Plastic 제품의 성형법 - 사출성형기의 사양/비결정성 수지의 성형

2.4 사출성형기의 사양

 사출성형기의 능력은 한 번의 최대 사출량으로 표시되기도 하나 최근에는 형체력(mold clamping force)으로 평가되는 것이 일반적이다. 형체력이 사출성형기의 사양을 결정하는 대표적인 사항으로 되고 있다. 하기의 항목들 외에도 가열 실린더의 가열 용량, 노즐 접촉력, 형개력 ejector 돌출력 등을 고려해야 한다.

 

1) 사출 용량

 사출 용량은 한 번의 최대 사출량으로 screw 외경과 그의 최대 스트로크(stroke)로서 결정된다.

 ① 이론 사출 용량 𝑉(𝑐𝑚²) ∶ 𝑉 = (𝜋𝐷² /4) ∗ 𝑆

   - D : screw 외경(cm)

   - S : 최대 스트로크(cm)

 ② 최대 사출 용량 𝑊(𝑔) ∶ 𝑊 = 𝑉 ∗ 𝜌 ∗ 𝜂

   - 𝑉 : 이론 사출 용량 (𝑐𝑚³)

   - 𝜌 : 응용 수지 밀도 (𝑔/𝑐𝑚³)

   - 𝜂 : 사출 효율

 식 ①은 밀도, 사출 효율이 고려되지 않아 현실적이 못 되며, 실제는 식 ②가 사용된다. 용융 수 지의 밀도는 그 비중, 온도, screw 배압력 등에 영향이 있다. 또한 사출 효율은 screw 선단의 역류 방지 밸브에서의 누출, 유동 압력(금형 내에 주입되는 압력) 등에 영향이 있다. 1회 사출 용량은 성형 용량에 sprue(스프루) 용량과 runner(러너) 용량이 더해져야 한다.

 

2) 사출률

 사출률은 노즐에서 사출 되는 단위 시간당 수지의 양으로 사출률 𝑄(𝑐𝑚3 /𝑠)는 다음 식으로 표시된다.

 ③ 𝑄 = (𝜋𝐷² /4) ∗ 𝑣

   - 𝐷 : screw 직경(𝑐𝑚)

   - 𝑣 : 사출 속도(screw 전진 속도) (𝑐𝑚/𝑠)

 

3) 사출 압력(수지 압력)

 사출 압력은 사출 시 screw 선단에 수지에 의해 걸리는 압력으로 사출 압력 𝑃(𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚²)는

 ④ 𝑃 = 𝑃′(𝑑/𝐷)²

   - 𝑃 : 사출 압력(𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚²)

   - 𝑃 ′ : 금형 내의 평균 수지 압력(𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚²)

   - 𝑑 : 사출 실린더 직경 (𝑐𝑚)

 일반적으로 사출 압력은 2,000𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚² 정도가 표준이며 3,000𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚² 넘는 것도 있다.

 

4) 형체력

 형체력은 금형 내에 수지를 사출 할 때 금형을 체결하기 위한 힘이다.
 ⑤ 𝐹 ≥ 𝑃 ′ ∗ 𝐴 ∗ 10⁻³

   - 𝐹 : 형체력(ton)

   - 𝑃 ′ : 금형 내의 평균 수지 압력(𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚² )

   - 𝐴 : 성형품의 투영 면적(𝑐𝑚²)

 금형 내의 평균 수지 압력은 400kgf/cm²가 일반적이며, 흐름성이 좋은 것은 350kgf/cm², 정밀성 이 있어야 하는 것은 400kgf/cm²를 목표로 함이 좋다.

 

5) 가소화 능력

 단위 시간당 수지의 가소화 되는 최대치 즉, screw를 최고 회전수로 연속 운전할 때의 수지를 용융시키는 능력이다.

 

6) 금형의 부착

 금형상의 die plate 간격, tie bar 간격, 형체 스트로크, 최소 금형 두께에 대해서도 유의해야 한다.

 

2.5 비결정성 수지 및 결정성 수지의 성형 (part 1)

1) 비결정성 수지의 성형

(1) 용융 및 냉각

 비결정성 열가소성 수지는 “과랭” 액체, 즉 초고점도를 가진 액체로 생각할 수 있다. 온도가 높아질수록 점도는 낮아져 cavity에 흘러 들어가도록 밀어낼 수가 있다. Cavity 내에서 수지 온도가 낮아지게 되면 다시 점도가 커져 고화된다. 온도가 낮을수록 단단해지게 된다. 제품이 충분히 고화되면 금형이 열리고 제품은 변형되지 않고 ejector pin에 의해 성형품이 관통되지 않고 ejecting 된다. 재료의 점도는 온도에 따라 심하게 달라지므로 때로는 용융온도로 긴 유로를 가진 cavity에 충전될 수 있는 정도까지 높인다. 결정성 수지와 달리 냉각 시간이 사이클 시간을 결정하는 요인이 된다. 그러므로 성형품에 대한 냉각 시간을 단축하기 위해 냉각수를 사용하는 것이 일반적이다. 여름철에 상습온도가 높아서 사이클이 제대로 이루어지지 않을 경우 노점 이하까지 냉각시킬 수도 있다. 습기는 금형 표면에 응축되어 표면 결함을 발생시킬 수도 있다. 최대의 생산성 또는 냉각 시간의 최소화를 위해 같은 ejecting 함을 유지하면서 ejecting 압력을 최소화하기 위해 직경이 굵은 ejector 핀을 사용할 수도 있다. Ejector 핀의 관통 기회는 냉각 시간을 짧게 해도 최소화한다.

(2) 유동 및 충전

 앞에서 설명한 바와 같이 용융온도는 유동성을 개선하기 위해 높일 수가 있다. 그러나 용융온도가 높으면 성형수축이 커진다는 것에 유의하여야 한다. 그러므로 수축 자국이 생기지 않게 하면서 cavity를 충전하려면 충분한 사출 압력이 요구된다. 대개의 경우 400kgf/cm²의 실제 사출 압력이 사용된다. 고점도 수지 또는 열 감도가 높은 수지(점도를 낮추기 위해 용융온도를 높이기에 부적합) 또는 유로가 긴 제품은 700kgf/cm² 또는 그 이상의 사출 압력이 필요하다. 재료의 최대유동 거리는 제품의 두께에 따라 달라진다는 것에 유의해야 한다. 최근에 사출성형기는 조건설정을 위해 몇 단의 사출 압력을 가지고 있다. 이러한 사출기는 금형에 충전하기 위해 제1단의 사출 압력을 높게 setting 하고 과잉충전 및 플래시 발생을 피하기 위해 “보압”으로 제2단계의 사출 압력을 가할 수 있다. 어떤 기계에서는 사출 스트로크 중간 점에서 여러 가지 사출 속도를 선택할 수 있도록 개발된 것도 있다. 이와 같은 방법으로 gate 자국과 같은 유동에 의해 발생하는 표면결함을 제거하는 데 도움이 된다.

(3) 기타

 ① 비결정성 재료의 냉각 시간은 결정성 재료에 비해 비교적 길다. 사이클을 길게 하지 않고 기계적인 열에너지를 가하기 위해 높은 배압을 사용하는 일이 많다(배압을 증가시키면 screw 후퇴 시간이 길어진다. 이것은 냉각에 드는 시간이 screw 후퇴 시간보다 길면 전체 사이클 시간에 영향을 주지 않는다).

 ② Screw의 압축비

 용융온도가 너무 높지 않다면 용융 점도가 높아지지 않는다. 그러므로 고 압축비를 가진 screw를 필요로 하지 않는다. 실제로는 고 압축비를 가진 screw를 사용하면 고점도 수지는 과열되거나 타버린다.

 ③ 건조

 흡수성 수지에서 성형을 하기 전의 건조는 필수적이다. 높은 건조 효율 및 저렴한 운용비가 절대적으로 요구되지는 않더라도 항상 제습 호퍼 건조기를 사용하는 것이 바람직하다.