기술과 솔루션
스마트공장을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술7
작성자 : 취재부
2020-10-04 |
조회 : 3015
최근 사출성형 산업계에서는 복잡한 제품 구조와 복합 성형 공정의 증가, 그리고 다양한 사용 환경에 대한 더욱 엄격해진 품질요구에 직면하고 있다. 이러한 변화에 이해하고 대응하기 위하여, 사출성형 모니터링에서 얻어지는 데이터를 기반으로 사출성형 공정을 최적화하고 활용하는 방법과 이에 필요한 기본적인 지식에 초점을 맞추어 기사를 연재하고자 한다.
RJG사는 사출성형 교육, 기술 및 리소스 분야에서 세계적인 리더로 인정받고 있는 회사이며, 사출성형 공정 모니터링에 사용되는 센서와 장비를 생산/공급하고 있다. 본 기사에 게재된 자료들은 씨에이프로(주)와 RJG사에 모든 권한이 있다.
자료제공 : CAEPRO 이길호 대표 (RJG공식 컨설턴트/트레이너)
Ⅲ. 사출성형 모니터링 시스템의 활용
2. 사출 공정 최적화(Optimization)
시사출 공정 또는 샘플링 공정에서 아래와 같은 모니터링 시스템을 사용하면, 사출 공정의 최적화를 상대적으로 용이하게 이룰 수 있으며, 이러한 시스템을 통하여 스마트공장 구축에 더욱 쉽게 접근할 수 있다.
시사출 공정 또는 샘플링 공정에서 설정된 사출 조건 최적화 상태는 내압 및 온도 센서에서 얻어지는 데이터와 육안 및 측정기 데이터 분석을 통하여 이룰 수 있다. 공정 최적화의 달성 여부는 제품의 품질(Quality), 생산성(Productivity), 그리고 공정 안정성(Stability)에 의하여 판정되어 진다.
사출 공정은 재료를 실린더에서 용융하고, 스크류의 직선운동을 통하여 금형 캐비티 내로 용융된 재료를 주입하여 냉각시키는 과정이다. 이때 제품 또는 금형 캐비티에 가장 영향을 끼치는 단계는 속도로 제어되는 충진(Filling) 구간과 압력으로 제어되는 보압(Packing) 구간으로 볼 수 있다.
그러므로 최적화에 가장 중요한 인자가 사출 속도, 보압 크기와 시간, V/P 절환임을 유추할 수 있다.
[그림 114]는 사출 공정에서의 사출압과 내압의 변화를 보여주는 것이며, 전 단계 구간은 다음 단계 구간에 영향을 준다는 것을 명심하여야 한다.
예를 들어 속도제어 구간에서 속도가 과도하게 느리면, 캐비티 내의 점도가 높아져, 설정된 보압이 캐비티 끝단까지 용이하게 전달되지 않아 예상하지 못한 과도한 수축이 발생하게 된다. 이렇게 전 단계의 공정은 다음 단계의 공정에 영향을 미침으로 다음 단계의 영향을 고려한 최적화가 이루어져야 한다.
여기에서는 사출기의 설정과 동작으로 발생하는 사출압(Injection Pressure or Hydraulic Pressure)과 캐비티(Cavity) 압력 데이터(곡선)를 이용하여, 제품의 품질을 향상시킬 수 있는 사출 공정의 주요 제어 인자(Parameter), 속도와 압력의 최적화에 대한 기본적 이해와 이에 대한 활용에 관하여 기술하고자 한다.
사출을 수행하는 방법에는 여러 가지가 있다. 일반적으로 충진은 속도제어로, 보압은 압력제어로 하는 방법이 널리 사용되고 있으며, 간혹 충진을 압력으로 제어하는 방법을 사용하기도 하지만, 이는 각 사이클(Cycle)의 제품의 편차가 커서 생산성과 제품 안정성이 떨어짐으로 유의하여야 한다.
사출 공정(Process)의 다양한 방법을 구분하는 척도는 제어 구간을 몇 단계로 구분하여 제어할 것인가에 있으며, 다음은 RJG의 구분법을 소개한다.
2.1 사출 속도(Injection Speed) 최적화
사출 속도를 최적화하기 위해서는 다음과 같은 두 가지의 원칙이 충족되어야 한다.
• 풍부한 압력(Pressure in abundance)
• 원하는 유속(Flow Rate)을 얻기에 충분한 유동(Enough capacity of pump or accumulator)
금형에 플라스틱을 충진(Fill) 및 충전(Pack)하기 위해서는 사출기 제어를 어떻게 해야 하는지에 대한 다음과 같은 개념을 인지하여, 최적화를 수행하여야 한다. 최적화의 목적은 우수한 성형부품을 지속적으로 생산할 수 있게 하기 위함이다.
• 사출 속도는 사출기의 속도(Velocity) 설정값에만 반응한다.
• 충진 중, 설정 압력은 이차적인 변수이다.
• 점도(Viscosity) 변화에 관계없이 사출기는 매 사이클마다 일정하고 반복적인 사출 속도를 보여준다.
(* 그러나 캐비티 내의 압력은 일정하지 않음)
• 점도 변화를 최소화하기 위해 빠르게 충진할 수 있어야 한다.
• 최적의 조건을 위하여 폴리머 유동학(Rheology)에 대한 이해가 도움이 된다.
모니터링 시스템에서 나오는 데이터만으로 사출 속도의 최적화를 이룰 수는 없으며, 이는 제품의 외관 불량에 대한 판정을 육안으로만 할 수 있기 때문이다. 대부분의 외관 불량은 충진과정에서 발생하며, 모니터링 시스템은 사출 속도에 따른 압력의 변화를 보여줌으로써 성형 기술자가 주어진 사출기에서 최적의 조건을 설정하는 데에 보조적인 역할을 한다.
아래의 그림에서 보는 바와 같이 Vs1 사출 속도에서 압력이 평행하게 유지되는 현상이 발생하며, 이 경우에는 최대 사출압 제한에 의하여, 설정된 속도가 이를 위하여 감속된 것이다. 충진에 문제가 없는 경우에는 설정 속도를 줄여 속도를 제어를 가능하게 할 필요가 있다. 충진에 문제가 있는 경우에는 최대 사출압이 높은 사출기로 교체하여 성형을 수행하여야 한다.
[그림 117]에서 보는 바와 같이 사출 속도를 증가하면, 금형의 내압이 증가하게 된다. 사출 속도가 감소하여, 충진 공정의 압력이 낮은 경우에 사출품의 외관, 특히 전사성에 문제가 되는 경우가 발생하며, 충분한 두께를 가지는 경우에 보압 공정에서 상당한 크기의 압력을 가해야만 해결이 가능하다.(* 얇은 제품이나 냉각이 빠른 제품의 경우에 높은 보압으로도 해결이 불가능하다.)
일반적으로 점도의 변화에 가장 영향을 많이 끼치는 인자는 전단률(Shear Rate)이며, 이는 사출기의 속도와 직접적으로 연관이 있다. 그 외에 융용 온도, 금형 온도, 배압과 계량 속도 등에 의하여 점도가 변화하기도 한다. [그림 118]에서 보는 바와 같이 충진 시 점도의 상승을 억제하면, 게이트 부근과 유동 말단에서의 금형 내압 차이가 감소하게 되어 보다 균일한 수축을 유도할 수 있다.
그림에서 보압 공정에서 캐비티의 압력이 최대로 증가하며, 사출기에서 노즐에서 작용하는 압력보다 게이트 부근과 유동 말단의 압력이 낮음을 볼 수 있다. 이를 정적 압력 손실(Static Pressure Loss)이라고 하며, 95~99% 충진 테스트를 통하여 ‘노즐 → 스프루 → 런너 → 게이트 → 캐비티’ 순서로 압력 손실이 발생하는 것을 동적 압력 손실(Dynamic Pressure Loss)이라고 한다. 동적 압력 손실이 많은 경우에는 성형 조건의 변경보다는 금형 수정을 통하여 문제점을 해결하는 것이 더 용이한 접근 방식이다.
에너지 저감이라는 경제적인 측면과 사출 제품의 품질이라는 두 가지 측면에서 보면, 사출 속도는 실질적인 수준에서 빠르면 빠를수록 바람직함을 알 수 있다.
• 가능한 빠른 충진 속도를 사용해야 한다.
• 이것이 충진 속도를 최적화하는 가장 빠르고 간단한 방법이다.
• 흐름 관련 불량(플래시, 타버림 등)이 발생할 경우 다단(Profiled) 속도가 요구될 수 있다.
• 충진 불량에는 적화(blush), 강도, 광학, 페인트 접착, 분사, 연소 및 공기트랩
(마지막 3개에 대해서는 금형 수리로 문제해결 가능)이 포함된다.
• 금형을 단일 충진 속도로, 95%에서 99%를 채울 수 없다면, 금형을 수정하는 것이 좋다.
모니터링 데이터와 육안 검사를 이용한 최적의 충진 속도 선택 방안
양산에서 최적화된 충진 속도를 설정하기 위해서는 생산라인에서 사용될 가능성이 있는 모든 사출기에 성형이 가능하여야 하며, 이는 [그림 119], [그림 120]과 같은 테스트 방법을 기본으로, 모니터링 시스템을 통하여 데이터를 수집/분석하여 결정할 수 있다. 그러므로 현장에 있는 사출기들의 최대 사출압, 최대 사출 용량 그리고 스크류 직경 등의 기본적인 성능 데이터를 미리 준비할 필요가 있다.
테스트를 위한 표준 DECOUPLED MOLDING® II 공정을 실행할 사출기들을 설정하고, 성형부품이 95~98% 충진되도록 조건을 설정하여 각 사출 속도에 대한 성형을 수행하고 외관 평가를 진행한다. 최종적으로 사출 용량과 불량방지에 부합되고, 모니터링 데이터의 특이점이 없는 최적의 사출 속도 구간을 설정한다.
2.2 보압 절환(V/P Transfer) 최적화
모니터링 장비가 없는 경우에, 캐비티 내압과 관련하여 신뢰할 만한 정보가 없기 때문에 절환 시점을 선정하는 것이 어렵고 종종 틀리는 경우가 있다. 일반적인 보압 절환 시점에 따른 금형 내압의 변화는 [그림 121]과 같이 나타난다. (* 아래의 그림에서 센서의 위치는 유동 말단부 또는 중간부분 이후)
A) 보압 절환 없이 사출하는 경우: 충진 공정에서 과도한 압력 상승 유발
B) 보압 절환이 빠른 경우: 충진 공정에서 압력이 주춤하는 현상 발생
C) 보압 절환이 느린 경우: 충진 공정에서 매우 예리한 압력 Peak 발생
B) 보압 절환이 적절한 경우: 전 공정에서 Peak가 없는 부드러운 곡선 생성
보압 과정에서 필요한 압력이 충진 시 최종 압력과 비슷하다면 보압 절환 없이 성형을 진행하는 것도 하나의 방법이다. 이러한 제품은 대게 게이트가 작고 제품의 길이 비(Ratio)가 큰 경우에 해당된다. 그러나 이 경우에도 공정의 재현성과 안정성은 확보되기 어렵다.(* [그림 121] A의 경우)
충진 과정에서 캐비티 내압이 감소한 후에 다시 증가하는 현상은 보압 절환이 이른 경우에 나타난다.
충진 과정에서 유동 균형은 보압이 가해질 때 일어나며, 적당한(95~99%) 충진을 위해 요구되는 압력보다 보압이 작을 경우에는 결과적으로 사출 속도가 줄어들게 된다. 이러할 때 보압 절환을 시작하면 순간적으로 유동 선단이 정체되어 점도가 상승하고 사출품 표면에 문제가 발생할 가능성이 높아진다.(* [그림 121] B의 경우)
게이트가 크고 상대적으로 큰 속도로 성형을 하는 경우에, 보압 절환이 늦어지면서 발생하는 문제는 매우 심각하다. 과도한 치수 증가나 플래쉬(Flash or Burr)를 발생시킬 뿐 아니라, 과도한 변형을 발생시키고 형체부에 과부하를 주어 금형 손상을 일으킬 가능성이 높아진다.(* [그림 121] C의 경우)
적절한 보압 절환이 적용되면, 금형 내압 곡선은 부드럽게 나타나며, 이는 유동 선단의 정체와 압력의 급격한 변화가 없다는 것을 의미하며, 앞에서 기술한 문제들이 발생할 여지가 낮음을 말한다.(* [그림 121] D의 경우)
캐비티 내부에 설치되는 압력 센서의 위치에 따라 얻어지는 곡선도 달라지며, 일반적으로 공정의 모든 정보를 얻을 수 있는 게이트 근처의 위치를 선호한다. 하지만 절환 위치 최적화 측면에서 보면, 충진(Filling) 정도를 모니터링하고, 캐비티 전체의 압력 충전(Packing) 상황을 판단할 수 있는 유동 말단부에서의 데이터가 더 필요하다.
결론적으로 보압 절환의 제어를 위해서는 게이트 부근에, 충진 정도와 보압의 적절성을 판단하기에는 유동 말단부에, 즉 두 곳에 센서가 위치하는 것이 가장 바람직하다. 그러나 비용적인 측면과 금형 구조의 문제점으로, 두 곳 모두에 설치할 수 없을 때는, 공정 제어(Control)가 목적인 경우에 게이트 부근, 보다 정확한 모니터링(Monitoring)과 QC에 목적이 있는 경우에는 유동 말단부를 선택하여야 한다.
충진 과정에서 보압 과정으로 절환하는 데에는 아래와 같이 여러 가지 방식이 있다.
1. 시간에 의한 보압 절환
(Time dependent Switch-over)
2. 스크류 위치에 의한 보압 절환
(Screw position dependent Switch-over)
3. 유압에 의한 보압 절환
(Hydraulic pressure dependent Switch-over)
4. 금형 내압에 의한 보압 절환
(Cavity pressure dependent Switch-over)
시간에 의한 보압 절환의 경우, 다른 인자와 상관없이 일정 시간이 경과하면 절환이 이루어 진다. 이 과정은 유연성이 없으며, 금형 안에서 진행되는 성형과정에 대한 고려가 없기 때문에 재현성과 안정성이 떨어지는 방법이며, 요즘에는 잘 사용되지 않는다.
스크류 위치에 의한 보압 절환은 가장 많이 쓰이고 있는 방법이며, 스크류가 설정된 위치에 도달하면, 보압이 작용하는 방식이다. 캐비티의 사이즈가 매우 작은 경우에 스크류 위치나 밸브의 반응 시간이 미세하게 변화하여도 압력의 변화에 크게 영향을 미칠 수 있다. 다시 정리하면, 보압 절환 상의 미세한 변화에도 압력 이력에 심각한 영향을 줄 수 있다.
압력(유압 또는 내압)에 의한 보압 절환의 경우에, 설정된 압력 값에 도달하면, 보압이 작용하는 방식이다. 유압을 기준으로 하면 ‘노즐 → 스프루 → 런너 → 게이트’ 과정에서 발생하는 압력 손실(Pressure Loss)을 고려할 수 없어, 내압을 기준으로 하는 보압 절환 방식에 비하여 정밀한 제어가 불가능하다.
스크류 위치에 의한 보압 절환 방식에 비하여, 압력 특히 내압에 의한 보압 절환 방식이 재현성과 안정성이 매우 우수하다. [그림 123]은 외부의 변화(점도의 변화)에 따른 두 방식의 안정을 비교한 것이다.
2.3 보압 크기와 시간 최적화
2.3.1 보압의 크기
일반적으로 금형을 만들 때는 금형 수축률을 적용하여, 캐비티의 치수를 실제 제품의 치수보다 크게 적용하여 제작한다. 그러므로 원하는 치수를 얻기 위해서는 금형 제작에 적용된 금형 수축률에 부합하는 수축이 일어날 수 있도록 하여야 한다. 이때 사용하는 금형 수축률은 재료 공급업체에서 추천하는 값이나 성형해석을 통하여 얻은 값을 사용한다.
캐비티 내의 압력의 크기와 작용하는 시간에 따라서 제품의 수축률(Shrinkage Ratio)이 차이 나며, 압력이 클수록, 작용하는 시간이 길수록 수축률은 낮아지게 된다.
[그림 124]의 P-V-T 선도에서 체적수축률(Volumetric Shrinkage)은 SV=(vD - vE)/vD로 예측될 수 있으며, 내압 그래프에서 B~C 구간의 압력의 크기와 시간에 따라 수축률이 정해짐을 알 수 있다. 예를 들어 사출기에서 보압 설정을 변경하여, 센서에서 측정된 압력이 20MPa에서 60MPa로 변화되었다면, 수축률은 2배 차이가 발생함을 유추할 수 있다
사출기의 보압 설정값이 캐비티의 내압과 일치하지 않으며, 이는 정적 압력 손실(Static Pressure Loss)이 발생하기 때문이다. 결과적으로 보압의 크기는 원하는 수축률에 부합되는 압력 값이 내압 센서에서 측정될 수 있게, 사출기의 보압 설정값을 조정하여 최적화할 수 있다.
2.3.2 보압 시간
보압 시간을 최적화하기 위하여 금형에서 모든 캐비티의 게이트(Gate) 밀봉(Seal)이 언제 발생하는지를 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 압력 곡선으로 보다 정확한 게이트 밀봉(고화) 시간을 최적화할 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.
위의 [그림 125]에서 보는 바와 같이 최적화된 보압 시간은 (4)~(5) 구간에서 정하는 것이 합당하며, 보다 정밀한 시간을 원하는 경우에, 사출기의 설정값을 1초 이하 단위로 세분화하여 얻어지는 곡선으로 판단하는 것이 좋다.
2.4 기타 고려 사항
2.4.1 사출압(유압)의 불안정성
사출압(유압) 곡선에서 나타나는 비정상적인 작은 파형을 통하여, 사출 공정상에서 발생하는 불균일성을 예측할 수 있다. 아래의 [그림 126]의 ‘A’와 같은 파형은 젯팅(Jetting)과 같은 불량이 발생했을 때 나타나는 현상이다. 이러한 경우 사출 속도를 낮추거나, 게이트의 크기를 늘려야 한다.
[그림 126]의 ‘B’와 같이 보압 단계에서 불규칙한 파형이 나타나는 경우에는, 사출기의 유압 시스템 또는 밸브 제어에 문제가 있음을 예측할 수 있다.
[그림 126]의 ‘C’와 같이 계량 단계에서 불규칙한 파형이 나타나는 경우에는, 스크류 구동부의 유압이나 전기모터의 전류를 분석하면 보다 정확한 원인을 파악할 수 있다.
2.4.2 기타 변수들이 금형 내압에 미치는 영향
[그림 127]의 ‘A’와 같이 금형 온도를 낮추는 경우에 충진 공정에서 압력은 빠르게 상승하며, 냉각 과정에서는 압력은 빠르게 감소한다. 이 경우에 보는 바와 같이 냉각 공정에서 압력 강하의 기울기는 캐비티의 냉각속도와 비례한다.(*기울기가 급해질수록 냉각이 빨리 됨.)
[그림 127]의 ‘B’에 보는 바와 같이 게이트의 고화가 빠르게 일어나는 게이트 타입(Type)인 경우에, 냉각 과정에서는 압력이 빠르게 감소한다. 이는 동일한 게이트(Gate)에서도 게이트의 크기가 감소할수록 유사한 곡선과 유형을 보여준다.
[그림 127]의 ‘C’에서는 게이트로부터의 거리가 멀어질수록 곡선의 시작점이 늦어지고 Peak의 크기가 감소함을 볼 수 있다. 여러 개의 센서를 사용하는 경우에 시작점의 차이로 캐비티 내의 속도를 예측할 수 있으며, 압력 Peak의 크기 차이에 의하여 캐비티 내의 압력 강하와 점도의 변화를 유추할 수 있다.
이 장에서는 제품의 품질에 크게 영향을 끼칠 수 있는 몇 가지 설정 조건에 대하여 간략하게 기술하였다. 다음 호에 연재되는 [양산품질관리] 편에서 여기에서 언급되지 않은 나머지 사항들을 다루고자 한다.
