HANDLER

기술과 솔루션

news 기술과 솔루션

우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 32

작성자 : 편집부 2021-03-08 | 조회 : 1670

기고 : LS엠트론 김영기 고문

010-6603-8210 / ykkim2025@gmail.com

5. 사출과 보압

사출 공정에서 스크류가 플런저의 역할을 수행한다. 완전한 균질의 용융재료가 고압력과 일정한 속도 프로파일로 스크류의 전진 동작 때문에 금형 안으로 사출된다. 캐비티가 충진될 때 압력 제어로 절환되고 성형품이 금형 안에서 냉각되는 동안 재료의 수축을 보상하기 위해서 유동체 중앙에 압력을 가한다.

사출 속도가 성형제품에 미치는 영향

- 탄 자국: 에어 벤트가 원활히 이루어지지 않은 경우

- 미성형 제품: 캐비티가 완전히 충진되기 전에 수지가 고화되는 경우

- 플래시 발생: 사출 도중 충진된 재료가 급속히 고화되어 필수적으로 높은 압력이 발생되는 경우

- 젯팅, 갇힌 공기(기포): 사출 초기에 매우 높은 속도를 가지는 경우

- 박리: 충진 마지막 단계에서 용융재료가 첨가제 주위를 더 이상 흐르지 않는 경우

- 크라우드: 용융재료가 표면에서 고화된 상태에서 여전히 밀려지는 경우

- 레코드판 효과: 표면 부에서 용융재료의 고화 속도가 매우 빠른 경우, 유동 저항이 커져 유동 선단부의 흐름에 영향을 주는 경우이며, 이러한 이유로 생성된 레코드판 형상은 보압에 의해 사라지지 않는다.

보압이 성형제품에 미치는 영향

- 싱크마크, 기공(용융재료의 중앙부가 고화 시 일으키는 수축에 의해)

- 플래시 생성(높은 보압에 의해 금형이 열리는 경우)

- 응력 크랙, 이형성 문제(높은 보압에 의해 과충진이 일어난 경우)

- 성형제품의 중량과 치수

5.1. 스크류 전진 속도

스크류 전진 속도는 스크류가 스크류 전방 공간에 계량된 성형혼합물을 금형으로 밀어 넣는 속도이다. 금형에서의 유동 선단 속도는 금형 캐비티 구조와 스크류 전진 속도에 의해서 유동 선단에서 일어나는 유동률이다.

특히 큰 유동과 벽 두께를 갖는 성형품에서 유동 선단부에서의 신속한 충진이 벽에 밀착한 게이트로부터 동작한다.

금형 캐비티에 발생한 전단 열이 순간적인 냉각 효과에 의해서 유동 선단의 이른 용융 흐름의 정체를 막아야 한다.

짧은 충진시간이 거대 분자의 내부 마찰로 인한 전단에 의한 추가적인 열로 짧은 열전도 기간으로 캐비티 벽의 열 손실을 방해한다.

그래서 낮은 용융 점도가 스프루로부터 멀리 떨어진 성형품 곳곳으로 더욱 나은 압력전달을 시킨다. 또한, 용융재료에 대한 보다 일정한 압축이 이루어진다.

낮은 금형 캐비티 압력에 의해서만 보다 적은 로킹력(형체력)이 필요하다. 금형 충진에 필요한 스크류 전진 속도를 도달하기 위해서는 금형 충진단계 중의 유압압력이 충분히 높게 설정되어야 한다. 벽 근처 층에서의 융융 재료가 갑자기 고화되는 것처럼, 금형 충진단계는 외관, 배향, 결정화도 같은 표면층의 특성에 특히 책임이 있다.

스크류 전진 속도를 향상시키게 되면 다음과 같은 현상이 발생한다.

- 외관상 나타나는 웰드라인의 감소

- 웰드라인 생성 위치의 접합성 향상

- 전체적인 배향의 감소

- 제품표면의 배향 증가

- 결정화도의 증가

- 금형 내에서 수지 온도의 상승

- 형체력의 상승 및 표면 불량 증가

최적의 충진시간을 결정하기 위해 작업자는 보압 압력이 없는 상태에서 스크류 전진 속도를 낮게 설정하고 시작해야 한다. 하지만 이때 계량량은 충분하게 설정되어야 한다.

설정한 스크류 전진 속도에 도달하기 위해 충진을 위한 유압압력은 반드시 실제 필요한 압력 이상으로 설정되어야 한다. 그런 후 캐비티 체적이 충진될 때까지 보압절환 점을 소량씩 감소시켜 나간다. 만약 보압절환 위치가 스크류에 의해 도달되지 않으면 스크류 전진 속도를 조금씩 증가시켜 냉각 효과에 의한 미성형 제품이 나오지 않도록 한다.

5.1.1. 스크류 전진 속도의 프로파일

충진 시작 시 스크류 전진 속도를 낮게 설정

- 금형의 변형을 감소시키기 위해

- 제팅 발생을 최소화하기 위해

- 게이트 주변의 뿌연 점을 감소시키기 위해

충진 완료 시 스크류 전진 속도를 낮게 설정

- 제품의 특정 특성에 대한 재연성 향상을 기대

- 형체력의 감소가 가능

- 보다 정확한 보압절환이 가능

- 금형 내에서 공기 압축을 감소시켜 벤팅 효과를 향상

5.1.2. 사출 속도 설정

금형에 충진단계에서 특정한 사출 속도 프로파일이 성형품의 구조, 용융과 금형 온도, 그리고 다른 최적의 목표를 고려하여 설정한다. 이 10 속의 프로파일이 해당 금형에 기계의 최적 응용을 가능하게 해준다. 각 사출 속도는 계량스트로크 C1을 10등분하여 동작한다.

기능키 F3의 설정값 그래픽 화면에서 속도절환 점을 수동으로 변환시킬 수 있다. 계량스트로크 C1에 동일 값을 두 번 입력하면 자동으로 10등분으로 나누어진다.

만약 사출 중에 사출압력이 설정한 한곗값 P6에 도달하면 그래픽 화면의 Sp에 그때의 스크류 위칫값과 수직 라인이 해당하는 위치에 표시된다.

사출 공정에서 필요한 사출압력은 필수적으로 수지의 점도, 온도, 사출 속도와 금형의 흐름저항(스프루 단면적, 성형품의 벽두께, 금형 온도 등)에 달려있다.

사출에서 기계는 보압절환 점에 도달할 때까지 재료의 점도 변화나 온도 변화가 사출 저항을 변화시키는 것처럼 요소가 변할지라도 설정 속도를 정확하고 재현성 있게 제어할 수 있어야 한다. 이때 설정한 사출압력 P6가 실제로 필요한 사출압력보다 높게(대략 20bar 이상) 설정했을 때만이 가능하다.

최대 유압 시스템 압력이나 설정한 사출압력 P6가 사출 중에 도달하지 않아야 함이 반드시 확보되어야 한다.(실제 압력은 PHx로 확인) 이 설정한 사출압력한계는 안전한 설정값으로 고려되어야만 한다.

사출 공정과 보압 공정에서의 압력 및 속도제어

사출 프로세스는 사출과 보압 구간으로 구분되는데, 사출 구간에서는 사출압력한계 P6를 설정하여 피드백 제어에 의해 설정된 10단의 사출 속도로 사출한다. 이때 설정한 사출 속도가 나오지 않을 때는 사출압력한계 P6의 압력을 높여 주어야 한다.

이것은 사출 속도가 압력이 받쳐주어야만 원하는 속도를 낼 수 있기 때문이다. 즉 사출압력한계 P6의 범위 내에서 각 단계의 사출 속도를 내는데 필요한 압력만을 공급해준다. 이 10단의 사출 속도는 실제 속도 단위인 ㎜/sec의 값으로 설정하여 클로즈 루프 제어에 의해 항상 동일한 속도제어를 구현한다.

보압으로 절환된 후에는 마지막 사출 속도(V21)로 피드백제어에 의해 설정된 10단의 보압을 정확하게 제어한다. 이 10단의 보압도 실제 압력 단위인 bar(kg/㎠)의 값으로 설정하여 클로즈 루프 제어에 의해 항상 동일한 압력 제어를 구현한다. 결론적으로, 사출 구간에서의 사출 속도와 보압 구간에서의 압력을 정확하게 클로즈 루프 제어에 의한 피드백을 위해서 사출압력한계(P6)와 보압 속도(V21)는 단순한 보조역할을 할 뿐이다.

5.1.3. 사출 시간 감시

일정한 사출 시간은 속도에서 압력으로의 오픈 루프나 클로즈 루프의 위치에 의한 보압절환 시에 재현성의 사출 속도를 보장한다.

대부분 성형품의 품질 측면에서 가장 많이 사용되고 있는 “위치에 의한 보압절환” 방식 등을 선택할 경우 하기 사출화면의 “사출 시간 감시”에 실제 소요되는 사출 시간이 “ZSx”에 표시되기 때문에 “최솟값”과 “최댓값”을 실제값 “ZSx”에 근접하게 설정하여 사출 시간 감시 범위를 벗어날 경우에 해당 사이클 종료 후 성형품의 양부를 판별하고자 하는 것이다.

사출 시작에서 보압절환될 때까지의 사출 시간이 너무 빨리 진행되면 즉 “사출 시간 감시” “최솟값”보다 적게 걸리면 #31 “사출 시간 미달” 에러가 발생하고, 역으로 사출 시간이 너무 오래 걸리면, 즉 “사출 시간 감시” “최댓값”까지 사출했는데도 보압으로 절환되지 않으면 #30 “사출 시간 초과” 에러가 발생하여 사출이 중단되면서 한 사이클이 완료된 후 기계가 정지한다. 이때 생산된 제품은 불량 처리한다.

5.1.4. 절대압력과 유압압력의 환산

사출장치는 일반적으로 3개의 다른 스크류 직경 중의 하나를 선택할 수 있다. 예로 650 사출장치는 40, 45, 50㎜ 직경의 스크류 중에서 선택하여 장착할 수 있다. 적은 직경의 스크류는 사출압력이 높으나 이론 사출 용적과 사출률은 낮아지고, 큰 직경의 스크류는 사출압력이 낮아지나 이론 사출 용적과 사출률은 높아진다.

이를 사출압력선도라고 하며 우측 그림과 같이 스크류 직경에 따라서 노즐 선단에 걸리는 이론 사출 압력(절대 압력)이 바뀐다.

따라서 스크류 직경이 적은 것은 높은 사출압력을 필요로 하는 엔지니어링 플라스틱에 사용하고, 스크류 직경이 큰 것은 사출률과 가소화율이 커지기 때문에 속도로 사출을 요하는 시장제품에 선호한다.

하지만 E사 사출성형기는 하나의 스크류 직경으로 사출압력증가 여부를 선택할 수 있도록 설계되어 있어 2개의 스크류를 장착한 것과 동일한 효과를 낸다. 즉 엔지니어링 플라스틱같이 높은 압력을 요구하는 경우에는 사출압력 증가를 선택해야 하며, 고속사출을 원할 때는 사출압력 증가를 선택하지 않으면 일반 압력에서 고속사출이 가능하다.