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제목 금형 벤팅의 기본 ③ 사출성형 금형 벤팅의 위치와 방법
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/11/14 23:36

사출성형 금형 벤팅에 관한 몇 가지 “경험법칙(rules of thumb)”에는 콜드웰에 벤트를 만들어 줄 때 스프루 반대쪽에 하라는 것이 있다. 또한 러너에 벤트를 한 곳 만들어주어야 한다는 말도 있다. 충전종료지점에 반드시 벤트를 만들어야 한다는 말도 있다. 이러한 경험칙에 의문을 제기한다.

본 연재의 1부(8월호)에서는 금형 벤팅의 기본에 대해 다루었고, 2부(9월호)에서는 벤트의 형태, 치수, 표면처리 등에 대해 알아보았다. 이번 컬럼에서는 벤팅에 관해 널리 알려진 이른바 몇 가지 “경험법칙”이 타당한가에 관해 문제를 제기해 보고자 한다.

콜드웰(cold well)의 벤팅
널리 알려진 경험법칙의 하나가 콜드웰에 벤트를 만들어 줄 때 스프루 반대쪽에 하라는 것이다. 콜드웰 하단에 거의 생길 가능성이 없는 번 마크(태움)가 나타날까 염려해서가 아니라면, 연마에서 나중에 다시 가공할 수도 있는 이 부위에 벤트를 만들어 줄 까닭은 전혀 없다. 콜드웰 이젝터 핀을 보어에 밀어넣어 끼울 수 있는 정도라면 충분하다. 이런 식의 경험법칙은 의문을 제기해 보는 것이 필요하다.

러너의 벤팅
또 다른 경험칙으로 2플레이트 또는 3플레이트 금형에서 러너에 벤트를 한 곳, 만들어주어야 한다는 말이 있다. 이는 러너 시스템 내부에 에어가 많기 때문에 최대한 에어를 배출시켜 에어가 캐비티로 유입되지 않도록 하는 데 도움이 될 것처럼 보인다. 하지만 에어는 플라스틱과 마찬가지로 저항이 가장 적은 경로로 움직이는 성질을 지닌다.

벤트보다 10배, 20배, 심지어 50배 이상 깊이가 깊은 게이트를 통해 훨씬 자유롭게 흐를 수 있는데 에어가 고작 0.0005~0.0020인치 깊이 정도인 좁은 벤트를 통해 빠져나갈 까닭이 있을까? 적어도 시스템 전체(러너와 캐비티)의 에어가 압축되기 시작해 압력이 높아지기 전까지는 그렇게 되지 않는다. 압력이 충분히 높아질 때는, 러너의 벤트 저항이 가장 적은 경로가 된다.

압력이 이제 올라가기 시작하는 시점에서 용융수지의 유동 선단이 어느 지점에 있든, 그 위치 전에 있는 벤트는 사실상 쓸모가 없다. 에어의 양은 그것에 가해지는 압력에 반비례한다. 단지 150psi의 압력으로도 캐비티 내 공기부피를 대략 10배 정도 줄일 수 있다. 따라서 러너에 벤트가 필요한지 아닌지를 결정하고자 할 때 고려해야 할 가장 중요한 사항은 러너 안의 에어 양을 금형(러너와 모든 캐비티) 내의 총 에어 양으로 나눈 비율이다.

많은 금형이 하나 또는 두 개의 큰 부품에 수지를 공급하는 짧은 러너를 갖고 있다. 이 금형들은 보통 0.25 미만의 적은 러너 에어 양 비율을 갖는다. 이런 러너에는 어느 위치에 벤트를 만든다 해도 시간 낭비일 뿐이다. 어떤 금형들은 러너가 길면서 8캐비티, 16캐비티, 32캐비티 금형과 같이 많은 부품에 수지를 공급하면서 2차로 뻗어 나온 러너들이 몇 개씩 달려있기도 하다. 이런 경우 러너의 에어 양 비율이 약 0.75 이상될 수 있다. 이런 유형의 러너는 벤트를 만들어주면 도움이 된다.

러너 시스템에서 훨씬 더 많은 양의 에어를 빼내는 효과적인 비법도 있다. 이는 그림 1과 같이 플래시 트랩을 머시닝 해 넣어주는 것이다. 플래시 트랩은 파팅라인 손상을 방지해줄 뿐만 아니라 에어를 잡아내는데도 탁월한 성능을 발휘한다.

용융 원료는 먼저 러너 채널의 중앙을 따라 흐르기 때문에 플래시 트랩은 거의 원료가 차지 않고 빈 상태가 된다. 에어가 압축되거나 캐비티로 플라스틱 흐름에 저항이 발생해 압력이 상승하기 시작하면 원료가 바깥쪽으로 밀려나 플래시 트랩으로 유입되기 시작한다. 압력이 상승하기 시작했을 때 유동 선단이 플래시 트랩의 끝부분에 도달하지 않은 경우, 전체 플래시 트랩 내부 공기가 압축되게 된다.

이는 빠르게 배출해야 하는 에어 양이 더 많아진다는 뜻이다. 플래쉬 트랩에 벤트를 만들 때는 원료 제조사의 권장 수준보다 훨씬 더 깊게 만들어주어도 된다. 많은 경우 권장값의 두 배, 때로는 세 배까지 깊게 만들어도 좋다. 이렇게 벤트를 더 깊이 만들어 주면 금형 내의 다른 벤트보다 낮은 저항을 지닌 경로가 생기게 된다. 플래시 트랩에 벤트를 만들어 주면 포물선이나 사다리꼴 러너를 완전 원형 러너처럼 효과적으로 사용할 수 있다.

가능하면 러너 끝에 성형품으로 주입되는 게이트를 바로 만들지 말고 러너의 측면에 게이트를 만드는 것이 바람직하다. 러너의 방향이 바뀔 때마다 러너 오버플로우 웰을 만들어주어 만일의 경우 발생할 수도 있는 콜드 슬러그를 잡아 주는 것이 좋다는 것은 누구나 알고 있다. 마찬가지 논리가 러너 끝 부분에도 적용된다. 콜드 슬러그가 발생해 게이트를 막거나 캐비티로 바로 들어가는 것을 막아야 한다.

또한 가능한 경우 많은 에어를 빼내기 위해 러너 끝 부분에 벤트를 만드는 것이 좋다. 하지만 게이트에 너무 가깝게 두면 안 된다. 왜냐하면, 임계지지표면 (critical bearing surface)의 면적이 줄어들게 된다. 게이트는 금형 내에서 가장 높은 플라스틱의 압력을 받는다. 게이트 주변 표면적을 극대화해 밀폐를 확실히 해주어야 플래시로 인한 피해를 막을 수 있다.

이상적으로 말하면, 러너는 그림 2에서 보는 바와 같이 게이트에 수직이 되어야 한다. 러너가 게이트를 지나 게이트 지름보다 1.5배 더 길게 뻗도록 만들어준다. 이것이 통상적인 러너 오버플로우 길이다. 이렇게 오버플로우를 만들어 놓으면 유동 선단에 있는 어떤 잔해물도 걸러 낼 수 있고, 게이트 근처의 지지표면을 줄이지 않고도 러너 끝 부분에 벤트를 만들어 넣을 수 있다.

충전종료지점(end of fill)의 벤팅
여기 또 한가지 경험법칙이 있으니, 바로 “충전종료지점에 반드시 벤트를 만들라”는 것이다. 이는 일반적으로는 적합한 규칙이지만, 이를 말 그대로 받아들여서는 안된다. 엣지 게이트를 통해 다트 충격 테스트용의 간단한 시편을 만든다고 해보자. 일반적인 관행은 표준 게이트 반대편 양쪽 모서리 각각에, 즉 그림 3A에서 보는 바와 같이 마지막 충전지점에 벤트를 두는 것이다.

그림 3A의 벤트 랜드를 자세히 보면, 그 길이가 중간이 가장 짧고 바깥쪽 가장자리로 갈수록 길어지는 변화를 볼 수 있다. 이는 정말로 잘못된 설계다. 코너에 있는 벤트 수명을 크게 늘리려면, 그림 3B와 같이 숫자를 두 배로 늘리고, 모서리에서 1/16~1/8인치 정도 떨어진 위치에 만들어주어야 한다.

캐비티에 갇혀 마지막 조금 남은 에어는 대개 매우 압축된 상태로, 극히 뜨겁고, 부식성, 휘발성 물질로 가득 차 있다는 점을 고려하면, 이런 식으로 벤트 레이아웃을 잡아주면 벤트와 캐비티 강철의 부식 발생을 늦추는데 도움이 된다. 이런 유형의 성형품을 벤팅시키는 가장 좋은 방법은 그림 3C처럼 가장자리 전체를 따라 벤트를 만들어 주는 것이다. 단 코너 부분은 피해야 한다. 이렇게 해주면 압축 에어가 배출되는 벤트 흐름 영역이 훨씬 커지고 코너 부분도 보호할 수 있다.

그림 3A, 3B, 3C는 “스팟(spot)” 벤트의 다양한 예를 보여준다. 매우 넓은 스팟 벤트를 가진 그림 3C는 연속 벤트(continuous vent) 혹은 주변 벤트(peripheral vent)라 부르는 그다음 유형의 고정식 벤트를 생각나게 한다. 아주 간단하게 말하면, 이런 유형의 벤트는 성형품 둘레 전체를 완전히 또는 거의 완전히 둘러싸고 있다. 만일 성형품의 형태가 둥근 경우에는, 이를 링 벤트(ring vent)라고 부르기도 한다. 반면 성형품의 형태가 정사각형인 경우에는 이를 둘레 벤트(perimeter vent)라 부른다.

그 형태가 둥글든, 정사각형이든, 또 상상할 수 있는 어떤 모양이든 상관없다. 벤트가 성형품의 바깥쪽 가장자리를 감싸고 있으면 이는 연속 벤트다. 스트리퍼-플레이트 셧오프(stripper-plate shutoff)와 코어 사이에 작은 틈이 있으면, 이 역시 연속 벤트라 부를 수 있다. 연속 벤트의 목적은 에어 흐름의 면적을 극대화하는 것이다. 이것는 매우 빠른 충전이 필요한 공정에서 극히 중요하다.

그림 4는 간단한 컬러칩 금형을 위한 캐비티 주변 대부분을 에워싼 연속 벤트를 보여준다. 벤트가 없는 유일한 곳은 게이트 양쪽뿐이다. 원료가 어떻게 캐비티로 유입되는가를 상상해 보거나, 금형 내 수지 유동 시뮬레이션을 수행해보면, 게이트 반대편 두 모서리뿐 아니라 성형품의 네 모퉁이에 에어가 갇히게 되는 위치라는 것을 알 수 있다. 이것이 바로 게이트 반대쪽과 게이트 끝의 모서리에 통풍구를 추가해 주는 중요한 이유다.

또한 러너의 끝부분에 좁은 벤트가 아니라 측면으로 에어가 빠지는 넓고 넉넉한 벤트를 만들어 주도록 해야 한다. 어떤 종류의 벤트를 사용하든, 지난 “2부: 금형 벤팅의 기본2”에서 다루었던 가이드라인, 특히 에어 흐름과 같은 방향으로 벤트를 연삭하고 연마하는 방법에 관한 설명을 따르는 것이 좋다.

벤팅 문제가 자주 발생하는 곳은 블라인드 리브(blind rib) 또는 솔리드(solid)나 중공 보스(hollow boss) 같은 기타 유형의 독립형 돌출부 하단이다. 돌출부의 깊이가 두께보다 1.5배 이상이면 에어가 그 안에 갇힐 가능성이 높다. 이는 충전을 방해하거나 갇혀 압축된 에어가 디젤엔진에서처럼 연소하면서 탄 자국을 남길 수 있다. 중요한 포인트는 이 점이다. 즉, 문제를 일으키는 것은 깊이가 아니라, 두께와 깊이의 비율이라는 점이다. 리브가 있는 경우, 리브가 원료 흐름에 수직으로 자리 잡고 있을 때 이 같은 문제들이 악화된다.

깊은 립에 벤트를 만들어주는 가장 일반적 방법중 하나는 금형에 인서트를 설치하는 것이다. 인서트는 리브에 인접한, 더 바람직하게는 리브의 중간에, 분할선을 형성해준다. 어떤 이들은 이를

“자연(natural)” 벤트라 부르기도 하는데, 이는 코어 인서트, 캠, 리프터, 이젝터 핀과 같은 금형 부품 두 가지 사이의 유격으로 인해 자연스레 생성된 벤트를 가리킨다.

금형 인서트는 딥 리브에 일반적으로 사용된다. 블라인드 리브를 EDM 가공 후 얇은 연마석으로 고운 마감 상태로 연마하는 것보다 인서트의 측면에 리브 컷을 가공하고 연마하는 것이 훨씬 쉽고 비용도 적게 들기 때문이다. 리브 인서트를 일체형으로 만들어 주었을 때 또 다른 장점은 리브 하단부터 일어날 수 있는 코어의 균열 가능성을 예방할 수 있다는 점이다.

리브는 강한 사출압력과 표면적이 넓어, 강철이 서로 벌어지도록 힘을 가한다. 금형 수지 충전이 과도하면 인서트가 미세하게 코어에서 벗어나는 일이 흔히 발생한다. 이러한 까닭으로 금형 인서트 벤트는 원료 제조업체의 권장 깊이 범위에서 가능한한 얕게 두는 것이 좋다고 한다.

인서트가 수지 주입 중에 에어를 뿜어내므로, 벤트는 약간씩 그 크기가 커진다. 하지만 여러 개의 벤트를 만들어 주거나, 충전종료지점에 있는 인서트의 전체 너비에 걸쳐 벤트를 만들어 줌으로써 얕은 벤트 깊이를 보완할 수 있다.

립을 따라 분리 라인(split line)을 두면 벤트의 청결 유지와 관련해 단점이 있다. 파팅 라인 위의 고정식 벤트는 분리하지 않고도 청소하기가 쉽다. 인서트에 있는 딥 리브의 하단에 위치한 고정식 벤트는 청소를 위해서는 금형을 완전히 분해해야 한다. 이 때문에 어떤 이들은 리브 하단에 벤트가 장착된 이젝터 핀을 사용한다. 이젝터 핀은 다이내믹 벤트 혹은 “움직이는” 벤트다. 금형을 사출기에서 빼내지 않고도 이젝터 플레이트를 최대한 앞으로 전진시킴으로써 핀의 대부분을 청소할 수 있다.

리브 하단에 이젝터 핀을 두는 것은 일반적으로 괜찮은 생각이다. 성형품의 리브는 엄청난 유지력으로 금형에 달라붙어 있다. 리브 바로 아래 이젝터 핀은 다양한 성형 조건에서 리브의 이형이 제대로 될 수 있도록 하는 최상의 방법이라 할 수 있다.

자, 그렇다면 어떤 방식을 선택할지 어떻게 결정할 것인가? 비용이 덜 드는 금형에 인서트를 설치하는 방법을 쓸 것인가, 아니면 유지보수 간격을 늘이기 위해 코어 솔리드를 그대로 두고 이젝터 핀을 사용할 것인가? 그림 5와 6에서 보는 바와 같이 두 가지 방법을 함께 결합해 양 쪽 방법의 장점을 모두 누리는 것은 어떤가?

대부분의 금형 설계자들은 이젝터 핀을 리브 중앙에 둔다. 리브가 솔리드에 가공되어 있다면 이것이 별 문제가 되지 않는다. 하지만 금형 인서트를 사용하는 경우라면 이젝터 핀을 리브 중앙에 두어서는 안된다. 핀 섀프트의 일부분이 분리 라인 위에 오게 되기 때문이다.

그렇다고 이젝터 핀 지름을 줄이는 것은 좋은 해결책이 아니다. 작은 핀은 골링이나, 걸림, 휨, 부러짐 같은 골치 아픈 문제가 생기기 쉽기 때문이다. 이젝터 핀에 오프셋을 만들어주면 핀 지름을 줄일 필요가 없다. 핀이 분리 라인 위로 침범하는 일도 막을 수 있고, 핀과 인서트 사이에도 충분한 양의 금형강을 확보할 수 있다.

벤트가 들어간 이젝터 핀이 “스스로 청소하는(self-cleaning)” 기능이 있다고 하는 이들이 있다. 고정식 벤트와 마찬가지로 이것도 스스로를 청소하는 기능은 없다. 오히려 벤트 이젝터 핀은 ‘알아서 이물질을 치우는(self-clearing)’ 기능이 있다고 표현해야 맞다. 정기적인 예방정비를 수행하는 과정에서 벤트 이젝터 핀에 온통 묻은 수지 찌꺼기를 닦아내어 본 경험이 있다면 이것이 무슨 말인지 너무나도 잘 알 것이다.

웰드 라인(weld line)의 벤팅
1947년 나온<플라스틱 사출성형>이라는 책에서 저자 Islyn Thomas 박사는 웰드라인에 벤트를 두어야 할 필요성에 대해 필자가 도저히 따라갈 수 없을 정도로 명확하게 요약한 바 있다. 따라서 여기 인용해 본다. “두 개 또는 그 이상의 원료 흐름이 만나 단단한 덩어리로 합쳐지는 웰드라인 혹은 연결 지점의 캐비티에는 벤트가 필요하다. 이 부위에 갇힌 에어를 내보내 줌으로써 서로 합쳐지는 수지 흐름이 간극 없이 접촉할 수 있고, 그 결과로 성형품의 강도와 외관이 크게 향상된다” 72년 전에 쓰여졌지만, 지금도 절대적으로 타당한 설명이다.

웰드라인과 멜드라인(meld line)은 서로 합류되는 용융수지 흐름에 의해 형성된다. 수지 흐름이 합쳐지게 되는 흔한 경우로는
1) 캐비티 하나에 두 개 이상의 게이트가 연결되는경우
2) 성형품에 개방된 부위가 있을 때 원료가 그 주위를 에둘러 유동해야 하는 경우
3) 성형품의 두께가 부위별로 다르거나, 게이트 위치가 적절하지 못한 경우, 그래서 “백필(back-fill)” 상태가 야기되는 경우 등이 있다.

용융수지가 서로 합쳐지는 경우처럼 에어가 갇혀 있는 곳이라면 어느 부위든 코어 인서트를 사용할 수 있다. 코어 인서트는 정사각형, 원형 혹은 어떤 모양이라도 가능하다. 벤트 핀도, 그것이 고정돼 있든, 움직이든, 이를 에어 배출 목적으로 사용하면 일종의 코어 인서트라고 부를 수 있다.

벤트 핀을 사용할 때는 핀 중앙을 갇혀있는 에어 지점 중앙에 놓아서는 안된다. 최상의 결과를 얻기 위해서는 벤트 핀의 가장자리를 에어가 갇히는 지점 중앙에 위치시키는 것이 좋다. 캐비티 하나에 두 개 이상의 게이트가 있는 경우라면, 변화하는 가공조건 때문에 에어가 모이는 장소가 약간씩 변할 수 있다.

이 같은 변동을 보정하기 위해서 크기가 큰 벤트 핀 혹은 여러 개의 벤트 핀을 사용 할 수도 있다. 성형품의 아래쪽에 작은 보스를 만들어 주어도 무방한 경우라면, 벤트 핀을 1/4인치 또는 그 이상 오목하게 만들어 주면 가장 좋다. 이는 약한 웰드 라인을 튼튼한 멜드라인으로 바꾸어준다. 오목한 핀으로 생긴 보스 안으로 원료가 계속 유입되어 들어가기 때문이다. 만일 보스가 성형품의 기능을 방해한다면, 오목 핀의 형상을 콜드 웰용 “Z형 풀러” 처럼 만들어줄 수도 있다. 성형 원료의 종류에 따라, 성형품이 이형된 뒤 뜯어내 버리면 된다.

셧오프(shut-offs)의 벤팅
이를테면 그림 액자의 경우처럼 성형품에 개방된 부위가 있다면, 성형품의 안쪽 가장자리에 갇힌 에어를 완전히 빼내기 위해 중앙 셧오프 표면에 벤트를 추가해 줄 수 있다. 이런 벤트의 릴리프 채널은 셧오프에 드릴로 뚫어 놓은 구멍으로 연결할 수 있다. 이런 벤트와 릴리프는 캠이나 리프터 전면에 사용할 수도 있다. 강철과 강철이 접촉하는 곳이라면, 벤트를 추가로 만들어 줄 수 있는 경우가 많다.

벤트에 에어가 대기 밖으로 나갈 수 있는 통로가 반드시 있어야 하는 것은 아니다. 필자는 블라인드 포켓 안으로 에어를 배출하는 벤트를 사용한 경험이 여러 차례 있다. 예를 들어, 지름 1/2인치 코어 핀을 사용해 두꺼운 성형품을 관통하는 구멍을 만들어준 적이 있다. 원료 흐름은 자연히 핀 둘레를 유동시켜 반대편 쪽에서 합쳐졌다. 코어 핀의 외경에 벤트를 만들어주었더니 성형품 하단에 갇힌 소량의 에어를 배출하는 데 좋은 효과가 있었다.

하지만 성형품 위쪽에는 여전히 번 마크가 간간히 나타났다. 그래서 캐비티와 만나는 셧오프 지점인 코어핀 전면에 1/16 인치 지름×3/8인치 깊이 구멍을 뚫었다. 그리고 핀의 위쪽에 합쳐지는 원료 흐름 방향에 맞추어 벤트를 연마해 주었다. 블라인드 구멍은 소량의 갇힌 에어를 잡아 줄 정도는 됐다. 금형이 개방될 때마다 핀 내부 압축된 에어가 배출됐다.

이런 블라인드 벤트는 새로운 금형을 사용해 샘플링하면서 문제를 발견했을 때 매우 유용하다. 냉각수 라인이나 리프터 혹은 다른 장애물 때문에 에어를 마땅히 내보낼 곳이 없을 때는 이 같은 대안을 고려해 보면 좋다.

역(逆) 벤팅(reverse venting)
충전 문제나 태움 불량이 없어도 코어 쪽이든 캐비티 쪽이든 독립 돌출부에 대해서는 벤트를 만들어 주는 것이 좋다. 에어는 실제로 벤트의 양쪽 방향으로 흐른다. 충전 문제나 태움 불량의 방지를 위해 사출 중 캐비티 밖으로 공기가 빠져나가도록 한다는 것이 우리가 보통 생각하는 시나리오이지만, 금형 개방 및 이형 시에 벤트를 통해 공기가 캐비티로 들어가기도 한다.

이렇게 벤트는 성형품이나 성형품 표면 일부가 캐비티나 코어에 달라붙게 만들 수 있는 진공 상태를 없애준다. 이 같은 진공 상태는 때로 작업자를 엄청나게 성가시게 할 수 있다. 에어가 벤트에서 빠져나올 뿐 아니라, 축적된 바깥의 가스가 동시에 들어오면서 성형품의 밑면에 그리스 자국을 남기는 경우가 적지 않다.

그럼에도 불구하고 이 같은 역방향 벤팅은 금형 개방이 빨라지도록 해줄 뿐 아니라 성형품 이형작업에 필요한 힘의 양을 줄여준다. 극단적인 경우지만 필요하다면 에어 포핏 밸브(air poppet valve) 경우처럼 압축 공기를 벤트를 통해 공급할 수도 있다. 멀티 캐비티 금형의 경우 각 캐비티를 완전히 동일한 방식으로 벤팅시켜야 할 뿐 아니라, 모든 러너의 가지들 역시 서로 동일한 방식으로 벤팅되도록 해주어야 한다. 그렇지 않으면 충전 및 패킹에 불균형이 초래될 수 있다.

이상의 모든 것을 적절하게 처리했다면, 금형 도면에 최종 결과로 설치된 고정식 벤트 및 다이내믹 벤트의 위치, 너비, 깊이, 유형 등을 상세이 표시해 두는 것이 필요하다. 시간이 흐르면 벤트는 마모되거나 부서질 가능성이 크다. 그때는 원래 만들었던 깊이로 교체하거나 다시 머시닝 해주어야 한다.

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19050   금형 벤팅의 기본 ② 플라스틱코리아