1. 사출성형 시 고려해야 할 조건
사출성형 조건에는 온도, 속도, 압력, 위치, 시간 등의 조건 설정이 필요하다. 사출성형을 하기 전에는 우선 작업의 목표를 설정(최종 제품 품질 수준 - 외관, 치수, 품질 포인트 등)하고, 최적 장비를 선정하며(재료의 종류, 제품의 크기, 금형 사이즈 등 고려), 재료의 특성 및 금형 구조의 이해가 필요하다.

초기 성형조건 설정 시 온도는 되도록 낮게 설정한다. 이는 분해를 방지하고 사이클 시간을 단축시키기 위해서이다. 사출압/보압/배압 등 압력 역시 오버 패킹에 의한 금형 손상을 방지하기 위해 낮게 설정해야 한다. 반면 형체압은 비리 발생 방지 및 장비 안전율을 고려해 높게 설정하고, 속도는 사출속도 저속, 스크루 RPM 저속, 형개폐 저속, 공급 스트로크 소로 설정한다. 아울러 사출 보압 시간과 냉각 시간은 길게 설정하는 것이 좋다.

2. 사출압력
사출압력은 용융수지의 유동저항을 극복하게 하는 구동력인데 이는 고분자를 금형의 캐비티에 충전하고 패킹할 수 있게끔 밀어준다. 이 압력은 용융수지를 움직인다.

사출압력에 관련된 수식은 기본적인 유체역학 이론을 바탕으로 하면, 유동주입기구 시스템(스프루, 러너 및 게이트) 및 캐비티를 충전하기 위해 요구 사출압력은 재료, 설계 및 몇몇 주요 공정변수들 등과 상관관계를 가진다.

3. 사출압력을 결정하기 위한 CAE (Computer Aided Engineering) 이용
성형설계의 관점에서, 요구되는 압력을 줄이기 위해 게이트 위치 및 개수, 제품 두께, 재료 선택, 그리고 용융수지 및 금형온도 등과 같은 요인들의 효과를 측정하기 위한 도구로써 CAE를 사용할 수 있다.

일반적으로 다점 게이트들을 사용하면 유동길이를 줄여 금형 충전에 필요한 사출 압력을 줄일 수 있다.
만약 낮은 사출압력을 요구하기 때문에 다점 게이트 시스템을 사용하게 된다면, 몇몇 문제점에 부닥치게 될 것이다. 다점 게이트 시스템에서는 눈으로 보이는 웰드 라인이 발생되고 보다 복잡한 러너 시스템을 필요로 하기 때문이다.

컴퓨터 모사는 이러한 문제들을 해결하는데 이용될 수 있다. CAE 해석은 웰드 라인 및 공기 갇힘의 위치를 예측할 수 있다. 이 정보들을 이용해 사용자는 웰드 라인이 적절한 곳에 위치하도록 최선의 게이트 위치를 선택할 수 있다. 또한 순차적으로 열리고 닫히는 밸브 게이트를 이용함으로써 웰드 라인을 없앨 수도 있다. 용융수지가 흐름 하류의 밸브 게이트 위치에 도달한 후 전략적으로 위치시킨 해당 밸브 게이트를 열어야 한다.

한편 제품 두께의 경우 요구 사출압력에 중요한 영향을 미친다. 두께가 얇으면 얇을수록 유동에 대한 저항은 커지고, 그 결과 더 높은 사출압력이 요구된다. 이러한 경우 CAE 해석은 주어진 제품 형상에 대해 다양한 두께에서 요구되는 사출압력을 도표로 나타냄으로써 제품 설계 공정에 도움을 줄 수 있다.

충전시간에 있어서도 CAE 해석은 도움이 될 수 있다.
충전시간과 사출압력 사이의 관계에서 몇몇 서로 상반되는 요인들이 작용하게 되는데, 사출압력 수식에 따르면 충전시간이 줄어들면 유량이 커져 더 높은 압력을 필요로 하게 되고, 캐비티 부피가 주어지면 충전시간은 유량에 반비례한다. 그러나 높은 사출속도는 수지의 온도를 상승시키는 점성에 의한 마찰열을 발생시킨다. 높은 온도와 유량으로부터 야기되는 높은 전단변형률은 용융수지 점성을 감소시켜 요구되는 압력을 상쇄시키게 된다.

한편 충전시간은 또한 금형 벽면으로부터 금형냉각효과를 결정한다. 충전시간이 길면 두꺼운 고화층이 형성되고 이는 보다 제한된 유동경로를 만들어 보다 높은 사출압력을 요구하게 된다.

컴퓨터 모사의 도움으로 이러한 충전시간 변화로부터 야기되는 상반되는 관계들의 설계효과를 측정할 수 있다. 충전시간에 대한 사출압력의 CAE 그래프는 그 관계가 U자 모양의 곡선임을 보여준다. 최적 충전시간은 그 곡선에서 사출압력이 가장 낮은 점이다.

한편 사출 및 금형온도는 성형품의 결과에 직접적인 영향을 미친다. 또한 다른 변수들 뿐만 아니라 사출압력, 표면특성, 제품 수축 및 휘어짐, 그리고 사이클 시간 등에도 영향을 미친다. CAE 해석은 사출 및 금형온도의 함수로서 사출압력의 정확한 예측을 제공한다.

아울러 유동주입기구 시스템과 금형 캐비티 안에서 유동선단의 과도적인 전진을 나타내는 충전패턴 결정에도 CAE를 적용할 수 있다.

전통적으로 충전패턴을 해석하기 위해서는 성형작업장에서 일련의 미충전을 실행해야 했고, 이 때문에 간이금형 또는 실제 양산금형을 가지고 사출성형기를 작동해야 했다. 현재는 개념설계단계에서도 컴퓨터 모사의 결과로 충전패턴을 시각화하는 것이 가능하다. 또 다양한 사출량 또는 각 시험단계에서 유동선단의 위치(용융수지-공기경계면의 윤곽선)를 정정하기 위한 시험사출 과정 역시 생략할 수 있다.

컴퓨터 모사는 등시간격선(동일한 시간간격에서의 윤곽선)에서의 충전패턴을 그린다. 인접한 윤곽선 사이의 간격이 유동선단속도의 지표가 된다. 조밀한 간격의 윤곽선은 정체를 의미하는 반면, 넓은 간격의 윤곽선은 유동속도의 가속을 나타낸다. 충전패턴은 웰드 및 멜드 라인의 위치, 공기갇힘의 위치, 벤딩 위치, 레이스-트랙킹 효과, 용융수지유동의 정체와 가속, 유동균형의 정도 등 중요한 설계상의 관점을 분석하는데 사용될 수 있다.

4. 시험사출에 대해 컴퓨터 모사 활용하기
유동선단전진 윤곽선은 유동선단속도(MFV)의 변화를 보여주는데, 게이트 주위에서는 넓은 간격의 윤곽선이, 다른 부분에서는 좁은 간격의 윤곽선이 나타난다. 비록 웰드/멜드 라인 및 공기갇힘이 위치하는 곳을 알기 위해 예측된 충전패턴을 이용할 수 있지만 복잡한 현상에 대해서는 이 작업이 매우 어렵다. 이와 같은 이유로 CAE는 자동적으로 웰드/멜드 라인 및 공기갇힘을 예측하는 특별한 부가기능을 제공한다.

또한 컴퓨터 모사로 제품 및 금형 설계를 변화시킴으로써, 특히 게이트 위치를 변화시킴으로써 충전패턴을 향상시킬 수 있다.

* 필자소개
한국생산기술연구원 금형기술센터
이성희 센터장, 김종선 박사