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제목 올바른 게이트, 러너, 스프루 규격 결정법 ③
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/11/02 17:13

올바른 게이트, 러너, 스프루 규격 결정법 ③

 

스프루와 러너, 게이트를 처음부터 이상적 사이즈에 가깝도록 만들어 주는 것이 최선이다. 본 연재의 1부 컬럼(8월호)에서는 적절한 게이트 깊이와 게이트 너비의 중요성에 대해 다루었다.

2부(10월호)에서는 두 가지 다른 유형의 게이트를 중심으로, 게이트 랜드 길이, 게이트 동결 시간 등에 대해서도 살펴보았다. 이번 달에는 엣지 게이트와 러너 사이즈에 관해서 다루어 보고자 한다.

 

 

엣지 게이트(Edge Gate)

그림 1은 간단한 형태의 엣지 게이트를 보여주고 있다. 엣지 게이트는 가장 널리 사용되는 게이트 유형이다. 이는 아마도 제작가공 비용이 가장 적게 들기 때문일 것이다. 절삭용 엔드밀(end mill)만 있으면 캐비티를 러너와 연결할 수 있다. 이러한 유형의 게이트는 멀티 캐비티 금형에서 중요한 게이트 깊이 측정 중 가장 손쉬운 수단이기도 하다. 그러나 이 디자인은 몇 가지 단점이 있다.

그 중 하나는 랜드 길이의 변화다. 그림 1에서 보면 랜드 길이가 게이트 하단 쪽에서는 0.030 인치, 상단 쪽은 0.042인치다. 이는 게이트가 금형 캐비티 측면에 바로 절삭가공 들어가는 반면, 러너는 완전히 둥근 형태를 띠고 있기 때문이다. 이상적으로 말하자면, 캐비티와 코어 양쪽에 동일한 깊이가 되도록 엣지 게이트를 절삭해주어야 한다. 그래야 용융수지 흐름 한가운데로부터 원료가 캐비티로 들어갈 수 있기 때문이다.

하지만 대부분의 2플레이트 금형에서는 성형품 구조 때문에 이것이 블가능 한 경우가 많다. 게이트 중심 부분의 랜드 길이 차이가 이정도 난다는 점에 유의해야 한다. 게이트의 양쪽 끝부분으로 가면 훨씬 더 큰 길이 차이가 난다. 예로 든 그림 1의 경우는 길이 차이가 거의 3배가 된다.

또한 랜드 길이와 동일한 러너 중심과 캐비티 사이 부위의 금형강 절대량 자체가 빈약해 높은 사출압력으로 인한 손상이나 플래쉬 불량 발생 시 금형을 보호하기에 충분치 않을 수 있다는 현실적 우려도 존재한다.

그림 2는 끌형(chisel-type) 엣지 게이트를 보여주고 있다. 목공용 끌처럼 생겼기 때문에 이렇게 불린다. 그림의 예에서는 하단 쪽 랜드 길이는 0.030 인치인 반면, 러너와의 결합을 위해 테이퍼가 들어가 벌려진 위쪽은 랜드가 없다. 랜드 길이가 제로라는 점은 이상적인 면도 있고 비실용적인 면도 지니고 있다. 이상적인 점은 게이트를 통과할 때의 압력 손실이 가장 적고, 게이트 커터나 로봇 니퍼(nipper)로 잘라내 정리하기에 가장 쉽다는 것이다.

비실용적인 점은 금형을 열처리한 공구강으로 만들었다고 해도 캐비티 쪽의 날카로운 모서리가 조기에 마모될 수 있다는 점이다. 이는 마모성이 있는 거친 원료를 사용하는 경우에 특히 그러하다. 게이트의 테이퍼링 각도가 급격할수록 마모가 더 빠르고 깊게 발생할 수 있다.

그림 3은 개선된 형태의 테이퍼가 들어간 엣지 게이트 디자인을 보여주고 있다. 그림 2의 예와 동일한 0.030인치 랜드 길이를 가지고 있으나, 3방향으로 테이퍼가 들어가 있다. 테이퍼가 들어간 부분과 러너가 서로 만나는 부위에는 완만하게 처리되어 있다. 캐비티로부터 게이트를 떼어내기 쉽게 하기 위해 양 측면에 5°의 테이퍼를 넣어준 것이다.

이 디자인에서는 러너와 성형품 사이에 충분한 양의 강철이 자리하게 된다. 상단과 하단 양쪽, 그리고 중앙에서 바깥 쪽 모서리까지 동일한 랜드 길이를 갖는다. 그리고 게이트 깊이의 측정이 용이하고 러너에서 게이트까지의 원료 흐름은 제약을 덜 받게 되고, 날카로운 모서리가 없어서 전단 민감도 또한 적다.

이 디자인은 EDM 전극과 수작업이 결합돼야 하기에 절삭가공에 더 많은 시간이 소요되지만, 그로부터 얻을 수 있는 이점은 이런 비용을 보상하고도 남음이 있다. 이런 개선된 형태의 엣지 게이트 디자인은 그림 4에서 보는 팬(fan, 부채형) 게이트와 같이 매우 넓은 게이트에도 응용할 수 있다.

러너 사이즈의 결정

러너 사이즈 조정에서 목표는 게이트 크기 조정의 경우와 비슷하다. 러너가 너무 작거나 너무 크지 않도록 해야 한다. 러너가 너무 작으면 캐비티 충전에 더 많은 압력이 필요하게 되며, 성형품의 패킹 즉 압축이 완전히 이루어지기 전에 동결이 이루어질 가능성이 있다.

또한 재생원료를 사용하는 공정이라 해도 러너 사이즈를 너무 크게 해서도 안된다. 사이클타임이 길어지게 될 수 있기 때문이다. 게이트와 마찬가지로 러너 사이즈 결정은 균형을 잡는 작업이다. 러너를 적정 사이즈로 만들어주기 위해서는 게이트 끝에서 시작해 스프루로 거슬러 올라가며 작업해야 한다.

 

러너 사이즈 결정은 균형을 잡는 작업이다.

 

부동산에서 가장 중요한 것을 강조하며 쓰는 “첫째도 위치, 둘째도 위치, 셋째도 위치”라는 말을 들어본 적이 있을 것이다. 2플레이트 사출금형 러너 시스템의 경우는 이를 “첫째도 완전히 둥글게, 둘째도 완전히 둥글게, 셋째도 완전히 둥글게”라고 바꾸면 된다. 완전히 둥근 러너, 사다리꼴 러너, 포물선형 러너, 사각형 러너 모두 그 밖의 형태 러너들과 비교할 때 주위 또는 표면 길이에 대한 단면 면적 비율이 가장 크다.

하지만 완전히 둥근 러너가 전단이 제일 적게 발생한다. 완전 둥근 형태의 러너는 다른 형태의 러너들에 비해 빠르고 균일하게 응고된다. 뿐만 아니라 (특히 엣지 게이트에) 최상의 용융수지를 제공해준다. 캐비티로 유입되는 원료가 용융수지 흐름 한가운데 가까이 있기 때문이다.  

우리 대부분은 콜드러너 시스템에서 분기된 러너는 일정하거나 균일한 지름을 가지는 것이 아니라 분기시킬 때마다 지름에 변화를 주어야 한다고 배웠다. 따라서 게이트에 원료를 공급하게 되는 러너 분기는 지름이 가장 작아지게 된다. 그 이전 단계의 분기로 갈수록 점차 커져 1차 러너와 스프루에 이르게 된다.

이렇게 러너 지름을 단계적으로 변화시켜주면 일정하거나 균일한 지름의 러너에서보다 성형품 충전에 필요한 압력이 낮아지게 된다. 이같이 지름이 변화하는 러너는 일정한 지름을 가진 러너보다 사이클타임이 길어질 수 있다. 지름이 더 큰 1차 러너 분기의 냉각에 시간이 오래 걸리기 때문이다.

경성 PVC와 같이 원료가 상당한 점성을 지니고 있는 경우에는 지름에 변화를 준 러너가 큰 압력 손실 및 높은 전단응력을 막을 수 있기 때문에 일반적으로 가장 좋은 방법이다. 그러나 폴리에틸렌과 같이 원료의 점도가 낮아 충전 압력은 문제가 되지 않지만 패킹 압력이 문제가 되는 경우라면 지름이 일정한 러너가 더 나은 선택이 되는 경우가 많다. 더 빨리 응고되기 때문이다.

동의하지 않는 이들도 있을 수 있지만, 필자는 개인적으로 원료 종류와 상관없이 지름에 변화를 준 러너를 선호한다. 그리고 충전 압력과 전단응력을 가능한 최대한 최소화시키는 쪽을 선택한다. 만일 1차 러너의 큰 크기 때문에 사이클타임이 길어지는 경우, 그림 5에서 보는 바와 같이 플래쉬를 잡아주는 트랩 역할도 하는 보강용 리브와 1차 러너를 스프루와 콜드웰 양쪽에 연결해주는 거싯(gusset)을 만들어 넣어준다.

러너 유형에 관계없이 이 교차지점은 거의 대부분 가장 육중하기 때문에 금형에서 배출시키기에 적합한 온도에 도달하는데 가장 오래 걸린다.

명칭 그대로 러너 크기 또한 1차, 2차, 3차, 4차, 5차로 내려갈수록 작아진다. 이는 자연스럽게 균형을 맞춘 2캐비티, 4캐비티, 8캐비티, 16캐비티, 32캐비티 금형에서 일반적으로 그렇다. 이보다 더 많은 캐비티가 있는 경우라면, 다음 단계는 6차, 7차, 8차, 9차, 10차로 이어진다. 주의할 사항으로는 동일한 명명법이 핫러너 시스템의 유동 채널에도 적용된다.

게이트에 수지를 공급하는 러너의 지름은 두 가지 이유에서 극히 중요하다. 첫째, 공정 윈도우 및 성형품 품질에 큰 영향을 미치기 때문이다. 둘째, 러너 지름이 단계별로 변화하는 시스템에서는 다른 러너 분기들과 직접 관련이 있기 때문이다. 우선 게이트가 바로 연결되는 마지막 러너의 지름을 성형품 두께의 1.5배로 만들어 주는 것이 좋은 출발점이다.

지나치게 단순한 규칙같이 보일 수 있고, 실제로 그렇기도 하지만, 다른 방법은 복잡한 실증적 계산을 해야 하거나 유동 분석을 수행해야 한다. 평균적 관행에 따라 작업하는 성형업체에게는 이러한 까다로운 방식에 들어가는 시간과 비용 투자에 대한 보상이 반드시 확실히 보장되거나 달성가능 하지 않은 경우가 많다.

 

게이트에 수지를 공급하는 러너의 지름은 극히 중요하다.

 

규칙에는 항상 예외가 있기 마련이다. 2004년에 발표된 한 연구는 성형품 두께와 같거나 더 작은 지름의 러너를 사용할 수 있는 경우도 적지 않다고 밝혔다. 러너 사이즈는 성형품 두께, 성형재료의 종류, 사출유량 그리고 그에 따른 전단속도 등에 따라 달라질 수 있다. 특히 사이클타임을 몇 초 줄이거나 신재 비용을 최소화하려 하는 경우라면 러너 지름을 작게 시작하는 것이 아무런 해가 되지 않는다. 초기 금형 샘플링 후 필요한 경우 금형강을 추가 절삭가공을 통해 확대 할 수 있다.

러너 지름을 해당 게이트 부위가 아닌 성형품의 다른 부위에 위치한 두꺼운 부분의 1.5배로 만들지 않도록 유의해야 한다. 그 부위 패킹은 게이트와 해당 부위 사이의 두께를 기반으로 한다. 러너 지름을 크게 해도 그 부위의 패킹에 도움이 되는 것은 아니다.

모두들 알고 있듯 플라스틱 업계에서 통용되는 황금률 가운데 하나가 항상 성형품의 가장 두꺼운 부위에 게이트를 만들어주라는 것이다. 하지만 안타깝게도 성형품 설계, 미적 요구, 게이트 응력 등을 고려하다 보면 게이트를 이상적이지 않은 위치에 만들어 주어야 하는 경우가 자주 일어난다.

 ‘1.5배’ 가이드라인에 따르자면, 성형품의 두께가 0.100인치인 경우, 게이트와 연결된 마지막 러너의 지름은 약 0.150인치여야 한다. 오늘날 CNC 공작기계는 원하는 어떤 사이즈라도 정확히 맞추어 절삭할 수 있지만, 절삭가공 시간을 줄이기 위해 표준 커터 크기를 사용하는 것이 좋다.

따라서 이 0.150인치를 올리거나 내려서 1/64인치씩 사이즈 차이가 나는 가까운 표준 커터 크기로 만들어준다. 그 다음 단계로 샷 중량(성형품과 러너 합계), 러너 분기 길이, 원료 점도, 전단 민감도 등 네 가지 변수를 보정하기 위해 이 지름을 조정한다. 하지만 게이트 깊이가 매우 깊은, 두꺼운 성형품이라 게이트에 수지를 공급하는 러너 또한 매우 큰 경우에는 대개 이런 조정 작업이 필요 없다. 이런 특수한 상황에서는 네 가지 변수가 거의 영향을 미치지 못하기 때문이다.

 

샷 중량, 러너 분기 길이, 원료 점도, 전단 민감도 등의 네 가지 변수 보정을 위해 러너 지름을 조정한다.

 

샷 중량 또는 샷 부피가 큰 금형은 일반적으로 충전 시간이 길어지게 된다. 이미 충전 단계에서 러너 바깥쪽은 금형의 차가운 표면에 닿아 응고되기 시작하고 그에 따라 유효 유동 영역은 점점 더 작아진다. 이를 고려해 러너 지름을 조정해야 한다. 필자는 일반적으로 통용되는 경험칙이라는 것을 썩 좋아하진 않지만, 다음과 같은 가이드라인을 권장하고자 한다.

표 1에 표시한 것처럼, 충전 시간이 1초에서 시작해 1초씩 늘어날 때마다 러너 지름이 아닌 러너의 단면 유동 영역을 19%씩 늘려주라는 것이다. 러너 지름이 너무 커진다면, 이는 게이트를 하나 더 만들거나 러너의 분기가 필요할 수도 있음을 나타낸다. 왜 그럴까?

지난 회 컬럼에서 설명한 바와 같이, 게이트 수가 두 배가 되면, 유량(in.3/sec) 및 유속(mph)이 절반으로 떨어지기 때문이다. 사출 속도를 두 배로 늘리면, 충전 시간을 절반으로 줄이는 한 편 캐비티에 진입하는 용융수지 점도를 동일하게 유지할 수 있다.

그 다음으로 필요한 조정은 러너의 길이를 고려해야 한다. 러너 분기의 길이가 증가하면 원료의 유동 저항도 증가한다. 여기서 다시 한번 표 2에 표시된 비율에 따라 지름이 아니라 단면 유동 영역을 늘려준다. 러너 분기에 대한 마지막 조정은 원료의 점도와 전단 민감도를 고려하는 것이다. 점도와 전단 속도의 관계를 나타낸 그래프를 바탕으로 하지 않는 한, 이 조정 작업은 주로 경험을 기반으로 하게 된다.

반결정질 PE, PP 또는 PA(나일론) 등 저점도 원료를 가공하는 경우에는 유동 영역을 늘려주어서는 안 된다. PS, ABS, SAN과 같은 중간 점도 비정질 원료의 경우는 유동 영역을 10% 늘려준다. PMMA(아크릴) 및 PVC와 같은 고점도 원료의 경우는 유동 면적을 20% 증가시켜 준다.

이 모든 것을 종합하면, 게이트에 수지를 공급하는 마지막 러너 분기의 적정한 지름 근사치는 성형품의 두께 x 1.5 + 충전 시간에 따른 조정량(0~95%) + 러너 분기 길이에 따른 조정량(0~30%) + 원료 점도에 따른 조정량(0~20%)과 같다. 표 3은 폴리에틸렌과 경성 PVC를 모두 가공하도록 되어 있는 금형에 대한 계산 방식의 예를 보여준다.

이 예에서는 두 가지 원료 모두 성형품 두께는 동일한 0.100인치이고, 러너 길이 또한 4인치로 같다. 충전 시간과 원료 점도만이 다르다. 그 결과, 게이트에 원료를 공급하는 러너의 조정을 거친 지름은 PE의 경우 0.177인치, PVC의 경우 0.236인치가 나온다.

게이트에 원료를 공급하는 러너의 지름이 결정되면, 스프루까지 이어지는 나머지 러너들의 사이즈를 계산하는 작업이 훨씬 간단하다. 이 나머지 러너들의 단면 흐름 면적은 그로부터 나온 러너 분기, 즉 해당 러너가 원료를 공급해주는 분기 러너들의 유동 영역의 합과 같아야 한다고 말하는 이들도 있다. 이는 또 하나의 어리석은 경험칙이라 할 수 있다. 왜냐하면 이렇게 하면 지나치게 큰 러너를 만들어줘야 하기 때문이다. 나머지 러너의 지름 계산을 위한 올바른 공식은 다음과 같다.

Dfeed = Dbranch x N1/3

여기서 Dfeed는 분지에 원료를 공급하는 러너의 지름이고, Dbranch는 러너 분기의 지름이며, N은 러너 분기의 개수(기하학적으로 균형 잡힌 러너 설계의 경우 통상 2개 또는 간혹 4개인 경우가 많다)다. 이 계산으로 얻은 지름은 충전 시간이나 원료 점도 등을 조정할 필요가 없다. 앞서 게이트에 원료를 공급하는 러너 지름을 결정할 때 이미 계산에 반영했기 때문이다. 그러나 상식적으로 러너 길이가 길어질 때는 이를 반영한 조정이 필요한지 여부를 판단해야 한다.

이같은 가이드라인을 사용해 예를 들어 계산해 보도록 하자. 그림 6은 1차, 2차, 3차 러너 분기가 있는 8캐비티 금형을 보여주고 있다. 원료는 PE이고, 충전 시간은 1초 미만이며, 게이트가 위치한 부위의 성형품 두께는 0.100인치다. 3차 러너의 섹션 길이는 1.0인치다. 따라서 게이트에 원료를 공급하는 3차 러너의 지름은 0.100 x 1.5 = 0.150이 돼야 한다. 이 경우 다른 조정이 필요 없다.

절삭용 표준 커터 크기에 따라 이 값을 올리거나 내려보면, 이 경우에는 5/32인치 또는 0.156인치가 된다. 2차 러너 지름은 3차 러너 지름에 분기 수의 1/3제곱(세제곱근)을 곱해서 나오는 값이 된다. 여기서는 0.156 x 21/3 = 0.156 x 1.26 = 0.197이 된다. 다시 한 번, 이 값을 표준 커터 사이즈에 따라 올리거나 내려준다. 따라서 2차 러너 지름은 13/64 또는 0.203인치가 된다.

이 값은 어떤 이들이 주장하듯 유동 면적의 두 배가 아니라 83% 정도 증가한 수준이다. 1차 러너의 사이즈 또한 동일한 크기 조정 수식을 따르면 된다. 따라서 0.203 x 21/3 = 0.256이 나오고, 이는 다시 우수리를 떼고 1/4 인치가 된다. 

이 값은 유동 면적이 52% 증가한 것으로, 두 배보다 훨씬 적다. 플라스틱은 열전도성 계수가 극히 낮기 때문에 자체적으로 절연작용을 한다. 러너 지름이 클수록 많은 비율의 용융원료가 원료 흐름의 한가운데 존재하게 된다. 따라서, 압력 손실 양과 그에 따라 증가해야 하는 단면 유동 영역의 관계는 선형이 아니다. 

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19799   올바른 게이트, 러너, 스프루 사이즈 결정법 ② 플라스틱코리아