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제목 플라스틱 가공업체에게 가장 중요한 일 ⑨
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/04/02 08:25

 

 

성형품의 내부 응력을 최소화하는 성형조건 설정방법

  

유동하는 폴리머의 압력 강하는 원료 점도에 비례한다. 점도는 용융수지 온도 그리고 원료에 가해지는 전단속도, 이 두 가지 가공조건의 영향을 받는다. 전단속도가 높아지면 점도가 낮아지기 때문에, 용융수지 온도를 높이는 대신 이 방법을 써서 점도를 낮추는 경우가 많다.

  

지난달 칼럼에서는 동일 성형품 내의 여러 위치에서 폴리머 상태의 변화 그리고 그 성형품 내부 응력수준 사이의 근본적 관련성에 대해 논의했다. 이러한 변화는 가공조건에 따라 큰 영향을 받는다. 금형 캐비티 내 압력 차이는 원료가 수축하는 방식에 따라 변화를 일으키게 된다. 이는 내부 응력의 한 가지 원인이 된다.

고려해야 할 또 다른 사항은 폴리머가 냉각되는 속도 차이다. 이러한 요소들에 대해 알고 있으면 가공업체는 성형품의 내부 응력을 줄일 수 있는 성형조건을 설정할 수 있다. 내부 응력이 전혀 없는 성형품 가공은 불가능하다.

최상의 조건에서 적절히 가공된 성형품에도 여전히 500~600psi 수준의 응력이 존재한다. 그러나 제대로 되지 않은 방법으로 성형한 경우에는 3000psi를 넘는 응력수준이 나올 수 있다. 이는 충격내성 저하, 고온 노출시 치수 불안정성, 환경응력균열(environmental stress cracking, ESC)과 같은 파손 메커니즘에 대한 민감성 증가 등을 일으킨다. 성형품을 비용효율적으로 제조하는 동시에 내부응력을 최소화하는 것을 목표로 삼아야 한다.

금형 충전 및 패킹은 캐비티 내 압력분포에 큰 영향을 미친다. 유동하는 폴리머의 압력 강하는 원료 점도에 비례한다. 점도는 용융수지온도 그리고 원료에 가해지는 전단속도, 이 두 가지 가공조건의 영향을 받는다. 전단속도가 높아지면 점도가 낮아지기 때문에, 용융수지온도를 높이는 대신 이 방법을 써서 점도를 낮추는 경우가 많다.

이것이 바로 과학적 성형원칙에 의해 일반적으로 1단계로 불리는 수지충전 단계에서 상대적으로 빠른 속도로 캐비티의 대부분을 채워야 하는 까닭이다. 패킹, 즉 완전충전 내지 2단계의 전환은 캐비티가 체적을 기준으로 거의 가득 충전됐을 때 이뤄져야 한다. 2단계가 진행되는 동안 폴리머 속도는 일반적으로 1단계에서보다 훨씬 느리며, 이는 점도를 훨씬 더 높게 만든다.

폴리머 종류에 따라 2단계의 점도가 1단계에서보다 10배 이상 클 수도 있다. 따라서, 너무 일찍 2단계로 전환하면 폴리머의 균일한 가압이 어려워진다. 반면에 너무 늦게 전환하면 압력 과다상태가 되어 플래시가 발생하거나 심지어 금형에 손상이 갈 수도 있다.

금형 충전방법과 캐비티 전체의 압력분포 사이의 관계는 캐비티가 유동경로의 시작과 끝부분에 압력변환기가 있으면 쉽게 확인할 수 있다. 이 두 위치의 압력은 절대 같을 수 없지만, 적절한 금형 충전방법을 사용하면 그 차이를 줄일 수 있다. 캐비티 내 압력이 균일할수록, 폴리머가 냉각될 때 원료의 수축이 보다 균일하게 진행된다.

냉각속도는 또 다른 중요한 요소다. 빠른 속도의 충전은 폴리머의 배향 수준을 고도화시킨다. 이때 배향은 금형표면 바로 아래 폴리머층에서 그 정도가 가장 높다. 이곳은 또한 가장 냉각이 빠르게 진행되는 원료층이다. 어느 정도의 배향은 품질에 이롭지만, 지나칠 경우에 내부 응력의 원인이 된다.

지나친 배향 그리고 성형품 표면과 중심부 사이의 냉각속도 차이는 금형온도를 높여 공정을 진행함으로써 완화할 수 있다. 이렇게 하면 냉각속도를 더디게 만들어 폴리머가 성형품 구조를 형성하는 동안 더 많이 이완될 수 있는 여유를 줄 수 있다.

금형온도를 높였을 때 또 다른 이점은 동결된 폴리머층이 발생하는 속도를 늦춰 준다는 것이다. 용융된 폴리머가 금형에 유입되는 바로 그 순간, 원료의 표면층은 동결을 시작한다. 캐비티를 통한 폴리머의 유동은 아직 굳지 않은 내부층을 통해 이동하는 용융원료에 의해 계속 진행된다.

이것이 이른바 분수유동(fountain flow)으로 알려진 현상이다. 유동을 멈춘 바깥쪽 층과 여전히 움직이고 있는 안쪽층 사이에서 발생하는 전단력은 성형품 내부 응력의 원천이 된다. 따라서, 동결층 형성속도를 감소시키는 만큼 그에 따라 내부 응력이 감소 될 수 있다. 줄무늬, 유동선, 오렌지 껍질 같이 고르지 못한 표면 등 다수의 외관 결함은 금형 충전과정에서 동결층이 지나치게 일찍 생성돼 나타나는 증상이다.

더불어, 압력 강하는 유동 경로의 사이즈에 따라 크게 좌우된다는 것을 유념해야 한다. 유동 경로의 원형 단면에서 0.050인치(1.25mm)가 0.040인치(1mm)로 줄어들면 압력 손실이 두 배가 된다. 보통 부품 두께가 2mm(0.080인치)라면 이것이 캐비티 내의 위치에 상관없이 폴리머가 유동하는 가능 경로를 나타낸다고 생각하는 경향이 있다.

그러나 실제로는 원료가 게이트를 떠나서 캐비티 안으로 더 이동하면 할수록 이용 가능한 유동 경로 크기는 작아진다. 이는 게이트와 유동 경로 사이에서 관찰되는 압력 강하의 또 다른 요인이다. 금형온도를 높여주면 동결층 생성속도를 늦춰주고, 캐비티 내에서 보다 균일한 압력 분포를 얻을 수 있다.

이 같은 폴리머의 유동과 냉각원리는 지난달 칼럼에서 우리가 다뤘던 내용을 뒷받침해준다. 반(半)결정질 폴리머에서 최적의 결정화를 보장하는 방법으로 금형 온도에 유의했던 것과 마찬가지로 금형온도 조절이 비정질 폴리머에서도 최적의 특성을 만들어준다는 것은 무척 흥미로운 사실이다.

가공업체는 금형온도가 싸이클타임을 결정하는 유일한 요인이라고 생각해, 금형온도를 높이는 것을 매우 꺼리는 경우가 많다. 그러나 금형온도와 용융수지온도가 함께 작용하는 것으로 이해하면 이 두 가지 파라미터 사이의 적절한 균형이 경쟁력 있는 사이클타임을 유지하면서도 원료 특성을 최적화하는 데 핵심이라는 것을 알 수 있다.

비록 이 컬럼의 초점이 가공에 맞춰져 있지만, 캐비티 내의 균일한 냉각속도와 최적의 압력분포 구현 능력은 성형품 설계 및 금형 설계에 달려 있다는 점을 잊어선 안 된다. 두께 부위간 차이가 크게 나도록 성형품을 설계하거나 두께가 얇은 구간을 통과해 두꺼운 구간을 충전하도록 게이트 위치를 정하면, 가공업체로서는 보정하기 어려운 문제가 발생할 수 있다.

사실 관행적으로 설계상의 잘못된 결정이 별 의논 없이 진행되고, 그 뒷감당이 가공업체에게 맡겨져 왔다. 그 결과, 잘못된 설계를 보정하기 위해서 이런저런 가공조건상의 조합을 시도하는 경우가 흔하다. 이런 시도에 높은 수준의 내부 응력을 발생시키는 낮은 금형온도, 높은 패킹압력 등이 포함되는 것을 필자는 자주 보게 된다.

최적의 금형 엔지니어링 과정을 위해서는 금형의 실제 제작에 앞서 이러한 문제들이 해결될 수 있도록 제품개발 초기단계에서부터 모든 이해관계자간의 철저한 토론이 필요하다.

  

  

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