기술과 솔루션
스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술 5
작성자 : 취재부
2020-08-01 |
조회 : 2946
II. 모니터링 시스템의 활용에 필요한 기본지식
4. 공정(Process)
사출성형 공정(Process)은 플라스틱 제품이 만들어지는 과정을 이야기하며, 반복적인 공정상에서 제품을 생산하는 한 번의 주기를 성형 사이클(Molding Cycle)이라고 한다. 사출기의 동작에 따라 성형공정을 순서대로 나열하면, 아래와 같은 세부 단계로 구분할 수 있다.
(1) 금형 닫힘(Mold Close)
(2) 형체(Clamping)
(3) 충진(Injection)
(4) 보압(Packing & Holding)
(5) 냉각(Cooling) 및 개량(Plasticizing)
(6) 금형 열림(Mold Open)
(7) 제품 취출(Part Removal or Ejecting)
모니터링 시스템에서는 플라스틱 재료의 캐비티(Cavity) 및 사출기 배럴(Barrel) 내에서의 변화를 모니터링함으로, 형체 단계 이후의 충진, 보압, 냉각 그리고 계량 단계(Step)를 추적할 수 있다.
재료의 관점에서 보면, 건조된 수지가 배럴에서 마찰열과 히터(Heator) 열에 의하여 용융되고, 노즐을 통하여 금형으로 유동이 발생하며, 충진 완료 후에 압력을 받으며 냉각되어 고화된 후에 금형에서 분리되는 순서로 공정(Process)이 진행된다. 이때 재료의 상태 변화에 영향을 미치는 인자를 4 - Plastics Variables(4대 플라스틱 변수)라고 하며, 열(Heat), 유동(Flow), 압력(Pressure), 냉각(Cooling)을 말한다.
4.1 공정 최적화(Process Optimization)의 필요성
최적화된 공정은 다음과 같은 조건이 만족되어야 하며, 최적화되지 않은 공정은 불량률과 제품 생산비용을 증가시키고, 사출기의 가동률을 저하시키는 요인으로 작용한다.
• 설계 기준을 만족하는 양질의 제품을 생산하여야 한다.
• 최소의 사이클 타임(Cycle Time)으로 생산 가능하여야 한다.
• 양산 안정성이 확보되어야 한다.
예를 들어 사이클 타임이 1초가 차이 나는 경우에 다음과 같은 생산 조건 하에서 11일 생산비용(인건비, 사출기 및 부대장비 운용비용...)이 절약되며, 50대 정도의 사출기를 운용한다면 약 2대 정도의 사출기에 대한 투자를 절약할 수 있다. 아울러 양산 안정성이 떨어져 불량률이 약 10% 정도라면, 약 26일 정도의 생산비용이 상승할 수 있으며, 불량 감별에 대한 인력과 시간이 추가되어 과도한 비용 상승을 유발할 수도 있다.
이보다 더욱 심각한 문제는 불량품이 고객사에 납품된 경우로, Lot 전체를 회수하여 재검수를 진행하거나, 이에 대해 배상을 하여야 할 경우가 발생하여, 회사의 존립에 영향을 주기도 한다.
4.2 사출기의 공정 설정
사출기 동작 조건의 설정에 의하여 제품의 질과 양산성 및 비용을 결정되지만, 매우 복잡하고 다양한 공정조건(Processing Condition)으로 인하여, 경험이 풍부하지 않은 엔지니어에게는 공정조건 설정이 매우 어려운 것이 사실이다. 또한, 문제가 발생하는 경우에 쉽게 원인파악과 대처를 하기에 어려움이 있다.
여기에서는 사출기에서의 공정조건 설정에 대하여, 현재 현장에서 많이 사용되고 있는 아래 사출기들의 제어판(Control Panel)의 예를 들어 중요한 설정 부분에 대해서만 간략하게 알아보기로 한다.
4.2.1 형 개폐(Mold Close & Open)와 취출(Ejecting)
일반적으로 형 개폐(Mold Close & Open)와 취출(Ejecting), 그리고 형체력(Clamping Force)은 동일한 페이지에서 설정할 수 있도록 되어 있으나, Fanuc과 같이 여러 페이지로 나누어져 있기도 하다.
금형의 형 개폐와 이젝터(Ejector)의 동작은 속도(Velocity)와 위치(Position)로 설정되며, 금형 설치(Mold Set) 단계에서 측정된 금형 두께에 따른 위치를 기준으로 형체 시작 위치와 금형 보호 위치를 설정하도록 되어있다. 형체력은 금형의 투영면적(Projection Area)과 캐비티의 평균압력으로 계산되어진 값에 20% 정도의 안전율을 더하여 입력하면 된다.
취출(Ejecting)은 다음과 같은 입력값에 의하여 제어되며, 이젝팅 속도와 압력은 제품의 표면 강도와 제품의 표면 품질에 따라 결정하며, 횟수는 가능한 1회로 설정하는 것이 좋다.
1. 취출 속도(Ejecting Velocity)
2. 취출 압력(Ejecting Pressure)
3. 거리(Distance)
4. 취출 횟수(No. of Ejecting)
형개(Mold Open)는 초기속도는 빠르게, 최종속도는 느리게 설정하여 금형의 동작으로 인한 진동이 발생하지 않는 최단의 시간으로 설정하는 것이 적절하며, 형폐(Mold Close)는 아래의 그림에서와같이 고압의 형체력을 작동시키기 전에 저속과 저압으로 금형이 닫히는 구간을 설정하여, 금형을 보호하도록 하여야 한다.
그림 76은 형폐 단계의 조건 설정치를 보여주는 예제이며, 초기 75% 속도로 1.3㎜ 위치까지 금형이 닫히고, 15%의 속도로 1.3㎜에서 0.02㎜까지 최대 15%의 압력으로 형폐를 하여, 0.02㎜에 도달하면 35톤의 형체력을 금형에 작용하는 설정이다.
만일 1초 동안 1.3㎜에서 0.02㎜까지 금형이 닫히지 못하면, 기계가 멈추며 알람(Alarm)을 울리게 된다.
4.2.2 사출(Injection), 보압(Packing & Holding), 냉각(Cooling), 그리고 계량(Plasticizing)
일반적으로 스크류의 움직임(직선과 회전운동)과 연관된 동작, 즉 사출(Injection), 보압(Packing & Holding), 그리고 계량(Plasticizing)은 동일한 페이지에서 설정할 수 있도록 되어 있으며, 냉각시간의 설정도 동일 페이지에서 가능하다.(사출성형 공정에서 제품의 품질과 관련된 가장 중요한 설정 페이지임)
금형 내에서 일어나는 유동은 사출기 스크류의 직선운동의 제어를 통하여 발생하며 이때 사출기의 제어 변수는 속도(Velocity)가 된다. 일반적으로 V/P 절환(V/P transfer) 또는 Switch-Over라는 항목의 입력값을 이용하여 보압공정으로 넘어가며, 이때 사출기의 제어 변수는 압력(Pressure)이 된다.(빨간색 Box 참조)
속도/압력 절환은 위치(Position), 시간(Time), 압력(Pressure), 외부 신호(External Signal) 등과 같이 여러 가지 방법이 있으며, 대부분의 경우에는 스크류의 위치(Position)에 따르는 방법을 사용한다.
다음에서는 일반적인 성형조건(Processing Condition) 선정방법을 간략하게 다루어 보도록 한다.
사출거리 설정(Shot Distance Setting)
사출거리 설정은 계량거리로 설정할 수 있으며, 최종 스크류(Screw)의 위치는 계량거리에 디컴프레션(Decompression)거리를 더하여 결정된다. 여기에서 Decompression은 석백(Suck-Back)과 같이 회전없이 직선운동으로 스크류를 뒤로 이동시키는 것을 말한다.
계량거리는 실제 사출거리에 쿠션(Cushion)량을 더하여 결정되며, 사출거리는 다음과 같은 방식으로 초기 값을 설정할 수 있다.
(1) 목표 중량이 결정되어 있는 경우, 사출거리는(목표중량÷용융밀도)÷Screw 단면적
(2) 금형의 체적정보가 있는 경우, 사출거리는 체적×(고체밀도÷용융밀도)÷Screw 단면적
(3) 모든 정보가 없는 경우, 실험적으로 95~98% 충진되는 시점을 찾고 10㎜정도 거리를 추가
• 최종 스크류(Screw)위치 = 계량거리(Metering Distance) + 디컴프레션(Decompression) 거리
* 계량거리 = 쿠션(Cushion) + 사출거리(Shot Distance)
쿠션(Cushion)은 사출이 완료된 후에 최종적인 스크류의 위치, 즉 잔류거리를 말하여, 쿠션이 없으면 보압(Packing & Holding) 단계에서 캐비티로 압력을 전달할 수 없다. 또한, 이 값으로 금형에 유입되는 재료의 양을 변동을 예측할 수 있어, 공정에서 주요한 관리 포인트로 사용되며, 일반적으로 쿠션(Cushion)량은 약 5~7㎜ 정도를 유지하는 것이 좋다.
사출속도 설정(Injection Speed Setting)
사출속도는 외관상의 불량이 관측되지 않는 가장 빠른 영역에서 설정하는 것이 좋으며, 이는 추후의 보압단계에서 보다 균일한 캐비티(Cavity) 압력분포를 달성하는 데에 이점을 준다.
일반적으로 사출속도를 설정할 때에는 사출압을 100%, 보압은 15~25% 정도로 설정하고, 속도를 변화시켜 가면서 제품의 외관(Appearance) 품질을 검토하여 결정하는 것이 좋다.
사출속도가 과도하게 빠르면, 플래쉬(Flash), 플로우마크(Flow-Mark), 공기갇힘(Air-Trap)과 같은 불량이 발생하고, 사출속도가 과도하게 느리면, 미충진(Short-Shot)이나 심한 웰드라인(Weld-Line) 등이 나타난다.
사출압력 설정(Injection Pressure Setting)
사출압력은 설정된 사출속도가 충분히 구현될 수 있도록 높게 설정되어야 하며, 사출압이 불충분할 경우에는 사출시간이 설정치에 비하여 늘어나게 되고, 일정하지 않은 유동 선단 온도분포를 가지게 된다.
V-P 절환 설정(V-P Transfer Setting)
속도(V)-압력(P) 절환은 위치(Position), 시간(Time), 압력(Pressure), 외부 신호(External Signal) 등과 같이 여러 가지 방법이 있으며, 대부분의 경우에는 스크류의 위치(Position)에 따르는 방법을 사용한다.
절환 시점은 캐비티가 95~98% 정도 충진될 때를 선택하는 것이 바람직하며, 절환 시점이 너무 빠르면 미충진(Short-Shot)이 발생하고, 너무 느리면 플래쉬(Flash)가 발생한다.
보압 & 시간 설정(Holding Pressure & Time Setting)
적절한 보압시간은 작용시간을 증가시켜도 제품 중량이 변화하지 않는 시점 이상으로 선정하는 것이 바람직하며, 이때가 물리적으로 게이트(Gate)가 고화되는 시간과 일치한다.[* 밸브(Valve) 게이트 경우는 제외]
보압의 크기는 싱크마크, 플래쉬가 없이 적절한 치수의 제품을 얻을 수 있도록 설정하여야 한다.
밸브(Valve) 게이트 경우는 그림 82와 같이 보압과 보압시간의 조합으로 실험에 의하여 최적화할 수 있다.
냉각시간 설정(Cooling Time Setting)
냉각시간은 길면, 제품 취출 후에 발생하는 후 수축(Post Shrinkage)이 적으나, 이에 따라서 공정 사이클(Cycle)이 늘어나 생산비용이 증가함으로, 제품의 치수 공차를 만족하는 최소의 시간으로 설정하여야 한다.
계량속도 설정(Screw RPM Setting)
스크류 RPM은 사이클 타임을 늘리지 않는 한도 내에서, 가능한 낮은 속도로 설정하여야 하며, 크기가 다른 기계로 이동할 때에는 원주(Circumferential) 속도를 기준으로 RPM을 환산하여야 한다.
낮은 RPM은 높은 RPM에 비하여 다음과 같은 이점이 있다.
(1) 일정한 전단을 발생하여 재료를 보다 균일하게 용융한다.
(2) 유리섬유(Glass Fiber)와 같은 충전재의 파손을 감소시킨다.
(3) 매 사이클마다 재료의 물성 편차를 줄여준다.
배압 설정(Back Pressure Setting)
배압은 계량(Plasticizing) 중에 회전하는 스크류 뒤쪽에 가해지는 압력을 말하며, 일반적으로 플라스틱 제조업체의 권장 조건에 따라 설정하는 것이 좋다. 이러한 성형조건 가이드가 없으면, 3.0MPa에서 7.0MPa 사이의 플라스틱 압력으로 시작하는 것이 좋으며, 가능한 낮게 시작하는 것이 좋다.
* 성형조건 가이드에 기술된 대부분의 배압은 기계의 유압을 기준으로 나타내며, 이를 플라스틱 압력으로 환산하여야 한다. 플라스틱압력 = 유압 × 강화비(Intensification Ratio)
다단의 배압을 사용하는 경우에, 배럴(Barrel) 내 계량된 재료의 용융온도가 균일하지 않음으로, 사용하지 않는 것이 좋다. 이는 추후 캐비티 내의 불균일한 온도분포를 야기하여, 불균일한 수축을 유발할 가능성을 높일수 있다.
• 용융온도를 조절하기 위하여 배압(Back Pressure)을 변경하지 말 것.
• 배압을 바꾸면, 배럴 내 용융 플라스틱의 혼련(Mixing)과 균질(Homogenization)의 정도가 바뀐다.
4.2.3 공급구(Feed Throat)와 배럴(Barrel) 온도
온도(Temperature)설정 페이지에서는 노즐과 배럴의 각 구역(Zone)의 히터 온도를 설정할 수 있으며, 초기 설정온도는 재료 제조사에서 추천하는 온도를 사용하여 최적화하는 것이 간편하면서도 합리적이다.
사출기 편에서 기술한 바와 같이 배럴은 히터밴드(Heater Band)로 쌓여있고 절연체로 보호되고 있으며, 열전대(Thermocouple)에 의하여 설정된 온도로 전기공급을 제어한다. 다음의 설정온도는 히터밴드의 온도이며, 플라스틱 용융재료의 온도를 말함은 아니다.
• 히터에 의한 전도열은 융용온도를 유지하는 데에 약 20% 정도의 열원 만을 제공한다.
• 스크류 회전에 의한 마찰열이 나머지 80% 정도의 열원으로 작용한다.
공급구 온도 설정(Feed Throat Temperature Setting)
공급구의 온도는 재료의 용융과 습기/가스의 방출에 영향을 미치며, 온도의 설정과 유지가 잘못되는 경우에 공급구에 재료가 달라붙거나 서로 엉켜서 덩어리가 될 수 있다.(Sticking & Clumping) 또한, 습기와 가스에 의하여 제품에 스프레이(Splay) 현상을 발생하기도 한다.
종종 사출기에서는 공급구를 ‘Zone 0’ 또는 ‘Feed’라고 부르며, 설정온도는 덩어리가 발생할 정도로 충분히 차가워야 하며, 이슬이 형성되지 않을 정도로 충분히 뜨거워야 한다.
• 일반적으로 55℃~120℃ 범위에서 설정하는 것이 좋다.
• 45℃ 이하로 설정하는 것은 좋지 않다.
• 재료가 건조되어 바로 투입되는 경우에는 건조온도보다 5℃~10℃ 정도 낮추어 설정하는 것이 좋다.
배럴 온도설정(Barrel Temperature Setting)
사출기는 4개 이상의 배럴 구역을 가질 수 있지만, 기본 구역은 피드(Feed), 후방(Rear), 중간(Middle) 및 전방(Front)입니다. 또한, 노즐 바디와 팁을 정확하게 제어해야 한다.
[초기 배럴 온도 설정]
Step-1: 재료성형지침(Processing Guide)에서 용융온도의 중간값으로 히터 밴드의 온도를 설정.
Step-2: 적절한 배압을 선정.
Step-3: 적절한 스크류 RPM 선정.
Step-4: 온도가 안정될 때까지 기계를 가동.
Step-5: 용융 재료의 온도를 실제로 측정.
Step-6: 용융온도가 목표치와 다를 경우, 권장 범위 안에서 중앙과 후방의 설정값을 조정. 스크류의 회복(Recovery)에 문제가 있는 경우, 배압과 RPM을 조정하지 말고 최적화 실시.
ABS와 HIPS 같은 비결정(Amorphous) 수지는 버터와 같이 서서히 용해되어 쉽게 부드러워지며, 반대로, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 나일론(PA)과 같은 반결정(Semi-Crystalline) 수지는 얼음처럼 녹으며 융점에 도달할 때까지 단단히 유지되는 특성이 있다.
이 재료들은 녹는 점에 도달하기 위해는 일정량의 에너지가 필요하고, 반결정 수지는 비결정 수지를 녹이는 데 비하여, 약 2배의 에너지가 필요하다. 예를 들어, PS는 약 160Btu/lb가 녹이는 데에 필요한 반면, PP는 250~300Btu/lb를 소비한다. (* 반결정 수지를 제대로 녹이는 것이 더 어렵다.)
[배럴 온도 최적화]
Step-1: 후방구역의 온도를 조정하여 고정(Tacking)온도를 찾는다. 고정온도는 스크류의 회복(Recovery) 즉, 계량이 안정적일 때의 온도를 말한다. (변동이 최소일 때)
- 반결정 수지이고 샷이 배럴 용량의 약 50%보다 큰 경우, 5℃~10℃ 정도 높게 설정.
- 반결정 수지이고 샷이 배럴 용량의 약 40%보다 작을 경우, 10℃~15℃ 정도 낮게 설정.
- 비결정 수지의 경우, 중간구역과 동일하거나 낮게 설정
Step-2: 용융 재료의 온도를 실제로 측정.
Step-3: 전방구역의 온도를 조정할 때에는 중간구역의 온도를 후방구역과의 중간값으로 설정.
Step-4: 용융 재료의 온도를 확인하고, 필요에 따라 Step-1~Step-3의 작업을 반복.
Step-5: 노즐 구역을 마지막으로 설정.(노즐은 금형과 접촉하여 냉각됨으로 실제 성형 사이클에서 조정)
[용융온도 측정]
실제적인 용융온도를 지속적으로 모니터링하는 것은 매우 어렵다. 이유는 플라스틱이 절연체로써 분수유동(Fountain Flow)에 의하여 충진이 이루어지기 때문이다. 일반적으로 사출기 노즐에서의 측정온도를 용융온도로 생각하기 쉬우나, 노즐과 열전대(Thermocouple)가 도체이고 유동의 코어에 열전대 설치가 불가능함으로 성형 중에 직접 고온계(Pyrometer)를 이용하여 측정할 필요가 있다.
Step-1: 사이클 완료 후에서 퍼지(purge)한다.(가능한 경우 퍼지 플레이트 사용)
Step-2: 수집용 절연 컵/용기에 용융물을 수집한다.
Step-3: 가는 탐침을 가진 고온계(Pyrometer)를 용융물에 찌른다.
Step-4: 탐침을 용융물에 서서히 휘젓는다.(약 30초간)
Step-5: 느리게 반응하는 고온계의 경우, 탐침을 예열해야 한다.(* 용융물과 30℃ 이내 유지)
앞에서는 사출성형 공정의 최적화 필요성과 초기 사출 성형공정의 설정에 대하여 간략하게 논하였으며, 보다 자세한 기술적 내용은 재료, 사출기, 금형에 따라 달라질 수 있으므로 유의하여야 한다.
다음은 본편에서 일부 참고한 기술자료의 목록이며, 여기에서 참고한 내용 외에 보다 자세한 내용은 본문의 내용을 참고하기 바란다.
1. Optimizing Pack & Hold Times for Hot-Runner & Valve-Gated Molds, SUHAS KULKARNI
2. Feed-Throat Temperature Control, JOHN BOZZELLI
3. How to Set Barrel Zone Temps, JOHN BOZZELLI
공정을 보다 합리적이고 빠르게 최적화하기 위해서는, 공정조건과 결과에 대한 데이터가 축적되어야 하며, 이를 통하여 체계적인 성형조건 확립 프로세스가 존재하여야 한다. 또한, 데이터 축적을 통하여 AI와 같은 선진 기법을 도입할 수 있으며, 나아가 스마트팩토리(smart Factory)의 실현이 가능하게 되는 것이다.
★ 공정 최적화를 위한 사출기 모니터링 시스템의 필요성
용융온도(Melt Temperature)의 모니터링(예제)
생산공정에서 온라인(On-Line)으로 용융온도를 측정하는 것은 매우 어렵다. 노즐이나 배럴에 설치된 열전대(Thermo-couple)는 유동 중심(Core)이 아니라 표면(Skin)의 온도를 측정하는 것이며, 더욱이 적외선(Infrared Ray) 온도 측정기는 표면의 온도를 빛의 반사로 측정함으로 정확성이 더욱 떨어지고 온도 측정의 일관성이 확보되지 않는다.
캐비티의 온도 센서를 통하여, 간접적으로 유동 선단의 온도를 측정할 수 있으며, 이는 모니터링 시스템에서 일련의 테스트를 통하여 얻은 금형 캐비티 벽면 온도와 실제 용융온도의 상관관계를 설정하는 것이다.
보다 정확한 결과를 얻기 위해서는 Press-fit 타입의 온도 센서를 사용하는 것이 바람직하다.
보압시간(Packing Time)의 최적화(예제)
공정 제어를 하기 위하여 금형에서 모든 캐비티의 게이트(Gate) 밀봉(Seal)이 언제 발생하는지 여부를 파악하는 것이 중요하며, 모니터링 장비가 없는 경우, 여러 번의 반복 실험에 의하여 중량의 변화가 없는 시점을 게이트 밀봉(고화)시간으로 선정한다.
모니터링 시스템과 압력 센서가 장착된 경우에는, 게이트 부근의 압력곡선으로 보다 정확한 게이트 밀봉(고화) 시간을 설정할 수 있다. 게이트 고화 시간이 짧으면, 게이트에서 역류가 발생하며, 이는 게이트 근처의 압축응력을 감소시켜 압력 구배에 영향을 주어 휨(Warpage)과 치수 변화의 원인이 된다. 게이트 고화 시간이 길면, 사이클 타임을 증가시켜, 생산비용을 증가시킨다.
… 2020년 핸들러 9월호에서 ‘스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술 6’ 이 이어집니다.
