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제목 노즐 팁 누출 방지법 ①
작성자 플라스틱코리아
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Date : 2020/02/27 10:34

노즐 팁 누출 방지법 ①

실수로 배우기 보다, 처음부터 실수하지 않는 편이 낫다. 사출성형 업계의 모든 이들은 하나같이 원료 호퍼에서 충전 종료 지점에 이르기까지 용융수지 전달 시스템이 얼마나 중요한지 이야기한다. 하지만 이 용융수지 전달 체계에서 가장 오해가 많고 또 가장 약한 고리가 되고 있는 부분이 바로 사출기의 노즐 팁이다.

 

작년 여름 미국 MoldTrax사가 주관한 핫러너 시스템에 관한 3일간의 세미나에 필자가 참석한 적이 있다. 훌륭한 정보를 많이 얻을 수 있는 뛰어난 프로그램이었다. 주요 핫러너 제조업체 5개 기업이 참가해 자사의 제품 및 시스템의 주요 기능에 대해 발표했다.

MoldTrax사는 플라스틱으로 넘쳐 누출된 금형을 점검하고 수리하는 올바른 방법에 대해 다루었다. 고장난 금형을 되살리기 위해 MoldTrax가 사용하는 정밀한 기술과 풍부한 요령 발표에 참석자 모두 깊은 인상을 받았다. 플라스틱이 넘쳐 망가진 금형을 수리하는 데 필요한 작업시간 및 교체 부품 비용은 믿을 수 없을 만큼 컸다.

필자는 이 세미나를 통해 우리 업계가 서보모터 구동장치, 순차 밸브 게이트, 스마트 컨트롤러, 열 이미징 장치 등의 모든 최신 기술을 열망하고 있으며 또 필요로 하고 있다는 믿음을 더욱 강하게 갖게 됐다. 세미나의 말미에 MoldTrax의 사장은 플라스틱이 넘친 매니폴드의 사진을 슬라이드로 한 장, 한 장씩 보여주면서 각각의 경우에 발생한 상황에 대해 설명했다.

이 프레젠테이션을 보면서 사출성형의 기본에 대한 이해가 확실히 부족하다는 나의 믿음이 더 굳어졌다. 이러한 이해 부족은 사출 현장의 일부 직원에 국한된 것이 아니다. 핫러너 시스템 및 다양한 금형부품 공급업체의 최고 책임자들은 같은 문제를 안고 있다.

MoldTrax가 보여준 슬라이드에 등장하는 여러 가지 재난적 상황은 사출기의 노즐 팁과 핫 매니폴드에 부착된 스프루 부싱의 노즐 시트 사이로 수지 원료가 누출된 결과다. 이 누출로 인해 커다란 플라스틱 덩어리가 형성되었는데, 이를 두고 흔히 돼지머리라고 부르기도 한다. 이는 밸브핀 마모, 컨트롤러의 기능 또는 심지어 금형설계 및 구조와도 아무런 관련이 없다. 그것은 핫러너가 되었든 콜드러너가 되었든 사출금형 작동에 극히 중요한 기본 사항들을 모르거나 깜빡했거나 또는 제대로 확인하지 않아서 나온 결과일 뿐이다.

사출기의 노즐 팁과 금형 스프루 부싱 사이로 원료의 누출이 발생하면 바로 성형품이 가벼워지거나 싱크 마크가 여기저기 생기거나, 충전 부족이 발생하기도 한다. 이런 증상이 나타나는 것은 심각한 위험 신호다. 성형품 중량의 지속적 모니터링은 공정 안정성과 용융수지 전달 시스템 어딘가에서 누출 가능성을 확인할 수 있는 가장 좋은 지표다.

이런 증상이 일어날 때 작업자들이 가장 흔히 반사적으로 하는 조치는 숏 사이즈나 용융수지 온도를 높이는 것이다. 이 같은 두 가지 조치는 핫러너 금형이든 콜드러너 금형이든 상황을 악화시키는 결과를 낳는다.

핫러너 시스템은 설계에 따라 로케이팅 링(locating ring)의 안지름과 스프루 부싱의 바깥지름 사이에 간극이 있는 경우도 있고, 없는 경우도 있다. 만일 간극이 있다면, 이를 통해 매니폴드 하우징으로 원료가 유입될 것이 뻔하다. 따라서 이 빈 공간을 막아주어야 한다. 이를 위해 일부 금형 제작업체는 흔히 ‘스플래쉬 링(splash ring)’이라고 부르는 원통형 파이프를 사용한다.

또 어떤 업체들은 로케이팅 링 아래 중앙에 구멍이 나 있어 스프루 부싱이 오갈 수 있는 납작한 원판을 장착하기도 한다. 이 원판 부품은 누출 원료가 배럴의 히터밴드 와이어로 역류하는 것을 막는 용도로 한 금형 부품 공급업체가 판매하고 있는 유리섬유 소재의 ‘드룰 디스크(drool disks)’와 비슷하지만 그 방향이 반대일 뿐이다. 원료의 핫러너 매니폴드 유입 방지가 그토록 중요하다면, 맨처음에 사출기 노즐 팁과 스프루 부싱 사이에 원료 누출이 발생하는 이유는 무엇일까?

로케이팅 링과 스프루 부싱 사이의 간극은 반드시 막아주어야 한다. 이 부위에서 발생하는 원료 누출의 가장 흔한 근본 원인은 배럴 정렬 불량이다. 이는 확인하는 데는 단 몇 초 밖에 걸리지 않는다. 캐리지(carriage)를 뒤로 당겼다가 다시 앞으로 전진시켜 본다. 이 과정에서 캐리지가 위나 아래, 또는 좌우로 튀어 덜그덕거린다면, 이는 정렬 불량이 심하다는 뜻이다.

정렬 불량은 원료가 분출을 일으킬 수 있을 뿐만 아니라 노즐 팁의 표면과 스프루 부싱 시트 부위에 손상을 가한다. 배럴 정렬 불량이 너무 심해 노즐 팁이 노즐 시트에 닿지 않고 로케이팅 링에 부딪히는 경우도 가끔 보이기도 한다.

사출장치 캐리지 정렬

사출장치 캐리지의 올바른 정렬은 어떻게 하는 것이 좋을까? 대부분의 경우 사출기 금형을 눈 짐작으로 보고 정렬한다. 어떤 이들은 판지(cardboard) 또는 감압 필름(pressure sensitive film)을 사용하지만 이 경우에도 사출기에 장착된 금형을 기준으로 삼는다. 판지 또는 감압 필름의 눌린 부위를 보고 어떤 방향으로 정렬 상태를 조정해야 하는지 확인하는 것이다. 판지나 감압 필름을 사용하는 것은 눈 대중으로 하는 것보다 낫지만 여전히 이는 아주 정확한 방법은 아니다.

로케이팅 링의 비직경(specified diameter)은 3.990 인치다. 이 치수의 공차를 지정해 정확히 밝히고 있는 공급업체는 찾아볼 수 없다. 사출기 고정 형판의 관통 구멍은 일반적으로 4.000 + 0.002/-0.000 인치다. 따라서, 새 사출기와 그에 장착되는 새 금형 간에는 어떤 방향으로든 무려 0.010 인치의 간극이 발생할 수 있다.

금형부품 공급업체가 제공하는 기술력이 충분치 않다면 직경이 더 큰 로케이터 링을 자체 제작할 것을 권한다. 지름 3.995 인치 로케이터 링을 사용하면 이 간극의 양을 절반으로 줄여줄 수 있다. 더 큰 로케이터 링이 형판에 뚫린 관통 구멍에 맞지 않는 경우에는 구멍의 돌출된 부분을 절삭해주어야 한다.

이렇게 생각해 보자. 고정밀 전전동 사출성형기에 멀티 캐비티 핫러너 금형을 이제 막 설치했다. 로케이팅 링과 형판 구멍 사이에 약 0.010 인치의 간극이 존재한다는 것을 알고 있고, 이제 안전고글을 착용하고 잘 보이지 않는 눈에 의지하거나 판지 조각을 육안으로 검사함으로써 용융수지 원료가 매니폴드 시스템에 유입되는 것을 막으려 하고 있는 것이다.

하지만 이보다 더 나은 방법이 있다. 배럴 정렬용 맨드릴을 만드는 것이다. 강철 막대를 직경 3.999 인치로 깎아 한쪽 끝에 인입 홈(lead-in)을 만들어준다. 그리고 중앙에 구멍을 뚫어준다. 구멍은 7/8-14 스레드, 혹은 사용하는 사출기 노즐 바디에 있는 것과 같은 스레드 크기를 지닌 맞춤형 숄더 볼트를 밀어넣을 수 있는 크기로 만든다.

그림 1에 보는 바와 같이 사출기의 노즐 바디에 기계 노즐 팁을 제거하고 끝 부분에 맨드릴을 돌려 넣어준다. 사출기에 금형이 장착되어 있다면 반드시 제거한다. 노즐 캐리지 수평 조절 볼트를 풀고 그림 2와 같이 맨드릴이 압반 형판 안으로 들어올 때까지 캐리지를 전진시킨다.

그 다음 캐리지 수평 조절 볼트를 조절하여 조여준다. 이렇게 하면 캐리지는 0.0005 인치 이내의 오차 범위로 고정 형판의 중심에 정렬된다. 이는 위의 방법들보다 최소 20 배는 더 정확하다.

사출성형 업계의 모든 이들은 하나같이 원료 호퍼에서 충전 종료 지점에 이르기까지 용융수지 전달 시스템이 얼마나 중요한지 이야기한다. 하지만 믿기 어렵게도 이 용융수지 전달 체계에서 가장 오해가 많고 또 가장 약한 고리가 되고 있는 부분이 바로 사출기의 노즐 팁이다. 이제 이 컬럼의 나머지 부분 그리고 다음 달 컬럼에서 그 이유를 자세히 설명할 예정이다.

많은 이들이 노즐 팁 구멍이 너무 작으면 플라스틱 압력이 가해지게 되는 강철 표면적이 더 크기 때문에 캐리지가 뒤로 밀려날 수 있다고 생각한다. 이는 옳지 않은 생각이다. 노즐 팁 구멍이 아주 작은 구멍인지 아니면 스프루부싱 구멍과 동일한 크기인지는 중요하지 않다.

배럴의 차단 노즐에서 캐비티 끝에 이르기까지 사용된 모든 강철 조각은 직경과 모양이 제각기 다를 뿐 하나같이 압력 용기 역할을 한다. 스프루 부싱에서 노즐 팁을 분리하려는 압력은 강철과 플라스틱 수지 모두에 가해진다. 얼마나 강한 힘이 캐리지를 뒤로 밀어내고 있는지 근사치를 구하려면, 최대 사출(수지주입) 압력을 최대 구멍 면적으로 나누면 된다.

사출기 노즐 팁의 구멍이 너무 작으면 몇 가지 문제가 발생한다. 원료가 작은 직경을 통과하기 위해서는 직경이 더 클 때보다 더 많은 압력을 필요로 한다. 전기 요금을 더 많이 낼 필요 없이 여기서 발생할 수 있는 손실 압력을 성형품의 완전 충전을 위해 사용하는 편이 좋다.

작은 구멍은 또한 원료에 가해지는 전단을 증가시켜 용융수지의 온도를 상승시키고 점도를 감소시킨다. 스크류와 히터밴드로 해야 할 원료의 온도 조절을 노즐 팁 구멍을 작게 줄여 한다는 것인가? 이 주제를 다루다 보니 생각나는 것이 있다. 어떤 유명한 핫러너 제조업체 한 곳은 스프루 부싱에 상대적으로 작은 구멍 직경을 사용하고, 이것이 더 큰 직경의 유동 채널로 연결되어 유입되도록 하는 방식을 쓰고 있다.

이는 원료에 가해지는 전단력이 증가시키기 때문에 좋지 않다고 필자는 늘 생각해왔다. 하지만 어쩌면 의도적으로 이런 설계로 캐리지가 뒤로 밀리게 하는 힘의 양을 줄이기 위한 것일 수도 있다. 이렇게 전단력 증가를 감수하고 캐리지가 밀리는 힘을 줄인다는 발상은 제법 흥미롭다. 어떤 문제의 해결을 위해 차선책이 필요할 때 고려해볼 만한 것일 수도 있다.

전단력 증가 외에도 작은 노즐 팁 구멍은 그림 3에서 보는 바처럼 범용 노즐 팁의 사각 지점과 비슷하게 원료의 유동이 정체되는 사각 지점을 만들게 된다. 주입된 원료는 이 사각 지점을 빠르게 지나치면서 이 지점에 갇혀 있거나 정체되어 있는 원료를 끌고 나오려 한다.

불행하게도, 이는 동시에 벤츄리관(venturi) 역할을 하게되어 용융수지의 흐름 내부로 에어를 끌어 들일 수 있다. 이는 성형품 표면에 스플레이(splay) 마크 비슷한 흔적을 남기게 된다. 이 모든 것들은 사출기의 노즐 팁 구멍의 크기를 스프루부싱 구멍에 맞도록 조정하는 일이 그토록 중요한 까닭을 잘 보여준다. 노즐 팁의 크기를 스프루 부싱에 맞게 적절히 조정하는 것은 매우 중요하다.  

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