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제목 플라스틱 가공업체에게 가장 중요한 일 ③
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2018/08/05 08:39

플라스틱 가공업체에게 가장 중요한 일 ③


제품개발 과정 초기단계에서 이루어진 그릇된 결정으로 인한 문제를 보완하는 작업이 가공업체의 몫이 되는 경우가 많다. 수축 문제가 발생할 때 가장 흔히 쓰이는 “해결책”은 금형 온도를 낮추는 것이다.


몇 해 전, 플라스틱 소재 거동에 대해서 나름 잘 이해하고 있는 한 가공업체로부터 전화를 받았다. 유리섬유강화 PBT 폴리에스터로 성형한 부품에 발생한 뒤틀림 문제를 “해결”한 방식을 두고 고객이 몹시 화가 났다는 것이다. 가공업체는 처음에 93℃의 높은 금형 온도로 가공을 시작했다.


이형된 성형품은 냉각 과정에서 매우 빠르게 뒤틀림을 보였다. 업체는 많은 다른 가공업체들이 하듯 이 문제를 “해결”했다. 금형 온도를 낮춘 것이다. 금형 온도를 35℃ 정도로 낮추자, 부품의 휨 현상이 사라졌다. 문제가 해결된 것이다.


불행하게도, 고객은 이 부품을 82℃의 온도 조건에서 사용해야 했다. 고객은 부품 품질 테스트를 위해 오븐에 넣고 93℃ 온도에서 두 시간 동안 넣어두었다. 테스트 결과 고객은 처음에 부품이 높은 온도 금형에서 나온 뒤 보인 것과 거의 동일한 정도의 뒤틀림을 보이는 것을 발견했다. 고객은 불량을 이유로 반품을 요구했고, 성형업체는 억울하다고 느꼈다.


필자는 업체가 뒤틀림 현상을 바로잡기 위해 사용한 방식이 PBT의 결정화 특성을 억누른 것이었음을 지적했다. 결정화 과정에는 수축이 수반된다. 결정은 폴리머 구조 내에 자리잡은 질서정연한 영역으로, 비정질 영역보다 공간을 덜 차지한다. 따라서 원료의 결정화 정도가 높을수록 수축이 더 많이 발생한다.


업체가 처음 사용했던 금형 온도는 해당 폴리머의 유리전이온도(Tg)보다 높았다. 때문에 수지는 구현가능한 최고 수준에 거의 근접한 결정화를 거칠 수 있었다. 반면 휨 문제를 해결하기 위해 설정한 낮은 금형 온도는 Tg 아래였고, 따라서 결정화 정도 또한 그만큼 낮았다. 그렇기 때문에 부품의 수축이 덜 일어난 것이다.


뒤틀림은 성형품의 여러 부위에서 각기 다른 비율로 수축이 발생하여 나타나는 현상이다. 여기에는 여러 가지 구체적 원인이 있을 수 있다. 부품의 벽두께가 부위 별로 다르든지, 부품에서 열을 제거하는 과정이 고르게 이루어지지 않으면서 부위 별로 냉각 속도가 달랐든지, 유리섬유의 배향 특성 때문에 부품 부위 간의 수축 정도가 달라지는 등 다양한 이유가 있을 수 있다. 이 모든 문제들은 부품설계나 금형설계 또는 원료 선정의 문제이지 가공의 문제가 아니다.


하지만 제품개발 과정 초기단계에서 이루어진 그릇된 결정으로 인한 문제를 보완하는 작업이 가공업체의 몫이 되는 경우가 너무 흔하다. 수축이 많이 발생할 때 가장 흔히 쓰이는 “해결책”은 금형 온도를 낮추는 것이다. 실제 성형품이 보이는 수축 정도가 툴을 제작할 때 예측했던 수축 값보다 클 때도 성형품의 전체 수축률을 줄이기 위해 흔히 사용되는 방법이다.


성형품의 바깥 지름이나 전체 길이가 너무 작게 나오면, 금형 온도만 낮추어버리면 성형품 사이즈가 커지는 것이다. 보기에는 간단하고 별 해로울 것이 없는 해결책 같다. 결정화 부족은 외관으로 성형품을 검사해서는 발견해 낼 수 없는 결함이기 때문이다.

이 문제점을 찾아내는 유일한 방법은
이 문제점을 찾아내는 유일한 방법은 내게 하소연하던 업체의 고객이 했던 것처럼 부품을 실제 사용 조건과 같은 온도로 가열하여 치수가 안정적으로 유지되는지를 확인하는 것이다. 성형품의 결정화가 적정 수준으로 이루어졌다면 높은 온도의 오븐에 넣어두어도 새로운 결정 구조가 생겨나는 일이 없고, 부품의 치수와 형태에도 변함이 없을 것이다.


하지만 문제가 된 사례의 경우에는 성형되어 나온 결정 구조와 원래 의도했던 결정 구조가 매우 달랐기 때문에 폴리머가 새로운 결정을 형성하는데 필요한 수준의 분자 운동성을 부여해주는 높은 온도에 노출되면, 원래 의도했던 결정화가 일어나게 된다.


이 같은 부가적 결정화 현상과 관련된 치수 변화가 부품이 실제 사용현장에서 일어나게 되면, 그 결과는 아무리 좋게 말한다 해도 꽤나 황당한 일이 될 것이다. 부품의 결합 부위에서 균열이 발생할 수 있으며, 다른 부품과 맞물려 움직이도록 설계된 부품은 끼여 움직이지 않을 수도 있고, 씰링 작용을 하도록 디자인된 부품이라면 밸브나 하우징에서 유체가 새나오는 결과를 초래할 수 있다.


사례로 든 경우에서는, 부품의 뒤틀림 현상이 잘못된 임시방편의 공정 조정으로는 해결할 수 없는 근본적인 문제가 있었음을 부품이 실제 사용되기에 앞서 알려주는 지표 역할을 했다. 사출성형 시의 냉각 속도에서는 이론적으로 달성할 수 있는 최고의 결정도를 결코 얻을 수 없음을 이해하는 것이 중요하다.


288℃의 용융 온도로 가열된 나일론66이 99℃의 온도로 설정된 금형 캐비티 안으로 주입된다고 하면, 나일론의 Tg보다 높은 온도에서는 상대적으로 높은 결정화가 발생한다. 성형품을 이형가능 온도에서 30초 동안 냉각시킨다면, 소재의 냉각 속도는 분 당 378℃가 된다. 실험실 조건에서 소재를 테스트할 때 분 당 10~20℃의 속도로 가열하는 것이 보통이다.


그렇기 때문에 우리가 제아무리 잘 하려고 애를 써도 사출기에서는 얻을 수 있는 완벽한 수준의 결과를 실험실에서 얻을 수 있는 것이다. 성형품 벽의 공칭 두께가 아주 얇은 경우가 아닌 이상 성형품 표면의 냉각 속도가 벽 중간 위치보다 빠르다는 것도 누구나 알고 있다.


하지만 가공업체의 목표는 생산 효율성과 폴리머가 완벽하지 않더라도 믿을만한 수준의 안정성을 확보할 수 있는 상태로 가공하는 일 사이의 균형을 확보하는 것이다. 시차주사열량측정법(示差走査熱量測定法, differential scanning calorimetry, DSC)이라는 테스트를 수행하면 이 작업이 제대로 이루어졌는지 확인할 수 있다.


테스트는 성형품에서 나온 시편을 준비하여 DSC 장비로 제어된 조건 아래 녹을 때까지 가열하는 방식으로 이루어진다. 이때 발생하는 용융은 용융잠열(latent heat of fusion)이라고 알려진 특성 때문에 나타나는 피크온도를 통해 관찰할 수 있다. 이것이 결정화 정도를 측정할 수 있는 수단이 된다. 용융열이 더 클 수록, 더 많은 결정구조가 성형품 내에 존재하는 것이다.


용융된 샘플은 다시 고형상태로 냉각되고 이 과정에서 용융이 발생한 과정의 경상(鏡像) 즉 좌우가 뒤바뀐 모양의 피크 곡선을 보인다. 이것이 결정화 과정에서 방출되는 열을 나타낸다. 이 같은 가열 및 냉각 과정을 거치면 성형과정에서 열이 남긴 흔적을 지워준다.


샘플을 두 번째로 가열하면 첫 번째 가열에서 보았던 것보다 높은 새로운 용융열을 관찰하게 된다. 이는 DSC 장비 내의 냉각 속도가 실제 성형공정에서 소재가 거치게 되는 것보다 훨씬 느리기 때문이다. 그림 1과 그림 2는 PP 성형품으로 이 같은 방식으로 수행한 DSC 테스트 결과를 보여준다.


첫 번째 가열에서 용융열은 89.72 J/g인 반면, 두 번째 가열에서는 99.43 J/g임을 볼 수 있다. 첫 번째 가열에서 나온 값을 두 번째 가열에서 나타난 값으로 나누면 90.2%가 나온다.


바로 이 비율이 우리가 실제로 달성한 결정화 수준과 고객을 잘 납득시켜 시간 당 15개의 부품만 만들어도 좋다는 허락을 받아내서 금형 안에서 폴리머를 아주 서서히 냉각시켰을 때 달성 가능한 이론적 최대 가능치에 대해 갖는 비율이다.


90% 정도면 대부분의 경우에 매우 우수한 결과로 여겨진다. 하지만 이 결과가 성형품 안의 폴리프로필렌이 90% 결정화되어 있다는 뜻이 아님을 이해하는 것이 중요하다. 이 수치는 이론적으로 가능한 것과 실제로 달성할 수 있었던 것의 비율일 뿐이다.


이 부품의 경우 이론적으로 가능한 절대 결정화 정도는 50%가 조금 못 미친다. 이는 폴리프로필렌 소재로는 매우 일반적인 수준이다. 폴리프로필렌은 성형 온도가 올라가도 결정화 정도가 크게 늘어나지 않는 종류의 소재이기 때문에 금형 온도를 상대적으로 낮게 해주어도 별 문제가 없다.


이 경우에는 금형 온도가 38℃였다. 하지만 금형 온도를 차갑게 하다가 목표로 한 온도에서 훨씬 크게 벗어나도록 하는 결과에 이르는 경우도 있다. 이런 일은 고성능 소재에서 자주 일어난다.

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