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제목 올바른 게이트, 러너, 스프루 사이즈 결정법 ②
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/09/25 10:03

올바른 게이트, 러너, 스프루 사이즈 결정법 ②

스프루와 러너, 게이트를 처음부터 이상적 사이즈에 가깝도록 만들어 주는 것이 최선이다. 다이렉트 스프루 게이트는 단일 캐비티 금형에 사용되지만 러너나 일반적 형태의 게이트를 사용하지 않는다. 또한 게이트 랜드 길이 결정은 예상 수지 주입 속도를 바탕으로 이루어져야 한다. 이상적인 랜드 길이는 원료 종류에 따라 일정 부분 달라진다. 

 

지난 8월호 1부 컬럼에서 적절한 게이트 깊이와 게이트 너비의 중요성에 대해 다뤘다. 이번 달에는 두 가지 유형의 게이트에 초점을 맞추어, 게이트 랜드 길이, 게이트 동결 시간 등에 대해 살펴본다.

 

서브게이트(Sub-Gates)

본지 2018년 9월/10월호에 실린 “금형 설계자를 위한 터널형 게이트 정리①, ②”를 통해 다루었던 바와 같이 서브게이트 형태에는 여러 가지 유형이 있다. 가장 일반적인 것은 원뿔형태를 지니는데 연마 가공 비용이 가장 저렴하기 때문이다. D형 서브게이트와 끌형(chisel) 서브게이트 또한 매우 널리 쓰인다.

원뿔형 서브게이트의 규격을 정할 때는 성형품에 엣지(edge) 게이트를 만들어 준다고 가정하고 시작해야 한다. 그리고 지난 8월호 기사에서 설명한 가이드라인을 사용해 게이트 깊이와 너비 근사값을 구한다. 이렇게 얻은 게이트 깊이와 너비를 곱해 유동 면적을 구하고 그런 다음 이 면적을 지름값으로 변환한다. 이렇게 하면 서브게이트의 지름이 엣지게이트와 동등한 면적을 갖게 된다. 이에 대한 공식은 아래와 같다:

서브게이트 지름 = √ (엣지게이트 깊이×너비÷π)×2

원뿔형 게이트 또는 “D”형 게이트의 경우, 이 지름값은 구멍 전체를 관통하기에 알맞는 게이지 핀 규격이다. 이는 서브게이트가 남기는 타원형 자국의 작은 쪽 지름으로, 타원형 자국의 큰 쪽 지름이나 타원 또는 “D” 모양의 전체 면적이 아니다. 이는 완전히 둥근 형태 러너의 유동 면적을 사다리꼴, 포물선형 또는 기타 다른 형태 러너와 비교하는 것과 유사하다.

 원뿔형 및 “D” 모양의 서브게이트가 가장 널리 사용되고 있지만 가장 덜 바람직한 일반적인 형태다. 게이트를 통해 게이트 동결 시간과 게이트를 통과하는 원료의 유량을 독립적으로 제어할 수 없기 때문이다. 유동 길이가 긴 경우에는 캐비티 충전을 위해 서브게이트의 사이즈가 더 커야 한다.

이 때문에 게이트 동결 시간이 불필요하게 길어지게 된다. 따라서 보다 바람직한 서브게이트 유형은 그림 1에서 보는 것과 같은 끌 형태라 할 수 있다. 끌 형태 서브게이트의 깊이와 너비는 엣지게이트 경우와 마찬가지로 해준다. 이렇게 함으로써 사이클 타임을 늘이지 않아도 게이트 동결 시간 및 유동 길이를 독립적으로 제어할 수 있다.

끌 형태 서브게이트의 또 다른 장점은 특히 게이트 위치가 경사가 심한 테이퍼 또는 곡면을 지닌 벽에 자리잡고 있을 때 원뿔형 서브게이트보다 작은 게이트 베스티지(vestige) 즉 흔적을 남긴다는 것이다. 또한 금형에 손상을 주는 박리(flakes) 발생 염려도 적다.

 

다이렉트 스프루 게이트(Direct Sprue Gates)

다이렉트 스프루 게이트는 단일 캐비티 금형에 사용되지만 러너나 일반적 형태의 게이트를 사용하지 않는다. 다이렉트 게이팅을 한 성형품 위의 스프루 부싱 오리피스가 게이트 역할을 하는 것이다. 스프루 부싱 오리피스의 규격은 금형 설계 과정에서 제대로 이해하지 못해 놓치기 쉬운 치수의 하나로, 이런 문제는 특히 다이렉트 게이트 성형품에서 빈번하게 발생한다.

다이렉트 스프루 게이팅된 성형품의 규격 조정은 까다로운 작업이다. 이상적인 것은, 성형품과 만나는 스프루 부싱의 출구 지름을 성형품 두께의 약 1.5배 정도로하면 좋다. 예를 들어, 성형품 두께가 0.100인치라면 스프루 부싱의 출구 지름은 약 0.150인치가 적당하다. 이보다 너무 크면 사이클 타임이 길어지게 된다. 성형품 반대쪽 표면에 싱크 마크 발생을 방지하기 위해 패킹압력 및 보압시간을 충분히 높고 길게 주어야 하기 때문이다.

또한 성형품 표면에 게이트로 인한 홍변(blush)을 방지하는 것이 어려울 수도 있다. 이는 특히 다이렉트 게이팅을 사용한 성형품에는 일반적으로 사출기 노즐 팁에서 나오는 콜드 슬러그를 잡아낼 수 있는 콜드 웰이 없기 때문이다.

주입구 또는 “O” 형 구멍의 지름을 정할 때 필자는 앞서 서브게이트에서 예로 든 경우와 마찬가지로 성형품에 엣지게이트를 만들어주는 경우 어떤 사이즈로 했을 것인지를 검토하는 것부터 시작한다. 이를 통해 최소 구멍 크기를 손쉽게 확인할 수 있다. 성형품에 엣지게이트를 만들 때 게이트 깊이는 0.050인치, 너비는 0.200인치라고 가정했을 때 유동 면적은 0.050인치×0.200인치인 0.100평방인치가 된다. 따라서 유동 면적을 지닌 지름은 (0.100÷π)×2의 제곱근으로 0.113 인치가 된다.

이렇게 다이렉트 스프루 부싱 성형품의 “이상적인” 주입구와 출구 지름이 얼마가 돼야 하는지 확인했다. 이 값들이 실제로 달성 가능한지 여부는 스프루 부싱의 길이 및 내부 테이퍼에 달려있다. 그리고 이 부분에서 불가능은 아니라도 일이 매우 까다로워진다.

이 예에서, 주입구 또는 “O” 모양의 지름 0.113인치에 출구 지름 0.150인치를 확보하기 위해 필요한 1/2 in./ft(끼인각 2.386°)의 업계 표준 내부 테이퍼가 들어 간 스프루 부싱은 약 0.89인치 길이 제품 뿐이다. 이 길이로는 사출 클램프 플레이트 전면에서 성형품까지 갈 만큼 충분치 않을 것이다. 이럴 때는 클램프 플레이트에 그리고 필요한 경우 캐비티 플레이트 일부에도 카운터보어를 만들어줌으로써 스프루 부싱의 전체 길이를 최소화할 수 있다.

필자는 캐비티 인서트 뒷면에 직접 스프루 부싱 헤드의 밑면을 직접 장착해 본 적이 있다. 사출기의 배럴에서 나오는 노즐 접촉 압력은 볼트를 부러뜨리고 캐비티 인서트를 포켓 밖으로 밀어내 작업장 바닥으로 떨어트릴 만큼 강력했다. 대형 사출기일수록 노즐 접촉력도 커진다. 따라서 이 방법을 쓰는 경우에는 이런 점을 염두에 두고 인서트를 제자리에 잡아두기에 충분한 크기와 개수의 볼트를 사용해야 한다.

맞춤형 스프루 부싱을 만들어 내부 테이퍼를 표준 2.38° 끼인각에서 1~2° 까인각으로 줄여주는 것도 방법이다. 스프루 두께와 원료 수축률의 영향을 최대한 덜 받을 수 있는 각도로 맞추어 주는 것이 좋다. 맞춤형 스프루 부싱을 만드는 가장 좋은 방법은 “O” 형상 치수가 작은 기성품 스프루 부싱을 구입하는 것이다. 작은 치수부터 시작해 와이어 EDM 가공을 통해 원하는 크기의 보어로 만들면 테이퍼를 줄 수 있다.

필요 수지 주입압력 및 게이트 동결 시간을 결정하는 스프루의 적정 “O” 치수를 줄이거나 늘리는 것은 피해야 한다. 길이가 문제가 되는 경우, 가능하고 유일한 것은 더 큰 출구 지름을 감수하는 것이다. 사이클타임이 늘어나는 것을 최소화하기 위해서는 스프루 부싱에 직접 냉각이 필요하다. 스프루 부싱 부근의 냉각 채널을 통한 간접 냉각은 스프루가 캐비티 인서트에서 직접 절삭되어 있어 실질적으로 별도의 스프루 부싱이 없는 경우가 아니고는 그리 효과적이지 않은 경우가 대부분이다. 구리 합금으로 만든 스프루 부싱을 사용하거나, 형상적응형(conformal) 냉각 채널을 지닌 스프루 부싱을 사용하는 것도 매우 도움이 된다.

안타깝게도, 다이렉트 스프루게이트 성형품은 대부분 수지 주입 및 이젝션이 같은 쪽으로 이루어지며(역방향 이젝션), 스프루 부싱이 매우 길다. 이같은 경우 가장 좋은 해결책은 핫 부싱 사용을 고려하는 것이다. 만약 핫 스프루 부싱이 비용이 너무 많이 든다고 생각된다면, 핫 스프루 부싱의 평균 비용을 회수하는 데 필요한 사이클 수를 상세히 보여주는 표1 를 참조하라.

투자수익률(ROI)은 시간 당 기계율(machine rate)과 사이클타임의 예상 절감 수준을 기반으로 한 것이다. 일단 이 투자수익률이 사이클 수에 도달하고 나면, 그 때부터는 성형품이 나올 때마다 그만큼 수익이 늘어나게 된다.

이 수치들은 원료 절감 및 필요한 인력 감소는 계산하지 않고 보수적으로 계산한 숫자다. 또한 줄어든 불량 발생률도 계산에 넣지 않았다. 작은 콜드 스프루가 나오고 팁 교체가 가능한 핫 스프루 부싱을 구매하는 것을 고려해 보라. 그러면 다양한 길이의 팁을 구입해 교체해가며 같은 부싱을 다른 금형에도 사용할 수 있게돼 더 많은 비용을 절감할 수 있다. 끝으로, 콜드 스프루 부싱을 사용하든 핫 스프루 부싱을 사용하든 부싱 출구에 0.005인치에서 0.025인치의 곡면을 넣어주는 것이 좋다. 열가소성 플라스틱 원료의 원활한 유동을 위해 급격한 모서리를 피하는 것이 좋기 때문이다. 

 

엣지게이트(Edge-Gate)의 랜드(Land) 길이

엣지게이트를 살펴보려면 먼저 랜드 길이에 대해 다루어야 한다. 엣지게이트의 랜드 길이는 그림 2에서 보는 바와 같이 성형품 바깥쪽 표면이 러너와 연결되는 가장 짧은 직선 부위다. 게이트의 랜드 길이는 원료 점도에 직접적인 영향을 미친다. 랜드 길이가 길어질 수록 원료에 더 많은 전단을 가하게 돼 원료 점도가 줄어들게 된다. 반드시 필요한 경우가 아니라도 이는 캐비티로 가는 유동 길이 개선에 도움이 될 수 있다. 하지만 랜드 길이가 너무 길면 해로울 수도 있고 PVC와 같은 전단에 민감한 원료는 태움 자국을 남길 수도 있다. 

랜드 길이가 길수록 마치 긴 스트로우에 숨을 내쉴 때와 짧은 스트로우를 통해 숨을 내쉴 때의 차이처럼 게이트를 통해 원료를 밀어 내는 데 필요한 압력이 커진다. 하지만, 긴 랜드는 원료의 점도를 낮추기 때문에, 특히 수지 주입 속도가 높을 때에는 캐비티 충전을 위한 압력이 덜 필요하다.

게이트의 랜드 길이는 게이트 깊이의 절반이어야 한다는 오래된 경험칙이 있다. 하지만 이는 잊어버리는 것이 이로울 수 있다. 필자는 게이트 랜드가 제로인 금형을 여럿 보았고, 랜드 길이가 1½인치가 넘는 금형도 많이 다루어 봤다. 두 쪽 모두 각각의 특정 용도에 적합하게 제 역할을 한다. 업계 전문가들의 공통적 견해는 게이트의 랜드 길이는 0.020인치에서 0.045인치 사이가 좋다는 것이다. 이는 제법 괜찮은 일반적인 규칙이다. 하지만 규칙에는 항상 몇 가지 예외가 있으며, 불행히도 그 예외들이 언급되는 경우는 거의 없다.

게이트 랜드 길이의 결정은 예상 수지 주입 속도를 바탕으로 이루어져야 한다. 얕은 게이트 깊이를 지닌 얇은 성형품과 같이 매우 빠른 속도로 수지를 주입해야 하는 경우는 일반적으로 랜드 길이가 짧아야 한다. 매우 깊은 게이트를 지닌 두꺼운 성형품과 같이 매우 느리게 수지를 주입해야 하는 경우라면, 게이트를 통과하면서 압력 유실이 거의 발생하지 않기 때문에 랜드 길이를 상당히 길게 할 수 있다. 이상적인 랜드 길이는 원료 종류에 따라 일정 부분 달라진다. 원료 제조업체가 제공하는 설계 가이드라인을 꼼꼼히 살펴봐야 하지만, 설계 가이드라는 것이 본질적으로 일반적인 정보에 불과하다는 점을 명심해야 한다.

게이트 랜드 길이는 언제나 살짝 더 길게 시작하는 것이 좋다. 전단이 높거나 게이트를 통과하는 사출 압력이 높아서 문제가 생기는 경우에 줄일 수 있기 때문이다. 사출성형업체가 잘못된 치수 게이트로 성형품을 가공하느라 애를 먹도록 해서는 안된다. 게이트 치수가 올바르지 못하면 가공 윈도우가 좁아져 불량품 발생 가능성이 기하급수적으로 증가한다. 어떤 경우든 멀티 캐비티 금형은 모든 게이트의 깊이, 너비, 랜드 길이가 동일하도록 해야 한다. 그렇지 않으면, 캐비티 간의 불균형을 초래하게 된다.

 

게이트 동결

2000년 5월, 미국 SPE ANTEC컨퍼런스에서 Holland사 선임 기술개발 엔지니어와 Amco Polymer사 애플리케이션 개발 엔지니어가 “게이트 랜드와 그것이 게이트/캐비티의 압력 손실에 미치는 영향”이라는 주제로 논문을 발표했다. 이 논문은 랜드 길이가 짧으면 게이트 동결 시간이 증가할 수 있다는 주장을 간결하게 담고 있다. 하지만 논문의 두 저자와 이야기를 나누어 보았을 때, 이같은 주장을 뒷받침해줄 실증적 데이터는 없지만, 우리 세 사람 모두는 두 가지 주요한 이유에서 이것이 진실이라 믿는다.

 첫째, 랜드가 짧으면 게이트 면적에서 강철이 적어지며, 면적은 전도에 의한 열 전달 속도를 계산하기 위한 수식에서 주요한 변수다. 둘째, 랜드 길이가 짧아지면 러너가 게이트에 더 가까워져, 이 임계 영역에 열을 더 많이 전달해준다. 그뿐 아니라, 성형품이 두꺼운 경우에도 이 임계 영역에 추가로 열이 더 가해진다. 앞서 언급했듯, 두꺼운 성형품이나 큰 원형 러너를 지닌 성형품은 더 긴 랜드가 필요할 수 있다.

1인치 길이의 랜드를 가진 게이트가 0.100인치 랜드 게이트보다 더 신속하게 응고될 것으로 확신하지만, 0.020인치 길이의 랜드 게이트와 0.045인치 랜드 게이트 사이에 응고 속도에 큰 차이가 있을 것이라고 믿기는 어렵다. 뿐만 아니라, 랜드가 짧은 경우 전단이 덜 발생하기 때문에 원료와 강철 모두 온도 상승이 적어진다. 게이트 동결 시간 때문에 실제로 성형 사이클이 길어지는 경우, 그 까닭은 랜드가 너무 짧아서가 아니라 게이트 깊이가 너무 깊어서일 가능성이 높다고 필자는 본다. 하지만 실증적 데이터 없이는 확실히 알 수 없다.

이는 언급할 만한 가치가 있는 또 한 가지 사항과 관련이 있다. 과학적 성형법을 채택한 회사들은 자신들이 사용하는 금형에 대해 게이트 동결 연구를 수행한다. 한 엔지니어가 2015년 11월 발표한 “올바른 게이트 밀폐(Gate-Seal) 테스트”는 이 연구 수행 방법에 대한 상세한 가이드가 되고 있다. 기본적으로, 약 1초 정도의 매우 짧은 2단계 보압시간으로 시작해 성형품의 무게를 측정한다. 그런 다음 성형품의 무게가 더 이상 증가하지 않을 때까지 사이클타임을 동일하게 유지하면서 보압시간을 점차로 늘려나간다. 이를 통해 원료가 러너로 역류해 성형품의 패킹 즉 압축이 불충분하게 되는 것을 막을 수 있는 게이트 동결에 필요한 시간을 알 수 있다. “게이트 동결 해제” 상태를 이용하고자 할 때도, 보압시간을 얼마나 덜 이용할 것인지를 알아내기 위해서 이 연구를 수행해야 한다. 어느 쪽이든 간에, 스크류의 회전 시작 전 보압시간이 얼마나 필요한지 알 수 있다.

게이트 동결 연구를 통해서도 알 수 없는 것은 게이트가 너무 얕거나 너무 깊은지 여부다. 또한 랜드 길이가 너무 길거나 너무 짧은지도 판단할 수 없다. 이러한 부분들은 성형품, 사출기 그리고 물리적 테스트를 통해서만 알 수 있다. 성형품에서 여전히 눈에 띄는 싱크 마크 또는 내부 보이드(기포)가 생기거나, 게이트 동결 후 치수가 작게 나오는 경우라면, 게이트 깊이를 늘려주어야 한다. 왜냐하면 더 많은 양의 플라스틱을 캐비티에 압축해 넣을때 필요한 게이트 동결 시간이 늘어나기 때문이다.

이제 막 언급했듯 게이트가 동결 시간이 오래 걸린다면 게이트가 너무 깊은 것일 수도 있다. 그러나 보압이 너무 높고 게이트 내의 반쯤 응고된 원료가 캐비티로 계속 밀려들어가기 때문일 수도 있다. 게이트를 통과하며 발생하는 압력 손실이 지나치게 높거나 캐비티 안으로 원료의 제팅(jetting)이 발생하는 경우라면, 게이트가 너무 얕거나 랜드가 너무 길어서일 수 있다.

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19662   올바른 게이트, 러너, 스프루 사이즈 결정법 ① 플라스틱코리아