Plastic 제품의 성형법 - 성형품의 불량 원인과 대책 (미성형)

3.2 성형품의 불량원인과 대책 (part 1)

1) Short shot(쇼트) = 미성형
 성형할 수지가 성형기(plastic molding machine)의 실린더 안에서 충분히 가열되지 않거나 사출 압력과 금형 온도가 매우 낮을 경우, 금형 전체에 수지가 들어가지 않고 냉각 고화해서 성형품의 일부가 모자라는 현상이다. 그 주원인은 다음과 같은데, 가장 결정적인 요인은 금형의 형상과 수지의 유동성이다.
① 수지의 유동성이 부족하다.
② 금형 내부 압력이 부족하다.
③ 성형기의 능력이 부족하다.
④ cavity 안의 공기 빠짐이 불량하다.
⑤ 재료 공급량이 부적정하다.
⑥ 유동 저항이 너무 크다.

(1) 대책
① 성형 기계의 능력 부족

 성형 기계의 가소화 능력의 부족 또는 공급 능력의 부족 등이 원인이 된다. 가소화 능력이 부족할 때는 가열 시간의 연장, screw 회전수의 증가, 배압의 증가 등으로 가소화를 충분히 하면 해결되지만, 공급 능력이 부족할 때는 능력이 큰 기계로 바꾼다.
② 여러 개 빼기의 일부가 충전 부족

 성형 기계의 능력이 충분하여도 gate 밸런스(gate balance)가 나쁘며 스프루(sprue)에 가까운 것, 또는 gate가 굵고 짧은 것만이 좋은 상품이 되고 일부가 불량품이 된다. 이것을 해결하려면 gate 평형을 수정한다. 즉, 러너 지름을 크게 하여 맨 끝까지 압력이 저하하지 않도록 힘과 동시에 스프루에서 멀리 떨어진 cavity의 일부를 닫고, 1 쇼트당의 성형 개수를 감소시킨다.
③ 수지의 유동성이 부족

 수지의 유동성은 수지의 종류, 품목에 따라 다르므로 성형품의 실용 강도, 디자인에 의해 적절한 것을 선정한다. 또 성형조건(수지 온도, 사출 압력, 사출 속도, 금형 온도)과 성형품의 살 두께에 의해서도 좌우된다. 수지의 유동성 척도로서는 카탈로그 등에 멜트 플로우 인덱스(melt flow index = MFI)나 스파이럴 플로우 길이로써 표시되어 있다. 수지의 유동성을 향상하는 대책으로서는 수지 온도, 사출 압력, 사출 속도, 금형 온도를 들면 된다. 수지의 유동성이 부족하게 되면 금형의 끝 또는 웰드(weld) 부까지 가는 동안 고화되므로 충전 부족이 된다. 이것을 해결하려면 수지 온도를 높이고 금형 끝까지 수지가 흐르도록 사출 속도를 빠르게 하거나, 성형 기계의 실린더 온도와 사출 압력을 높이고 사출 속도를 빨리하여 금형 온도를 높게 한다. 또한 수지의 유동성이 좋아야 하므로 유동성이 좋은 원료(수지)로 바꾸는 것도 해결 방법의 하나이다.
④ 유동저항이 클 때

 유동저항이 크면 충전 불량이 발생한다. 용융 수지가 성형기의 노즐, 금형의 스프루, 러너, gate를 통해서 cavity로 흐를 경우, 수지가 냉각되어 점도가 높아져서 유동성이 방해되고, 고화해서 성형품의 말단까지 도달하지 않기도 한다. 이러한 경우 노즐, 스프루, 러너, gate의 단면적을 넓히고, 또한 길이를 단축하고, 또 cavity 살 두께가 허용되는 범위에서 늘리거나, gate 위치의 변경이나 보조 러너를 설치하는 것 등이 효과적이다. 금형 온도가 지나치게 낮으면 유동저항은 커지므로 주의하여야 한다. 노즐 저항은 노즐 지름을 크게 하거나 노즐 온도를 높이면 감소한다. 스프루는 지름의 증가, 러너는 저항이 큰 반원 러너를 피하고 원형 또는 사다리꼴 러너로 하거나 지름을 증가시키고 또 이들을 필요 이상 길게 하면 안 된다. 충전 부족부까지의 사이에 얇은 부분 때문에 충전 부족이 생길 경우는 두께 전체를 증가시키든가, 일부의 두께를 증가하여 보조 러너로 하거나, 혹은 gate를 충전 부족 근처에 설치한다. 또한 유동저항은 노즐에서 나온 수지가 다시 스프루, 러너에서 냉각되기 때문에 콜드 슬러그 웰(cold slug well)을 크게 설치한다. 금형 온도가 낮으면 유동저항이 커지므로 금형 온도를 높인다. 또는, 냉각 배관의 위치를 바꾸고 냉각수의 통수 방법을 변동한다.
⑤ Cavity 내의 배기 불량

 Cavity 내의 배기 불량은 수지가 금형 내의 공기를 밀어내면 된다. 그런데 성형품의 형상, 살 두께의 불균일, gate의 위치 등의 관계에서, 성형품의 말단이나 깊게 새긴 보스부 선단 주위가 살이 두껍고 중간이 얇은 성형품, 각형 성형품의 평면에 대칭인 4점 gate가 있는 중심부 등은 배기 불량이 충전 불량이 되기 쉽다. 수지의 온도와 압력을 올려 유동성을 증가시킬 때 태움(black sport)과 웰드 라인(weld line)이 생기기 쉽다. 충전 부족이 자주 생기고, 수지가 cavity에 들어갈 때 미충전 부분에 공기가 남아 그 압력으로 충전 부족이 되기도 하고 너무 급속 충전되어 공기가 파팅라인(parting line) 면을 통하여 빠지지 못할 때도 있다. 이 현상은 금형의 구석진 곳, 금형의 오목부, 제품의 두꺼운 부분으로 둘러싸인 얇은 장소에 발생한다. 즉, 벽두께에 비해 천정의 두께가 얇은 제품을 사이드 게이트(side gate)로 성형할 긴 보스(boss)의 끝에 생긴다. 이때 공기는 단열 압축을 받아 고온으로 되어, 이 부분이 타버릴 수가 있다. 이 불량 해결은 공기가 빠지게 사출 속도를 느리게 하든가, 또는 금형 내의 공기를 진공펌프로 배기하면 된다. 그러나 가장 좋은 해결 방법은 공기가 빠질 구멍을 설치, gate 위치를 선정하여 공기가 먼저 빠지도록 하든가, 공기가 빠질 곳을 금형의 구조에 따라 설치하는 것이다. 즉, 금형의 일부를 코어로 하여 코어의 틈새로 공기가 빠지게 하든가, 파팅(parting) 면의 일부에 얇은 홈을 내든가, ejector 핀(밀핀)을 설치하여 그 틈새로 공기가 빠지게 하면 된다. 예를 들면, 다점 핀 gate를 성형할 경우 배기 중 금형의 일부를 코어로 한다.
⑥ 형체력 부족

 형체력(clamping force) 부족과 충전 부족은 서로 무관한 것으로 생각되지만, 이것이 원인이 될 때가 있다. 동일 사출량의 기계라도 형체력이 부족하여 사출 압력으로 가동축이 약간 움직이면 플래시가 발생하여 제품의 중량이 증가하고, 사출량이 부족하게 되어 기계의 능력 부족과 같은 충전 부족이 된다.
⑦ 수지의 공급 부족

 성형 기계의 능력은 충분하나 소요량의 수지가 노즐에서 나오지 못하면 충전 부족이 된다. 이 원인은 ㉮ 호퍼(hopper) 안에서 수지가 브리징(bridging)을 일으켜서 실린더에 공급 부족, ㉯ screw 식 사출 성형기는 수지가 실린더 내에서 미끄러져 앞으로 이송되지 못할 때가 있다. 전자 ㉮의 경우 호퍼 드라이어(hopper drier) 중에서 수지가 녹아 덩어리로 될 때와 분말 혹은 부정형인 펠레트(pellet)는 호퍼에 붙는 경우가 있다. 후자 ㉯의 경우 수지를 잘못 선택하여 윤활제가 너무 많은 펠리트를 사용할 때이므로 올바른 배합 원료로 바꾼다. 가끔 성형 기계의 능력을 과대하게 예측해서 실패하는 일이 있다. 예를 들면, 성형기의 이론 사출량으로 빠듯하게 폴리올레핀을 사용하거나, 형체력의 부족에 의해 cavity 용적이 증가해서 공급량 부족을 일으키는 실수를 하는 경우가 있으므로 주의하여야 한다.
⑧ 수지 공급 과잉

 특히 플런저식 사출성형 기계(plunger type injecting molding)는 실린더 내에 많은 수지가 들어가면 사출 압력, 즉 실린더 내의 수지를 미는 압력이 펠리트(pellet)의 압축에 소비되어 실제 사출 성형에 필요한 노즐에서 나오는 수지 압력이 감소하여 사출 압력 부족 현상이 나타나게 된다. 이 해결 방법은 성형에 알맞은 수지량을 공급하도록 조정한다.