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제목 성형품 내 잔류 응력 처리방법
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/02/11 10:00

성형품 내 잔류 응력 처리방법

 

불가피하게 발생하는 잔류 응력 문제 처리에 도움이 되는 설계, 성형 및 고정 등에 관한 조언이다. 사출기에서 나오는 성형품이 정상으로 보인다고 해도 이 부품을 장기간 사용하면 제대로 작동하지 않을 수 있다. 시간이 흐르면서 부품이 수축과 변화를 계속하기 때문이다.

 

사출성형과 관련된 여러 가지 변수를 언급하면서 컬럼을 시작하는 경우가 많다. 특히 필자가 완전히 무시하고 있었던 한 가지 변수, 즉 사출성형품 내의 잔류 응력에 대해 한 독자가 보내온 글에 깊은 감사를 표하고자 한다.

이 문제는 모든 사출성형품에 나타나는 문제로, 사실 가장 단순한 플라스틱 부품 성형에서도 잔류 응력 발생은 피할 수 없다. 이 같은 잔류 응력은 설계, 성형, 고정장치 사용 및 부품 성능과 관련해 평가가 이루어져야 한다. 잔류 응력은 때에 따라 매우 커서 성형품을 출하 후 조립한 뒤 한 동안 사용한 후에도 불량을 일으키는 경우가 적지 않다. 이런 문제는 어떻게, 또, 왜 발생하는 것일까?

해답은 분명하다. 부품의 내부 또는 잔류 응력과 외부 응력의 합이 플라스틱 강도를 초과하면 성형품이 파손되는 것이다. 성형이 손쉬운 하중굴곡온도(DTUL) 테스트용 시편에서 시작해보자.

보통 사용되는 DTUL 테스트용 바는 5인치 길이×0.5인치 폭×0.125, 0.25 또는 0.5인치 두께다. 테스트 샘플은 그림 1에 나와 있다. 테스트용 시편의 두께는 달라질 수 있으며, 사출 또는 압축 성형으로 만든다. 테스트는 성형되어 나온 그대로의 상태 또는 어닐링(annealing)을 거쳐 수행할 것인지를 선택한다.

어닐링은 성형품 내부 응력의 대부분을 없애 줄 수 있는 온도로 성형품을 따듯하게 해주는 것을 의미한다. 중요한 점은 이 시편에서 사출성형이 쉬운 부품이라해도, ASTM 256 테스트 조건으로 시험할 때 성형되어 나온 그대로의(어닐링되지 않은) 부품과 어닐링을 거치거나 응력이 거의 없는 부품 사이에 상당한 차이가 드러난다는 것이다.

 시험을 통해 얻은 데이터는 지정 두께에서 어닐링 되지 않은 사출성형품과 어닐링 된 것 사이의 차이가40°F(22°C)가 되고 압축성형된 시편의 경우 어닐링 된 시편과 어닐링 되지 않은 시편 간의 차이는 39°F(21°C) 정도로 보여준다(그림 2). 균일한 두께의 단순한 형상의 부품 안에서도 잔류 응력이 존재함이 분명하다.

참고로 필자가 위의 사례를 들었다고 해서 ASTM DTUL 테스트의 유효성을 말하려는 것은 전혀 아니다. 다른 컬럼을 통해 이 테스트가 안고 있는 문제를 몇 차례 자세히 지적된 바 있으며, 필자 또한 이 시험이 실제 쓸모 있는 정보를 거의 제공해주지 못한다는 의견을 지니고 있다. 여기서는 사출성형이 쉽거나 잔류 응력이 큰 비교적 단순한 성형품의 사례로서 해당 테스트용 시편을 든 것뿐이다.

이번에는 공칭 두께의 변화가 크고 부품에 복잡한 형상이 들어간 일반적 사출성형품의 경우를 보자. 이 같은 부품들은 사출성형 시 내부 잔류 응력이 훨씬 더 많이 발생한다. 왜 그럴까?

플라스틱 성형품에 잔류 응력을 유발하는 주요 요소들로는 다음과 같은 것들을 들 수 있다:

 

열가소성플라스틱은 긴사슬 분자다.

휴지 상태 또는 응력이 없는 상태의 분자들은 마치 장난감 슬링키(Slinky) 같은 코일 형태의 사슬이다. 하지만 슬링키를 잡아당겨(응력을 가해) 늘리면 원래의 휴지 상태의 코일 모양으로 되돌아가려는 “잔류” 항력을 느낄 수 있다. 장난감 코일을 늘이는 것은 사출성형 과정의 전단 응력 아래서 플라스틱 분자 사슬이 유동할 때 일어나는 작용과 유사하다.

 

성형품의 충전 과정에서는 감긴 상태의 폴리머 사슬 코일을 푸는 힘이 가해진다.

이때 공칭 벽 두께에 따라 다시 코일이 감길 시간이 주어질 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다. 살이 얇은 부품의 경우 대부분 코일이 늘어나 있거나 응력을 받은 상태로 냉각이 이루어진다. 살이 두꺼운 부품에서는 폴리머 사슬은 응고가 이루어지는데 다시 코일이 감길 수 있을 만큼 더 긴 시간이 걸린다. 따라서 잔류 응력도 적어진다.

부품 살의 두께 전체에 냉각이 균일하게 이루어지지 않기 때문에 상황은 훨씬 더 복잡해진다. 부품의 표면은 상대적으로 온도가 낮은 강철(금형)에 맞닿아 있어 빠르게 진행된다. 플라스틱은 열전도성이 둔하기 때문에 부품 표면 아래에 있는 플라스틱은 표면층 플라스틱 때문에 어느 정도 단열효과를 받게 된다. 따라서, 성형품의 살 중간층에 자리한 폴리머 사슬은 부품 표면에 가까운 폴리머보다 스스로를 다시 코일 상태로 회복할 기회도 많다. 따라서 잔류 응력도 적다.

 

여기서 수지 주입 속도가 중요한 역할을 한다.

충전 시간이 빠를수록 전단과 분자 배향, 잔류 응력이 더 많이 발생한다. 주입 속도가 느리면 배향과 응력이 줄어든다. 도금 및 도장이 필요한 용도에는 일반적으로 배향을 최소화하기 위해 충전 속도를 낮추어야 한다.

 

금형온도가 높으면 일반적으로 잔류 응력이 적다.

금형온도가 낮으면 잔류 응력이 더 많이 발생한다. 금형온도가 낮으면 부품을 조금 더 크게 만들 수 있지만 잔류 응력이 더 커진다. 그리고 자동차 인테리어 부품같이 열사이클을 거치면 느리게 수축이 진행되면서 부품의 뒤틀림, 파손 또는 불량이 발생한다. 그리고, 도금 및 도장이 필요한 용도에는 도금 또는 페인트 작업이 제대로 이루어지도록 금형온도가 높아야 한다. 부품 표면에 응력이 가해지면 도금이나 페인트가 표면에 잘 붙지 않는다.

 

성형품이 금형에서 배출되고 나면 변형이 생길 수 있다. 

모양을 유지해 불균일한 수축을 억제해줄 수 있는 것이 없기 때문에 성형품이 냉각되면서 뒤틀림이나 구부러짐이 발생하는 이런 까닭으로 일부 성형업체는 완전히 냉각될 때까지 성형품을 원하는 위치로 잡아두기 위해 고정하는 방법을 쓰기도 한다. 문제는 성형품을 고정시키면 더 많은 잔류 응력이 발생한다는 것이다. 긁어 부스럼을 만드는 셈이다.

 

패킹 및 보압 시간에 따라 게이트가 동결될 수도 있고 동결이 되지 않을 수도 있다.

폴리머 분자는 마치 인간과 비슷하다. 우리 인간은 편안함을 느끼는 사회적 거리가 있다. 예를 들어, 다른 사람과 이야기를 나눌 때 너무 가까이 있거나 너무 멀리 떨어져 있으면 불편할 수 있다. 폴리머 분자도 이와 비슷하다. 너무 압축되어 있거나, 서로 가까이 또는 너무 멀리 떨어져 있는 상태를 좋아하지 않는다. 대부분의 성형품에서 게이트 면적은 수지 주입의 전단력 때문에 발생하는 패킹(packing) 또는 패킹 해제(unpacking)로 인해 응력을 많이 받는 영역이다.

 

성형품의 얇은 부위는 두꺼운 부위보다 냉각이 더 빠르게 진행된다.

따라서 두꺼운 부위와 다른 수축 양상을 보인다. 이렇게 두께가 다른 부위를 하나의 같은 성형품으로 묶어 놓았기 때문에 내부 응력이 높아진다. 이 때문에 시간이 흐르면서 부품에 변형이 발생할 수 있다.

 

금형에서 성형품 배출이 제대로 이루어지지 않아도 잔류 응력이 발생할 수 있다.

성형품을 금형에서 분리하는 작업은 고착, 걸림 또는 변형없이 성형품 전체에 고르게 이루어져야 한다. 본 컬럼에서 언급되지 않은 이러저러한 문제들이 있을 수 있기 때문에 늘 부품 성형 과정에서 응력을 적절히 처리할 수 있을 것인지 확인하는 것이 좋다. 이는 생산 및 초기 샘플 생산에 앞서 수행해야 한다. 어떤 방법으로 이를 수행할 것인가?

그 방법은 비교적 간단하기 때문에 모든 종류의 성형 공정에서 실행에 옮길 수 있다. 성형 후 부품에 열사이클을 가하면 잔류 응력 상태에 대해 보다 정확히 알아낼 수 있다. 즉, 성형품을 오븐에 넣고 약 230F(110℃) 온도에 어떤 변화가 발생하는지 확인한 다음 40F

(-40℃)로 냉각시킨다. 그리고 다시 이 사이클을 반복한다. 시간이 조금 걸리지만 성형품이 현장에 투입된 후가 아니라 성형품의 본격 생산 이전에 문제를 알아내는 편이 나을 것이다.

결론을 요약하자면, 사출기에서 나오는 성형품이 정상으로 보인다고 해도 이 부품을 장기간 사용하면 제대로 작동하지 않을 수 있다. 시간이 흐르면서 부품이 수축과 변화를 계속하는 것이다. 성형품을 원하는 모양으로 유지하려고 고정해 두는 방법은 사용하지 말아야 한다. 이는 자연의 법칙을 거스르는 것으로, 이 게임을 이기기는 불가능하다.

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19128   사출성형기 가공 설정값의 신속한 확인방법 플라스틱코리아