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제목 금형 설계 시 체크리스트를 사용한 시간과 비용 절약
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/06/02 13:08

금형 설계 시 체크리스트를 사용한 시간과 비용 절약

사출성형 업체는 금형 제작자의 수준을 자신이 마지막으로 가공한 금형 수준 만큼으로 생각한다. 이번 컬럼에서는 금형 초기 시운전 과정에서 흔히 발생하는 사출성형 상의 문제를 15개 사례로 살펴본다. 이 가운데 대부분은 체크리스트를 활용한 사전 점검을 통해 문제를 피하거나 바로잡을 수 있다.

사출 성형업체들은 성형품 중량, 원료 비용, 사출기 사이즈, 사이클타임, 필요인력 등 패키징의 6가지 주요 요소를 바탕으로 작업 의뢰 고객에게 견적을 보내거나 프로젝트 비용규모 예상치를 얻는다. 원료 및 패키징 비용은 공급업체로부터 비교적 쉽게 얻을 수 있기 때문에 대개 예상치가 아닌 고정값을 확인할 수 있다. 또한 솔리드 모델링 소프트웨어 프로그램을 통해, 성형품의 중량 및 모델 부피와 원료의 밀도를 바탕으로 고정값을 얻을 수 있기도 하다.

이렇게 되면, 작업 의뢰에 대해 견적하는 사람에 따라 달라질 수 있는 변수 또는 세 가지 예상치로 사이클타임, 사출기 사이즈, 필요 인력이 남게 된다. 이 세 가지 예상치가 통상 성형업체가 해당 프로젝트를 통해 이익을 남길 수 있을지 아니면 밑지는 상황이 될지를 결정하게 된다.

대개의 경우 이 세가지 변수는 금형 설계를 통해 통제할 수 있다. 견적 예상치를 내는 업체는 금형에 문제가 발생해 들어가는 비용을 고려하지는 않기 때문이다. 성형업체는 금형에 적합한 사출기를 사용해, 예상한 사이클타임에, 예상한 수의 작업인력을 동원해 금형이 제 성능을 다한다는 전제 위에 예상 견적을 낸다.

 

금형 설계에 의해 통제되는 세 가지 비용 변수

현명한 금형 제조업체는 금형 설계 체크리스트를 사용해 필요사항을 빠트림 없이 확인한다. 필자가 본 체크리스트 대부분에는 슬롯, 절연 플레이트, 금형강 종류, 안전 스트랩, 인터록 등과 같은 세부 항목들이 포함되어 있다. 이들은 모두 금형 제작과 관련이 있지만 성형공정 자체와는 관련이 없다.

자동차산업 및 의료산업(그리고 방위산업)에서는APQP(Advanced Product Quality Planning, 사전제품 품질계획), PPAP(Production Part Approval Process, 양산부품 승인절차), FMEA(Failure Mode and Effects Analysis, 고장유형 및 영향분석), DOE(Design of Experiments, 실험계획), IQ/OQ/PQ(Installation Qualification/Operational Qualification/Process Qualification, 설치 적격성 평가/운영 적격성 평가/공정 적격성 평가, Mil Spec(Military Specification, 군용 사양) 등과 같은 약어로 갖가지 종류의 포괄적인 체크리스트 사용을 요구한다. 이러한 체크리스트 대부분은 부품의 기능 또는 금형 및 사출기의 동일 성형품 재현능력을 확인하기 위한 것이다.

금형의 초기 샘플링에서 발생하는 금형 설계 문제를 방지하기 위해 체크리스트를 사용하는 경우는 찾아보기 힘들다. 필자가 말하고자 하는 것은 사이클타임이 길어지거나, 필요한 사출기 사이즈를 크게 만들거나, 필요 인력을 늘려야 하는 원인이 될 수 있는 문제들 또는 심지어 금형이 완전 자동모드로 작동하기 어렵게 만들 수 있는 문제들이다.

대개 체크리스트에서는 “이럴 경우”라는 질문을 던지지 않는다. 금형의 초기 시운전 중 이런 또는 저런 일이 발생하면 어떻게 해야 할까? 필자는 이것을 “사전 금형 설계 체크리스트(Proactive Mold Design Checklist)”라고 부른다. 앞으로 제기될 수도 있는 문제나 필요 또는 변화에 대비해 취해야 할 조처를 확인하자는 것이다.

이번 컬럼에서는 금형 초기 시운전 과정에서 흔히 발생하는 사출성형 상의 문제를 15개 사례로 살펴본다. 이 가운데 대부분은 체크리스트를 활용한 사전 점검을 통해 피하거나 바로잡을 수 있다. 각 사례에는 체크리스트 추가를 고려할 수 있는 문제와 관련된 질문 또는 질문들을 제시한다.

 

자주 발생하는 사출성형 상의 문제

1. 금형 제작이 완료되면 샘플링을 해야 한다. 금형 설계 단계에서 사출기의 톤 수, 타이바 간격 및 숏 사이즈를 모두 고려했다. 가공업체는 사출기 설정값을 제어장치에 입력하기 시작한다. 이 작업자가 가장 먼저 맞닥뜨린 문제는 금형 코어에서 높이 4인치되는 성형품의 배출이 제대로 되지 않는 상황이다. 사출기의 이젝터 스트로크 길이가 3     인치 밖에 되지 않기 때문이다. 어떻게 해야할까?

· 금형에 맞는 사출기 사양을 확인했는가?

· 사출기의 이젝터 스트로크 길이가 충분한가? 그렇지 않은 경우, 바깥쪽에 풀러바 또는 다른 기계적 수단을 추가할 수 있는가를 확인해야 한다.

2. 금형은 12개의 가열 부위(heat zone)로 구성된 8-드롭 핫러너 시스템을 지니고 있다. 성형업체 작업자는 어떤 부위가 어떤 구성 요소를 제어하는지 전혀 알지 못한 채로 조절기를 켠다. 천천히 가열되는 부위는 매니폴드 쪽이다. 빨리 가열되는 부위가 캐비티 쪽이다.

· 성형업체가 가열 와이어 배선도를 필요로 하는지? 그렇다면 각 가열 부위 번호가 캐비티 번호와 일치하는지 살펴본다.

 

3. 금형에 스트리퍼 플레이트 이젝션 시스템이 장착되어 있다. 가공업체가 점점 더 정도가 심한 쇼트 숏(숏 부족)을 만들어 전환 위치를 정하기 시작했을 때 스트리퍼 플레이트가 아직 플라스틱에 닿지 않아 성형품이 배출되지 않는다.

· 숏 부피를 입방인치로 표시해 성형업체에 제공해 주었는지? 아니면 숏 중량을 그램으로 표시해 주었는지? 성형업체는 배럴 지름과 부피를 바탕으로 계산을 해볼 수 있다. 또는 에어 숏(air-shot)를 통해 그 중량을 측정할 수 있다.

 

4. 캐비티 간의 균형이 깨진 경우, 일부 캐비티가 다른 캐비티에 비해 빨리 충전이 이루어지지만, 성형업체는 어떤 캐비티가 아직 충전이 덜 되었는지 식별할 수 없다.  

· 캐비티 식별 숫자가 충전 종료지점이 아니라 게이트 근처에 새겨져 있는지 살펴본다.

 

5. 4개의 안쪽 캐비티 충전이 먼저 이루어지고, 4개의 바깥쪽 캐비티는 충전이 덜 된다. 

· 초기 시운전 후 캐비티 간의 균형을 맞추려고 할 때 성형품에 수지를 공급하는 각 러너 브랜치가 효과적일 만큼 충분한 길이인지 살펴본다. 이때 게이트 사이즈를 수정해 금형의 균형을 맞추려고 시도해서는 안된다. 게이트 폭과 깊이는 모든 캐비티에서 동일해야 한다. 그렇지 않으면 완전 충전에 문제가 생기고 뒤틀림이 나타날 수 있다. 또한 게이트 동결 시간의 변화로 인해 사이클타임이 늘어날 수 있다. 개별 러너의 직경을 변경해 캐비티의 균형을 조정하라. 긴 러너 브랜치는 개별 캐비티 간의 균형을 맞추기가 용이하다(그림 1 및 2 참조).

 

6. 금형 설계에 앞서 금형 충전 해석을 수행했다면 성형품에 100톤의 형체력이 필요하다는 결과를 얻었을 것이다. 성형업체는 이 보다 더 큰 형체력 150톤 사출기를 통해 금형 샘플링을 진행했지만, 플래시 발생 없이 성형품을 완전 충전해낼 수 없었다. 

· 캐비티 주변의 형체력을 높이기 위해 파팅라인에 릴리프를 주어야 하는지?

· 센터 지지기둥에 릴리프 전부하를 주어야 하는지?

· 클램프 플레이트가 플레이튼 마모를 상쇄할 수 있을 만큼 두꺼운지?

· 사출압력을 줄이기 위해 필요한 경우 스프루, 러너 및 게이트 사이즈를 늘릴 수 있는지?

· 러너 둘레에 플래시 트랩을 만들어 넣어야 하는지?

· 필요한 경우 두 번째 게이트를 성형품에 추가할 수 있는지 등을 검토한다.

 

7. 금형 충전 해석을 통해 얻은 사이클타임 예상치는 30초였다. 이 사이클타임을 바탕으로 성형업체는 이 프로젝트에 대한 견적을 진행했다. 하지만 가공업체가 양질의 성형품을 만들기 위해 얻을 수 있는 가장 빠른 사이클은 성형품의 다양한 부위에서 냉각 불충분으로 인해 40초였다.

· 성형품의 모든 부위가 충분히 냉각되는지? 여기에는 스프루 부싱에서 충전 종료 지점까지 모든 부위가 포함된다.

· 성형품에 코어 아웃(core out; 살빼기)이 필요한 부위가 있는지? 특히 사이클타임이 짧은 금형, 두꺼운 부위 및 냉각 채널을 추가하기 어려운 곳에 코어나 기타 금형 구성 요소를 베릴륨 구리, 알루미늄 등 기타 열전도성 소재로 제작해야 하는지?

· 형상적응형 냉각이 도움이 되는지?

· 성형 후 냉각용 장비가 도움이 되는지를 살핀다.

 

8. 성형품은 금형의 이젝션 측면 또는 사출 측면에 서브 게이트를 두고 있다. 금형 개방 또는 성형품 배출 시, 서브 게이트가 러너에서 끊어져 금형 내에 머물러 있으면, 다음 숏에서 캐비티를 막는다.

· 게이트 옆의 이젝터 핀 또는 풀러 핀에 충분한 길이의 랜드가 있어 러너에 연결된 보스를 더 길게 만들어 주기 위해 단축할 수 있는지?

· 게이트에 문제가 있는 경우 강성을 높여주는 리브 또는 보강판을 추가로 만들어줄 수 있는지?

· 게이트 옆의 이젝터 핀 또는 풀러 핀이 너무 가깝거나 너무 멀리 떨어져 있는 경우, 다른 위치에 핀을 추가로 만들어줄 공간이 있는지? 이젝터 핀 또는 게이트 풀러의 위치 때문에 러너를 구부릴 수 없거나 러너를 너무 많이 구부러트려야 하는 경우가 흔히 발생한다. 서브 게이트가 끊어지는 것은 그 이유인 경우가 많다.

 

9. 성형품이 매우 얇은 부위를 가지고 있으며 원료로 사용하는 나일론 66이 제대로 충전이 되지 않고 있는 것이다. 사출속도가 매우 빠르기 때문에 작은 게이트가 동결되기에 앞서 성형품에 충전이 이루어지지 않는다. 성형품에 태움 자국 불량이 많이 발생하지만, 수지 주입 속도를 늦추면 캐비티가 제대로 충전되지 않는다.

· 둘레 벤트(perimeter vent)를 추가로 만들어 주거나 게이트 근처에 러너 벤트를 추가로 만들어 주어야 하는지?

· 리브나 보스 혹은 기타 “사각지대”에 벤트를 만들 수 있는지?

· 벤트 핀 또는 다공성 금속 인서트를 추가해 주어야 하는지? 또는 필요한 경우 벤트의 랜드 길이를 짧게 만들 수 있는지?

· 성형품의 충전이 어려운 경우 유동을 돕는 플로우 리더(flow leader)를 추가할 수 있는지?

 

10. 싱크 마크를 제거하기 위해 충분한 팩 압력을 사용하면 성형품이 캐비티에 달라붙게 된다. 이때 캐비티에 금형 이형제를 분무하면 몇 번의 샷으로 고착이 사라진다.

· 성형품 외부에 충분한 드래프트가 있는지?

· 언더컷이나 거친 텍스처를 코어에 추가할 수 있는지?

· 통풍구 또는 공기 포핏을 캐비티에 추가해야 하는지 등을 검토한다.

 

11. 싱크 마크 제거를 위해 보압을 올리면, 이젝터 핀이 성형품 안으로 파고들어가고 성형품에 원형 응력 자국이 생긴다.

· “핀이 파고드는” 문제가 있는 경우 이젝터 핀을 추가하거나 더 큰 이젝터 핀을 추가로 만들어 줄 수 있는지?

· 이형이 쉽도록 드로우 연마(draw polishing, 핀 길이 방향으로 일정한 라인이 생기는 기계 연마) 마감을 지정해 놓았는지?

· 코어에 윤활 도금 또는 코팅을 추가해야 하는지?

· 성형품 안쪽 면에 드래프트가 충분한지를 살핀다.

 

12. 성형품에는 깊고 얇은 리브가 있다. 처음에는 이젝터 핀이 리브를 곧바로 통과해 뚫고 나간다. 성형품이 배출되면, 리브가 떨어져 나와 코어에 남아 있다. 성형업체 작업자가 프로판 가스 토치와 곧게 펼친 밴드 클램프를 사용해 리브를 제거하려다가 손에 심한 멍이 들게 된다. 여러 차례 시도해 실패 끝에, 리브 아래 작은 이젝터 핀이 휘어져 부러져 버렸다. 위에 제시한 체크리스트 상의 질문들 말고도 다음과 같은 사항을 점검해 보아야 한다.

· 금형 내 리브나 깊게 들어간 임프레션에 보스를 추가해야 하는지?

· 이젝션을 위한 접촉 면적을 늘리기 위해 리브에 블레이드 이젝션을 추가해야 하는지?

· 리브 또는 깊게 들어간 임프레션의 원활한 이형을 위해 플로팅 인서트를 추가해야 하는지? 

 

13. 금형에 성형품 언더컷을 만들어주는 두 개의 마주보는 리프터가 있다. 이젝터 플레이트가 앞으로 전진하면 성형품이 리프터 중 한쪽에서는 떨어져 나오는데, 다른 쪽 리프터에는 풀 같이 달라붙어 있다. 여러 차례 이젝터를 작동시켜도 성형품에 이젝션이 이루어지지 않는다. 계속 앞뒤로 반복해서 움직일 뿐인 경우

· 이젝션이 이루어지는 과정에서 성형품의 중심을 유지시켜 주기 위해 보스나 리브 또는 뾰족한 이젝터 핀을 추가로 만들어 주어야 하는지?

· 2단계 이젝터 시스템을 추가해 주어야 하는지?

· 이젝션에 문제가 있는 경우 에어 블라스트 기능을 추가해 줄 수 있는지 등을 봐야한다.

 

14. 쓰리 플레이트 금형의 러너가 문제를 일으킨다. 때로는 서커 핀(sucker pin)에 걸리기도 한다. 또는 감겨 금형에서 분리되지 않는 경우도 있다. 때로는 노즐 팁 누출 때문에 확장된 스프루에 걸리기도 한다. 

· 레인지 볼트나 스프링, 인터록 또는 기타 장애물이 러너를 방해하는지?

· 서커 핀 몸체가 걸림을 방지하기 위해 러너 안으로 약 0.010인치 정도 들어가야 하는지?

· 플로팅 플레이트 X-1에서 러너를 밀어 떼어내기 위해 롱 스로우(long throw) 장치가 달린 에어 또는 스프링 작동식 포핏을 추가해야 하는지?

· 러너의 감김을 방지하기 위해 얇은 강화 리브를 러너에 추가로 만들어주어야 하는지 등을 살핀다.

 

15. 프로젝트 견적이 반 사람 분의 필요 인력 예상치를 바탕으로 이루어졌다. 다시 말해, 한 사람의 작업자가 두 대의 사출기를 관리할 수 있다는 말이다. 이를 위해서 금형이 완전 자동으로 작동해야 하며, 작업자는 러너에서 게이트를 떼어내는 작업, 성형품 라벨을 부착하는 작업, 비닐 봉지에 성형품을 넣는 작업, 성형품을 상자로 깔끔하게 포장하는 작업, 성형품 품질검사 작업 등을 수행할 시간이 충분해야 한다. 프로젝트 견적 시에는 플래시를 다듬어 내는 작업 같은 것은 고려하지 않는다. 이 같은 현실을 고려해 다음과 같은 체크리스트 질문들이 있을 수 있다.

· 작업자가 큰 어려움 없이 성형품에서 게이트를 떼어내는 작업을 수행할 수 있는지?

· 게이트가 성형품 안으로 오목하게 들어가도록 할 수 있는지?

· 서브 게이트, 캐슈 게이트 또는 분할 핀 게이트가 작업자 작업량을 줄이는 데 도움이 되는지?

· 활송장치나 컨베이어로 성형품을 배출할 경우 성형품에 긁힘이나 손상이 발생하는지?

· 성형품 취출을 로봇이나 피커를 사용할 것인지?

 

만일 그렇다면 로봇이 내부로 들어갈 수 있을 만큼 금형이 충분히 개방될 수 있는지? 사출기의 최대 형판거리가 로봇을 이용한 취출에 충분한지?

 

금형제작자, 성형업체 그리고 성형작업 프로젝트 견적 담당자가 반드시 기억해야 할 중요한 팁이 있다. 바로 사출기의 형체력 톤수에 따라 시간당 속도가 다르다는 점이다. 사출기가 클수록 속도가 높아지는 것이다. 그에 비해, 작업자는 사출기 크기에 상관없이 고정 인건비를 갖는다. 만일 사출기 시간당 속도가 작업자가 차지하는 제조간접비 배부율 보다 낮으면, 필요 인력 수준이 가장 중요한 고려사항이 된다. 반대로 사출기의 시간당 속도가 작업자가 차지하는 제조간접비 배부율 보다 높은 경우에는 전체 사이클타임이 가장 중요하다.

 

모든 금형은 공통점도 있고 고유성도 갖는다.

사출성형 업계는 “금형 제작자의 수준은 자신이 마지막으로 가공한 금형 수준만큼이다”라는 말이 있다. 성형업체들은 거의 모든 금형이 제각기 다르다는 것을 알고 있다. 일반적으로 성형업체들은 예기치 않은 문제가 발생했을 때 그리 화를 내지 않는다. 금형제작자가 “설계 단계에서 이러한 문제가 발생할 가능성을 고려했고, 이에 대비한 대처 방안을 계획해 두고 있다”고 말한다면, 성형업체는 아마 대단히 좋은 인상을 받을 것이다.

 

하지만 흔한 금형 상의 문제, 즉 딱히 중요하지 않은 문제로 예측 내지 예방이 가능했어야 하는 일반적인 금형 문제가 발생한다면, 금형 제작업체가 새로운 주문을 받을 가능성은 희박해질 수 있다. 이것이 철저한 체크리스트의 활용이 재정적으로도 값을 매길 수 없을 만큼 중요한 까닭이다. 체크리스트는 문제가 발생할 시마다 업데이트되는 “살아있는” 문서여야 한다. 그리고 문제는 늘 일어난다.

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