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제목 클램프 압력과 캐비티 랜드 면적
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2018/12/29 09:42

 

플래시와 금형 손상을 막기 위해 알아야 할 것들

 

전혀 사용하지 않은 신품 투플레이트 콜드 러너 금형으로 시제품을 성형할 때 플래시가 발생한다. 성형품의 완전 충전을 위해 어느 정도의 피크 압력을 가해야 하는지도 정확히 알고 있다.

 
파팅라인이 단단하게 밀폐되도록 유지하는 데 필요한 형체력, 즉 클램프 힘(clamp force)을 알아내기 위해 이 피크 압력값을 캐비티와 러너의 면적이 모두 포함된 투사면적으로 나누었다. 계산상으로는 충분한 형체력을 가했는데, 실제 결과는 그렇지 않다.

 
이 같은 유형의 금형에는 피크 사출압력을 전체 투사면적으로 나누었기 때문에 안전을 위해 매우 충분한 힘이 들어간 상태라 더욱 당황스럽다. 실제 금형의 밀폐를 유지하는 데는 계산된 값보다 훨씬 적은 톤 수의 힘이면 충분해야 한다.

 
원료가 좁은 기계노즐 팁과 스프루부싱, 러너, 게이트 등을 통과하면서 압력이 떨어진다. 실제로는 금형을 부숴질 듯한 반발력을 지닌 투사면적이 대부분인 캐비티의 충전에는 피크 압력의 단지 일부만 사용하고 있다. 뿐만 아니라, 캐비티 내의 압력은 원료가 게이트로부터 충전 종료 마지막 지점까지 유동해 가는 동안 계속 감소한다.

 
경험 많은 성형기술자들은 성형품의 완전 성형을 위한 충전 종료지점의 플라스틱 압력은 약 3000psi정도임을 알고 있다. 그렇다면 어째서 플래시가 발생하는 것일까?

 
투사면적을 빠짐 없이 계산에 넣었는가? 짧은 순간이지만 캐비티 내 용융수지는 실린더 안의 유압유체와 같은 움직임을 보인다. 모든 방향에서, 즉 사출기의 센터라인과 나란한 방향만이 아니라 모든 방향으로 밀쳐내는 것이다.

 
캠 작동 금형을 사용하는 경우에는 캠 표면에 작동하는 사출압력 일부가 금형을 밀어 개방하려는 힘에 더해지게 되고, 이는 캠을 제자리에 있도록 고정하고 있는 굽의 팁이 금형 반대편 쪽과 맞물려 있는 경우에는 더욱 두드러진다.

 
유압식 실린더가 캠을 작동시킨다고 해도 금형이 닫혀있을 때 캠을 제자리에 고정시켜 주는 굽이 있으면, 사출력 일부는 추가의 형체력을 필요로 하게 된다. 플래시 발생을 막는 데 필요한 톤 수 계산에 이 부분이 추가돼야 하는 것이다.

 
필자는 캠 표면을 밀어내는 작용을 하는 투사면적을 구하고, 이에 고정 굽 각도의 사인(sine)을 곱하고, 다시 여기에 피크 사출압력을 곱해줬다. 아주 적은 파팅라인 투사면적을 가진 금형들이 캠 표면 위에 엄청난 양의 투사면적 때문에 플래시 불량을 보이는 경우를 많이 보았다.

 
금형에 플래시가 발생하는 데는 여러가지 가공 및 소재 관련 원인들이 있다. 이를테면, 사출속도, 배럴온도, 체류시간, 금형온도, 원료점성, 윤활제 같은 원료 첨가제 등이 있지만, 그 정도가 지나치지만 않는다면 이것들이 항시 플래시 발생의 주범이 되는 것은 아니다.

 

 
이 칼럼에서는 성형기와 금형에 초점을 맞출 예정이다. 이 두 가지가 클램핑 압력(형체력) 그리고 금형의 플래시 발생과 관련이 있기 때문이다. 사출성형기의 시간당 속도는 형체력 톤 수에 기초하고 있기 때문에 가능하면 가장 작은 사출기에서 금형을 작동시키는 것이 이상적이다. 어떤 금형들은 물리적 크기 또는 요구되는 숏 사이즈 때문에 작은 사출기에 장착할 수 없다. 하지만, 많은 경우에는 가능하다.

 
우선, 사출성형기의 유압식 피스톤 혹은 토클 구조는 타이바(tiebars)로 묶어주지 않으면 금형에 힘을 가할 수가 없다는 점을 알아야 한다. 마치 나사가 들어간 볼트처럼 타이바도 장력이 가해지면 늘어난다. 이런 현상은 클램프가 금형에 힘을 가해 시스템 압력이 높이 올라가면서 발생한다.

 
타이바가 각각 0.002인치 이내 범위에서 균일하게 늘어나지 않으면, 금형에 고르지 않은 부하를 가하게 된다. 그렇게 되면 타이바와 형판, 금형에 손상이 초래될 뿐 아니라 성형품에 플래시가 발생한다.

 
금형의 양쪽 하프를 정렬만 시키는 데 사용가능한 형체력의 10% 또는 그 이상이 들어갈 수 있다는 말을 어디선가 읽은 적이 있다. 마모된 형판, 마모된 타이바 부싱, 제대로 조절되지 않는 가동측 형판 지지발, 수평이 맞지 않는 사출기, 고르지 않은 타이바 등은 금형의 양쪽 하프가 나란하지 못한 원인이 된다.

 
이는 금형이 사출기 크기보다 무거울 때 특히 그렇다. 심한 경우에는 가동측 형판이 금형이 닫힐 때 리더 핀이 자기 부싱에 가볍게 부딪힐 만큼 큰 각도로 기울어질 수도 있다. 따라서 금형 양쪽 하프를 정렬하는 데 상당한 힘이 들어간다는 것이 말이 된다.

 
금형 사이즈가 상당히 크고, (대개 성형품이 들러붙지 않도록 하기 위해) 사출 측과 이젝션 측에 각기 다른 냉각온도를 사용하고 있는 경우라면, 서로 맞물리는 부위가 금형이 제대로 닫히는 데 방해가 될 수 있다. 금형 양쪽 하프의 다른 열팽창이 서로 맞물리는 부위가 어긋나도록 하는 것이다.

 
금형을 닫으면서 클램프는 양쪽 하프를 재정렬하고자 시도할 것이고, 이때 힘이 들어가게 된다. 예를 들어, 서로 맞물리는 부위가 24인치 떨어져 있고 한쪽 금형 하프와 다른 쪽 하프의 온도차(ΔT)가 40°F라고 해보자:

 

 
원뿔형 맞물림 부위는 온도 차에 의해 정열불량 문제가 쉽게 발생하고, 특히 볼트로 고정해 놓았을 때에 그 정도가 더 심하다. 막대기형 맞물림 장치가 열 팽창과 수축을 허용하지 않는 방향으로 설치되어 있는 경우는 그보다 더 심하다.

 
사출기나 공정 파라미터 또는 소재 자체가 플래시 불량의 원인이 아니라면, 그 다음에 해야 할 일은 프레스 내부 금형에 ‘Engineer’s Blue(엔지니어즈 블루)’를 발라주는 것이다. Engineer’s Blue는 프러시안 블루 염료와 그리스 같은 기름성분을 혼합한 것으로, 무독성에 절대 마르지 않는 진한 푸른색이다.

 
Engineer’s Blue는 Machinist’s Blue(머시니스트즈블루), Scraping Blue(스크래핑 블루), High Spot Blue(하이스팟 블루), 또는 기술적으로는 정확하지 않은 표현이지만, Prussian Blue(프러시안 블루) 혹은 간단히 Blue(블루)라고 부르기도 한다. 하지만 Engineer’s Blue를 금속판 표면에 도포해 재단을 위한 레이아웃 작업을 하는 Layout Blue(레이아웃 블루)와 혼동하지 않도록 유의해야 한다.

 
Layout Blue는 프러시안 블루와 변성알콜을 혼합한 제품으로 금속 표면에 빠르게 건조되는 막을 형성하여 판 위에 레이아웃 작업을 하거나 선을 새기거나 절삭할 부품 모양을 그려 넣는 용도로 사용된다. 금형제작자들은 금형 제작의 마지막 조립 및 ‘피팅(fitting)’ 단계에서 반드시 금형에 Engineer’s Blue를 발라준다. 그 목적은 금형의 차단성을 확인하기 위한 것으로, 보통 짧은 모를 가진 브러시로 Engineer’s Blue를 칠해준다. 필자는 개인적으로 화장솔로 많이 사용되는 미세한 발포구조의 스펀지를 선호한다.

 

 
캐비티 가장자리, 스프루부싱 표면, 리턴 핀(return pin) 상단, 차단이 이루어져야 하는 모든 표면, 서로 맞물리는 부위의 측면(캐비티의 일부 또는 별도의 구성부품), 캠의 표면과 굽 그리고 특히 금형 네 모서리 등에 꼼꼼하게 얇은 막으로 발라준다.

 
Engineer’s Blue의 도포가 끝나면 금형을 작업대 위에 또는 ‘스포팅 프레스(spotting press)’에 넣고 압력을 가한 다음, 금형을 열어 꼼꼼하게 살펴본다. 금형의 맞은편 하프와 접촉이 없는 영역은 원래의 Engineer’s Blue의 푸른 막이 그대로 있을 것이다. 반대편 하프와 완전히 접촉된 영역에는 양쪽 하프에 푸른 막이 짓눌려 없어져 거의 보이지 않게 된다. 이 두 상태 말고도 군데군데 푸른 자국이 남아 있는 곳도 있을 수 있다.

 
(주의: Engineer’s Blue를 금형에 바를 때는 라텍스 고무장갑을 끼고 작업할 것을 권한다. Engineer’s Blue는 잘 씻겨 나가지 않는다. 금형 세척제나, 아세톤 및 기타 솔벤트를 사용해야 씻어낼 수 있는데, 당연히 피부에 매우 좋지 않다. 씻어내기 쉬운 수용성 제품도 있지만, 유성 타입만큼 효과적이지 않은 것 같다.)

 
금형을 성형기에 장착하면 작업대나 스포팅 프레스에서는 나타나지 않던 몇 가지 다른 변수들이 생길 수 있다. 가장 먼저 해야 할 일은 금형 하프들을 정렬하는 데 필요한 힘의 톤 수를 확인하는 것이다. 두 번째로는 캐비티 둘의 영역을 주의 깊게 살펴 이들이 지나치게 세게 부딪쳐 작은 사출기에서 플래시 없이 작동하는 데 필요한 형체력을 빼앗지 않는지 확인해야 한다.

 
사출기의 형체력을 아주 낮게 맞출 수 있다면, 최고 형체력의 5%만 사용해 금형을 닫는다. 그다음 금형을 개방해서 푸른 막의 상태를 확인한다. 캐비티 가장자리에 균일하게 눌린 자국이 나오지 않으면, 그렇게 될 때까지 압력을 높여가며 이 과정을 반복한다.

 
그 시점의 톤 수가 금형 하프들을 바로 정렬하는데 필요한 톤 수로, 플래시를 막기 위해 사용가능한 톤 수 계산을 위해 전체 형체력에서 이 톤 수를 빼줘야 한다.

 

 
어떤 이들은 캐비티 가장자리에 종이를 놓고 이 테스트를 하라고 권하기도 하지만, 필자는 Engineer’s Blue 사용을 권한다. 종이 한 장의 두께는 0.0035인치에 불과하지만, 이렇게 사소한 두께조차도 잘못된 실험 결과를 초래할 수 있다.

 
또 어떤 이들은 압력을 감지할 수 있는 감압필름을 사용해 금형의 모든 영역을 체크하기도 한다. 감압필름 사용시 큰 이점은 가해진 압력의 양에 따라 필름이 다양한 색깔로 변화하기 때문에 특별한 장비 없이도 금형 여러 부위에 가해지는 힘의 양을 확인할 수 있다는 점이다. 감압필름의 문제는 곡면 윤곽 표면에는 사용이 쉽지 않다는 점이다. 필름의 두께는 0.0045인치로 Engineer’s Blue 한 튜브보다 상당히 비용이 많이 든다.

 
이와 같은 정렬 테스트를 하면 좋은 점은 볼트로 고정해 장착한 모든 금형 부품들까지 함께 고려에 넣을 수 있다는 점이다. 캠 굽(heels 또는 wedges), 각도가 들어간 캐비티 셧오프(cavity shutoff), 파팅라인 또는 캐비티 맞물림(cavity interlocks), 지지기둥(support pillars), 파팅라인 위의 또는 금형 양쪽 플레이트 사이의 코일 또는 우레탄 스프링 등이 그것들이다.

 
스프링을 제외하고는 볼트로 고정해 장착된 구성부품들이 정확히 얼마나 강한 반발력을 일으키는지를 정확히 계산하기란 거의 불가능하다. 금형 충전 시뮬레이션의 효과를 높이 평가하고, 그 사용을 권하는 바이지만, 이조차도 사전설치된 금형 구성품들의 반발력을 알려주지는 못할 것이다.

 
형체력을 점차 올려가게 되면 다른 부위보다 더 세게 어떤 맞물리는 부위가 생겨난다. 이는 이 부위가 다른 부위들보다 살짝 더 튀어나와 있기 때문이다. 어떤 부위든 가장 먼저 닿는 곳이 가장 높은 형체력을 받는 주 베어링면이 되고, 이는 캐비티의 가장자리 또는 랜드면적 주변에 가해지는 힘의 양을 약하게 만든다.

 
이를 다른 방식으로 한 번 보자. 금형을 완벽하게 밀폐시키기 위해서는 튀어나와 있거나 볼트로 장착된 부위들은 강하게 압축되거나 구부러지거나 휘거나 비틀리거나 부서져나가 다른 부품이 그렇게 되도록 만들게 된다.

 
필자는 이제까지 수 많은 금형에 Engineer’s Blue를 발라 조사해 보았지만, 금형 정렬에만 필요한 낮은 클램프 압력에서 수행한 적은 단 한 번도 없었다. 따라서, 사출기에서 사용중인 금형 몇 개를 60톤에서 600톤 범위에서 테스트 해봤다. 그 결과는 놀랄 만큼 많은 것을 확인할 수 있었다.

 
가장 작은 사출기에 장착한 가장 가벼운 금형의 경우 양쪽 하프를 정렬하는 데 전체 형체력의 5~10%가 필요했다. 가장 큰 사출기에 장착된 가장 무거운 금형의 경우에는 정렬에 10~20%가 필요했으며, 이 경우 대부분 금형 상단이 먼저 맞닿았는데, 이는 가동측 형판이 살짝 기울었기 때문이었다.

 
필자가 깜짝 놀란 것은 중간크기 사출기(100~300톤)에 장착한 금형이었다. 10~20%의 형체력에서 다양한 부위에서 먼저 푸른색이 사라졌다. 스프루 부싱, 리턴핀, 인터록, 금형 베이스 모서리, 코어 인서트의 모서리, 금형 중심부(지지 기둥을 볼트로 장착해 놓은) 등에서 이를 관찰할 수 있었다.

 
놀랍게도, 한두 부위에서 강하게 맞물린 금형과 나머지 영역들에서 푸른색이 사리질 정도로 제대로 맞물리게 되는 데는 30%, 40%, 심지어 50%까지의 형체력이 필요했다. 0.002 또는 0.003인치만 잘못 튀어나와도 캐비티 가장자리를 제대로 밀폐시키는 데 엄청나게 많은 클램프 압력이 필요하게 되는 것이다.

 
성형품이 플라스틱 엔지니어에게 모든 것을 말해준다고 하는 말이 있다. 필자는 낮은 압력에서 Engineer’s Blue 테스트를 한 금형은 훨씬 더 많은 것을 말해준다고 주저 없이 단언할 수 있다.

 
kplastic1991@daum.net

 

 

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