은 1.0s, 압력 V/P는 99%이다. 러너 밸런스의 목표 압력은 50MPa를 기준으로 가공 허용공차는 0.01mm, 시간 허용공차 5%, 압력 허용공차 5MPa로 했다.
해석 결과를 바탕으로 1차 러너와 2차 러너가 성형품에 어떤 영향을 미치고 어떤 형상으로 변화되고 유동 특성을 갖게 되는지를 살펴보고자 한다. (a)의 경우는 그야말로 임의의 러너 직경 값을 부여하고 계산한 결과이다. 러너와 스프루 중량은 28.92g이며, 사출 압력은 56.85MPa이다. 캐비티에 충진되는 속도는 스프루에서 먼 곳에 있는 캐비티가 먼저 충진되는 것을 확인할 수 있다. 이것은 지난 회에서 소개한 유체의 성질 때문이다. 동일한 러너 직경에 일정한 압력을 주었을 때 일정한 양이 통과하기 때문이다. 유체의 성질에 대한 기본 지식은 다음에 다루고자 한다.
(b)의 경우는 1차 러너는 6mm로 고정하고 2차 러너를 50MPa의 압력으로 충진하는 조건이다. 러너와 스프루 중량은 21.32g이고, (a)에 비해 러너 중량이 약 33% 줄어들었으며 상대적으로 2차 러너의 직경이 작아지므로 사출 압력은 약 11% 정도 증가했다.
(c)의 경우는 1차 러너는 구속(2mm~8mm)하고 2차 러너 직경을 구속하지 않은 해석 결과이다. 러너의 직경을 살펴보면, 1차 러너의 최대 크기로 나타난 부위가 D4 부위로 8.52mm이고, 최소 크기는 D1 부위로 4.43mm이다. 러너 스프루 중량은 27.44g, 압력은 69.9MPa로 (b)보다 증가했다.
(d)는 1차 러너와 2차 러너 직경을 구속하지 않고 주어진 압력에 따라 러너의 치수를 자동으로 계산하도록 해석했다. 러너 스프루 중량은 해석 (a)보다 약 44%를 줄일 수 있었다. 사출 압력과 속도는 먼 곳인 경우 압력이 낮아지고 속도는 빨라지는 연속방정식을 따르고 있다. 해석 (d)의 사례는 러너 레이아웃으로 설계할 경우 가장 이상적인 러너 밸런스 결과를 얻을 수 있으나 기계가공 등 현실적인 어려움이 있을 것이다.
최적의 러너 레이아웃 구현은 설계자의 경험과 지식에 근거하여 판단하는 것이 현실적인 대안이다. 만약 위의 4가지 경우 중에 하나를 구상하고 있다면, 설계 적용 여부를 신속하게 판단하는데 도움이 될 것이다.
표 1. 타입별 해석 결과 값
표 2. 1차 러너의 직경
표 3. 2차 러너의 직경
지금까지 러너 밸런스에 대하여 여러 사례를 중심으로 분석하고 검증한 결과를 제시했지만, 설계자에게 속 시원한 해답을 제시할 수 없어 아쉬움이 남는다. 제품마다 특성이 다르고 크기도 다르기 때문에 ‘이것이 최상이다’라는 정답을 제시하는 것은 어떻게 보면 무모한 시도일지도 모른다. 추가로 그림 3과 그림 4를 제시하고자 한다. 러너 밸런스를 위한 판단 기준에 도움이 될 수 있기를 바란다.
그림 3. 오리지널 러너 레이아웃
그림 4. Runner Wizard를 활용한 러너 레이아웃
그림 3은 다년간 금형 설계 경험을 가진 전문가가 설계한 오리지널 금형 레이아웃이다. 물론 금형 제작을 완료하여 생산했던 제품이다. 계속되는 생산 제품의 트러블로 인해 러너의 중요성을 공감하기 위해 본 제품을 사례로 공유하고자 한다. Fine Element는 Dual Mesh와 3D Mesh의 두 가지 타입으로 검증했다. Dual Mesh는 66,584 Elements이고, 3D Mesh는 987,399 Elements이다. 여러 형태의 러너 레이아웃을 전사모사로 분석한 진단 결과는 오리지널 금형 레이아웃은 근본적으로 수정해야 한다는 것이다. 당초 설계된 레이아웃은 미성형부가 발생하여 주된 불량 원인이 되고 있다. 이른바 1차 러너와 ‘A’ 부위가 직접 연결되어 있다 할지라도 용융 수지는 결코 가운데부터 먼저 채워지지 않는다는 사실을 간과한 대표적인 레이아웃 설계이다. 이것은 설계자에게 제공되는 중요한 팁이 될 수 있다. 지금 당장은 금형을 재제작 할 수 없는 형편이라 성형 조건을 개선하여 보압 시간을 0.5초 늘리고, 전체 사이클 타임을 당초 50초에서 35초로 단축하여 생산은 중단하지 않고 진행했던 사례이다.
위의 러너 레이아웃을 조정하고 변경하려면 그림 2와 같은 다양한 적용 방법이 있다. 러너 레이아웃을 설계하기 위해서는 해석 프로그램에서 제공하는 기능을 활용하는 방법이 있다. 그림 4는 Knob Push Preset를 runner wizard를 이용하여 얻은 레이아웃이다. 본 runner wizard는 레이아웃 체적 설계를 위한 좋은 모듈이라 생각된다. 아쉬운 것은 러너의 직경을 제공하지 않고 설계자가 입력하는 것이다. 그리고 1차 러너와 2차 러너로 연결되는 분기점에서 러너의 크기가 만들어질 때 설계자의 임의로 조정할 수 없는 것과 러너의 직경이 다스려지지 않는다는 아쉬움이 있다.
예를 들면, 1차 러너의 분기점에서 2차 러너의 분기점의 간격 치수이다. 실질적으로 이젝터 구멍이나 냉각라인, 슬라이드 코어 같은 간섭 부위가 나타나지 않는다면 러너 직경의 1.5D 정도면 좋다. 그림 4에서 나타난 1차와 2차의 분기점 거리가 35mm인 것은 금형의 크기와 금형의 최적화에는 장애 요인으로 작용할 수 있다. 당초 스프루 위치는 원점에서 중심 위치가 -50mm까지 이동해야 하므로 최소한 금형의 크기는 한쪽 방향으로 100mm는 커져야 한다. 분기점 간의 간격을 가능한 줄이려 할 때 두 가지 트러블이 생기는 것을 확인할 수 있으며, 그림 4의 ‘a’ 부를 유심히 살펴볼 필요가 있다. 하나는 러너의 직경이 바뀌지 않기 때문에 러너 간에 겹치는 것과 또 다른 하나는 전혀 다른 모양으로 생성된다는 것이다.
본 과정을 검증하며 얻은 결론은 가능한 한 러너 밸런스는 균등하게 배치하는 것이 중요하다는 것이다. 금형 설계자는 설계의 기본을 잘 지키면 아주 적합한 캐비티 레이아웃은 물론이고, 금형 설계 전문가로서 설계를 잘할 수 있을 것으로 기대한다.
러너와 스프루
러너를 마무리하기 전에 러너와 밀접한 관계를 가지고 있는 스프루에 대하여 기본 지식을 공유하고자 한다. 우선 러너 치수를 결정하기에 앞서 검토해야 할 사항은 스프루의 크기와 사출기 실린더 노즐의 상관관계를 확인할 필요가 있다. 대부분의 사출기 노즐은 선단부는 그림 5와 같이 노즐의 선단부 치수를 기준에 비례하여 따를 수밖에 없다. 사출기 용량에 따라 다르기 때문이다. 일반적으로 중소형 사출기에서는 보통 노즐 선단부의 직경은 φ3.0mm을 적용하고 있다. 그렇다면 스프루 끝단(φdA), 즉 노즐 선단부(φdD)와 연결되는 부분 φdA는 +1.0mm를 크게 해주어야 한다.
일반적으로 콜드러너에서의 스프루 길이(L)는 스프루 끝단과 러너 위치까지 보통 50mm~200mm 범위에서 설계하고 있으며 고정측 형판의 두께에 따라 달라질 수 있다. 러너의 직경은 φ5mm~φ13mm를 주로 사용하고 있다. 왜냐하면 스프루의 구배가 편측 1.0°~2.0°로 표준화되어 있어 러너와 연결되는 스프루 끝단 치수는 러너 치수를 결정하는데 상관관계가 있기 때문이다. 예를 들면 스프루 입구 직경 φ4.0mm, 스프루 길이 50.0mm인 경우, 스크루 끝단 직경은 ((Tan 1.0°×50.0mm)×2) + 4.0mm = φ5.75mm이다. 따라서 러너의 최소 직경은 φ5.75mm이다.
대형 성형품인 경우 노즐의 직경도 커지기 때문에 러너의 크기도 증가하여 계산식에 따라 러너의 크기를 결정할 수 있다. 일반적으로 사용하는 원형 러너의 직경을 결정하는 방법은 이전의 글을 참고하기 바란다.
그림 5. 스프루 치수의 가이드라인
러너 설계 기술을 마무리하며
지금까지 러너는 캐비티 내에 용융수지를 채우는 수단으로만 생각해 왔다. 이런 생각에서 러너의 크기는 캐비티를 충진하기에 충분하면 되고 그리 중요한 것이 아니라고 여겨져 왔다. 유동이론에서는 캐비티 내에 유동 모델을 제어하기 위해 게이트의 위치와 러너의 크기가 복합적으로 관계되기 때문에 최적의 성형품을 얻기 위해서는 러너가 매우 중요하다.
마지막으로 러너에 있어 마찰열에 대한 개념은 매우 중요하다. 용융수지의 흐름을 제어하는 유동 제어와 마찰열을 제어하기 위해 러너를 사용할 수 있다. 잔류 응력의 크기는 용융수지의 온도 상승에 비례하여 낮아진다. 단지 실린더의 온도만 상승시키면 응력의 크기는 낮아지지만 수지가 성형 사이클 진행 중에 수초에서 수분 동안 실린더 내의 높은 온도 하에서 열을 받게 되므로 심한 분해현상을 일으킨다. 이와 반대로 낮은 실린더 온도로 사출하면 러너 내의 마찰열에만 의존하므로 응력을 낮추는 동일한 효과를 얻기도 한다. 동시에 수지는 러너에 유입할 때부터 적어도 고화가 일어나기 전까지 몇 초 동안 높은 용융 온도 하에 있게 된다. 결과적으로 종래의 생각으로는 직경이 큰 러너를 선호하면 성형도 잘되며 응력이 적고 변형도 적게 일어난다고 생각하고 있었지만, 직경이 작은 러너로 성형한 제품도 응력이 적고 변형이 적게 일어나는 경향이 있다는 사실을 주지할 필요가 있다.
직경이 작은 러너의 또 다른 중요한 이점은 냉각되는 동안 캐비티 내에 유입되는 수지가 과도하게 흐르지 않도록 보호하는 것이다. 러너의 직경이 큰 경우, 캐비티가 고화되고 얼마 후 러너가 고화되면 분명히 러너 내에서 고화가 진행되는 동안에 유동이 있게 된다. 이 때 보압이 너무 크면 캐비티 내로 유동되고, 보압이 너무 낮으면 캐비티 밖으로 유동되어 러너로 역류하게 될 것이다. 어떤 경우라도 이럴 때는 응력을 받는 제품이 생산되게 된다. 이상적인 성형이란 캐비티에 정상적으로 용융수지가 충진되고 싱크마크를 피하기 위해 최소한의 시간 동안 충진 및 보압을 유지한 다음, 러너가 고화되어 캐비티 안팎으로의 유동을 방지하는 성형 조건과 밸런스가 이루어지는 것이라고 할 수 있다.
종전에는 설계자가 수지의 유동을 예측할 수 없는 관계로 러너는 설계자가 의도하는 압력 강하로 설계하기란 쉬운 일이 아니었다. 러너는 필요 이상의 크기로 설계해서도 안 되지만 필요 이상으로 작게 설계해서도 안 된다. 그래서 지금까지 러너에 대한 지식을 공유한 것은 가장 적합한 러너를 설계할 수 있도록 돕는 것이다. 이미 검증을 통해 인지한 바와 같이 일반적으로 러너의 압력저항이 높으면 유동 제어는 양호해질 것이다. 러너에서의 마찰열은 캐비티 내의 잔류 응력의 크기를 작게 하여 양호한 제품이 얻어지게 한다. 사출기에서 사용할 수 있는 압력은 최대 충전 압력에 대한 한계를 설정한다. 일반적으로 안전율을 적용하기 때문에 압력 강하는 캐비티와 러너에서 사출기의 사출 압력은 중요하다. 일반적으로 최대 사출 압력의 80% 정도를 권장한다.
변형에 영향을 주는 응력의 크기는 높은 러너 압력과 높은 수지 온도를 사용하여 최소화시켜야 한다. 그러나 러너를 너무 작게 만들면 보압을 가했을 때 이미 고화되어 유동이 일어나지 않는다. 그러므로 러너를 보압이 끝나자마자 고화되는 시점을 찾는 것은 효율적인 생산 활동에 크게 영향을 끼친다. 한편 러너를 더 크게 만드는 것은 러너 내로 용융수지가 역류할 수 있는 요인이 될 수 있으므로 싱크마크를 억제하는데 장애가 될 수 있다. 싱크마크와 응력과는 항상 상반되는 관계가 있으므로 러너의 설계는 항상 싱크마크를 고려해야 한다.
유동의 균형을 이루기 위해 러너 시스템을 이용할 경우 러너와 캐비티의 충진 압력의 합은 각 러너의 유동 시스템에서 동일해야 한다. 이런 지식적 배경은 지금까지 다루었던 러너 밸런스를 기억하고 설계에 반영하면 좋은 결과를 얻게 될 것이다. 캐비티를 고려하지 않고 러너만의 균형을 이루는 것은 불충분하다. 러너 시스템을 변경시키면 유동 속도와 마찰열이 변화되기 때문에 캐비티 내의 압력 강하가 달라진다. 러너는 주어진 압력 강하에 대해 가능한 한 최소의 체적을 유지하기 위해 일정한 압력 구배 원칙을 사용하여 설계한다.
이번에 패밀리 금형에 대한 러너 레이아웃 설계를 다루지 않았지만, 다수 캐비티의 ‘일자’형 러너 밸런스를 염두에 두고 패밀리 금형을 설계한다면 도움이 될 것으로 보인다. 패밀리 금형은 오래 전부터 금형 설계자나 성형 작업자에게 문제가 되어 왔다. 종래에는 패밀리 구조의 성형품은 작은 캐비티나 큰 캐비티나 상관없이 동일한 러너 시스템으로 설계했다. 사출성형을 하면 작은 성형품은 먼저 충진되고, 큰 캐비티는 미성형이 되는 그런 구조였다. 그러다보니 작은 캐비티는 과잉 충진되어 필연적으로 변형의 원인이 되기도 했다. 러너 시스템은 균형 유동을 얻기 위해, 다시 말하면 패밀리 금형은 서로 다른 크기의 성형품 간에 과잉 충진이 되지 않게 하기 위해 동일 시간 및 동일 압력으로 유동되도록 설계해야 한다. 따라서 러너 시스템을 통해 용융수지의 유동 문제가 해결되면 과잉 충진을 피하면서 변형을 최소화하고 안정된 성형품 생산과 수지 손실을 최소화할 수 있다. 패밀리 금형은 전산모사 해석을 통해 쉽게 해결할 수 있다.
한편으로 금형 설계자는 제품이 확실히 충진되게 하기 위해 큰 러너와 다수의 게이트를 사용하려고 한다. 대부분의 금형에서는 충분한 수의 게이트와 큰 러너를 사용하여 원활히 충진할 수 있지만, 이럴 때 충진 모델이 때로는 아주 복잡해진다. 이런 경우에 작은 성형품이 먼저 충진되어 성형이 완료됐지만, 큰 쪽 캐비티를 충진하기 위해 더 많은 시간 동안 사출 압력을 유지하게 된다. 작은 캐비티 내의 수지는 유동이 계속될 수 없으므로 압력이 높아지고 제품에 플래시가 발생된다. 결국은 작은 성형품에는 플래시가 발생하고, 큰 성형품은 아직 성형이 덜된 상태가 되므로 성형의 균형이 깨져 안정된 성형품을 얻기가 어렵다.
소형 제품은 성형품이 작고 길이가 짧아 상세한 유동 해석을 할 필요는 없지만, 러너 설계는 아주 중요하다. 소형 제품이라고 해서 무심코 필요 이상으로 러너 치수를 크게 하는 경우가 있다. 러너의 체적과 캐비티의 체적비가 매우 중요하다. 이 비가 너무 크면 제품에 비해 스크랩의 양이 많아지고 결과적으로 재생 재료로 혼합하여 사용될 소지가 있어 성형품 안정화에 또 다른 문제를 일으키는 요인이 되기도 한다. 혹시라도 분쇄 재생 재료를 사용하면 매성형마다 수지 특성이 10%만큼 저하되므로 분쇄량은 가급적 최소로 유지해야 한다. 러너는 재활용하거나 폐기처리가 되는 특성을 가지고 있기 때문에 러너는 가능한 최소화해야 하고, 금형 설계자는 이를 극복하기 위한 충분한 지식을 가지고 있어야 한다.
다음 회에 계속 이어집니다.
박균명 공학박사 금형기술사
저자 약력
공학박사, 금형기술사
한국생산기술연구원 금형기술센터 재직
사단법인 한국금형기술사회 회장 역임
한국산업기술대학교 겸임교수 역임
국가뿌리산업진흥센터 소장 역임
