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제목 금형 벤팅의 기본 ①
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/07/28 16:49

 

 

성형품의 품질 향상과 금형 보호를 위해 알아야 할 사항들을 정리해 본다.

 

벤팅(venting), 즉 가스 빼기 혹은 배기와 관해서는 많은 글과 오로지 이 주제를 다룬 교과서들이 나와 있지만, 성형품과 금형 내부에서 실제로 무슨 일이 일어나는지 그리고 그것이 어떤 영향을 미치는지 등 복잡한 관계에 대한 설명은 찾아보기 힘들다.

하지만 이 부분에 대한 기본적 이해가 없이는 벤트(vent), 즉 벤팅라인의 위치를 어디에다 둘지, 몇 개나 둬야 하는지, 벤팅라인 폭을 얼마나 해야 할지, 또 깊이는 얼마나 깊게 해야 하는지 등에 관한 결정은 아마 경험을 통해 추측해야 하거나 좀 안 좋은 경우라면 시행착오의 수고를 거쳐야 할 것이다. 몇 가지 기본적인 사실부터 시작해 보자.

1) 플라스틱 용융수지가 들어오기 전 금형은 비어 있지 않다. 금형 안은 에어가 가득 차 있다. 제대로 된 성형품을 만들기 위해서는 에어를 빼줘야 한다. 2) 사출 금형의 벤트, 즉 벤팅라인은 에어를 배출 시키지만, 용융 플라스틱이 유출되면 안 된다.

마당에서 사용하는 물 호스의 꼭지를 열면 처음 몇 초 동안은 호스 끝 노즐에서 쉬잇 소리가 들린다. 이는 호스가 압력이 가해진 물로 가득 찰 때까지 노즐로 공기가 빠져나가면서 나는 소리다. 금형의 벤트 역시 동일한 역할을 한다. 벤팅이 얼마나 필요한지를 결정하기 위한 주요 고려사항은 원료의 유동 속도, 성형품의 체적, 원료 종류 및 그레이드, 전단 유발요인 및 가공조건 등이 있다.

 

유동 속도

플라스틱은 일정한 유동속도(통상 초당 입방인치 (in. 3/sec) 혹은 초당 입방미터(㎥/sec) 단위로 금형 안으로 주입된다. 유동 속도 계산은 쉽게 할 수 있다. 배럴 면적에 사출 속도를 곱하면 된다. 위에서 보는 표는 다양한 주입 속도에서 다양한 배럴 지름에 따른 유동 속도를 보여준다. 커다란 배럴에서 빠른 속도로 주입했을 때 유동 속도가 높아질 것은 명확하다. 유동 속도는 벤팅이 얼마나 필요한지 결정할 때 가장 중요한 요소다.

 

벤트의 수

대다수가 벤트를 많이 두면 둘수록 좋다는데 이견이 없다. 다수의 업계 전문가들은 성형품 둘레 길이의 30% 이상에 벤트를 설치할 수 있다면 1인치 간격으로 최대한 많은 수의 벤트를 둘 것을 권장한다. 이는 경험칙으로써 아마 대부분 문제가 없지만, 항상 그렇지만은 않다.

우리가 다루고 있는 주제의 복잡성에 대해 예를 들어 설명해보자. 4in./sec 속도로 플라스틱을 주입하는 3in. 지름의 스크류를 사용한다고 가정했을 때 이를 위의 표에 대입해 보면 원료가 금형 안으로 28in³/sec 속도로 유동한다는 것을 알 수 있다. 꽤 빠른 속도다.

만일 필자가 이 조건에 맞는 금형설계를 맡는다면 폭 1/2인치, 깊이 0.002인치, 벤트 10개를 만들어 넣을 것이다. 이렇게 하면 총 0.010in² 넓이의 배기 통로를 확보할 수 있다. 숫자 계산해보면, 벤트를 통과하는 에어 속도는 이론적으로 28in. 3/sec/0.010in.2=2827in./sec, 또는 160mph(시간당 160마일)가 된다. 이것이 빠르다고 생각하는가? 한 번 플라스틱 원료가 벤트 한 곳을 통해 흘러나가면 그 벤트는 쓸모없게 된다는 점을 고려해야 한다.

따라서 예로 든 이 경우는 충전완료(end of fill) 지점에 자리한 맨 마지막 벤트를 통과하는 에어 속도는 이론적으로 1605mph, 또는 마하 2보다 조금 빠른 수준이 된다. 하지만 고속으로 사출성형할 때도 초음속 폭음이 나는 것을 들어본 적이 없어 여기 에는 분명히 눈에 보이는 것보다 복잡한 작용이 있을 것이다.

일반적으로 공기가 금형을 빠져나가는 속도가 용융수지가 금형에 유입되는 속도와 같아야 한다는 것에는 대부분 의견이 같다. 금형 안에 빈 공간이 생기는 것을 방지하기 위해 매우 느린 충전 속도를 사용해 두꺼운 벽을 가진 비교적 짧은 길이의 부품을 성형한다고 가정해 보자. 이 경우에는 충전완료 지점에 한두 개의 벤트를 두는 것으로 충분할 수 있다.

그러나 캐비티를 충전하고 패킹(완전 충전)하기 위해 극히 빠른 충전 속도로 긴 유동 길이를 가진 얇은 부품을 성형하는 경우라면 벤팅 문제에 훨씬 많은 신경을 써야 한다. 사실 이런 경우라면 충분한 벤팅 자체가 물리적으로 불가능할 수도 있기 때문에 에어가 시간 안에 배출될 수 있도록 용융수지 주입 속도를 줄여줘야 할 수도 있다. 만일 에어가 충분히 빠른 속도로 빠져나가지 못하는 경우에는 캐비티 내에 배압(back pressure)을 일으킬 수도 있다. 이때 부품 품질문제가 발생하기 시작한다.

 

품질문제

불충분한 벤팅과 관련해 발생하는 품질문제에는 어떤 것들이 있을까? 흔히 발생할 수 있는 문제들로는 태움(burn mark), 숏 부족(short shots) 즉 미성형, 불완전 패킹(packing), 내부 빈 공간, 취약한 웰드라인, 치수변동, 스플레이(splay), 광택, 원료 열화(degradation), 뒤틀림, 플레이트 아웃(plateout: 금형 내에 퇴적물이 쌓이는 현상), 벤트에 잔류물 퇴적, 사각지대, 성형품이 배출시 달라붙거나 마모되는 현상 등을 들 수 있다. 이 무시무시한 잠재적 문제 목록을 보면 적절한 벤팅의 필요성이 얼마나 중요한지 이해할 수 있다.

 

 

‘버닝(burning)’ 또는 ‘디젤링(dieseling)’

어떤 이들은 작은 성형품은 벤팅이 조금 필요하고, 큰 성형품은 많은 벤팅이 필요하다고 생각하지만, 이는 전적으로 맞는 이야기는 아니다. 모든 것은 주입 유동 속도에 따라 달라진다. 벤팅의 목표는 플라스틱이 유입되는 속도와 똑같은 속도로 에어가 캐비티에서 빠져나가도록 해줘야 하는 것을 기억해야 한다.

에어 양이 적은 작은 성형품이라고 해서 에어 배출을 더 느리게 해도 된다는 뜻은 아니다. 에어가 제때 빠져나오지 못하면 에어에 압축이 발생한다. 이는 좋을 수도 있고 나쁠 수도 있지만, 대부분 나쁜 영향을 미친다.

에어가 많이 찬 큰 캐비티의 경우 특히 바람직하지 않은데, 이는 압축할 에어가 더 많기 때문이다. 에어가 압축되면 단열승온(adiabatic heating) 과정에 의해 더 뜨거워지고, 공기 분자들이 서로 더 가까워져 더 많이 충돌하게 된다. 설상가상으로, 뜨거워진 공기는 팽창하고자 하며, 이는 압축된 에어 양과 캐비티 압력을 더욱 올려놓는다. 자동차의 타이어 공기가 여름에 더 압력이 높고, 겨울에 낮은 것은 바로 이런 이유 때문이다.

사출금형 안의 에어 압축이 너무 심해지면 에어 온도가 지나치게 높이 올라가 캐비티 내에서 플라스틱 수지의 자연 연소 또는 ‘디젤링(dieseling)’을 일으켜 성형품 가장자리에 버닝(burning)이 발생하거나 캐비티 벽이 부식될 수 있다.

자동차의 디젤 엔진은 약 20:1 압축비로 연료를 자연연소시킨다. 사출현장 경험이 있는 전문가라면 모두 알겠지만, 양품과 불량품은 그야말로 종이 한 장차이로 구분된다. (실제로는 탄소 침전물인) 원료 연소 흔적이 보이거나 냄새가 난다면 최대한 신속히 그 문제를 해결해야 한다. 이런 징후가 나타나면 머지않아 캐비티에 부식이 발생하고, 그로 인해 성형품 외관이나 이형에 문제가 생긴다(그림1).

캐비티 안의 에어가 압축됐을 때 나타나는 증상은 에어 밀도가 높아져 궁극적으로는 더 많은 양의 에어가 빠져나가게 될 것이라는 점이다. 압축된 에어가 벤트를 통과한 후에는 다른 쪽 릴리프 채널(relief channel)에서 압축되지 않은 상태의 원래 체적으로 자유로이 확장된다.

대부분의 열가소성플라스틱은 뜨거워지면 비수성 휘발성 물질(non-aqueous volatiles, NAV)을 가스형태로 방출한다. 이렇게 방출되는 가스들의 대부분은 캐비티 측벽에 점착되거나 플라스틱 원료에 흡수되지 않는다. 이 가스들은 용융수지 앞쪽으로 계속해서 밀려난다. 이 가스들은 자동차 엔진 실린더처럼 캐비티가 개방됐을 때 산소와 혼합돼 가연성 연료가 된다.

어떤 열가소성플라스틱 수지는 다른 것보다 NAV 방출량이 많다. 예를 들어, PS의 경우는 이런 휘발성 물질이 거의 생기지 않지만, PC, 아세탈(POM), PVC 같은 원료는 상당히 많이 나온다. 여러 가지 원료 충전재, 첨가제 또는 착색제 등이 원료의 NAV 발생량에 영향을 줄 수도 있다. 어떤 원료가 고농축 가스를 방출하는지 알면 성형품의 버닝이나 금형 부식의 위험성을 줄이기 위해 벤트를 몇 개나 두는 것이 좋은지 결정하는데 참고할 수 있다.

 

 

가공

대개 벤팅이 충분하지 않아서 버닝이 생긴다고 생각하는 경우 수지 주입 속도를 줄여 에어가 빠져나갈 시간을 더 많이 준다. 이렇게 하면 보통은 효과가 있지만, 먼저 이런 조치를 취하는 것이 적절할까? 주입 속도를 감소시키면 사이클타임이 늘어나 수익이 줄어들 수도 있을 뿐아니라, 재료 점도가 증가해 숏 부족과 같은 다른 문제들이 발생할 수 있다.

원료의 가스 방출 자체가 너무 많아지도록 만들 수 있는 몇 가지 요인들을 우선 점검하는 것이 필요하다. 어쩌면 원료의 용융흐름 지수(melt-flow index)가 너무 낮아 점성이 너무 높을 수도 있다. 배압 또는 스크류 rpm이 너무 높을 수도 있고, 배럴 온도가 너무 높을 수도 있으며, 주입구(feed throat) 가 너무 차가울 수도 있고, 배럴 크기가 너무 커서일 수도 있다. 노즐 팁 또는 게이트 사이즈가 너무 작을 수도 있다. 원료의 전단을 초래하거나 온도를 상승 시킬 수 있는 모든 요소는 가스 배출량 증가의 원인이 된다.

 

벤트 확인

과도한 가스 생성의 원인이 될 수 있는 여러 가지 조건을 확인한 후 벤트 그리고 벤트 릴리프(vent reliefs)를 검사한다. 시간이 흘러 어떤 시점에 가면 잔류물로 막힐 수도 있다. 금형 클리너와 구리 거즈를 사용해 벤트를 빠르고 안전하게 청소할 수 있다. 그런 다음 벤트가 금형 시운전기간을 거치면서 또는 과도한 형체력 때문에 찌그렸거나 호빙이 발생했는지 확인한다(그림2).

클램핑 압력을 줄이면 버닝 문제를 해결할 수 있는 경우가 많으며, 금형 및 형판의 호빙을 막아준다. 최신형 사출기 가운데는 초기 폐쇄 위치 또는 형체력을 조절하고, 금형의 완전 폐쇄 혹은 압력상승을 정확히 지정된 시점에 수행할 수 있는 특수 클램핑 시퀀스 옵션이 장착된 기계들도 있다. 이를 사출 압축(injection-compression) 또는 코이닝(coining)이라 하고, 벤팅 문제뿐 아니라 취약한 웰드라인 문제 해결에도 도움이 된다.

벤트 점검을 위해 가장 널리 사용되는 방법은 툴링 룸에 있는 다이얼식 표시장치를 확인하는 것이다. 나쁘지 않은 방법이지만, 금형이 사출기 형체에 걸린 상태에서 높은 압력으로 클램핑될 때 일어나는 모든 일을 알려주는 것은 아니다. 벤트 깊이 측정을 위해 땜납이나 납 조각을 밀어 넣는 이들도 있다.

벤트 점검 최상의 방법은 형체 내 금형에 ‘엔지니어즈 블루(Engineer’s Blue)’를 발라주는 것이다. 엔지니어즈 블루는 프러시안 블루 염료와 그리스 같은 기름성분을 혼합한 것으로, 무독성에 절대 마르지 않는 진한 푸른색이다. 이 작업은 몇 가지 단계로 나눠 수행하는 것이 좋다(사진3). 아주 낮은 클램핑 압력에서 시작해 현재 사용중인 압력에 도달할 때까지 압력을 10%씩 올리기를 반복한다. 이 작업을 통해서 다음의 세 가지를 알 수 있다.

1) 금형의 양쪽 반쪽이 캐비티 둘레를 밀폐시키는 데 필요한 형체력 2) 플래시 발생 방지를 위해 필요한 최소한의 형체력 3) 일정 클램프 압력에서의 벤트 실제 상태 벤팅문제 유무 확인을 위해 성형품에 버닝이 발생하는 부위인 파팅라인에 테이프 조각 또는 뒷면에 접착력이 있는 라벨을 붙이는 이들도 드물지 않다. 금형 캐비티 및 코어가 열처리된 소재를 클램핑 압력을 낮게 한 상태라면 근본원인 파악을 위해 두어 차례 숏을 이 상태로 진행해도 별문제가 없을 수 있지만, 장시간 파팅라인에 무언가 이물질을 놓아둔다는 것은 아무래도 무모한 짓이다. 특히 캐비티나 코어가 상대적으로 부드러운 재질인 경우라면 더더욱 그렇다.

 

 

유동 분석

유동 분석이 캐비티 내의 원료 유동패턴 예측에 대단히 정확하다는 것을 대부분의 사람이 알고 있다. 이를 통해서 웰드라인, 사각지대, 마지막 충전지점(들) 등의 위치를 알아낼 수 있다. 하지만 적어도 필자가 알고 있는 유동 분석 프로그램의 경우처럼 이 소프트웨어가 금형 안에 갇힌 가스 혹은 벤트를 통해 충분히 신속하게 빠져나가지 못한 가스의 실제 온도와 압력을 시뮬레이션해줄 수 있다는 사실은 모르고 있는 경우가 있을 수 있다.

솔리드 모델링에서 공정 파라미터를 변경하거나 벤트를 추가함으로써 추가 시뮬레이션 작업을 통해 실제 금형제작 주문에 들어가기에 앞서 벤팅 문제 해결을 예측할 수 있다. 금형제작이 끝난 후 유동해석을 수행하고자 하는 경우라면 마지막 충전위치 및 웰드라인 또는 사각지대의 위치 파악을 위해 조금씩 증가시켜가며 연속적으로 부족한 샷을 만들어 보는 것이 좋다.

DuPont(듀폰)사는 오래 전에 다음과 같은 권고를 내놓았다. “벤팅 문제는 수지주입 직전 탄화수소 또는 등유 소재 스프레이를 금형에 스프레이 하면 더욱 분명하게 알 수 있다. 벤팅이 잘 이뤄지지 않으면 탄화수소는 에어가 갇힌 지점에 흑점을 만든다. 이 기법은 특히 다중 캐비티 금형에서 벤트 불량을 찾아내는 데 유용하다. 탄화수소 스프레이를 구하려면 녹 방지 스프레이를 사용하면 쉽다.” 이제 이런 방법은 구식이다.

  

  

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