모든 금형에는 다음과 같은 5가지 기능이 있다. 아래의 5가지 기능이 올바르게 구현되면서 안정적인 생산을 이룰 수 있으면, 최적의 금형이라고 할 수 있다.

1. 부품의 형상(캐비티)을 정의함.

2. 플라스틱 재료를 사출기에서 캐비티까지 이송함. 

3. 캐비티에서 공기가 밖으로 빠져나가게 함.

4. 플라스틱 성형품을 냉각함.

5. 성형품을 취출함.

일반적인 금형은 플레이트(Plate) 수에 따라 2단 금형과 3단 금형으로 구분되며, 런너(Runner)의 형태(Type)에 따라 콜드런너(Cold-runner) 금형과 핫런너(Hot-runner) 금형으로 나누기도 한다.

또한, 동일 금형 내에 캐비티의 수에 따라 단일 캐비티(Single-cavity) 금형, 복수 캐비티(Multi-cavity) 금형, 그리고 캐비티의 형상이 틀린 복수의 캐비티를 가지는 패밀리(Family) 금형으로 구분하기도 한다.

아래의 그림은 금형의 각 부위에 대한 명칭을 보여주며, 성형 기술자나 성형해석 담당자들은 금형 설계자와의 의사소통에 사용될 수 있도록 숙지하여 두는 것이 바람직하다. 

특히 성형과정 중에 과도한 내압이 작용하거나, 높은 형체력이 요구되는 금형의 경우에는 받힘봉(Support Pillar)을 적절히 이용하여 금형의 변형에 대비하여야 한다.

여기에서는 제품의 품질과 사출 공정에 영향을 끼치는 항목과 금형 설계과정에서 주의하여야 할 사항을 중심으로 논의 해보고자 한다.

스프루 부싱(Bushing)은 기계 노즐을 금형에 연결하는 공급구이며, 부싱에서 형성되는 응고된 플라스틱 부분을 스프루(Sprue)라고 한다. 스프루는 노즐이 스프루 부싱과 만나는 좁은 끝부분에서 점점 가늘어지며, 이 테이퍼의 드래프트(Draft) 각도는 최소 2도 이상이어야 한다.

스프루의 넓은 끝에는 스프루 풀러(Sprue Puller)가 있으며, 이는 언더컷이 된 짧은 이젝터 핀 형태로서 취출(Ejecting) 시에 스프루를 금형에서 쉽게 빼내는 데에 사용된다. 또한, 이것은 콜드 슬러그(Cold-Slug)의 역할도 수행한다.

스프루에서 캐비티로 플라스틱을 보내려면, 금형에 경로가 있어야 하며, 이러한 경로를 런너(Runner)라고 한다. 런너의 단면적 또는 유동 길이가 각 캐비티에 대해 동일하지 않으면 캐비티가 동일한 시간으로 충진되지 않으며, 잘 설계된 캐비티 및 런너의 배치는 각 캐비티로 플라스틱을 자연스럽게 흘러가게 하여 충진의 균형을 향상시킨다.

멀티 캐비티 금형인 경우에, 런너의 크키와 스프루에서 캐비티까지의 거리가 동일하여도 캐비티 간의 충진 불균형이 발생한다. 

이는 런너의 내부에서도 온도와 유속의 변화가 발생하기 때문이며, 런너의 두께가 커질수록 편차가 심해진다. 사출속도에 따른 충진 불균형을 알아보기 위해서는 동적 캐비티 불균형 테스트(Dynamic Cavity Imbalance Test)를 진행하여야 하며, 추후에 ‘사출 공정 최적화’ 단원에서 다루고자 한다.

핫런너(Hot-Runner) 메니폴드(Manifold)를 이용하여, 공정 중에 재료를 액상으로 유지할 수 있으며, 이는 스크랩(Scrap)을 제거하여 재료비를 절감하고, 사이클 타임을 감소시켜 생산성을 향상시켜준다. 그러나 공정상에서 관리해야 할 변수를 증가시키고, 공정의 안정성을 저하함으로 좋은 면만 있는 것은 아니다.

• 자연적인 균형이 이루어진 런너 배치(Layout)일지라도 캐비티 불균형은 발생한다. 

• 캐비티 밸런스(Balance)는 속도에 따라 변화함으로 충진 속도를 최적화하는 테스트가 필요하다.

• 핫런너(Hot-Runner)의 경우에 메니폴드(Manifold)의 온도가 관리가 생산성에 가장 큰 변수이다.

런너와 캐비티를 연결하기 위하여 가공된 작은 경로를 게이트(Gate)라고 합니다. 아래의 그림과 같이 다양한 게이트 디자인이 있으며, 모든 캐비티의 게이트 치수는 동일해야 하며, 게이트의 수와 위치는 공정에 매우 중요한 영향을 미친다.

효과적으로 설계된 게이트는 아래의 두 가지 조건의 균형이 이루어져야 한다.

(1) 냉각 및 분리를 용이하게 하기 위하여 충분히 작을 것 

(2) 압력손실을 최소화할 만큼 충분히 클 것 

탭(Tab) 게이트를 예를 들어, 게이트의 설계 인자는 3가지이며, 아래와 같이 각 설계 인자를 조정함에 따라 제품이나 공정에 영향을 미칠 수 있다.

(1) 깊이: 분사(jetting) 및 배향에 영향을 미침.

(2) 폭: 분사(jetting) 및 배향에 영향을 미침.

(3) 길이: 짧은 길이로 인해 게이트 밀봉(Sealing) 시간이 길어질 수 있음.

일부 가열 시스템에서는 게이트를 밀봉하기 위해 밸브 게이트를 사용하는 경우가 있으며, 게이트 수와 위치는 설계 단계에서 매우 신중한 검토가 필요하다. 

핫런너 메니폴드(Manifold)와 밸브 게이트(valve-gate) 시스템은 한번 제작하면 수정이 불가하고 교체 시에 높은 비용이 필요하므로, 이를 사전에 사출성형 해석 소프트웨어를 사용하여, 게이트의 수와 위치를 검증할 필요가 있다.

밸브 게이트를 사용하는 주요 이유는 플라스틱의 차단을 제어하는 데 있으며, 밸브 게이트가 있으므로 해서 표면 마감이 잘 처리되며, 생산 후 게이트 제거를 할 필요가 없다.

• 모든 캐비티의 게이트 치수(깊이, 폭, 길이)는 동일해야 한다. 

• 게이트의 수와 위치는 공정에 가장 중요한 변수이며, 제품의 강도와 외관에 영향을 미친다.

캐비티 영역은 제품 설계 엔지니어의 담당 분야이지만, 성형 또는 금형 설계를 담당하는 엔지니어 일지라도 다음의 사항을 기본적으로 검토할 수 있어야, 양산 준비 기간을 단축할 수 있으며 문제점 발생 시 해결책을 쉽게 도출할 수 있다.

제품을 취출하는 방향으로 캐비티의 모든 부분에는 빼기 구배(Draft Angle)가 적절히 적용되어 있어야 하며, 제품에 언더컷(Undercut)이 없어야 한다.

 

제품의 두께는 제품의 강성과 같은 성능에 영향을 미치며, 성형공정에서 유동성과 수축, 그리고 냉각에도 크게 영향을 미친다. 두께는 균일하게 설계하는 것이 가장 좋으며, 부득이하게 두께가 틀린 경우에는 급격한 변화가 없도록 하여야 한다.

일반적으로 냉각시간은 총 사이클 타임의 80%라는 이야기가 있으며, 엔지니어(부품, 금형 또는 공정)로서 냉각에 영향을 미치는 요인과 사이클 타임(Cycle Time)을 결정하는 방법을 이해해야 한다. 

위의 수식을 이용하면 제품의 두께와 재료의 특성에 따른 이론적인 냉각시간을 계산할 수 있으며, 두께가 1㎜에서 2㎜로 늘어나는 경우에 냉각시간은 2배가 아니라 4배로 늘어남을 알 수 있다.

• 냉각시간은 제품 두께의 제곱에 비례한다. 

제품의 모서리 부위의 ‘코너R’은 내부응력의 집중을 방지하는 데에 매우 중요할 뿐만 아니라, 수지의 흐름을 원활하게 하고 수축에 의한 변형을 줄이는 데에 매우 중요한 요소이다.

특히 코너 부분에서의 안쪽과 바깥쪽 면이 서로 다른 속도로 냉각이 되어 발생하는 변형을 코너 효과(Corner Effect)라고 하며, 이는 사각 형태의 제품에 빈번하게 나타나는 문제점이다.

리브는 제품의 강성(Stiffness)을 향상시키거나, 변형(Warpage)을 줄이는 데에 사용되며, 적절한 설계가 이루어지더라도, 충분한 보압이 전달되지 않으면 성형 시에 리브의 뿌리(Root) 부분에서 부분수축(Sink-Mark)이 발생함으로 주의하여야 한다. 

제품의 두께에 비하여 너무 얇은 리브의 경우에, 충진 단계에서 유동 선단의 온도가 강하되어 미충진이 발생할 가능성이 있음에 주의하여야 한다. 이러한 문제점은 적절한 리브 두께로 수정하거나 충진 속도를 최적화하여 해결할 수 있다.

보스는 다른 제품과의 체결을 위하여 필요하며, 리브와 같이 적절한 설계가 이루어지더라도, 충분한 보압이 전달되지 않으면 뿌리(Root) 부분에서 부분수축(Sink-Mark)이 발생함으로 주의하여야 한다. 

구멍이 서로 근접하거나 제품의 끝단에 가깝게 설계되면, 웰드라인에 의하여 강도가 급격히 떨어지고 외관이 양호하지 않을 수 있음에 주의하여야 한다.

플라스틱이 금형에 주입될 때, 밀폐된 금형의 캐비티 내에 가득 차 있는 공기/가스는 유동 끝단 부분의 작은 채널 또는 구멍을 통하여 외부로 배출된다. 이렇게 금형에 가공된 채널 또는 구멍을 가스빼기(Gas Vent) 라고 한다. 가스빼기(Vent)에는 다음과 같은 종류가 있다.

(1) 에지 가스빼기(Edge Vent)

(2) 가스빼기 채널(Vent Channel) 

(3) 가스빼기 핀 (Vent Pin)

(4) 진공 가스빼기 (Vacuum Vent)

가스빼기(vent)는 사실 게이트의 반대 개념이며, 금형에서 가장 간과되고 무시되는 경향이 있으나, 제품의 품질과 생산 안정성에 끼치는 영향은 매우 크다. 벤트(Vent)에 있어서 가장 중요한 치수는 ‘깊이’이며, 약 0.02~0.05㎜가 일반적이고, 이젝터 또는 코어핀의 경우에 측면과의 간극이 0.01~0.025㎜가 적당하다.

• 금형에 적절히 설계된 벤트(Vent)가 아무리 많이 있어도 지나치지 않다. 

• 가스빼기가 적절치 않았을 때 미성형(Short-Shot) 탄화(Burn-Mark) 같은 문제점이 발생한다.

플라스틱이 금형에서 고화되는 것은 냉각 라인을 통하여 재료가 가지고 있는 열이 빠져나가기 때문이며, 이때 냉각속도는 금형 캐비티 벽면의 온도와 재료의 온도 차에 의해서 결정된다. 냉각 라인은 금형에 축적되는 열을 효과적이고 안정적으로 제거할 수 있어야 한다.

반결정성(Semi-crystalline) 수지를 재료로 사용하는 경우에, 비결정성(Amorphous) 수지보다 냉각 라인 배치에 세심한 배려가 필요하며, 아래와 같은 기본적인 설계지침을 충실히 따르는 것이 좋다.

냉각 라인에는 일반적인 직선의 드릴 홀 (Drilled Hole) 타입이 이용되며, 그 외에 배플(Baffle), 버블러(Bubbler), 히트파이프(Heat Pipe) 등이 사용된다. 요사이에는 캐비티의 형상을 따라 냉각 라인을 가공하는 컨포멀(Conformal) 냉각 라인의 적용도 늘어가는 추세이다.

냉각이 완료되면 금형이 열리고 제품의 취출이 이루어지며, 이는 금형 내의 취출기구(Ejector)가 담당한다. 취출기구에는 간단한 이젝터-핀(Ejector-Pin)에서부터 복잡한 기계장치가 있으며, 그 종류는 다음과 같다.

(1) 이젝터-핀(Ejector-Pin)

(2) 스트립퍼-판(Stripper-Plate)

(3) 슬리브(Sleeve)

(4) 공압장치(Pneumatic(Air) System)

(5) 기계장치(Mechanical System)

금형이 열리는 방향의 직각인 평면에 투영되는(성형부품+런너)의 면적을 투영면적(Projected Area)이라고 한다. 투영면적은 성형공정 중에 금형이 벌어지는 것을 막기 위하여, 그리고 과도한 형체력에 의한 금형의 손상을 막기에 적절한 형체력을 계산하기 위해 필요하다.

형체력의 계산은 투영면적에 캐비티의 압력을 곱하여 얻어지며, 압력은 캐비티의 실제 평균 압력을 이용하는 것이 가장 정확하다. 그러나 압력 센서가 설치되어 있지 않은 경우에는 성형해석의 결과를 이용하거나, 재료 전문가에게 추천받는 것이 바람직하다.

• 성형부품을 만드는 금형에 적절한 허용오차(Tolerance)를 주도록 설계한다.

- 정확한 수축 데이터를 사용

- 게이트 밀봉(Seal)을 위한 설계 

- 성형부품 방출을 위한 적절한 빼기 구배(draft)를 적용

• 사이클(Cycle) 타임을 위한 금형을 설계한다.

- 검증되고 적절한 이젝터 시스템을 적용

- 각 캐비티에 대해 동일하게 적절한 냉각을 사용

- 열이 집중되는 곳에 냉각 라인을 배치

- 모든 냉각 채널에서 유속 모니터링을 실시

- 지름/거리/피치가 정확한 냉각관을 사용

- 항상 성형부품을 한 번의 취출 동작(One Ejecting Cycle)으로 취출되도록 설계

• 각 캐비티(Cavity)를 동일하게 설계/가공한다.

- 플라스틱 흐름 길이

- 냉각

- 게이트 위치

- 벽의 두께

• 쉽게 충전되는 금형을 설계한다.

- 유동 균형 유지

- 과도하지 않은 흐름 길이

- 일정한 벽의 두께

- 금형의 압력손실을 추정하는 성형해석 소프트웨어 도구 사용

여기에서는 금형 설계 및 가공 상의 문제로 발생하는 성형 불량에 대하여 간단히 발생 이유와 금형에서의 해결책을 검토하고자 한다. 이는 기본적으로 금형의 설계와 제작에 문제가 있는 경우에 공정 최적화를 아무리 완벽하게 수행하여도 고품질의 제품을 생산할 수 없기 때문이다.

★ 사출기 모니터링 시스템의 필요성 

– 금형 변형(Mold Deflection) 모니터링(예제)

 

제품의 변형(Warpage)이란, 수축이 일정하지 않아 발생하는 기하학적 형상변화를 말한다. 부분영역에서 수축이 동일하지 않으면, 제품 내부에서 응력이 발생하며, 제품의 강성에 반비례하여 변형에 영향을 준다.

변형의 주요 원인은 수축 차이(Differential Shrinkage), 냉각 차이(Differential Cooling), 배향(Orientation)이 있으며, 경우에 따라서는 금형 변형(Mold Deflection), 코너 효과(Corner Effect), 취출 불량(ejection Difficulty)이 변형의 원인이 될 수 있다.

금형 변형에 의한 제품의 변형이 발생하는 경우에, 모니터링 장비와 금형 변형 센서의 활용이 없는 현장에서는 원인 파악이 불가능하여, 올바른 대책을 수립하기 어려운 경우가 종종 발생한다.