사출기술팀신원근 wgshin@lgchem.com 무기필러강화소재의제팅개선을통한기술지원 01 개요전세계적으로가볍고친환경적이며비용효율적인고성능의신소재에대한수요가늘고있다. 이에따라엔지니어링플라스틱이주목받으며금속을대체하고자하는움직임이커지고있다. 엔지니어링플라스틱은공업재료로사용되는강도높고가벼운고성능플라스틱을말한다. 강철보다강도가높고고온 (100 ) 에도견딜수있으며, 전기를통하게할수도있고, 알루미늄보다가벼워, 금속부품을대체하는소재로사용범위가급속히확대되고있다. 특히친환경자동차와항공기, 전자기기부품의소재로활용되고있다. 이와같은고성능의플라스틱에는물성향상을위해 MF(mineral filler), GF(glass fiber), CF(carbon fiber) 및 CNT(Carbon nanotube) 등의무기충전재가복합화되어있다. 일반적으로충전재의함량이높을수록물성은좋아지지만, 제품외관품질은반대로떨어진다. 사출성형을통해대량생산이가능하고복잡한형상을쉽게제작할수있기때문에엔지니어링플라스틱도일반 플라스틱과마찬가지로사출공정을통해제품으로제작된다. 그과정에서제팅 (jetting), 충전재들뜸 (filler floating), 광택편차 (gloss differences) 등의외관문제가빈번하게발생하는데, 이러한단점이극복되어야엔지니어링플라스틱제품확대가가능할것이다. 이번호에서는무기충전재강화소재에서빈번하게발생하는외관불량중특히제팅 (jetting) 에대해살펴보고개선방안을찾고자하였다. 02 사출성형제품의외관불량 사출성형공정에서알려진불량의종류에는외관불량, 치수불량, 강도 ( 물성 ) 불량등이있다. 그중외관불량의종류에는 short shot, mold flash(burr), sink mark, flow mark, silver streak, cloudy Surface, weld line, bubble, black streak/brown striation, crazing/crack, jetting, warpage 등여러가지가있으며, 이를해결하는데에는수많은원인분석과개선시도가필요하다. LG POLYMER JOURNAL 2014 WINTER. 25
[ 표 1 외관불량의종류 ] 종류정의예시종류정의예시 Short shot ( 미성 ) Mold flash (Burr) 수지선단의고화나충전량부족으로완전한제품의형상을이루지못하는현상으로보통 rib boss, 제품말단등에서나타남. 고정형과이동형의사이, 슬라이드부분, 인서트 (Insert) 의틈새, 이젝트핀의간격등에수지가흘러들어가제품에필요이상의막이생긴다. Crazing/ Cracking Warpage 제품두께차이에의한냉각속도차이때문에고화층과용융층사이의계면에서고점도에인한전단응력이생기고탄성한계를넘으면제품의내부혹은외부에균열이발생한다. 불균일한수축또는내부응력의발생때문에제품이휨. Sink Mark Flow mark Silver streak Weld line Bubble Black streak ( 흑조 ) 제품의표면, 특히 rib 부근에서, 두께방향으로수축한다. 두꺼운부분일수록수지의냉각속도가느리며수축이비교적많이일어나게되므로자국이생긴다. 수지가금형을채울때속도가급격히증가하거나용융선단이불안정하면표면에연속된띠모양의흔적을남기게된다. 표면에은색의줄무늬가발생, 주로사출되는수지의가스양이많을경우나타난다. 서로다른두개이상의방향을갖는유동이서로만나면서표면에남기는흔적으로, 금속용접시접합흔적이남는것과같다. 제품의내부 / 외부에기포가발생한다. 외벽이고화되고내부가수축하면서내부에공간이생긴다. 두꺼운제품에서많이나타난다. 수지의탄화, 스크류내이물등에의해제품표면에흑갈색의반점 / 줄무늬가발생한다. 03 사출공정에서발생하는제팅의원인 제팅 (jetting) 이란게이트를통과하는용융수지의속도가너무빨라서제품말단까지도달하면서뱀의형상처럼고화되는현상을말한다 ( 그림 1). 주로제품에비해크기가작은게이트를가진구조, 사이트게이트구조에서많이나타난다. 제팅은다음식과같이수지의 extrudate swell, 게이트지름과관련이있다 [1]. d : extrudate swell h : mold thickness B : extrudate (or die) swell ratio d/d D : gate diameter Extrudate swell B is tested in 180 silicon oil for 10 minutes. 26 LG POLYMER JOURNAL 2014 WINTER.
무기필러강화소재의제팅개선을통한기술지원 [ 그림 1 제팅 (Jetting) ] [ 그림 2 사각금형에서세로방향의충전 ] Jetting 은일반수지뿐만아니라보강충전재가복합화된수지의경우에더빈번하게발생하고, 외관및물성에안좋은영향을미친다. 그원인은수지내충전재가수지의탄성에영향을미치기때문이다. 그림 3은 GF(glass fiber) 가복합화될경우, 그렇지않은일반소재보다 extrudate swell 이급격히작아진다는사실을보여준다. 또한, B(h/D) 가 1 이하일경우제팅이발생하는데, GF가복합화된수지의경우모두 1 이하를나타낸다 ( 그림 4). Annealing 을할경우에는 extrudate swell 이증가하는것으로보아사출조건으로 annealing 의효과를구현할경우제팅이감소한다고예측할수있지만, 무기보강수지는그효과가크지않다고보이기때문에런너및게이트구조변화가동반되어야한다. (a) 제팅 (jetting) (b) 균일한충전 [ 그림 3 PS 수지와 GF 보강 PS 수지의 Extrudate swell B=d/D 과 annealing 영향 [2] ] 금형두께가수지의 extrudate swell 크기 d보다클경우제팅이발생한다 (d/h< 1). 또한, 금형두께가게이트지름보다 (h/d ratio) 클때에도나타난다. 반대로, extrudate swell 이금형두께보다크거나같을때에는균일한충전이이루어지며 (d/h > 1), 금형크기와게이트지름의비율 (h/d) 이낮을때에도균일한충전이가능하다 [1]. B 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0 PS 180 D= 0.081 L/D = 40-0% - 20% - 40% Extrudate Swell of Glass Fiber Filled Polystyrene 1 10 YW(sec -1 ) Annealed 100 1,000 LG POLYMER JOURNAL 2014 WINTER. 27
[ 그림 4 Aspect ratio(h/d) 변화에따른보강, 비보강 HDPE, PS [ 그림 5 시편형상 (Side gate 10 mm x 1 mm) 및제팅구현 ] 의 B/(h/D) 범위 [2] ] 1.2 S : Polystyrene(PS) H : HDPE F : Glass Fiber Filled S H S H S 1.0 B(h/D) Jetting and Simple Mold Filling 0.8 Simple Flow Front Jetting H, S/F H, S/F 0.6 1.0 1.25 1.5 2.0 Aspect ratio (h/d) 04 제팅현상의개선 제팅현상의원인분석을통해수지의 extrudate swell 이일어나제품면을잘감쌀수있는성형조건및구조에서불량이개선될수있음을알수있었다. 이는다시사출성형조건과몇가지런너구조변경을통해직접확인할수있었다. GF보강 PC(Polycarbonate) 수지를 ENGEL 150Ton 사출기로성형하여제팅현상을구현하였고 ( 그림 5), 사출성형조건및런너구조를변경해보았다. 사출공정에서제팅현상에가장큰영향을미치는조건은금형온도와사출속도다. 사출속도가느릴수록, 그리고금형온도가높을수록제팅이개선되었다. 특히사출속도가느릴경우수지가 swelling 할수있는시간적여유가생기기때문에제팅이개선되는것으로보인다. 금형온도의경우에는금형온도가높을수록금형면을감싸는수지 의비율이높아지기때문에제팅을잘가려주는것으로판단했다. 하지만사출속도의변화없이금형온도만높을경우완전히잘가리지못하고자국이남는데, 사출속도를동시에낮춰줄경우제팅을최소화할수있었다 ( 그림 6~7). 런너구조에따라서도제팅현상에차이가있었는데, 런너에구조물을설치하는것이그렇지않은것에비해양호했고, 구조물모양또한원기둥보다사각기둥일때더개선되었다. 그리고런너를 S자로만들고꺾이는부위마다 cold slug well 을제작한경우는더효과적이었다. 마지막으로게이트앞제품면에구조물을설치했고, 이경우가 S자런너의경우와마찬가지로개선효과가좋은것을확인할수있다. 이러한런너구조에따른제팅현상변화또한수지의 swell 과연관이있어보인다. 게이트에서빠져나오는수지의 swell 이용이하도록무기충전재의흐름을방해하는것이제팅을개선하는역할을하는것이다 ( 그림 8). 28 LG POLYMER JOURNAL 2014 WINTER.
무기필러강화소재의제팅개선을통한기술지원 [ 그림 6 금형온도에따른제팅현상변화 ] [ 그림 7 사출속도에따른제팅현상변화 ] # Melt temp. Mold temp. Injection speed 1 300 60 50 2 300 90 50 3 300 120 50 # Mold temp. Injection speed 1 60 110 2 60 70 3 60 30 4 120 5 [ 그림 8 런너구조에따른제팅현상변화 ] Case 1 Reference Case 2 Cylindrical pin on the runner Case 3 Square pillar on the runner Case 4 S-shape runner Case 5 Pin on the part Case 5 = Case 4 > Case 3 > Case 2 > Case 1 (Good > Poor) LG POLYMER JOURNAL 2014 WINTER. 29
05 결론 본기사를통해게이트를빠져나온수지가금형면을잘감쌀수있는지에따라제팅이발생함을알수있었다. 무기물이복합화된수지는 swell 효과가감소하기때문에제팅현상이쉽게나타나는데, 이는많은양의무기물을포함하는엔지니어링플라스틱제품이제팅문제에자주노출되는이유를설명해준다. 수지의 swelling 을개선할수없는경우에는런너, 게이트또는제품의구조를변화시켜야한다. 따라서엔지니어링플라스틱제품을제작할때에는제팅문제를염두에두고런너와게이트설계가이루어져야할것이다. 제팅현상에대한원인분석을통하여개선안을찾았고이는실제제품불량을해결한사례로이루어졌다. 앞으로엔지니어링플라스틱제품을위한불량개선사례는더많아질것이며, 이는엔지니어링플라스틱제품용도확대에큰영향을미칠것으로기대된다. 참. 고. 문. 헌 [1] KUNIO ODA, JAMES L. WHITE, and EDWARD S. CLARK, Jetting Phenomena in Injection Mold Fillling, POLYMER ENGINEERING AND SCIENCE, AUGUST, 1976. Vol. 16, No.8 [2] YU CHAN, JAMES L. WHITE, and YASUSHI OYANAGI, Influence of Glass Fibers on the extrusion and Injection Molding Characteristics of Polyethylene and Polystyrene Melts, POLYMER ENGINEERING AND SCIENCE, MARCH, 1978. Vol. 18, No.4 30 LG POLYMER JOURNAL 2014 WINTER.