사출 금형 3

제3장 사출성형기

1.  사출성형기의 사양

(1) 개요

사출 성형품은 크기나 형상, 기능, 재질, 생산수량에 따라 요구되는 사출성형기의 능력이나 크기가 다름.

따라서 다양한 제품을 성형하는데 가장 적합한 사출성형기를 선정할 필요가 있음.

사출성형기 구성은 가소화부, 체결부, 제어부로 되어 있음.

(2) 사출 관련 사양

1) 사출용량

1 쇼트의 최대량을 나타내는 수치로 형체력과 함께 사출성형기 능력을 대표함.

(가) 이론 사출용량(㎤)

스크루가 최대로 후진하여 사출•전진 완료 시까지의 최대 사출용적.

(나) 사출중량(g, oz)

2) 가소화 능력 및 회복률

(가) 가소화 능력

가소화 능력은 가열 실린더가 매시간 성형재료를 용융할 수 있는 능력을 kg/h로 나타낸 것으로 성형 사이클과 관계없이 최대한으로 성형 재료를 용융시킬 때의 능력.

사출량과 마찬가지로 성형 재료에 따라 다르며 일반적으로 열가소성 플라스틱에서는 폴리스틸렌(PS), 열경화성 플라스틱에서는 페놀수지를 기준으로 함.

(나) 회복률

회복률이란 가소화 능력을 최적 조건에서 최대값으로 표시한 것이 적합하지 않아 여러 가지 조건에서 구한 값을 그래프로 표시한 것으로 인라인 스크루식을 대상으로 미국에서 제정되었음.

규정된 플라스틱을 일정한 온도에서 사출량과 스크루 회전시간의 비로 가소화 성능을 구하고 배압, 사출량, 스크루 회전수 등과 연계해서 표현한 것.

3) 사출압력 및 사출력

(가) 사출압력(kg/㎠)

사출압력은 스크루 선단에서 용융 재료에 작용하는 최대 압력으로써 스크루 전체에 작용하는 유압의 힘(사출력)을 스크루의 단면적으로 나눈 값.

(나)사출력(t)

사출력은 사출 시 작동하는 유압 실린더가 발생하는 힘으로써 일반적으로 유압 실린더의 직경에 비례함.

유압 실린더의 직경이 커지면 사출률(사출속도)이 저하되므로 유의해야 함.

4) 사출률(㎤/sec)

사출률은 노즐에서 사출되는 용융 재료의 속도를 나타내며 단위시간당 사출하는 최대 용적으로 표시한 것.

폴리스틸렌(PS) 등과 같이 고화가 빠른 플라스틱의 충전을 가급적 단시간에 끝내는 것이 바람직하므로 사출률이 클수록 유리함.

그러나 경질 PVC와 같은 열안정성이 작은 플라스틱의 경우에는 과열되어 흑줄 등의 불량현상이 발생되므로 조정을 통해 적적한 사출률을 선택해야 함.

5) 사이클 타임(sec)

사이클 타임은 사이클의 운전시간을 나타낸 것으로 sec/cycle로 표시함.

또한 사출성형기 속도 성능을 나타내므로 사출횟수라고도 하며 shot/h로 1시간당 사출횟수를 나타내는 경우도 있음.

(3) 형체 관련 사양

1) 형체력(t)

형체력은 금형을 체결하는 힘의 최대값으로써 사출성형기 능력을 대표하는 기준 수치 중에 하나임.

성형 재료가 사출되어 충전이 되면 캐비티 내의 수지압력에 금형이 열리려고 하기 때문에 그 이상의 조이는 힘이 필요한데 이 힘을 형체력이라 함.

형체력이 클수록 투영면적이 큰 제품의 성형이 가능함.

2) 형개방력

형개방력은 성형이 끝나고 제품을 꺼낼 때 금형을 열기 위해 가할 수 있는 최대의 힘을 말함.

일반적으로 직압식 형체장치에서의 형개방력은 형체력의 1/10 ~ 1/15 정도임.

3) 형체 스트로크

형체 스트로크는 금형을 개폐하기 위한 이동 플레이트의 최대 이동거리로써 성형 중의 최대 깊이를 결정함.

따라서 형체 스트로크가 클수록 깊이가 깊은 제품의 성형이 가능하고 일반적으로 성형 중의 최대 깊이는 스트로크의 1/2 이하로 해야 함.

☞ 데이라이트(Daylight)란 가동측 금형 부착판을 최대로 후퇴시켰을 때 고정측 금형 부착판과 가동측 금형 부착판 간의 거리로써 사출성형기에 부착할 수 있는 금형의 최대 높이(두께)를 결정함.

2. 사출성형기 형체장치에 의한 분류

(1) 개요

사출성형기에서 형체장치는 금형의 개폐동작을 행하는 것 뿐만 아니라 금형 내에 사출된 용융 재료의 높은 압력에 대항하여 금형이 열리지 않도록 클램핑하는 것이 주목적임.

또한, 캐비티 내에 주입된 용융 재료가 고화되면 금형을 열고 성형품을 빼낼 수 있도록 한 장치로써 형체력의 발생 방식에 따라 직압식, 토글식, 토글직압식이 있음.

(2) 직압식

1) 특징

금형의 개폐속도의 제어가 용이함.

금형의 설치 및 조정이 용이함.

대형화되어 운전 및 배관 설치 비용이 많이 소요됨.

형체력이 항상 일정함.

에너지 효율이 낮고 보수에 시간과 비용이 많이 소요됨.

형체• 형개 속도가 토글식에 비해 느림.

2) 종류

(가) 부스터 램식

중대형 사출성형기에 채택되는 방식으로 형체 실린더의 밑부분에 고정된 작은 직경의 부스터 램을 형체 램에 중심에 삽입하여 금형을 닫을 때 고속화를 도모할 수 있음.

(나) 보조 실린더식

형체 램 양측에 2조의 보조 실린더를 부착한 것으로 금형의 개폐속도를 고속화하기 위한 것.

(다) 증압 실린더식

직렬로 연결된 2조의 실린더 장치를 갖는 것으로 형체 실린더에 의해 저압으로 금형을 닫은 후 증압 실린더의 증압 램의 작동에 의해 다시 금형을 고압으로 클램핑하는 방식임.

(3) 토글식

1) 특징

형체•형개 스트로크가 짧음.

금형 두께 조정장치가 필요함.

형체결 스트로크의 제한을 받음.

운동 특성이 매우 좋고 속도가 빠름.

토글의 마모 등 보수 관리에 유의해야 함.

소형 및 경량화가 가능하고 운전 비용이 저렴함.

2) 토글식 형체 원리

유압 실린더에서 발생한 힘을 기계적인 링크 기구를 사용하여 확대하고 타이 바를 신장시켜 타이 바의 탄성 회복력으로 금형을 조임.

토글 기구를 구성하는 링크의 위치, 개수, 길이에 의해 형체력과 속도가 결정됨.

3) 종류

(가) 싱글 토글식

1조로 구성되어 구조가 간단하고 스트로크를 크게 할 수 있음.

형체 실린더와 토글 링크의 간섭으로 인해 스트로크의 길이가 한정되어 형체 반력을 프레임에서 받는 구조가 많아 프레임 강도를 높여야 함.

(나) 더블 토글식

2조가 대칭적으로 움직이는 토글 기구로써 구조는 약간 복잡하지만 힘의 확대율과 운동 특성이 우수함.

링크 끼리의 간섭으로 인해 형개 스트로크를 크게 할 수 있음.

(4) 토글•직압식

토글 기구와 직압식 실린더 장치를 조합시킨 것으로 토글 기구를 통해 작동하는 금형 닫힘 실린더와 직접 금형을 체결하는 금형 조임 실린더를 갖고 있어 금형을 닫는 데 필요한 속도와 금형을 체결하는 데 필요한 힘을 각각 다른 유압 실린더에 의해 실행됨.

다소 구조가 복잡하나 소형 고속 사출성형기에 적합함.

(5) 사출성형기 형체장치 비교

3. 사출성형기 작동방향에 의한 분류

(1) 수평식

수평식 사출성형기는 형체장치는 금형의 개폐방향, 사출장치는 플런저 또는 스크루의 운동방향이 모두 수평으로 조합된 것임.

성형품을 빼내기 쉽고 자동 운전에 적합함.

금형의 설치가 쉬움.

가열 실린더나 노즐의 조정 및 수리가 용이함.

고속화가 용이하고 생산성이 높음.

높이가 낮아 천정이 낮는 공간에 설치가 가능함.

(2) 수직식

수직식 사출성형기는 형체장치와 사출장치가 모두 수직으로 조합된 것임.

인서트를 사용할 때 삽입한 인서트의 안정도가 좋아 움직이는 일이 적음.

설치 면적이 적음.

중력이 작용하는 방향으로 운동하므로 무거운 금형을 부착해도 안정성이 좋음.

가열 실린더의 온도 불균일이나 성형 재료 흐름의 불균일이 적음.

4. 가소화와 사출방식에의한 분류

(1) 개요

사출장치는 사출성형기에서 가장 중요한 부분으로써 사출에 필요한 성형 재료를 계량하고 사출에 필요한 점탄성과 온도로 성형 재료를 가소화시키며 용융된 재료를 고압•고속으로 금형 내로 주입하는 기능을 가지고 있음.

성형 재료의 계량, 가소화, 사출 등의 방법에 따라 플런저식, 스크루식, 프리플러식으로 분류할 수 있음.

(2) 플런저식

1) 작동원리

플런저식은 토피도를 내장하는 가열 실린더와 사출 플런저로 구성되어 있으며 사출 플런저가 계량된 성형 재료를 가열 실린더로 보내면 가열•용융되어 노즐로부터 금형 캐비티에 주입함.

가열과 가소화가 같은 공정으로 이루어지기 때문에 미용융 입상부분에서 큰 저항이 발생하여 사출압력의 손실인 큼.

2) 특징

기계구조가 간단하여 값이 저렴함.

고속성형이 가능함.

사출압력 손실이 큼.

가소화가 늦고 실린더 벽면에서 과열됨.

(3) 스크루식

1) 작동원리

스크루식은 1개의 스크루를 성형 재료의 가소화와 사출에 사용함.

호퍼로부터 가열 실린더 내부로 자유 낙하된 성형 재료는 스크루의 회전과 함께 스크루 홈을 따라 실린더 앞부분으로 보내고 가열 히터와 스크루의 회전 작용으로 인해 혼련되면서 발생하는 마찰열에 의해 용융되며,

용융된 성형 재료는 가열 실린더 앞부분으로 이동되고 성형 재료의 반력(배압)에 의해 스크루는 후방으로 후퇴되며 스크루의 후퇴거리는 전기적으로 검출되어 1쇼트의 성형 재료가 가열 실린더 선단부에 축적될 때 스크루의 회전이 정지됨.

계량된 성형 재료는 유압 실린더에 의해 작동되는 스크루의 전진으로 노즐에서 금형 캐비티로 주입됨.

2) 특징

균일한 가소화를 할 수 있고 가소화 능력도 큼.

사출압력이 일정함.

성형 재료의 교체나 색채 변화를 용이하게 할 수 있음.

가열 실린더 내에서 성형 재료가 체류되지 않아 열안정성이 나쁜 재료에 적합함.

유동성이 나쁜 PVC, PS 등의 성형에 용이함.

(4) 프리플러식

1) 작동원리

프리플러식은 성형 재료의 가소화와 사출이 각각의 다른 실린더에 의해 이루어지는 방식임.

프리플러용 가열 실린더에서 별도로 용융된 성형 재료는 사출용 가열 실린더 내로 이동되어서 사출 플런저의 후퇴량에 의해 사출량이 계량되고 플런저의 전진으로 금형 캐비티에 주입됨.

2) 특징

스크루식에 비해 가소화 능력을 크게 할 수 있음

사출용량, 사출압력을 증대할 수 있음.

성형 사이클 타임을 빠르게 할 수 있음.

성형 재료 교체와 색채 교체가 용이하지 않음.

열분해를 일으키기 쉬운 재료에는 사용할 수 없음.

5. 사출성형기의 작동순서

(1) 개요

사출성형기의 작동은 금형이 닫히는 것부터 시작하여 성형품을 금형으로부터 빼낼 때까지의 과정이 한 사이클을 이루며 자동화에 의하여 연속적으로 제품생산이 이루어짐.

(2) 작동순서

1) 금형 담힘과 체결

사출성형의 사이클은 금형의 닫힘으로 시작되고 금형의 보호를 위하여 저압에서 이루어지며 금형이 닫히면 강한 힘으로 전환되어 사출 시에 고압의 사출압력에 의해 금형이 열리지 않도록 금형이 체결됨.

2) 노즐 접촉과 사출

금형의 고정측 형판이 있는 쪽으로 사출장치가 전진하여 노즐의 선단이 금형의 스프루 부시에 접촉됨.

노즐 접촉이 끝나면 스프루가 피스톤 역할을 하여 실린더 내의 용융 재료를 캐비티 내로 사출함.

3) 보압

고압으로 사출된 용융 재료는 고압으로 충전되기 때문에 역방향으로 압력이 작용하여 용융 재료가고화될 때까지 사출압력을 일정 시간 동안 유지해 주어야 하는데 이 압력을 보압 또는 2차 압력이라 함.

보압은 성형품의 체적 감소에 의한 수축 방지의 목적도 있음.

보압으로 전환되는 시간은 스크루 전진, 스트로크의 끝부분에서 리밋 스위치로 제어하거나 타이머로 제어함.

☞ 배압은 다음 사출을 위해 준비된 상태에서 스크루가 뒤로 밀리면서 스크루 앞쪽의 재료 부피에 가해지는 압력의 양을 말함. 스크루 후퇴에 대한 저항으로 용융 재료에 적합한 온도의 전단 작용을 가하여 스크루의 후퇴 속도를 규제하고 수지의 혼련을 좋게 함.

4) 냉각 및 가소화

금형 캐비티 내에 주입된 성형 재료는 이형이 가능하도록 일정 시간 동안 냉각•고화시켜야 하는데 이것을 큐어링이라 하고 성형 사이틀 타임 중에서 가장 비중이 큼.

큐어링 시간을 이용하여 사출장치는 다음 사이클을 준비하기 위해 성형 재료를 용융시키는 가소화를 시작함.

5) 노즐 후퇴와 금형 열림

가소화가 완료된 사출장치는 후퇴하여 노즐이 금형의 스프루 부시에서 이탈됨과 동시에 사출성형기의 가동측 형판이 후퇴하여 금형이 열림.

6) 이젝팅

금형이 열리면 이젝팅 로드에 의해 성형품을 금형 캐비티에서 밀어내어 취출하고 이후에 금형이 닫히면서 새로운 성형 사이클을 시작하게 됨.

(3) 사출성형 사이클

① 건조

성형 재료를 건조기에 넣고 예비 건조를 시행.

② 투입

예비 건조된 성형 재료를 사출성형기의 호퍼에 투입.

☞ 앞에 두 과정은 재료를 준비하는 과정이라 사출성형 사이클에 포함되지 않으며 실제 사출성형 사이클은 다음의 ③ ~ ⑪번 과정을 반복적으로 수행하는 것을 의미함.

③ 계량

호퍼에 투입된 성형 플라스틱을 가열 실린더 내부로 공급하고 가열 실린더 앞쪽으로 이동시킴.

④ 가소화

가열 실린더 내에 투입된 성형 재료가 용융되어 가열 실린더 내의 스크루의 회전을 통해 노즐로 이동시킴.

⑤ 형체

금형이 닫히고 체결하는 공정으로 사출 시 사출압력에 의해 금형이 뒤로 밀리는 것을 방지.

⑥ 노즐 전진

금형의 체결이 이루어진 후 가열 실린더가 전진하여 가열 실린더의 노즐과 금형의 스프루 부시가 접촉을 함.

⑦ 사출

노즐과 스프루 부시가 결합되면 사출 스크루가 전진하면서 캐비티의 내부로 용융 재료를 공급.

⑧ 보압

용융 재료가 캐비티의 내부에서 고화되면서 체적 수축이 발생하게 되는데 이러한 수축을 보완하기 위한 단계로 충전이 완료될 때까지 일정 시간 동안 압력을 가함.

⑨ 계량 및 가소화

캐비티에 주입된 성형 재료가 냉각되는 동안 노즐이 스프루 부시에 접촉된 상태에서 다음 사출을 위해 용융 재료를 스크루 선단으로 이동시킴.

⑩ 이형 및 취출

캐비티에 주입된 성형 재료는 고화가 완료되면 금형이 열리고 이젝팅 기구에 의해 성형품을 취출.

⑪ 형체

다음 사출을 위해 금형이 닫힘.

6.  사출성형기의 주변기기

(1) 사출성형기의 구비요건

사이클마다 작동에 변동이 없을 것.

정확한 재현성이 있을 것.

사출압력이 높고 2차 압력 조정이 정확하게 이루워질 것.

형체기구의 강성이 크고 휨이 적을 것.

균일한 가소화와 사출량의 정확한 조정이 가능할 것.

무인 운전이 가능할 것.

(2) 주변기기

1) 호퍼 로더

원료탱크, 건조기, 사출성형기 등에 자동으로 성형 재료를 반송하는 장치로써 흡입식, 압송식, 코일 스크루식이 있음.

(가) 흡입식

흡입식은 단거리 수송에 적합하고 가장 많이 사용하나 성형 재료 수송 후의 성형 재료와 에어의 분리를 필터로 행해지기 때문에 필터의 눈막힘이 발생함.

눈막힘을 해결하기 위해 팬의 역회전이나 압축공기를 분사하여 분체를 제거하면 되는데 이때 분진 등이 흩날리게 되어 환경오염을 일으킬 수 있어 대책이 필요함.

(나) 압송식

압송식은 많은 기계의 분배 수송이  쉽고 대용량을 장거리 수송할 수 있으며 분체에 의한 필터의 눈막힘이 없음.

하지만 분진이 발생할 수 있으므로 환경오염에 대책이 필요함.

(다) 코일 스크루식

코일 스크루식은 필터의 눈막힘이나 배풍에 의한 분진이 발생하지 않으므로 열경화성 플라스틱 등의 분체 원료 수송에 사용되는데 수송거리에 제한이 있음.

2) 호퍼 드라이어

호퍼 드라이어는 흡습한 성형 재료로 성형을 하면 성형품에 은줄, 탐, 기포 등이 외관상에 나타나고 성형 재료의 가스분해에 의한 강도 저하가 발생할 수 있어 호퍼 내에서 건조를 하거나 건조를 마친 성형 재료의 흡습을 방지하는 목적으로 설치함.

(가) 열풍 건조식

열풍 건조식은 대기를 가열하여 호퍼 내로 불어넣는 것으로 가장 많이 사용함.

(나) 탈습 건조식

탈습 건조식은 건조에 사용되는 열풍을 제습해서 순환시키는 방식으로 건조 효과가 높고 건조 조건이 안정되며 비교적 낮은 온도와 적은 풍량으로 건조할 수 있으므로 에너지 효율이 좋음.

3) 분쇄기

분쇄기는 성형 후에 발생되는 스프루-러너, 불량품 등을 재사용하는데 편리한 형상으로 분쇄하기 위한 장치로써 요구되는 성능은 다음과 같음.

호퍼로 자동 투입이 되는 구조일 것.

구동음 수준이 낮을 것.

성형을 한 직후 여열이 있어도 쉽게 분쇄가 가능할 것.

기내의 청소가 간편할 것.

분쇄 용량이 클 것.

4) 계량 혼합기

계량 혼합기는 성형 재료와 안료 및 재생 재료를 임의의 비율로 혼합시켜 주는 장치로써 혼합능률은 좋지 않으나 장치가 간단하고 청소하기기 용이하여 많이 사용됨.

5) 자동 컬러링 장치

자동 컬러링 장치는 자동 계량 혼합기와 조합하여 사용하는데 보통 자동 계량 혼합기를 사출성형기 밖에 설치하고 자동 컬러링 장치를 호퍼상에 놓는 방식으로 사용하나 양자를 조합하여 호퍼상에 설치할 수도 있음.

또는 액상 착색제를 안료로 사용하여 사출성형기의 호퍼에 직접 적하시켜 가소화 중에 스크루의 혼련작용에 의해 분산 착색시키는 리퀴드 컬러 시스템도 있음.

6) 금형 온도 조절기

금형 온도 조절기는 성형 중인 금형온도를 일정하게 유지하고 성형품의 품질을 균일하게 유지하기 위해 사용되고 열매 탱크, 열매 가열용 히터, 열매 냉각 장치, 열매 순환 펌프 등으로 구성되어 있음.

열매로는 금형온도가 100℃  이하이면 물을, 100℃ 이상이면 기름을 사용함.

금형 냉각 시스템의 구성은 칠러와 칠러의 냉각수를 식히는 냉각 타워로 이루어지며 금형의 냉각수는 칠러로 식혀진 저온수를 순환시키고 그 외에는 냉각 타워로 냉각한 것을 사용함.

금형 내외의 온도 차는 ±2℃ 이하를 유지해야 열로 인한 성형품의 결함을 방지할 수 있음.

7) 금형 교환 장치

사출성형 작업에서 금형 교환은 시간 낭비이므로 이에 요하는 시간은 가급적 단축해서 사출성형기의 정지 시간을 줄이는 것이 가동률 향상에 유리함.

금형 교환 장치의 선제 조건으로는 금형 두께를 통일하여 형개폐 제어를 고정화, 퀵 조인트에 의한 금형 온도 조절기 배관의 원 터치화, 위치결정 지그나 고정구의 계량에 의한 금형 부착 시간의 단축, 금형의 예비 가열에 의한 온도 상승 때의 성형 불량 감소 등이 있음.

거기다가 금형 교환에 따르는 성형 재료의 바꿈이나 색 바꿈도 사출과정을 자동화하는 데 중요함.

8) 성형품 취출 장치

성형품 취출 장치에는 성형품 자동 낙하 장치와 성형품을 사출성형기의 외부까지 반출시키는 장치가 있음.

복잡한 형상의 성형품의 경우에는 성형품과 스프루-러너를 각각 따로 꺼내어 분리하는 장치가 보급되었고 컨베이어와 연결하여 성형품과 스프루-러너 회수 라인을 별도로 구성한 후 회수한 스프루-러너를 분쇄기를 거쳐 호퍼로 연동시켜 생산효율을 높이고 있음.

성형품과 스프루-러너 자동 회수에는 기계식, 진공식, 흠입식, 가압식 척 등을 사용함.

9) 자동 낙하 확인 장치

자동 낙하 확인 장치는 금형에서 이형이 완전히 이루어져서 아래쪽의 슈터나 컨베이어 위에 성형품이 낙하하는 것을 확인하는 장치로써 충격식, 중량식, 광전광식이 있음.

(가) 충격식

충격식은 성형품의 낙하 에너지를 이용하는 것으로 저렴하고 설치가 간단하나 검출이 가능한 중량에 한계가 있음.

(나) 중량식

중량식은 성형품의 무게를 계량하여 성형품의 낙하를 확인하는 것으로 계량이 정확하여 다수 빼기의 낙하 확인에 적합하나 검출시간이 소요되어 성형 사이클 타임이 그만큼 길어지고 고가임.

(다) 광전광식

광전광식은 투광기와 수광기의 빔 차단 유무에 따라 성형품의 낙하를 검출하는 것으로 검출이 빨라 다수 빼기에 용이하고 편리하나 고가임.

이상으로 사출성형기에 대한 연재를 마치고 다음에는 사출금형의 구조에 대한 연재를 시작할 예정입니다.