특수금형 평가 (화장품 금형)

[파인트리]

장비를 평가하다보면 한분야의 전문기술사자격으로는 부족하고 다양한 분야의 전문자격이 필요한 경우가 많이 있습니다.

다음의 사례는 금형하자가 발생하게 된 원인의 분석 사례입니다.

1. 금속형 몰드 : 알루미늄 6061에 표면 백색 연질 아노다이징 처리됨

이 건의 금속형 몰드 (mold)는 감정신청서 첨브1에 나타난 바와 같이, 자동화 공정으로 000을 제조하기 위해서 1개의 몰드에 6개의 캐비티 (cavity : 구멍)을 파고, 동시에 6개를 000을 히팅하여 액상으로 부어서 급속히 냉각하여 굳힌 뒤에 그것을 성형틀인 몰드(mold)에서 뽑아내야 하므로 가능한 열전도가 높은 금속중에서 저렴하고 가벼온 알루미늄을 사용한 것이고, 대개 아노다이징 작업시 고강도가 필요하므로 알루미늄 6061계열의 소재에 표면 강도와 경도를 높여 내마모성을 높이기 위해서 백색의 연질 아노다이징 처리를 한 표면을 갖고 있습니다. 하지만 연질 아노다이징은 백색으로 경질 아노다이징에 비해서 아노다이징 두께도 얇고 표면 경도 자체가 대폭 낮아 마모에 강하지를 못합니다.

2. 알루미늄의 특성상 열팽창 계수가 큰 상태 : 제품이 잘 빠지지 않음

소재가 알루미늄인 몰드의 특성상 열팽창계수가 철의 2배나 되며, 이 경우 온도의 차이만큼 온도가 올라가면 열팽창이 되고, 다시 냉각을 하면 축소가 됩니다.

열팽창계수는 알루미늄이 23.03이므로 만약 80℃ -> 영하 10℃로 떨어뜨리면 온도차이는 90도가 됩니다.

이때 축소되는 량은 15밀리 직경을 기준으로 평가할때에, 2.3 x 90 x 10^(-4) x 0.015 x 1000 = 0.31mm 정도 직경이 축소되게 되므로 000 제품이 액체의 상태에서 냉각을 해서 알루미늄 몰드가 영하로 냉각되면 굳어서 제품을 빼내는 것이므로 냉각시에 구멍이 0.31mm가 작아져서 제품이 잘 빠지지 않을 가능성이 생기게 됩니다.

이를 잘 빠지게 하기 위해서는 구배를 두어서 해결하여야 하나, 현재의 구성상 어느정도의 깊은 구멍을 형성하고 있으므로 잘 빠지지 않은 000 제품이 발생할 가능성이 높다고 진단할 수 있습니다.

▣ 참고 : 알루미늄의 열팽창 계수 (철의 약 2배 값)

제품을 개발하면서 감정신청서 첨부5.와 같이 000을 생산하기 위한 것이므로 가온베셀에서 용융된 000액체를 몰드 틀에 부어서 성형하고 이를 열전달이 용이한 알루미늄 특성에 의해서 냉각하여 굳혀 빼내는 것이므로 잘 빠지지 않으면 자동화 공정에 큰 지장을 받을 수 있는 1개의 몰드에 6개의 제품을 생산하는 것입니다.

1개의 코어 구멍만 뚫리거나 2개의 코어 구멍을 가진 것에 비해서 6개의 생산은 대략 3-6배가 더 빠지지 않을 확률이 높아집니다.

알루미늄이 매우 큰 열팽창 계수를 지니므로 80℃->영하 10℃로 낮추어지면 구멍이 축소되어서 끼일 가능성이 매우 높아져 파라핀 계통의 000이 냉각되면 수축이 된다고 해도 간혹 제품이 안빠지는 경우가 생길 수 있을 것입니다.

그런데 000 제품이 잘 빠지도록 기울기 구배를 두어서 구멍이 만들어져야 하나 현재의 제품을 보면 그런 기울기 구배가 거의 없으므로 확률적으로 잘 빠지지 않을 문제가 생길 가능성이 상당히 높습니다.

3. 알루미늄의 아노다이징 표면이 제품을 빼기 위해 긁어서 손상될 것임

이 사건의 몰드는 강철에 비해서 매우 연질인 알루미늄 (철의 1/3의 강도와 탄성계수를 갖고 있는 것이 일반적인 알루미늄의 특성)이므로 그것의 표면을 강화시켜 보호하기 위해서 아노다이징 처리를 해서 표면 경화를 하고 있습니다.

다만, 이건으로 아노다이징 설비를 갖추고 아노다이징 처리를 오랫동안 해온 원고의 풍부한 경험을 아노다이징에 대해서 경험이 부족한 피고가 신뢰하고 설계에 받아들여 보다 아노다이징 층이 두껍고 경질인 경질 아노다이징 (=하드아노다이징) 대신 흔한 백색 연질 아노다이징 처리를 해서 약간의 경도를 높여서 사용한 것입니다.

하지만, 만약 000 제품이 취출과정에서 끼이는 경우 이를 파내는 과정에서 금속성분의 긁개를 쓰거나 플라스틱이 아닌 좀 더 강한 금속 재질로 파내야 할 것임느로 그 연질 아노다이징 표면이 손상될 수 있습니다.

백색 연질 아노다이징 처리를 하면, 표면 경도가 자연적 알루미늄 표피보다 올라가는 것은 사실이나 그 두께가 상당히 얇아 (통상 0.006∼0.015mm정도의 대단히 얇은 경화층) 아노다이징 처리된 피막 자체가 강한 재질로 표면을 건드리면 손상되므로 그 내측의 크랙이 생기고 알루미늄 입자가 박리되어 떨어져 나오게 되며, 한번 망가진 표면은 더욱 떨어지기가 쉽기 때문에 애초부터 경질 아노다이징 처리를 하지 않은 것은 큰 문제로 보입니다.

따라서, 000이 냉각후 취출과정에서 잘 빠지지 않는 구멍의 기울기 구배로 되어서 생산이 되면, 이를 필연적으로 잘 안빠지는 000도 있고, 그것을 빼내는 과정에서 필연적으로 아노다이징 표면 폴리싱 된 경면부는 단단한 긁개로 닿앗 눌리거나 스크래치가 생기고 결국 미세크랙이나 뜯김이 점차 발전하여 생기게 되고, 그런 상태는 더욱더 제품의 일부가 끼여 있거나 잘 빠지지 않게 될 것입니다.

통상적인 산화가 아니더라도 백색을 보이는 연질 아노다이징 자체가 0.006-0.015mm의 극히 얇은 경화층과 경질 아노다이징의 50-150미크론 (0.05-0.15mm)의 더욱 두꺼운 경화층 및 높은 경도에 비해서 낮은 경도를 보이므로 아무래도 하드 아노다이징을 처리하지 않은 표피는 긁힘에 취약하여 손상될 수 밖에 없을 것입니다.

또한 작업에 의한 통상적인 산화가 일어나더라도 아노다이징 처리의 두께가 경질 0.05-0.15밀리미터로 통상적인 연질 아노다이징 0.006-0.015mm보다 휠씬 두꺼운 것이므로 경질 아노다이징을 해야 더욱 오래 버틸 수 있는 것입니다. 가능하면 가공시간이 길어져 가공비가 더 들더라도 가장 두꺼운 0.15mm의 하드 아노다이징(경질 아노다이징)을 하면 좋았을 것으로 보입니다.

4. 경질 아노다이징 (hard anodizing)을 하면 좋았을 것임 :

피고 주장에 의하면, 경질 아노다이징 처리를 했더라면 이와 같은 백색 연질 아노다이징에 비해서 표면 경도가 올라가서 내마모성이 높아지므로 하자가 없었을 것이라고 주장합니다.

아무래도 경질 아노다이징은 경도는 백색 연질 아노다이징에 비해서 2배나 높으며, 피막두께가 더욱 두꺼우므로 내마모성이 좋아져 쉽게 찍히고, 파손되는 것이 방지가 될 것으로 보입니다.

다만, 무엇보다도 알루미늄의 특성상 열팽창계수가 커서 냉각후 구멍이 작아져서 제품이 빠지기 어려워져 단단한 물질로 파내야 하므로 000 얼굴면의 경면처리 부분의 연질 아노다이징 표면은 매우 쉽게 스크래치로 인한 표피층 손상으로 미세크랙과 알루미늄 소재의 뜯김이 생기고 이것이 알루미늄 입자로 떨어져 나오게 될 것으로 판단됩니다.

따라서, 경질 아노다이징을 하였더라도 강한 소재로 긁으면 충분히 보호되기 어렵지만 경화층이 두껍고 경도가 더욱 높아서 손상의 빈도가 낮아질것입니다.

따라서 이건으로 나타나는 중대한 하자 (① 경우에 따라 제품 취출과정의 제품 빼내기 곤란과 ② 연질 아노다이징 처리로 인해서 얇은 아노다이징 표면부의 긁힘 손상으로 인한 표피층 손상으로 크랙 및 뜯김과 알루미늄 분진 발생 문제)는 필연적으로 보입니다.

피막두께 50미크론 (0.05밀리미터)보다 두껍게 하려면 비용이 많이 올라가므로 대개 꼭 필요한 경우만 경질 아노다이징을 하는 것이고, 이 사건에서는 그것이 꼭 필요한 것이었다고 판단됩니다.

또한 알루미늄 이물질 가루가 나오더라도 문제가 심각할 수 있는 글로벌 기업에 수출할 000 장비의 몰드 부분을 처리 비용이 다소 저렴한 연질 백색 아노다이징을 대개의 기업이 하기 때문에 문제점을 잘 알고있으면서도 원고의 경험을 신뢰하여 신뢰성 평가나 공학검증(ENGINEERING VERIFICATION)과정을 생략하고 그대로 받아들여 설계에 반영하고 원고가 가공한 것이므로 문제를 일으킨 것으로 보이며, 원고 및 피고는 모두 그 하자가 발생한 책임이 있다고 판단할 수 있습니다.

아래와 같이 백색 연질 아노다징에 비해서 경질 아노다이징이 내식성과 내마모성 경화된 막의 두께 균일성이 우수한 측면이 있습니다.

스크래치를 완벽하게 방지하고 매우 오래 아무런 문제가 없이 몰드를 쓰려면 가볍고 연질인 알루미늄이 아닌 특수강으로서 다양한 재질 예를 들면 KP4M, SKH2, SKH51, SKH55 등 금형용 강을 사용하면 되나 무게가 무겁고 열전달이 대폭 낮아지는 문제로 인해 반드시 필요한 000 성형시의 가열과 냉각이 늦어짐으로 인해 생산 사이클 타임의 길어짐 문제가 있어서 적용하기 어렵습니다.

따라서, 연질이지만 가볍고 열전달율이 우수한 알루미늄을 쓰면서 표피를 경화시킨 아노다이징을 쓰되 연질이 아닌 경질의 아노다이징을 써주었어야 표피손상을 충분히 막을 수 있었을 것입니다.

경질 아노다이징은 6061에서 15-120미크론 정도를 하며, 50미크론만 되어도 표면경도가 450-500정도가 되므로 연질에 비해서 2배 이상이 되는 것으로 알려져 있습니다.

따라서, 몰드에서 표피의 경화는 연질이 아닌 경질 아노다이징을 했어야 타당한 것으로 보입니다.

5. 표면에 미세크랙 또는 뜯김의 하자가 존재하는지 여부 : 존재함

이 건으로 몰드는 아직 일본에 있어서 가져올 수 없는 상태이고, 피고의 주장을 확인하더라도 림스틱 얼굴면을 포함하여 성형이 이루어지는 구멍의 내부에 다수의 미세크랙 및 뜯김, 이로 인한 알루미늄 가루가 떨어지는 문제가 발생하는 것으로 판단됩니다.

게다가 원고의 주장에 의하더라도, 감정서 2권 (현장59)에서와 같이,

원고 주장에 의하면, 샘플링 테스트를 하면서 얼굴면이 뜯겨져 나갔다는 것은 말도 안되고, 샘플 테스트를 하다 보면 6개 캐비티에서 불량이 많이 나서 어떤 것은 제품이 뽑히지 않으면 그 몰드를 빼서 파내야하는데 피고의 공장에 가서 보았더니 얼굴면을 긁어 놓았다고 주장합니다. 그래서 스크래치 (SCRATCH)가 다 발생하여 있었다고 주장합니다.

그것은 나무젓가락이나 고운 것으로 해도 기스가 날 판국인데 폴리싱된 그 면을 긁어대면 기스가 난다고 주장함. 피고의 공장에 갔더니 얇은 스푼(SPOON)이 있었다고 주장함. 그때에 몰드가 상한 것이라고 주장합니다.

피고의 공장에서 사전에 테스트를 해볼 때에 그렇게 상한 것이라고 주장합니다.

이쑤시게로 파내고 뾰족한 스푼으로 파내고 면봉으로 닦고 그렇게 수십번에 걸쳐서 사전 테스트를 했으니 000 얼굴면이 망가지게 된다고 주장합니다.(타당함)

원고 주장에 의하면, 000 얼굴면에서 분진가루가 나와서 몰드의 얼굴면을 보았던니 뜯겨 있더라도 그것이 자연적으로 뜯긴 것인지 아니면 그것이 빠지지 않은 재료를 긁어서 빼내는 과정에서 스크래치가 생긴 것인지는 정확하게 알기 어려운 것이라고 주장합니다. (타당함. 긁어서 스크래치가 생긴 것이 더욱 많을 것임)

또한 공정라인에서 어디에서든 알루미늄이 갈려서 나올 수 있는 것이고, 산화되면서 뜯길 수도 있는 것이고, 확률적으로는 얼굴면이 산화되어서 자연적으로 뜯겨져 나온다는 것은 거의 불가능한 것이라고 주장합니다.

지금도 많은 업체들이 같은 아노다이징 처리를 해서 제품 생산에 사용하고 있다고 주장합니다.

감정인이 분석하여 보면, 많은 업체들이 같은 방식의 연질 아노다이징 처리를 해서 쓰고 있다고 해도 이건 글로벌 기업에 나가는 장비에서 생산된 000에 알루미늄 가루 이물질이 묻어날 수 있는 연질 아노다이징 처리를 한 것은 대단한 실수로 판단됩니다.

000 형상의 문제로 인해서 길게 000이 기울기 구배가 작게 만들어지는 경우 알루미늄의 소재로 만든 몰드에서 냉각후 구멍이 작아져 잘 빠지지 않는 생산하자의 문제가 생기지 않는다면 표면을 긁어서 빼내는 일은 피할 수 있을 것이나, 원고 주장을 확인하여도 쉽지 않습니다.

000이 잘 취출되면 연질의 백색 아노다이징 표면의 경화된 면이 손상될 일은 희박할 것이지만, 경우에 따라서 취출이 어려운 경우가 생길 경우 표면 처리된 표면에서의 미세크랙또는 뜯김의 하자가 생기는 것은 빠지지 않는 제품을 긁어 제거하기 위한 과정에서의 스크래치 손상으로 인해 생길 수 있으므로 반드시 더욱 경화된 표면층을 갖는 경질 아노다이징(=하드 아노다이징)으로 하되 가능한 두껍게 처리를 했어야 타당한 것이었습니다.

경질 아노다이징이나 연질 아노다이징 (백색 아노다이징)모두 표면에 가성소다 물질이 닿지만 않는다면 아노다이징이 화학적 변화로 손상될 수 없습니다.

두 번째로 원고가 주장하듯 내용물중 산(ACID)성분의 존재로 인해서 시간이 흐르면서 손상될 수 있다고 하지만 000 성분에 산성분이 있다고 보기는 어렵고, 경질 아노다이징의 경질층이 두꺼우면 보호가 쉬울것이므로 쉽게 손상되지 않았을 것입니다.

세 번째로 손상된 것을 다시 재 가공 (재 아노다이징 처리 및 폴리싱 연마)를 통해서 표면을 복원하면 될 것이라고 주장하나, 제품 자체에 알루미늄 가루가 떨어지도록 스크래치에 취약한 연질 아노다이징 처리를 한 것은 대단히 큰 실수로 보여집니다.

경질 아노다이징이 아닌 연질 아노다이징을 한 것이었다고 해도 파라핀 계열의 000 성분이 굳으면서 계획대로 부피축소가 되어 취출이 원활하게 잘 된다면 특별히 문제가 되지는 않겠지만, 알루미늄 소재의 특성상 온도가 냉각되어 구멍축소되어 제품이 빠지지 않는 것은 확률적으로 피하기 어려운 문제로 보입니다.

따라서, 제품이 취출과정에서 구멍에 끼여 부분적으로 빠지지 않는 문제가 나타나면 긁어 파내는 일과 이로 인한 표면 스크래치, 그리고 이로 인한 표면 미세크랙 또는 뜯김, 미세 알루미늄 입자가 묻어나는 문제는 생길 수 있고, 그것은 연질 아노다이징을 한 이상 필연적인 발생 과정으로 보입니다.

(결론 : 알루미늄 6061을 쓴 것은 피할 수 없는 선택이나 백색을 보이는 연질 아노다이징이 아닌 경질 아노다이징을 가공시간이 다소 걸리더라도 가능한 두껍게 했어야 문제를 최소화 할 수 있는 올바른 적용으로 보입니다.)

피고의 자료에서 1차 생산시에는 52개가 검출되어서 1.2%의 검출비율이고, 2차 생산시에는 22개가 검출되어서 0.60%의 검출이고, 3차 생산시에는 24개가 검출되어서 0.40%의 알루미늄 칩 가루의 검출비율이고, 4차 생산시에는 7개가 검출되어서 0.2%의 검출비율로 나타나 있습니다.4번째까지 생산하더라도 0.2% 비율로 아직도 7개가 나오는 것은 손상된 알루미늄 아노다이징 표피부분에서 박리되어 나오는 것이 계속 있다는 것으로 판단됩니다.

이와 같은 칩(CHIP)의 형상은 마치 절삭가공이나 표면을 뜯어서 나오는 것과 같은 형태를 보이고 있습니다.

표면에 스크래치를 일으키는 긁은 상태가 나타날 때에도 이와 같이 나타날 수 있을 것입니다.

(참고 : 그밖에도, 현장 감정시 원고 주장에 의하면, 000 용액을 공급하는 펌프 등을 알루미늄 구성재로 부품을 만든 부분이 있어서 이것이 알루미늄 등 가루를 걸러내는 필터 처리 없이 공급되어 000 금형 구멍에 부었을 때에 그 바닥면까지 밀도 2.8의 알루미늄 가루가 내려앉아 그것이 얼굴면에 묻어나게 된다는 취지의 주장이나, 펌프의 구성이 알루미늄이 아니라는 피고 주장이 있고, 그런 구성이 아니더라도 연질의 아노다이징 표면은 충분히 몰드의 표면이 스크래치로 손상되면 표면의 폴리싱된 거울면과 같은 얼굴면에서 미세크랙, 뜯김, 이로인한 알루미늄 가루의 떨어져 나옴은 발생할 수 있는 것이 기술적으로 확인됩니다.)