사출성형기는 플라스틱 재료를 용융시켜 금형에 주입하고, 압력(보압)을 가하면서 냉각시키는 성형시스템이며, 크게 사출부(Injection Unit), 금형부(Mold), 형체부(Clamp Unit)으로 나눌 수 있다.

다음 그림에서 일반적인 사출기의 각 부위에 대한 명칭을 보여준다 (그림-20)

사출성형기(또는 사출기) 종류는 구동 방식, 형체 구조, 사출 구조, 기계의 형태, 기계의 성능 등으로 분류할 수 있으며, 여기에서는 구동 방식과 형체 구조에 따른 특징과 장단점을 기술코자 한다. 또한, 이러한 특징들이 사출 제품과 성형공정에 어떻게 영향을 주는 가를 이야기하고자 한다.

사출성형기를 구동 방식에 따라 분류하면, 유압식(Hydraulic), 전동식(Electric), 하이브리드식(Hybrid)으로 나눌 수 있다.

유압식은 모터를 회전시켜 연결된 유압펌프로 탱크 내의 오일(작동유)을 작동 부위에 설치된 액추에이터(Actuator, 유압 실린더 등)에 공급하여 움직이게 하며, 필요한 공정순서에 따라 위치, 압력, 속도를 임의 조정하여 작동하는 방식이다. 

전동식은 서보모터(Servo-Motor)를 각 작동 부위에 설치하여, 볼 스크류(Ball Screw), 기어박스(Gear Box), 타이밍 밸트(Timing Belt) 등을 이용하여 동력을 전달하는 방식으로 회전수와 토크(Torque)를 제어한다.

하이브리드식은 유압식과 전동식의 장점을 살려서 혼용하여 사용하는 방식이다. 예를 들면 형체와 계량에만 서보모터를 구동하는 방식, 유압식의 메인 전동기를 서보모터로 구동하는 방식이 있다.

사출성형기를 형체 구조에 따라 분류하면, 토글식(Toggle)과 유압식(Hydraulic) 또는 직압식, 복합식으로 나눌 수 있다.

토글식은 지렛대 원리를 이용한 토글 링크와 유압 실린더에 의하여 형체력을 발생시키는 방식이며, 형체력의 조정이 용이하지 않은 단점을 가진다.

유압식(또는 직압식)은 유압 실린더에 유체 압력을 금형에 직접 가하여 형체력을 발생시키는 방식이며, 형체력의 조정과 설정이 용이한 장점을 가진다.

복합식은 기계식과 직압식의 복합구조로, 형체력 발생은 직압식과 유사하나, 최종적으로 기계적인 체결력으로 형체를 유지하는 방식이다. 이 방식은 주로 500톤 이상의 대형 사출기에 적용되며, 투 플레이트 락킹(Two Plate Locking) 방식과 웨지(Wedge) 방식이 있다.

저장통(Reservoir)은 유체를 담아두는 장소이며, 일반적으로 탱크(Tank)라고 한다. 

유체가 시스템을 통과하도록 힘을 가하는 펌프(Pump)와 유체 방향과 압력을 제어하는 밸브(Valve), 그리고 유체 에너지를 기계적 힘으로 변환시키는 액추에이터(Actuator)로 구성되어 있다. 일반적으로 직선 운동은 실린더가 담당하며, 회전 운동은 모터를 이용한다. 

3가지 유압 원리

1. 운동은 오일의 흐름(Flow)에 의해 발생한다.

2. 유속에 따라 속도(Speed)가 결정된다.

3. 하중(저항)에 따라 압력(Pressure)이 결정된다

실린더와 스크류의 단면적의 비를 이용하여 최대 사출압을 예측할 수 있으며, 이러한 면적 비(Dc/Ds)를 증압 비(Pressure Intensified Ratio)라고 한다. 아래의 그림은 실린더에 작용하는 유압과 사출 압의 관계를 나타내며, 유압식 사출기에서는 사출 압을 유압 실린더의 압력 게이지에서 측정하여 보여준다.

• 펌프(Pump)를 통하여 나오는 유량(Q)을 제어하여 유압식 사출기를 작동한다.

• 압력은 플라스틱이 유동하는 데에 필요한 것이 아니라, 플라스틱이 움직이는 결과로 발생한 것이다.

• 유속과 압력은 독립적으로 제어할 수 없다. 

• 사출압(Injection Pressure)은 유압 실린더의 센서에서 측정된 유압을 이용하여 계산된다.

아래의 그림과 같이 모터의 토크(Torque)와 풀리(Pulley)의 치차 개수비(Ratio)에 의하여 최대 사출압이 정해지며, 유압식에 비하여 사출 속도와 압력의 제어가 정밀하나 대형화하기가 용이하지 않다.

• 사출압(Injection Pressure)은 스크류(Screw) 후면에 설치된 로드 셀(Load Cell)에서 측정된다.

배럴은 두꺼운 벽을 가지는 파이프 형태로 제작되며, 재료를 투입하는 공급 통로(Feed Port)와 열전대(Thermocouple)를 설치하는 구멍, 그리고 노즐 어댑터(Nozzle Adaptor)를 연결하는 볼트 구멍 등이 가공되어 있다. 사출기에 나타나는 배럴 온도는 배럴 내의 수지 온도와 조금 상이함을 인지하여야 한다.

공급 통로(Feed Port)는 호퍼(Hopper)와 연결되어 있으며, 건조된 재료가 자유낙하에 의하여 배럴 내로 이동하게 된다. 투입구(Feed Throat)에는 냉각 재킷(Cooling Jacket)이 설치되어 있으며, 이는 재료가 녹아 덩어리져서 공급부를 막는 것을 방지하기 위함이며, 유지보수가 필요한 부분이다.

• 투입구 온도가 높으면, 투입되는 재료가 녹아 재료의 이송이 불가능해진다.

• 투입구 온도가 낮으면, 투입되는 재료에 응결(Condensation)이 일어나 수분을 함유하게 된다.

스크류는 고체의 재료를 금형에 주입하기 위하여 용융하고 혼련시키는 역할을 하며, 아래의 그림과 같은 3개의 영역인, 공급부(Feed Zone), 압축부(Compression Zone 또는 Transition Zone), 그리고 계량부(Metering Zone)로 나눌 수 있다. 

• 공급부(Feed Zone) – 재료 이송(moving): 고체 상태

• 압축부(Compression Zone 또는 Transition Zone) – 재료 용융(melting): 고체/액상 혼합 상태

• 계량부(Metering Zone) – 재료 혼합(mixing): 액상 상태

일반적으로 스크류를 크기와 성능을 구분하는 데에는 L/D나 압축비(Compression Ratio)를 사용한다. L/D는 스크류 길이와 직경의 비를 이야기하며, 압축비는 공급부(Feed Zone) 채널 깊이(Channel Depth)와 계량부(Metering Zone) 채널 깊이(Channel Depth)의 비를 나타낸다.

스크류의 L/D가 큰 경우에는 안료나 마스터 배치(Batch) 사용 시 혼련 효과가 높아지나 원료의 정체가 발생하여 변색 또는 탄화가 발생할 수도 있다. 

반면, 스크류 L/D가 작은 경우에는 혼련이 부족해지고 열량이 부족하여 재료의 미용융이 발생할 수 있다. 혼련 정도를 증가시키기 위하여, 스크류 전면에 믹서(Mixer)를 장착하여 사용하기도 한다.

• 낮은 압축비(Compression Ratio): 1.5 ~ 2.5:1 - 전단에 민감한 재료에 사용(예: PVC, PC, PMMA)

• 중간 압축비(Compression Ratio): 2.5 ~ 3.0:1 - 일반적인 재료에 사용(예: ABS, PS, SAN)

• 높은 압축비(Compression Ratio): 3.0 ~ 5.0:1 - 결정성 수지 재료에 사용(예: Nylon, PE, PP)

재료의 용융(Melting)은 가열된 배럴(Barrel)과 고체 덩어리의 미끄럼마찰의 결과로 이루어지며, 이것은 마치 네모난 얼음 조각을 뜨거운 연삭숫돌(grinding wheel)에 밀어 넣어서 녹이는 것처럼 빠르고 효과적이다. 용융이 계속되면 고체 덩어리의 크기는 감소하지만, 용융 풀의 크기는 증가하며, 채널 깊이가 얕아지면 전단율(shear rate)이 증가한다. 

사출기 스크류의 끝단에는 스크류 팁과 함께 역류 방지 밸브(Non-Return Valve)가 설치되어 있으며, 이는 용융된 재료가 스크류 선단에서 뒤쪽으로 역류하는 것을 방지하는 목적으로 사용된다.

공정 중에 이 밸브의 동작이 일정하지 않으면 제품의 품질이 일정치 않게 되어 불량률이 증가하게 된다.

• 사출 중에 밸브 차단(Seal)의 일관성과 누출량을 알아보기 위하여 다음 테스트를 수행하는 것이 좋다.

(1) 동적 체크링 반복성 테스트(Dynamic Check-ring Repeatability Test) 

(2) 정적 체크링 반복성 테스트(Static Check-ring Repeatability Test) 

아래와 같이 역류 방지 밸브(Non-Return Valve)에는 다양한 디자인이 있지만, 모두 4가지 카테고리 중 하나에 속하며, 모든 역류 방지 밸브의 공통점은, 팁 어셈블리와 배럴 사이에서 간격(clearance)이 0%가 되지 않음으로, 밸브가 어느 정도는 샐 수 있다는 것이다.

배럴(Barrel) 끝단에는 노즐(Nozzle)이 조립되어 있으며, 이는 금형의 스프루 부싱(Sprue Bushing)과 접촉하여, 배럴 내의 용융된 재료를 최소의 열손실 하에 샘(Leakage) 없이 금형 내로 공급하는 역할을 한다. 공정 중에 노즐의 온도 안정성과 유지보수 상태가 양호하지 않으면 불량률이 증가하게 된다.

• 노즐(Nozzle)의 볼록 곡률과 스프루 부싱(Sprue Bushing)의 오목 곡률이 서로 맞아야 한다.

• 노즐(Nozzle)의 구멍의 크기는 스프루 부싱(Sprue Bushing)의 구멍보다 작아야 한다.

배럴(Barrel) 외부에는 전기 히터 밴드(Electric Heater Band)와 단열재로 둘러싸여 있으며, 일반적으로 클로즈 루프(Closed Loop) 제어를 통하여 온도를 제어한다.

• 사출기에서 피드백(Feed-back)되어 표시되는 온도는 재료의 온도가 아니라 배럴에 설치된 열전대의 온도임을 인지하여야 한다.

형체부는 크게 고정판(Fixed Platen), 이동판(Moveable Platen), 심압대(Tailstock Platen), 취출 시스템(Ejecting System), 그리고 타이바(Tie Bar)로 구성되어 있다. 

토글식의 특징

- 토글을 압축하고 타이바(Tie Bar)를 늘려 형체력을 제어한다.

- 일반적으로 금형의 모서리 4곳에 형체력이 작용한다.

- 형체력을 미세하게 조정하기 어려우며, 최대치 이하로 설정하기 어렵다. 

- 금형/작업장 온도에 따라 형체력이 변화한다.

유압식(또는 직압식)의 특징 

- 유압 실린더로 형체력을 직접 제어한다.

- 일반적으로 금형의 중심에 형체력이 작용한다. 

- 형체력을 미세하게 조정하여 설정하기 용이하다. 

- 금형/작업장 온도에 따라 형체력이 변화하지 않는다.

- 최소 금형 높이는 형체 실린더의 행정거리(Stroke)에 따라 제한된다.

아래와 같이 토글식과 유압식 사출기는 금형을 다르게 지지하며, 이에 따라 형판(고정판과 이동판)의 변형이 다르게 발생한다.

금형이 얼마나 잘 지지가 되는지는 아래의 세 가지 요소에 달려 있다.

- 클램프(Clamp)의 유형: 토글식 또는 유압식(직압식)

- 형판의 강성(Strength): 주물이 강판보다 더 뻣뻣(Stiff)하다.

- 형판과 금형 크기 관계: 형판의 크기가 금형의 한 방향으로 최소 2/3 공간보다 커야 한다. 

거의 모든 사출기는 취출 시스템(Ejecting System)을 이동판에 부착하고 있으며, 취출 판(Ejector Plate)을 움직여 이젝트 핀(Eject Pin)이 금형에서 제품을 밀어내는 형태이다. 

취출 공정은 속도, 압력, 거리, 횟수, 4가지 변수로 제어되며, 이를 최적화하여야 사이클 타임(Cycle Time)과 금형에서 취출될 때에 발생하는 문제점(예: 취출 불량, 찍힘 자국, 후 변형 등)을 최소화할 수 있다.

금형에만 내압(Cavity Pressure) 센서나 온도 센서 등을 설치하는 경우에, 제품에서 발생하는 현상과 사출기의 동작 및 기계적 요소의 문제점을 연관시키기가 어렵다. 

사출기에 유압(Hydraulic) 센서, 스트로크(Stroke) 센서, 그리고 사출 신호 입력장치 등을 설치하여, 사출기의 동작을 함께 모니터링하면, 현상 파악이 쉽고 문제점 해결이 용이하다. 아울러 이러한 장치들에서 받은 정보들은 사출기의 유지보수를 위하여 매우 유용하게 이용되기도 한다.

이 장에서는 제품의 품질에 크게 영향을 끼칠 수 있는 사출기의 몇 가지 기계적인 요소에 대하여 간략하게 기술하였다. 추후에 연재되는 [사출기 성능점검] 편에서 중요한 이슈를 보다 자세하게 다루고자 한다.