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제목 성형 공정의 다양한 문제 예방을 위한 스프루풀러 ②
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2018/08/05 08:49

성형 공정의 다양한 문제 예방을 위한 스프루풀러 ②


스프루풀러(sprue puller)에서 없어서는 안 될 기능은 머신 노즐 팁에 생기는 응고된 수지를 가두는 콜드웰(cold well) 역할이다. 스프루풀러는 용융수지 전달시스템에서 유일하고 가장 중요한 효과적인 콜드웰이다.

매 번 성형 사이클이 시작되는 시점에, 응고되거나 반(半) 응고된 소량의 수지가 머신 노즐 팁에 남게 된다. 이 같이 수지가 굳는 것은 노즐팁이 차가운 스프루 부싱의 표면과 접촉하면서 열을 빼앗기기 때문이다.


응고된 수지의 양은 여러가지 요인에 따라 달라진다. 머신 노즐 팁의 종류와 오리피스 사이즈, 성형에 사용하는 수지에 따라 그 양이 달라진다.


아래의 사진을 통해 성형된 스프루 팁에 응고된 원료가 딸려나온 경우와 그렇지 않은 경우를 볼 수 있다. 이 스프루들은 단지 몇 분 간격으로 만들어진 것으로 응고된 수지 크기가 숏마다 크게 차이가 날 수 있음을 보여준다.


응고되거나 반(半) 응고된 수지가 스프루 팁에 딸려나오지 않았다면 머신노즐 팁 안에 아직 자리잡고 있다가 다음 번 숏에서 융융수지와 함께 금형 안으로 주입되어 들어가게 된다. 그렇지 않고 머신 노즐팁 안에서 완전히 굳어버린 경우를 콜드슬러그(cold slug)라 한다.


대개 콜드슬러그는 스크류가 응고된 수지 덩어리를 노즐팁 바깥으로 밀어내는 과정에서 1차 사출압력의 급격한 상승을 초래한다. 바로 이 부분에서 스프루풀러의 역할이 필요하다. 머신 노즐 팁 안의 응고되거나 반(半) 응고된 수지를 가두어 잡아주는 콜드웰의 역할을 해야 하는 것이다.


“콜드웰(cold well)” 용어는 보통 러너가 다른 러너와 교차되는 지점에 확장되어 주어진 공간을 이르며, 오버플로우(overflow)라고도 한다. 명칭과 상관 없이, 이곳의 역할은 캐비티 안으로 응고되거나 반(半) 응고된 수지가 유입되는 것을 막는 것이다.


SPE(Society of Plastics Engineers) ANTEC 2002에서 The Behrend College at Pennsylvania State University의 Patrick Auell씨와 Brian Martonic씨는 용융수지 채널 앞에 위치한 완전히 응고된 수지 덩어리가 뒤쪽에서 용융수지가 밀고 들어와도 수지 앞부분에 응고된 채로 남아있게 됨을 증명하는 논문을 발표한 바 있다.


즉 문제가 될 수 있는 게이트 지점에 다다를 때까지 다시 용융되지 않는다는 것이다. 열가소성플라스틱 원료가 유동하는 전형적인 방식인 “분수유동(fountain flow)” 때문에 용융수지 채널 측면 벽에 침전되지도 않는다는 것이다.


두 사람은 또한 스프루부싱의 바로 맞은편에 스프루풀러/콜드웰을 두면 이 응고된 수지를 잡아두는 데 매우 큰 효과를 볼 수 있음을 입증했다. 스프루풀러가 응고된 수지를 잡아두지 않으면 다른 캐비티들에 유동의 불균형이 초래될 수 있다. 최악의 경우 응고된 수지가 게이트를 완전히 막아버릴 수도 있다.


따라서 스프루풀러는 용융수지 전달 시스템에서 유일하고도 가장 중요한 효과적인 콜드웰인 것이다. 많은 성형전문가들이 늘 이 사실을 막연한 추측으로만 주장해 왔지만, 이 두 사람은 한걸음 더 들어가 실제 현상을 증명해 보였다는 점에서 박수를 받아야 한다.


머신노즐 팁 안의 수지는 완전히 응고된 상태에서 완전히 용융된 상태로 바뀌지 않는다. 이 두 상태 사이에 수지가 반(半) 응고된 채로 존재하는 구간이 있다. 이 반정도 응고된 수지 양은 아주 적을 수도 있고, 아주 많을 수도 있다. 유동에 문제를 일으킬 수도 있고, 전혀 아무런 해가 되지 않을 수도 있다. 확실이 알 수 있는 방법은 없다. 사용하는 금형마다 다르기 때문이다.


이것이 왜 중요한 것일까? 스푸루풀러의 부피는 머신 노즐팁 안의 응고되거나 반(半) 응고된 수지의 양과 직접적인 상관관계를 갖기 때문이다. 성형품에 외관상의 문제나 물리적 불량을 일으킬 수 있는 이 같은 수지를 스프루풀러가 모두 잡아준다면 가장 이상적일 것이다.


스프루풀러의 지름은 1차 러너의 지름이나 파팅라인에 있는 스프루의 지름과는 아무런 상관이 없다. 스프루풀러의 지름과 깊이는 머신 노즐팁의 오리피스 사이즈 및 유형에 따라 정해져야 한다. 스프루풀러를 너무 크지도 작지도 않게 만드는 것이 목표임에 유의해야 한다.


양 쪽의 경우 모두 부정적인 효과를 낳을 수 있기 때문이다. 스프루풀러가 너무 작으면 응고되거나 반(半) 응고된 상태의 원료를 다 잡아낼 수 없게 된다. 반면 스프루풀러가 너무 크면 원하는 사이클타임을 맞출 수 있을 만큼 신속하게 굳지 않을 수도 (즉, 냉각이 더딜 수도) 있다.


필자는 스프루부싱 오리피스 지름의 1~1.5배 정도로 스프루풀러의 지름과 깊이를 맞추는 것으로 시작하기를 권하고 싶다. 이렇게 하면 대개 소량의 응고된 수지를 처리하는데 문제가 없다.


새 금형에서 처음으로 샘플을 성형할 때, 다른 스프루들은 슬러그가 작거나 전혀 딸려 나오지 않는데 반(半) 응고된 커다란 슬러그를 달고 나오는 스프루가 있는지 확인해 보아야 한다.


이런 경우에는 스프루풀러를 더 깊게 해주어 부피를 늘려주어야 한다. 너비를 늘려서는 안 된다. (유의사항: 금형을 설계할 때 풀러의 부피를 늘리기 위해 이젝터 핀 길이를 줄여주어야 할 때는, 스프루풀러 이젝터 핀의 베어링 길이를 늘려주어야 한다.)


스프루풀러는 핫 스프루부싱 또는 핫러너 노즐을 사용하는 대부분의 2형판 금형에 필요하다. (핫러너 노즐이 밸브게이트 타입인 경우 제외.) 여기서 스프루풀러와 러너 같이 뜨겁게 가열된 부분들에도 캐비티로 유입되기 전에 잡아내야 하는 응고되거나 반(半) 응고된 수지가 생긴다.


대개 이런 스프루풀러의 부피는 훨씬 작게 만들어주어도 된다. 노즐팁 오리피스 사이즈가 통상의 콜드러너 금형보다 훨씬 작기 때문이다. “스프루게이트” 스타일의 핫노즐 팁은 보통 콜드러너 게이팅에 사용된다.


이 경우에는 콜드스프루의 크기가 작다. 보통 1인치 미만으로 아주 짧지만, 이를 빼내려면 역시 풀러가 필요하다. 풀러 디자인은 언더컷(undercut)의 양을 훨씬 적게 주어도 된다. 스프루를 붙잡아두는 힘이 훨씬 낮기 때문이다.


때로는 이런 유형의 노즐팁은 성형품으로 곧바로 게이팅하는 경우도 있다. 특히 싱글 캐비티 금형인 경우 그런 방식을 사용한다. 이는 스프루부싱이 성형품과 바로 인접해 있는 콜드러너 금형 같은 조건이랄 수 있다.


두 경우 모두 성형품 자체가 스프루풀러의 역할을 한다. 하지만 이 경우에도 양쪽 다 응고되거나 반(半) 응고된 원료를 붙잡을 수 있는 방법이 있어야 한다.

스프루풀러가 달린 핫스프루 게이트
“포인트 게이트(point-gate)” 스타일 핫노즐 팁은 콜드스프루 부분이 없다. 하지만 여기에도 소량이지만 잡아주어야만 하는 응고되거나 반(半) 응고된 수지 덩어리가 생긴다. 대개 이런 타입의 노즐 팁은 성형품에 곧바로 연결되는 게이트를 설치할 때 사용된다.


이런 경우, 가능하다면 노즐 오리피스의 바로 맞은편 코어 위에 콜드웰 비슷한 것을 만들어주는 것이 좋다. 이런 콜드웰은 생김새나 그 역할에서 사출 중 코어 윗부분에 강하게 부딪치는 뜨거운 용융수지가 만들어내는 전단(shear) 양을 줄여주는 “분산판(dispersion disc)” 비슷한 경우가 많다. 분산판이 무엇인지 잘 모른다면, 거의 모든 물병 뚜껑 안쪽에서 찾아볼 수 있는 둥그런 돌기를 생각하면 된다.


이제 몇 가지 사항들을 다루어보자. 첫 번째는 스트리퍼판(stripper-plate) 즉 금형 코어에서 성형품을 밀어내 주는 압력판이 있는 금형의 경우다. 분명히 이런 유형 이형 방식에서도 역시 부싱에서 스프루를 끌어 내줄 방법과 곧거나 반(半) 응고된 수지를 잡아줄 방법이 필요하다.


그림에서 보는 스트리퍼판 금형용 스프루풀러 디자인에서 그 예를 볼 수 있다. 원뿔형 또는 구형 웰이 응고된 원료를 잡아주고, 중앙에 자리잡은 막대사탕 모양의 서커핀(sucker pin)이 스프루를 부싱에서 잡아당겨 빼주는데 필요한 힘을 만들어준다.


스트리퍼판이 앞으로 나오면, 서커핀은 웰에서 후퇴하고 중력의 작용으로 스트리퍼판 밖으로 빠져나온다. 이런 경우에는 길이가 긴 콜드 스프루가 무게 중심이 변하기 때문에 이점이 있다. 러너가 파팅라인 수직으로 미끄러져 들어가는 것을 막을 수 있기 때문에 러너가 “흔들리며” 스트리퍼판 밖으로 빠져나오는데 도움이 되는 것이다.


그러나 모든 막대사탕 모양의 핀 디자인에는 한 가지 단점이 있다. 언더컷이 시간이 지나며 마모된다. 특히 베릴륨구리(beryllium copper) 소재 핀의 경우 마모가 쉽게 발생하며, 핀이 제 기능을 하고 있는지 지속적으로 살펴보아야 한다.


만일 패밀리 금형을 사용하고 있거나 사정이 있어 러너 중 하나를 잠가야 하는 경우라면, EDM을 사용해 사용하지 않는 스프루풀러 위쪽을 육각형으로 만들어 주는 것도 좋은 방법이다. 사용하지 않게 잠근 러너가 회전하지 않도록 다월핀(dowel pin) 즉 평행 금형핀이나 나사못, 볼디텐트(ball detent) 즉 볼고정 방식의 멈춤쇠 또는 기타의 고정장치를 더해주는 것을 잊지 말아야 한다.


스프루풀러의 지름이 크고, 금형의 사이클타임이 그에 비해 상대적으로 짧고, 풀러 부근의 냉각이 다소 떨어지는 경우일수록, 스프루풀러의 형태가 그리 온전하지 않을 가능성이 크다.


이 같은 조건들을 보정하기 위해 사이클타임을 늘리는 대신, 스프루풀러를 러너와 연결해주는 거싯판(gussets)을 덧대는 것도 시도해 볼만하다. 러너의 어떤 부위든 거싯판(gussets)을 덧대어주면 이형 중에 러너가 회전하는 것을 예방할 수 있다. 이는 간단하지만 많은 경우에 도움이 되는 방법으로, 로봇을 사용한 취출 시에 특히 효과적이다. 그러나 드물게는 역효과를 내는 경우도 있다.


반대편 캠의 분할선(split line) 쪽에 게이트를 만들어주는 경우라면, 스프루풀러를 사용해 스프루를 잡아빼낼 필요는 없을 수도 있지만, 스프루풀러의 콜드웰 기능은 여전히 필요하다. 그런 경우 러너와 스프루풀러의 예를 첨부한 사진을 보여준다. 스프루풀러 아래쪽 측면에 끝이 좁아지는 모양의 이젝터 핀이 달려있는 점에 유의하라.


이 핀은 러너가 캠의 어느 안쪽 측면에 달라붙지 않도록 해준다. 또한 러너가 돌아갈 수 있도록 해주는데, 이런 구조의 게이팅에서는 서브게이트가 캠 앞면에 부딪쳐 파손되는 것을 막아준다.

사이클타임을 줄이는 방법
성형품이 이형되도 좋은 시점에 스프루풀러는 제 기능을 할 수 있을 만큼은 충분히 굳어져 있어야 한다. 스프루풀러가 이형에 적합하게 되는 시점이 아니라는 점에 주의하라. 이를 혼동하면 사이클타임이 불필요하게 늘어나게 되고, 이는 성형품 제작 원가가 오르고 사출기 가용률이 떨어지는 결과를 낳는다.


열가소성플라스틱 소재의 단열 특성 때문에 성형품의 두께를 두 배로 하면, 성형품이 응고되는 데는 두 배 이상의 시간이 든다. 이는 열가소성플라스틱의 응고 속도가 비선형으로 변화하기 때문이다. 이런 까닭으로 스프루풀러가 사이클타임을 길게 만드는 원인이 되는 경우가 흔하다.


사이클타임을 줄이는 가장 효과적인 방법은 스프루풀러 가운데를 비워주는 것이다. 필자는 풀러의 이젝터 핀으로 스프루풀러의 가운데를 비도록 만든 경우를 몇 번 본 적이 있다. 이는 그리 좋은 방법이 아니다. 특히 역(逆)테이퍼링 즉 아래로 갈수록 굵어지는 디자인의 스프루풀러에는 좋지 않다.


설사 이젝터 핀 끝이 좁게 데이퍼링되어 있다 해도, 풀러를 핀에서 떨어지게 만들기 위해 또 한 번 이젝터를 작동시켜주어야 하는 경우가 대부분이다. 하지만 보다 중요한 문제는 길게 나온 이젝터 핀이 언더컷과 핀 사이의 벽두께를 얇게 만든다는 것이다. 이렇게 되면 이형 과정에서 언더컷은 벽두께가 더 단단했을 때만큼 힘을 받지 못한다.


그 결과로 대개 균열과 박리가 초래된다. 스프루풀러의 중심을 비우는 더 나은 방법은 고정식 코어핀을 사용하고, 슬리브를 사용해 풀러를 이젝트하는 것이다. 필자는 냉각 속도를 높이기 위해 베릴륨구리를 소재로 코어 핀을 만들기를 권한다.


풀러의 언더컷 각도보다 테이퍼링된 코어 핀의 각도를 크거나 같게 만들어주면, 슬리브가 앞으로 전진할 때 코어 핀이 그 자리에 없기 때문에 힘을 받은 언더컷이 안쪽으로 눌려 들어갈 수 있게 된다.


스프루풀러의 중심을 비우는 것은 매우 효과가 큰 방법이지만, 그렇다고 해서 풀러의 냉각에 신경을 쓰지 않아도 된다는 뜻은 아니다. 여전히 냉각수 채널을 가까운 곳에 만들어 주는 원칙을 지켜야 한다.


스프루풀러 부싱에 냉각수 채널을 설치하는 것 까지는 지나친 방법일 수도 있고, 비현실적인 처방이 될 것이다. 이상적인 것은 별도의 냉각수 회로를 스프루풀러 부근에 만들어 주는 것이다. 캐비티와 코어 냉각에는 보통 24℃ 정도의 냉각수를 쓰지만, 사이클타임이 길어지지 않도록 하기 위해 스프루풀러의 냉각에는 낮은 온도의 물을 사용할 수도 있을 것이다.


10초 혹은 그 이하의 사이클타임을 갖는 금형 그리고 여러 차례의 이젝터 동작이 필요한 금형에서는 냉각이 특히 중요하다. 어째서일까? 빠른 사이클에 이젝터가 여러 차례 작동하는 금형에서는 이젝터 핀과 슬리브가 훨씬 더 뜨거워지기 때문이다.


금속은 뜨거워지면 팽창한다. 공정에서 발생한 밀도 높은 가스 잔유물이 금속 표면을 덮고 있는 경우라면, 강철이 마찰되면서 나오는 날카로운 소음 또는 가동측 판 즉 이젝터 금형(B판) 뒤쪽에 핀이 쿵하고 부딪치는 소리를 듣게될지도 모른다.


성형품의 냉각에는 엄청나게 신경을 쓰면서 금형 안에서 가장 뚜꺼운 플라스틱 덩어리들인 스프루, 러너, 스프루러너 등에 대해서는 전혀 주의를 기울이지 않는 관행을 보면 놀라울 따름이다. 만일 이상에서 설명한 설계상의 개선작업들이 굳이 비용을 들여 실천에 옮길만한 가치가 있는지 의심스럽다면, 왜 이것이 필요한지를 확인할 수 있는 간단한 방법이 있다.


공장에서 가동하고 있는 사출기에서(한 사람의 작업자 별로) 초 당 생산량을 돈으로 환산하고 이를 1년 동안 사출기에서 작업하는 숏 숫자를 곱하고, 여기다가 이런 개선을 통해 단축할 수 있다고 생각되는 초 단위 시간을 곱해보시라.


그래도 금형 디자인 개선을 위한 약간의 추가 투자가 납득이 되지 않는다면, 연간 금형 수리 비용으로 얼마가 나가고 있는지 따져보길 바란다. 금형의 설계를 조금만 개선해도 많은 경우 수리 횟수를 줄이거나 수리 자체를 피할 수 있다는 점을 알게 될 것이다.

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