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제목 클램프 압력과 캐비티 랜드 면적 ②
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/02/02 09:45

플래시와 금형 손상을 막기 위해 알아야 할 것들

  

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

  

지난 1월호 내용에서 다루었듯, 플래시 문제를 겪고 있다면 금형에 Engineer’s Blue를 사용해봐야 한다. 그 결과, 금형의 모서리 부분 또는 캐비티 인서트의 모서리 부분에 훨씬 더 많은 접촉면이 확인되는 반면, 캐비티의 가장자리에 접촉이 충분치 않다면 이는 문제가 있다는 것을 보여주는 것이다.

 

하지만 이 문제가 금형 때문인가? 사출기 때문인가? 아니면 사출기에 장착된 상태의 금형 때문인가? 금형 베이스는 사출성형기의 부드러운 주철 플라텐보다 2~3배 이상 단단하기 때문에 시간이 흐르면서 플라텐에 마모가 발생하게 된다. 사출기가 오래된 것일수록 마모의 양이 더 많은 것은 당연한 이치이다. 그리고 마모가 주로 중심부분에 발생해 플라텐을 살짝 오목하게 만들게 된다.

 

이 같은 상태는 대형 사출기에 작은 금형을 장착해 사용하는 경우 명확히 눈에 띄지는 않지만, 성형품의 안쪽 가장자리 및 큰 금형의 러너 등에서 중앙부분의 지지력 부족으로 인해 플래시가 발생하는 원인이 된다.

 

플랜지형 로케이팅링 둘레에 심(shim)을 더해주거나 중앙부 지지기둥을 별도로 제작해 결합해줌으로써 이 문제를 해결할 수 있다. 그러나 다음번 가동에서 금형을 원래 사용하던 소형 사출기에 걸어 사용할 때는 성형품의 바깥쪽 가장자리에 플래시가 발생하면서 플라텐 가운데 부위의 마모가 더욱 빨라질 수 있다.

 

문제의 근본원인을 해결하고 어떤 금형을 사용하든 이 같은 상태가 초래되는 것을 막기 위해서는 마모된 플라텐을 빼내 평평하게 다시 가공해줘야 한다. 맞춤형 소량 사출성형 라인을 운영하고 있는 경우라면 하루에도 몇 차례씩 금형을 교체해줘야 할 수도 있다.

 

고객의 납기 요구에 맞추기 위해 작은 금형을 그때그때 쓸 수 있는 사출기에 걸다 보니 큰 사출기에 장착해 사용하는 경우도 많다. 만일 이 금형의 폭과 길이가 타이바 사이 거리의 약 70%보다 작은 경우에는 ‘플라텐 랩(platen wrap)’이라고 알려진 상태에 놓일 수도 있다.

 

사출기가 높은 압력 아래서 체결되면 플라텐이 말 그대로 금형 주위를 감싸게(wrap) 돼 금형 모서리들이 가운데 부위에서, 보다 더 세게 부딪히게 된다. 만일 금형의 모서리가 파고든 것처럼 보이는 움푹 패인 자국이 플라텐에서 발견된다면 바로 이 때문일 가능성이 높다. 이는 성형품의 안쪽 가장자리와 러너에 플래시를 일으키며, 마찬가지 결과가 큰 금형을 움푹 패인 플라텐에 장착해 사용할 때도 발생한다.

 

모든 금형 플레이트들의 공차가 모여 한 개의 모서리 또는 금형의 한쪽 면을 다른 쪽들보다 두껍게 만들 수도 있다. 이것은 플라텐이 금형에 불균등한 압력을 가하도록 만들어 역시 금형에 플래시가 발생하는 원인이 될 수 있다. 하지만 금형 제작과정에서 큰 오류가 있지 않은 이상 이 같은 문제는 흔히 발생하지 않는다.

 

움푹 패인 플라텐이나 플라텐 랩보다 쉽게 발생할 수 있는 원인으로는 금형 설계상의 문제를 들 수 있다. 캐비티를 포켓 또는 캐비티 플레이트 앞면에 개별 인서트에 가공(machining)해 넣지 않고 캐비티 플레이트에 직접 가공해 넣은 경우 이를 두고 ‘쏠리드에 절삭해 넣는다(cut in a solid)’고 한다.

 

마찬가지 가공방식을 코어 사이드에 적용할 수도 있다. 하지만 이는 보통 프로토타입, 브리지, 사전제작 및 기타 소량생산 금형의 경우에만 시간과 돈을 절약하기 위해 사용한다. 모든 법칙에는 예외가 있으므로 성형품의 구조에 따라 양산용 금형도 캐비티를 양 사이드 쏠리드에 절삭해 넣은 경우도 간혹 있다.

 

금형 코어 인서트는 장착된 플레이트 표면보다 살짝 튀어나오게 된다. 이는 스트리퍼 플레이트(stripper-plate) 금형의 스트리퍼 링의 경우도 마찬가지다.

 

어떤 금형 제작자들은 인서트가 0.002인치에서 0.005인치(0.05~0.12mm) 정도 튀어나오도록 하는 이들이 있는가 하면, 어떤 이들은 0.020~0.030인치(0.5~0.76mm)나 나오도록 제작하는 이들도 있다. 이렇게 서로 다른 기준에는 각각의 장단점이 있다.

 

 

필자는 0.002~0.003인치(0.05~0.076mm) 정도면 충분하다고 생각하는 편이다. 중요한 것은 금형 인서트가 플레이트 표면 위로 도드라져 나오도록 하는 것이다. 전혀 튀어나오지 않으면 파팅라인 셧오프 영역이 캐비티 및 러너의 면적을 빼고 플레이트 표면 전체가 되어버린다. 이렇게 되면 문제를 일으킬 수 있다.

 

만일 코어나 캐비티가 도드라져 나와 있지 않은 경우라면, 파팅라인의 각 모서리에 0.002~0.004인치(0.05~0.10mm) 깊이로 2~4인치(50~100mm)의 밑변을 지닌 이등변삼각형 모양의 오목지대를 만들어주는 방법을 써야 한다. 이렇게 하면 플라텐 랩 상태에서도 금형 모서리가 먼저 부딪히지 않도록 막아준다.

 

이렇게 얕은 오목지대를 만들어주면, 잘못해서 성형품이 끼인 상태로 금형을 닫는 것처럼 금형에 충격을 줄 수 있는 무엇인가에 의해 중요한 셧오프 영역에 손상이 발생하는 것을 막을 수 있다.

 

이와 반대로, 코어 또는 캐비티가 0.005인치(0.17mm) 이상 튀어나와 있으면, 금형의 각 모서리에 마찬가지로 0.002~0.004인치(0.05~0.10mm) 간극의 안전판을 만들어주면 현명한 예방책이 될 수 있다. 이는 캐비티가 아래쪽 금형 하프에 가공돼 있고, 위쪽 하프에는 아무것도 절삭돼 있지 않은 경우가 많은 싱글 캐비티 또는 오프셋(offset) 금형은 특히 중요하다.

 

 

이제 압력에 대해서 다루어 보자. 만일 200파운드 몸무게의 남자가 신발의 앞쪽 절반으로 당신 발을 밟고 서 있다고 한다면 아플 것이다. 남자 반 정도 무게인 100파운드 여자가 뾰쪽한 하이힐 굽으로 당신 발을 밟는다면 발톱이 부서질 것이다. 이것은 모두 압력 때문이다. 압력은 힘을 작용면적으로 나눈 것과 같다.

 

사출성형에 있어서 힘이란 사출기의 형체력 톤 수와 같다. 이는 고정된 값이다. 성형품에 플래시가 발생하면 사출기가 너무 작아 형체력이 충분치 않아서 발생하는 것으로 생각할 수도 있다. 하지만 더 큰 사출기를 찾아 금형 장착에 앞서 금형에 Engineer’s Blue를 칠해서 금형의 어느 부분에 힘이 가해지고 있으며, 얼마나 많은 전체 영역이 힘을 제대로 받고 있는지를 조사해봐야 한다.

 

금형이 어떤 부분에서 얼마나 강한 힘으로 밀폐돼야 하는지에 있어 균형을 잡아주는 것이 필요하다. 하지만 금형 전면 전체에 차단(shutoff)을 위한 힘을 가할 필요는 없다. 이렇게 하면 플라텐 랩 또는 그보다 훨씬 나쁜 플라텐이 오목하게 패이게 되는 문제를 낳을 뿐이다.

 

또한 금형강의 피로강도를 넘어서는 특정 부위로 힘을 국소화시키거나 집중시켜서도 안 된다. 주의해야 할 것은 금형강의 항복강도는 비반복적 또는 일회성 일정 하중에 기반한다. 피로강도(fatigue strength) 또는 내구한계(endurance limit)에서 고장이 발생하게 되는 반복 회수가 무한하다. 피로강도는 소재 항복강도의 10~20% 수준에 해당한다.

 

모든 금형에는 스프루부싱, 러너, 캐비티 가장자리 주변에 ‘랜드(land)’ 또는 차단을 위한 영역이 존재한다. 이런 영역이 존재하지 않으면 원료가 분출돼 나와 플래시가 발생할 것이다.

 

따라서 이러한 이유로 캐비티 둘레의 랜드영역을 흔히 ‘캐비티 씰(cavity seal)’이라고 부른다. 이 랜드의 폭은 과도한 압축 하중을 막고 약한 벤트(vents)가 내려앉는 것을 막아야 한다. 랜드의 전체 면적은 캐비티 씰 전체 면적에 금형이 밀폐됐을 때 서로 접촉하거나 만나는 영역과 면을 더한 것과 같다.

 

별도로 제작해 사전에 맞춰 놓아야 하는 원뿔 및 막대기 타입의 맞물림장치(interlocks)를 제외하고는 그 밖의 모든 접촉면 내지 차단영역은 거의 정확히 동시에 서로 부딪쳐야 한다. 낮은 압력조건에서 접촉면 얼라인먼트 상태를 조사하면 그렇지 않은지를 확인하는 데 매우 유용하다(지난달 칼럼 클램프 압력과 캐비티 랜드면적 1부를 참조).

 

만일 이들이 동시에 차단되지 않으면 가장 먼저 부딪히는 영역이 가장 높은 압축력을 받게 될 것이고, 이 힘이 그 부위 소재의 피로강도를 넘는 상황이 발생할 수도 있다.

 

금형 안쪽 플라스틱 압력은 용융수지가 사출기 노즐팁에서 충전 종결지점까지의 유동경로를 따라 이동하는 과정에서 지속적으로 감소해 가기 때문에 스프루 러너, 게이트 등 용융수지 압력이 가장 높고, 따라서 이곳에 가장 많은 양의 랜드가 필요하다.

 

이것이 바로 필자가 게이트 근처에는 벤트를 만들어 넣지 말라고 충고하는 까닭이다. 그렇게 하면 이 중요한 위치에 랜드 면적을 줄이는 결과를 초래할 뿐 아니라 그곳에 벤트를 두면 그 효과가 별로 나지 않는다.

 

금형강 표면이 거칠거나 노치민감성 응력을 높이는 요인이 존재하는 경우 피로강도가 눈에 띄게 감소하기 때문에, 경험칙상으로 보면 300 브리넬(Brinell)(= 32 Rockwell C)의 경도값을 가진 소재에 3.5톤/in.2 이상의 압력을 가하거나 50 Rockwell C의 경도값을 지닌 소재에 5톤/in.2 이상의 압력을 가하지 않는 것이 좋다. 그 이상의 압력은 소재의 피로강도를 넘어서 시간이 흐르면 소재의 파괴를 초래하게 된다.

 

실례로 숫자를 사용한 계산을 해보자. 압력(lb/in.2) = 힘(lb)/면적(in.2)이라는 공식을 우리는 알고 있다. 따라서 100톤(또는 20만 파운드) 사출기가 가동측 B 플레이트에 튀어나오도록 장착된 8.5x8.5인치 크기의 코어인서트에 형체력을 가하는 한편, 고정측 A 플레이트 캐비티는 7x7인치 면적으로 움푹 들어가 있는 경우 캐비티 주변의 3/4인치 폭의 랜드면적이 받게 되는 압력은 아래와 같다:

 

 

이 정도는 열처리된 캐비티와 코어에는 아무런 문제가 되지 않지만, 만일 서로 짝을 이루는 이 두 가지 가운데 하나라도 초기경화로 만들어졌다면 그렇지 않다. 이런 경우엔 하중지지용 패드를 추가해줘 전체 랜드면적을 늘려 힘을 흡수해줘야 한다. 왜냐하면 이 경우 전체 랜드면적이 불충분하고 벤트가 시간이 지남에 따라 안으로 내려앉게 되기 때문이다.

 

한 가지 안타까운 점은 Engineer’s Blue를 사용해 금형을 조사해봐도 문제의 절반밖에 풀리지 않는다는 것이다. 이 방법을 통해 금형이 체결될 때 금형강의 어떤 부위가 부딪히게 되는지 알 수 있지만, 금형 내의 지지력이 용융플라스틱 사출압력에 견딜 만큼 충분한지를 알 수는 없다.

 

파팅라인에 자석식 다이얼 표시장치를 부착해 놓으면 금형이 불충분한 형체력 때문에 제대로 밀폐되지 않고 열리는지 또는 강한 사출압력이 얼마나 가해져야 그런 상황이 벌어지는지를 쉽게 알아낼 수 있다. 하지만 표시장치가 파팅라인을 강하게 막고 꼼작하지 않을 때, 또는 플래시가 표시장치가 읽어낼 수 있는 범위보다 진하면 금형이 내부적으로 내려앉을 수도 있다.

 

여기에는 여러 가지 원인이 있을 수 있다. 지지기둥 개수가 불충분한 경우, 지지기둥 지름이 너무 작아서 인접한 플레이트 속으로 빠지는 경우(코이닝 Coining), 한 개 또는 그 이상의 플레이트가 너무 얇아서 휘게 되는 경우, 캐비티나 코어인서트 뒷면에 대한 금형강의 지지가 충분치 않은 경우 등이 원인이 될 수 있다.

 

 

또 핫러너 금형에서는 매니폴드의 지지력이 충분치 않을 수 있다. 이 같은 상태가 조성되면 사출품에는 사출성형기 톤 수와 상관없이 플래시가 발생하게 된다.

  

사출압력이 매우 높을 때, 스프루부싱 맞은편에 소량의 플래시가 발생하는 것은 일반적인 일이다. 이는 사출속도가 매우 높을 때 특히 그렇다. 0.001~0.003인치로 중앙 지지기둥을 별도 제작해 사전결합해 만들어주면 이같이 불충분한 지지력 문제를 대개는 해결할 수 있다.

 

금형 중앙에 0.003인치 또는 그 이상의 별도제작 후 사전결합 지지장치를 사용해야 한다면 인접 플레이트 위에 난간 쪽으로 갈수록 점차 적은 양을 사용해봐야 한다.

 

이를 두고 금형에 크라운을 씌운다고(crowning) 표현한다. 마치 대형트럭 뒤의 긴 트레일러 표면을 아치 모양으로 만들고 무거운 짐을 실었을 때 힘을 받아 곧게 펴지도록 하는 것과 같은 원리이다.

 

하지만 심(shim)이 많이 필요하게 되는 근본 원인을 제대로 찾아내야 한다. B 리테이터 플레이트의 두께를 늘리는 것이 더 나은 방법이 될 수도 있다. 더불어 참고로 이야기하자면, AISI 1030, DIN 1.1178, 또는 #1 미디엄 탄소강은 금형가공에 사용하지 말 것을 권한다. 브랜드에 따라서는 Rockwell C 경도에도 들지 못해 방금 언급한 문제들의 근본원인을 낳기가 쉽다.

 

한 번이면 될 일을 두 번씩 해야 하는 것은 효과적인 방법이 아니다. 금형을 사용해 최초 샘플 생산할 때 충분한 형체력을 얻을 수 있는 사출기 사용을 원칙으로 하고 있다. 일단 공정이 확립되고 나면 성형품 수치나 플래시 같이 외관상에 문제가 생길 때까지 톤 수를 줄여나간다. 이 지점에서 안전율(통상 20%)을 더해줘 그 금형에 이상적인 사출기 사이즈를 결정하는 것이 필자의 방식이다.

 

경고의 말: 어떤 금형을 특정 사이즈 사출기에서 사용하다가 그다음 가동시에 급한 스케줄 때문에 기존에 사용하던 사이즈보다 큰 사출기에서 사용해야 하는 경우라면 원래 사용하던 작은 사출기의 낮은 톤 수에 맞춰 형체력 톤 수를 설정해줘야 한다. 태움(burn) 불량이나 성형품의 바깥쪽 가장자리 광택이 부족하거나 지나치게 나타나면 벤트를 망가뜨릴 수 있다.

 

캐비티를 손톱이나 뾰쪽한 연필로 찔러봐서 캐비티 둘레 안쪽에 강철의 작은 테두리나 거친 부분이 느껴지면 조금 전 캐비티 씰(seal)을 날려버린 것이다.

 

정말로 골치 아픈 상황은 성형품 양측면 표면이 벗겨지고 상처가 나기 시작하거나 성형품이 캐비티에 들러붙기 시작하는데, 금형 내부에는 특별히 무엇을 볼 수도 느낄 수도 없을 때다.

 

톤 수가 과도하면 캐비티의 측면 벽을 허물어뜨려 기울기 각도를 줄이게 된다. 적정 톤 수 사용의 중요성을 간과하면 금형과 사출기 모두에 재난 수준이 아니면 상당히 심각한 피해를 일으킬 수 있다.

 

공장 내에서 금형에 맞는 적정 톤 수 사용을 보장할 체계적 방법이나 절차가 부재한 경우라면 농담이 아니라 금형 바깥에 적정 톤 수를 알려주는 표시를 붙여두는 방법이라도 고려해봐야 한다.

  

 

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