Plastic 제품의 성형법 - 성형품의 불량 원인과 대책 (싱크 마크)

3.2 성형품의 불량원인과 대책 (part 3)

 

4) 싱크 마크 (Sink Mark)

 

(1) 특징
Sink mark는 성형품의 표면에 있는 오목한 부분을 말하며 성형품의 불량 중에서도 가장 많다. 이것은 수지의 성형 수축에 의한 것으로 제거가 곤란한 경우가 많다. 또 사출성형은 냉각된 금형 용융 수지를 주입할 때 금형에 접촉한 면부터 냉각되고 수지는 열전도가 나빠지고 매우 복잡한 현상이 생긴다. 금형에 접하는 표면이 빨리 냉각되어 고화, 수축한다. 내부는 냉각이 늦으므로 수축도 늦다. 따라서 빨리 수축하는 쪽으로 재료는 움직이고, 늦게 수축하는 부분은 수지량이 부족해서 기포가 된다. Sink mark는 성형품의 냉각이 비교적 늦은 부분으로, 표면이 내부의 기포 발생을 없애는 방향으로 끌려서 오목 면이 되는 즉, 성형품의 두꺼운 부분에 발생하기 쉽다. 따라서 제품설계나 금형 설계 때 sink mark 방지를 위하여 연구하고, 일단 sink mark가 발생 시 제거 방법이 중요하다. 한편, 핀 홀(pin hole)은 sink mark가 제품 내부에 생기는 현상으로 이 점도 함께 고려한다. 특히 수축이 큰 수지(폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리아세탈 등)일수록 심하다. Sink mark의 발생이 두꺼운 부분에 많은 점, 재료의 수축, 냉각 속도에 차이가 있는 점을 고려해서 대처하면 된다. 주요 원인을 들면 다음과 같다.
① 성형품의 살 두께가 불균일하다.
② 금형의 냉각이 불균일하거나 불충분하다.
③ 금형 내 압력이 부족해서 충분히 압축되지 않는다.
④ 사출 속도가 너무 빠르다.
⑤ 재료의 수축이 큰 것 등이다.

(2) 유의점
① 살 두께는 재료에 따라서도 다르나, 수축이 큰 수치는 3mm 이하로 가급적 균일하게 설계한다. 필요에 따라 rib, boss 등 부분적으로 두껍게 되는 성형품의 경우라도 될 수 있는 대로 작게(가늘게, 낮게) 한다.

② 금형의 냉각 홈은 충분히 뚫고 균일하게 함과 동시에 sink mark가 발생하기 쉬운 장소는 냉각을 강력하게 할 필요가 있다.

③ 금형 내 압력이 성형품 전체에 전달되도록 gate와 러너의 단면적을 크게 또는 짧게 하고 사출 유지 시간을 길게 한다. 재료 공급량을 약간 늘리는 것도 효과가 있으나, 플래시에 주의해야 한다.

④ 성형 수축률이 큰 수지에서 온도와 비용적이 크게 변하므로 sink mark가 두드러진다. 성형 온도는 낮게 억제하고 두꺼운 부위에 gate를 설치하고 sink mark가 발생하는 부분에 보조 러너를 설치하고 살 빼기로 sink mark를 개량하는 등의 대책이 효과적이나, 재료에 무기물을 첨가해서 수축을 줄이는 것도 개선의 일책이다.

(3) 대책

① 압축의 부족
성형품의 두께나 용적에 비해 스프루, 러너 및 gate가 가늘면 금형 내의 수지가 압력이 걸리지 않아서 수축량이 커지고 sink mark가 크게 발생한다. 특히 gate가 가늘면 보압(유지압) 시간이 충분해도 gate에서 고화되어 금형 내의 수지에 압력이 걸리지 않는다. 이 현상은 융점이 뚜렷한 결정성 plastic에 생기기 쉬운 현상이다. 또 플래시가 잘 생기는 금형은 금형 밀착도가 낮게 되는데 이것은 압축 부족으로 sink mark가 원인이 된다. Screw 식 사출 성형 기계(screw type injection molding machine)는 screw 홈으로 수지의 역류 방지를 위해서 체크 밸브를 장치하지만 이것은 완전하지 않고, 플런저식 사출 성형기(plunger type molding machine)보다 sink mark가 많이 생긴다. 이런 점이 플런저식 사출 성형기가 screw 식 사출 성형기보다 우수하다. 압축 부족에 의한 sink mark를 방지하기 위해 금형 전체에 사출 압력(보압)이 걸리도록 스프루, 러너, gate 지름을 크게 한다. 또 사출 압력을 크게 하고 보압이 충분한 것이 중요하다. 재료가 부족하면 sink mark가 된다. 수지의 흐름이 너무 좋아서 가입 시 플래시를 발생시켜 sink mark가 생기는 수도 있으나, 이때는 실린더 온도를 내리거나 유동성이 나쁜 수지로 바꾼다. Gate에서 먼 곳은 sink mark가 발생하기 쉬운 곳에 gate를 설치하든가, 혹은 그 위치까지의 두께를 크게 한다. 또, 핀 게이트(pin gate)의 수를 늘리거나 gate의 위치를 변경한다.

② 계량 조정의 불량
Screw 식 사출 성형기로 성형하면 사출이 끝났을 때, screw의 선단과 노즐 사이에 적당량의 용융 수지를 남기는데 이것을 쿠션(cushion)이라 한다. 이 쿠션량을 0으로 하고 사출이 끝남과 동시에 screw가 전진 끝까지 가도록 계량 조정을 하면 보압 중에는 screw가 전진할 수 없어 보압을 않는 것이 된다. 그러므로 보압 중의 수지의 수축 분량이 sink mark가 된다. 이 sink mark는 gate 부의 sink mark 및 제품 표면에 얼룩 모양의 sink mark로 되어 나타나므로, 쉽게 다른 원인에 의한 sink mark가 생기는 원인과 구별할 수 있다. 이 해결은 쿠션량을 규정대로 두고, 사출이 끝난 다음에도 screw가 수 mm 더 전진하도록 한다. 이 쿠션량이 0, 즉 사출이 끝났을 때 단절하는 계량 설정을 하면 사출 성형기 자체의 수명을 단축하게 한다.

③ sink mark가 이면에 나타남
제품에 따라서는 제품의 이면의 sink mark는 지장이 없는 경우가 있으나, 앞의 설명과 같이 sink mark는 금형 온도가 낮은 면에는 나타나기 어렵다. 금형 온도가 높은 면에 나타난 금형의 부분 중 sink mark 부분은 냉각을 충분히 하든가 혹은 반대로 sink mark가 나타나도 지장이 없으면 즉, sink mark가 나타나면 안 되는 면의 반대쪽 면을 가열하여 성형한다.

④ 냉각의 불균일
제품의 두께가 매우 불균일하면 두꺼운 부분이 얇은 부분보다 늦어 sink mark가 된다. 두께가 균일하지 않을 때 sink mark는 이론상 제거가 곤란하여 제품설계 때 두께를 균일하게 하여 두께의 변동을 적게 한다. 예를 들어, 보스(boss)는 바깥지름이 필요시 중앙에 sink mark 제거용 핀을 설치하고 보스에 강도가 필요할 때 보스 자체를 굵게 하지 말고 보강 리브(rib)로 대체한다.

⑤ 수축량이 큼
성형에 사용하는 수지의 열팽창 계수가 크면 sink mark가 발생하기 쉽다. 이때는 저온에서 성형하거나 사출 압력을 크게 한다. 그러나 수지 온도를 내리고 사출 압력을 높여도 결정성 plastic인 폴리프로필렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리아세탈 등은 결정된 고체와 녹아 있는 수지의 비중의 차이가 있어 sink mark를 방지하기 어렵다. 이때 가능하면 비결정성의 폴리머(polymer)로 바꾸면 sink mark가 감소한다. 또, 수지에 무기물 충전제, 예를 들면 유리 섬유, 석면 등을 혼입 하면 sink mark가 작아진다.