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제목 성형품의 휨 발생 원인 알아보기
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/06/01 16:27

 

  

성형품의 휨을 찾아내는 일은 사출성형 전체 공정에서 가장 손쉬운 일 중 하나일 수 있다. 휨 문제의 정확한 진단이 어려운 까닭은 대답이 한 가지가 아니기 때문이다. 하지만 그 원인을 이해하는 일은 조금 더 복잡하다. 휨의 원인과 그 방지법을 자세히 살펴본다.

 

일반 소비자를 포함해 누구나 자연스럽게 평평해야 하는 부품이 가공돼 나온 직후 휘거나 뒤틀려 변형된 것을 어렵지 않게 찾아낼 수 있다. 이 휜 부품이 플라스틱 사출성형을 통해 만들어졌다면 의도하지 않은 휨을 줄이거나 심지어 막을 기회가 있을 수 있다.

 

문제 해결의 첫 단계는 부품에 휨이 발생하는 까닭을 알아내는 것이다. 이는 복잡한 작업이지만 문제 해결에 필수적이다. 플라스틱에 휨을 야기하는 메커니즘을 제대로 이해하면 이를 줄일 수 있는 방법을 개발할 수 있다. 또한 플라스틱 사출성형 시뮬레이션 소프트웨어인 Autodesk Moldflow와 같은 기술적 도움을 받아 엔지니어는 제조업체가 강철을 절삭해 금형가공에 앞서 그 같은 솔루션의 실효성을 미리 검증할 수 있다.

 

 

 

플라스틱의 수축

가공 도중이나 후에 발생하는 원료 수축은 사출성형된 플라스틱 부품의 휨 발생에 있어 중요한 역할을 한다. 부품의 휨을 다루기에 앞서 플라스틱 소재가 어떻게 그리고 어째서 수축이 발생하게 되는지 이해하는 것이 중요하다. 이를 위해서는 플라스틱이 용융되고 냉각될 때 일어나는 일을 분자 수준에서 밀접하게 관찰하는 일로 시작해야 한다. 대부분의 경우, 용융 및 냉각 특성은 폴리머 종류 그리고 충전재 또는 섬유 강화소재 함유 여부에 따라 달라진다.

 

1. 비(非)정질 원료(Amorphous Materials)

ABS, PS, PC 등과 같은 소재를 포함하는 폴리머 종류를 비정질 폴리머라 한다. 이 폴리머들은 자연상태에서 무작위로 얽혀있는 분자 배향을 지니고 있다. 마치 접시에 담긴 스파게티와 같다.

 

이 원료들이 용융될 때는 분자들 사이의 힘이 약화되고, 서로 멀리 떨어지게 된다. 또한 사출단계에서 가해지는 전단은 마찰과 유사한 물리적 작용으로 개별 분자를 풀어서 유동방향에 따라 정렬되도록 만든다. 유동이 멈추면 분자는 다시 이완돼 무작위의 배향 상태로 되돌아간다. 분자간 힘은 분자들이 그 자리에 고정될 만큼 충분히 온도가 떨어질 때까지 분자들을 서로 가까이 끌어당긴다. 이러한 힘은 균일한 수축을 가져오지만, 분자의 이완 효과는 수지 유동방향으로 더 많은 수축을 일으키게 된다.

 

 

 

2. 반(半)결정질 원료(Semi-crystalline Materials)

비정질 원료와 달리 반결정질 원료는 고도로 질서 있고 촘촘히 묶인 분자구조영역을 가지고 있다. 이 원료는 용융시에는 결정구조가 풀려 분자들이 비정질 폴리머와 매우 유사하게 수지 유동방향으로 정렬된다. 하지만 원료가 냉각될 때는 이완되는 대신 유동방향으로 배향을 유지하고, 분자들이 다시 결정화되기 시작하면서 훨씬 더 높은 수축률을 낳는다. 하지만 이 경우 수축 효과는 유동에 수직방향으로 훨씬 더 크게 나타난다.

 

3. 섬유 강화 원료(Fiber-reinforced Materials)

폴리머의 강도를 높이거나 기타 물성을 추가하기 위해 섬유를 결합해주는 방법이 자주 사용된다. 플라스틱에 첨가된 섬유는 위에서 언급한 분자 배향으로 인한 수축 효과를 막아주는 역할을 할 수 있다. 섬유는 온도 변화에 따라 팽창하거나 수축하지 않기 때문에 섬유가 충전한 원료는 일반적으로 분자 배향방향으로 수축이 적게 발생한다.

 

 

 

수축률의 차이

휨의 근본원인은 믿을 수 없을 만큼 간단하다. 즉, 수축률 차이 때문이다. 간단히 말해, 성형품이 모든 방향으로 완벽하게 균일하게 축소된다면 그 크기가 작아지더라도 원래 형태는 유지할 것이다. 그러나 성형품의 어떤 부위가 다른 부위와 다른 비율로 축소되면 이 차이로 인해 내부응력이 생성된다. 이 내부응력이 성형품의 구조적 온전성을 유지할 수 있는 수준을 넘어서면 성형품이 금형에서 배출될 때 휨이 발생하게 된다. 일반적으로 네 가지 방식으로 수축률 차이가 발생한다.

 

1. 영역별 차이

성형품이 게이트에 가장 가까운 영역과 충전완료(end of fill, EOF) 지점에 가장 가까운 영역에서 다른 수축률을 보이는 일반적인 이 차이는 부품의 두꺼운 부위(게이트 영역)와 얇은 부위(EOF)사이에서 발생한다. 두 부위 가운데 한 쪽에서 다른 부위보다 축소가 더 많이 일어나기 때문이다.

 

2. 두께에 따른 차이

성형품의 횡단면을 살펴보면 수축률 차이는 부품 상단의 수축과 하단의 수축 양상이 다를 때 발생한다. 이 차이로 한 쪽이 다른 쪽보다 더 많이 수축되면서 결과적으로 다른 쪽보다 상대적으로 작아질 수 있기 때문에 성형품이 휠 수 있다.

 

3. 방향에 따른 차이

분자 또는 섬유의 정렬로 수축률 차이는 원료의 배향 또는 유동방향과 평행 및 수직으로 발생할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 비정질 원료는 유동방향과 평행방향으로 더 많이 수축하는 경향이 있다. 결정성 원료인 경우, 일반적으로 유동방향의 직각 방향으로 더 많은 수축이 발생한다.

 

4. 평면상 수축 vs 두께방향 수축

폴리머는 표면의 평면보다 두께방향으로 더 많이 수축하는 경향이 있다. 이 같은 경향은 금형 억제력(또는 부품 두께방향으로 금형 억제력 부족) 때문에 발생한다. 평면에서 발생하는 수축률과 두께방향으로 발생하는 수축률의 차이는 특히 성형품의 가장자리가 공칭 벽 두께보다 두꺼울 때 휨을 일으킬 수 있다.

 

  

수축률 차이 발생의 원인

수축률의 차이가 휨을 일으킬 수 있는 것은 분명하지만, 먼저 이러한 차이가 발생하는 까닭을 정확히 이해하는 것 또한 중요하다. 아래는 그 가장 일반적인 다섯 가지 이유다.

 

1. 냉각속도

반결정질 원료는 냉각속도가 높으면 결정구조 형성에 필요한 시간이 줄어든다. 그 결과로 전체 부피 수축량이 감소된다. 비정질 원료에도 동일한 효과가 적용되지만, 전체 수축량이 적기 때문에 냉각속도를 빠르게 했을 때 수축 정도가 작다.

 

2. 수지 충전으로 발생하는 배향

기다란 줄 형태의 폴리머 분자 배향은 처음에는 유동과정에서 전단응력에 따라 발생한다. 폴리머가 여전히 고온인 상태에서 전단응력이 제거되면 배향이 완화된다(배향은 전단과 동결이 동시에 발생할 때만 고정된다). 이 같은 배향 완화가 비정질 원료에서 발생할 때는 일반적으로 유동에 평행 방향으로 더 많은 수축이 발생한다. 결정성 원료의 분자는 유동방향으로 정렬되기 때문에 대부분의 결정화 구조는 유동이 수직으로 발생한다. 때문에 수직 방향으로 더 많은 수축을 일으키는 결과를 낳는다.

 

3. 금형 억제력

성형품이 금형 안에 있는 동안은 표면의 평면 안에서는 수축할 수 없지만, 두께방향으로는 수축할 수 있다. 이는 두 가지 효과를 낳는다. 첫째, 두께방향으로 더 많은 수축이 발생한다. 두 번째, 폴리머 표면의 평면에 응력이 축적된다. 성형품이 금형에서 배출된 후 냉각되고 이 응력이 완화되면서 휨을 초래할 수 있다.

 

금형온도가 높을수록 냉각속도가 낮아지고, 성형품 표면 응력의 완화 정도가 커진다. 금형의 억제력 또한 원료에 따라 달라진다. 균열 내성이 강한(그리고 이완이 천천히 이뤄지는) 원료는 더 높은 선형 수축률을 보이지만, 빨리 이완되는 원료는 더 낮은 선형 수축률을 갖는다.

 

4. 두께에 따른 온도 차이

성형품 단면의 어느 한쪽 면의 금형온도가 다른 쪽과 다른 경우 수축이 좌우로 다르게 발생한다. 성형품의 한쪽 평면에서 다른 쪽 면보다 많은 수축이 발생해 크기가 줄어들어 휨을 초래하게 되는 굽힘 모멘트를 만들게 된다.

 

5. 두께의 편차와 고르지 못한 패킹

성형품의 두께가 부위별로 다를 경우 두꺼운 부분이 냉각되는 데 시간이 더 오래 걸리므로 수축률이 높아질 수 있다. 이와 유사한 효과가 게이트에서 멀리 떨어진 영역에서도 발생한다. 일정한 패킹(packing, 충진) 프로파일을 사용하면 게이트에 가까운 영역이 게이트에서 멀리 떨어져 있는 영역과 다른 속도로 냉각되면서 밀도가 더 높아져 양쪽 영역 사이에 수축률 변동이 발생한다.

 

  

시뮬레이션 소프트웨어를 통한 도움 얻기

휨을 관리하는 작업은 그에 관련된 요소 수 그리고 각 요소가 다른 요소에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지를 고려할 때 매우 복잡한 일이다. 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하면 엔지니어는 제품 설계주기 초기에 문제를 해결할 수 있으므로 이 작업을 보다 쉽게 수행할 수 있다. Autodesk Moldflow와 같은 시뮬레이션 툴을 사용함으로써 엔지니어는 작업중인 부품의 소재, 설계, 예상 가공조건 등을 고려해 예상되는 수축 및 휨의 정도를 시각화하기 위한 분석을 설정하고 실행할 수 있다. 이런 시각화 도구를 통해 최종 결과를 계량하고, 이를 보다 쉬운 해석 및 다른 시뮬레이션과 비교해 활용할 수 있다.

 

수동 또는 자동화된 워크플로우를 통해 설계작업을 반복하는 가운데 엔지니어는 가공조건이나 부품설계를 변경함으로써 원하는 품질의 성형품을 만들어낼 수 있는 최적화된 조합을 찾아낼 수 있다. Moldflow의 자동화된 최적화 분석 툴은 성형품 휨 문제에 있어 설계, 재료, 공정 변경 등이 미치는 영향에 대한 명확한 피드백을 제공해준다. Moldflow 시뮬레이션을 사용하면 부품성형 후 발생한 휨 문제를 다루지 않고, 원료 또는 금형 냉각속도 변경 등과 같은 다양한 솔루션을 더 빠르고 쉽게 선제적으로 검토할 수 있다.

 

결론

휨 문제의 정확한 진단이 어려운 까닭은 대답이 한 가지가 아니기 때문이다. 대부분 여러 가지 효과가 서로 어울려 작용하거나 서로 상승작용을 일으켜 각 효과의 개별적 영향을 따로 분리해내기가 어려울 수 있다. 예산 및 일정에 맞는 적절한 솔루션 개발을 위해 시뮬레이션을 통한 분석을 이용하면 플라스틱의 휨이 어떻게 그리고 왜 발생하는지를 이해함으로써 엔지니어는 큰 도움을 얻을 수 있다.

 

 

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