사출 금형에서 냉각회로로 사용하는 버플(Baffle)과 버블러(bubbler)
1. 서론
사출성형공정은 용융된 고분자 수지가 유동시스템을 거쳐 금형 내로 유입되는 충전단계와 수축에 의한 체적 감소를 보상하기 위해 지속적인 압력을 가해주는 보압단계, 취출시 충분한 강도를 갖게 하는 냉각단계, 이 제품을 취출하는 취출단계로 이루어 지는 사이클을 갖고 있다. 냉각단계는 전체 공정의 60~80%를 차지하며 제품의 불균일한 온도분포와 코어의 온도차이는 수축률과 잔류응력으로 성형품 변형을 유발하고 성형 사이클, 성형 품질 등에 큰 영향을 미치므로 금형 구조 및 설계 상에서 CAE 등에 의한 냉각 효과 분석의 사전 검토가 이루어 져야 한다.
2. 냉각 홀 설계
1) 냉각 홀의 전열면적
금형 냉각 홀은 성형 중에 1 쇼트 마다 금형에 유입되는
수지열량을 확인 할 필요가 있다.
W = 3.6 X (w/ ta)
W: 1쇼트 금형 내의 수지 소비량
w: 1쇼트 성형품의 중량
ta : 사이클타임
2) 냉각수의 유량
냉각액을 일정온도로 유지하기 위해서는 냉각홀의 입구와 출구의 차를 작게 설계할 필요가 있다. 정밀성형에서는 보통 그 차를 1~3℃로 하고, 일반적으로는 3~5℃로 한다. 대형 금형의 경우 5~10℃차를 보이는 경우도 있다.
3) 경막전열계수
고체와 유체 사이에 온도 차가 있어서 전도 및 대류에 의한 열교환이 일어난다. 이 때의 전열속도는 전열면적, 온도의 차에 비례하는데 비례상수가 경막 전열계수이며, 그 값은 유체가 흐르는 상태에 따라 다르다. 경막이란 열이 잘 전달 되지 않는 층을 말한다.
금형 온도 컨트롤에 필요한 금형 냉각홀의 전열면적은 다음 식과 같다.
A = (w· N· CP ) / h * (t1 – t0 ) / T
A : 전열면적
w: 성형품의 중량
N: 쇼트 수
CP : 수지의 비열
t1 : 수지온도
t0 :형품의 취출온도
T : 금형과 냉각수의 평균온도 차
h : 냉각홀측 경막전열계수
현실적으로 냉각홀의 전주가 냉각에 유효하게 활용되기는 어려우므로
계산값 보다 2~3배 값을 이용하는 일이 많다.
3. 금형 표면 온도 분포
금형 캐비티와 냉각매체(물)의 온도차이를 가능한 작게하고 일반 성형은 20℃이하 , 정밀성형은 10℃이하로 한다. 온도차이를 작게 하기 위하여는 다음과 같이 한다.
a. 냉각 홀은 가능한 캐비티에 가깝게하고 홀간 거리를 작게 한다.
b. 금형 재료를 열전도성이 좋은 재료를 사용한다.
c. 냉각 표면적을 크게 한다. 등
냉각 홀을 크게 하고 냉각회로(수로)를 적절히 설계한다.
그러나 냉각 홀이 너무 클 경우 관내의 냉각수 흐름이 층류가 되어 냉각효과가 떨어 질 수 있다. 냉각수 흐름이 난류인지 아닌지는 레이놀스 수(Reynolds number)에 [Re] 의해 확인될 수 있다. (10,000<Re)
그림
4. 금형 코아 및 캐비티의 설계
코아와 캐비티의 설계는 기본적으로 동일 하다. 코아의 경우 열이 殘溜하기 쉬운 곳이 많으므로 냉각성을 고려한 금형 구조가 필요하다. 특히 하이 사이클 금형의 경우 금형의 냉각 기능과 역활이 제대로 작동이 안되면 사이클 타임의 단축을 기대할 수 없게 된다. 따라서
이에 대한 문제와 대책을 고려한 코아의 냉각설계는 다음과 같다.
(1) 형상 적응형 냉각 채널
종래의 냉각회로는 절삭가공의 특성과 제약으로 인해 직선형태의 구멍을 뚫어 서로 연결하는 절삭가공방식의 냉각회로가 표준이 되어 왔다. 그러나 곡면으로 이루어진 성형품의 냉각을 위해 직선의 냉각관만으로는 많은 제약이 따르므로 이에 대한 보완책으로 배플관과 버블러와 같은 특별한 형태의 냉각 채널 방식이 채용되어 왔으나 직선 냉각관에 비해 현저히 냉각성능이 낮다는 단점이 있어 이에 대한 근본적인 문제를 변화한 기술이 형상 적응형 냉각 기술이다.
① 형상 적응형 냉각 기술이란
적층 조형 방식으로 냉각 채널을 제조하여 자유로운 냉각회로를 어느 곳에서나 설치할 수 있는 장점이 있다. 그러나 아직 장비가 고가이고 금속분말이 대부분 수입에 의존하고 가격이 너무 비싸며 사용 재료가 제한적이어서 일반 중소기업에는 현실적이지 못하다.
② 적층조형방식의 가공방법
- SLS (Selective Laser Sintering)
금속분말을 레이저로 3D Data를 따라 선택적으로 조사하여 소결하는 방식
- FDM ( Fused Depostion Manufacturing)
- DMLS (직접 금속 레이저 소결 조형 Direct Metals Laser Sintering)
SLA, LOM 등의 RT방식이 있다.
(2) 버플(Baffle) , 버블러(Bubblers) and 열핀 (Thermal Pins) 2014
배플은 주된 냉각수로에 수직으로 가공되어 중간판(blade)을 이용하여 냉각수로를 두 반원으로 나눈다. 칸막이나 튜브의 재료는 알루미늄이나 동 재료가 주로 사용되며 버블러 튜브는 카세트 프런트 등의 깊고 큰 보스형상 등에 사용된다. 버플 칸막이는 TV BACK COVER 등 높은 대형 금형 코아의 냉각 채널에 많이 사용됨.
그림
중앙을 정확하게 분리하도록 설치하기 힘들다. 또한 양쪽 면에 대해 온도 분포와 냉각 효율이 다를 수 있다. 생산이 관심이 있는 한, 이러한 단점은 배플을 형성하는 금속판을 비틈으로써 제거될 수 있다. 이는 냉각수를 그림 3에서 보는 바와 같이 배플의 끝으로 흘러서 또다시 돌아오게 하는 냉각수 유동을 헬릭스(helix) 모양으로 흐르게 할 수 있다. 이는 지름 12 ~ 50 mm에 대해 유용하며, 매우 균일한 온도 분포를 갖게 한다. 배플에 대한 다른 논리적인 발전은 그림 4에서 보는 바와 같이 하나의 날개 또는 두 개의 날개를 갖는 스파이럴 코아(single- or double-flight spiral core)이다.
그림 3. 헬릭스 배플 & 그림 4. 스파이럴 배플
버블러는 중간판을 작은 관으로 대체한 것 외에는 배플과 같다. 냉각수는 마치 분수와 같이 주된 냉각수로에서 작은 관의 밑으로 들어가 위로 나온다. 그리고 냉각수는 작은 관의 바깥 부분으로 흘러 내려가서 주된 냉각수로로 들어간다.
배플과 버블러는 모두 좁은 유로를 가지므로 유동 저항이 증가한다. 그러므로 설계 시 이들 요소들의 크기를 고려해야 한다. 배플과 버블러에서의 유동과 열전달 거동은 CAE에 의해 쉽게 모델링 되어 해석될 수 있다.
열핀은 배플과 버블러를 대체할 수 있다. 이는 액체로 채워진 실린더이다. 그림 5 에서 보는 바와 같이 이 액체는 금형으로 부터 열을 받으면서 기화(vaporization)되고 냉각수로 열을 방출하면서 액화(condensation)된다. 열핀의 열효율은 구리 관(copper tube)의 10배 거의 정도로 크다. 좋은 열전도를 보장하기 위해서 열핀과 금형 사이에 공기 층을 피하거나 높은 열전도율을 가진 유체(sealant)로 채워져야 한다.
그림 5. 열핀의 열전달 효율.
(3) 공기 냉각홀의 설치
냉각수로에 미세홀 코아 핀 등을 설계하기 곤란 시에 코아핀에 미세혈을 내어 압축공기로 불어 냉각하는 방식.
(포세락스 재료를 코아로 사용할 경우 관리가 어려운 단점이 있다)
(4) 열전도성이 좋은 재료의 사용
베리륨 동, 은, HIT75 등
TV FRONT 등의 경우 모서리부 4개소에 깊고 두꺼운 리브와 보스가 집중적으로 설치 되어 있어 가열과 냉각이 늦어져 온도차이로 제품 취출시 박히거나 가지리로 정상적인 사출 성형이 어렵다 이 경우 4 모서리에 대해 입자로 Hit 75 동합금을 채용 함으로써 해결될 수 있다.
(5) Hit pipe의 사용
온도 차를 작게 하는데 유용하다 -끝-