Plastic 제품의 성형법 - 성형품의 불량 원인과 대책 (휨, 굽힘, 뒤틀림)

3.2 성형품의 불량원인과 대책 (part 4)

 

5) 휨(Warp), 굽힘(Bending), 및 뒤틀림(Twisting)

성형품의 변형은 그 형상에 따른 성형수축에 의한 잔류 변형, 성형 조건에 의한 잔류 응력(오버 팩, 수지 온도, 금형 온도, 사출 압력 등), 이형 시에 발생하는 잔류 응력 등으로 변형과 crack(크랙)이 발생한다. 재료의 강성이 높은 것은 잔류 응력이 있어도 큰 변형은 발생하지 않으나, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌은 가용성이 있고 성형 수축률이 높아서 변형이 크다. 성형품의 변형을 대별하면 휨, 구부러짐(굽힘), 비틀림(뒤틀림)의 3종이 있는데 비틀림 현상은 폴리에틸렌과 폴리프로필렌에서 깊이가 얕은 판 모양의 성형품에 많다.

 

(1) 휨(Warp)

상자 모양의 성형품 성형 시 측벽이 안쪽으로 휨, rib이 있는 성형품이 rib 쪽으로 오목 휨과 그 반대의 볼록 휨, 그리고 gate 측으로 젖혀지는 오목 휨 등이 있다.

 

① 상자 모양 성형품의 측벽의 안쪽 휨

안쪽 휨은 코어의 온도가 cavity 온도보다 높을 때 생긴다. 즉, 금형 온도가 높으면 용융 수지가 서냉 되고, 낮으면 급랭된다. 서냉 되면 결정화가 진행되어 수축률은 높아지고 급랭은 그 반대로 된다. 따라서 판 모양의 성형품에서는 금형 온도가 높은 쪽이 낮은 쪽보다 수축률이 높아서 오목 모양이 된다. 한편, 상자형 성형품의 경우 코어 온도가 높으면 코어 측벽의 안쪽 전체에 인장력이 작용하게 되는데, 4 코너가 보강된 구조로 되어 있으므로 구조적으로 가장 약한 측벽 중앙부가 안쪽으로 인장 되어 활모양의 안쪽 휨이 된다. 수지 온도를 낮게 해서 성형하면 흐름 방향의 수축률보다 직각 방향의 수축률이 높아져 주변부의 치수가 남아 활모양의 안쪽 휨은 크게 된다. 따라서 상자형 성형품의 안쪽 휨일 때는 코어의 냉각이 충분히 되도록 냉각수 홈을 배치해 둔다. 사출 성형에서의 냉각이란 용융된 고온의 수지를 유동이 완료된 후 빨리 금형 밖으로 배출하는 것으로서, 냉수와의 열교환이다. 그러므로 극단으로 찬물을 흘리면 안 된다. 온수라도 유량의 조절로 충분한 효과를 낼 수 있어야 결과가 좋다. 또 구조적으로 보강해 두는 의미에서 주위에 rib을 붙이거나 단을 설치하는 것도 좋고, 금형 설계 시 외측으로 볼록하게 하는 것도 좋다. 이 경우 측벽 길이 중심의 볼록이 측벽 길이의 1/180 ~ 1/100 정도이다. 그러나 이들은 보조수단으로써 이용되는 것이다.

 

② Rib 쪽과 그 반대쪽으로의 휨

Rib은 반드시 휨의 원인이 되는 것은 아니지만 rib의 두께, 높이에 따라 휨이 생긴다. 본체의 살 두께보다 얇고 높은 rib의 경우 rib 부분은 본체보다 급랭되어 rib 치수가 본체보다 길어지므로 rib 쪽이 볼록해져서 젖혀지고, 두껍고 낮은 rib의 경우는 rib 쪽이 서냉 되어 rib 쪽이 오목해져서 젖혀진다. 따라서 금형의 냉각과 주의함과 동시에 rib의 살 두께, 높이 등의 수정도 필요하다.

 

③ gate 쪽으로의 휨

Direct gate의 성형품에서 흔히 볼 수 있다. 두꺼운 성형품을 약간 충전이 부족하고 가깝게 성형할 때 gate 대면은 평활하나 gate 측에 현저한 요철이 있는 성형품이 얻어진다. 이것은 사출 압력이 gate 대면에 강하게 작용하고 있는 것을 나타낸다. 완전히 충전한 경우에도 이 경향은 변하지 않는다. 즉 gate 대면 측은 수지가 빽빽하고, gate 측은 거칠게 충전되는 것을 나타내고 있다. 뒤에서 너무 밀면 이 경향은 강화되어 gate 측에 휨으로써 나타난다. 이것은 뒤 밀기에 의한 내부 변형이 원인이므로 2차 압력을 내리든가 뒤 밀기 시간의 단축 또는 병용으로 대처한다.

 

(2) 구부러짐(Bending)

가늘고 긴 통 모양의 성형품에서 흔히 발생한다. 예를 들면, 볼펜 촉이나 잉크가 든 심(core) 등에 발생한다. 수지가 cavity를 흐를 때, 가늘고 긴 코어가 압력에 의하여 움직이므로 살 두께가 불균일한 성형품이 되어 성형품 전체가 살 두께가 두꺼운 쪽으로 구부러진다.

 

(3) 뒤틀림(Bending)

이 현상은 고밀도 폴리에틸렌을 센터 gate로 성형할 때 가장 많이 발생하는 변형이다. 폴리프로필렌에서도 평판 또는 평판에 가까운 형상의 성형품은 이 현상이 성형 직후에 나타나거나 나중에 발생한다. 이것은 흐름 방향의 수축률이 흐름에 직각 방향의 수축률보다 클 때 일어나는 현상이다. 센터 gate의 원판을 예로 들면, 흐름 방향이 지름 방향이고 흐름의 직각 방향이 원 방향에 해당한다. 수축률에 방향 차가 생겼을 때 지름에 대해 원주가 길어져 원판은 평면을 유지할 수 없게 되어 뒤틀림이 일어나고 지름과 원주의 치수 균형을 취한다. 폴리프로필렌은 폴리에틸렌에 비해 강성이 높기 때문에 형상에 따라서는 성형 직후에 나타나지 않고 다음 날 나타나는 등 생산이 끝나고 나서 불량이 되는 수가 있다. 이와 같은 트러블의 방지는 양산 전에 성형품을 열탕 중에 10~15분 가열 시 뒤틀림을 검출하여 방지할 수 있다. 폴리프로필렌의 성형 수축률에 방향 차는 저온 성형 시 발생한다. 따라서, 방지법은 흐름방향 및 직각 방향의 수축률이 교차하는 점의 수지 온도 이상의 온도로 성형하면 된다.

 

(4) 외부 응력에 의한 성형 후 변형

성형품은 금형에서 이형 할 때 코어 또는 cavity에 밀착되어 큰 힘을 가하면 성형품은 변형을 일으킨다. 빼낼 때의 변형은 차가운 금형을 써서 고정할 수 있다. 또 충분히 냉각되기 전에 이형하면 ejector pin에 의해 변형하는 경우가 있으므로 금형 온도를 내리거나 냉각 시간을 연장해서 충분히 냉각 후 이형 한다. 빼낸 성형품이 아직 냉각되기 전에 쌓아 올리거나 포장하면 변형하는 일이 있다. 이처럼 냉각한 변형품은 가열해서 지연 탄성의 회복을 촉진하여 교정하면 된다. 사출 성형 시 수지의 성형 수축률은 수지가 흐르는 뱡향에 따라 달라진다. 즉, 흐름 방향은 그 직각 방향보다 수축률이 월등하게 높다. 이 수축률 차이는 결정성 plastic은 수축률이 높음과 동시에 비결정성 plastic보다 크며, 수축률의 차는 10/1,000 이상일 경우도 있고, 성형 수축률이 제품의 두께에 영향을 미친다. 또 사출 성형법은 점탄성이 있는 고중합체를 금형 속에 압입 하는 성형법으로 성형물의 내부에는 내부 응력이 남는 것은 피할 수 없다. 이 원인 때문에 성형품을 금형에서 빼냈을 때 내부의 변형이 가장 적은 모양으로 하려는 것이다. 따라서, 제품이 원하는 모양이 되지 않을 때 이러한 휨, 굽힘 및 뒤틀림 현상이 발생한다. 이 외에도 고화가 충분하지 않을 때와 ejector 핀의 압력에 의한 변형이 있다. 변형의 방지법은 다음의 여러 방법이 있지만 보조 수단으로 금형 내의 냉각 외에 냉각 지그(jig)를 사용하는 변형고정법도 있다. 즉, 금형에서 빼낸 후 굳지 않은 성형품을 냉각 지그 중에 다시 냉각시켜 변형을 그대로 고정하는 방법이다. 냉각 지그에 의한 냉각은 그 방법에 따라 다르나 10분 이상 냉각하는 경우도 있다.

 

① 냉각 불균일 또는 불충분

냉각이 충분하지 못할 때 금형에서 이젝션(ejection)시키거나 ejector 핀으로 밀어내는 압력으로 성형품이 변형되거나 또 냉각이 불충분한 상태로 금형에서 나와 생기는 변형도 있다. 이 대책은 금형 내에서 완전히 고화될 때까지 충분히 냉각시켜 고화한 다음에 빼내면 되므로 금형 온도를 내리고 냉각 시간을 길게 하거나 금형에 따라서는 gate 부분이 냉각 부족으로 보통의 성형 조건으로 변형 방지가 어려울 때 금형의 냉각수 순환 방법을 변경, 또는 냉각수 관을 변경이나 추가시키고 냉각수가 통할 수 없을 때는 공기 냉각 방법을 한다.

 

② ejector 핀에 의한 변형

금형에서 제품의 이형성이 나빠 제품의 일부가 금형에서 떨어지기 어려울 때 무리하게 밀면 변형이 생기는 이유가 있다. 이때 변형이 생기지 않는 수지인 메타크릴 수지 성형품은 변형은 생기지 않으나 균열이 생기게 된다. 또 ABS나 폴리스티렌 제품은 변형이 이젝터 핀 자국의 백화 현상으로 나타난다. 이의 대책은 금형을 재연마하여 빠지기 쉽게 함과 동시에 이형제를 사용하여 금형에서 빠짐을 용이하게 한다. 다른 개량법은 코어의 호닝에 의한 이젝션 저항의 감소, 빼기 구배의 증대, 빠지기 어려운 부분에 ejector 핀의 증가 방법도 있다.

 

③ 성형 strain에 의한 변형

스트레인(strain)에 의한 변형은 성형 수축 방향에 의한 차와 제품 두께의 변동에서 생긴다. 이때는 금형 온도와 수지 온도를 올리고 사출 압력을 내려서 금형에 유입시켜 수축률의 차를 낮추면 좋다. 그러나, 조건의 변경만으로 교정이 곤란한 경우는 gate 위치 및 수를 변경하게 되는데, 예를 들면, 긴 제품은 한쪽 끝에서 주입한다. 또 냉각수 관을 바로잡거나 긴 패널(panel) 등은 굽힘과 휨(warp)의 반대 면에 리브(rib)를 설치하는 등 제품 설계의 일부 변경도 한다. 이때 변형의 교정에는 냉각 지그(jig)가 효과가 있는 경우가 많다. 경우에 따라서는 치수 교정이 불가능한 경우도 있고, 금형의 수정을 할 때도 있다.

 

④ 결정성 plastic 변형

결정성 plastic 변형은 앞에서 설명한 ①, ②, ③의 원인에 의한 것이나, 성형 수축률 값이 비결정성 plastic보다도 훨씬 크다. 융점이 예리한 것에 변형이 생기기 쉽고 또한 수정이 곤란한 경우가 많다. 결정성 plastic의 교정 방법은 결정도가 수지의 냉각 속도에 따라 달라 급랭하면 결정도가 낮아져서 성형 수축률도 작게 되고 서냉 하면 결정도를 높게 하여 성형 수축률도 크게 하는 방법이 있다. 이 방법은 금형의 고정 측과 이동 측에 온도 차를 두어서 휘어지는 반대쪽에 strain이 오도록 한다. 이때 온도 차는 20℃ 이상의 차이를 두도록 하고 온도 차이도 균일하게 한다. 또 제품 및 금형의 설계에 있어 plastic은 특별한 변형 방지를 하지 않으면 변형으로 사용할 수 없게 되는 수도 있다.