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1. 사출성형 개요 
2. 플라스틱 사출성형 조건 변화 
3. 금형온도 관리와 매체온도 관리의 차이점 
4. 금형 냉각회로 구성 및 사출성형 공장 냉각회로 구성

3. 금형온도 관리와 매체온도 관리의 차이점

금형 속 성형부 근처에 Sensor를 장착하여 관리한 것과 매체 온도를 관리하고 금형 속에 Sensor를 장착하여 나타난 온도를 그래프로 나타낸 것이다.

                                                                          - 실험 조건 : ⓐ Cycle Time 40 Sec, ⓑ Cycle Time 60 Sec

1) 금형 온도관리

1. 금형 성형부 근처의 온도를 관리함으로 온도 변화를 쉽게 알 수 있어 관리가 쉽다.
2. 열 교환 능력 진단을 쉽게 찾을 수 있으며, Cycle Time 변화에 금형 온도 변화를 알 수 있어 냉각 회로 문제점 진단도 가능하다.
3. 환경 온도 변화에 관계없이 사출성형을 고품질의 제품과 생산성을 일정하게 관리할 수 있다.
4. Sensor 장착 비용과 관리비용이 발생되나 표준화된 생산 관리로 금형 수명, 성형기 수명, 생산성 등을 고려하면 1/10000 수준에도 못 미칠 것이다.
5. 실측 금형 온도를 관리할 수 있는 과학적인 방법이다.

2) 매체 온도관리

1. 매체 온도는 20분 사이에 50℃에 도달되었으나 실제 금형 온도는 32℃로 18℃의 온도 차가 발생하며, 금형에 따라 차이는 있지만 60~85분 경과해야 매체 온도와 금형 온도가 같아진다(단, 수압 4㎏/㎠ 이상일 경우).
2. 생산을 시작하면 금형의 온도는 급상승하게 되며, ⓐⓑCycle Time의 변화에 따라 금형 온도가 변한다. 그러므로 매체 온도와 금형 표면의 온도 차는 성형 시간, 수지 온도, 외부 환경 온도 변화에 따라 온도 차가 발생되어 일정한 품질과 생산을 할 수 없다.
3. 탱크 내부 온도를 관리함으로 금형 내부로 흐르는 매체의 흐름을 알 수 없으므로 실제 금형 온도는 전혀 알 수 없다. 그러므로 열 관리 능력 진단이 불가능하다.
4. 매체의 온도와 금형의 온도는 15~28℃의 편차가 발생됨으로 예열시와 생산시 온도 차를 감안하여 재설정 또는 수정을 하여야만 생산을 할 수 있다.
5. 환경온도가 변하는 폭에 따라 변하는 상태를 Data Base화하여 주의 깊게 관찰·관리해야 한다.

3-1. 사출성형 중의 금형 표면 및 내부 온도 변화

①~⑤까지는 수지가 입력될 때 상승되는 Digital 온도계 숫자 변화를 눈으로 관측·관리하기는 사실상 어렵다. 하한 곡선이 만나는 점이 수평선 ⑥~⑦의 위치를 기준으로 하는 것이 관리와 금형 온도 관리에 적합하다.

⑧~⑩위치는 표면의 온도 차가 크게 발생하여 2~4Shot 불량품이 발생되므로 될 수 있으면 ⑥~⑦선에 맞춰야 된다. 만약 불가능하다면 그 위치에 설정하는 것도 온도 편차는 있지만 지속적인 관리가 됨으로 매체 온도관리보다는 훨씬 우수하다.

ⓔ지점은 금형에서 제품이 추출될 때 시점이다.
그 후에 금형 표면의 온도는 급 하강함으로 작업 지연 및 생산 중단 시에는 금형을 닫아 놓는 것이 표면 온도 유지에 도움이 된다.

3-2. 열전도 및 열의 이동

사출성형에서 금형이 일정한 열적 조건으로 유지되는 상태, 즉 금형에 유입되는 열량과 금형에서 방출되는 열량이 같고, 수지의 사출·냉각 및 형개가 있는 Cavity 부근을 제외하면 항상 일정 온도를 유지하고 있으며, 또한 Cavity 표면이 완전히 같은 온도에서 사출이 반복되는 것을 말한다.

1) 캐비티(Cavity) 부근에서의 온도 분포
금형에서는 수지의 사출이 반복되기 때문에 캐비티 표면에서는 항상 온도의 오르내림이 있어 일정한 온도로 유지될 수는 없다(<그림 3-3> 참조). 이러한 온도 변동은 어떻게 할 수 없는 물리적 현상으로 온도의 변동을 없게 하는 것은 불가능하다. 이와 같은 변동이 일어나고 있는 금형의 온도 조건을 일정하게 유지하려 하는 것에 의문이 생길 것이다. 그러나 관점을 단위 시간에 들어오는 열량에 맞추면 문제는 쉽게 이해될 것이다.

사출 사이클은 일정한 것으로 캐비티 표면에서는 <그림 3-3>와 같은 온도 변화가 반복된다. 캐비티 표면에 전파된 열은 수지의 약 200배에 달하는 강철의 양호한 열전도와 약 2배에 상당하는 용적 비열(단위 용량당의 열용량)에 의해 급속하게 주변으로 전도·흡수되기 때문에 온도 변화 폭은 감소되어 일직선(수평선) 기울기가 된다.

이에 의해 이동하는 열량이 일정할 때는  (두 점간의 온도 차)는 일정하게 되고, 온도 기울기를 나타내는 선은 도체가 균일할 때 직선이 된다.

2) 금형의 정상 상태와 외란

금형으로의 열의 출입이 동등할 때, 즉 금형의 열 이동 밸런스가 유지되어 있을 때 금형 중에서 산출되는 온도 기울기는 일정하며, 온도도 안정되어 움직임이 없다. 이것이 금형 온도가 제어되고 있는 이상적인 상태이다. 금형의 온도 분포, 즉 열 이동 밸런스를 깨뜨리는 가장 많은 외란은 실온의 변화인데 실온이 변함에 따라 제품에 영향이 미치는 것은 주지의 사실이다.

금형의 표면 온도는 실온과 항상 차가 있기 때문에 그 표면에서는 열전도(대류·복사)에 의한 열의 이동이 일어나고 있다. 그 열량 손실은 다음 식으로 표현할 수 있다.

다음에 계산한 예를 나타내었다.

총 손실 로 나타나므로 금형은 항상 주위의 온도와의 차이에 따른 무시할 수 없는 열량을 주고받고 있는데, 금형의 표면 온도가 일정하게 유지되고 있는 것은 표면으로부터 빼앗기는 것과 동량의 열량이 내부로부터 공급되기 때문이다. 금형이 고온인 경우에는 복사에 의한 손실이 급속하게 증대하여 총 표면 손실은 수지로부터 받게 되는 열량보다 크게 되어 냉각이 아니라 가열을 필요로 하는 정도가 된다.

실온의 변화가 일어나면 표면 손실량은 변동하고 그 결과, 캐비티의 평균 이론 온도(즉 금형의 온도)가 변해 일정 성형 조건이 붕괴됨에 따라 실온 변화에 의한 제품 품질의 불량으로 나타난다. 금형 내의 온도 분포를 항상 정상적으로 유지하기 위해서는 이론상, 외란에 따른 보정 동작이 가해져야 한다.

3) 열의 이동과 유동 조건

금형에 유입된 열이 금형을 통해 냉각 구멍에 도달, 매체에 옮겨져 운반되어가는 과정을 바르게 이해하기 위해서는, 여기에서의 모든 현상을 규정하고 있는 법칙과 그것에 기초한 정량적인 실제 상황의 인식이 필요하다. 매체로 물을 사용하는 일반적인 경우에 대하여 설명해 나가겠다.

1. 물의 유량

물의 유량이 중요한 것은 상식이다. 유량이 불충분하면 금형에 유입되는 온도와 금형으로부터 방출되는 온도의 차가 커지게 되고, 정밀도의 허용 폭을 넘게 되면 제품의 품질에 영향을 준다. 따라서 필요 유량은, 금형으로 유입되는 열량을 받아도 물의 온도 변화가 허용 범위 이내로 되는데 필요한 만큼의 유량을 확보하여야 한다.

금형으로 유입되는 열량의 주체는 수지인데, 그 열량 는 식(4)에 의해 계산할 수 있다. 이것이 냉각을 필요로 하는 열량 P에 해당하는 것으로, 그것을 위한 유량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

열량 계산식에서 냉각을 필요로 하는 열량을 구하고, 또한 필요한 유량을 유량 계산식(5)로부터 계산하다.

--------------------------(4)

예를 들어, 수지를 ABS수지, 1Shot 중량 0.2㎏, Cycle Time 20sec, 사출온도 220℃, 금형온도 40℃,  로 가정하여  을 계산하여 보자.

물의 밀도를   이라 하여 부피로 환산하면 유량은   가 된다. 필요 유량이 정해지면, 설계한 냉각 회로의 직경으로부터 유속, 레이놀즈수, 물의 유동 마찰계수가 정해지며, 이것과 회로의 길이로부터 회로에 발생하는 압력 저항이 계산된다.

냉각력, 유량, 압력 저항으로부터 필요한 능력을 갖춘 System이 되어야 한다. 금형에서 회수된 물의 온도차는 유량이 많을수록 적으므로, 이러한 점에서 유량은 많으면 많을수록 좋겠지만, 생산 현장에서의 현실적인 기계 구조상 무한히 유량을 증가시킬 수 없는 한계가 있다. 여기서 한계란 순환 회로에 발생하는 유동 저항을 말한다.

2. 회로의 유동 저항

유체가 유관을 흐를 때는 반드시 유속의 제곱에 비례하는 저항이 발생하는데, 다음 식에 의해 계산된다. 우선 유속을 계산하고, 이것으로부터 레이놀즈수 Re를 구하여 물의 마찰계수를 조사한다. 마찰계수를 알면, 유동 저항식 (9)에 의해 저항이 계산된다.

여기에서,

여기에서,

3. 물과 기름

<표3-1>물과 기름의 열 특성 비교

열매체로 물은 가장 양호한 것이다. 기름은 물과 비교하면, 열전도율, 열용량, 경막 전열 계수가 현저하게 낮기 때문에 열 운반체로서는 효율이 좋지 않다.

비교표의 비교치에 의해서도 알 수 있는 바와 같이, 기름의 열 특성은 물에 비하여 매우 뒤떨어진다. 따라서 열 교환 효율은 좋지 않고, 금형온도 100℃ 이상이 아니면 충분한 효과를 발휘하지 못 하는 경우가 많다. 그러나 기름은 고온에서는 열 교환 효율이 향상된다. 물의 경우 내압이 커짐에 따라 위험성이 증가하여 이용할 수 없는 온도 영역에서는 기름을 사용하게 된다. 약 180℃ 이상의 고온은 기름이 아니면 사용할 수 없는 영역이다.

4. 온도조절기 냉각기 선정 방법

온도 조절기와 냉각기 선정은 열량의 계산에 의하여 적합한 것을 선택해야만 사출 성형기 가동율 향상과 Cycle Time을 극대화할 수 있다. 온도조절기와 냉각기는 예열하는 속도(시간)에 따라 가열?냉각 열량, 매체의 유량, 유속을 결정한다. 열효율(20%), 시스템 안전율(30%)을 가산하면 적합한 선정이 될 것이다.

<표3-2> 사출기 용량과 Pump 토출량 상관표

5. 냉각 구멍 크기, 길이, 압력에 의한 유량 비교

<표3-3> 냉각 구멍 크기, 길이, 압력에 의한 유량 비교

* 자료 : (주)마상기공 www.masang.com