고성능 사출성형을 위한 고효율 금형시스템 개발
강 형 선*, 이 홍 래*, 백 종 진†
*조선이공대학교, 기계설계과
*한국폴리텍대학 광주캠퍼스, 금형디자인과
†조선이공대학교, 기계설계과
Development of High Rate Molding System for High Performance Injection Molding Hyung-Sun Kang*, Hong-Lae Lee
*, Jong-Jin Baek,
†
*Department of Mechanical Design, Chosun College of Science & Technology, Gwangju, Korea
*Department of Mold Design, Gwangju Campus of Korea Polytechnic, Gwangju, Korea
†Department of Mechanical Design, Chosun College of Science & Technology, Gwangju, Korea (Received : Jul. 11, 2018, Revised : Aug. 20, 2018, Accepted : Sep. 20, 2018)
Abstract : This is a study to solve the problems that occur in plastic injection molding. Temperature control of the mold in injection molding is very important because it is a heating and cooling operation and has a decisive influence on the productivity and merchantability of the product. We have developed a technology to uniform the resin density of the injection molding products by heating the mold temperature to high temperature within a short time and to develop the cooling speed and cooling temperature control system. A small test bed was made to test the heating and cooling performance, and the heating and cooling performance was tested by thermo-imaging the heating and cooling performance. It was applied to development molds and general molds. In the developed molds, there were no flowmark and weld lines that we wanted to improve.
Keyword : Injection molding, Mold, Temperature control, Flow mark, Weld line
1. 서 론
1)
1.1 절 개요
본 연구는 플라스틱 사출성형시 발생되는 문제점을 해결하기 위한 것이다. 사출성형시 필연적으로 수반되 는 열이력과 변형이력의 국부적인 차이로 인하여 잔류 응력에 의한 뒤틀림 현상, 결정화도 분포와 분자배향 과 같은 미세구조의 변화에 의한 물성저하 등 여러 불 량현상들이 나타나므로, 고분자 소재의 물성 못지않게 이들 플라스틱 소재를 수요자의 다양한 요구에 부응하
†Corresponding Author 성 명 : 백 종 진
소 속 : 조선이공대학교 기계설계과
주 소 : 광주 동구 필문대로 309-1 조선이공대학교 전 화 : 062-230-8250
E-mail : [email protected]
는 제품으로 제공하기 위해서는 성형품의 치수안정성, 정밀성, 기계적 물성 등과 같은 제품의 성능을 극대화 할 수 있는 성형공정의 최적화 기술확보가 필수적이 다.고성능 사출성형을 위해서는 금형 온도제어가 중요 하다. 사출성형에서 금형의 온도제어는 가열과 냉각조 작이며, 제품의 생산성과 상품성에 결정적인 영향을 미치기 때문에 매우 중요하다.
금형에는 온도조절을 위해 열유(heat oil)와 냉각 수(coolant)가 흐를 수 있는 캐비티를 갖추고 있으며, 일반적으로 열유 대신 봉상의 열선히터를 구멍에 삽입 하여 열원으로 사용한다. 일반적인 금형의 온도조작은 합형 후 금형의 온도를 150～250℃의 온도범위로 유 지한 상태에서 수지를 압입하여 성형한 후 50～80℃
온도범위로 냉각시킨 후 이형하여 성형품을 얻는 방식 이다.사출 성형에서 금형의 온도제어는 신속한 열이동을 통해 열적 평형을 달성하여 냉각에 소요되는 시간을 줄이는 것은 생산성 향상에 직접 기여하며, 상품성과
이다.금형 내에서의 응고현상은 특히 금형과 주물의 계면 에서의 열전달에 의하여 크게 지배되며, 응고수축에 따른 air gap의 형성, 금형의 표면상태, 도형재 사용 여부에 따라 금형-수지 계면간의 열전달계수가 변화하 므로 수지의 냉각 및 응고과정, 금형 내 온도분포 및 변화에 큰 영향을 주게 된다. 이러한 영향으로 성형축 변형, 싱킹 마크 웰드 라인과 플로우 마크등이 발생한 다.[2]
최근 기술까지 대부분의 문제점은 해결되었으나 웰 드 라인과 플로우 마크 억제기술 개발은 완료되지 않 은 상태로서, 이로 인한 높은 불량률에 의해 생산성이 낮은 편이다.
본 연구에서는 금형에 사출 성형의 재료인 고분자가 충전되기 전에 금형 표면을 소재의 유리 전이 온도 (Glass Transition Temperature) 이상으로 급속 가열하여, 제품 표면의 미세 기공, 플로우마크(flow mark) 및 웰드 라인(weld line) 등의 결함이 발생되 지 않도록 하고, 냉각속도는 향상시키면서 금형 내의 온도 구배를 완화시키기 위한 냉각 구조 및 이를 제어 할 수 있는 시스템을 개발하여 사출 성형에 의해 발생 하는 불량을 감소시켜서 원가 절감 및 에너지 절감이 가능한 기술을 확립하고자 한다.
1.1 절 국내외 기술현황
사출성형의 장벽으로 여겨지던 웰드 라인이 금형기 술과 주변기기의 발전에 따라 개선할 수 있는 것으로 여기지게 되었으며, 몇 가지 실용화된 제품도 출시되 고 있다.
그러나 국내에서 전개되는 모습은 우리의 순수한 금 형기술이 아닌 외국의 기술, 즉 외국에서 개발된 기술 을 도입하여 사출성형에 적용하는 단계에 머물고 있 다.그 동안 국내의 연구그룹에 의해 진행된 연구개발 활동중 주목할 만한 몇 가지 예를 아래에 기술하였다.
조선대학교 이동기 등은 금형 게이트 위치와 크기 및 게이트 수 등의 금형 형상 요인에 따라 웰드 라인 발생을 피할 수 없는 FRP 사출성형에서 웰드 라인이 섬유엉김 영향을 크게 받을 경우에는 발생하지 않으나 금형 필렛부 형상의 영향을 보다 크게 받으면 형성되 며, 웰드 라인 유무에 관계없이 성형품 길이에 대한 금형 게이트로부터 상대길이(x/L)이 약 0.8인 지점에 서 섬유배향상태가 급격히 변화함을 보고하였다.[3]
연세대학교 신주경 등은 PC와 ABS 이중사출에서 웰드 라인 발생인자들에 대한 분석을 통해 유동저항을 고려한 최적의 런너 시스템, 성형품 형상과 PVT 선도 에서 보압절환(switchover) 전까지는 ABS 수지가 용융온도 이상을 유지하는 것이 웰드 라인으로 인한 외관상을 결함을 감소시킨다고 보고하였다.[4]
율을 높이는 방법을 제안하였으며, 한국표준과학연구 원은 특허10-0394962에 나타낸 바와 같이 헬륨가스 냉동기 및 연속냉각냉동기가 결합되어 편리성과 효율 성이 증대된 저온항온조 제조기술을 소개하였으며, 이 기술은 금형 냉각 모듈에 적용이 가능하나, 자동작동 이 어렵고 액체헬륨 소모로 인하여 비용이 많이 드는 단점이 있는 것으로 파악된다.
국외의 경우 캐나다 King Fahd대학교의 Necar 등은 CPVC의 사출성형온도와 기계적 물성간의 관계 를 조사하여, 온도가증가할 수록 항복응력(yield stress)와 탄성률(elastic modulus)은 선형적으로 감소하며, 웰드라인이 물질의 항복응력을 감소시킨다 고 보고하였다.[5]
일본 동경공업대학 Koto 등은 세라믹 사출성형에 있어서 노즐(nozzle)에서 스프루(sprue)로의 흐름중 에 발생된 제팅(jetting)이 성형품에 공극(void)를 형 성하며, 이를 억제하기 위하여 캐비티 내에 이동식 내 장물을 넣음으로써 완화할 수 있다고 하였다.[6] 터키 Bogazici 대학교의 Osman 등은 상용성이 낮은 이종 고분자 블랜드 복합물에 형성된 웰드 라인의 강도를 증강시키기 위해 탈크(talc) 등을 충진재로 사용하면 효과가 높음을 증명하였다.[7] 중국 쓰촨대학교의 Shaoyun 등은 PS/PMMA 블랜드를 모델로 하여 웰 드 라인의 강도를 해석적으로 예측할 수있는 개량된 모델식을 개발하였다.[8]
2. 본론 2.1 절 가열시스템 개발 및 제작
고온 Steam을 생성하여 금형의 열변형 온도보다 높게 가열한 상태로 사출이 가능 하도록 물의 온도를 급속가열 및 급속냉각이 가능하도록 개발하였으며, 물 을 가열하는 방식은 전기 히터를 사용하는 방법으로 개발하였다. 열량 손실을 최소화 할 수 있는 최적 설 계로 높은 열효율을 얻는 고효율 에너지 절감형 시스 템으로 개발을 하였으며, 스팀의 압력에 의한 안정성 도 고려하여 개발하였다. 물은 포화상태에 있으면 포 화증기와 포화수의 혼합물로서 존재하는 원리를 이용 하여 개발하였다.
물에 에너지를 공급하여 생성되는 높은 열량의 포화 증기를 이용하여 포화증기를 15～20bar, 포화온도 211.47℃, 비용적 0.101294㎥/kg, 잠열량 451.99Kcal/kg인 상태로 금형을 Quick Heat &
Cool 하는 방식으로 개발하였다.
Fig. 1은 캐비티에 스팀의 공급을 개시하였을 때 (t=0초)부터 금형 표면이 원하는 온도가 될 때까지 (t=10초 이상) 금형의 온도 지형도(프로파일)을 개념 적으로 도시한 그림이다.
[Fig. 1] Temperature profile around the cavity over time 캐비티 중심으로부터 가장 가까운 수직 지점의 온도 는 6초 부근에 원하는 온도에 도달 하였으나 캐비티와 캐비티 사이는 좀 더 시간이 경과되어야 원하는 온도 에 도달한다. 따라서 캐비티 간격이 좁을수록, 정확히 말하면 캐비티 중심에서 수직방향으로 금형표면과의 거리만큼을 캐비티간의 거리로 하는 것이 이상적이다.
위와 같은 조건을 고려하여 Fig. 2와 같이 전기 히 터를 제작하였다.
[Fig. 2] Electric heater capacity test block for heating 전기히터의 가열 성능을 테스트 하기 위하여 테스트 용 블록을 제작하였다. 전기히터에 의한 가열 성능을 위한 테스트 베드를 Fig. 3과 같이 구성하여 가열 성 능을 테스트 하였다.
[Fig. 3] Heating test with test block
단순한 전기 히터만으로는 원하는 스팀을 발생시키 는데 어려움이 있다고 판단되어 가열을 위한 전용 장 치(슈퍼 히터)를 개발하였다. 중앙에 있는 블록의 구 멍으로 가열을 위한 물이 지나가며, 블록을 가열하기 위한 PCT 히터를 블록 전체를 감싸는 구조로 개발을 하였으며, 가열 성능을 향상시키기 위하여 PCT 히터 를 포함한 전체를 단열 처리 하였다.
개발한 전용 가열 장치(슈퍼 히터)Fig. 4에 나타내 었다.
(a) (b) [Fig. 4] The superheater's central block (a)
and its assembly (b) 2.2 절 냉각시스템 개발 및 제작
일반적인 금형은 금형코아 성형면 하부에 일정지점에 성형면을 따라 일정간격으로 선(line)상 원형 채널을 가공 구비하고 봉상 히터를 삽입하여 가열하고, 히터 채널 주위에 별도로 역시 선상 원형 채널을 통해 냉각 수를 흘려서 금형의 온도를 제어(가열/냉각)하고 있다.
이번에 개발한 냉각 구조는 금형 코어를 두 개의 블 럭으로 구성한 이중 형태로 하고, 그 중 한 개의 블럭 인 성형면 후면에 선(line)상 채널대신 면(face)상 채 널을 가공하여 구비하고 고온수나 냉각수 등 유체를 유동시킴으로써 보다 대면적에서 금형 코어와 열교환 이 이루어지도록 하여 금형의 가열/냉각 속도가 매우 증진되며, 열매체가 유체상태이므로 가열/냉각 조작전 이전의 유체를 용이하게 퍼지시킬 수 있으므로 가열/
냉각 속도는 극대화되고, 소모에너지를 크게 절감할 수 있는 구조로 Fig. 5와 같이 형상화하였다.
[Fig. 5] Cooling system structure developed for cooling on face
이중 코어의 중간 부분인 3～5 mm 정도의 채널 gap이 단열벽으로 작용함으로써, 실제로 면(face)상 채널을 경계로 하여 금형 코어의 성형면 하부 일정 깊 이만이 선택적으로 가열됨으로서 가열속도는 증대되고 소모에너지는 절감되며, 냉각 조작에 있어서도 금형코 어 후위 블럭이 가열되지 않고 성형면이 있는 블럭만 냉각시키면 되기 때문에 냉각속도 또한 매우 증대되는 구조라고 할 수 있다.
이러한 구조의 가열 및 냉각 성능을 테스트 하기 위 하여 소형 테스트 베드를 Fig. 6과 같이 제작하였으 며, 이에 대한 가열 및 냉각 성능을 열화상으로 촬영 하여 가열 및 냉각 성능을 테스트 하였다.
Fig. 7은 열화상 카메라로 촬영한 이미지이다. 위 와 같이 실험한 내용을 ANSYS를 통하여 열분포 해
나타내었다.
그림(b)는 이중 냉각에 의한 냉각 시스템에 의한 열분포 해석을 보면 금형에서 전체적으로 균일한 냉각 을 얻을 수 있었으며, 이는 Fig. 7에서 촬영한 열화상 이미지와도 동일한 결과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
[Fig. 6] Test bed to test cooling performance
(a) Normal Mold
(b) Double Cooling Development Mold [Fig. 7] Thermal image taken with thermal camera
(a) General mold
(b) Double Cooling Development Mold [Fig. 8] Analysis of thermal distribution during heating
and cooling analyzed by ANSYS.
2.3 절 결과분석
개발된 금형시스템의 성능을 평가하기 위하여 양산 금형에 적용하여 테스트한 결과를 아래의 그림에 나타 내었다.아래의 Fig. 9와 10은 일반적인 방식으로 생산된 제품과 개발된 시스템을 이용하여 생산된 제품을 비교 한 그림이다.
Fig. 9에서 (a) 그림은 일반적인 방식으로 생산된 제품이며 제품 표면에 흐름자국 및 가스가 발생한 것 을 확인할 수 있으며, (b) 그림은 개발된 시스템을 이 용하여 급속 가열 및 급속 냉각을 통하여 미려한 표면 품질을 얻을 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
(a) General mold
(b) Double Cooling Development Mold [Fig. 9] Comparison between general mold and
development mold-1
[Fig. 10] Comparison between general mold and development mold-2
3. 결론
웰드레스 금형 온도제어 시스템의 성능과 관련하여 금형가열속도, 금형냉각속도, 제품 생산속도를, 웰드레 스와 관련해서는 생산된 제품의 표면 거칠기, 웰드라 인 발생율, 플루마크 발생율 등을 평가항목을 선정하 였으며, 금형 및 사출기술의 최대 선진국인 일본과 독 일 기업의 보유기술을 목표로 삼았다.
금형 가열속도는 가열과 냉각으로 구성된 금형 온도 변화 사이클에서 가열에 소요되는 시간을 의미하며, 25sec/cyc로 하였으며, 통상 일반적인 온도조절기를 이용할 경우의 가열속도는 30～35sec/cyc 범위이다.
가열유체인 스팀의 온도가 높을수록 금형 가열 속도는 증가하였으며, 가열유체 온도가 200℃일 경우 50℃에 서 110℃까지 25sec만에 승온되기도 하였다.
그러나 가열유체인 스팀의 온도가 높을수록 금형의 온도의 오버슈트(overshoot)심해지고, 열손실이 급격 히 증가하여 에너지 비용이 증가하는 문제점이 있었 다.이러한 문제점을 모두 감안하였을 때, 결론적으로 가열유체인 스팀의 최적 설정온도는 180~ 200℃라 고 판단되며, 충분히 목표치를 달성한다. 이 때 중요 한 것은 배관라인과 밸브, 금형 연결튜브 등을 통한 방열량이 상당하므로 최대로 단열이 이루어지도록 하 여야 한다.
금형 냉각속도는 가열과 냉각으로 구성된 금형 온도 변화 사이클에서 냉각에 소요되는 시간을 의미하며, 목표치를 32sec/cyc로 하였다.
일반적으로 냉각조작은 가열조작보다 어려우며, 시 간이 많이 소요된다. 냉각을 위한 이중 냉각 채널 및 면(face)채녈 냉각 방식을 개발하여 적용한 결과 웰드 레스 금형의 온도조작에 주로 사용되는 120℃ 온도에 서 형개를 위한 70℃까지 냉각하는데 목표치를 충분 히 달성할 수 있었다.
제품 생산속도를 시간당 제품 생산 개수이며, 금형 크기, 성형품의 형상에 따라 다르지만 목표 사출 사이 클 타임을 55sec로 가정했기 때문에 목표치를 65ea/hr로 하였다.
제품 생산속도를 시간당 제품 생산 개수이며, 금형 크기, 성형품의 형상에 따라 다르지만 목표 사출 사이
클 타임을 55sec로 가정했기 때문에 목표치를 65ea/hr로 하였다. 제품 생산속도는 금형조작 프로그 램에 의해 결정되며, 55sec 이내의 사이클 타임 목표 치가 달성되었으므로 제품 생산속도도 목표치를 달성 하였다.표면거칠기, 플루마크, 웰드라인은 금형 온도제어에 의해서만 달성되지는 않으며, 제품 표면은 금형 성형 면의 표면거칠기에 의해 결정되므로 래핑 등 금형표면 처리가 기본적으로 완벽해야 한다. 웰드레스 금형과 일반금형에 적용하여 시사출하였으며, 웰드레스 금형 에서는 플루마크와 웰드라인이 전혀 발생하지 않았다.
참고문헌
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2. John P. Beaumont, "Runner and Gating Design Handbook", Hanser Publishers, 250-270.
3. Lee, D. G., Sim, J. J., Kim, J. W, "Study on the Fiber Orientation and Fiber Content Ratio Distribution during the Injection Molding for FRP,", Transactions of the Korean society of machine tool engineers, 15(4), 1-7 (2006).
4. Shin, J. K., Min, B. K., Kang, S, "Minimization of Weld Lines in Two Shot Molded Parts with Microlenses,", Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, 13(3) 230-235 (2004).
5. Necar Merah, M., Irfan-ul-Haq., Z, Khan, "Temperature and weld-line effects on mechanical properties of CPVC,", Journal of Materials Processing Technology, 142, 247-255 (2003).
6. Chung, Y. H., Kato, K., Otake, N, "Melt front surface asperity and welding-defect generation in ceramic injection molding", Journal of Materials Processing Technology, 111, 219-224(2001).
7. Osman G. Ersoy, Nihan Nugay, "A new approach to increase weld line strength of incompatible polymer blend composites: selective filler addition", Polymer, 45, 1243-1252 (2004).
8. Shaoyun Guo, A. Ait-Kadi, M. Bousmina, "A modified model predicions and experimental results of weld-line strength in injection molded PS/PMMA blends", Polymer, 45, 2911-2920 (2004).
