뉴스레터 신청하기
LS엠트론 사출사업본부의 소식을 정기적으로 구독하세요! 이메일 입력시 새로운 소식을 이메일로 받아보실 수 있습니다.
개인정보 수집 및 이용동의
최적 사출성형공정과 성형 불량의 종류
등록일 : 2021.03.28
INJECTION MOLDING MACHINES 최적 사출성형공정과 성형 불량의 종류
1. 사출성형공정
기계 변수는 요구하는 특성의 성형품을 얻기 위해서 사출성형기나 추가장치에 직접 입력하는 설정값이다. 기계 변수는 다른 기계로의 생산조건과 성형품 특성 사이의 절대적으로 동등한 상호 데이터의 전송이 가능하지 않다.
기계 변수와 성형품 공정데이터 사이의 관계는 경향적으로는 같지만, 기계에서 기계는 절대적으로 다르고, 더구나 스크류나 스크류 팁과 유압 부품의 마모 이유로 시간이 지남에 따라 변할 수 있다.
공정변수는 용융재료의 압력과 온도 및 시간과 금형 벽 온도 같은 금형 캐비티 내에서 성형품 생산 관점으로 본 사출성형공정을 뜻한다. 공정변수는 기계의 독립적인 용어로 실제로 발견되고 전달될 수 있다. 공정변수가 재현성을 가질 때만 성형품이 동일한 특성을 갖는다.
내부특성은 원재료의 분자량, 배향, 내부응력, 결정화도, 첨가제의 분포와 배향 같은 성형품의 내부구조에 대한 정보이다.
성형품의 외부특성은 치수와 공차, 형상, 표면 정도 그리고 성형품의 기계적, 광학적, 전기적 특성 같은 기능적인 특성이다.
특정 기계의 사출성형공정에서 공정데이터는 설정값과 사출 금형 그리고 사용된 플라스틱 재료로부터 얻는 중요한 결과이다. 그들은 개별작업단계에서 측정하여 저장되어 추가 평가와 감시를 위해 활용될 수 있다.
사출성형공정에서 가장 잦은 방해요소, 즉 온도와 점도 변화, 계량에서의 양 변화, 스크류 팁의 부정확한 동작 등이 공정데이터에 의해 기록될 수 있고 품질확보를 위해 사용된다.
공정변수가 상응하게 평가되고 방해요소에 대한 결론을 알기 위해서 언제 어디서 어떻게 측정되는지 반드시 알아야 한다. 그래서 작업과 금형 및 사출성형기의 기능을 좀 더 세밀하게 조명하는 것이 필요하다.
2. 사출 금형의 열 균형
열가소성 플라스틱에서 폴리머 용융은 항상 사출에서 냉각된다. 하지만 실내온도와 비교해서 이것은 냉각뿐만 아니라 가열을 의미할 수 있다. 이것은 필요한 혹은 요구하는 금형 온도에 따라 다르다. 사출성형에서 사출 금형 내에 여러 열 변화가 나타난다.
이 열 변화는 하기와 같이 구분된다.
- 금형과 주변환경과의 열교환 (복사, 전도, 대류)
- 용융재료에 의해 유입된 열의 양
- 냉각 매체에 의해 유입되거나 유출된 열의 양
열가소성 플라스틱 재료를 성형하기 위한 금형에서 플라스틱 재료와 금형 간의 열교환은 열 균형에 있어 매우 중요한 역할을 한다. 용융재료는 성형온도에서부터 이형 온도까지 가능한 한 빨리 냉각되어야 하기 때문이다.
성형업체에서 일반적으로 사용하고 있는 수동조작용 온도 컨트롤러를 발견할 수 있는데, 압력변화, 냉각수 인입 온도, 냉각 배관 내의 오래된 침전물 같은 방해물들이 제품특성에 영향을 미친다.
이러한 문제해결을 위해서 제어장치에서 크로즈드 루프로 제어하는 금형 냉각 시스템인 마이크로 템프를 추천하고 있다. 즉 열전대에 의해서 금형 온도가 직접 측정되고 냉각수 조절 밸브에 의해서 크로즈드 루프로 제어된다.
2.1. 금형 벽 온도
금형 벽 온도란 사이클 중 금형 캐비티의 표면 온도를 의미한다. 금형 벽 온도는 생산시간과 성형품의 품질을 명백하게 결정하는 영향을 주는 요소이다. 초기에는 가능한 낮은 추천 온도로 시작한다.
캐비티와 금형 벽 온도가 높아지게 되면 다음과 같은 현상이 나타난다.
- 결정화도가 증가하고 균일한 내부구조를 가지게 된다.
- 전후 수축은 감소하지만, 성형수축은 증가한다.
- 열 변형 온도가 증가한다.
- 내부응력이 감소한다.
- 분자배향이 감소한다.
- 제품의 변형(휨)이 감소한다.
- 캐비티 표면의 미세한 부분까지의 전사 성능이 향상된다.
- 유동 저항이 감소한다.
- 냉각시간이 증가한다. (대략 2% / ℃)
금형 벽 온도의 크기뿐 아니라 금형 캐비티 벽면의 균일한 온도분포에 의해 야기되는 균일한 냉각 또한 매우 중요하다. 금형 벽의 국부적인 온도 편차가 상이한 내부응력과 그에 따른 변형 같은 상이한 변형을 일으킬 수 있다.
2.2. 마이크로 템프
지금도 금형 냉각을 위해서 여전히 수동으로 조작하는 냉각수 컨트롤러를 볼 수 있다. 결과적으로 데이터에 의한 개별냉각 회로에 대한 냉각수의 신속하고 재현성 있는 양을 제어할 수 없다. 더구나 압력변화, 냉각수 인입 온도의 변화, 냉각로에서의 장기침전 등의 방해요소가 나타나 제품의 특성 즉 치수나 수축 등에 영향을 준다.
금형 냉각에 대한 새로운 문제해결을 위해 컨트롤러에 의한 오픈 루프 혹은 크로즈드 루프 제어를 선택할 수 있는 금형 시스템인 마이크로 템프를 제공하고 있다.
오래 사용한 금형에 추후 열전대를 설치하는 것은 어렵다. 수동조작 밸브의 대체로 사이클 당 필요한 솔레노이드 밸브의 개방시간이 제어장치에서 설정될 수 있다. 유량제어 밸브의 사용으로 냉각 회로에서 압력변화가 자동으로 보상된다.
신규 금형 설계 시 냉각로와 금형 벽 사이에 금형 벽 온도 측정을 위해 열전대가 설치되어야 한다. 열전대 연결이 수동 혹은 자동의 퀵 커플링을 위해 표준화된 커넥터에 결합되어야 한다.
정밀한 사출 성형품을 위해 금형 내 각 회로는 금형 벽에 열전대가 설치되어야 한다. 결과적으로 금형 내 온도조건이 완전하게 기록되고, 방해요소가 나타나더라도 일정하게 유지될 수 있다.
열전대 설치를 위한 추가비용은 대부분의 경우, 기능성 성형품의 금형은 전체 금형 비용의 2% 이내이다. 더구나 임의로 설치한 열전대로 주요한 성형품 구역이 고정도 치수 요구 혹은 변형문제와 함께 기록될 수 있다. 다 캐비티 금형에서 전체 금형의 온도조건이 금형 캐비티 내의 개별 측정을 토대로 가끔 이용될 수 있다.
2.2.1 마이크로 템프 프로그램
프로그램 마이크로 템프는 유량조절 밸브에 의한 냉각수 공급으로 금형 온도를 위해 온도 센서가 금형에 설치되어 있느냐 없느냐에 따라 크로즈드 루프 혹은 오픈 루프 제어로 구분된다. 하나의 금형 온도 센서를 제어하기 위해서 유량조절 밸브와 유량조절기구가 각각 지정 설치된다.
입구의 열전대는 냉각수 온도를 감시하고 한계 값을 초과할 경우 에러 메시지가 표시된다. 만약 유량제어 장치가 설치되어 있으면 각각 냉각 회로의 최소유량을 감시하고 미치지 못하면 에러 메시지가 나타난다.
상기 화면에서 각각의 존에 0에서 3의 숫자 입력에 따라 해당 냉각 회로가 하기와 같은 특정 운전상태로 전환된다.
- “0” = 밸브 닫힘
- “1” = 금형에 열전대 없는 운전 모드(오픈 루프)
- “2” = 금형에 열전대 있는 운전 모드(크로즈드 루프)
- “3” = 밸브 열림
■ 인입 온도감시
인입 온도감시를 위해서 설정값과 실제값의 최대편차를 입력할 수 있다. 만약 실제값이 설정한 최대편차를 초과했다면 에러 메시지 “인입 온도 이상”이 표시된다. 감시는 밸브가 개방될 때 설정한 지연시간과 함께 시작한다.
■ 금형에 열전대 없는 운전 모드(오픈 루프)
금형에 열전대가 장착되어있지 않은 경우에 화면의 해당 회로 상태에 “1”을 입력해야 하고 유량은 l/min 란에 설정해야 한다. 사출 시작과 함께 냉각수 밸브가 산출된 냉각시간 동안 설정한 유량을 개방한다.
자동과 수동모드를 위해서 별도의 유량을 입력할 수 있다. 온도의 실제값은 열전대가 없어 측정할 수 없으므로 “***”로 표시된다.
■ 금형에 열전대 있는 운전 모드(크로즈드 루프)
화면에서 금형 온도에 대한 필요한 설정값이 입력되고 화면의 해당 회로 상태에 “2”를 설정해야 한다. 수동모드에서 해당 냉각수 밸브가 설정값 온도를 초과하면 열리고 온도가 낮으면 닫힌다.
자동모드에서는 제어장치가 최초 조정단계 혹은 제어 편차를 초과했을 때 제어변수를 자동으로 결정한다, 냉각 혹은 온도제어시스템이 밸브의 동작 유무에 따라 자동모드에서 10회의 성공적인 사이클 동안 최소 20의 금형 온도변화가 열전대에 의해서 측정될 수 있다.
만약 이런 경우가 아니라면 화면상에서 조정 에러 태그 “EF”가 설정되고, “냉각 너무 약함” 혹은 “온도제어장치 필요”가 표시된다. 새로운 사이클이 중단되고 경보 램프가 켜진다. 해당 값을 설정하고 사이클이 새롭게 시작된다. 이후 냉각수 밸브가 계산된 시간 동안 사출 시작 시에 항상 작동한다.
■ 유량 감시
밸브가 냉각 회로에서 개방되고 감시가 켜졌을 때 해당 최소유량이 감지된다. 감시에 대한 작용으로 화면상의 F 태그에 표시되고 에러 메시지 “마이크로 템프 밸브 ×”가 표시된다. 냉각수 밸브의 동작과 냉각 회로의 감시 스위치 신호가 화면상의 태그에 각각 표시된다.
3. 형체력
형체력은 금형 전진이 완료되고 사출이 시작되기 전의 장력(Tensile stress) 하에 타이바 혹은 타이바리스에서 프레임에 걸리는 힘의 합이다. 로킹력(Locking force)은 재료를 금형으로 밀어 넣는 사출 동작의 장력 하에서 타이바 혹은 타이바리스에서 프레임에 걸리는 최대 힘의 합이다.
형개력은 금형에서의 평균 내부압력과 사출 성형품의 투영면적으로부터 산출된다. 금형의 밴팅은 캐비티 양이 형폐방향으로 증가하는 곳에 금형 캐비티 압력이 동작할 때 금형파팅 면에서 형체력으로부터의 금형 보호이다. 밴팅 뿐만 아니라 다른 탄성의 변형도 형체 장치와 금형, 형체력과 로킹력, 그리고 형개방력의 견고함에 달려있다.
형체력을 증가시키면, 다음과 같은 현상이 나타난다.
- 금형의 독립적인 치수가 감소된다.
- 제품의 치수 변화가 감소된다.
- 금형의 변형이 감소된다.
- 플래시 발생에 따른 금형의 손상이 감소된다.
- 금형 캐비티 충진 중 밴팅 가능성이 악화된다.
- 토글식에서는 링크 마모가 증가한다.
- 유압식에서는 로킹 에너지가 증가한다.
형체력 계산공식은 다음과 같다.
과충진을 피하기 위해서 금형파팅 면에서의 잔류 형체력이 생산 중 로킹력의 최소 10%는 있어야 한다. 금형 시험 초기에 안전을 이유로 잔류 형체력이 큰 것을 사용하는 것이 유용하다.
토글식 기계에서 형체력은 타이바 연신과 크로즈드 루프의 금형 두께조정에 의해서 측정된다. 유압식 기계에서는 유압압력이 형체력을 결정한다.
4. 용융온도
가소화 장치의 역할은 열적으로, 그리고 기계적으로 균질의 용융재료를 생산하는 것이며, 일정한 사출량을 공급하기 위한 것이다.
용융온도에 영향을 미치는 요인
* 실린더 내에서 영향을 미치는 인자
- 실린더 내벽 온도
- 배압
- 스크류 회전속도
- 실린더 내에서의 용융재료의 체류 시간
* 금형 내에서 영향을 미치는 인자
- 핫 런너 내에서의 용융재료의 체류 시간
- 핫 런너 설정 온도
- 금형에 충진 시 발생 되는 전단열
- 금형 벽 온도
용융온도가 증가하게 되면 용융온도가 증가하게 되면 다음과 같은 현상이 나타난다.
- 웰드라인의 발생이 감소하게 된다.
- 결정화도가 증가하게 된다.
- 재료 점도가 감소하게 된다.
- 배향 정도가 감소하게 된다.
- 금형 내에서 압력손실이 감소하게 된다.
- 용융재료의 열적응력이 증가하고 열분해에 의한 가스 방출을 향상시킨다.
- 노즐 스프루 게이트 시스템에서 분자 체인의 파손과 금형에서의 수많은 바이패스와 좁은 단면적에 의해서 용융재료의 기계적 응력(전단)이 감소하게 된다.
- 냉각시간이 약간 증가하게 된다. (대략 0.3% / ℃)
용융온도와 압력의 측정을 위해선 하기 그림과 같이 바렐에 측정을 위한 플렌지를 장착할 수 있다.
4.1. 실린더 온도
실린더 온도는 가열 실린더의 길이 방향 구멍(용융 채널 근처의 노즐에서) 근처에서 측정한 온도이다. 운전하는 경우에 따라 재료용융에 필요한 에너지의 60에서 85%까지 구동 에너지에 의해서 발생하지만, 용융 온도는 실린더 벽 온도 특히 후열 2개 존에 의해 강한 영향을 줄 수 있다.
그것은 초기에 평균 추천 값으로 시작되어야 한다.
열적으로 민감한 플라스틱 재료에 있어 용융재료에 열을 적게 가하기 위해 노즐 방향으로 증가하는 온도 프로파일을 사용한다. 이 프로파일은 용융재료의 잔류시간이 긴 경우 유리하다.
- 냉각시간이 매우 긴 경우
- 계량스트로크가 매우 작은 경우
- 스크류 채널 또는 핫 런너 내에 큰 재료용적을 가지는 경우
노즐 방향으로 증가하다 감소하는 온도 프로파일을 사용하는 경우는 오픈 노즐을 사용하는 경우 다음과 같은 현상을 방지하기 위해 사용된다.
- 늘어짐(Stringing: 실바리) 현상을 방지하기 위한 경우
- 많은 양의 누출 손실을 방지하기 위한 경우
용융재료에 좀 더 많은 열을 전달하기 위해 호퍼 부에서 노즐 방향으로 약간 감소하는 온도 프로파일을 사용하는 경우는 다음과 같다.
- 큰 계량스트로크에 의해 많은 양의 수지가 충진되며, 짧은 냉각시간을 가지는 경우
- 날이 깊은 스크류 또는 베리어 스크류를 사용하는 경우
수지공급부의 온도제어는 공급성능과 성형재료 이송의 안정성을 위해 결정적이다. 재료 입자와 실린더 벽 사이의 마찰률이 온도에 의존하므로 이곳의 온도제어가 해당 운전조건과 마찰에 관한 환경에 적합해야 한다.
하지만 마찰 동작을 알지 못할 때 수지공급 부의 최적 온도는 기계를 설정할 때 결정돼야 한다. 여기서 스크류 스트로크에 의한 공급성능의 가이드로서 계량용량의 일정함이 고려될 수 있다.
평균 추천 값으로 시작하고 가소화 장치가 쇼트별 일정한지 점검하는 것을 추천한다. 그렇지 않을 때 가능한 수지공급 부 온도의 점진적 변화가 보다 좋은 기계 설정에 인도한다.
4.1.1. 실린더 히팅
실린더와 노즐 가열을 위한 열가소성 플라스틱의 성형을 위한 사출성형기에서 운모나 운모절연 히터가 사용된다.
좋은 기계의 온도상승을 위해 히터밴드가 고정볼트에 의해서 장착된다. 그렇지 않으면 이른 파손이 나쁜 열전도 때문에 일어난다. 실린더표면의 표준 히팅 용량은 3~3.5 Watt/㎠이다. 일반적으로 공급 존에서 스크류 팁까지 온도가 올라가는 프로파일이 설정된다.
특수장비로 용융온도와 압력측정을 위한 측정용 플렌지가 추천되는데, 이는 중요한 공정변수로 표시되고 평가될 수 있다.
실린더 히팅 작업이 성형제품에 미치는 영향
- 흑줄 (과열에 의한 재료의 열 손상)
- 완전히 용융되지 않은 재료 입자 (매우 작은 이송에너지)
- 늘어짐 (실 바리: 스프루와 노즐 사이의 제한된 용융상태 유지)
4.2. 계량
스크류의 회전에 의해서 재료가 스크류 채널로 공급되고, 압축되면서 열에 의해 계량된다. 용융의 추가적인 가열의 원인이 되는 전단력이 나타난다.
용융재료가 스크류 전방의 공간으로 전송되고, 조정 가능한 배압하에서 스크류를 뒤로 미는 승압, 그리고 설정한 사출량에 상응하는 계량된 재료를 스크류 전방의 공간에 채운다. 이 공정에서 사출장치는 전진되어 있다.
노즐이 금형에 접촉되어 계량공정 중 실린더로부터 수지가 새는 것을 방지한다.
계량공정이 성형제품에 미치는 주요한 영향
- 색줄 (스크류에 의한 안료의 불 충분한 분산)
- 흑줄 (가소화 실린더 내에서 플라스틱 재료의 열 손상)
- 완전히 용융되지 않은 재료 입자 (매우 작은 이송에너지, 매우 작은 체류 시간)
- 미충전된 성형제품 (너무 작은 계량량)
계량을 위해 5단계의 계량속도와 배압의 프로파일을 설정할 수 있다. 각각의 계량속도와 배압이 계량스트로크를 5 등분하여 동작한다.
설정값은 그래픽 이미지에서 배압과 계량속도 절환 위치를 수동으로 변화할 수 있다. 그리고 5등분으로의 자동분할은 계량스트로크 C1에 같은 값을 두 번 입력하면 가능하다.
4.2.1. 계량스트로크
계량스트로크는 한 사이클 내의 스크류의 전 스트로크이다. 선택한 계량스트로크가 스크류 직경 대비 상대적으로 너무 적거나 너무 큰 경우 열적 문제나 표면 불량이 발생할 수 있다.
계량스트로크가 스크류 직경보다 작은 경우의 단점(1D)
- 열적으로 민감한 플라스틱에 긴 체류 시간을 제공
- 상대적으로 긴 반응시간이 소요되며, 역류 방지 밸브의 반응시간 편차 발생
계량스트로크가 스크류 직경보다 3배 이상인 경우의 단점(3D)
- 완전히 용융되지 않은 재료에 의한 줄 발생
- 기포 발생
- 열적으로 불 균일한 용융상태
보압절환점에 의해 금형 캐비티를 충진하기 위해선 초기에 스크류 전방 공간에 충분한 용융량이 어느 정도 큰 계량스트로크의 설정에 의해서 확보되어야 한다. 충진 상태를 확인하기 위해선 초기에 적은 계량스트로크를 설정해서 조금씩 증가해야 한다.
4.2.2. 배압
배압은 스크류가 계량시간 동안 전달하는 스크류 전방공간에 용융재료에 작동하는 압력이다. 유압실린더의 출구에서 압력을 변화시킴으로써 바꿀 수 있다.
배압의 역할은 다음과 같다.
- 용융재료의 열적 균질화를 제공한다. 특히 스크류의 전단 작용에 의해 용융되지 못하여 입자 상태로 존재하는 플라스틱에 있어 반드시 필요로 한다.
- 기계적인 동질성, 예를 들어 안료 또는 첨가제를 고르게 분산시키게 된다.
- 입자 상태의 플라스틱 재료와 함께 침투한 공기를 호퍼 방향으로 배출시킨다.
- 계량공정 중 유효 스크류 길이의 감소에 따라 발생하는 온도감소에 대해 축 방향의 온도 프로파일을 상승시켜 보상하게 된다.
- 갇힌 공기에 의해 매 쇼트마다 발생하는 재료 잔량(쿠션량)의 편차를 감소시키게 된다.
배압이 증가하면 계량용량은 떨어진다. 즉 계량시간이 늘어난다. 요구되는 배압의 크기는 사용 플라스틱 재료의 용융 점도와 열적 민감도에 따라 다르다. 초기에는 적은 배압으로 시작해야 한다.
4.2.3. 계량속도
계량속도는 분당 스크류의 회전수이다. 스크류 원주 속도는 회전수를 곱하는 스크류 원주와 시간의 비율이다. (v=d×p×n) 원재료에서 용융으로의 계량이 스크류의 회전에 의해서 일어난다. 회전에 대한 기준은 스크류의 원주 속도다.
너무 높은 스크류 회전속도는 종종 다음과 같은 불량을 일으키게 된다.
- 용융재료의 열적 손상
- 유리섬유의 길이 감소
- 스크류와 실린더의 마모 증대
계량에서 전체의 가용시간이 사용되어야 한다. 계량용량이 증가하는 것에 대해선 감소하는 계량시간이 말해준다. 사이클 시간을 결정하는 계량시간을 줄이기 위해선 배압을 줄일 수 없을 때 계량용량을 증가시키기 위해선 깊은 골을 가진 스크류나 직경이 큰 스크류를 사용하는 것이 정확하지 않을 땐 안전하다.
열적으로 민감한 패키징처럼 흐름이 아주 좋은 재료에서의 최대 원주 속도인 0.1m/s까지는 재료와 기계 제조업체의 공정데이터 표에서 얻을 수 있다. 하지만 최대속도의 적용은 전단력에 민감할 수 있는 안료나 난연제 같은 첨가제에 의해서 제한된다.
허용 가능한 최대 원주 속도(v) 0.1m/s인 재료에 직경 40㎜의 스크류가 장착된 기계에서 허용되는 계량속도는 하기와 같이 계산한다.
4.2.4. 계량시간 감시
계량시간 감시는 계량속도, 배압, 스크류 구조와 재료의 공급효율에 달려있다. 동일한 기계 설정값에서 계량시간 변화는 스크류와 실린더의 마찰과 마모의 다른 율로 인한 다른 공급효율에 관한 것을 의미한다.
계량감시 시간 감시를 ON 시키면 계량과 석백이 설정 시간 내에 마쳐야 한다. 그렇지 않으면 계량시간 초과 에러가 발생함과 동시에 계량과 다음 사이클이 중단된다.
4.2.5. 계량 수
계량공정의 서류와 감시를 위해서 치수없는 계량 수가 공정분석의 화면에서 결정되고 표시된다. 이 공정변수는 계량에 필요한 평균압력을 뜻한다.
이것은 계량 모터의 필요한 힘 혹은 토크에 비례한다. 계량 수(PLZ)는 계량작업과 계량공정에서의 연속성을 알려 준다. 계량 수는 항상 계량 시작에서부터 완료까지 결정된다. 이것은 품질데이터프로그램인 QDP에서 선택하고, 기록되고 감시된다.
-기술자료는 시리즈로 연재 됩니다.
자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 http://lsmtronacademy.com
자표편집: 핸들러전문지 http://www.ihandler.co.kr
자료출처 : LS엠트론 기술교육아카데미, 편집 핸들러
PREV
이전으로 이동NEXT
다음으로 이동