사출 성형이란?
RESIN(플라스틱)에 열을 가하여 가소화 시켜서 유압으로 용융수지를 틀(금형)에 쏘아 넣어 제품을 만들어 내는 것을 말한다.
사출성형에는 여러가지 복합적인 관련설비를 필요로 하지만 그중에서도 특히 사출성형기, 금형, 사용원료가 구비되어야 한다. 이 세가지 요소의 특성들이 조화를 이루었을때 사출성형이 가능하게 되며, 목적에 부합되는 제품을 생산할 수 있다.
1872년 John과 Isiah Hyatt 형제가 Celluloid를 금형에 처음 사용한 것이 시작이 되어 현재는 사출 성형기에서 플라스틱 수지(열 경화성 수지, 열 가소성 수지)를 용융 시켜 금형의 틀 안으로 넣어 용융수지를 고화 시켜 만드는 것.
①사출성형기
사출성형기는 사출부와 형체부로 나누어 진다.
사출부는 RESIN(플라스틱)을 넣어 건조를 시키는 호퍼와 RESIN을 고온에서 용융시키는(가소화 하는) 실린더부로 이루어졌으며 Heater온도와 사출압, 사출속도, 보압, 계량등으로 성형품의 조건을 맞추는 중요한 역활을 한다. 형체부는 금형을 달아서 금형을 열고(형개) 닫는(형폐) 부위로 이루어져 있으며 형체거리와 형체압에 따라 성형품의 parting부위 불량이 발생할 수 있다.
사출성형기는 크게 직압식과 터글식으로 구분되며 이 둘을 조합한 형태도 있다. 직압식과 터글식의 구분은 사출성형기의 형체부(금형을 고정시켜 형개,형폐시키는 부위)가 실린더형이면 직압식, X자형이면 터글식으로 구분된다.
사출성형기의 용량도 2가지로 나눌수 있는데 사출용량을 기준으로 1회 사출 가능한 최대량, 또는 1분동안 사출해야할 적정량 배합조정 ex. 5 OZ는 1분간 약 140g)으로 나타내는 OZ와 금형의 체결력(형체력)으로 나타내는 TON으로 나눈다.
②성형조건을 정하는 기준
1. 성형온도 설정의 기준
[1]성형온도(수지온도)가 높게 되면
①수지의 점도가 낮게되어 성형이 쉽게 된다.
②열에의한 수지의 열화가 문제가 된다.
③냉각시간이 길게되므로 싸이클 타임(CYCLE TIME)이 길다.
[2]수지온도 설정의 예 ( 재료 메이커 추천온도 160 ~ 280 ℃ 일때)
①낮은쪽으로 설정(160 ~ 220 ℃ , 살두께가 두꺼운 제품)
-저온성형이므로 싸이클은 짧아지며 웰드라인이 심하고, 충진부족, 플로우마크가 발생한다.
②높은쪽으로 설정(220 ~ 280 ℃ , 살두께가 얇은 제품)
-고온성형이므로 싸이클은 길어지며 수축이 크고, 플래쉬 발생 및 블랙스트릭이 발생한다.
2. 각 조건과 수지의 유동거리와의 관계
[1] 용융수지의 온도가 높아질수록
[2] 사출압력이 증가할수록
[3] 금형온도가 증가할수록
[4] 사출속도가 증가할수록
... 수지의 유동거리가 증가한다.
3. 각 조건과 수축량과의 관계
[1] 멜트 인덱스(M.I)가 커지면 수축이 커진다.
[2] 수지온도가 커지면 수축이 커진다.
[3] 금형온도가 커지면 수축이 커진다.
[4] 제품두께가 클수록 수축이 커진다.
[5] 사출압력이 높을수록 수축이 작아진다.
[6] 게이트 단면적이 클수록 수축이 작아진다.
③속도의 설정
1.사출속도
사출속도란 사출기의 노즐에서 사출되는 수지의 속도이고, 성형재료가 단위시간당에 금형의 케비티내에 충진되는 수지의 량을 말한다.
기본적으로 말하면, 사출속도를 높혀 금형의 케비티를 빠른시간안에 채우는 쪽이 이상적이다. 용융된 수지가 노즐을 출발해서 금형내를 흐르게 되면, 급속하게 유동성을 잃게 되므로, 속도가 늦으면 금형내를 잘 흐르지 못하므로 좋은 성형품을 얻지 못하기 때문이다.
사출속도의 설정에는 수지의 종류, 성형품의 형상을 고려해야 한다. 특히, 온도의 변화에 대하여 용융수지의 점도가 민감하게 변하는 수지에 대해서는 특별히 높은 사출속도가 요구된다. 예를 들면, 나이론(PA), 폴리아세(POM)과 같이 결정성 수지에서는 용융온도 영역이 상당히 좁기 때문에, 사출속도를 늦추면 용융점도가 단시간에 급속히 저하되므로, 금형의 케비티를 완전히 채우지 못하는 미성형(충진부족:Short shot), 플로우마크(Flow marks), 심한 웰드라(Weld line), 표면광택의 불량등의 원인이 된다.
반대로, 염화비닐과 같이 열 안정성이 나쁜 수지는 사출속도를 빠르게 하면, 수지의 유동저항에 의해 가열되고, 이것에 의해 블랙스트릭(Black streaks)등의 불량원인으로 되는 일이 있으므로, 사출속도를 낮추어 설정하는 쪽이 좋다.
또, 일반적으로 얇은 제품은 두꺼운 제품에 비해 사출속도를 빠르게 하는 것은, 유동성의 저하를 최소한으로 막는 결과가 되므로 좋다.
2.형체, 형개의 속도
형체, 형개행정은 일반적으로 다음과 같은 동작순서를 반복한다.
형체 : 저속형체 → 고속형체 → 저속 강력형체 → 노즐터치
형개 : 저속 강력형개 → 고속형개 → 저속형개 → 정지 → 에젝팅
사출성형기에는 형체장치를 크게 구분하면 직압식과 토글식의 두가지가 있다. 이 형체방식의 차이에 따라 조정방식이 다르다.
금형개폐에 소비되는 시간은 성형작업에 있어서 간접시간(실제로 제품이 생산되는 시간을 직접시간이라고 할 때, 생산품이 나오지 않는 시간을 간접시간이라고 한다. 여기에는 기계의 고장시간, 휴식시간, 금형설치시간등이 포함된다.)이므로, 사출시간이나 냉각시간과 같이 절대적인 것은 아니다. 그러므로 싸이클 단축을 위해서도 그 시간을 짧게 해야 한다. 결국 형체속도, 형개속도를 빨리하는 것이 바람직하다. 그러나, 너무 빠르면 복잡한 슬라이드 기구나 회전기구등의 특수한 구조를 갖춘 금형이나, 성형품의 형상에 따라서는 금형의 손상이라든가, 제품성형의 크레이징(Crazing)이나 크랙킹(Cracking)발생의 원인으로 되므로 극단적인 고속운동은 피해야 한다.
3.스크류의 회전속도
사출 실린더내의 스크류가 회전하면서, 고체상태의 원재료 펠레 (Pellet : 직경 1~3)정도의 원통형 형상으로 된 수지원료)를 성형가능한 용융상태의 유동체로 만드는 것을 스크류의 회전이라고 한다. 이 스크류 회전속도는 수지의 가소화능력(可塑化能力)을 좌우하는 중요한 요소이다. 그 때문에 회전수의 설정에 있어서는 용융속도, 수지의 열적성질, 스크류 구동모터의 최대구동력등에 따라 결정해야 한다. 회전속도를 높힌다는 것은 스크류가 빠른속도로 회전하는 것이고, 속도를 낮추는 것은 스크류가 느린 속도로 회전하는 것이다.
사출성형에 있어 가장 이해하기 어렵고 또한, 사출성형의 가장 핵심적인 부분이 실린더와 스크류 및 스크류의 회전에 의해서, 수지가 고체상태에서 유동체로 변화되는 과정이다. 이것에 대해서는 기계적인 디자인, 실린더의 가열, 수지의 용융, 배압 뿐만 아니고 사출시 수지의 배출등 복잡한 작동을 하며, 품질에 미치는 영향과 싸이클 타임에 미치는 영향이 큰 부분이다.
용융속도는 스크류의 회전수에 거의 비례해서 증가하므로, 성형싸이클의 견지에서는 높은 편이 좋다. 그러나, 가소화 후에 냉각시간이 연장되어 있는 경우에는, 냉각시간내에 가소화를 완료하도록 설정하여 무리한 가소화를 시키지 않는 것이 좋다.
사출량이 많아서, 가소화후에 곧바로 금형이 열리는 경우는, 가소화 시간을 단축하는 것이 전체 싸이클 타임과 직결되므로, 최대한 고속으로 스크류를 회전시킨다.
또, 수지의 열적성질(熱的性質)을 고려하면, 열 안정성이 부족한 수지의 경우는, 낮은 회전수로 가소화를 시키는 것이 좋다. 이런류의 수지를 고속으로 가소화하면, 수지의 자체발열(自體發熱)로 인하여 수지가 과열되는 경우가 있고, 이것이 원인이 되어 여러가지 성형불량이 발생한다.
수지의 물성을 향상시키기 위하여, 수지에 유리섬유나 이스베스트 등의 휠러(filler)를 첨가한 소위 강화플라스틱의 경우는, 스크류회전을 너무 고속으로 하면 수지와 강화재가 분리되어 물성의 저하가 오므로 주의해야 한다.
최근에는 스크류의 회전공정 즉, 가소화 공정에 배압(背壓)을 높혀, 수지에 전단열을 발생시켜 주므로 수지의 균일용융과 가스벤팅을 시키는 방법도 응용되고 있으며, 이 경우에는 실린더온도는 낮게 설정하는 것이 좋다.
④불량현상
-사출성형에 처음 접하시는 분들을 위하여 사출성형시 발생되는 불량명과 불량현상을 알아 보도록 하겠습니다.
1.미성형(충전부족 shot short) : 성형품의 일부가 부족되는 현상.
2.바리(flush) : 성형품에 여분의 수지가 붙는 현상.
3.싱크마크(sink mark) : 성형품의 표면에 발생하는 오목 현상.
4.웰드라인(weld line) : 용융수지가 금형내를 분기해서 흐르다가 합류한 부분에 생기는 가는 선.
5. 태움(black spots) : 금형내의 공기가 압축되어서 고온으로 되어, 그 열로 수지가 되는현상.
6.플로우마크(flow mark) : 성형재료의 유동궤적을 나타내는 줄무니가 생기는 현상.
7.광택불량 : 성형품의 표면이 수지 원래의 광택과 다르고 층상에 유백색의 막이 덮힘.
8.실버스트리크(silver streak) : 성형품의 표면 또는 표면 가까이에 수지의 흐름 방향으로 발생하는 매우 가는 선의 다발.
9.흑줄(black streak) : 성형품의 내부에 검은 줄 모양으로 되어 나타나는 현상.
10.제팅(jetting) : 게이트에서 캐비티에 분사된 수지가 끈 모양의 형태로 고화해서 성형품의 표면에 꾸불꾸불한 모양으로 나타나는 현상.
11. 크레이징과 크랙(crazing & crack) : 성형품 표면에 가는 선 모양의 금이 가거나 균열하는 것.
12. 이형불량 : 금형에서 성형품이 떨어지기 어려운 현상.
13. 표층박리 : 성형품이 운모 모양의 얇은 층으로 되어서 벗겨지는 현상.
사출성형
열가소성수지(熱可塑性樹脂)를 성형하는 방법의 중심을 이루고 있다. 공정은 다음과 같다. 먼저 플라스틱에 안료(顔料) ·안정제 ·가소제 ·충전제 등을 첨가하여 원통형 또는 사각형으로 된 수 mm의 칩으로 만든 것, 즉 컴파운드를 호퍼에 넣어둔다. 투입구 바로 앞에 가열실이 있어, 여기서 전열(電熱) ·고압수증기 등으로 가열한다.
스티렌수지나 폴리염화비닐이면 약 170 ℃, 폴리프로필렌이면 약 200 ℃로 재료에 따라 알맞게 가열하여 플라스틱을 용융상태로 만든다. 이것을 피스톤으로 투입구를 통해서 금형(金型) 속으로 사출한다. 금형의 구석까지 흘러 들어가면 피스톤은 오른쪽으로 되돌아오고, 금형은 두 짝으로 갈라져서, 금형 속에서 굳은 플라스틱을 밖으로 꺼내게 된다.
매우 작은 것부터 무게 10 kg에 이르는 큰 것까지 성형할 수 있으며, 반복해서 사출하여 대량생산을 할 수 있으므로 작업능률이 높다. 성형압력은 500∼l,500 kg/cm2이다.
최근에는 베이클라이트계(系)의 열경화성(熱硬化性)수지도 부속설비가 고안되어 사출성형을 할 수 있게 되었다.