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제목 금형 벤팅의 기본 ②
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/08/29 15:40

 

 

고정측 금형 벤트(vent)를 최대한 활용하는 방법

 

공정윈도우를 최적화하기 위해서는 벤트가 플래시(flash)를 일으키지 않고 최대한 깊어야 한다. 그 깊이는 원료의 종류 및 그레이드, 성형품 형상, 금형구조, 공정 파라미터 등과 같은 여러 요소를 기반으로 결정된다. 최대 깊이보다 적으면 효율성이 떨어져 여유공간이 있는 경우라면 추가로 벤트를 만들어 넣어줘야 할 가능성이 크다.

  

대부분의 원료 제조업체들은 수지마다 벤트 깊이의 권장범위를 정해놓는 경우가 많다. 나일론, PE 또는 PP 등과 같이 묽은 비점성의 결정성 수지인 경우 벤트의 권장 깊이는 0.0005~0.0010인치(0.0127~0.0254mm)다. PC, TPU 또는 PEEK와 같이 점성이 높은 비정질 원료들인 경우 권장 벤트 깊이는 0.0010~0.0030인치(0.0254~0.0762mm)범위를 지닌다.

만일 귀사가 다양한 유형의 원료에 대해 ‘경험으로 알고 있는’ 적정 벤트 깊이를 표로 만들어 벽에 붙여 놓고 있는 금형 설계자라면 그것이 가이드라인에 불과함을 유념해야 한다. 원료 제조업체의 MFI(용융지수), 충전재 함량, 첨가제 등에 따라 각 원료 그레이드마다 권장 벤트 깊이가 제각기 달라질 수 있다.

성형품의 벽 두께는 벤트 깊이 선택시 고려해야 할 중요한 요소다. 이에 대해서는 FimmTech Inc. 의 Suhas Kulkarni씨가 다양한 벽 두께와 벤트 깊이 18개의 탭을 지닌 시험용 금형을 만들어준 맞춤형 금형 제작업체가 발표한 ‘사출성형에서 벤트 깊이의 결정’(Determining Vent Depths in Injection Molding)이라는 제목의 기사에서 상세히 다룬 바 있다.

이 기사에서 이들은 벽 두께를 늘려주면 벤트의 깊이를 플래시 없이 늘릴 수 있음을 증명했다. 발표내용에 의하면 여기에는 두 가지 이유가 있다. 플라스틱이 더 얇은 섹션으로 들어가도록 압력을 받으면 이 영역에서 플라스틱의 유동속도가 올라간다. 높아진 유동속도는 전단속도를 높이고, 이는 수지의 점도를 감소시켜 플라스틱 유동을 더욱 수월하게 만들어 플래시를 초래한다. 점도가 줄어들면 압력 감소현상이 발생해 충전완료(end of fill) 지점 압력을 증가시켜 플래시를 초래한다.

이를 일반인이 이해할 수 있는 용어로 바꿔 사출성형의 다른 영역에 적용해보자. 게이트 근처나 얇은 리브(rib)의 하단 등과 같이 전단력으로 인해 소재의 점도가 떨어지게 되는 곳에서는 권장 깊이 범위의 작은 값을 벤트 깊이로 하고, 반대로 러너의 경로 또는 성형품의 더 두꺼운 부위와 같이 전단이 없어 원료의 점도가 높아지는 곳에는 권장범위의 가장 높은 쪽 값을 벤트 깊이로 선택할 수 있다. 그리고 필자는 벤트가 원료 유동방향에 수직으로 자리 잡고 있는 곳이라면 플래시 없이도 벤트를 조금 더 깊이 만들어도 된다는 점을 여러 경험에서 배운 바 있다.

  

 

벤트 랜드(VENT LAND) 길이

벤트의 랜드 길이가 길수록 랜드 안에 있는 에어가 완전히 빼내는 데 더 많은 압력이 필요하게 된다. 더 많은 압력이 가해질수록 캐비티 내부에 더 많은 압력이 일어나게 되고, 성형품의 태움이나 금형강의 부식 위험이 커진다. 한 기업의 사출성형 전문가는 “작은 지름의 음료수 스트로우가 있다고 가정해보자. 이 빨대에서 1/2 인치(12.7mm) 길이의 조각을 잘라낸다. 그것을 불어보라. 이제 남아있는 나머지 긴 빨대를 불어보라. 두 가지 길이의 스트로우 사이에 각각 필요한 압력의 확연한 차이를 경험할 수 있을 것이다”고 비유를 사용한 적이 있다.

이렇게 하면 압력이 증가할 뿐 아니라 랜드 길이가 길면 랜드 길이가 짧을 때보다 더 쉽사리 찌꺼기로 막히게 된다. 벤트가 짧을수록 깨끗한 상태를 유지하기가 쉽다. 이는 압축에어가 수지 주입 중 특히 빠른 충전속도의 경우 찌꺼기를 벤트 밖으로 밀어 내보내기가 쉽기 때문이다. 벤트는 자동 청결 유지(self-cleaning)가 아니라 자동 청소(self-clearing)를 하고 있는 것이다.

이 분야에 지식이 좀 있는 이들은 대개 0.030인치(0.762mm)가 최소 랜드 길이라고 한다. 어떤 이들은 또 이것이 최대 길이라고 말하기도 한다. 그러나 랜드 길이는 많은 경우 성형품의 크기와 형상에 따라 달라진다. 자동차 범퍼와 같은 커다란 형상의 금형에는 캐비티 체적, 유동길이, 두께, 지지면(bearing surface), 프리로드된(preloaded) 부품, 머시닝 정확도, 심지어 형판의 오목면 등과 같이 이상적 벤트 깊이 및 랜드 길이에 악영향을 미칠 수 있는 다수의 요인이 있을 수 있다.

그렇기 때문에 처음에 0.080인치(2.032mm)에서 시작해 태움이나 예상보다 높은 수지 주입압력 등과 같은 문제가 나타나면 그때 가서 이를 줄여나가는 것이 좋다고 하는 다른 제안에 동의한다. 명심해야 할 것은 대부분의 원료 제조업체의 기술적 설계 가이드가 필요해 주의를 주는 작업을 의도적으로 게을리한다는 점이다. 예를 들어, 꽤 신뢰를 얻고 있는 폴리카보네이트 제조업체 가운데 한 곳은 설계 가이드에서(마치 그리 정밀하게 다룰 문제가 아니라는 듯) 권장 벤트 길이는 1/8(3.175mm)~1/4인치(6.35mm) 정도면 된다고 밝히고 있다.

  

 

벤트의 폭

벤트의 폭은 작은 부품의 경우 1/4인치(6.35mm), 넓은 부품의 경우 1/2인치(12.7mm)인데, 이는 표면 연삭 휠의 표준 너비이기 때문이며, 작은 캐비티는 다량의 에어가 있는 캐비티보다 배출할 공기가 적기 때문이다. 벤트 폭이 1/4인치(6.35mm)보다 좁아서는 안 된다는 법은 없으며, 매우 작은 성형품 또는 벤팅이 잘 되지 않는 영역에서는 더 작은 폭의 벤트가 필요한 경우도 있다.

하지만 좁은 벤트는 클리닝을 더 자주 해줘야 한다. 마찬가지로 설계자나 가공업체가 필요하다고 느끼면 벤트를 1/2인치(12.7mm)보다 더 넓게 해줄 수 있다. 플래시 발생은 벤트가 너무 깊을 때 일어나지, 넓다고 일어나지는 않는다. 필자는 개인적으로 1/2인치보다 적게는 가지 않는 것을 선호한다. 충전완료지점의 위치가 공정상의 변수 때문에 변할 수 있기 때문이다. 대부분(모든 경우는 아니다) 충전완료지점에 벤트를 만들어준다.

  

벤트 표면 마감

성형품의 형상 때문에 벤트를 추가로 만들어 넣어줄 방법이 밀링밖에 없다면 밀링작업된 표면 마감을 그대로 두면 안 된다. 벤트 표면을 120에서 140 그릿 연삭휠로 연마했다 해도 그다음에 더 미세한 마감을 위해 600에서 800 그릿 숫돌을 사용해 연마해줘야 한다. 그라인딩과 스토닝 작업 모두 에어가 유동하는 방향으로 해줘야 한다. 많은 금형 메이커들이 펠트 밥(felt bob)에 다이아몬드 페이스트를 묻혀 연마하는 애를 쓰기도 한다.

이렇게 벤트를 연마해주면 ‘자동 청결유지’기능을 한다고 주장하는 사람들이 있지만, 필자는 실제로 그런 경우는 아직 구경하지 못했다. 잘 연마된 벤트는 예방정비기간 간격을 늘려준다는 점은 증명할 수 있다. 하지만 수천 혹은 수만번의 사이클을 거치고 난 뒤에는 대부분의 성형원료가 끈끈하게 잔유물로 쌓이는 것을 피할 수 없다.

주의사항: 캐비티를 연마하고 파팅라인에 불필요하게 도드라진 부분을 제대로 제거하기 전까지는 벤트를 설치하거나 연삭 및 연마해서는 안 된다는 것은 굳이 말할 필요가 없는 기본상식이다.

  

벤트 릴리프(vent relief)

벤트에 연결된 기계 연마된 영역은 벤트 릴리프(vent relief), 벤트 덤프(vent dump), 2차 벤트 (secondary vent), 벤트 그루브(vent groove) 혹은 릴리프 채널(relief channel) 등과 같은 여러 가지 이름으로 불린다. 연마된 이 영역은 채널로 통하고, 이 채널은 또 다른 채널로 통할 수도 있으며, 때로는 세 번째 채널로 이어지기도 한다. 필자가 알기로는 이 채널들에 누구도 제대로 이름을 붙여준 적이 없다. 하지만 이 채널들에 이름이 있어야 한다는 것이 내 생각이다.

나는 우리가 이미 콜드러너의 다양한 섹션을 구별하는 것과 유사한 방식으로 이 채널들을 구별한다. 즉, 1차, 2차, 3차, 이런 식으로 말이다. 1차 릴리프 채널은 벤트에 연결된 채널이다. 1차 릴리프 채널 가운데 일부는 2차 릴리프 채널로 연결되는 경우가 흔하다. 또 경우에 따라 공기가 마침내 대기 중으로 방출되기에 앞서 두 개 또는 그 이상의 2차 채널이 3차 릴리프 채널로 연결되기도 한다.

1차 릴리프 채널의 너비는 벤트의 너비와 같아야 한다. 벤트보다 1차 릴리프 채널이 더 좁으면 효율적이지 못하다. 더 넓게 할 필요도 없다. 1차 릴리프 채널의 깊이를 어느 정도 해줘야 적당한지는 몇 가지 경험 법칙이 있다. 가장 일반적인 의견은 0.010~0.015인치 깊이가 좋다는 것이다. 채널 깊이가 금형에서 빠져나가는 공기의 흐름을 방해해서는 안 된다고 생각하면 일반적으로 0.010~0.015인치가 적당하다.

그러나 릴리프 채널이 가스를 배출하는 원료로부터 끈적끈적한 찌꺼기를 수거하는 역할을 해야 한다는 점을 고려하면 이 깊이는 다소 얕다고 느껴진다. 필자의 경험에 비춰볼 때 1차 릴리프 채널의 깊이는 벤트 깊이의 10배는 돼야 하지만, 최소한의 깊이는 0.020인치 정도다. 최소 깊이를 권장하는 까닭은 금형을 수명기간 사용하면서 서브게이트의 플레이킹(flaking), 노즐 줄 딸림, 기타 찌꺼기 등으로 인해 발생하는 손상을 수리하기 위해 파팅라인을 연삭해줘야 하는 경우가 적지 않게 일어나기 때문이다.

1차 릴리프 채널을 머시닝 가공시 그림 2A에 나온 것 같이 보여서는 안 된다는 점에 유의해야 한다. 그런데 많은 금형 설계 가이드와 교과서에 바로 이런 모양을 모델로 실어놓고 있다는 점에 필자는 어이가 없다. 가공에서 큰 지름의 절삭 커터를 사용하면 벤트 정중앙은 정확한 랜드 길이를 갖게 되지만, 바깥쪽 끝으로 갈수록 길이는 급격히 커진다.

벤트의 폭은 1/2인치처럼 보일 수 있지만, 실제로 유효너비는 약 1/16인치에 지나지 않으며, 이 벤트의 중심부에는 오래지 않아 마모가 발생할 것이다. 최소한은 작은 지름의 엔드 밀(end mill)을 사용해 모서리 모양을 만들어줘야 한다. 더 나은 방법은 벤트의 폭에 수직방향이고, 벤트 폭보다 약간 긴 좁은 채널을 밀링해주는 것이다.

릴리프 채널을 EDM(방전가공) 처리해 날카로운 모서리를 얻을 수도 있지만, 나중에 추가로 연마 작업이 필요하다(그림 2B). 어떤 방법을 선택하든 목표는 각각의 벤트를 가능한 한 효율적이고 균일하게 만드는 것이다. 다음과 같은 방식으로 생각해봐야 한다. 적절히 가공된 벤트 하나와 동일한 구실을 하려면 그림 2A에 묘사된 벤트와 유사한 여러 개의 벤트가 있어야 한다.

그림 3과 같이 1차 벤트 릴리프 채널을 연삭하면 연삭휠에 의해 생성된 원호를 밀링해줘야 한다. 그렇지 않으면 벤트의 유효 랜드 길이가 원래 의도한 것보다 훨씬 길어진다. 필자가 아는 경험 많은 금형 설계자 한 사람은 이 방법을 자주 사용한다. 랜드 길이는 매우 짧지만, 그것을 지지하는 데 충분한 강철을 남겨두는 것이다.

2차 릴리프 채널의 폭과 깊이에 관해서도 몇 가지 경험 법칙들이 통용되고 있다. 하지만 이 ‘법칙들’을 무시하고 계산기를 꺼내야 한다. 2차 릴리프 채널로 공급되는 1차 릴리프 채널에 연결되는 폭 1/2인치, 깊이 0.020인치의 벤트가 10개 있는 경우 유동 단면적은 0.010in.2다. 2차 릴리프 채널에는 최소한 이 모든 벤트가 결합된 유동 단면적 이상이 있어야 한다.

2차 릴리프 채널의 폭이 3/8인치라고 가정했을 때 최소 깊이는 0.010in.2/0.375in.=0.027in.가 돼야 한다. 그러나 필자는 거친 밀링자국과 90°회전으로 인한 압력 강하가 초래되지 않도록 이 깊이의 1.5~2배 정도로 하고 싶다. 3차 릴리프 채널에 2개 이상의 2차 릴리프 채널을 물려줄 경우에도 동일한 규칙이 적용된다. 3차 릴리프 채널의 단면적은 적어도 2차 릴리프 채널의 단면적 합계에 안전계수 1.5~2를 합한 값 이상이어야 한다.

금형에 지지면이 충분치 않거나 열처리되지 않은 강으로 만든 경우 릴리프 채널을 더 좁으면서도 더 깊게 만드는 것을 고려할 수 있다. 이렇게 함으로써 필요한 유동영역을 확보할 수 있지만, 호빙(hobbing)을 방지하기 위해 파팅라인 영역을 더 넓게 만들어야 한다. 이 옵션을 선택할 경우 측벽(사다리꼴 모양)에 5° 또는 10°의 구배를 넣어주는 것이 좋다. 이렇게 하면 금형에 플래시가 발생해도 플라스틱을 쉽게 제거할 수 있다.

필자는 현장에서 균일이 간 캐비티와 코어를 수도 없이 보았다. 가능한 경우라면 커터의 끝부분에 곡면을 조금 주는 것을 늘 권한다. 벤트 채널에 곡면을 주는 것도 좋다. 날카로운 안쪽 모서리, 열처리, 흠집, 불순물 등 베이스 금속이 받는 응력, 반복된 고압 클램핑에서 오는 피로 스트레스 등으로 그날 하루의 공정을 망칠 수 있다.

  

 

벤트의 형태

앞서 이야기한 바와 같이, 벤트 랜드의 길이는 에어를 벤트로 통과시키는 데 필요한 압력에 직접적인 영향을 미친다. 벤트의 형태 또한 압력과 벤트의 효율성에 영향을 미친다. 압축을 통한 유체 유동효율 계산에 사용되는 오리피스 유량계수(Orifice Coefficient of Flow) 또는 배출계수(Coefficient of Discharge)라는 상수가 있다.

여기서 공기는 유체로 간주되고, 벤트는 분명히 압축역할을 한다. 압축의 리딩 엣지(leading edges) 및 트레일링 엣지(trailing edges)의 다양한 형태에는 무차원수 K가 할당된다. 수가 클수록 압력 강하가 낮아지고, 그 반대의 경우도 마찬가지다. 다양한 모양의 몇 가지 예가 그림 4에 나와 있다. 이 정보를 바탕으로 ‘B’의 예에서 보는 모양과 유사하게 곡면을 넣어주거나 벤트 뒷면 모서리를 잘라내는 것도 좋은 방법이다.

  

  

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