기술과 솔루션
스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술6
작성자 : 취재부
2020-11-06 |
조회 : 2746
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 : 이길호 (RJG공식 컨설턴트/트레이너)
Ⅲ. 사출성형 모니터링 시스템의 활용
3. 양산품질관리(Monitoring & Quality Management) - 1
사출 성형품을 생산하는 회사들의 궁극적인 목표는 아래와 같으며, 치열한 시장환경 속에서 사출성형 제품의 양산(Mass Production) 공정이 안정되지 않는 경우에 제품의 경쟁력이 약화되어 기업의 존립에 영향이 미칠 수밖에 없다.
1. 최고의 균일한 품질의 제품을 고객에게 납품
2. 적기 납품
3. 가장 높은 이윤
4. 가장 낮은 비용
위의 1~3번의 사항은 최적의 설계와 공정 최적화를 통하여 이룰 수 있으며, 4번 사항인 낮은 비용(Low Cost)을 계속 실현하기 위해서는 양산품질관리 체계(System)를 통한 지속적인 모니터링과 공정 제어, 그리고 불량품 선별(제거) 등을 수행하여, 안정적인 양산과 불필요한 비용의 발생을 억제하여야 한다.
센서(Sensor)와 모니터링(Monitoring) 시스템을 사용하여 양산품질관리를 수행하여야 하는 이유는 다음과 같으며, 이를 통하여 안정적인 생산과 납품이 이루어질 수 있다.
1. 중요 품질 변수의 모니터링을 통한 실시간(On-line) 생산 공정(Process) 진단:
- 생산 설비의 정상작동 여부
- 양산 프로세스 설정의 적절성
- 양산 프로세스의 안정성 및 유효성
2. 불량품 또는 불량이 의심되는 제품의 선별 또는 제거(Containment)
3. 변동(Variation)을 최소화하는 공정 자동제어
최적의 제품을 생산하기 위해서는 ‘사출성형 모니터링 시스템의 활용에 필요한 기본지식’에서 언급된 재료, 금형, 사출기 그리고 제품설계에 대한 이해를 바탕으로 품질관리에 사용될 적절한 데이터의 선정, 해석, 관리가 필요하다.
필요한 데이터를 얻기 위해서는 센서의 위치와 최소 설치 개수를 적절하게 선정하여 센서를 설치하여야 하며, 이를 통해 얻은 그래프에서 양산관리에 필요한 기준값을 선별할 수 있는 지식과 이해가 필요하다. 여기에서는 양산품질관리에 필요한 제반 사항에서부터 그래프 데이터의 해석과 품질 기준의 설정 및 실행까지를 2회에 걸쳐 다루고자 한다.
3.1 센서(Sensor)의 위치 및 최소 설치 개수
센서 위치나 개수의 적절한 선정이 이루어지지 않으면, 센서를 통하여 얻어지는 그래프 데이터의 유용성과 정확성이 낮아져 최적의 양산품질 관리가 이루어질 수 없다. 예를 들어 공정 중간에 빨리 냉각되는 얇은 두께를 가지는 부위에 센서를 설치하면, 공정 전체를 모니터링하기 어려워, 여기서 얻어지는 데이터를 제어를 목적으로 사용하기 어려워진다.
[그림 130]에서와같이 압력의 변화를 측정할 수 있는 위치는 유압실린더, 노즐, 금형 내부 등이 있으며, 노즐에서의 압력, 또는 사출압(Injection Pressure)은 유압실린더에서 측정된 유압에 증압비(Pressure Intensified Ratio)를 곱하여 얻을 수 있다. (* ‘사출기’ 편 참고)
금형의 내압을 측정하는 센서의 위치는 게이트 부근과 유동 말단부, 두 곳을 선정하는 것이 일반적이며, 게이트 부근에 설치하는 센서를 PST(Post Gate)라 하고 캐비티 내 유동 거리의 15% 이내에 위치시키는 것이 바람직하다. 이 센서는 V/P 절환과 같은 공정 제어에 주로 사용된다.
캐비티 내 유동 거리의 85% 이후의 유동 말단 부위에 설치하는 센서를 EOC(End of Cavity)라고 부르며, 제품 불량 관련 모니터링 목적으로 주로 사용되지만, 간혹 공정 제어 목적으로도 이용된다.
게이트 부근의 센서를 사용하면 플라스틱이 캐비티에 들어가는 시점과 압력을 알 수 있으며, 이 정보를 사용하여 압력 손실(노즐에서 게이트까지), 충전(Pack) 속도 및 게이트 고화(보압이 해제될 때 손실되는 압력)를 포함한 다양한 데이터를 얻을 수 있다. 또한, 이 위치의 센서는 Decoupled III 성형법에 이용되는 캐비티 압력을 얻는 데에 사용된다.
간혹 제품의 중앙부(Mid-Cavity)에 센서를 설치하기도 하며, 이 센서는 자동차 패널과 같은 큰 부품에서 밸브 게이트의 여닫음(Open/Close) 시기를 조정하는 데에 사용되기도 한다. 이 위치의 센서는 일반적으로 캐비티의 평균 압력을 나타낼 수 있고, 충진 말단 부위에서 이젝터 핀을 사용할 수 없는 경우에 차선책으로 이용되며, 매우 작은 부품에 적합하다.
유동 말단의 센서는 캐비티 압력 데이터를 사용하여 미성형과 같은 불량 부품을 자동으로 분류하는 데 사용되며, 게이트 부근의 센서와 함께 사용할 때 부품을 채우는 데 필요한 압력 손실을 모니터링할 수 있다. 또한, 반결정성 폴리머에서 중요한 플라스틱의 냉각 거동을 관찰할 수 있다.
영향 영역(Influence Area)
아래의 [그림 132]에서와 같이 센서는 사출 공정의 변화가 가장 잘 감지되는 영역(Area)에 설치되어야 하며, 이를 위하여 사출성형 시뮬레이션 프로그램을 사용하기도 한다.
금형의 내압을 측정하는 센서의 개수는 일반적으로 게이트 부근과 유동 말단부를 포함하는 2개 이상으로 하는 것이 일반적이나. 다수의 캐비티(Multi-Cavities)를 가지는 금형의 경우에는 센서 개수의 증가로 인하여 초기 투자비용이 상승한다는 단점이 있다. 이런 경우에 다음과 같은 개념으로 센서의 개수를 줄이는 것이 좋다.
다수 캐비티를 가지는 Cold-Runner 금형에서의 센서 위치와 최소 설치 개수
아래의 [그림 133]에서와 같이 가장 먼저 충진되는 캐비티의 게이트 부근과 가장 늦게 충진되는 캐비티의 유동 말단부를 선정하여, 두 개의 센서를 설치한다. 게이트 부근에 설치된 센서는 공정 제어에 사용하며, 유동 말단부에 설치된 센서는 제품 불량 관련 모니터링에 이용한다.
미세한 차이에 의하여 변화가 발생하는 캐비티의 충진 불균형은 시뮬레이션을 통하여 확인하기에는 무리가 있는 경우에는 시사출을 통하여 확인 후에 센서를 설치하는 것이 좋다.
다수 캐비티를 가지는 Hot-Runner 금형에서의 센서 위치와 최소 설치 개수
아래의 [그림 134]에서와 같이 평균 순위로 충진되는 캐비티의 게이트 부근과 모든 캐비티의 유동 말단부를 선정하여, 센서를 설치한다. 게이트 부근에 설치된 센서는 공정 제어에 사용하며, 유동 말단부에 설치된 센서는 제품 불량 관련 모니터링에 이용한다.
Hot-Runner를 사용하는 금형의 각 캐비티는 Cold- Runner와 다르게 각각의 캐비티의 충진 양상이 개별적으로 진행되기 때문에 서로 간의 영향이 매우 적어 다른 캐비티의 센서로 연관성을 찾기는 매우 어려움으로, 양산품질관리를 위해서는 캐비티 수 만큼의 센서가 유동 말단 부위에 설치되어야 한다.
3.2 센서(Sensor)의 설치
압력 센서의 가장 일반적인 설치 스타일은 플러시 마운트(Flush Mount)와 버튼(Button), 또는 직접식(Direct)과 간접식(Indirect)으로 나누며, 직접식으로 설치된 센서는 캐비티 블록에 장착되어 감지 표면이 플라스틱과 접촉한다. 간접식으로 설치된 센서는 캐비티에서 떨어져 장착되며, 압력은 이젝터 핀(Ejector-Pin), 전송 핀(Transfer-Pin), 고정핀 또는 이젝터-슬리브(Ejector-Slave)를 통해 센서로 전달된다.
센서 스타일의 선택은 원하는 캐비티 위치에서 이젝터 핀의 가용성, 센서에 사용할 수 있는 공간, 금형 온도 등 여러 요인에 따라 달라진다. 금형 제작이 완료되고 시사출 후에 설계의 변경 등으로 인하여 형상 변경이 이루어질 가능성이 있는 금형에는 버튼(Button) 타입의 센서를 설치하는 것이 바람직하다. 이는 캐비티의 수정이 이루어질 때 이젝터 핀의 상단면을 함께 가공하거나 새로 교체하기가 쉽기 때문이다.
수십 년간의 센서 설치, 고객 피드백 및 내구성 테스트 결과에 의하면, 센서를 형체판(Clamping Plate)에 장착하고 압력을 전달하기 위해 전송 핀(Transfer-Pin)을 사용하는 것이 가장 좋은 방법이며, 이에 따른 몇 가지 이점은 다음과 같다.
• 금형의 작동, 또는 유지보수 작업으로 인하여 센서가 손상될 가능성이 적음
• 접근성이 양호하여 유지보수 용이
• 센서에 대한 열 노출 최소화
• 이젝터 플레이트의 움직임 및 충격에서 자유로워 센서의 수명 향상
버튼(Button) 타입의 센서를 사용하는 경우에는, 이젝터 핀의 상단 면적 또는 원형인 경우에는 직경에 대한 정확한 값을 모니터링 시스템에 입력하여야 한다. 이는 센서에서 측정된 힘으로 캐비티 내의 압력을 계산하기 때문이며, 또한 금형에 따라 이젝터의 크기가 사용자 또는 제작자 임의로 결정되기 때문이다.
캐비티 온도(Cavity Temperature) 센서를 사용하여, 유동 선단이 캐비티의 특정 영역을 통과하는 시간을 감지할 수 있으며, 플라스틱이 그 위로 흐르면 온도가 빠르게 상승하기 때문이다. 이 온도 센서가 각 게이트 가까이에 있을 때 순차적 밸브 게이트의 개방 시간을 측정하는 데 사용되기도 한다.
반결정성(Semi-Crystalline) 재료를 사용한 부품의 경우에 냉각 환경의 변화가 치수(Dimension)에 많은 영향을 끼침으로, 캐비티 온도 센서를 이용하여 금형 표면 온도의 변화를 측정하고, 이를 통하여 양산품질 관리에 필요한 상/하한 기준으로 활용할 수 있다.
3.3 그래프(Graph) 분석
양산품질관리에서 가장 중요한 작업은 센서에서 얻어지는 그래프에서 품질관리에 필요한 데이터(값)를 선정하고 분석하여 관리하는 일이다. 그러므로 각 곡선에서 얻어지는 데이터 값들에 대한 이해가 요구되며, 이러한 값들의 변화가 제품 품질에 어떠한 영향을 끼치는지를 고민할 필요가 있다.
위치 센서(Stroke Sensor) 데이터
아래 [그림 138]에서의 검은색 곡선은 위치 센서(Stroke Sensor)에서 얻어지는 시간에 따른 Screw 위치를 나타내며, 각각의 변곡점, 기울기 등은 사출기의 동작과 매우 긴밀한 관계를 가진다. 적절한 곡선 데이터를 얻기 위해서는 위치 센서가 스크류 최대 전진 위치를 인식할 수 있도록, 보정하는 작업을 필수적으로 수행하여야 한다. 이러한 작업이 완료되면 그래프의 Y축 최대치는 자동으로 스크류 최대 전진 위치(Screw bottom)로 설정된다.(* 위의 작업을 수행하지 않는 경우에, 모니터링 시스템은 쿠션량(Cushion)을 자동으로 계산할 수 없다.)
위의 그림에서의 각각의 위치나 구간들은 다음과 같은 의미를 가지며, 이를 통하여 사출기의 동작에 대한 설정값(Setting Value)이 아닌 실제 동작 값에 대한 데이터를 얻을 수 있다.
A 위치: 스크류 최대 전진 위치 (Screw Bottom)
A to B: 쿠션량(Cushion)
C 위치: V/P절환 위치
B to D: 최종 사출량(Shot Size)
D to E: 감압(Decpmpression) 거리
유압 센서(Hydraulic Pressure Sensor) 데이터
아래 [그림 139]에서의 빨간색 곡선은 유압 센서(Hydraulic Sensor)에서 얻어지는 시간에 따른 사출기 유압의 변화를 나타내며, 각각의 변곡점, 기울기 등은 사출기의 유압 시스템과 밸브의 동작과 성능에 따라 변화한다. 적절한 곡선 데이터를 얻기 위해서는 유압 센서가 압력이 ‘0’인 상태를 인식할 수 있도록, 보정(Calibration)하는 작업을 필수적으로 수행하여야 한다.
위의 그림에서의 각각의 위치나 구간들은 다음과 같은 의미를 가지며, 이를 통하여 사출기의 동작에 따른 압력의 변화 값과 사출기의 성능 판별에 필요한 데이터를 얻을 수 있다.
A: 사출기의 최대 사출압
C: 사출기의 보압(Holding Pressure)
B to D: V/P 절환 전이 구간-사출기의 압력 응답 성능
(Pressure Response) 관련 데이터
E: 사출기의 배압(Back Pressure)
* 압력 응답성은 사출기의 성능을 판별하는 매우 중요한 항목으로 A에서 C까지의 압력 차이를 전이 발생 구간의 시간으로 나누어 계산하며, 전이 구간의 진폭(B to D)은 유압과 밸브 시스템의 성능과 직결된다.
[그림 140]에서 충진(Fill) 구간에서의 사출압(유압) 곡선의 면적을 유효 점도(Effective Viscosity)라고 하며, 이러한 데이터는 모니터링 시스템에서 자동으로 계산된다. 유효 점도 값을 이용하여, 사출기로 공급되는 재료의 일관성(Consistency)을 모니터링할 수 있다.
시간(Time)의 변화에 따른 데이터
아래 [그림 141]에서의 유압 센서(Hydraulic Sensor), 위치 센서(Stroke Sensor) 그리고 내압 센서(Cavity Pressure Sensor)의 곡선에서 얻어지는 시간(Time) 값은 사출기 동작과 금형 내에서의 유동의 변화를 예측하는 유용한 데이터를 제공한다.
위의 그림에서의 각 시간이나 시간의 구간들은 다음과 같은 의미를 가지며, 이를 통하여 사출기와 금형에서의 현상을 파악하고, 이를 사출기의 유지보수나 제품의 품질관리에 필요한 데이터로 사용한다.
0 to A: 스프루/런너 충진시간(Sprue/Runner Fill Time)
0 to B: 사출기 충진시간(Machine Fill Time)
A to C: 캐비티 충진시간(Cavity Fill Time)
C to D: 캐비티 충전시간(Cavity Pack Time)
B to E: 사출기 보압시간(Machine Hold Time)
E to F: 사출기 스크류 회전 연기 시간
(Screw Rotation Delay Time)
F to G: 사출기 계량시간(Screw Run Time)
‘H’ 부근에서 스크류 위치 변화가 과도하게 일어나는 경우에는 다음과 같은 원인에 의하여 발생함으로 원인을 파악하여, 적절한 조치를 취해야 한다. 특히 핫런너 금형에 압축성이 높은 재료를 사용하는 경우에는 메니폴드(Manifold)에 과도한 압력이 오랜 시간을 작용하지 않도록 적절한 보압과 보압시간을 설정하는 것이 바람직하다.
1. 체크링(Checking-Ring)이나 사출기 실린더의 마모
2. 금형의 런너(Runner)나 스프루(Sprue)의 과도한 체적
3. 핫런너(Hot-Runner) 사용 시
‘K’를 압력 응답시간(Response Time)이라고 하며, 사출기의 성능을 판단하는 중요한 항목이다. 이는 응답시간을 압력의 변화로 나눈 값을 말하며, (T1-T2)/[(P1-P2)/10,000]로 계산되는 값이 0.2sec/1000psi 이하인 경우를 사출기의 성능이 적절하다고 판단한다.
내압 센서(Cavity Pressure Sensor) 데이터
아래 [그림 142]에서의 빨간색 곡선은 유압 센서(Hydraulic Sensor)에서 얻어지는 사출기의 유압 또는 사출압의 변화를 나타내며, 파란색 곡선은 내압 센서(Cavity Sensor)에서 얻어지는 캐비티 압력의 변화를 보여준다.
사출기의 일정한 동작에 의하여 동일한 사출압을 보여주나, 내압은 매우 변화가 심함을 알 수 있으며, 이것은 금형 내에서 측정된 데이터를 이용해야 더욱 적절한 제품의 품질관리가 이루어질 수 있음을 설명한다.
양산 공정에서 발생하는 이러한 무작위 변동(Random Variation) 현상은 아래 요인에 의하여 발생하며, 결과적으로 내압의 변동에 영향을 주어 제품의 품질을 변화하게 한다.
(1) 일정하지 않은 재료의 물성(* 점도)
(2) 핫런너의 불안정성
(3) 게이트와 런너에서의 불안정한 유동 및 냉각
(4) 균일하지 않은 계량(Melting & Mixing)
(5) 실린더 또는 핫런너 메니폴드(Manifold)에서의 일정하지 않은 체류 시간(Residence Time)
(6) 온도 및 습도의 변화 등…
PST(게이트 근처) 위치에 내압 센서를 설치하면 위 [그림 143]의 녹색 곡선을 얻을 수 있으며, EOC (유동 말단 근처) 위치에 내압 센서를 설치하면 아래 [그림 144]의 파란색 곡선을 얻을 수 있다.
게이트 부근의 센서는 충진(Fill) 공정부터 전 공정에 걸쳐 압력 변화를 감지할 수 있으나, 유동 말단부의 센서는 충전(Pack)이 시작되는 시점에서부터 압력의 변화를 보여준다.
이 두 개의 곡선에서 각각의 최대 압력(Peak Pressure), 충전속도(Pack Rate), 냉각속도(Cooling Rate)를 얻을 수 있으며, 각 값의 차이가 클수록 제품이 균일하지 못하게 된다. 특히 최대 압력(Peak Pressure) 값은 유동 공정에서 발생하는 미 충진, 불균일한 패턴 전사 등과 같은 외관 불량을 선별하는 데에 기본으로 사용된다.
또한, 곡선의 아래 면적(Integral)으로 충진(Fill) 적분, 충전(Pack) 적분, 냉각(Cooling) 적분 값을 얻어 제품이 각각의 공정과 전 과정에서 총 압력이 작용하는 정도를 비례적으로 계산된다.
플라스틱은 다른 재료에 비하여 열전도도(Conductivity)가 낮아 냉각 시간이 매우 길며, 상온까지 냉각되는 압력의 이력이 제품의 품질에 많은 영향을 끼친다. 특히 수축(Shrinkage), 싱크 마크(sink-mark), 제품 치수, 그리고 변형(Warpage)과 같은 불량을 선별하고 모니터링하는 데에 적분(Integral) 값이 사용된다.
캐비티 온도 센서가 없는 경우에도 보압(Hold) 공정에서의 압력 곡선 기울기를 이용하여, 비례적으로 냉각속도(Cooling Rate)를 계산할 수 있으며, 비결정성(Amorphous)에 비하여 반결정성(Semi-Crystalline) 재료의 수축(Shrinkage)이 냉각속도에 민감함으로 캐비티 온도 센서가 없는 경우에 필수적으로 모니터링해야 한다.
기울기(Slope)는 재료의 열전도도, 제품의 두께, 금형 온도, 재료의 용융온도에 의하여 변화함으로, 문제 발생 시에 변동성이 있는 항목(금형/용융온도)의 변화에 주목하여야 한다.
… 2020년 핸들러 12월호에서도 [양산품질관리] 편이 계속되며,
이번 호에서 기술된 내용과 연계하여 품질과 그래프(Graph)의 상관관계, 양산품질관리 전략과 방법 등을 다루고자 한다.
