사출 금형 8

제8장 러너 및 냉각회로

1. 러너

(1) 러너의 역할과 단면 형상

1) 역할

러너는 스프루와 캐비티를 잇는 용융 재료가 흐르는 길이고 가급적 유동저항이 적으며 쉽게 냉각되지 말아야 함.

따라서 러너의 크기가 굵고 단면 형상이 진원에 가까운 것이 좋음.

하지만 러너의 크기가 너무 굵으면 성형 재료의 양이 증가하여 러너의 고화 시간이 길어지게 됨.

러너의 고화 시간이 길어지면 성형 사이클 타임이 늘어나서 생산 단가의 상승을 초래할 수도 있음.

2) 단면 형상

러너의 설계에 있어서는 단면 형상, 크기, 레이아웃 등에 유의해야  함.

러너의 단면 형상은 유동저항과 열손실이 적은 것을 선택해야 함.

러너는 압력 전달 측면에서는 단면적이 커야 하고, 열전도율 측면에서는 외주(둘레)가 작아야 함.

단면적에 대한 외주의 비가 러너의 효율을 나타냄.

러너의 단면적은 원형과 사각형이 가장 효율이 좋으나 사각형의 경우에는 취출이 어려워 실제로는 5˚~ 10˚의 경사를 가진 사다리꼴형이 가장 많이 사용되고 있음.

러너의 단면적 선정은 이형과 가공을 고려해야 하기 때문에 2매판 사출 금형의 경우 파팅 라인이 평면이면 원형을, 파팅 라인이 복잡하고 양면 러너를 가공하기 어렵거나 3매판 사출 금형에서는 사다리꼴이나 반원형을 사용함.

(2) 러너의 치수

1) 러너의 치수 선정 시 고려사항

성형품의 살두께 및 중량, 러너 또는 스프루에서 캐비티까지의 거리, 러너의 냉각, 성형 재료 등에 대해 검토할 것.

러너의 굵기는 성형품의 살두께보다 굵게 할 것.

러너의 길이가 길어지면 유동저항이 커짐.

대부분의 성형 재료에 대해서는 Φ9.5mm보다 큰 러너는 좋지 않으며 경질 PVC나 PMMA에서는  Φ13.5mm까지 허용하기도 함.

되도록이면 표준 러너를 사용할 것.

성형품의 살두께가 3.2mm이고 중량이 200g 이하인 경우 러너의 결정 시 경험식은 다음과 같음.

2) 성형 재료별 권장 러너 지름

3) 성형품의 중량과 러너의 지름

(3) 러너의 배치

다수 개 뽑기 금형에서 러너와 성형품 배치와의 관계는 성형품 형상, 게이트의 개수, 플레이트의 구성 및 게이트 형식에 따라 결정됨.

러너의 레이아웃 설계 시 고려사항

① 압력 손실과 유동 재료의 온도 저하를 막기 위하여 러너의 길이와 개수는 유동선이 가장 짧아지는 방향으로 선정할 것.

② 러너 밸런스는 스프루에서 각 캐비티까지의 거리를 동일하게 하는 것을 의미하며 고밀도 성형에서는 매우 중요함.

정밀 성형용 배치에서는 원형으로 배열하는 것이 가장 바람직하지만 원형 성형품 이외에는 금형 가공상 바람직한 것은 아님.

가장 효과적인 러너 배치는 4개 뽑기로 하여 H형 배열임.

스프루 하단이나 러너의 말단에 콜드 슬러그 웰을 설치하여 콜드 슬러그가 캐비티 내로 주입되지 않도록 하고 콜드 슬러그 웰 길이는 러너 지름의 1.5 ~ 2배로 할 것.

(4) 러너•게이트 밸런스

다수 개 뽑기 금형에서는 모든 캐비티가 균일하게 충전되도록 러너 및 게이트에 의하여 밸런스를 맞추는 것이 중요함.

다수 개 뽑기 성형 시 발생하기 쉬운 플로 마크, 싱크 마크, 충전 부족, 치수 정밀도 오차 및 중량의 불량 등을 해결할 수 있음.

스프루에서 캐비티 끝에 이르는 사이의 압력 저하는 거리와 비례하므로 다른 조건이 같을 경우에는 스프루로부터 거리가 먼 캐비티로 갈수록 전달되는 압력이 작아짐.

따라서 스프루로부터 캐비티까지의 거리가 멀수록 게이트 랜드의 길이를 적당하게 감소시켜야 함.

1) 각 캐비티의 충전상태를 균일하게 하는 방법

스프루로부터 각 캐비티까지의 성형 재료의 유동 거리를 같게 하는 방법.

스프루로부터 각 캐비티까지의 거리에 따라 러너의 굵기를 조정하는 방법.

스프루로부터 각 캐비티까지의 거리에 따라 게이트의 폭과 깊이를 조정하는 방법.

2) 게이트 밸런스(B.G.V)의 계산

다수 개 뽑기의 경우에 게이트 밸런스의 값이 일정하게 되도록 게이트의 치수를 정하는 방법으로 게이트를 통과한 성형 재료의 중량에 비례하는데 즉, 충전 중량에 비례한다는 것을 의미함.

게이트와 러너의 단면적의 비는 0.07 ~ 0.09 정도로 하고 게이트의 길이는 일정하게 하여 폭과 깊이를 조정하는데 그 비는 대략 3:1 정도로 해야 함.

러너의 길이가 길 경우에는 125 ~ 200mm 길어질 때마다 랜드를 0.13mm 짧게 함.

3) 서로 다른 성형품의 다수 개 뽑기일 때 게이트 밸런스

다수 개 뽑기 금형에서 충전량이 서로 다른 경우 게이트 밸런스는 충전럄에 비례하므로 다음과 같은 공식으로 게이트 밸런스를 계산할 수 있음.

2. 사출 금형의 온도제어

(1) 개요

사출 성형은 성형 재료를 용융하여 캐비티 내에 주입한 후 냉각 및 고화하여 제품을 만들기 때문에 금형온도는 성형 사이클 타임, 성형성, 품질 등에 영향을 미침.

품질이 우수한 성형품을 얻기 위해서는 금형온도 제어가 필수적임.

(2) 금형온도 제어의 목적과 필요성

1) 목적

성형 사이클 타임의 단축.

성형성의 개선

성형품의 표면 상태 개선.

성형품의 강도 저하 및 변형 방지

성형품의 치수 정밀도 향상.

2)  필요성

(가) 성형성과 성형능률

금형온도가 높으면 용융 재료의 유동성이 증가하여 충전 상태가 양호해지나 냉각시간이 오래 걸려 성형능률이 떨어짐.

(나) 변형

성형품의 두께가 두꺼우면 냉각이 불충분하여 표면에 싱크 마크가 생기고 성형품의 각 부위에 냉각이 균일하지 못해 변형이 발생함.

(다) 성형품의 특성

금형온도가 낮으면 용융 재료가 빨리 냉각되어 성형압력을 높여야 하는데 이 경우에 잔류응력이 발생할 수 있음.

냉각속도에 따라 결정화도와 결정의 크기가 다른데 일반적으로 금형온도가 높고 냉각이 늦을수록 결정화도가 좋아져서 성형 수축률이 작고 치수 정밀도가 높아짐.

(3) 금형온도 제어 방식

1) 존 온도 제어 방식

존 온도 제어 방식은 금형 각부에 온도조절기를 설치하여 존별로 온도를 제어하는 방식으로 중대형성형품, 물성을 중시하는 성형품, 정밀 성형품 등의 금형에 적용됨.

존별로 온도를 조절하기 때문에 캐비티 내의 유동성이 개선되고 성형품 살두께의 불균일, 사출성형기의 능력 부족, 금형설계상의 결함, 사용되는 성형 재료의 결점과 결함 등의 문제를 해결할 수 있음.

존 온도 제어 방식은 잔류응력에 의한 변형이 적어지고 외관 및 치수가 정밀한 고품질의 성형품을 얻을 수 있음.

2) 전면 저온 제어 방식

전면 저온 제어 방식은 단순하고 균일한 살두께를 가진 소형 성형품, 잡화품 등에 채용되는 것으로서 캐비티 수와는 상관없이 금형온도를 될 수 있는 한 낮게 설정하여 성형 사이클 타임의 단축을 목표로 하는 방식임.

대량의 냉각수를 효율적으로 통과시키면서 금형은 일종의 열교환기 역할을 하며 금형의 전면적을 동일한 온도로 제어함.

3. 사출 금형의 냉각회로 설계

(1) 개요

금형온도는 성형 재료의 성형 수축률과 냉각시간 등에 많은 영향을 끼침.

성형 사이클 중 최대 소요시간은 냉각시간이며 성형품의 외관 및 치수 정밀도는 금형온도 제어에 많이 의존하는 편임.

(2) 냉각회로의 종류

1) 드릴 구멍에 의한 방식

드릴 구멍에 의한 방식은 드릴 구멍을 성형품에 평행하게 직선으로 가공하는 회로로 가공이 쉬워 많이 사용함.

얕은 성형품 냉각에 주로 사용되고 성형품의 형상에 따라 드릴 구멍의 선단을 교차시켜 가공함.

2) 냉각 플러그에 의한 방식

냉각 플러그에 의한 방식은 냉각 플러그를 사용하여 차가운 물은 우선 고온인 게이트 대응점을 냉각하고 주위에 흘려 밖으로 유출하는 방식임.

금형 각부의 온도를 고온부, 저온부, 중온부로 나누어 존별로 각각 별개의 냉각수를 통과시켜 유수량을 조절하고 금형온도를 균일하게 제어함.

3) 분류에 의한 방식

분류에 의한 방식은 주로 높이가 높은 코어의 냉각에 사용되는 회로로써 코어에 구멍을 가공하고 그 중심에 파이프를 세워 냉각수를 분수형으로 분출하여 코어의 상면을 냉각시킨 다음 분출된 냉각수가 낙하면서 주위의 벽을 다시 냉각시키는 방식임.

4) 차단판에 의한 방식

차단판에 의한 방식은 길이가 긴 성형품을 냉각시킬 때 냉각수의 흐름을 차단판으로 방해하여 코어에서 발생하는 열을 대량의 냉각수를 공급하여 효과적으로 냉각할 수 있음.

5) 가는 코어의 냉각

코어의 크기가 작아 냉각 구멍을 코어 내에 뚫을 수가 없는 경우에 사용하는 방식임.

설사 가는 코어에 냉각 구멍을 뚫었더라도 구멍이 너무 작아서 물때로 인하여 구멍이 막힐 수 있으므로 베릴늄동을 이용하여 분류 또는 차단판 방식으로 냉각 회로를 구성하고 여기에 공기를  통과시켜 냉각하는 방식임.

냉각수를 사용하는 것보다 효율은 떨어지지만 큰 냉각 효과를 얻을 수 있음.

열전도율이 높은 베릴늄동을 사용하여 간접적으로 온도를 제어함.

(3) 냉각회로의 설계

1) 설계 시 고려사항

냉각 구멍을 이젝터 기구 설계보다 우선한다는 생각으로 설계할 것.

냉각 회로는 스프루나 게이트 등 금형온도가 높은 곳에서부터 냉각수를 순환시키도록 할 것.

성형 수축률이 큰 성형 재료는 수축 방향에 따라 냉각 수로를 설치할 것.

지름이 가는 코어 편에는 냉각수에 압축공기가 통할 수 있게 설계할 것.

고정측 형판과 가동측 형판을 각각 독립적으로 냉각수 조정이 가능하도록 할 것.

냉각수 입구온도와 출구온도의 차이는 작은 것이 바람직하며 정밀성형 금형일 경우에는 2℃ 이하로 하는 것이 좋음.

조인트, 호스 등의 직경은 냉각 구멍보다 작아서는 안됨.

금형온도가 높은 성형일 경우에는 금형과 사출성형기, 다이 플레이트 사이에 단열판을 설치할 것.

2) 냉각회로의 설계

(가) 냉각수관의 지름

냉각수가 난류이고 유량이 풍부한 경우 냉각수관은 성형품의 평균 살두께로 결정함.

대형 금형에서 냉각수관의 지름은 Φ14mm를 넘지 않도록 하며 이는 난류가 되기 어려워 열효율이 떨어지기 때문임.

1개의 큰 구멍보다는 지름이 작은 다수 개의 구멍이 더 효과적임.

(나) 냉각수관의 피치 및 위치

냉각수관의 피치는 지름의 3 ~ 5배가 적합하고 너무 가까우면 강도의 저하로 반복적으로 가해지는 성형압력에 의해 변형이 발생할 수도 있음.

냉각수관의 위치는 가능한 한 캐비티 표면에 근접시키고 냉각수관의 개수를 증가시켜 냉각효율을 높여야 함.

살두께가 다른 부분은 냉각수관의 위치와 개수를 조절하여 캐비티 표면의 온도를 균일하게 유지하도록 해야 함.

(다) 냉각수관의 길이와 수량

유효 냉각수관의 길이의 총면적이 성형품의 총면적과 일치하게 된다면 가장 이상적인 설계라 할 수 있음.

그러나 냉각수관이 지나치게 많으면 압력손실 등에 의해 냉각속도가 떨어지므로 유량을 계산해야 함.

(라) 냉각수의 누수를 방지

냉각수관의 오링 홈 가공의 정밀도에 따라 냉각수의 누수를 방지할 수 있기 때문에 오링의 규격과 세트 방법을 설계 단계에서 충분히 고려해야 함.

이상으로 러너와 냉각회로에 대한 연재를 마치고 다음에는 성형품의 설계에 대한 연재를 시작할 예정입니다.