기술강좌
 
홈으로로그인회원가입사이트맵이메일
 
HOME 기술강좌 사출성형
전시회 일정
국내전시일정
해외전시일정(상반기)
해외전시일정(하반기)
관련링크
관련협회
연구소
관련도서
관련 채용정보

Since 1991

제목 외관 공정 윈도우: 조정이 필요 없는 완건한 공정을 위한 열쇠
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/11/02 17:24

외관 공정 윈도우: 조정이 필요 없는 완건한 공정을 위한 열쇠 

가능한 가장 넓은 외관 윈도우를 지닌 공정을 확립하면 자동차를 크루즈 컨트롤로 주행하듯 사출성형을 진행할 수 있다완건한 공정, 불량 제로, 검사량 줄이기 및 공정의 조정 불필요성을 달성하기 위한 중요한 첫 걸음은 CPW의 넓이라고 할 수 있다.

 

사출기에 처음 장착한 금형으로 이제 막 사출성형을 마쳐, 최초로 나온 성형품 샘플을 치수 검증을 위해 품질검수 담당자에게 제출했다고 해보자. 검수 담당자가 가장 먼저 하는 일이 무엇이겠는가? 곧바로 캘리퍼(Caliper)를 집어 들고 성형품 치수를 재기 시작하겠는가, 아니면 우선 성형품에 외관상의 불량이 있는지 조사해 보겠는가? 성형품이 미충전 상태이거나 플래쉬가 보인다면, 검수자는 치수를 재어 보기도 전에 샘플을 퇴짜 놓을 것이 분명하다.

이번에는 이런 가정을 해보자. 자동차를 4시간 동안 계속해서 120km 속도로 크루즈 컨트롤 모드로 놓고 가려고 한다. 절벽 가장자리에 난 좁고 구불구불한 길과 곧게 뻗은  널찍한 차선 도로 가운데 어느 쪽을 선택하겠는가? 답은 말할 필요도 없이 분명하다. 만일 절벽 가장자리에 난 길을 선택한다면, 언젠가는 낭떠러지 아래로 떨어질 가능성이 아주 크다. 이번 드라이브는 어찌어찌 무사히 갔다 해도, 앞으로 있을 여정에서도 그런 요행이 있으리라는 보장은 없다. 또 한가지 중요한 점은 절벽 위로 달리면 엄청난 스트레스를 받게 된다는 점이다. 설정해 놓은 값에서 조금의 편차만 생겨도 곧 추락을 의미하기 때문에 길 상태에 한시도 눈을 떼지 않고 차가 제대로 가고 있는지 살펴야한다.

사출성형에서도 비슷한 상황에 처하게되는 경우가 허다하다. 성형품이 3,750 psi(플라스틱 압력)의 패킹(압축) 및 보(유지) 압력에 미충전이 발생하지만, 4,000psi에서는 외관상으로 이상이 없고, 4,500psi에서는 플래쉬가 생긴다면, 외관상으로 허용되는 성형품 공정 윈도우는 매우 좁다고 말할 수 있다. 외관상으로 허용가능한 성형품을 사출성형 할 수 있는 범위를 나타내는 윈도우를 “외관 공정 윈도우(Cosmetic Process Window, CPW)”라 한다.

이 경우, 일주일 동안 10만개의 성형품을 만들어내야 하는 공정이라면, 숏 부족 상태이거나 플래쉬 불량인 성형품이 나올 가능성이 매우 높다. 따라서 성형품 검수의 빈도 또한 높아져야 한다.

안타깝게도 우리가 생각하는 것보다 “전수 검사”가 흔히 이루어지고 있다. 외관 윈도우가 좁은 공정은 마치 벼랑 끝에 난 길을 시속 120km로 차를 몰고 가는 것처럼 공정 엔지니어는 잠시도 한 눈을 팔지 못하고 지속적인 주의를 기울여야 한다. 낭떠러지 갓길을 120km로 5분 동안 별 탈 없이 달릴 수 있다고 해서 이후 4시간 동안도 그렇게 달릴 수 있다는 보장은 없다.

마찬가지로, 10개의 성형품을 성공적으로 성형했다고 해서, 100,000개의 성형품을 문제없이 만들어 낼 수 있다고 믿는 것은 거의 미신에 가깝다. 우리는 단기적인 변동과 장기적인 변화를 이해해야 한다. 성형 공정은 이같은 변동과 변화를 잡아낼 수 있을 만큼 완건해야 한다.

그림 1은 동일한 금형에서 세 가지 다른 패킹 및 보 압력으로 공정한 성형품들에서 발생한 미충전으로 싱크마크가 있는 경우, 외관상으로 허용가능한 경우, 그리고 플래쉬가 발생한 성형품을 보여준다. 이 컬럼에서 말하는 압력이란 유압 압력이 아니라 플라스틱 압력 값이다.

ABS 제조업체의 물성표가 권장하는 최고 및 최저 온도인 480°F(250°C)와 520°F(271°C)의 용융온도를 기준으로 공정 윈도우 조사를 수행했다. 480°F(250°C)에서 4,000psi 미만의 압력으로 사출한 성형품은 미충전과 싱크 마크 불량품이 나왔고, 10,000psi 보다 높은 압력으로 사출한 성형품은 플래쉬가 있는 불량품을 보였다. 4,000psi이상에서 10,000psi(포함)까지의 압력으로 사출한 경우에는 싱크 마크나 플래쉬 또는 숏 부족이 없는 성형품을 얻을 수 있었다.

동일한 연구를 520°F(271°C)에서 반복 수행했고, 이 때의 압력 한계치는 3,000psi와 9,000psi로 나타났다. 이 네 가지 데이터 포인트가 외관 공정 윈도우(CPW)를 형성하게 된다. CPW 내에서 공정한 성형품은 적어도 외관상으로는 양품이라는 말이다(그림 2). 이 조사에서 우리는 치수 문제는 고려하지 않는다.

자동차 운전 시 도로 선택과 비교했던 것을 떠올리면서 CPW를 검토해 본다면, 이 경우 우리가 선택해야 하는 성형 조건은 윈도우의 한 가운데 지점이 되야 할 것임이 분명하다. 여기서는 용융온도 500°F(260°C)와 압력 6,500psi의 지점이 된다. 이 조건으로 공정을 설정하여, 공정 윈도우를 넓게 쓰면 사출된 성형품의 외관이 항상 허용 범위 내에 들어오도록 할 수 있다. 이 설정값을 중심으로 자연적으로 발생하는 변동 및 변화 정도는 완충을 받을 수 있기 때문에 엔지니어가 개입해 별다른 조정을 가할 필요가 없다. 넓은 공정 윈도우는 완건한 공정을 위한 열쇠라 할 수 있다.

성형품의 치수 문제는 외관 윈도우에 대한 이 같은 조사를 우선적으로 완료한 후에 검토해야 한다. 성형품의 치수는 원료로 사용하는 플라스틱의 압력-부피-온도(PVT) 간의 관계를 기반으로 하는 수축 함수다. 여기서 수축은 부피와 관련이 있고, 그 부피는 압력 및 온도에 따라 달라진다. 따라서 패킹 및 보압력 그리고 용융 또는 금형온도 등이 성형품 치수에 영향을 미치는 주요 요소들이다.

치수에 영향을 미치는 몇 가지 다른 요소들이 있으나, 이는 차후 다른 기회에 다루기로 하겠다. 성형품 치수의 평가를 위해서는 실험계획(DOE) 기법을 사용한다. DOE을 위해 윈도우의 네 모서리 지점의 조건에서 각각 성형품을 사출하여, 그 성형품들의 치수를 등고선 그래프(contour plots)로 내접 직사각형 안에 표시한다.

그림 3에는 CPW 조사에서 확인된 성형품 휠의 지름이 DOE 결과로부터 그래프로 그려진다. 명목값은 1.685인치이고, 오차는 최소 0.006인치, 최대 0.009인치다. 바깥 쪽 직사각형은 CPW이고 청색 등고선들을 기반으로 그려진 내접 직사각형은 치수 공정 윈도우(DPW)다. 굵은 청색 라인은 명목값이며, 이 라인은 명목값을 지닌 성형품을 생산할 수 있는 패킹 및 보압력과 용융온도의 쌍을 반영한다.

DPW의 경우, 최저 압력과 최고 압력은 4,250과 7,250psi이고, 최저 온도는 480°F(250°C) 그리고 최고 온도는 520°F(270°C)다. 윈도우의 중심 지점은 압력 5,750psi에 온도 500°F(260°C)다. 역시 여기서도 윈도우 중앙 지점 값에 기초해 성형을 진행하면 완건한 공정을 확립할 수 있다. 이 설정값의 가로 세로 양 측면에 변동과 변화를 허용할 수 있는 충분한 여유가 있기 때문이다.

이번에는 위와 동일한 금형이지만 위에서 보다 작은 외관 공정 윈도우를 보이는 경우를 가정해 보자. 사용하는 온도와 4,000psi의 최저 압력은 여전히 동일하지만, 금형은 5,000psi 압력에서 플래쉬를 보이기 시작한다(그림 4). DPW는 CPW의 부분 집합이기 때문에, DPW는 이제 압력에 관한 한 매우 협소한 모습을 보인다(그림 5).

윈도우의 중앙 지점 압력은 4,500psi가 될 것이고, 짧은 시간 동안은 허용 가능한 성형품을 만들어 낼 수 있겠지만,

1주일 이상의 기간 동안 공정하게 되면 기계, 원료, 환경(작업자 포함)으로 인해 자연적으로 일어나게 되는 변동때문에, 숏 부족을 보이거나 최저 사양에 못 미치거나 플래쉬나 나타나는 성형품이 나올 가능성이 아주 크다.

만일 성형품이 외관상으로는 허용 가능한 수준이지만, 치수 면에서는 최저 사양에 못 미치는 경우라면, 압력을 증가하면 플래쉬가 발생할 수 있다. 이 경우 우리는 또 다시 벼랑 가장자리를 운전해 가는 꼴로, 이제 100% 전수검사가 검사를 피할 수 없게 된다.

따라서 이상의 논의 결론은 완건한 공정을 얻기 위해서는 넓은 DPW가 필요함을 보여주고 있다. DPW는 CPW의 부분 집합이므로 CPW 또한 넓어야 한다. 자연적으로 발생하는 변동은 생산 과정에서 완충을 받을 수 있다. 시간이 흐름에 따라 금형 구성 부품이 마모되고, 게이트도 닳고, 벤트가 찌그러지기 시작하고, 원료 롯트가 달라질 것이며, 성형품 품질이 변화할 수 있다. DOE에서 얻은 결과를 통해 데이터 기반의 결정을 내림으로써 공정에 변화를 가해 여전히 사양 내에 들어가는 성형품을 계속 사출해 낼 수 있다.

따라서 완건한 공정, 불량 제로, 검사량 줄이기 및 공정의 조정 불필요성을 달성하기 위한 중요한 첫 걸음은 CPW의 넓이라고 할 수 있다. 

1)동일한 금형에서 세 가지 다른 패킹 및 보압력으로 성형하자 미충전으로 싱크마크가 있는 경우, 외관상으로 허용가능한 경우, 그리고 플래쉬가 발생한 성형품이 나왔다.

2)ABS 제조업체의 데이터시트가 권장하는 최고 및 최저 온도인 480°F(250°C)와 520°F(270°C)의 용융 온도를 기준으로 공정 윈도우 조사를 수행했다. 480°F(250°C)에서 4000 psi 미만의 압력으로 사출한 성형품은 미충전과 싱크 마크 불량품이 나왔고, 10000psi 보다 높은 압력으로 사출한 성형품은 플래쉬가 있는 불량품을 보였다. 4000psi이상에서 10000psi(포함)까지의 압력으로 사출한 경우에는 싱크 마크나 플래쉬 또는 숏 부족이 없는 성형품을 얻을 수 있었다.

3)치수 공정 윈도우의 지점에서 성형을 수행하면 완건한 공정을 얻을 수 있다. 이 설정값의 가로 세로 양 측면에 변동과 변화를 허용할 수 있는 충분한 여유가 있다.

4)좁은 외관 공정 윈도우에서 만들어지는 성형품의 경우를 가정해 보자. 온도와 4,000psi의 최저 압력은 여전히 동일하지만, 금형은 5000psi 압력에서 플래쉬를 보이기 시작한다.

5)좁은 치수 공정 윈도우는 좁은 외관 공정 윈도우의 결과다.

작성자   비밀번호
19801   배럴 용량에 대한 숏 사이즈의 적정 비율 플라스틱코리아