[헬로티]

사출 성형이란 플라스틱의 성형가공법으로 열가소성수지를 성형하는 대표적인 방법이다. 다양한 무게의 제품을 성형하며, 반복해서 제작할 수 있으므로 대량생산에 적합한 기술 중 하나다. 금형기술 11월호에서는 마지막 회차로서 사출성형공정에 적절한 보압 조건에 대한 내용 그리고 성형 불량 종류에 대해 알아보고자 한다. 

LS엠트론 김영기 고문 기고

보압절환점

위치, 시간, 유압압력 혹은 캐비티압력에 의한 보압절환점은 속도 크로즈드루프 제어에서 압력 크로즈드 루프 제어로 유압상에서 절환하는 것이다. 캐비티에서 보압절환점에 의한 용융압축이 완료된 금형캐비티 충진과 보압사이를 제어할 수 있다. 따라서 이것이 완전한 충진과 성형품의 외형을 만들고 결정적인 과충진에 대한 성형품의 품질을 결정한다. 

너무 늦은 보압절환은 스크류가 뒤로 밀려나오는 상태를 보고 즉시 확인할 수 있다. 너무 빠른 보압절환은 금형 캐비티가 효과적인 보압이 시작되기 전에 양적으로 완전하게 충진되지 않는다. 

유압압력을 측정할 때 압력의 하강에 의한 너무 빠른 보압절환과 압력피크에 의한 너무 늦은 보압절환점을 구분할 수 있다. 보압절환점의 설정에 의해 다음과 같은 현상이 나타난다.

보압절환이 너무 늦은 경우	보압절환이 너무 빠른 경우
⦁불필요한 압력 상승 ⦁플래시 발생 ⦁성형제품의 중량증가 ⦁제품 내부에 응력생성 ⦁금형손상 ⦁형체장치에 높은 응력을 가함 ⦁수지 역류로 스프루 주변 내부에 배향 발생	⦁압력 감소 및 미성형 제품 발생 ⦁성형제품의 중량감소 ⦁보압공정 하에서 계속적인 충진 ⦁플로우 마크 발생 ⦁심각한 웰드라인 발생 ⦁제품 중량의 편차 발생 ⦁제품 수축의 증가 및 싱크 마크의 발생

시작 초기에는 보압절환점을 매우 크게 선택해야 한다. 보압절환점의 점진적인 감소에 의해 금형 캐비티는 쇼트가 거듭되면서 점차 완전하게 충진될 수 있다.

보압절환

금형충진동작(사출) 후 최초 냉각 단계 동안 재료를 유동체 중앙에 의해서 계속 압력을 주기위해서 속도 오픈루프제어에서 압력 오픈루프제어(보압)로 전환해야 한다. 이때 재료의 동일한 양이 동일한 품질의 제품을 생산하기 위해 항상 금형 안에 있어야 한다. 

양의 변화나 속도의 변화처럼 방해하는 요소를 나타나게 영향을 주기 위해 다섯 개의 다른 즉 시간, 위치, 유압압력, 금형캐비티압력과 외부장치에 의한 보압절환점이 있다. 

일반적으로 보압절환점은 제품 품질측면에서 가장 정밀한 재현성을 확보해주는 것으로 선택돼야 한다. 항상 하나의 보압절환모드에 대한 설정만이 가능하다. 다른 보압절환모드를 선택하면 기선택했던 모드는 자동적으로 선택이 해제된다. 

선택된 보압절환모드는 화면상에서 PF, PH, C3, Z1과 C3E의 태그에 불이 표시된다. 

스크류 위치에 의한 보압절환에 있어서의 점도변화는 기계가 위치 C3에 도달하면 보압으로 절환된다. 스크류위치에 의한 보압절환은 점도와 온도 변화가 주요 방해요소일 때 주로 사용된다. 

유압압력에 의한 보압절환에 있어서의 체적변화는 기계가 보압절환범위와 설정유압압력(PH)에 도달한후 보압으로 절환된다. 유압압력에 의한 보압절환은 속도변화에 스크류팁의 체크링의 일정치 않은 동작, 재생품 추가 등 주요 방해요소가 있을 때 주로 사용된다. 

금형캐비티압력에 의한 보압절환은 설정한 금형캐비티압력에 도달한 후 기계는 보압으로 절환된다. 이는 금형 내에 압력 트랜스듀서나 포스 트랜스듀서가 장착된 경우에만 가능하다. 금형캐비티압력에 의한 보압절환은 하나의 캐비티금형에 더 나은 재현성을 확보한다는 것이 실제로 증명됐다. 

보압

보압은 냉각 시 금형 내의 성형혼합물의 수축을 보상하기 위해 보압시간 동안 스크류로부터 용융쿠션에 동작하는 압력이다. 보압은 용융수지를 압축하게 함으로써 밀도에 의존하는 품질의 특성을 결정한다. 

보압이 너무 낮게 설정된 경우	보압이 너무 높게 설정된 경우
⦁싱크마크의 발생 ⦁기공의 발생 ⦁성형제품의 수축량 증가 ⦁성형제품 치수의 감소 ⦁성형제품 치수변화의 증대 ⦁수지 역류에 의한 고화층 내부에 배향 발생	⦁스프루 근처에서의 응력발생 ⦁이형 시 문제 발생 ⦁고화층 외부에서의 인장응력 발생

각각의 경우에 게이트가 고화될 때까지 요구하는 보압시간에 예로 싱크마크나 기공이 없어질 때까지 보압이 단계별로 증가돼야 한다. 요구하는 잔류용융 쿠션 스트로크는 계량스트로크의 대략 5~10%가 돼야 한다. 

보압이 종료되기 전에 보압이 하강하는 프로필을 나타내는 경우, 성형된 제품 내부의 수축 편차에 따른 휨 발생 감소, 내부 응력 완화, 요구 에너지 감소 등의 장점을 갖는다. 

보압 설정은 높은 보압으로 배향정도나 내부응력을 피하기 위해 용융이 금형충진단계의 종료 시에 필요한 압력까지 압축돼야 한다. 보압은 본질적으로 성형품의 무게와 외부 치수에 영향을 준다.

각각의 보압은 보압시간 Z2를 10등분해 동작한다. 대부분의 경우 보압의 최고값이 보압으로 절환되자마자 즉시 발생되고 그 값이 PNS로 저장된다. 표준으로 3개의 다른 직경의 스크류를 장착할 수 있는데 해당 값을 반드시 고려해야 한다. 

절대치 산정이라는 화면에서 스크류의 직경을 입력하면 직경에 따라 환산된 기계의 값들을 확인할 수 있다. 또한, 특수 스크류에서 압력한계가 적은 직경의 스크류를 장착했을 때 효과적일 수 있다.

보압시간

성형품의 벽두께와 무게에 의존하는 정확한 치수의 게이트는 용융재료가 스프루에서 멀리 떨어진 곳에서부터 스프루 근처의 부분으로 고화된다. 

최소 이 순간에 성형품이 압력 하에 있을 때까지 양의 수축이 압축된 용융재료에 의해 보상된다. 최대로 효과적인 보압시간이 완료되기 전에 종료되는 경우, 다음과 같은 현상이 나타날 수 있다. 

⦁싱크마크의 발생

⦁수지 역류에 의한 재료내부의 배향발생

⦁기공 발생

⦁변형량 증대, 특히 결정성 재료인 경우

⦁성형제품의 중량 감소

⦁성형제품의 치수변화량 증대

⦁규정 치수에 미달되는 제품 발생

⦁수축량 증대

금형벽온도와 보압에서 용융온도가 증가하면 게이트 개방시간이 증가한다. 금형시험에 대한 효과의 기간은 게이트가 고화할 때까지 충분히 길어야 한다. 이것을 위해서는 대략 냉각시간의 30%가 필요하다. 

최대로 효과적인 보압시간은 성형품의 무게 측정이나 금형 캐비티 압력 커브의 측정에 의해서 스프루 근처에서 결정될 수 있다. 최적의 보압시간은 대부분 크게 설정된 보압시간을 줄여가며 찾을 수 있다. 

그때 성형품에 대한 너무 짧은 보압시간으로 인한 위에서 언급한 결과나 감소한 금형 캐비티 압력의 변화가 보일 때는 게이트의 개방시간이 도달하지 않았다는 것이다. 

효과적인 보압시간

효과적인 보압시간은 점차 증가되는 보압시간에 따라 생산되는 성형품의 무게를 측정해 결정할 수 있다. 보압의 양을 일정하게 유지해야 한다. 무게가 상당하게 증가하는 것이 멈추자마자 효과적인 보압시간에 도달한 것이다. 

성형품에서 게이트 시스템으로 혹은 스크류전단의 공간으로 불명확한 방법에 의해 용융수지가 뒤로 새지 않도록 하는 것이다. 이것은 성형품의 무게나 치수에서의 변화의 결과일 수 있다. 

냉각시간

일반적인 냉각시간의 계산공식은 다음과 같다. 

냉각시간 t = 제품살두께s2 / π2 x 열분산aeff × In(4/π × 용융온도Tm – 금형온도Tw / 이형온도Te – 금형온도Tw)[s]

물리적인 금형 캐비티 충진은 양적인 금형 캐비티 충진이 완료되면서 시작하고 형개와 함께 종료된다(이형공정). 기계에 설정하는 잔류냉각시간은 보압시간에 의해 줄어드는 물리적 냉각시간이다. 이것은 보압완료와 함께 시작하고 형개 시에 종료된다.

잔류냉각시간 = 물리적인 냉각시간 – 보압시간

금형시험을 위해 물리적 냉각시간은 반드시 결정돼야 한다. 성형품이 확실하게 치수적으로 단단하게 이형될 때까지 성형품으로부터 충분히 길게 열을 제거해야 한다. 

너무 짧은 냉각시간은 수축을 증가시키고, 이형에서의 기계적 변형을 야기하며, 제품벽이 두꺼운 성형품에서 유동체 중심의 높은 잠열로 인한 표면에 이미 냉각된 성형품층의 재용융을 야기시킬 수 있다. 단순하고 매우 개략적인 평가를 위한 물리적인 냉각시간의 초기 가동을 위한 초기값으로서 아래와 같은 식을 적용할 수 있다. 

물리적인 냉각시간(sec) = 최대 제품 살 두께(mm) x (1 + 2 x 최대 제품 살 두께)

상기 계산식을 사용할 수 있는 조건은 제품 살 두께 1~4mm 그리고 캐비티/금형벽 온도는 60℃ 이하여야 한다.(60℃ 이상은 첨가제 30%)

쿠션감시

용융재료의 쿠션은 보압이 완료되는 시점에서 측정하고 화면에 CPx로 표시된다. 용융재료의 쿠션 변화는 스크류팁의 불규칙한 동작이나 사출량에 의해서 발생될 수 있다.

표준 스크류팁(Non-Return Valve)

스크류의 동작은 계량 중에는 체크링을 앞쪽으로 이동시키도록 압력을 가한 후 용융재료가 체크링 안으로 빠져나가 스크류전방 공간으로 채워지게 한다. 사출 중에는 왕복동작으로 체크링이 닫혀진다.

로킹핀 스크류팁(Non-Return Valve)

스크류 회전과 동작이 완료될 때 지지핀이 경사진 연결링크에 상당하는 압력에 의해 체크링이 닫힌다. 따라서 스크류팁은 사출시작 전에 이미 닫혀 있다. 또한 정확하지 않은 동작의 결과로는 저속의 사출속도나 석백 없는 설정은 배제돼야 한다. 용융재료의 쿠션은 최소와 최대값으로 감시할 수 있다. 쿠션 측정값이 설정한 범위를 벗어날 경우엔 불량품 수량이 증가하고 “쿠션하한 혹은 상한” #32 혹은 #33에러가 화면에 표시될 뿐 기계 사이클은 계속 진행된다. 

압력값 기록

보압으로 절환할 때 유압압력(PHu)과 금형에 캐비티센서가 장착돼 있다면 금형 캐비티압력(PFu)이 기록된다. 더군다나 사출 시에 유압압력의 최고치(PVs)와 보압에서의 유압압력 최고치(PNs) 그리고 금형 캐비티압력의 최고치가 매 사이클마다 기록된다.

성형 불량의 종류

▲이젝터 자국

이젝터 자국(Visible Ejector Mark) : 짧은 냉각시간과 높은 보압으로 인해 발생하는 성형 불량 현상

▲이형중 변형

이형중 변형(Deformation during Demolding) : 짧은 냉각시간과 높은 보압으로 인해 발생하는 성형 불량 현상

▲표면층 박리

표면층 박리(Flaking on the Surface Layer) : 높은 사출속도, 높은 가열실린더온도나 낮은 금형온도로 인해 발생하는 성형 불량 현상

▲콜드 슬러그

콜드 슬러그(Cold Slug) : 과다한 석백량과 낮은 노즐 온도로 인해 발생하는 성형 불량 현상

▲갇힌 공기

갇힌 공기(Entrapped Air) : 과다한 석백량과 낮은 배압으로 인해 발생하는 성형 불량 현상

▲흑점

흑점(Dark Spot) : 높은 가열실린더 온도, 높은 계량속도, 가열실린더내의 과다한 체류시간 등의 요인으로 발생하는 성형 불량 현상

▲뿌연점

뿌연점(Dull Spot near the Gate) : 적은 게이트, 높은 사출속도로 인해 발생하는 성형 불량 현상