HeaCo (Heat & Cool) System Process 에 대한 올바른 이해
플라스틱 사출성형에서 안정적인 제품을 생산하기 위해서는 금형온도를 일정 하게 조절해야 된다. 금형의 온도를 조절한다는 것의 중요성은 제품외관 표면, 전기적 특성, 잔류응력, 수축율, 이형성, 치수안정성 등에 상당한 영향을 준다 는 것에 있다고 본다. 금형온도조절은 주로 사용 원료 (plastic resin)의 특성 에 따라 하고 있다. 플라스틱 사출 성형 금형은 일반적으로 기름이나 물을 이 용하여 가열 또는 냉각을 할 수 있도록 냉각수 통로를 가공하여 일정한 온도 를 유지하고 있다. 원료(plastic resin)의 종류에 따라 금형온도를 60℃
~175℃정도 범위에서 작업을 하는데 일반적으로 그 원료의 열변형 온도보다 10℃~15℃정도 낮은 온도를 사용하는 것이다.
Heat & Cool Process 의 경우는 기존 의 금형온도 제어 개념과 다른 점이 있 는데 매 사이클마다 금형의 온도를 열 변형 온도보다 높게 가열한 상태로 만 들어 사출하고 사출 후 제품의 치수 변 형온도 즉 취출 가능한 온도 이하로 냉 각한 후 제품을 취출하는 일련의 과정 으로 되어있다는 것이다.
이러한 가열과 냉각공정이 정해진 사이 클 이내에 급속하게 이루어지지 않을 경우 사이클 타임이 과도하게 길어지는 문제, 용융된 수지가 사출기 실린더 내에 체류하는 시간이 길어 짐에 따라 수지의 저질화(Degradation) 및 가스발 생 등과 같은 생산성 관련 문제가 하나 의 난제로 남아있었다.
특히 이러한 급속가열과 냉각 기술은 유럽과 미국에서 이미 20년 전부터 실용 화를 목표로 하여 계속적으로 연구하였으나 급속가열을 할 수 있는 방법을 찾 지 못하고 지지부진 하였다.
이와 같이 급속가열과 냉각이 가능할 경우 외관제품의 경우 플라스틱 사출성 형의 가장 큰 문제인 외관품질을 완벽하게 제거하여 무도장 (No-painting) 성 형을 하여 외관제품의 품질을 고급화하고 도장을 하지 않으므로 발생되는 원 가절감 효과가 있으며 그 파급효과가 엄청나게 크게 된다.
즉 사출성형에서 성형물의 표면에 나타나는 웰드라인 (Weldline), 플로우마크 (Flow mark), 표면 광택 차이, 전사성 등의 결함들 이 필수적으로 나타나게 된다. 이는 사출성형제품 에서 필연적으로 나타나는 것인데 기본적 원인은 간 단하게 설명할 수 있다.
사출 성형시 금형 내에서 수지의 유동상태는 일반적으로 분수형 흐름을 형성 하면서 캐비티내로 충진된다. 용융온도 보다 현저하게 낮은 온도의 금형에서 유동 메커니즘을 보면 용융 선단부의 용융수지가 조금씩 식으면서 표피 (Frozen skin) 층을 형성하고 뒤에서 연속적으로 흘러오는 뜨거운 수지에 의 하여 연속된 흐름을 만들어 길게 늘어나면서 점차적으로 캐비티 벽면에 부착 된다. 그와 동시에 고화가 시작되어 길게 늘어난 흐름 상태에서 냉각되어 중 앙부 유동 층과의 사이에 전단력 (Shear rate)이 발생한다.
여기서 발생한 전단력과 냉각 속도의 차이가 여러 가지 불량의 원인이 된다.
특히 플라스틱 원료의 특성상 용융상태에서 수지의 용융점도 (Melting viscosity)가 온도에 따라 크게 차이가 있으며 이것에 의하여 흐름의 정도를 결정하는 유동성에 영향을 미친다.
이에 따라 용융된 수지를 금형에 사출하기 전에 금형의 스킨코어 부분의 온도 를 열 변형온도 정도까지 가열하여 충진하면 수지의 유동성이 향상되고 금형 표면의 형상에 대한 전사성이 좋아지고 현저한 품질 개선 효과를 얻을 수 있 다.
Heat & Cool을 실현하기 위 하여 해결해야 되는 과제는 세 가지가 있는데 하나는 금형의 온도를 (생산성에는 영향을 미치지 않으면서) 매 사이클 마다 가열과 냉각을 효율적으로 할 수 있도록 해 야 하는데,
Mold T e mp . Curve Contro l
Temp. down Temp. up
Heating media supply
Cooling water
Mold open Injection
heating
blowing
Seq.
Eject, close & clamp Cooling
형개시작
Heating finished
Cooling heating Cooling
Heating media supply
Cooling water
blowing
Injection start
Mold open Injection Eject, close & clamp Cooling
Mold T e mp . Curve Contro l
Temp. down Temp. up
Heating media supply
Cooling water
Mold open Injection
heating
blowing
Seq.
Eject, close & clamp Cooling
형개시작
Heating finished
Cooling heating Cooling
Heating media supply
Cooling water
blowing
Injection start
Mold open Injection Eject, close & clamp Cooling
Normal Molding Heat & Cool
Can Not Find Out Weld Line with Heat & Cool
이를 위해서 사출기가 용융 된 수지를 사출하기 직전 (즉 형개, 이젝터 전진, 제품 취출하고 형폐하는 시간 내 에) 가열이 완료되어 가열을 하기 위하여 사출을 대기하 는 일이 없도록 빠른 시간 내에 작업을 완료해야 한다.
또 하나는 이와 같이 급속가열과 급속 냉각을 할 수 있도록 금형을 개선하는 데 있다.
마지막은 이와 같은 두 가 지 만족된 조건에 따라 연 속적으로 생산을 할 때 발 생되는 문제점 즉 가열과 냉각을 반복적으로 실시하 였을 경우 금형에 나타나 는 현상으로 금형자체의 열 팽창에 따른 문제점으 로 금형에 설치된 가스빼 기가 그 역할을 할 수 없 을 정도로 없어지는 경우, 등이다.
여기에서 소개하는 히코 (HeaCo) 시스템은 가열과 냉각을 효율적으로 할 수 있는 시스템이다. 즉 가열과 냉각을 최소의 에너지를 이용하여 최대의 효과를 얻을 수 있도록 개발된 시스템이다.
기존에 사용하던 방식으로는 가열매체로서 기존의 산업용 보일러를 사용하는 경우는, 물을 가열하여 발생되는 증기(steam)를 모아 가열매체 (heating medium)로 사용하는 경우와 가압열수 방식으로 물을 압축하여 물의 비등점 (boiling point) 을 높여 가열한 다음 여기서 발생되는 열매체를 순환하며 가열 하는 방식이 있다.
그러나 이러한 경우는 열매체의 온도는 높으나 그 압력이 낮기 때문에 금형내 부에 설치한 미세한 가열용 홀을 통과하는 유속이 느려지기 때문에 가열시간 이 길어지게 되며 즉 설정온도까지 상승시키기 위하여 계속적으로 열을 가하 면 가열해야 되는 부분 이외의 다른 부분까지 가열되게 되어 오히려 성형제품
Normal molding Heat & Cool
PP+ long fiber Press Molding
의 치수안정성과 변형의 원인이 되기도 한다. 또한 제품의 크기가 큰 대형제 품의 경우 스팀의 입구와 출구 쪽의 온도 차이로 인한 문제가 대두된다.
또한 보일러 방식의 경우는 한번 가열한 스팀은 재생되지 않고 배기라인을 통 하여 버려지기 때문에 지속적으로 보일러에서 스팀을 생산하여야 되기 때문에 엄청난 에너지를 투여해야 되는 단점이 있다.
히코 (HeaCo) 시스템은 세계에 서 최초로 개발된 시스템으로 최 소의 에너지를 투여하여 고온 고 압의 증기를 생산하여 가열하는 열매체로 사용 가능하도록 개발 된 시스템이다.
기본 원리는 가열실린더 내에서 에어(공기)를 전기적 에너지를 이 용하여 가열하고 상온의 물을 압 축하여 미세한 노즐을 통하여 분 무하면 물 분자 (molecular water)들이 미세한 입자 (particle) 로 분무되는 순간 가 열된 공기와 접촉하여 증기가 되 는 원리를 이용하였다.
즉 따뜻한 공기가 분무되는 물 입자를 포집하여 증기화하는 원리이다. 즉 물을 직접 가열하는 것과 에어를 가열하는데 소요되는 에너지는 가열해야 하는 매체의 질량(mass)에 비례 (proportion) 하기 때문에 엄청난 차이가 있다. 또한 물을 기화(vaporization) 시키는데 물 분자들을 미세한 입자로 쪼개어 기화시키는 것이 보다 유리하며 특히 물을 압축하여 직접 가열하는 방식과 비교하면 엄청난 에너지의 차이를 확인할 수 있다.
이러한 원리를 이용하여 발생된 증기는 온도와 압력에서 기존의 보일러와 비 교할 수 없는 차이를 갖고 있다. 일반적인 보일러는 증기의 압력이 보통 10kg/cm2 정도이며 히코 (HeaCo) 시스템을 통하여 얻는 증기 압력은 최소 25kg/cm2이상의 압력을 일정하게 유지할 수 있다.
적용사례를 보면 LCD TV 42~57”의 경우 금형온도 65℃에서 가열온도 120℃까지 가열하는데 걸리는 시간은 평균 18~25sec 이내에 가능하다.
즉 이와 같은 크기의 제품을 성형하기 위해서는 사출성형기 1800 ~ 2500톤
water spray
Air supply Temp. Sensor Press. sensor
Steam out Water supply
water spray
Air supply Temp. Sensor Press. sensor
Steam out Water supply
대형 기계에서 해야하는데 설정온도까지 가열을 평균 20초 정도에 할 수 있다 는 것은 형개, 취출, 형폐에 걸리는 시간과 거의 동일하게 이루어지기 때문에 사이클의 손실이 없이 가능하다는 것이다.
물론 가열을 가장 효율적으로 하기 위해서는 금형에서 가열 홀이 효율적으로 되어야 한다는 전제 조건에서 출발하는 것이다.
보다 구체적으로 가열시간이 단축되고 생산성이 향상되는 점을 보면
1. 통상적으로 가열시간을 최소화 하기 위해서는 가열매체의 온도가 높아 야 되고 압력도 높아야 되는데 압력을 높이는 것은 상당히 어려운 난제 이다. 즉 가장 짧은 시간에 금형의 온도를 원하는 설정온도까지 가열하 기 위해서는 사용하는 열매체의 온도와 압력이 중요한 요인이며, 금형 전체에 보다 균일한 온도 분포를 얻기 위해서는 공급되는 열매체의 순 간 유속이 최대한 빨라야 한다.
2. 히코시스템을 통하여 얻을 수 있는 열매체의 온도는 기본적으로 200℃
이상 유지하고 있으며 그 압력 역시 25kg/cm2이상에서 가열을 시작하 기 때문에 어떠한 시스템보다 유리하다.
또한 대형제품인 경우 (LCD TV 40”이상)에는 스팀의 입구와 출구의 온도편차가 최소화되어 안정적인 양산에 그 효과가 컸다.
3. 이와 같이 생산된 고온 고압의 스팀을 효율적으로 사용하기 위하여 스 팀출구 쪽 배기라인을 제어하는 독자적인 제어시스템을 개발하였으며 그 효과를 검증하였다..
안전성에 대해서는 스팀 의 압력이 과도하게 높은 경우 그 안전에 대한 문 제가 제기 되는데 열역학 (thermodynamics) 기본 법칙에 따라 대기 중으로 방출(discharge)될 때 에 너지를 잃게 되면 즉 압 력이 대기압 상태로 떨어 지면 온도가 떨어져서 물
방울이 되어 떨어지는 현 상이 나타난다.
즉 한정된 용기에서 단순 한 가열을 목적으로 순간 적으로 발생한 스팀으로 는 투여된 에너지가 작다 는 것이다.
예를 들면 가압열수 방식의 경우는 (물을 가압하여 가열하는 방식의 경우는) 물의 중량으로 인하여 엄청난 에너지를 보유하게 되고 특히 가열한 후에 그 물을 회수하여 순환시키는 폐회로 시스템으로(에너지를 최소화하기 위하여 필 수적으로 회수해야 됨) 리크가 발생되면 내부에 저장된 물 전체가 방출되기 전까지 보수를 할 수 없는 단점이 있다.
히코시스템의 경우는 가열하고 난 스팀을 냉각수 배기라인을 통하여 완전히 방출하고 있지만 낮은 에너지를 이용하여 충분히 스팀을 연속적으로 발생할
67″ front mask
Water supply & Steam Drainage system
수 있다는 특징이 있다. 에너지 소모량의 개념에서 보면 히코 시스템의 경우 에어라는 기체를 가열한 다음 물을 분무하여 스팀을 발생하기 때문에 기존의 기름이나 도시가스를 이용하여 물을 가열하여 스팀을 발생하는 보일러와 비교 하면 에너지 비용 면에서 현저한 차이가 있는 에너지 절감형 시스템이다.
또한 일반 보일러의 경우 스팀배관을 설치하여 필요한 곳으로 에너지를 이동 하도록 되어있으므로 에너지의 소모량이 크고 압력편차에 따라 가열시간이 변 하게 된다. 이런 단점을 완벽하게 해결한 히코 시스템은 주식회사유니벨 에 서 자체 개발 및 제작하여 전 세계적으로 동남아시아, 유럽, 멕시코 등 60여 대가 현재 가동 중에 있으며 확산 일로에 있다.
