사출 금형에 있어서 핫 런너 및 노즐 설계

[박종우]

핫 런너(Hot runner) 및 노즐(Heated nozzle)의 사용은 사실 1940년대 부터 시작되었고요. 60년대 초반 부터 활성화되기 시작했습니다. 초기의 런너레스 몰드(Runnerless mold)의 적용은 수지의 흘림, 게이트 부의 고화등에 의해 높은 유지 보수 비용이 들어 어려움이 있었지만 이후 다양한 설계 및 제조 방법의 개발로 이러한 어려움을 해결하고 오늘날 효율적인 런너레스 몰드가 생겨나게 된 것이지요. 하지만 여전히 근본적인 문제인 수지의 흘림, 게이트의 고화, 사출 재료의 온도에 의한 재료 특성 저하 문제는 완전히 해소 되었다고 볼 수는 없는 것 같구요. 단지 게이트 부의 다양한 설계, 사출 재료의 개량등으로 문제를 해결하고 있다고 보는 것이 옳을 것 같습니다.
초기의 런너레스 몰드에는 Insulated runner 와 Hot runner system이 있었고 Hot runner system은 다시 내부 가열 방식과 외부 가열 방식이 있었지만 오늘날 주로 많이 활용되고 보편적인 방법으로는 외부가열 방식의 Hot runner system이라고 할 수 있습니다.
이러한 Hot runner system의 설계 시 주의할 점은 온도에 의한 Manifold 열 변형 문제가 있겠구요. Runner 가공시 각이 안 지고 부드러운 Runner 형상이 될 수 있도록 해야하구요. 노즐 선단의 게이트 부 형상을 수지의 흘림을 방지 할 수 있도록 해야합니다. 하지만 두께가 두꺼운 제품의 경우에는 보압 시간이 많이 필요하여 오히려 게이트 부의 흘림 방지에만 신경 썼다간 보압을 충분히 줄 수 없기 때문에 이러한 경우는 고가의 Valve gate 사용이 불가피 할 수도 있습니다. 그래서 우리가 직접 Hot runner system을 설계해야 할 경우에는 여러가지 사항을 고려해야 할텐데요.
우선 사출 재료에 대해서 Hot runner system 사용이 가능한 지 여부(오늘날에는 대부분이 가능하지만요...)
둘째로 제품 크기가 충분한지? 제품이 너무 작을 경우에는 Hot runner내에서 장시간 가열된 상태로 머물러야 하므로 재료의 특성 저하가 우려되겠지요.
셋째로 재료의 점도 - 점도가 낮은 경우 게이트 부의 흘림이 예상되구요. 반대의 경우 게이트 부가 너무 좁으면 사출압 상승 및 마찰열 발생등 여러 문제점이 생기겠지요.
넷째로 경제적인 측면에서 비용을 따져봐야 할 것 같구요.
이러한 네가지 측면을 고려하여 Manifold 및 Nozzle 을 설계해야 할텐데요.
Manifold의 경우 사용 수지의 종류에 따라 다르지만 일반적으로 0.09 - 0.18 W/cm^3 의 열량이 필요하구요.
Gate 부의 경우에는 약 35W 의 열량이 필요하지요.
이때 사용할 히터는 Manifold의 경우 Sheathe heater를 사용하고 Nozzle의 경우에는 코일 히터를 사용하면 되겠구요.
이러한 히터 제품류는 국내 여러 업체에서 다양하게 나오는 것 같은데요. 히터의 경우 저항이 몰리지 않고 균일해야 하니까 싸구려 제품은 문제가 많고 유지 보수도 힘들 것같구요. 다행히 국산 제품들이 전열선은 대부분 스위스 등지에서 수입해서 사용하는 걸로 알고 있구요. 히터 제작 기술도 뛰어난 업체들이 꽤 많은 것 같으니까요. Hot runner 설계가 필요한 경우 많은 도움이 되리라 여겨집니다.
그리고 게이트 부의 설계는 사실 간단히 이루어질 문제는 아닌 것 같구요. 어느 정도 계산은 가능하리라 보여지지만 실제 실험 과정을 거쳐야 하므로 Open type의 Insert cone이 없는 경우를 제외하고는 전문 메이커 제품을 쓰는 것이 안전할 것 같습니다.
이상 핫 런너 및 노즐 설계에 대하여 간략하게 알아 보았는데요. 일본의 경우 많은 업체들이 핫 런너 및 노즐을 자체적으로 제작해서 사용하고 있구요. 국내에서도 전문 메이커에 의뢰시 비용 부담이 상당하므로 기본적인 핫 런너 시스템은 금형 업체 자체적으로 설계 및 제작이 가능하여야 할 것 같습니다.