성형 관련 10가지 문제

[부천/나야나(김동우)]

성형 관련 10가지 문제 

By E. A. Poppe, Karl Leidig, Karl Schirmer, R. Wilkinson

1.금형 침전물

금형 침전물과 관련된 문제는 거의 모든 플라스틱에서 발생할 수 있습니다. 최종품질에 대한 요건이 높아지면서, 개질제, 난연제 등 다양한 첨가제의 사용 역시 증가하고 있습니다. 이러한 첨가제가 금형 캐비티 표면에 침전되면서 문제가 발생할 수 있습니다.

이밖에도 금형 침전물 형성의 원인은 다양합니다. 그 중 대표적인 것을 예로 들면 다음과 같습니다.

• 열분해
• 과도한 전단
• 부적절한 배기

일부 침전물은 여러 요건의 복합작용에 의해 형성되며, 이들 침전물의 정확한 형성원인을 밝혀 이를 예방하는 것은 매우 어려운 경우가 많습니다. 침전물은 단 며칠 사이에도 축적된다는 점 역시 문제입니다.

침전 유형

첨가제마다 다른 유형의 침전물이 형성됩니다. 난연제는 고온반응을 통해 침전물을 형성하는 분해산물을 생성할 수 있습니다. 충격개질제는 고온은 물론 과도한 전단에 의해서도 영향을 받습니다. 조건이 부적당한 경우, 개질제가 폴리머로부터 분리되어 캐비티 표면에 침전물이 형성될 수 있습니다.

높은 용융온도를 요하는 엔지니어링 플라스틱 안료는 성형소재의 열 안정성을 떨어뜨려 폴리머 분해산물과 안료 분해산물로 구성되는 침전물을 형성할 수 있습니다.

금형에서 온도가 매우 높아지는 부위(예 : 코어)에서는, 개질제, 안정제 및 다른 첨가제가 표면에 달라붙어 침전물이 축적될 수 있습니다. 이 경우, 금형 온도조절을 위한 조치를 취하거나 특수 안정제를 사용하여야 합니다. 아래의 표는 금형 침전물의 형성원인과 예방조치를 요약한 것입니다.

빠른 시간 내에 형성되는 침전물

침전물이 빠른 시간 내에 형성되는 경우, 이것은 금형 환경의 변화 또는 성형소재의 변경이 그 이유입니다. 다음과 같은 조치를 취하는 것이 좋습니다.

먼저, 용융온도를 측정해야 하며, 용융수지에 탄화입자가 있는지 등, 변성여부를 육안으로 점검해야 합니다. 또한, 성형소재가 불순물에 의해 오염되지는 않았는지, 부적합한 세정제를 사용하지는 않았는지를 확인해야 합니다. 다음 단계로, 천연색 또는 파스텔톤 성형소재(검은색은 안됨)를 사용하여 기계장치를 가동해야 합니다. 20분간 성형 후 기계장치의 전원을 끈 다음, 노즐, 어댑터, 스크류를 분리(가능한 경우)합니다. 소재 내에 탄화입자가 있는지 검사하고 성형부품의 색상을 원래 색상과 비교하면 문제의 원인을 쉽게 확인할 수 있습니다.

이러한 방법을 통해 많은 문제의 원인을 발견할 수 있었으나, 이 방법은 소형 기계장치에만 적용이 가능합니다(스크류 직경 약 40mm의 장치까지). 이를 통해 문제를 제거한 경우, 타 소재의 가공에서도 상당한 품질개선 효과가 있었습니다. 핫러너 시스템의 경우에도 이와 비슷한 방법을 적용할 수 있습니다.

금형 관리

이상의 방법으로 침전물의 형성을 예방할 수 없는 경우, 금형에 대한 특별관리가 필요합니다.

금형표면에 형성되는 침전물은 초기단계에서 비교적 쉽게 제거할 수 있습니다. 따라서, 캐비티와 벤트는 주기적으로 청소해 주어야 합니다. 예를 들면, 작업이 끝날 때마다 청소해 주는 것이 좋습니다. 침전물이 두꺼운 층을 형성하면, 제거하기가 매우 힘들 뿐 아니라 많은 시간을 요하게 됩니다.

침전물의 화학조성은 매우 다양하므로, 침전물 제거에 가장 적합한 용매를 찾기 위해서는 여러 용매를 사용해 보아야 합니다. 기존에 흔히 사용하는 용매 이외에, 오븐 스프레이나 레몬즙 함유 카페인 등 새로운 용매가 효과적인 경우도 많습니다. 기차모형 등의 세척에 사용되는 세척용 고무를 사용하는 것도 좋은 방법입니다.

침전 예방법

핫러너를 사용하여 열에 민감한 소재를 성형하는 경우, 체류시간이 더 길어져 분해산물로 구성된 침전물의 형성 가능성이 높아진다는 점에 유의해야 합니다.

전단에 민감한 소재는 치수가 넉넉한 러너 및 게이트를 사용하여 가공해야 합니다. 유동길이가 짧아 사출속도의 단축이 가능한 다중점 게이트도 효과적입니다.

일반적으로, 금형 배기를 충분히 해 주면 침전물 형성이 줄어듭니다. 따라서, 금형 디자인 단계에서 배기가 적절히 이루어질 수 있도록 해야 합니다. 자체세척 벤트나 제거가 용이한 벤트를 사용하는 것도 좋습니다. 배기 시스템을 개선하면 침전물 형성이 눈에 띄게 감소합니다.

경우에 따라서는 캐비티 표면에 특수한 비접착성(non-stick) 코팅을 하여 침전물의 축적을 막을 수 있습니다. 이 경우, 코팅의 효율을 알아보기 위한 테스트를 실시해야 합니다. 티타늄 질화처리도 침전물의 형성속도를 낮추는 효과가 있습니다.

2.휨

POM(아세탈), PA(나일론), PBT, PET(폴리에스테르) 같은 준결정성 물질은 비결정성 물질에 비해 휨이 큰 경향이 있습니다. 금형 디자인 및 성형단계에서 이 점을 고려하여야 합니다. 그렇지 못한 경우, 초기단계에서 이를 시정해 주어야 합니다. 여기에서는 휨의 원인과 예방 및 대책에 대해 알아보기로 하겠습니다.

휨의 주원인

준결정성 소재는 수축이 비교적 심하며 여러 가지 요인에 의해 영향을 받습니다. 비강화 소재의 경우, 휨에 가장 큰 영향을 주는 것은 벽 두께와 금형의 표면 온도입니다. 벽 두께의 변화가 심하거나 금형 표면온도가 부적합하면 성형시 휨 발생 가능성이 커집니다. 유리섬유 강화소재의 경우에는 유리섬유의 배향에 의해 수축특성이 좌우됩니다. 벽 두께가 소재 수축에 미치는 영향은 비교적 작습니다. 이 경우, 휨의 주된 원인은 유동방향과 횡단방향의 유리섬유 배향 차이입니다. 휨의 원인은 벽 두께 분포, 게이트 위치, 유동제한 및 바이패스, 그리고 성형부품의 고유 강성입니다.

이처럼 휨의 원인은 해당 소재가 유리섬유 강화소재인가 그렇지 않은가에 따라 달라지며, 동일 부품 내에서 휨 특성이 상반되는 경우도 많습니다.

휨을 방지하는 방법

비강화 소재는 벽 두께가 균일하도록 해야 합니다. 따라서, 가능한 한 용융수지의 축적을 피해야 합니다. 다중점 게이트를 이용하여 압력경사를 크게 하면 수축 차이를 최소로 할 수 있습니다. 금형 가열 시스템은 가능한 한 열이 균일하게 분산되도록 설계해야 합니다(6번째 글 참고).

유리섬유 강화소재의 경우, 성형부품의 대칭성이 벽 두께 균일성 못지않게 중요합니다. 부품이 비대칭적이면 용융유동을 방해하고 유리섬유 배향에 차이가 생겨 휨 발생의 원인이 됩니다. 따라서, 비대칭적인 부품을 성형하는 경우에는 금형 계획 및 디자인 단계에서 블라인드 코어를 이용하는 방법을 고려해야 합니다. 또한, 게이트의 위치도 중요합니다. 바이패스와 웰드선이 있는 곳에는 항상 휨이 발생할 가능성이 있습니다.

성형단계에서 취할 수 있는 조치

성형부품과 게이트 및 금형의 디자인이 올바르게 되었다고 가정할 때, 성형단계에서는 보압과 금형 온도의 조절을 통해 휨을 통제할 수 있습니다. 여러 가열회로를 사용하여 열 분산을 최적화하는 것이 흔히 이용되는 방법입니다.

강화소재의 경우, 사출속도를 변화시키거나 금형 온도를 낮추는 것도 어느 정도 도움이 됩니다. 그러나, 금형 및 성형부품 디자인 단계에서 휨 문제를 충분히 고려하지 않은 경우에는, 성형단계에서 바로잡는 것이 불가능합니다.

휨 발생시 대처방안

특히 유리섬유 강화소재의 경우 가장 중요한 단계는 금형 충진 테스트 즉, 여러 단계를 통해 금형을 부분적으로 충진하는 시험을 실시하는 것입니다. 용융수지 전면 프로필을 조사하면 유리섬유 배향을 알 수 있습니다. 강화소재의 경우, 수축곡선을 이용하여 휨 발생을 억제하기 위한 조치를 취할 수 있습니다. 예를 들면, 유동을 돕거나 억제하는 조치를 취할 수 있습니다. 이렇게 하여 전면 프로필을 변화시키면 휨 발생을 막을 수 있습니다.

이 방법은 충분한 실제경험이 필요하며, 이를 통해 향후 휨 발생 예방을 위한 경험이 축적됩니다. 그러나, 이 방법 역시 원 소재의 특성과 물리적 조건에 의한 제약이 따릅니다. 결정성 폴리머의 경우, 비결정성 폴리머에서와 같은 평탄도를 얻는 것은 불가능합니다. 이와 관련하여, 휨이 적은 준결정성 폴리머 블렌드의 사용을 고려해 볼 필요가 있습니다. 이 경우, 화학 개질 또는 여러 강화부품의 동시사용에 따른 부품특성과 휨 발생 억제의 효과를 저울질해 보아야 합니다. 마지막으로 금형을 개조하는 방법이 있는데, 이것은 비용이 가장 많이 드는 방법이기도 합니다. 유사한 성형관련 경험이 축적되어 있는 경우, 인서트 변경을 통해 좋은 결과를 얻을 수도 있습니다.

3.핫러너 관련 문제

준결정성 엔지니어링 열가소성 플라스틱의 사출성형과 관련하여, 올바른 핫러너 시스템의 선택은 금형 성능 및 성형부품 품질과 직결됩니다. 이 경우, 비결정성 소재의 경우보다 엄격한 온도조절이 필요합니다. 핫러너 시스템의 종류와 설치방법에 따라 최종제품의 특성이 결정됩니다. 이하에서는 POM(아세탈), PA(나일론), PBT 및 PET(폴리에스터) 성형에 가장 적합한 핫러너 시스템을 선택하는 데 있어 고려해야 할 중요요인을 살펴보기로 하겠습니다.

핫러너 시스템이 부적합한 경우

핫러너 시스템이 부적합한 경우, 일반적으로 압력손실이 큽니다. 핫러너 시스템은 매우 높은 온도에서 작동됩니다. 따라서, "용융 온도가 부적절한 경우"(5번째 글)에서 언급한 바와 같이 폴리머가 변성될 수 있습니다. 또한, 국소과열에 의해 스트리크, 변색 및 표면결함이 발생할 수 있습니다. 이로 인해 나타나는 성형소재의 변성은 수포 및 기타 결함의 원인이 됩니다.

고려사항

위에 언급한 폴리머들은 모두 권장 용융온도와 고화온도 사이에서 어느 정도의 허용범위를 가집니다. 그러므로, 핫러너와 러너 및 노즐을 단열해 줄 필요가 있습니다.

노즐은 균형 잡힌 러너를 사용할 수 있도록 디자인해야 합니다. 이렇게 해야만 금형 캐비티 내 압력손실이 고르게 되고 용융수지 체류시간이 일정해집니다.

샷 중량이 작은 경우, 특히 유리섬유 강화소재의 경우에는, 직접 게이트보다 간접 게이트가 더 좋습니다. 노즐 당 소재 이동량이 증가하면 성형소재에 가해지는 열의 조절이 보다 용이해집니다. 핫러너 노즐에는 대형 게이트를 사용할 수 있으며, 성형부품이 위치하는 게이트는 소형 게이트를 사용합니다. 저온 슬러그 차단장치는 항상 핫러너 노즐을 마주보도록 정렬해야 합니다. 이렇게 해야만 저온 소재가 노즐을 통과하여 성형부품과 접촉하는 것을 막을 수 있습니다.

열에 민감한 성형소재의 경우, 핫러너 입구와 러너 및 각 노즐은 모든 부분이 균형을 이루도록 개별적인 통제가 필요합니다. 전원장치를 통해 일정한 온도를 제공하는 조절장치를 사용해야 합니다(예 : PID).

핫러너 시스템은 사출 시스템과 마찬가지로 기계적 보조장치가 필요합니다. 러너 근처에 있는 금형은 약해지기 쉬우므로 가능한 한 이를 보상해 주어야 합니다. 핫러너 노즐 인접 부위에는 개별 가열회로를 설치하여 금형 표면온도를 조절해 주어야 합니다.

핫러너 및 노즐 선정기준

완전단면과 대칭형으로 내장된 열 전도체를 갖춘 러너가 가장 좋습니다. 환상단면만을 가지는 내부가열 시스템의 경우 과도한 압력손실이 발생할 수 있으므로 가능하면 사용을 피해야 합니다.

POM이나 방염소재와 같이 열 민감도가 큰 소재의 경우, 러너 내부에 성능이 우수한 바이패스를 설치하는 것이 좋습니다.

노즐은 개방되어 있어야 하며, 완전단면을 가지는 외부가열 시스템을 사용해야 합니다. 게이트 부위에서는 용융수지 흐름이 여러 방향으로 갈라지지 않아야 합니다. 성형소재는 내부상태에 따라 고르게 분포시켜 온도분포가 균일하도록 해야 합니다. 마모성 소재를 가공하는 경우에는 교체가 가능한 노즐 팁을 사용하는 것이 좋습니다. 또한, 필요한 경우에는 소형 토피도를 이용한 보상이 가능합니다.

일반적으로 POM 가공 시에는 셧오프 노즐을 사용하지 않는 것이 좋습니다. 다른 소재를 가공하는 경우, 니들밸브 노즐을 사용할 때에는 가능한 한 압력손실이 작도록 노즐과 니들을 구성해야 합니다. 현재 여러 가지 유형의 핫러너 시스템이 출시되고 있는데, 이상의 권장사항을 만족하는 시스템을 이용하면 만족할 만한 결과를 얻을 수 있습니다.

4.표면처리 불량

POM(아세탈), PA(나일론), PBT, PET(폴리에스터)와 같은 준결정성 엔지니어링 플라스틱을 사용하는 이유 중 하나는 기계적 특성, 열 특성 및 전기적 특성이 우수하기 때문입니다. 이밖에도 이들 소재는 비결정성 소재에 비해 내화학성이 우수하며 응력으로 인한 균열 발생이 적습니다. 또한, 표면품질이 우수한 부품이 요구되는 분야가 많다는 것도 또 다른 이유입니다. 이하에서는 표면결함을 줄이는 방법에 대하여 알아보겠습니다.

표면결함의 확인

표면결함과 관련된 문제를 해결하려면, 먼저 결함의 정확한 발생위치와 발생시기를 조사해야 합니다. 이와 관련하여, 실제 사출성형 과정에서 부품표면을 관찰하는 것이 좋습니다. 다음 사항을 조사해야 합니다.

결함은 규칙적으로 발생하는가 아니면 불규칙적으로 발생하는가?

결함이 발생한 캐비티에서는 계속 결함이 발생하는가?

성형과정에서 결함은 항상 동일한 위치에서 발생하는가?

금형 충진과정에서 결함발생을 예측할 수 있는가?

결함이 이미 스프루 상에 존재하는가?

새로운 성형소재를 사용하는 경우, 결함발생은 어떠한가?

결함은 한 가지 기계장치에서만 발생하는가 아니면 다른 기계장치에서도 발생하는가?

표면결함 발생가능 원인의 분석

표면결함은 다음과 같은 여러 요인에 의해 발생할 수 있습니다.

• 소재 : 건조, 소재 품질, 불순물 존재여부(이물질)
• 사출성형 조건 : 용융온도, 사출속도 및 전환점(change-over point)
• 사출장치 조건(예 : 마모, 데드스팟(dead spots))
• 핫러너 시스템 디자인(러너, 소재 정지 메커니즘 등)
• 금형 디자인, 게이트 위치 및 게이트 단면, 저온 슬러그 차단장치, 환기 등
• 안료 등 첨가제
• 성형 소재에 함유된 폴리머

표면결함으로부터 알 수 있는 것

1. 규칙적인 국소결함

동일한 장소에서 표면결함이 주기적으로 발생한다면, 사출노즐 또는 핫러너 노즐에 문제가 있는 것입니다. 러너, 게이트 또는 성형부품 자체의 모양과 디자인, 즉 모서리 부분이 날카롭게 되어 있다거나 벽 두께가 급격히 변하는 등의 문제가 있을 수 있습니다. 사출 프로필 또는 전환점 등 성형조건이 잘못된 것일 수도 있습니다.

2. 불규칙적인 국소결함

표면결함이 여러 장소에서 불규칙적으로 발생하는 경우, 소재(소재 품질, 먼지 존재여부)를 조사해 보아야 합니다. 용융온도가 낮거나 배압, 스크류 속도 및 스크류 후퇴 등도 주된 결함발생 요인입니다.

3. 전체적인 표면결함

표면결함이 성형부품 전체에 걸쳐 발생하며 스프루 상에서 이미 결함이 존재하는 경우가 있습니다. 이런 경우에는 용융수지의 분해여부를 점검해 보아야 합니다. 개방상태에서 용융수지 강제 샷을 실시한 후 용융수지에 기포가 함유되어 있는지를 살펴보면 됩니다. 핫러너 시스템의 경우, 이 방법은 별로 효과적이지 못합니다. 용융수지의 분해원인은 과열 또는 장시간 체류에 의한 폴리머 또는 첨가제의 변성 때문일 수 있습니다. 흡습성 폴리머의 경우, 성형소재가 충분히 건조되지 않은 경우에는 가수분해에 의한 변성이 원인일 수 있습니다.

일반적인 권장사항

준결정성 엔지니어링 폴리머로 제작하는 부품의 경우, 완벽한 표면품질이 요구된다면 핫러너 사출성형을 이용하지 말아야 합니다. 이 경우에는 보조 러너를 사용하여 노즐을 성형부품과 격리시키면 표면결함을 줄일 수 있습니다.

사출노즐 또는 핫러너 노즐로 배출되는 저온 슬러그는 특수장치를 이용하여 성형부품과 섞이지 않도록 차단해야 합니다.

아래 표는 여러 가지 표면결함과 그 제거방법을 요약한 것입니다. 그러나, 실제의 경우 여러 표면결함이 동시에 발생하므로 표면결함의 발생원인과 제거방법을 알아내는 것은 훨씬 어려운 일입니다.

5.금형 온도(TOOL TEMPERATURE)가 부적절한 경우

POM(아세탈), PA(나일론), PBT 및 PET(폴리에스터)와 같은 비결정성 엔지니어링 플라스틱을 성형하는 경우, 금형의 표면온도가 중요합니다. 최적 성형을 위해서는 금형 디자인이 적합해야 합니다. 금형 디자인이 적합할 때에만 온도 조절장치를 통해 우수한 품질의 제품을 성형할 수 있습니다. 따라서, 금형 디자인 및 계획 단계에서부터 긴밀한 협력관계가 요구됩니다.

금형 온도가 부적절한 경우 발생할 수 있는 문제점

가장 발견하기 쉬운 현상은 성형부품의 표면 불량입니다. 금형 표면온도가 낮은 경우 이런 문제가 발생합니다.

비결정성 폴리머의 성형수축과 후수축은 금형 온도와 부품 벽 두께의 영향을 많이 받습니다. 따라서, 금형의 열 분산이 불균일하면 수축특성에 차이가 생길 수 있습니다. 이 경우, 부품 허용오차를 유지할 수 없게 될 수도 있습니다. 최악의 경우에는 수축이 너무 심하여 수정할 수 없게 되는 경우도 있습니다. 이것은 강화 수지나 비강화 수지 모두 마찬가지입니다.

고온조건에서 사용하는 제품의 크기가 점점 작아지는 경우가 있는데, 이것은 일반적으로 금형 표면온도가 너무 낮기 때문입니다. 금형 표면온도가 너무 낮으면 성형수축은 작으나 후수축이 상당히 커질 수 있기 때문입니다.

치수를 안정화하기 위하여 충분히 긴 가동단계(start-up phase)가 필요하다면, 금형 표면온도 조절이 부적절한 것입니다. 금형 표면온도는 평형에 도달할 때까지 오랜 시간동안 상승하기 때문입니다.

금형 일부의 열 분산이 부적절한 경우, 사이클 시간이 상당히 길어져 성형비용 증가의 원인이 될 수 있습니다.

구조분석(예 : POM의 경우) 또는 시차주사열량계(DSC) 분석(예 : PET의 경우)과 같은 성형부품 분석방법을 통해 금형 온도가 적절한지를 알 수도 있습니다.

올바른 금형 온도 설정을 위한 권장사항

금형은 점점 더 복잡해져 가고 있으며, 이에 따라 성형온도의 조절도 더욱 어려워져 가고 있습니다. 모양이 간단한 제품을 성형하는 경우 이외에는 성형온도의 조절이 쉽지 않습니다. 따라서, 다음과 같이 개략적인 지침을 제시할 수밖에 없습니다.

금형 디자인 단계에서 성형부품의 모양을 고려한 온도조절을 염두에 두어야 한다.

샷 중량이 작고 치수가 큰 금형을 디자인할 때에는 열전달이 잘 되도록 설계해야 한다.

금형과 공급 파이프의 유동단면의 치수를 넉넉하게 한다. 금형 온도 조절액의 유동이 원활하도록 한다.

온도 조절액으로는 가능하면 가압수(pressurized water)를 사용한다. 고압, 고온(최대 8bar, 130°C)에 견딜 수 있는 파이프 및 매니폴드를 사용한다.

금형에 적합한 온도조절장치 성능을 정한다. 금형 제작업체의 데이터시트에는 유동속도 수치가 포함되어 있어야 한다.

금형과 플래튼 기기의 밸브 사이에는 단열판을 사용한다.

금형의 이동부와 고정부에 각기 다른 온도조절 시스템을 적용한다.

측면부와 코어부에 각기 다른 온도조절 시스템을 적용하여 작동온도가 다른 경우에도 금형 작동이 가능하도록 한다.

온도조절 회로는 항상 병렬이 아닌 직렬로 연결한다. 회로가 병렬로 연결되면 작은 유동저항에 의해서도 온도 조절액의 유동속도가 달라져 온도편차가 커질 수 있다(직렬연결의 경우, 금형 입구와 금형 출구의 온도차이가 5°C 이내인 경우에만 정상적으로 작동된다).

금형 온도 조절장치의 입력온도와 출력온도를 표시하는 디스플레이를 장착하는 것이 좋다.

공정제어를 위해 금형 내에 온도센서를 설치하여 실제 생산과정에서 온도를 점검하는 것이 좋다.

금형은 보통 10회 정도의 샷 사이클이 진행되면 열평형에 이릅니다. 평형상태에서의 실제온도는 여러 가지 요인에 의해 정해집니다. 금형과 플라스틱이 접촉하는 표면의 온도는 금형 내에 열전대를 설치하거나(표면에서 2mm 위치) 휴대용 고온계로 측정하는데, 이 중 후자가 더 일반적입니다. 고온계의 표면 프로브는 신속히 반응해야 하며, 금형 온도는 여러 부위에서 측정해야 합니다. 측정 결과를 바탕으로 온도조절장치의 설정온도를 변경하여 금형 온도가 원하는 온도로 되게 할 수 있습니다. 각 소재에 대한 데이터시트에는 권장 금형 온도가 제시되어 있습니다. 이러한 권장온도는 표면품질과 기계적 특성, 수축특성 및 사이클 시간을 고려하여 최적화한 것입니다.

정밀부품이나 광학요건 또는 안전요건을 준수해야 하는 부품의 경우, 일반적으로 금형 온도가 더 높습니다(후수축을 줄이고 표면광택을 높이며 물성을 균일하게 하기 위함). 기술적 요건보다는 경제성이 더 중요한 부품은 금형 온도가 낮은 상태에서 생산됩니다. 그러나, 이 경우에는 품질에 문제가 생길 수 있으므로 철저한 테스트를 통한 품질관리가 요구됩니다.

6.용융온도가 부적절한 경우

비결정성 엔지니어링 폴리머를 성형할 때에는 용융온도의 선택이 부품 품질에 결정적인 영향을 미칩니다. 일반적으로 비결정성 수지 가공시의 용융온도 허용오차 범위는 이보다는 덜합니다. 성형기기는 최종부품의 특성에 직접적인 영향을 줍니다. 5번째 글에서 POM(아세탈), PA(나일론), PBT 및 PET(폴리에스터) 성형시 용융온도에 관한 문제를 다루었습니다.

용융온도가 부적절한 경우 발생하는 문제

용융온도는 너무 높아서도, 너무 낮아서도 안 됩니다. 또한, 용융온도는 균일한 분포를 이루어야 합니다.

용융온도가 너무 높으면 폴리머의 변성, 즉 분자사슬이 파괴될 수 있습니다. 또한, 용융수지에 가해진 안료, 충격 강화제 등의 첨가제가 변성될 수 있습니다. 이렇게 되면 기계적 특성이 저하되거나(분자사슬의 길이가 짧아짐에 따라) 표면결함(변성 생성물에 의함)이 발생할 수 있으며 악취가 날 수도 있습니다.

용융온도가 너무 낮으면 균일한 구조를 얻기 어려워집니다. 이 경우, 내충격성이 크게 저하되며 물리적 특성에 상당한 편차가 발생할 수 있습니다.

용융온도 이외에 폴리머의 사출장치 내 체류시간도 중요합니다. 체류시간은 2~9분이 적당한 것으로 알려져 있습니다. 체류시간이 이보다 길면 용융온도가 적절한 경우에도 열변성이 일어날 수 있습니다. 반면, 체류시간이 너무 짧으면 용융수지의 균일성이 불충분해집니다.

용융온도가 부적절한 경우의 증상

POM의 경우, 열 응력이 과도하면 제품 변성이 일어나 용융수지 내에 기포가 형성될 수 있습니다. 이러한 현상은 세정과정에서 분명하게 관찰할 수 있습니다. 이밖에 금형 침전물이 증가하고 악취가 나는 등의 증상이 있습니다. 그러나, POM 호모폴리머의 물리적 특성은 용융온도가 너무 높은 경우에도 거의 변하지 않습니다.

PA는 노즐의 온도가 너무 높아지는 등 조건이 너무 나쁘면 변색될 수 있습니다. PA의 열변성은 기계적 특성의 저하를 통해 확인할 수 있습니다. 실험실에서는 용액 점도를 측정하여 열변성을 확인할 수 있으나, 성형과정에서는 그렇지 못한 경우가 일반적입니다.

PBT와 PET는 과열에 더 민감하여 내충격성이 저하됩니다. 그러나, 성형과정에서는 거의 결함을 식별할 수 없습니다. 품질관리가 적절히 이루어지지 않는 경우, 손상은 조립 단계 또는 제품 사용 시에만 식별이 가능합니다. 변색이 발생한 경우는 손상 정도가 매우 큰 경우입니다. 일반적으로는 무작위로 추출한 샘플을 대상으로 내충격성 관련 물성 측정 테스트를 실시합니다. 성형부품의 점도 측정은 상당한 시간과 비용을 요합니다.

비강화 PA 또는 PBT의 경우, 세정과정에서 미용융 입자가 발견되면 용융온도가 너무 낮거나 샷 규모가 너무 큰 경우입니다.

적절한 용융온도

엔지니어링 폴리머 관련 데이터시트를 통해 각 소재의 최적 용융온도를 알 수 있습니다. 일반적으로, Barrel 가열구역의 온도만을 설정하는 것은 불가능합니다. 히터 밴드에 의한 온도가 상승하고 스크류 회전에 의해 마찰열이 발생하기 때문입니다. 이 때 발생되는 열의 양은 스크류의 모양과 rpm 및 배압(back pressure)에 의해 결정됩니다.

용융온도를 적절하게 하려면 다음 사항을 지키는 것이 좋습니다.

• 용융온도 프로브의 직경을 1.5mm 이하로 한다(반응특성).
• 프로브를 예열한다.
• 용융수지를 단열용기에 수거한다.
• 교반하면서 측정한다.

초기 온도를 측정하거나 신뢰할 만한 값이 없는 경우, Feeding Zone의 녹는점보다 10~15°C 높고 원하는 측정부의 용융온도보다 5~10°C보다 낮은 온도 프로필을 선택해야 합니다. 측정한 용융온도를 바탕으로 온도를 세부적으로 조정할 수 있습니다. 체류시간이 길고 측정 스트로크가 짧으면, 온도 프로필을 높이는 것이 좋습니다. 체류시간이 짧고 측정 스트로크가 길면 온도 프로필을 좁히는 것이 좋습니다. 온도범위는 폴리머의 용융점보다 낮게 설정해서는 안됩니다.

7.보압시간이 너무 짧은 경우

비결정성 폴리머 사출성형의 경우, 작업경험을 바탕으로 보압시간을 줄이고 냉각시간을 늘리는 경향이 많습니다. POM(아세탈), PA(나일론), PBT 및 PET(폴리에스터)와 같은 준결정성 폴리머의 경우에도 이러한 경향이 있는데, 이것은 좋지 못한 방법입니다. 이 글에서는 최적 보압시간의 결정을 위한 기계설정에 있어 가장 중요한 점에 대해 알아보기로 하겠습니다.

보압 단계에서 실제로 어떤 현상이 일어나는가?

금형 캐비티가 충진되면, 폴리머 분자의 결정화가 시작됩니다. 즉, 분자사슬이 정렬되어 밀도가 높은 상태로 충진이 이루어지는 것입니다. 이러한 과정은 바깥쪽에서부터 시작되어 벽 중심부에서 종료됩니다(그림 참고). POM의 경우 이로 인한 부피감소는 최대 14%이므로, 보압 단계에서 금형 캐비티에 용융수지를 추가 공급해 주어야 합니다. 보압시간이 너무 짧으면, 작은 보이드(세공)가 형성되어 여러 모로 성형부품의 특성을 저해할 수 있습니다.

보압시간이 너무 짧은지 아닌지 확인하는 방법

이렇게 제작된 부품은 수축, 변형, 싱크마크, 보이드가 과도한 경우가 많으며, 경우에 따라서는 기계적 특성이 심하게 훼손되기도 합니다. 또한, 부품치수도 상당히 부정확해질 수 있습니다. 이를 보상하기 위해 냉각시간을 늘리는 경우가 있는데, 이것은 좋지 못한 방법입니다. 이럴 경우, 사이클 시간이 필요 이상으로 길어지게 됩니다.

비강화 성형소재의 경우, 보압시간이 적절한지를 알아보기 위한 한 방법으로 성형부품의 벽 두께가 가장 큰 부분을 절단해 보는 방법이 있습니다. 우선, 확대경이나 반사경 현미경을 사용하여 절단면에 보이드나 핀홀이 있는지를 점검합니다. 좀더 정교한 방법으로는 마이크로톰 단면을 준비하는 방법이 있습니다(그림 참고). 이렇게 하면 광전송 현미경을 이용하여 매우 작은 결함도 식별할 수 있습니다.

강화 성형소재의 경우, 벽 두께가 가장 큰 부위의 표면에서 결함이 쉽게 발견됩니다. 보압시간이 너무 짧으면, 파손부위에 기포와 비슷한 구조가 형성되는데, 현미경사진을 확대해 보면 섬유가 폴리머 안에 포함되지 않고 노출되어 있는 것을 볼 수 있습니다. 다른 방법으로는 연마단면의 현미경 사진을 준비하여 핀홀의 유무를 확인하는 방법이 있습니다.

사출성형의 경우 효과적인 보압시간은 성형횟수의 측정을 통해 결정할 수 있습니다(설명 참고). 이것은 실제적인 조건에서 보압시간을 결정하는 최선의 방법입니다.

또한, 실제 수치와 비교를 하는 것도 최적 보압시간의 결정에 도움이 됩니다(표 참고). 이러한 원칙은 주어진 벽 두께에 대해서만 해당되며 온도, 핵 형성 첨가제 및 안료, 금형 충진시간 등과 같은 다른 요인에는 적용되지 않습니다. 벽 두께가 얇은 경우에는 수치가 낮아지며, 벽 두께가 넓은 경우에는 수치도 커집니다.

 

올바른 설정절차

최적의 성형부품 특성을 얻으려면, 측정방법에 의해 보압시간을 결정해야 하며, 냉각시간을 최소로 줄여야 합니다(일반적으로 가소화 시간보다 약간 길게 합니다). 이것은 게이트의 위치와 디자인이 올바르다는 것을 전제로 한 것입니다(본 시리즈의 2, 3과 Plastverarbeiter 46 [1995] 6, 7 참고). 또한 보압시간 동안 압력을 일정하게 유지하는 것 역시 중요합니다. 적정압력은 사용 소재에 따라 60~100MPa 사이입니다.

8.게이트 위치가 잘못된 경우

게이트의 위치는 유동전면 프로필과 보압의 효율을 결정하므로, 성형부품의 강도 및 기타 물성에 결정적인 영향을 미칩니다.

일반적으로 게이트 위치는 설계 및 금형 제작업체에서 지정하므로, 이 글은 특히 디자이너와 금형 제작업체를 대상으로 한 것입니다. 그러나, 예상 가능한 문제발생을 막기 위해서는 계획단계에서부터 사출성형 담당자가 참여해야 합니다.

게이트 위치가 잘못된 경우 발생 가능한 문제점

게이트 위치가 잘못된 경우, 비결정성 엔지니어링 폴리머 제작부품의 물성이 저하될 수 있습니다. 이런 경우, 강화 수지나 비강화 수지 모두 다음과 같은 증상이 발생합니다. 유동전면 프로필에 위한 웰드라인과 기포는 부품의 표면에 영향을 줄 수 있으며, 특히 섬유강화 소재의 경우 기계적 특성이 저하될 수 있습니다. 이 경우에는 가공조건을 변경하여도 별다른 효과가 없습니다.

벽 두께가 두꺼운 부품의 경우, 벽 두께가 얇은 곳에 게이트가 위치하면 싱크마크나 보이드가 형성될 수 있습니다. 벽 두께가 얇은 곳에서는 소재의 결정화 속도가 빠르므로(그림 참고), 벽 두께가 두꺼운 부위(긴 보압 시간을 요함)에 용융수지가 공급되지 못하게 됩니다. 이 경우, 외관, 기계적 문제 외에도 해당부위의 수축이 증가하여 비강화 소재의 경우에는 변형이 발생할 수도 있습니다.

게이트의 수가 너무 적고 위치가 잘못된 경우, 유동길이가 너무 길어지고 사출 충진압력이 너무 높아질 수 있습니다. 금형 체결력(Mould Locking Force)이 부족하거나 사용 폴리머의 점성이 낮고 결정화 속도가 느린 경우, 플래시 형성이 증가할 수 있습니다. 또한, 가공 '범위(window)'가 크게 제한되어, 성형조건에 따른 허용오차 범위가 불안정해지게 됩니다.

게이트 위치 최적화를 위한 권장사항

• 게이트는 벽 두께가 가장 얇은 곳에 위치하도록 한다.
• 응력이 높은 부위 근처에 게이트를 설치하지 않는다.
• 길이가 긴 부품의 경우, 게이트는 가능한 한 횡단방향 또는 중앙이 아닌 세로방향으로 설치해야 하며, 특히 강화 성형소재의 경우 더욱 그렇다.
• 기어휠, 디스크, 임펠러 등과 같은 축대칭 부품의 경우, 다이어프램 게이트를 사용하거나 3단 금형을 갖춘 다중 게이트를 이용하여 게이트가 중앙에 위치하도록 하여 가동특성을 좋게 해야 한다.
• 금형 캐비티가 둘 이상인 경우, 스프루와 대칭이 되게 부품을 정렬시키고 게이트를 설치해야 한다.
• 내부에 힌지가 있는 부품은 웰드라인과 힌지가 인접하지 않도록 게이트를 설치해야 한다. 절대로 힌지 근처에서 유동이 중단되는 일이 발생해서는 안 된다.
• 컵 모양의 부품(예 : 소형 하우징, 커패시터 컵 등)은 게이트가 기부 근처에 위치하도록 하여 기포를 줄여야 한다.
• 튜브 모양의 부품은, 먼저 한 쪽 끝부분의 둘레에 용융수지를 충진하고 나서 튜브 길이 방향으로 충진해야 한다. 이렇게 하면 유동전면 프로필의 대칭성이 유지된다.
• 코어핀, 멜트아웃 코어, 기타 금속 인서트 둘레에 인서트 성형하는 경우, 수지 용융수지가 인서트 둘레를 유동할 수 있도록 하여 인서트의 정렬불량을 최소화해야 한다.
• 게이트 마크와 같은 시각적 결함이 없어야 하는 노출표면의 경우, 터널 게이트를 이용하여 게이트가 밑바닥 쪽에 위치하도록 할 수 있다.
• 게이트 위치는 충진 과정에서 유동전면 흐름이 최대한 멈추지 않도록 해야 한다(모양이 복잡한 부품, 모양이 다른 다중 캐비티 금형 등).

이상의 권장사항은 물론 모든 경우에 적용되는 것은 아닙니다. 성형의 복잡성 정도에 따라 조정이 필요합니다. 그러나, 계획단계에서는 가능한 한 이상의 권장사항을 고려해야 합니다. 이 경우 금형충진 시뮬레이션을 실시하면 큰 도움이 될 것입니다.

9.공급시스템의 규모가 너무 작은 경우

현재 엔지니어링 폴리머로 제작되는 부품의 디자인에는 CAD, 유한요소 분석, 금형유동 계산(mould-flow calculation)과 같은 복잡한 방법이 이용됩니다. 이들 방법이 실용적인 것임은 분명하지만, 경우에 따라서는 공급시스템의 디자인을 충분히 고려하지 못하는 경우가 있습니다. 이하에서는 준결정성 폴리머에 대한 올바른 공급시스템 디자인을 위한 기본적인 요인에 대해 알아보기로 하겠습니다. 이들 요인은 게이트의 위치 및 체류시간과 함께 고려하여야 합니다. 그러면, 지금부터 이들 요인에 대하여 알아보기로 하겠습니다.

준결정성 수지의 특징

준결정성 플라스틱은 용융상태에서 고체(결정)상태로 상변화가 일어날 때 부피가 줄어듭니다. 이러한 부피감소는 수지 종류에 따라 최대 14%에 달할 수 있으며, 부피감소를 보상해 주기 위하여 체류시간 동안 금형 캐비티에 용융수지를 보충해 주어야 합니다. 따라서, 게이트 단면 구성은 체류단계에서 용융 유체 중심이 존재하도록 하여야 합니다.

결과 고찰

게이트 시스템이 너무 좁으면(보기 참고), 보압의 효율이 떨어지게 됩니다. 이 경우, 부피감소 보상이 불충분하여 핀홀(강화소재의 경우)은 물론, 보이드나 싱크마크가 생길 수 있습니다(특히 비강화 소재의 경우). 이러한 현상은 현미경으로 관찰할 수 있습니다. 결과적으로 성형제품의 기계적 안정성이 상당히 달라지게 되며, 부피감소와 변형 증가로 인해 비용이 크게 증가합니다.

보이드와 핀홀은 노치의 역할을 하여 성형제품의 기계적 특성을 악화시키며 파단 신율과 충격강도가 크게 감소합니다. 섬유강화 소재의 경우, 게이트가 너무 좁으면 섬유가 손상되어 짧아질 수 있으며, 이 경우 성형품질이 더욱 악화될 수 있습니다.

게이트가 너무 좁으면 사출압력이 높아지고 금형 충진 시간이 길어질 수 있습니다. 이러한 현상은 예를 들어, 사출속도 설정을 달리해도 실제 금형 충진 시간에 변화가 거의 없는 것으로 보아 알 수 있습니다.

또한 게이트가 너무 좁으면, 표면결함이 생길 수 있습니다. 전단력이 너무 크면 충격 강화제, 안료, 난연제와 같은 첨가제가 섬유로부터 분리될 수 있습니다. 또한, 게이트가 너무 작으면 제팅(jetting)에 의해 스트리크나 덜스팟(dull spots)이 생길 수 있으며, '마블(marbled)'효과가 발생하거나 게이트 주위에 헤일로(halo)가 형성될 수 있습니다. 또한, 금형 침전물의 생성이 증가하게 됩니다.

공급시스템 디자인

공급시스템을 디자인할 때에는, 먼저 성형부품의 벽 두께(t)를 고려해야 합니다(그림 참고). 러너의 직경은 어느 부위이든 사출성형 부품의 벽 두께보다 커야 합니다. 게이트에서부터 시작하여 각 분기점의 러너 직경이 커지게 하면 전단률을 거의 일정하게 유지할 수 있습니다.

주입노즐의 저온 슬러그가 성형부품에 도달하는 것을 방지하려면, 저온 슬러그의 제거가 가능하도록 게이트를 연장해야 합니다. 이렇게 하면 직경이 게이트 직경과 거의 비슷해지며 저온 슬러그의 체류가 확실해집니다.

준결정성 비강화 폴리머 성형의 경우, 게이트 두께는 최소한 성형부품 벽 두께의 50%가 되어야 합니다. 이러한 조건은 강화소재의 경우에도 해당됩니다. 섬유의 손상위험을 최소화하기 위하여, 또한 이들 소재의 점도가 더 높다는 점을 고려할 때 게이트 두께는 성형부품 벽 두께의 75% 이상이 되어야 합니다.

게이트 길이는 특히 중요합니다. 스프루의 조기응고를 막으려면 게이트 길이가 1mm 미만이어야 합니다. 금형 가열은 게이트 근처에서 진행되므로 보압의 효율이 최대로 됩니다.

기본규칙을 요약하면 다음과 같습니다.

• 저온 슬러그를 제거할 수 있는 방안을 항상 강구해야 한다.
• 러너 직경은 성형부품 벽 두께보다 커야 한다.
• 게이트 두께는 성형부품 벽 두께의 50% 이상이어야 한다.

이러한 원칙은 엔지니어링 폴리머의 결정특성만을 고려한 것입니다. 금형충진 특성을 평가하려면 폴리머의 유동길이에 관한 데이터를 이용할 수 있으며, 필요한 경우 유동계산을 수행해야 합니다. 용도에 따라서는 여러 가지 이유로 이러한 원칙이 적용되지 않는 경우도 있을 수 있습니다. 요컨대, 품질과 비용효율성은 서로 상반되므로, 적절한 타협점을 찾아야 할 것입니다.

10.성형재료의 수분 흡수

POM, PA, PBT, PET 등의 준결정성 엔지니어링 폴리머를 성형할 때 흔히 발생하는 10가지 문제를 확인, 예방하는 방법에 대해 알아보도록 하겠습니다.

플라스틱 소재 중에는 대기로부터 수분을 흡수하는 것이 많습니다. 플라스틱 소재의 수분 흡수 정도는 수지의 종류에 따라 다릅니다. 성형재료가 수분을 흡수하는 경우, 단지 표면응축에 불과하더라도, 엔지니어링 폴리머 성형부품에 문제가 발생할 수 있습니다. 즉, 가공상의 문제, 성형부품의 표면품질 저하, 기계적 강도 약화 등 여러 가지 부작용이 생길 수 있습니다. 육안검사만으로는 수분 존재 여부를 확인하는 것이 불가능한 경우가 많습니다. 이 글은 다양한 플라스틱의 성형가공시 수분에 민감한 폴리머의 취급방법을 제시하기 위한 목적으로 작성된 것입니다.

플라스틱 소재의 건조

대부분 엔지니어링 폴리머의 성형재료 내 수분함량은 가공에 필요한 임계수준 이하가 되어야 합니다. 소재의 건조 필요성은 주로 소재가 수분에 얼마나 민감한가에 따라서 결정됩니다. 그러므로, 원래 소재에 함유된 수분의 함량, 포장방법 및 저장기간 등이 중요한 기준이 됩니다. 예를 들어, 폴리아미드는 대개 알루미늄 박막 포장지로 포장하므로, 포장지에서 꺼낸 후 그대로 사용해도 괜찮습니다. 그러나, PA 가공 시에는 포장 개봉 후 1시간 내에 소재를 사용하는 경우에도 수지를 건조 처리하는 것이 일반적입니다.

반면, PET와 PBT는 수분에 훨씬 민감하므로, 반드시 건조처리를 해야 성형부품의 기계적 강도에 손상이 없게 됩니다. 또한, 이들 수지는 건조처리 후 수분을 흡수하는 속도가 매우 빠르므로 PET 및 PBT를 운반하거나 이들 수지를 컨베이어 시스템 또는 호퍼 내에서 처리할 때에는 특별한 주의를 요합니다. 기후조건이 부적합한 경우, PET는 수분흡수 속도가 빨라서 10분 이내에 최대허용 성형 수분 함량인 0.02%를 초과할 수 있습니다. 재생 성형재료 및 완전포화 성형재료(예 : 개방된 용기 내에 있던 성형재료)를 건조하는 경우, 각별한 주의가 필요합니다. 이런 경우에는 권장 건조시간으로는 부족한 경우가 많습니다. 완전 포화된 폴리아미드의 경우, 건조시간은 12시간 이상이 되어야 하는 경우도 있습니다. 따라서, 이런 경우 건조처리에 따른 변색은 불가피합니다. 따라서, 다음과 같은 가이드라인을 준수해야 합니다.

• 스프루와 재생재는 항상 밀폐용기에 보관한다.
• 소재 일부만을 사용하는 경우 용기나 포장지를 밀폐시킨다.
• 호퍼는 뚜껑을 닫아 둔다

건조방법

우수한 성형품질을 위해서는 올바른 건조방법을 적용해야 합니다. 예를 들면, 폴리에스터의 경우 단순한 열기 건조기는 부적당하며, 제습 건조시스템이 적합합니다. 제습 건조시스템을 이용하는 경우에만 기후조건에 무관하게 적절한 건조처리가 가능합니다. 올바른 건조온도를 유지하는 것 이외에도, 건조온도의 이슬점이 -20°C 이하가 되도록 하는 것이 중요합니다. 충진높이 및 벌크밀도가 다른 다중용기 장치를 사용하는 경우에는, 각 용기 내 공기공급이 충분하도록 해주는 것도 중요합니다.

수분함량 측정

성형재료의 수분함량은 검압장치나 Karl-Fischer 장치 등 시판중인 장치를 이용하여 측정할 수 있습니다. 수분함량 측정시 오류를 줄이기 위하여, 샘플은 호퍼 내에서 바로 채취해야 하며 적당한 용기에 밀폐 보관해야 합니다. PE 및 알루미늄 코팅처리를 한 특수 열밀봉 주머니나 밀폐가 가능한 실험실용 유리용기를 사용하는 것이 좋습니다.

[보랏빛]

오메....이걸 어디서 가져온겨??? 무겁게