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제목 사출성형에서 ‘나비 효과’ - 연결공정
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/06/28 13:02

 

 

사출성형에서는 설정값의 사소해 보이는 변화가 성형품 품질과 탄탄한 공정 및 재현성에 커다란 영향을 미칠 수 있다. 이것이 바로 ‘과학적 성형’이 설정값이 아닌 가공 결과물에 중점을 두는 까닭이다. 결과물이 매 샷, 공정마다 일관되게 유지돼야 한다. 그렇지 않으면 최종 결과물인 성형품의 품질을 예측할 수 없다.

 

필자는 최근 다른 모든 가공 설정값 한계치보다 중요한 단 하나의 가공 설정값이 있는지 여부에 관한 칼럼을 기고한 바 있다. 내 결론은 그렇지 않다는 것이었고, 그 이유는 사출성형과정에서는 모든 공정들이 연결돼 있기 때문이다. 연결된 공정이란 여러 가지 설정에 따라 여러 가지 결과물들에 영향을 줄 수 있는 공정이다. 때문에 사출성형공정에서 여러 가지 프로세스 결과물에 영향을 미치지 않는 매개 또는 설정값을 찾아보기란 어렵다. 이것이 바로 설정값보다 공정 결과물을 우선시하는 과학적 성형이 필요한 까닭이다. 설령 훌륭한 의도를 가지고 설정값을 아주 조금만 바꿔도 공정 결과물에 ‘나비 효과’를 일으킬 수 있다.

 

스크류 복귀시간 조정

문제가 없는 성형품을 만들어내고 있는 공정을 검토하다가 냉각시간이 끝나고 금형이 개방되기 몇 초 전에 스크류가 풀 샷으로 복귀하고 있음을 발견했다고 해보자. 원료의 배럴 체류시간을 줄여 프로세스를 최적화한다는 의도로 스크류 RPM을 낮춰 스크류 복귀시간을 보다 적합하게 생각되는 수준으로 늘려 금형이 개방되기 직전으로 만들어줬다고도 가정해 보자.

물론, 필자가 원료의 배럴 체류시간이 긴 것이 좋다고 주장하려는 것은 아니다. 이 가정은 연결된 공정 에서 결과물에 어떤 일이 일어날 수 있는지 알아보기 위해 예를 든 것뿐이다. 그럼, 이런 변화가 공정에 어떤 영향을 초래할까? 우선적으로 원료의 용융수지온도가 낮아질 것이 틀림없다. rpm이 낮으면 마찰이 적어 열이 적게 발생한다.

또한, 원료가 배럴에 머무는 시간이 줄어들면서 용융수지온도 또한 낮아진다. 용융수지온도가 낮아지면 충전시간 유지를 위해 더 높은 사출 압력이 요구된다. 용융수지온도가 낮으면 점도가 높아져 금형 충전에 더 많은 힘이 필요하게 된다. 공정이 이미 한계 수준에 가까운 압력을 사용하고 있는 경우라면, 이렇게 스크류 rpm을 조금 낮춰도 한계를 넘어서도록 만들기에 충분하다. 그 결과, 이제 충전 중 속도를 제어할 수 없게 될 것이다.

추론을 계속해 보자. 용융수지온도가 낮아지면 성형품의 냉각이 더욱 빨라짐을 의미한다. 즉, 애초에 열이 적게 유입됐기 때문에, 그 열을 빼내는 데 걸리는 시간도 적게 든다. 하지만 우리가 냉각시간 설정은 변경하지 않았으므로 이제 온도가 전보다 낮아진 플라스틱은 코어 쪽으로 수축이 발생하고, 이형(에젝션) 후 수축이 감소돼 성형품 치수가 이전보다 더 커질 수 있다.

성형품 치수에 관해 살펴보면, 대부분의 사출성형기는 속도를 제어하면서 성형품을 충전(filling)하고, 압력을 제어하면서 성형품의 패킹(packing), 즉 완전충전을 진행하는 과정을 거친다. 캐비티 압력제어 없이 속도 제어만으로 프로세스를 진행하면 보압의 실시간 제어가 이뤄지지 않는다.

수지 원료의 온도가 낮아 점도가 높아지면 성형품 충전에서 더 높은 압력의 충전이 필요한 경우라면, 동일한 샷 중량과 성형품 치수 유지를 위해서 보압을 높여줘야 한다. 몇 가지 예외적인 경우를 제외하고는 보압은 자체 조정되지 않는 설정값이기 때문에 성형품의 패킹 수준이 전과 동일하지 않게 되면 성형품에 치수 문제가 초래될 수 있다.

rpm을 낮췄을 때 일어날 수 있는 또 다른 부작용으로 불완전 원료혼합 및 불균일한 용융수지를 들 수 있다. 흑백이 거뭇거뭇 섞인 혼합물을 가공하는 경우라면 균일한 색 분산 또는 원료 유동에 용융이 안 된 수지가 남아있지 않도록 열을 더해 줄 수 있도록 rpm을 높여주는 것이 좋다.

계속 이런 식의 추론 실험을 계속해나갈 수 있겠지 만, 요점은 이미 분명하다. 공정 개발중에 무언가 빠진 것이 있는 데도 프로세스 최적화를 하지 말자는 주장을 하는 것이 아니다. 필요한 최적화 작업을 하되, 그것이 어떤 영향을 미칠 수 있는지 알아야 하고, 앞으로 나가려다가 다섯 걸음 후퇴하는 일이 없도록 시도하려는 변화를 철저히 검토해야 한다는 것이다.

앞서 설명한 원인과 결과들은 사고상의 추론 실험으로 국한되는 것이 아니다. 공정 개발절차를 수행한 실제 실험을 통해 우리가 예측하고 확인한 것들을 기반으로 이상의 사실과 부합한다는 것을 알고 있다.

 

프로세스 변경을 삼가하라

필자가 사출성형 공정에 대해 여전히 놀랍다고 느끼는 점은 설정값에서 사소해 보이는 변화가 성형품 품질과 탄탄한 공정 및 재현성에 커다란 영향을 미칠수 있다는 것이다. 공정이 여러 요소간에 빈틈없이 연결돼 있는 프로세스라는 점 그리고 여러 가지 설정간에 상호작용이 일어난다는 점에 대한 이해는 설정값보다는 공정의 결과물에 중점을 두기 시작하게 된 출발점이다.

이 개념은 ‘과학적 성형’의 기초를 이룬다. 많은 사람들이 프로세스 변화가 결과물에 미치는 영향을 (심지어 그렇게 분명하지는 않아도 주변장치의 결과물까지 의도치 않은 영향을) 미친다는 점을 알고 있으면서도 아직 프로세스 설정값 한계치 내에서는 문제가 없다고 고집한다는 점은 당혹스럽다.

 

사출성형 가공은 프로세스간의 네트워크

기술자들이 공정 진행 도중 프로세스에 변경을 가할 수 있도록 해주는 공정 설정값 한계치는 사실 제대로 수립된 공정에서는 오히려 비생산적이다. 사출 성형 가공은 프로세스간 상호작용의 네트워크이며, 이들 모두와 각각 씨름하는 것은 불가능에 가깝다.

가공 개발절차가 잘 세워져 있지만, 실제 생산공정을 위한 가공 설정값 한계치를 만들어 놓고 있는 사출성형업체를 방문할 때마다, 괜한 시간 낭비라는 느낌을 지울 수가 없다. 적정한 충전시간, 보압 유지시간, 보압 세기, 냉각시간, 용융수지온도 등을 찾아내기 위한 실험을 수행하면서 프로세스를 반복하며 공정을 수립하기 위해(많은 경우 각각의 프로세스 결과물을 두고 여러 차례 실험을 거치느라) 그 많은 시간을 쓰고 나서 이제 실제 가공에서는 이 값들을 변경할 수 있도록 한다는 사실에 어이가 없을 지경이다.

‘과학적 성형’의 핵심은 실험을 올바로 했는지 여부가 아니다. 유변학 곡선(rheology curve)이나 충전 밸런스(fill-balance)에 대한 조사를 갖췄는지가 중요하다. 결과물이 매 샷, 공정마다 일관되게 유지되도록 하는 것이다. 결과물이 일정하게 유지되지 않으면 궁극적인 프로세스 최종 결과물인 성형품의 품질을 제대로 예측할 수 없다.

필자는 다년간 수많은 성형업체와 공정 설정값 한계치를 두고 논의를 벌여왔고, 업체들이 내게 보여준 반발은 여전히 놀라울 정도다. 필자는 특히 의료기기 사출성형업체들이 사용하는 특정 종류의 공정 설정값 한계치를 없애기 위해 많은 노력을 기울였다. 여기서 말하는 한계치란 프로세스 변경이 허용되는 설정값 상한선 또는 결과물 한계치, 즉 내가 결함 허용 기준치(defect threshold limits)라 부르는 값이다.

필자는 “공정 진행 중 이 설정값을 조정할 수 없다면, 만일 성형품(결함이나 불량의 종류)이 나타내기 시작하면 어떻게 해야 합니까?”라는 질문을 늘 들어 왔다. 이런 질문을 받은 적도 있다. “공정 설정값 한계치가 없으면, 젖은 원료를 사용해야 할 때는 어떻게 해야 합니까?” 그 시점에서 나는 딱 말문이 막힌다. 살면서 이따금 무슨 말을 하는 게 좋을지 알 수 없지만, 여기서 나가달라는 말을 듣고 싶지 않다면 내키는 대로 말해서는 안 된다는 것이 느껴지는 순간이다.

제대로 확립된 공정이지만, 문제나 성형품의 결함을 아예 없애 주지는 못한다. 어떤 순간이든 이런 문제나 결함 발생을 완전히 막을 수 있는 방법은 없다. 우리는 완벽한 세상에 살고 있지 않다. 강철에도 마모가 발생하고, 원료의 점도는 롯트마다 달라지고, 어느 시점이 되면 장비도 고장이 나기 마련이다. 밸브는 전처럼 완벽하게 제 구실을 하지 못하고, 금형 에는 불순물이 끼고, 원료가 젖을 수도 있다. 그러나 프로세스를 변경한다고 해서 이러한 문제가 장기적으로 고쳐지거나 해결되지는 않는다.

사출성형에서는 프로세스가 서로 긴밀하게 연결돼 있기 때문에 한 가지 문제를 해결하기 위해 한 가지를 변경하면 앞서 언급한 나비 효과를 자아내게 되고, 결국 이익보다 해를 더 많이 보게 되는 경우가 흔하다. 다시 필자가 말문이 막혔던 상황으로 돌아가 보자. 마음을 잠시 가다듬고 그 질문을 던진 성형업자에게 “그렇다면 사출기를 멈추고 공정을 진행하기에 앞서 원료를 건조시켜야 한다”고 말할 수 있었다.

 

정상적인 변동 수준의 확인

사출성형기에서 단 하나의 설정값을 변경했을 때도 결과물이 여러 가지 영향을 받게 된다는 것을 알고 있기 때문에 설정 한계값이 아니라 결과물을 일정하게 유지하는 것이 핵심적이다. 변동이 낮은 결과물 데이터를 제공하는 탄탄한 프로세스 그리고 사출기가 실제로 달성할 수 있는 결과물을 확인했다면, 해당 프로세스 내에서 해당 사출기, 금형, 원료와 관련해 어느 정도의 변동이 정상적인 수준인지를 정확할 수 있도록 문서화해야 한다.

정상적인 변동 수준을 찾아내면 결과물에 대한 제어 한계치를 설정할 수 있다. 이 같은 제어 한계치를 사용해 그 한계치를 벗어나는 성형품을 정밀검사 또는 불량처리를 위해 분리해낼 수 있다. 프로세스 제어 한계치는 프로세스 변경의 한계치를 설정하기 위한 것이 아니라 프로세스가 검증된 동일한 결과물을 만들어낼 수 있도록 설정해야 한다.

사출성형공정에는 불가능한 것은 아닐지라도 제어하기 매우 어려운 것이 많다. 따라서 우리가 통제할 수 있는 것들을 면밀히 모니터링하는 것이 필수적이다. 필자는 많은 사람이 결함허용 기준치(defect threshold limits)를 공정제어 한계치(process-control limits)와 혼동한다는 생각이 자주 든다.

이 두 가지 개념 사이에는 커다란 차이가 있다. 하나는 결함이 발생하는 임계값이고, 다른 하나는 프로세스가 제어를 벗어나는 것을 막기 위해 설정된 한계값이다. 따라서 ‘제어 한계치(control limits)’라고 한다.

효과적인 프로세스 모니터링은 탄탄한 공정 개발을 통해 가능하다. 공정제어 한계치는 정상적인 공정 변동 수준을 보정할 수 있을 만큼 여유가 있어야 하지만, 다른 한편 공정의 변화를 방지하고 의심되는 성형품을 골라낼 수 있을 정도의 엄격성은 유지해야 한다.

 

프로세스 변경에 대한 정의

연결된 성형공정 내의 상호작용을 이해하면 여러 가지 이점이 있다. 공정 내에서 상대적으로 모니터링하기 힘든 결과물을 살필 때 유리하게 활용할 수도 있다. 예를 들면, 자주 다뤄야 했던 용융수지온도를 들 수 있다. 이 결과물은 단연코 측정이 가장 까다로운 항목이다. 이를테면, 우리가 테라바이트급의 저장용량을 갖춘 스마트폰을 만드는 기술은 있지만, 배럴 내부의 용융수지온도를 정확하게 측정하는 기술은 아직 없다.

이용할 수 있는 몇 가지 다른 방법이 있지만, 대부분은 정확히 같은 측정 결과를 얻을 수 없다. 시간이 더 지나야 경제적으로 실현가능한 옵션을 제공해줄 수 있는 초음파 기술영역에서 얼마간의 발전이 있었다. 그때까지는 사출성형기의 결과물을 바탕으로 용융수지온도가 가공 검증과정 중에 확인했던 수치에 근접했다는 확신을 얻기 위해 다음과 같은 방법을 사용할 수 있다.

우선, 프로세스 변경이 이뤄지지 않도록 하는 것이 중요하다. 충전시간, 샷 크기, 이송위치 등이 변경되지 않았는지 확인하고, 그 다음 수지 사출압력이 공정 개발과정에서 설정한 정상적인 변동범위 내에 있는지 확인하면 된다.

이렇게 하면 동일한 양의 플라스틱을 동일한 양의 금형에 동일한 양의 시간에 충전하고, 동시에 그렇게 하는 데 필요한 힘이 허용 수준 이내라면 원료의 점도가 비슷하게 나올 것이다. 이를 통해 용융수지온도가 공정 유효성 검사 진행시에 확인한 온도범위 안에 있다는 것을 확신을 얻을 수 있다.

이것이 완벽한 솔루션일까? 아니다. 용융수지의 실제 온도에 대한 정확한 정보는 얻지 못했지만, 다른 프로세스 결과물이 우리가 설정해놓은 제어 한계치 내에 들어온다는 것을 확인함으로써 두 가지 경우의 점도가 동일하다는 가정을 뒷받침하는 데이터를 사용할 수 있는 것이다. 물론, 프로세스 변경을 구성하는 요소가 무엇인지 정의해야 한다.

샷 중량을 검증된 프로세스 샷 중량범위에 맞추기 위해 가공 시작점에서 보압 설정값에 수정을 가한 것은 프로세스 변경이 아니다. 금형 개방 또는 밀폐시간의 결과물을 변화시키는 클램프 개방 또는 폐쇄 설정에 관한 조정은 프로세스 변경에 해당한다. 전자는 검증된 프로세스를 재현하기 위한 조정으로 체인지오버 후 공정을 새로 시작할 때 흔히 이뤄지는 작업일 뿐이다. 후자는 단지 금형 개방시간뿐만 아니라 결과물에 영향을 주는 변경이다.

앞서 논의한 상호작용이라는 관점에서 추론해 보자. 금형 개방시간이 길어지면 금형이 이전보다 차가워져 플라스틱이 금형 안으로 유입될 때 강철의 온도가 달라지게 된다. 이로 인해 성형품은 금형 내부에서 더 많은 수축이 발생하고, 이형 후에는 수축이 덜 진행돼 성형품의 치수가 더 커질 수 있다. 금형 개방시간은 원료의 체류시간에 영향을 미칠 가능성이 더 높다.

원료가 배럴에 더 오래 머무르게 되면 용융수지온도가 높아진다. 여기에서 필자가 말하고자 하는 요점은 프로세스가 무엇인지 정확히 정의하고, 설정값과 결과물이 연결된 공정 내에서 상호작용할 때 무슨 일이 일어날 수 있는지 완전히 이해해야 한다.

필자가 의료기기 성형업체에서 프로세스 엔지니어링 매니저로 일할 때, 그 회사의 가장 큰 고객사가 우리에게 의뢰한 가장 중요한 성형품 하나를 생산하다가 문제가 발생했다. 이 작업에는 공정 실행시 금형과 함께 바꿔 장착해야 하는 전용 스크류와 배럴이 지정돼 있었다. 그런데 지정 스크류와 배럴로 교체하는 단계를 빠트렸던 것이다. 이미 수십만개의 성형품을 만들었고, 이 제품을 주문한 고객은 과연 이 성형품들을 사용할 수 있었을까?

당시 우리는 프로세스의 결과물 중심으로 작업을 진행하고 있었기 때문에 나는 공정 데이터를 면밀히 살펴봤고, 그 결과, 모든 결과물로 검증된 유효 프로세스 설정 한계치 범위 내에 있음을 확인했다. 비록 지정한 것보다 큰 스크류와 배럴을 사용했음에도 설정값은 가공 개발중에 확인한 가공 결과물을 얻을 수 있도록 맞춰져 있었던 것이다.

가공 실행중에도 성형품을 측정하고 시각적 검사를 진행했기 때문에 문제가 없는 양품을 얻을 수 있었을 뿐만 아니라, 치수 분산도 CpK(단기공정능력) 와 PpK(장기공정능력)에서 각각 1.33 및 1.67를 보여 요구사항을 충족시켰다. 필요한 모든 데이터를 갖춘 리스크 분석을 제출했고, 이를 고객이 승인했다. 결국, 다른 종류의 스크류와 배럴을 사용했음에도 프로세스가 변경되지 않았음을 증명할 수 있었던 것이다.

대부분의 사람이 플라스틱의 4대 변수인 시간, 온도, 압력, 속도를 알고 있다. 사출성형기의 연결된 공정간의 상호작용을 다루면서, 필자가 언급하고 있는 것은 시간, 온도, 압력, 속도간의 연결이다. 이 네 가지 변수는 상호작용을 통해 사출성형 공정을 형성하며, 우리가 설정한 제어 한계치는 이 변수들이 매샷, 매 공정 상호간에 일관된 영향을 주고받도록 해주는 역할을 한다.

사출성형기의 모든 설정 한계값은 이 네 가지 변수 가운데 하나를 설정하는 방법이다. 겉으로 보면 사출성형가공은 외부에서 보기에는 그리 복잡하지 않게 보일 수 있다. 그러나 실제로 사출성형 가공은 수면 위로 전체 질량의 10%만 모습을 보이는 빙산과 비슷하다. 나머지 90%는 그 크기를 온전히 이해하려면 훨씬 더 깊이 들여다보지 않으면 안 된다.

사출성형가공의 뒷면에는 매우 많은 일이 일어나고 있다. 수천가지의 상호작용이 성형품 품질에 영향을 끼친다. 이 과정 안으로 깊숙이 들어가면 갈수 록, 어째서 아주 오랜 동안 사출가공이 과학보다는 기술(art)의 하나로 여겨져 왔는지 이해되기 시작한다.

  

 

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