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제목 노즐 팁 누출 방지법 ②
작성자 플라스틱코리아
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Date : 2020/03/30 14:00

노즐 팁 누출 방지법 ②

어마어마한 가격의 사출기에 장착된 고가의 금형은 그 누구도 제대로 신경을 쓰지 않아 제 역할을 못할 가능성이 높은 20달러 짜리 노즐 팁의 성능에 의존하고 있다.  실수로부터 배울 것이 아니라, 애초에 실수하지 않는 법을 알아야 한다.

사출기 노즐 팁과 스프루 부싱 사이에 발생하는 누출은 이 두 부품의 곡면이 서로 맞지 않기 때문인 경우가 많다. 필자는 유명한 금형 부품 공급업체의 스프루 부싱 새 제품에 3곳의 다른 금형 부품 공급업체에서 만든 3종의 사출기 노즐 팁 신제품들을 가지고 그림 1에서 보는 바와 같이 ‘엔지니어즈 블루(Engineer’s Blue)’를 발라 밀폐 여부를 확인해 봤다.

엔지니어즈 블루는 프러시안 블루 염료와 그리스 같은 기름성분을 혼합한 것이다. 무독성에 절대 마르지 않는 진한 푸른색으로 부품 접촉 부위 및 밀폐 여부를 확인할 수 있는 제품이다. 그 결과 3종의 노즐 팁 가운데 하나는 스프루 부싱의 바깥쪽 둘레에 맞물려 있고, 또 하나는 부싱의 중간쯤에, 나머지 하나는 중앙 부위에 접촉해 물린 것을 볼 수 있다.

바깥 둘레, 즉 외주 부위에 물린 스프루 부싱은 사출장치 캐리지를 뒤로 밀어내어 원료 누출을 발생시킬 가능성이 매우 높다. 사출기 노즐 팁의 정밀도는 불확실성이 매우 높다. 말그대로 복불복이라 할 수 있다. 어쩌면 그래서 가격이 그토록 저렴한지도 모르겠다. 이 점에 대해 좀 깊이 생각해 봐야한다. 엄청난 가격의 사출기에 올려 놓은 고가의 금형이 그 누구도 제대로 신경 쓰지 않아 제 역할을 못할 가능성이 높은 20달러짜리 노즐 팁 성능에 의존하고 있다는 것이다.

일부 성형업체들은 곡면 결합 불량 문제가 빈번하자, 이를 극복하기 위해 스프루 부싱에 3/4인치 곡면을 주고, 1/2인치 곡면을 지닌 노즐 팁과 결합시키는 방법을 쓰기도 한다. 이는 지나치게 과격한 방법으로, 다소 위험하게까지 여겨진다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 캐리지 압력 전체가 스프루 부싱 오리피스의 날카로운 가장자리에 가해지고, 이것이 호빙(hob) 또는 롤오버(roll over)를 일으킬 수 있다. 여러 가지 성형 상의 문제 또한 발생할 수 있다.

접촉 곡면 불일치를 바로잡는 보다 정교한 방법은 사출기 노즐 팁을 0.496 인치의 구형 곡면(spherical radius)으로 연마해주거나, 스프루 부싱 노즐시트를 0.505인치로 방전가공(EDM)하는 방법을 들 수 있다. 이 가운데 스프루 부싱 노즐시트를 방전가공하는 방법을 더 권장한다.  EDM 혹은 스티플 마감(stipple finish)이 결합되는 두 부품 간의 차단효과를 향상시켜주기 때문이다. 하지만 사출기 노즐 팁을 가볍게 샌드블라스팅(sand blast) 해도 동일한 결과를 얻을 수 있다.

어떤 방법을 선택하든 거친 표면 마감을 통해 얻을 수 있는 또 다른 이점이 있다. 두 부품이 결합되도록 캐리지를 전진시켜본다. 그런 다음 캐리지를 다시 후퇴시켜 거친 질감으로 마감한 표면을 면밀히 검사해보라. 거칠게 마감한 표면에 압력이 가해지면 캐리지가 금형에 제대로 정렬되거나 잘못 정렬됐는지 여부를 그림 3에서 보는 바와 같이 육안으로 확인할 수 있다.

콜드러너 금형은 스프루가 달라붙는 것을 방지하기 위해 스프루 부싱 오리피스보다 1/32인치 작은 사출기 노즐 팁 오리피스를 쓰라는 것이 사출업계에서 일반적으로 통용되는 경험칙이다. 이는 대부분의 콜드러너 금형에서는 문제가 없지만, 핫러너 금형에서는 대단히 문제가 될 수 있다.

핫러너 금형의 경우, 노즐 팁 오리피스 크기는 스프루 부싱 오리피스보다 0.010~0.015인치 이상 작아서는 안 된다. 이 문제의 해결은 드릴 비트(drill bit)와 리머(reamer, 확공기)만 있으면 된다. 드릴 비트로 원하는 지름을 만들고 리머는 노즐 팁의 후면으로 삽입해 랜드의 직선 길이를 이상적 수준인 오리피스 지름 3분의 1이하로 줄이는 데 사용한다. 노즐 팁 리밍 시에는 노즐 바디에 닿는 팁 뒤쪽의 개방부가 1/2인치 이상으로 확대되지 않도록 주의해야 한다.

이와 같은 방법으로 변형한 노즐 팁에 금형 번호를 새겨 넣는다. 7/8-인치-14 너트를 구해 금형 상단에 가용접(tack weld)한다. 생산 공정이 끝나면, 배럴에서 노즐 팁을 제거해 이 가용접한 너트에 조여 결합해 둔다. 이렇게 하면 완벽한 사이즈의 노즐 팁을 다음 번 성형 공정에 대비해 금형과 함께 보관할 수 있다.

노즐 팁은 값이 저렴하다. 금형마다 최적화된 사이즈의 팁을 만들어 사용하지 않는 까닭을 필자는 이해할 수 없다. 매 번의 공정마다 동일한 결과를 얻고자 한다면 정확히 동일한 종류 및 사이즈의 노즐 팁을 사용해야 한다.

필자의 몸무게는 약 200파운드고, 신발 사이즈는 9.5인치다. 만일 필자가 귀하에게 엎드리라고 하고 등 위에 올라선다면, 아마 대뜸 화를 내며 내게 욕을 퍼부을 것이다. 하지만 내 몸무게의 반 정도인 몸집이 작은 여성이 등에 올라간다면 당신이 등에 느끼는 고통이 훨씬 적을 것이다. 하지만 그렇게 가벼운 몸무게의 여성이 한 변의 길이가 1/4인치 밖에 안되는 작고 높은 사각형 힐을 신고 한쪽 발로만 등 위에 선다면, 당신은 바로 병원으로 직행해야 할 것이다. 왜 그럴까? 압력=힘/면적(P=F/A)이기 때문이다. 이 수학 공식을 기억하는 쉬운 방법은 PSI(압력 단위)=P/SI이다. 이는 평방인치 당 파운드(무게)를 나타내며, 파운드를 평방인치(면적)로 나눈 것과 같다. 매우 간단하다. 간단한 셈을 해보자.

이 여성의 체중 100 파운드를 1/4×1/4인치의 힐 면적으로 나누면, 무려 1600psi의 압력이 나온다. 그러면 이것이 원료 누출과 무슨 관련이 있을까? 대부분의 사출성형기는 유압 실린더 또는 스프링 팩(spring pack. 벨빌(Bellville) 와셔 스택)을 사용해 사출 캐리지를 스프루 부싱으로 강하게 밀어 밀착시킨다. 이것이 노즐 접촉력이다.

그런데 필자가 극히 염려하는 것은 사출기 제조업체들은 사출기의 최대 사출압력에 비례하는 노즐 접촉력을 사용해야 하는데, 사출기의 사출 캐리지 무게에 비례하는 노즐 접촉력을 사용하는 것으로 보인다. 소형 사출기는 통상적으로 더 높은 사출압력 성능을 갖지만, 노즐 접촉력이 매우 낮다.

특히 전동식 사출기의 경우 그렇다. 원료를 사출하는 압력을 견딜 수 있을 만큼 노즐 접촉력이 충분치 않으면 사출 캐리지가 뒤로 밀려나면서 원료 누출이 발생해 돼지머리라고 부르는 보기 흉한 커다란 플라스틱 덩어리가 생길 수 있다. 

샷 사이즈가 너무 크거나 게이트가 오염 물질 또는 히터 고장으로 인해 막히거나 응결된 경우에도 스크류는 수지 이송 위치에 도달할 때까지 자신이 해야 할 모든 작업을 계속한다. 이송 위치 이전에 막힌 지점에 부딪히게 되면 피크 압력이 급등해, 만일의 사고를 막아주도록 설정된 힘을 넘어서는 일이 종종 발생한다.

공정 압력에 제한을 두는 것도 좋지 않지만 가용 사출압력을 최대로 높이는 것도 바람직한 일이 아니다. 그로 인해 원료 누출 가능성이 훨씬 높아지기 때문이다. 갈 곳을 찾지 못한 과도한 양의 원료는 압축되거나 빠져나갈 곳을 찾게 된다. 파팅라인으로 플래시가 되어 나가거나, 핫러너가 맞물리는 차단 면 어디론가 누출되면서 사출 캐리지를 뒤로 밀어내고 스프루 부싱으로 빠져나갈 수 있다.

파팅라인 플래싱이나 매니폴드의 수지 누출 발생에 대해선 할 수 있는 일이 많지 않지만, 원료가 캐리지를 뒤로 밀쳐낼 확률은 쉽게 줄일 수 있다. 사출기의 노즐 접촉력은 일반적으로 일정하게 고정된 값을 지니고 있다. 늘리거나 줄일 수 없지만 사출기 노즐 팁과 스프루 부싱 사이의 접촉 면적은 줄일 수 있다.

앞서 살펴본 예에서와 같이 접촉 면적을 줄이면 유지 압력이 올라간다. 금형의 파팅라인에 릴리프를 줌으로써 클램프 압력을 높여 플래시를 방지하는 것과 같은 원리다(핫러너든 콜드러너든). 금형에 1/2인치 이하의 스프루 오리피스가 있으면, 스프루 부싱 또는 노즐 팁에 3/4인치 곡면을 사용할 필요가 없다. 그렇게 하면 기대와는 반대로 실은 원료 누출 가능성이 높아진다. 이렇게 ‘버섯’처럼 큰 머리를 가진 노즐 팁을 사용하면 오히려 문제를 만드는 꼴이 된다.

노즐 팁과 스프루 부싱 사이의 접촉 면적을 줄이는 효과와 동일한 두 가지 방법이 있다. 노즐 팁의 작은 부분의 외경을 줄이거나, 그림 4에서 보는 바와 같이 스프루 부싱 노즐시트의 0.1875인치 깊이를 줄여주는 것이다. 노즐 팁을 금형과 함께 적절히 보관한다는 전제 하에 노즐 팁 지름을 줄이는 방법을 선호한다. 스프루 부싱의 깊이를 줄이면 이를 다시 늘리기 위해서 노즐시트를 다시 가공해야 하기 때문이다.

일반적인 사출기 노즐 팁의 육각 면은 0.875 인치 떨어져 있다. 1/2인치 반경 곡면을 지닌 스프루 부싱 끝에 있는 노즐 시트의 최대 직경의 현 길이(chord length)는 0.781인치다. 따라서 표준 노즐 팁은 그림 5에서 볼 수 있듯 이미 노즐시트를 넘어 한 측면 당 약 0.050인치씩 나아가 있는 것이다. 캐리지 뒤로 밀림 문제가 발생하는 경우 노즐 팁의 지름을 0.781인치 보다 작게 줄여보라.

핫러너 스프루 부싱 오리피스 지름이 1/2인치이고, 캐리지의 뒤로 밀림 문제가 있다고 가정해보자. 사출기 노즐 팁 뒤쪽의 개구부의 표준 크기 또한 1/2인치다. 범용 노즐 팁을 0.484인치 깊이로 드릴링하고, 보어를 연마해 그 안에 방금 생성된 작은 계단을 없애준다. 노즐 팁 뒤쪽의 1/2인치 개구부 사이즈를 더 크게 만들지 않도록 주의해야 한다.

이제 노즐 팁 앞쪽의 외경에 릴리프를 주면, 그림 6과 같이 접촉 면적이 줄어들고, 그 결과 노즐 접촉력이 증가하게 된다. 지름을 0.781인치 현 길이 미만으로 얼마나 줄여줄 것인가의 판단은 캐리지 뒤로 밀림을 극복하기 위해 얼마나 큰 힘이 필요한가 그리고 그림 6에서 ‘X’로 표시된 나머지 벽 부위의 강도를 어느 정도까지 유지할 것인가 사이에서 적정 지점을 찾아야 한다. 더불어 유념해야 할 것은 수지 이송 시점에서 안쪽 모서리에 응력 상승이 발생하지 않도록 곡면 반경 R을 만들어 주어야 한다는 점이다.

필자가 이 컬럼을 통해 제안하고 있는 방법들을 처음 들어보았다거나 유별난 것이라고 생각한다면, 위의 그림 7을 보라. 이것은 1947년에 사용한 사출기 노즐 팁의 도면이다. 캐리지 뒤로 밀림과 돼지머리 문제를 예방하기 위해 좁은 구형 곡면과 외경 릴리프 처리를 한 것을 볼 수 있다.

70년 이상 된 설계지만 오늘날 우리 업계에서 유통되고 있는 그 어떤 유형의 노즐 팁보다 우수한 설계다. 이제는 실수하면서 배울 것이 아니라, 이미 문제를 해결했던 이들로부터 배워 나가야 한다.

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