기술과 솔루션
스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술
작성자 : 편집부
2021-01-03 |
조회 : 2183
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
5. 금형 이관(Mold Transfer)
금형이 완료된 후에는 국내 또는 해외의 공장으로 이송하여, 다른 사출기에서 제품 생산을 준비하여야 하며, 이때의 과정을 금형 이관(Mold Transfer)라고 한다. 이 공정(Process)에는 프로젝트 관리자, 금형 엔지니어, 품질 엔지니어, 성형 엔지니어, 그리고 재무 관리자 등의 여러 분야의 전문가가 필요하며, 고객이 원하는 규격의 제품을 생산하기 위해서는 반복적인 사출 공정 설정에 많은 시간과 경비를 투여하여야 한다.
제작된 금형의 성형성과 제품의 적합성을 입증하기 위하여, 시사출, 측정 같은 검증작업을 수차례 반복하여야 한다. 그 이후에 검증된 금형을 양산 공장으로 이송하여, 많은 시간과 경비가 소요되는 검증작업을 양산 사출기를 대상으로 다시 수행하여야 하는 경우가 대부분이다.
이러한 경비와 시간의 반복적인 낭비를 줄이기 위하여, 짧은 시간 내에 최소의 인원을 투입하여 동일한 품질의 제품을 얻을 수 있는 새로운 방법이 모색하게 되었으며, 이에 내압 센서를 이용한 방법이 개발되게 되었다.
5.1 금형 이관(Mold Transfer) 방법
전통적인 금형 이관(Traditional Mold Transfer)
아직도 많은 금형 및 성형 업체에서는 전통적인 금형 이관방법을 사용하고 있으며, 이는 공정 및 제품에 관련한 문서에 크게 의존하는 방법이다. 공정(Process) 문서에는 온도, 속도, 시간 및 기계 압력에 대한 기계 설정 데이터들이 포함되어 있으며, 제품(Product) 문서에는 설정된 공정 조건에서 얻어진 광범위한 부품 측정 데이터가 포함되어 있다.
이 방법의 문제점은 공정 문서에 기술된 데이터들이 사출기가 바뀌면 효용성이 떨어진다는 데에 있으며, 이는 동일한 제작업체의 사출기 간에도 성능이 서로 다르고, 이종의 사출기에서는 더더욱 차이가 나기 때문이다.
이를 해결하기 위하여 사출기 간의 규격 차이를 고려하여, 모든 데이터를 변환하여 사용하는 방법을 이용하지만, 이 또한 실제 사출기 성능을 고려하지 않으므로 많은 시행착오를 발생시킨다. 이로 인하여 많은 경비와 시간을 낭비하게 되고, 때에 따라서는 이관이 실패하기도 한다.
1. 생산 제품 사양 또는 도면 (Production Part Print & Drawing)
2. 게이지 / 고정용 보조기구 (Gage / Fixture)
3. 자제명세서 & 표준공정도 (BOM and Routing Sheet)
4. 마스터 샘플 (Master Sample)
5. 금형 도면 및 금형 수리 이력 (Tool Drawings and Tool Maintenance Records)
6. 재료 성형 가이드 (Material Processing Guide)
7. 시사출 성형조건 (Processing Condition for Final Mold Trial)
8. 사출기 사양서 (Injection Molding Machine Specification)
9. 품질검사 결과 보고서 (Quality Inspection Report) ...
금형 이관 시에 위의 서류나 문서들이 동봉되어 이송되며, 이러한 문서에 근거하여 양산공정의 사출기의 성형조건을 다시 최적화하게 된다. 이때 필요한 사출기의 사양 관련 데이터는 아래 [그림 167]과 같으며, 이외에 기본적인 형판(Platen) 크기, 타이바(Tie-bar) 간격, 형판 간의 최대거리 등이 필요하다.
특히, 사출기의 스크류 직경이 달라지는 경우에는, 모든 데이터를 정규화(Normalization) 시킬 필요가 있다. 예를 들어 사출 속도는 ㎜/sec, in/sec, % 와 같은 단위가 아닌 ㎣/sec과 같은 유속 단위로 환산하여 비교되어야 하며, 스크류의 회전속도는 각속도(RPM)가 아닌 스크류 끝단의 선속도를 기준으로 변환하여 사용하여야 한다.
위의 [그림 167] 데이터는 실제 사출기의 성능이 아닌 제원상 수치이며, 보다 정확하게 금형을 이동해야 하는 상황에서는 사출기의 성능을 다시 입증하는 데 시간과 비용을 투자하여야 한다.
캐비티 압력 센서를 이용한 금형 이관 (Mold Transfer with Cavity Pressure Sensor)
정밀기기나 의료기기 등과 같은 엄격한 품질관리를 요구하는 플라스틱 부품은 제조업체가 명확하고 체계적인 성형공정(Process)을 통하여 생산하고 품질관리를 하고 있음을 고객에게 입증해야 한다. 초기 설치부터 제조, 검수에 이르기까지, 이러한 과정에서 IQ / OQ / PQ 검증에 막대한 비용이 소요된다.
이렇게 설정된 최적의 공정을 사출기의 변경이나 환경의 변화에 사용하지 못한다면, 다시 검증 과정을 거쳐야 하며, 이에 따라 비용과 시간을 많이 소비하게 된다. 캐비티 압력 센서를 이용하는 방법을 사용하면 최적화된 부품과 공정 조건을 손쉽게 복제할 수 있으며, 이는 신뢰도 증가와 함께 비용을 절감시키고, 제품 출시 시간을 단축하여 수익성을 높일 수 있다.
사출기가 변경되면 변화하는 입력설정 값에 중점을 두고 금형을 이관하는 방식에서, 과학적인 사출성형 원리를 활용하여 설정과 무관한 물리적(Physical) 변수*를 기반으로 금형을 이관하는 효율적이고 과학적 방법으로 변환하여야 경쟁력을 갖출 수 있다. (* 물리적 변수 - 재료 점도, 압력, 온도, 냉각 속도 등)
동일한 품질의 제품을 생산하는 공정 능력(Capability)은 금형 캐비티 내부에 플라스틱 온도, 유량, 압력 구배, 냉각 속도, 즉 4가지 주요 플라스틱 변수를 일관되게 제공하는 데 달려 있으며, 이 네 가지 플라스틱 변수가 일치하면 금형을 작동하는 사출기와 관계없이 동일한 제품을 생산할 수 있게 된다.
5.2 캐비티 압력 센서를 이용한 금형 이관(Mold Transfer) 방법
동일한 금형을 이용하여 한 시스템에서 다른 시스템으로 프로세스를 단기간에 성공적으로 이관하기 위해서는 캐비티 압력 곡선을 활용하여 템플릿(Template)을 일치시키는 방법을 사용한다.
이 방법을 사용하기 이전에 사출기의 변수를 개략적으로 일치(Matching)시킬 필요가 있으며, 이는 문서관리나 변환작업에 대한 방법과 기준이 확립되어 있는 경우에는 사출기의 출력 데이터를 사용하고, eDart 모니터링 시스템을 사용하는 경우에는 캐비티 압력 센서 사용과 동일하게 템플릿(Template) 내의 스크류 위치(Stroke), 사출압(Injection Pressure) 데이터를 사용한다.
모니터링 시스템을 이용하여 금형 이관을 성공적으로 수행하기 위해서는 다음과 같은 작업을 순서에 따라 수행하는 것이 효과적이고 간단하며, 이는 플라스틱의 재료가 사출기에 투입되어 용융되고 금형으로 주입되어 냉각된 후에 금형에서 취출되는 일련의 과정과 동일하다고 보면 된다.
템플릿 일치(Template Matching)에서 유의할 점은 다음과 같으며, 100% 일치를 기대하지 말고, 짧은 시간 내에 최대한 유사하게 일치시키는 목표로 하여야 한다.
- 최적화나 시사출에 사용된 성형기에서 금형 이관에 사용될 템플릿(Template)을 준비한다. [그림 169]
- 사용되는 거리(Stroke), 유압(Hydraulic Pressure) 센서의 영점조정(Calibration)이 선행되어야 한다.
- 성형기(Machine)가 아니라, 센서를 이용하여 Cavity 내의 조건을 맞추는 것이 가장 중요하다.
- 성형기에서의 조건을 이용하여 근사로 맞춘 후, 이후에는 오로지 압력 그래프만 주의하여 일치시킨다.
- 성형기의 신호를 사용할 수 없는 경우, Cursor를 이용하여 수동으로 Fill Volume을 정의하여야 한다.
- 정확하게 100% Matching이 불가능함으로, 최대한 근사하게 일치시켜야 한다. (약 97~98% 이상)
사출기의 작동 변수(Variables) 외에 템플릿 일치(Template Matching)에 크게 영향을 주는 중요 인자들은 (1) 사이클 타임 (2) 형체력 (3) 용융온도 (4) 금형 온도이며, 금형 이관 작업을 수행하기 전에 동일한 지를 검토하고, 일치되지 않을 때는 원인을 파악하여 수정하여야 한다.
이러한 점검이 완료된 후에 다음과 같은 단계(Step)에 따라 금형 이관(Mold Transfer)을 진행하며, 이에 필요한 최소한의 데이터는 캐비티 압력(PST)과 사출 체적(Shot Volume) 그래프이다. (* 속도 구간의 미세한 변화를 판별할 필요가 있는 경우에 유속 그래프가 필요할 수도 있음.)
STEP-1: 배압(Back Pressure) 일치
배압은 용융재료의 점도와 계량시간을 변화시키는 사출기 변수로써, 설정값과 실제값에서 차이가 발생할 수 있으므로, 이를 템플릿 상의 압력 값과 일치시켜, 금형에 주입되는 재료의 물성, 특히 점도를 동일하게 유지시킬 필요가 있다. 이는 동일한 재료가 충진을 위하여 배럴 내에 준비되어야 한다는 개념이다.
STEP-2: 스크류 속도(Screw RPM) 일치
스크류 속도는 재료를 전단에 의한 마찰력으로 용융시키고, 점도(Viscosity)를 변화시키는 사출기의 변수로써, 금형에 주입되는 재료의 물성에 바로 영향을 준다.
이때 사용되는 곡선은 사출기의 위치(Stroke)에 스크류 단면적을 곱하여 체적(Volume)으로 변환하여 사용한다. 이는 사출기의 스크류 직경이 다른 경우에 동일한 스크류 위치(Position)더라도 동일한 계량량이 아니기 때문이다.
여기에서는 곡선의 기울기(Slope)를 일치시키는 데에 중점을 두어야 하며, 이는 추후 충진과 보압 시간에 따라 시점(Time)이 달라지기 때문이다. (* 계량량과 속도를 맞추어야 한다.)
STEP-3: 감압(Decompression) 일치
감압은 사출기의 배럴 내의 용융된 재료의 불균일한 압력분포를 완화하기 위하여 사용하며, 감압 정도에 따라 주입되는 재료의 초기 상태가 달라짐으로 일치시켜야 한다. 이때에도 사출기의 위치(Stroke)에 스크류 단면적을 곱하여 체적(Volume)으로 변환한 곡선을 사용한다.
STEP-4: 충진 속도(Fill Rate/Speed) 일치
충진 속도는 곡선의 기울기(Slope)를 의미하며, 세밀한 위치보다는 기울기를 일치시키기는 데에 중점을 두어야 한다. 이때에도 사출기의 위치(Stroke)에 스크류 단면적을 곱하여 체적(Volume)으로 변환한 곡선을 사용한다.
STEP-5: V/P절환(Transfer or Switch-Over) 위치 일치
V/P절환 위치는 95~99% 사이에서 설정되며, 이 설정값으로 캐비티에 충진 완료가 이루어지는 시점에서 캐비티 내압의 최대값이 변화된다.
이때에도 사출기의 위치(Stroke)에 스크류 단면적을 곱하여 체적(Volume)으로 변환한 곡선을 사용하며, 이 단계(Step)에서는 대략적인 위치를 설정하고 추후에 캐비티 내압 곡선을 이용하여 미세한 조정을 수행한다.
STEP-6: 충전속도(Pack Rate/Speed) 일치
충전(Pack)속도는 캐비티의 충진 완료 시점에서 캐비티 내압의 최대값을 결정하는 주요한 설정값이며, 이때에도 사출기의 위치(Stroke)에 스크류 단면적을 곱하여 체적(Volume)으로 변환한 곡선을 사용한다. 이 단계(Step)에서는 대략적인 일치(Macthing)를 수행하고, 추후에 캐비티 내압 곡선을 이용하여 미세한 조정을 수행한다.
STEP-7: 보압(Hold Pressure) 일치
사출압(Injection Pressure) 또는 유압(Hydraulic Pressure) 곡선을 사용하여, 보압(Hold Pressure)의 크기와 시간을 일치시킨다. 이 단계에서 설정된 보압의 크기나 시간은 캐비티 압력 곡선을 이용한 추후의 미세조정 단계에서 변화될 수 있다. (* 캐비티의 압력 변화가 제품 품질에 정량적/직접적인 관계가 있으며, 사출기의 압력 곡선은 정성적/간접적인 관계를 맺고 있다.)
STEP-8: 모든 사출기 변수들의 개략적 일치(Matching) 점검
사출기의 설정값들을 변경하여 위의 7가지 사항에 대하여 사출압과 체적 곡선을 일치(Matching)시킨 후에, 아래의 그림과 같이 캐비티 내압 곡선을 활성화하여, 일치되는 정도를 검토한다. 만족하는 수준을 달성하지 못할 때에는 미세조정 단계로 이동한다.
STEP-9: 미세조정(Fine Tuning)
사출기 설정값들의 조정을 통하여 캐비티 내압 곡선을 일치시키지 못한 경우에는, 다음과 같은 항목들을 미세하게 조절하여 내압 곡선을 일치(Matching)시킨다.
(1) 평균 충진(Fill) 속도
(2) 85~95% 충진(Fill) 구간에서의 속도
(3) V/P절환 위치
(4) 충전(Pack)속도
아래의 [그림 179]는 위의 (1), (2) 항, 즉 충진(Fill) 속도를 미세 조정하면, 내압 곡선의 초기 시점이 변화하는 것을 보여준다. 속도를 증가시키면 곡선의 출현이 빨라지고, 감소하면 느려진다.
다음의 [그림 180]은 위의 (3) 항목인 V/P절환 위치를 미세 조정하면, 내압 곡선의 변곡점이 변화하는 것을 보여준다. 물론 사용하고 있는 V/P절환 방법이 위치(Position)일 경우이며, 압력이나 시간에 의한 절환(Transfer)인 경우에는 이들 값을 변화시켜 조정하여야 한다.
아래의 [그림 181]은 위의 (4) 항목인 충전(Pack)속도를 미세 조정하면, 변곡점 이후에 내압 곡선이 다시 상승하는 기울기, 즉 속도가 변화한다. 충전속도가 조절되지 않는 사출기로 금형 이관을 하는 경우에는, 이 부분을 미세하게 조정할 수 없으므로 주의하여야 한다. (* 금형 이관 작업을 수행하기 전에 필수로 사출기 성능점검을 수행하여야 하는 이유 중의 하나이다.)
손쉽고 정확하게 금형 이관을 성공시키는 방법은 최적화된 성형조건의 템플릿을 이관 대상의 성형기에서 일치(Matching)시키는 것이나, 때로는 템플릿을 일치시키기가 매우 어려운 경우도 종종 발생하며, 이런 경우에는 플라스틱의 재료가 동일하지 않아 발생하는 경우가 상당 부분을 차지한다.
재료의 첨가물(Additives)이 변경되거나, 또는 재생(Regrind) 수지를 혼합하여 사용하는 경우에는 물성의 변화가 발생하는지를 검토하여야 하며, 이를 간과하는 경우에 품질의 변화가 발생하여, 기존의 최적화된 프로세스나 품질관리 기준이 무용지물이 될 가능성이 높아진다.
위의 [그림 182]은 유리섬유(Glass Fiber)를 함유하는 폴리에스테르(Polyester)를 사용하는 제품을 ±0.010″의 사양 내에서 평탄도(Flatness)를 얻도록 공정을 최적화하였으나, 평탄도 불량으로 인하여 고객으로부터 제품이 반환된 사례이다. 사용된 재료는 동일한 등급(Grade)이었지만, 공급 업체가 난연제를 변경하였고, 이로 인해 핵 형성 또는 결정화 속도가 변화하여 부품이 휘는 경향과 정도가 변화된 경우이다.
이는 재료관리의 중요성을 보여주는 사례로써 금형 이관 과정 중 초기에 점검하여야 할 가장 중요한 항목 중의 하나임을 명심하여야 하며, 특히 반 결정(Semi-crystalline) 재료인 경우에 더욱 주의하여야 한다.
5.3 주요 설정 외의 조건 변화에 따른 내압(Cavity Pressure)
곡선의 변화 (예제)
금형 이관 작업 중에 템플릿(Template)을 일치하기 위해서는 주요 공정변수(사출 속도, 보압 크기, 시간, V/P절환 시점, 냉각시간 등)에 따른 내압의 변화 외에 부가적인 공정변수의 변화에 따른 결과를 이해할 필요가 있으며, 다음과 같은 예제를 통하여 그 이해의 폭을 넓히고자 한다.
배압(Back Pressure)의 변화
배압을 증가하면, 동일한 스크류 계량속도 하에서 계량시간이 길어지고, 보압 완료 후에 쿠션량(Cushion)이 늘어나며, 사출압 또는 유압은 변화하지 않으나 금형에서의 내압(Cavity Pressure)은 증가한다.
계량속도(Screw RPM)의 변화
계량속도를 낮추면, 계량시간이 길어지고, 금형에서의 내압(Cavity Pressure)은 감소하지만, 사출압 또는 유압은 변화하지 않는다.
배럴 히터 온도(Heat Temperature)의 변화
배럴의 밴드 히터 온도를 높이면, 쿠션과 계량시간의 변화는 미미하고, 금형에서의 내압(Cavity Pressure)은 증가한다. 점도가 낮아짐에 따라 사출압 또는 유압은 충진(Fill) 구간에서 감소하고, 보압(Hold) 구간에서는 변화하지 않는다. (* 충진 구간에서는 속도에 따라 사출압이 변화하고, 보압 구간에서는 압력에 따라 스크류의 움직임이 변화함.)
형체력(Clamp Force)의 변화
형체력을 높이면, 금형의 변형에 의하여 캐비티 체적이 줄어들어 쿠션량이 증가하고 금형에서의 내압(Cavity Pressure)도 증가하며, 이에 따라 충전(Pack)속도가 빨라진다. 최대 사출압 또는 유압은 충진(Fill) 구간에서 약간 증가하지만 미세하고, 보압(Hold) 구간에서는 변화하지 않으며, 계량속도에는 영향을 미치지 않는다.
일반적으로 현장에서 형체력을 최대로 설정하여 사용하는 경우가 많다. 이는 금형 이관 시에 더욱 높은 형체력을 가지는 사출기를 최대 형체력으로 사용하는 경우에, 금형의 수명에 영향을 줄 뿐만 아니라, 제품의 품질에도 영향을 줄 수 있음을 명심하여야 한다. 따라서 항상 계획된 또는 계산된 형체력을 설정하여 사용하여야 하며, 이를 위하여 금형 변형 센서를 적극적으로 사용하는 것도 현명한 선택 중의 하나이다.
동일한 재료가 동일한 변화과정을 거쳐서 제품화되면, 품질이 동일할 수밖에 없으므로, 재료의 관점(Plastic’s Point of View)에서 금형 이관(Mold Transfer)을 수행하여야 한다. (* 사출기 설정 조건에 따른 제품의 변화로 이해하지 말고, 4대 변수(4-Variables)의 변화와 제품의 품질을 연계하면, 보다 깊은 이해가 가능할 것으로 예상된다.)
… 핸들러 2월호에서는 ‘Ⅳ. 사출 공정 모니터링 시스템의 활용 예제’가 이어집니다
