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우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 30

작성자 : 편집부 2021-01-04 | 조회 : 2316

기고 : LS엠트론 김영기 고문

010-6603-8210 / ykkim2025@gmail.com

INJECTION MOLDING MACHINES 최적 사출성형공정과 성형 불량의 종류

1. 사출성형공정

기계 변수는 요구하는 특성의 성형품을 얻기 위해서 사출성형기나 추가장치에 직접 입력하는 설정값이다. 기계 변수는 다른 기계로의 생산조건과 성형품 특성 사이의 절대적으로 동등한 상호 데이터의 전송이 가능하지 않다.

기계 변수와 성형품 공정데이터 사이의 관계는 경향적으로는 같지만, 기계에서 기계는 절대적으로 다르고, 더구나 스크류나 스크류 팁과 유압 부품의 마모 이유로 시간이 지남에 따라 변할 수 있다.

공정변수는 용융재료의 압력과 온도 및 시간과 금형 벽 온도 같은 금형 캐비티 내에서 성형품 생산 관점으로 본 사출성형공정을 뜻한다. 공정변수는 기계의 독립적인 용어로 실제로 발견되고 전달될 수 있다. 공정변수가 재현성을 가질 때만 성형품이 동일한 특성을 갖는다.

내부특성은 원재료의 분자량, 배향, 내부응력, 결정화도, 첨가제의 분포와 배향 같은 성형품의 내부구조에 대한 정보이다.

성형품의 외부특성은 치수와 공차, 형상, 표면 정도 그리고 성형품의 기계적, 광학적, 전기적 특성 같은 기능적인 특성이다.

특정 기계의 사출성형공정에서 공정데이터는 설정값과 사출 금형 그리고 사용된 플라스틱 재료로부터 얻는 중요한 결과이다. 그들은 개별작업단계에서 측정하여 저장되어 추가 평가와 감시를 위해 활용될 수 있다.

사출성형공정에서 가장 잦은 방해요소, 즉 온도와 점도 변화, 계량에서의 양 변화, 스크류 팁의 부정확한 동작 등이 공정데이터에 의해 기록될 수 있고 품질확보를 위해 사용된다.

공정변수가 상응하게 평가되고 방해요소에 대한 결론을 알기 위해서 언제 어디서 어떻게 측정되는지 반드시 알아야 한다. 그래서 작업과 금형 및 사출성형기의 기능을 좀 더 세밀하게 조명하는 것이 필요하다.

2. 사출 금형의 열 균형

열가소성 플라스틱에서 폴리머 용융은 항상 사출에서 냉각된다. 하지만 실내온도와 비교해서 이것은 냉각뿐만 아니라 가열을 의미할 수 있다. 이것은 필요한 혹은 요구하는 금형 온도에 따라 다르다. 사출성형에서 사출 금형 내에 여러 열 변화가 나타난다.

이 열 변화는 하기와 같이 구분된다.

- 금형과 주변환경과의 열교환 (복사, 전도, 대류)

- 용융재료에 의해 유입된 열의 양

- 냉각 매체에 의해 유입되거나 유출된 열의 양

열가소성 플라스틱 재료를 성형하기 위한 금형에서 플라스틱 재료와 금형 간의 열교환은 열 균형에 있어 매우 중요한 역할을 한다. 용융재료는 성형온도에서부터 이형 온도까지 가능한 한 빨리 냉각되어야 하기 때문이다.

성형업체에서 일반적으로 사용하고 있는 수동조작용 온도 컨트롤러를 발견할 수 있는데, 압력변화, 냉각수 인입 온도, 냉각 배관 내의 오래된 침전물 같은 방해물들이 제품특성에 영향을 미친다.

이러한 문제해결을 위해서 제어장치에서 크로즈드 루프로 제어하는 금형 냉각 시스템인 마이크로 템프를 추천하고 있다. 즉 열전대에 의해서 금형 온도가 직접 측정되고 냉각수 조절 밸브에 의해서 크로즈드 루프로 제어된다.

2.1. 금형 벽 온도

금형 벽 온도란 사이클 중 금형 캐비티의 표면 온도를 의미한다. 금형 벽 온도는 생산시간과 성형품의 품질을 명백하게 결정하는 영향을 주는 요소이다. 초기에는 가능한 낮은 추천 온도로 시작한다.

캐비티와 금형 벽 온도가 높아지게 되면 다음과 같은 현상이 나타난다.

- 결정화도가 증가하고 균일한 내부구조를 가지게 된다.

- 전후 수축은 감소하지만, 성형수축은 증가한다.

- 열 변형 온도가 증가한다.

- 내부응력이 감소한다.

- 분자배향이 감소한다.

- 제품의 변형(휨)이 감소한다.

- 캐비티 표면의 미세한 부분까지의 전사 성능이 향상된다.

- 유동 저항이 감소한다.

- 냉각시간이 증가한다. (대략 2% / ℃)

금형 벽 온도의 크기뿐 아니라 금형 캐비티 벽면의 균일한 온도분포에 의해 야기되는 균일한 냉각 또한 매우 중요하다. 금형 벽의 국부적인 온도 편차가 상이한 내부응력과 그에 따른 변형 같은 상이한 변형을 일으킬 수 있다.

2.2. 마이크로 템프

지금도 금형 냉각을 위해서 여전히 수동으로 조작하는 냉각수 컨트롤러를 볼 수 있다. 결과적으로 데이터에 의한 개별냉각 회로에 대한 냉각수의 신속하고 재현성 있는 양을 제어할 수 없다. 더구나 압력변화, 냉각수 인입 온도의 변화, 냉각로에서의 장기침전 등의 방해요소가 나타나 제품의 특성 즉 치수나 수축 등에 영향을 준다.

금형 냉각에 대한 새로운 문제해결을 위해 컨트롤러에 의한 오픈 루프 혹은 크로즈드 루프 제어를 선택할 수 있는 금형 시스템인 마이크로 템프를 제공하고 있다.

오래 사용한 금형에 추후 열전대를 설치하는 것은 어렵다. 수동조작 밸브의 대체로 사이클 당 필요한 솔레노이드 밸브의 개방시간이 제어장치에서 설정될 수 있다. 유량제어 밸브의 사용으로 냉각 회로에서 압력변화가 자동으로 보상된다.

신규 금형 설계 시 냉각로와 금형 벽 사이에 금형 벽 온도 측정을 위해 열전대가 설치되어야 한다. 열전대 연결이 수동 혹은 자동의 퀵 커플링을 위해 표준화된 커넥터에 결합되어야 한다.

정밀한 사출 성형품을 위해 금형 내 각 회로는 금형 벽에 열전대가 설치되어야 한다. 결과적으로 금형 내 온도조건이 완전하게 기록되고, 방해요소가 나타나더라도 일정하게 유지될 수 있다.

열전대 설치를 위한 추가비용은 대부분의 경우, 기능성 성형품의 금형은 전체 금형 비용의 2% 이내이다. 더구나 임의로 설치한 열전대로 주요한 성형품 구역이 고정도 치수 요구 혹은 변형문제와 함께 기록될 수 있다. 다 캐비티 금형에서 전체 금형의 온도조건이 금형 캐비티 내의 개별 측정을 토대로 가끔 이용될 수 있다.

2.2.1 마이크로 템프 프로그램

프로그램 마이크로 템프는 유량조절 밸브에 의한 냉각수 공급으로 금형 온도를 위해 온도 센서가 금형에 설치되어 있느냐 없느냐에 따라 크로즈드 루프 혹은 오픈 루프 제어로 구분된다. 하나의 금형 온도 센서를 제어하기 위해서 유량조절 밸브와 유량조절기구가 각각 지정 설치된다.

입구의 열전대는 냉각수 온도를 감시하고 한계 값을 초과할 경우 에러 메시지가 표시된다. 만약 유량제어 장치가 설치되어 있으면 각각 냉각 회로의 최소유량을 감시하고 미치지 못하면 에러 메시지가 나타난다.

상기 화면에서 각각의 존에 0에서 3의 숫자 입력에 따라 해당 냉각 회로가 하기와 같은 특정 운전상태로 전환된다.

- “0” = 밸브 닫힘

- “1” = 금형에 열전대 없는 운전 모드(오픈 루프)

- “2” = 금형에 열전대 있는 운전 모드(크로즈드 루프)

- “3” = 밸브 열림

■ 인입 온도감시

인입 온도감시를 위해서 설정값과 실제값의 최대편차를 입력할 수 있다. 만약 실제값이 설정한 최대편차를 초과했다면 에러 메시지 “인입 온도 이상”이 표시된다. 감시는 밸브가 개방될 때 설정한 지연시간과 함께 시작한다.

■ 금형에 열전대 없는 운전 모드(오픈 루프)

금형에 열전대가 장착되어있지 않은 경우에 화면의 해당 회로 상태에 “1”을 입력해야 하고 유량은 l/min 란에 설정해야 한다. 사출 시작과 함께 냉각수 밸브가 산출된 냉각시간 동안 설정한 유량을 개방한다.

자동과 수동모드를 위해서 별도의 유량을 입력할 수 있다. 온도의 실제값은 열전대가 없어 측정할 수 없으므로 “***”로 표시된다.

■ 금형에 열전대 있는 운전 모드(크로즈드 루프)

화면에서 금형 온도에 대한 필요한 설정값이 입력되고 화면의 해당 회로 상태에 “2”를 설정해야 한다. 수동모드에서 해당 냉각수 밸브가 설정값 온도를 초과하면 열리고 온도가 낮으면 닫힌다.

자동모드에서는 제어장치가 최초 조정단계 혹은 제어 편차를 초과했을 때 제어변수를 자동으로 결정한다, 냉각 혹은 온도제어시스템이 밸브의 동작 유무에 따라 자동모드에서 10회의 성공적인 사이클 동안 최소 20의 금형 온도변화가 열전대에 의해서 측정될 수 있다.

만약 이런 경우가 아니라면 화면상에서 조정 에러 태그 “EF”가 설정되고, “냉각 너무 약함” 혹은 “온도제어장치 필요”가 표시된다. 새로운 사이클이 중단되고 경보 램프가 켜진다. 해당 값을 설정하고 사이클이 새롭게 시작된다. 이후 냉각수 밸브가 계산된 시간 동안 사출 시작 시에 항상 작동한다.

■ 유량 감시

밸브가 냉각 회로에서 개방되고 감시가 켜졌을 때 해당 최소유량이 감지된다. 감시에 대한 작용으로 화면상의 F 태그에 표시되고 에러 메시지 “마이크로 템프 밸브 ×”가 표시된다. 냉각수 밸브의 동작과 냉각 회로의 감시 스위치 신호가 화면상의 태그에 각각 표시된다.

3. 형체력

형체력은 금형 전진이 완료되고 사출이 시작되기 전의 장력(Tensile stress) 하에 타이바 혹은 타이바리스에서 프레임에 걸리는 힘의 합이다. 로킹력(Locking force)은 재료를 금형으로 밀어 넣는 사출 동작의 장력 하에서 타이바 혹은 타이바리스에서 프레임에 걸리는 최대 힘의 합이다.

형개력은 금형에서의 평균 내부압력과 사출 성형품의 투영면적으로부터 산출된다. 금형의 밴팅은 캐비티 양이 형폐방향으로 증가하는 곳에 금형 캐비티 압력이 동작할 때 금형파팅 면에서 형체력으로부터의 금형 보호이다. 밴팅 뿐만 아니라 다른 탄성의 변형도 형체 장치와 금형, 형체력과 로킹력, 그리고 형개방력의 견고함에 달려있다.

형체력을 증가시키면, 다음과 같은 현상이 나타난다.

- 금형의 독립적인 치수가 감소된다.

- 제품의 치수 변화가 감소된다.

- 금형의 변형이 감소된다.

- 플래시 발생에 따른 금형의 손상이 감소된다.

- 금형 캐비티 충진 중 밴팅 가능성이 악화된다.

- 토글식에서는 링크 마모가 증가한다.

- 유압식에서는 로킹 에너지가 증가한다.

형체력 계산공식은 다음과 같다.