Preform 사출성형금형시스템설계및제작기술지원 2004. 9. 30 지원기관 : 한국생산기술연구원지원기업 : T W I 코리아 ( 주 ) 산업자원부
제출문 산업자원부장관 귀하 본보고서를 Preform 사출성형금형시스템설계및제작기술지원 ( 지원기간 : 2003.6.1~ 2004.8.31) 과제의기술지원성과보고서로제출합니다. 2004.9.30 지원기관 : 한국생산기술연구원 ( 대표자 ) 김기협 지원기업 : TWI 코리아 ( 주 ) ( 대표자 ) 김무일 지원책임자 : 이성희 참여연구원 : 참여연구원 : 참여연구원 : 김무일 ( 지원기업 ) 이장오 ( 지원기업 ) 이춘만 ( 지원기업 ) - 2 -
- 목차 - 제 1 장서론제 1 절기술지원필요성 1. 지원대상기술의개요 2. 기술지원의중요성 3. 해외기술및제품사양분석제 2 절기술지원목표제 3 절기술지원내용 제 2 장본론제 1 절사출성형 (Injection Molding) 기술지원 1. 사출성형의원리 2. 각종사출성형용수지의종류및특성 3. PET 수지개요, 종류및특성제 2 절블로우성형 (Blow Molding) 기술의개요 1. 중공성형의원리 2. 중공성형의종류및적용 (1) 연신블로우성형 (2) 하이테크블로우성형기술 (3) 자동차부품의블로우성형 3. PET Bottle CAE 개요제 3 절 Multi-Cavity Preform 금형시스템설계기술지원 1. 금형부품설계개요기술지원 (1) 금형설계의조건 (2) 금형설계순서와검토사항 (3) 금형설계검토사항 2. Multi-Cavity Preform 용핫런너부품설계기술지원 (1) 핫런너 (Hot Runner) 시스템 - 3 -
(2) 핫런너부품제작기술 (3) 핫노즐밸브의최적화기술 3. Multi-Cavity Preform 금형설계기술지원 (1) Preform 설계및성형기술지원 (2) Cavity & Core 가공및제작공정개선 (3) Process Flow 기술제 4 절품질평가및문제점해결기술지원 1. 측정검사의기준확립 2. 금형의품질검사 3. 금형온도의모니터링 4. 제품측정제 5 절 Preform 금형시스템제작및사출성형 제 3 장결론 참고문헌 부록 1. 일반가전제품플라스틱부품의 PET 대체기술지원 2. 프리폼성형관련국내외정보 3. 국내고분자수지제조사및생산품목 4. PP 와 PET 의특징비교 - 4 -
제 1 장서론 제 1 절기술지원필요성 (1) 대상지원기술개요 프리폼(Preform)) 은블로우성형에서만사용되는단어로서, 블로우성형에사용 하는부풀기전의튜브상태, 파이프상태 ( 바닥이없거나있음) 재료를의미한다. 압출성형또는사출성형으로만든다. 이와같이프리폼이란형틀속에서부풀기이 전상태의재료를가리키는블로우성형에있어서의독특한용어이다. Fig. 1.1 각종플라스틱 PREFORM 예 이때성형공법중의사출성형이란플라스틱소재를이용하여열을가하여녹인 용융된재료가정해진틀로주입되어일정한시간을거치면서원하는형상의제품 을얻는생산방식이다. 우리주변에는플라스틱이라고불리는제품이많다. 이러한 플라스틱대부분은열을가하면서부드러워지고, 결국에는녹기도한다. 그리고그 것들을형틀에밀어넣거나형틀의벽면에밀착시키면, 형틀의형상에따라여러 가지형태가만들어지고, 식히면그대로굳어져버린다는사실을이미잘알고있 을것이다. 물질의이러한성질을역가소성이라고말하며, 이것은플라스틱뿐만아 니라금속이나유리, 엿등도이리한성질을가지고있다. 이러한물질은, 보통고 체에서액체가되는동안에누르거나, 잡아당기면구부러지기도하고늘어나는단 계가있는데, 이러한상태를가소화상태에있다고부른다. - 5 -
Fig. 1.2 사출성형을위한금형및사출기예 Fig. 1.3 사출성형과정을통한프리폼성형및블로우성형과정개념도 [1] 블로우성형, 진공성형, 압공성형등으로불리는성형법은이상태에서공기등 의유체압력을가하거나, 반대로진공상태로잡아당기기도해서, 형틀의벽면에 가소화한물질을밀착하여, 벽면의형상을전사하는성형법이다. 이러한성형법이기 때문에, 블로우성형, 압공성형은오래전부터실시되어왔다. 예를들어녹은유리 를파이프끝에매달아부풀리면서여러가지형태로마무리해가는공정은잘알 려져있는데, 초산섬유소판이나파이프를따뜻하게데워형틀에끼우고, 주사바늘 과같은중공바늘을사용하여속에공기를불어넣어, 탈이나인형, 배나원모양의 완구등을만드는것도널리이루어졌었다. 그러나이러한성형법이비약적으로발 전한것은전쟁후, 플라스틱화시대에들어가고나서부터이다. - 6 -
따라서넓은의미에서유리병을만드는것도블로우성형에속한다. 그러나현재 블로우성형이라고하면, 열가소성플라스틱을패리슨(Parison) 이라는형틀로예비 가공을한후에, 공기등을불어넣고맞추어, 금형의내벽에밀착시켜성형하는가 공법을가리키고있다. 넓은의미에서블로우성형자체는오래전부터실시되어왔다. 그러나현재블로 우성형이라고말할때에는범위를한정하여열가소성수지로만든파이프( 바닥이 있는것이나또는바닥이없는것) 또는, 서로 2 장의대향시트 ( 이것들을패리슨이 라고한다) 를맞춤틀에끼우고, 그속에서공기등을압입하고부풀려맞춤형틀을 내벽에밀착시킨후, 냉각하여꺼내는성형법을가리키고있다. 이러한성형법이므 로, 블로우성형으로만들어진제품은원칙적으로외벽의형상만규제할수있다. Fig. 1.4 블로우사출설형을이용한다양한생산품 - 7 -
(2) 기술지원의중요성 앞에서도살펴보았듯이블로우성형법으로제작되는각종제품은우리의생활과 밀접한관계가있는제품군들이다. 이러한블로우성형은흡입성형이라고도불린 다. 때로는중공성형이라고불리는경우도있지만, 앞에서언급하였듯이중공성형 이라고하는것은블로우성형까지포함한더넓은범위의성형법을말하는총칭이 다. 블로우성형에서는프리폼의제작이우선되어야하는데이는완제품의품질절 대적인영향을미치나, 블로우성형시균일한두께의제품이생산되기위하여프리 폼제작단계에서부터정밀한금형의설계와제작이이루어져야한다. 또한프리폼 의제작에서 Multi-Cavity 금형이제작되면한번의사출성형에서생산할수있는 프리폼의개수를증가시킬수있기때문에생산성을극대화할수있다. 현재국내업체에서는기술적인문제로인하여약 24 Cavity 정도의수준에머무 르고있다. 이는날로증가하는원가와비교하여볼때가격경쟁력의약화로이어 져국내의블로우성형및프리폼제작업체들의대외기업경쟁력에뒤져지고있는 추세이다. 24개이상의 Multi-Cavity 프리폼성형기술을개발하기위하여다양한선 결과제가있는데, 우선사출유동해석이다. 이는실제 Multi-Cavity 프리폼금형의 시제작이전단계에서금형의주요파라메터(Parameter) 를최적화하고설계에반 영하여궁극적으로완성된금형에제작을가능하게한다. 이를위하여런너시스템 의최적화, 게이트의최적화등여러가지구체적인사출성형형기술의개발에요구 되고, 정밀금형가공및큰파급효과를가지고올수있으며 Multi-Cavity 프리폼 성형에서생산성의극대화를꾀할수있다. (3) 해외기술및제품사양분석 국내기술수준은 Multi-Cavity 프리폼성형에서 12-Cavity 정도의수준에머무르 고있다. 그이상의 Multi-Cavity 프리폼성형을위하여 100% 전량수입에의존하는 실정이다. 해외기술수준을볼때대표적인기업은 Husky 이다. Husky는사출성형 시장에서세계 3대메이커중의하나로서사출성형기와 PET 프리폼성형그리고 Hot Runner 와로봇을생산하고있다. - 8 -
특히, PET 프리폼성형부분에서는생산과기술부분에서선두주자로서전체프리폼 시장의 50% 이상을점유하고있다. Husky의기술수준은국내의 12-cavity Preform 을기초로하여 16-cavity Preform molds, 32, 48, 72, 96 cavity Preform systems 있다. 등을개발하여프리폼및블로우성형용전용사출기를개발하여판매하고 Fig. 1.5 HUSKY 사의 Multi-Cavity Preform 금형 Fig. 1.6 HUSKY 사의 Multi-Cavity Preform 사출시스템 - 9 -
(a) In-ling post-mold cooling (PMC) device (b) CoolJet TM Fig. 1.7 HUSKY 사의 Multi-Cavity Preform 제조를위한차세대 INDEX 시스템 - 10 -
Fig. 1.8 HUSIY 사의 Multi-Cavity Preform 제조시스템 Fig. 1.9 HUSKY 사 PREFORM FACTORY - 11 -
제 2 절기술지원목표 Preform 사출성형을위한금형부품및금형시스템제작을위한최적의설계와제작기술의기술지원을통하여제품의품질을해외의선두업체제품과비교하여상대우위를점유할수있도록한다. 제 3 절기술지원내용 지원기업의경우 Multi-Cavity Preform 사출성형용금형시스템개발을위하여설계및제작과관련된해석및 Engineering 기술지원이요구되고있다. Preform 사출성형을위한금형부품및금형시스템제작은생산성의극대화를목표로 Multi-Cavity 사출성형의기법이요구된다. 이러한금형시스템을구성하는금형부품들의개발을위하여설계및제작기술의개발이기술지원의주아이템이다. Multi-Cavity Preform 사출성형용금형부품설계및제작을위한방법제시 핫런너부품들의최적설계를위한설계방법제시 생산공정의개선을통한품질개선및생산성향상 본기술지원을통하여 Multi-Cavity Preform 사출성형용금형부품설계및제작을위한기술지원을바탕으로가격대비해외수입품과상대적으로우위를점유하여국내시장및해외시장에서매출을극대화할수있는기틀을마련한다. 구분평가항목평가기준평가방법( 평가기관등) 1 금형내 Cavity 개수개수 24-Cavity 구현여부 2 Preform 성형오차성형오차량 0.1mm 이하 3 블로우성형성공률비율 80% 이상 - 12 -
제 2 장본론 제 1 절사출성형 (Injection Molding) 기술지원 1. 사출성형의원리 사출성형(Injection molding) 이란수지( 樹脂 ) 를가열해서유동상태로된재료를 닫혀진금형의공동부( 空洞部 =Cavity) 에가압주입( 加壓注入 ) 하여금형내에서냉각 시킴으로써금형공동부에상당하는성형품을만드는방법이다. (a) 금형이닫혔을때 (b) 금형이열렸을때 Fig. 2.1.1.1 사출성형의원리 사출성형에는열가소송수지가사용되며, 이때사용되는금형을사출금형이라고 한다. Fig. 2.1.1.1(a) 는사출성형의원리를간단히설명한것으로서잘건조한수 지를성형기의호퍼(Hopper) 에넣어가열실린더안으로일정량을보내서용융시 킨다. 용융된수지는플런저(Plunger) 에의하여노즐로분사시켜밀착된금형안의 캐비티속을채우게된다. 그리하여용융된재료는상대적으로차가운금형안에서 냉각되어고체상태로굳어지는것이다. 위의과정이끝나면 Fig. 2.1.1.1(b) 와같 이플런저가후퇴하고, 금형이파팅라인(Parting line) 을따라열리면스프루로크 핀(Sprue lock pin) 은스프루를잡아당겨스프루부시로부터빠져나오게하고, 이 젝터핀(Ejector pin) 은금형으로부터성형품을밀어내어떨어지게한다. 성형품과 러너(Runner), 게이트(Gate), 스프루는금형에서일체로떨어져나오는데, 성형품은 두께가얇은게이트에서런너와분리된다. - 13 -
금형이열려있는동안재료는실린더에공급되고, 그과정이끝나면금형이다시 닫히면서위와같은과정이반복된다. 이한공정을 1 사이클(cycle) 이라고한다. 실 제금형과사출기예및종류는각각 Fig.2.1.1.2 에서보여주고있다. (a) Stuffing plunger 형사출기 (b) Reciprocating-screw 형사출기 사출금형을이용하면넓은범위에걸친열가소성플라스틱재료로매우효과적이 고경제적으로제품을대량생산할수있으며, 응용범위로는생활품에서부터전자 부품, 자동차부품, 최첨단항공소재에이르기까지플라스틱을빼놓고는말할수없 을정도로플라스틱은이미우리생활속의큰축으로자리잡고있다. 이렇듯고 부가가치의상품개발에있어원하는형상을쉽게형상화하는과정에서는타재료에 비해플라스틱을이용한사출성형방식이절대적으로유리하고, 대량생산에있어서 의유리함, 저렴한개발비용등타재료, 타생산방식에비해월등한우수성으로다 수의기업에서많은관심을가지고접근함으로추후사출성형분야의급속한발전이 예상된다. - 14 -
한편 Fig. 2.1.1.1에서와같이사출성형기에금형을장착하여성형품을얻는공정은 재료의계량 가열용융 사출 냉각 취출하는동작으로이루어지며이러 한각관계에있어서사출성형기의기본동작은다음과같다. 1) 금형닫힘단계에서형체실리더저속발진 고속발진 저속형체가부드 럽게이루어진다. 2) 사출단계에서 NOZZLE 전진 NOZZLE TOUCH 스크류전진 사출이 이루어지며 3) 냉각단계에서사출 TIMER에의해냉각 LIMIT SWITCH가작동되며 4) 금형저속개방 고속후퇴 저속후퇴되어금형이열리게된다. 이러한싸이클에서수지온도, 사출속도와압력, 균일한냉각은최종성형품의품질 에직접적인영향을주게된다. 각각은서로연관되어있어성형품의형상, 크기, 사용재료에따라성형성은더욱복잡하게되므로각성형품별로표준화를작성하 지않으면안된다. 그러나일반적으로맨처음사출을수행하게되는경우는온도를 일정하게하고저압 ( 고압) 저속 ( 고속), 압력을일정하게하고고온 ( 저온) 고속 ( 저속), 온도를일정하게하고고온 ( 저온) 고압 ( 고압) 의순으로조합을이루어사 출조건을정한다. 2. 각종사출성형수지의종류및특성 일반적으로고분자수지에대한기술지원을위해서는사전에플라스틱의구조, 분 류, 특징과결정성및비결정성수지의특징등에대한지식이필요하다. 그러나이 러한내용은다분히화학이론적인내용을포함하므로, 본지원사업에서는되도록 이론적인부분은배제하고, 현상에서적용가능한고분자수지의종류및간단한특 징/ 용도 [2] 에대해서언급하고, 마지막으로프리폼용수지인 PET에대해서언급하기 로한다. 1) 스티렌게 (PS, GPPS, HIPS/Polystyrene) PS 는용융후의유동성이매우좋기때문에사출성형에적합하고, 가격이싸며, 사출성형으로는가장기본적인플라스틱이다. - 15 -
< 용도> 우수한성형성을사리고또전기특성, 외관요소등 을살린것이많고, 일용품에서통신기기부품에이 르기까지넓은용도에쓰인다. 또발포시킨것은단 열재, 건축, 가구( 합성목재) 재, 포장재, 절연재등으로 역시넓은용도에사용된다. Fig. 2.1.2.1 PS 분자구조 일반용 PS인 GPPS (General Purpose Polystyrene) 는무색투명하고, 딱딱하여굴 절율도높다. 또전기절연성이우수하고성형품의칫수안정성도좋으며착색이 자유롭고더구나도장과인쇄등의표면처리도용이하다. 한편잘부숴지고열에 약하며용제의약한결정도있다. 잘깨지는것을보완하기위해합성고무(SBR) 를 첨가한것이 HIPS(High Impact Polystyrene) 이다. HIPS는충격성은향상되지만 투명성이떨어지고, 또배합량이많을수록성형성, 표면경도, 인장강도, 열변형온 도는저하한다. GP와 HI 는자기블랜드도가능하다. 예를들면 GP70%, HI30% 인 것을 30%HIPS 라고한다. 일반적으로 20~30% HIPS 가많이쓰이고있다. 스티렌 은다른폴리머와대단히상용성이좋기때문에여러가지폴리머에의한개질그 레이드가많이생성되고있다. 예를들면폴리아미드에의한내열성그레이드, 부타 니엔에의한내충격성이개량된그레이드, 아크릴니투릴, 아크릴고무, 스티렌에의 한내충격성과내후성개선그레이드, 아크린니트릴과의 SAN 등외에 PPO나성형 가공성개량용(PPE) 등에도사용된다. 2) 아크릴 (PMMA/Polymethyl Methacrylate) 아크릴또는메타크릴은아크릴산및유도체를종합해서만든플라스틱의총칭이 다. PMMA의최대의특징은유기유리라고부르는것처럼비교할수없는투명성에 있다. 내후성도우수하며내열, 내산, 내알카리성, 내유, 내가솔린성도갖고있으며 기계가공성이좋다. 결점으로는잘긁히기쉽고또그자국이눈에띄기쉬우며, 내마모성이떨어지는점등을들수있다. 특히내마모성이나쁜것은기계부품으 로서의사용에장애가되고있다. - 16 -
< 용도> 유리보다강하고우수하여내후성이있는투명성을 살린것이많다. 콘택트렌즈, 시계의유리, 투명모 형등이그대표적인것이다. 또사출성형의특징을 살린샹데리아등의조명기구에도많이사용되고 있다. Fig. 2.1.2.2 PMMA 분자구조 3) 스티렌아크릴로니트릴 (SAN/Styrene Acrylonitrile Copolymer) 투명성을유지한체아크릴니트릴성분을첨가시킴에따라 GPPS의결점을보완하 는것을목적으로개발된공중합체이다. 보통아크릴니트릴의성분은 20-30% 이 다. GPPS 에비해서기계적성질, 내후성, 내유, 내약품성, 내열성이개선되었다. 반면, 유동성과열안정성이나빠지고성형성이조금저하된다. SAN은엷은갈색 또는청자색을띤투명한것으로착색하여사용하는경우가많다. < 용도> : 용도로는선풍기의날개, 잡화품, 전기부품등에사용한다. 4) 아크릴로니트릴부타디엔스티렌 (ABS/Acrylonitrile Butadiene Styrene) GPPS에 AN을첨가해서 SAN, 이 SAN에다시 B( 합성고무) 가첨가되기때문에탄 성이증가하고, 점성이늘기때문에충격에도강하고, 또저온에서도사용할수있 다. 저온에있어서최고의내충격강도를자랑하고있다. 특징으로는표면경도, 냉 열온도, 내약품성이개선되고칫수안정성과성형성도나쁘지않다. 또도금특성이 좋다. 결점으로는 GPPS, SAN 에비해투명성이약간떨어지는정도이다. < 용도> 많은밸런스를이룬특성을갖고있기때문에일용잡화품에서공업용품까지, 경질성형품분야에서용도범위가더욱확대되고있다. GPPS, SAN과비교해서충격과강도를필요로하는기계적공업부품에많이진출하고있다. Fig. 2.1.2.3 ABS 분자구조 - 17 -
5) 폴리프로필렌 (PP/Polypropylene) PP 의특성은유사한플라스틱과비교하여가장현저한것은비중, 기계적강도, 굽 힘피로성, 내열성, 전기적특성, 내약품성등이다. 비중은 TPX 다음으로가볍고, PVC 60% 정도이다. 화학적으로는황산, 질산을제외하고는안정하다. 원색은 PE 와같이불투명한유백색이다. PP의최대특징은반복휨이강해서본체와뚜껑을 하나로성형하는힌지를만들수있다. 결점은 PE에비해저온에서의충격에약한 것, 자외선에약한점이다. 이결점을보완하기위해합성고무와 PE와의공중합체 도개발되고있다. < 용도> 저온에서의사용을제외하고, PE의용도로더욱기 계공업부품의진출이가능하게되었다. 또힌지성 형품은거의 100% 이며이 PP에의해성형되고있 다. ABS가표면경도가있고딱딱한플라스틱에서 밸런스를잘이루고있는것에비해 PP는유연성을 갖춘내열성의균형을이룬플라스틱의대표적이다. Fig. 2.1.2.4 PP 분자구조 6) 폴리아미드 (PA/Polyamide) 상품명나일론으로알려져있지만플라스틱명은폴리아미드이다. 일반적으로산아 미드결합을갖고있는고분자화합물을폴리아미드라한다. PA-4, 6, 6-6, 6-10, 7, 8, 9, 11, 12 등종류는아주많지만사출성형품으로많이사용되는것은다음 의 5 종류이다. 또숫자는반복단위내디아민의탄소수, 2염기산의탄소수를나타 낸다. PA 는내마모성, 내약품성, 무음성, 충격흡수성, 내열, 내한성, 내유성, 강인 성, 자기윤활성등아주많은특성을갖고있다. 결점은아미노기에의한흡습서이 커서칫수안정성이부족한점이다. PA도전형적인결정성플라스틱으로는 PE, PP, POM 과같은상태의결정화도에의해물성이크게좌우한다. - 18 -
< 용도> PA6, 6-6은범용 PA로내열성이필요할때는 PA6-6 을사용한다. PA11, 12는높은 칫수정밀도를목표로할때, 또 PA6-10 은이중간용도에쓰인다. 공업부품에많은수 요가있지만가장특징적인것은미끄러운성, 무음성, 자기윤활성을이용한슬라이딩 부품 ( 베어링, 기어, 캠류) 이있다. Fig. 2.1.2.5 PA 의분자구조 7) 폴리아세탈(POM/Polyoxymethylene, Polyacetal) 내피로성, 내크리프성, 내마모성이우수하며, 인장, 압축, 휨등의기계적성질은열 가소성플라스틱에서는 PC 등과함께가장높은수준에위치한다. PC와비교해서 탄성이있고 PA 와비교하면고온다습에서치수안정성이좋다. 결점은 PC와같이 자외선에약하고열분해하면포르말린이발생하며또연쇄반응적으로단시간에 대량의가스를동반하여분해하는등성형성이아주나쁘다. POM은결정성수지이 며융점이높다. < 용도> 철강의대용품으로특히내식성이우수하기때문에강도 가요구되는기계적공업부품, 화학공업에있어서의내 식재, 방식재로중요시되고있다. PA와비슷하고 PA보다 내마모성은떨어지지만흡습성이적어칫수안정성은더 좋다. 이때문에정밀도가요구되는기계루의기어, 캠, 베어링등의기어등에사용된다. 또산이외의약품에 강하고무독성이므로에어졸용기, 완구, 가정용품에도사 용된다. Fig. 2.1.2.6 POM 분자구조 - 19 -
8) 폴리카보네이트 (PC/Polycarbonate) PC의최대특징은기계적특성이우수하고특히충격에강하다. 그밖에저온특 성, 내열성, 전기특성, 치수안정성등구조부품에요구되는성능을거의모두갖 추고있다. 결점은자외선에약하고, 알카리, 방향족계용제, 염소화탄화수소에조 금약하다. 또성형성이나빠서고압에의한스트레스크랙킹이발생하기쉽다. < 용도> PA, POM 과함께대표적인것으로앞에서든 장점을살려광범위하게사용된다. 기계적특 성을살린기계부품, 내열성을살린의료기 구, 전기기기부품, 육아기구, 가정용품등이 있고특징은역시내충격성을살린것이다. 또 PA, POM보다흡수성이작아치수안전성 이좋다. Fig. 2.1.2.7 PC 분자구조 9) 폴리염화비닐 (PVC/Polyvinyl Chloride) PVC 란원래투명하고딱딱한플라스틱이다. 플라스틱중에서가장점도가높고, 또 열안정성이나쁘다. 따라서성형가공이어렵기때문에약간의물성저하가있어도 여기에열안정제와가소제를첨가해서연화시킬수있다. 이가소제의첨가량에따 라일반적으로다음의두가지로나눈다. a. 경질 PVC : 가소제가없다또는가소제가 20% 이하 b. 연질 PVC : 가소제가 30% 이상첨가된것 PVC 자원은국내에도풍부하고또가격이싸고물성도비교적좋으며우리나라에 서가장대량으로사용되고있는플라스틱이다. ( 압출성형에의한것이많다) PVC 의주된특징은화학적성질과물리적성질이고, 또한자소성이비교적좋다. 또 내노화성이우수하다. 결점은물성적으로내열및내한성이약하다. 또성형가공상 범용플라스틱중가장열분해를잘일으키며, 경질 PVC 는가장용융점도가높다. 따라서성형기와금형, 성형기술에특별한배려가필요하다. 연질PVC의성형성은 비교적좋다. - 20 -
< 용도> PVC 는아주넓은용도에쓰이지만사출성형품에서 는다음과같은곳에쓰인다. a. 경질 PVC : 파이프, 배관부품, 전기부품등 b. 연질 PVC : 각종쿠션재, 샌달, 장화등의신발류, 타이어등고무분야 이밖에 PVC는난연성등의특성을살려다른플라 스틱과공중합시켜서질을개선한다. Fig. 2.1.2.8 PVC 분자구조 한편사출성형시사용되는각종수지의성형온도조건표를 Table 2.1.2.1에제시하 였으며, 이에준하여성형작업이진행되는것이바람직하다. 표에서보듯이 PET 수 지의경우가다른수지에비해금형온도를높게설정해아함을알수있으며, 이러 한이유에대해서는다음절에서자세히살피기로한다. Table 2.1.2.1 수지별성형온도조건표 - 21 -
3. PET 수지개요, 종류및특성 (1) 제조법 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET) 의제조법은 Fig. 2.1.2.9에나타난바와같이 2 단계반응에의해가능하다. 첫번째단계는디메틸테레프탈레이트(dimethyl- terephthalate) 와에틸렌글리콜(ethylene glycol) 을 150~200 로가열하고에스테 르교환반응시켜메탄올을제거하여비스 (β- 히드록시에틸) 테레프탈레이트 [bis ( β-hydroxyethyl)terephthalate] 의올리고머(oilgomer) 를만든다. 두번째단계에서 는비스 (β- 히드록시에틸) 테레프탈레이트를 1torr 이하로하여 260~300 로가열 하면축합중합이진행되고에틸렌글리콜을증류시키면폴리에틸렌테레프탈레이 트 (PET) 가얻어진다. 반응을촉진시키기위하여첫번째단계의에스테르교환반 응에서는칼슘, 망간, 코발트화합물등이, 또한두번째단계의축합중합반응에서 는안티몬화합물등이촉매로서사용된다. (a) 디메틸레레프날레이트와에틸렌글리콜의에스테르교환반응 (b) 고분자량종합물과부산물로서에틸렌글리콜제조를위한고온에스테르화반응 Fig. 2.1.2.9 폴리에틸렌테레프탈레이트의 2 단계중합과정 [3] - 22 -
(2) PET 의일반적성질및특성 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 는강성이나내열성에좋은장점을갖고있고고온 하에서장기폭로해도인장강도의저하는폴리부틸렌테레프탈레이트보다상당히 적은것을알수있다. 예를들면폴리부틸렌테레프탈레이트유리섬유로 30% 혼 합한성형재료로서의성형시료를고온하에서장기폭로한후의인장강도의반감기는 폴리에틸렌테레프탈레이트의경우 190 에서 140일이고폴리부틸렌테레프탈레이 트경우는 170 에서 30 일이었다. 또한고온하에서장기폭로한뒤의절연내력의 반감기는같은성형시료에대해조사한결과폴리에틸렌테레프탈레이트의경우 190 에서 200일이상이었고폴리부틸렌테레프탈레이트의경우 170 에서 50일 이었다. 폴리에틸렌테레프탈레이트는분자쇄속에에스테르결합을갖고있기때문 에성형된제품이높은온도나장기간에걸쳐산과알카리에잠기면변화되기쉬운 경향이있다. 폴리에틸렌테레부탈레이트는결정성플라스틱에속하기때문에디젤 유화같은기름에대한내성이좋다. Table 2.1.2.2 성형자료의내유성이대한이례를나타낸다. 에폴리에틸렌테레프탈레이트 Table 2.1.2.2 폴리에틸렌네레프탈레이트 (PET) 의주요한특성 (http://www.kopla.com http://www.kopla.com) - 23 -
(a) 굽힘강도의온도특성 (b) 굽힘탄성계수의온도특성 Fig. 2.1.2.10 굽힘강도및굽힘탄성계수의온도특성 포화폴리에스테르의성질은그구조에의해변하는데일반적으로표면윤활성이 풍부하고광택이있는외관을띄고있다. PET와 PBT 는높은융점, 결정화도를갖 고흡수율이나선팽창계수낮기때문에우수한치수안정성을나타낸다. PET에서는 후술하는바와같이그결정화특성에기인하여내충격성, 내열성에어려운점을남 기고그밖의기계적성질은기타의포화폴리에스테르와같은형태로대단히우수 하다. 또한, 전기적성질, 내후성이양호한등균형이잡힌성질을갖고있는수지 라고말할수있다. 가. 결정화특성 수지의결정화특성은물성에크게영향을미친다. 기계적강도가우수한성형품을 이용하는입장에서생각하면역시결정화도가높은것이바람직하다. PET의결정 화영역온도는 120~220 로특히 190 부근에서최대결정화속도를나타낸다. 분자량이나잔존촉매에다라조금다르지만 POLYAMID조나 POLYACETAL에비해 결정화가늦고이와같은 PET 의결정화특성은사출성형에적합하지않다. 그래서 통상조핵제를첨가하여결정화를촉진시키기도하고결정을미결정으로하는등의 개량이행하여진다. 그러나그것도결정성이높은제품을얻기위해서는 120~14 0 의금형온도가필요하다. 무정형의투명성형품을얻는다는관점에서보면금형 온도를유리전이점이하로하여성형품을급냉하면좋다. 이성질을이용하면투 명한흡입성형병이만들어진다. - 24 -
한편 PBT 는같은결정성수지이지만, PET보다결정화영역이저온측에있어결정화 가빠르다. 더구나용융시의점도가낮고금형내에서의유동성이좋으므로성형재 료로서우수하다. 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET) 의결정화온도영역은 120~220 이고, 특히 190 부근에서최대결정화속도를나타내며, 폴리아미드나 폴리아세탈에비해서결정후속도가늦다. 이와같이 PET은결정화특성은사출성 형에적합하지않다. 따라서, 일반적으로조핵제를첨가하여결정화를촉진한다든 지, 구정( 球晶 ) 을미( 薇 ) 결정으로하는개량이이루어진다. 그러나, 그렇다고하더 라도결정성이높은제품을얻기위해서는 120~140 정도의금형온도가필요하 다. PET 는성형성, 내충격성, 내열성에문제가있기때문에엔지니어링플라스틱으 로서의이용은곤란하지만, 유리섬유강화 PET 는기계적강도, 치수안정성이매우 뛰어나기때문에엔지니어링플라스틱으로서사용되고있다. 특히, PET의 2축연신 필름은투명성, 가요성( 可撓性 ), 인열강도, 충격강도, 굽힘강도에뛰어나기때문에 플라스틱필름중에서최고의부류에속한다. PET 용융점은 250 로높고, 유리전 이점은 70 이다. 유리섬유강화 PET는유리섬유의강화효과에의해서내열성이 현저히상승하여열변형온도가 240 로높다. 또한, PET는연소하기때문에난연 화변성을필요로한다. PET 는비교적잦은체적저항, 유전정접및뛰어난절연파 괴강도, 내아크성등의전기특성을나타내기때문에절연재료로서양호한플라스틱 이다. 또한, 광범위한약품에는견디고, 특히가솔린, 오일류, 그리스(grease) 에침 식되지않지만, 3 불화초산, 페놀, 크레졸, 염소화탄화수소등에는팽윤내지용해 하기때문에주의하여야한다. 특히, 녹황산, 농길산에서는분해한다. 기체투과도 는일반적으로매우낮다. 나. 기계적특성 비강화 PET는내충격성문제가있고엔지니어링플라스틱으로의이용은어렵지만, 유리섬유강화 PET 는기계적강도, 치수안정성이향상되어우수한엔지니어링플 라스틱으로사용되고있다. PBT는 PET에비해기계적강도는약간떨어지지만비 강화물로서도강인성이풍부한수지로고온에서도우수한기계적성질을갖고있 다. POLYARYLATE는엔지니어링플라스틱으로서의기계적성질을충분히갖추고 있는데게다가굴곡회복특성이대단히우수하다. 또한필름은강인한데특히 PET 의이축연신필름은투명성, 가소성, 인열, 출격, 굴곡강도가우수하고플라스틱필 름중에서최고의위치에속한다. - 25 -
다. 열적특성 PET와 PBT의융점은제각기 256 와 228 로높고또한유리전이점도 70 와 40 o! 다. 열변형온도는 PET 편이높은데 PBT도유리섬유강화에의해현저히상 승한다. 이를테면 30% 유리점운강회 PBT는열변형온도가 212 로높고, 150 이하에서충분히장기사용에견딘다고할수있다. 또한비강화 POLYARLATE의열 변형온도는 175 로높다. 한편 PET와 PBT는연소하므로난연화특성을필요로 하는데 POLYARYLATE 는폴리머자체가난연성이다. 강화 PET는다음과같은특징 을갖고있다. ㆍ열가소성수지가운데최고의내열성을갖고있다. ㆍ탄성율이크고크리프가작아서피로강도가우수한다. ㆍ전기특성이우수해서온도, 습도의영향이적다. ㆍ유기용제, 유류에대한저항성이크다. ㆍ흡수성이적고치수안정성이우수하다. ㆍ응력크랙의염려가없고사용에있어서다음과같은배려가필요하다. ㆍ유리섬유의배향방향에따라여러가지로물성이변한다. ㆍ웰드부의강도가저하된다. ㆍ알카리, 비수, 수증기하에서는가수분해에주의. ㆍ미려한외관을목적으로한것은금형온도를약130 로성형하고최근엔, 결정 이쉽게되는그레이드도있다. ㆍ성형온도 70 이하에서성형한성형품을고온하중에서사용하면변형되는것 이있다. 이결정성강화 PET에대해서 TG는폴리머의분자쇄가동결상태에서분자쇄주위를 움직일수있는온도이다. 즉, 이온도영역을지나면폴리머쇄가보다쉽게움직이 게되고고무탄성으로된다. ( 비결정성폴리머) 또한일단결정화하면열안정성이 비약적으로향상된다. - 26 -
PET, PBT는동시에결정성폴리머이고 TG가 22 인 PBT는저온에서도충분히결 정화되지만 TG가 69 인 PET는 120 이상으로되지않으면결정화가되지않는 다. 수지가내열성인점에서 TM은높고결정화속도인점에서 TG는낮은편이바 람직하지만, TG와 TM 의사이에는경험적인관계가있다. (3) 용도 PET는성형기술에서는특징을최대한발휘시킨압출성형에의한 2축연신필름과연 신취입성형에의한용기가그투명성, 광택, 위생성, 내약품성, 강인성, 전기절연 성, 치수안정성으로주목을받고있다. 유리섬유강화 PET 는우수한내열성, 전기 적특성, 기계적특성을가진엔지니어링플라스틱으로서전기ㆍ전자기기부품, 조 명기구, 열기구, 자동차전장품등에사용되고있다. (4) 종류 (http://chemicals.hyosung.co.kr ( http://chemicals.hyosung.co.kr) PEN/coPEN PEH(PolyEthylene Naphthalate) 은우수한물리적, 화학적특성을가지는폴리에스 터수지로써 2,6-NDC(Naphthalene DiCarboxylate) 가단량체로사용되어수지가격 은높지만포장재료, 필름, 타이어코드등의응용분야에점점그사용영역을넓혀가 고있는고기능성수지이다. 한편 PEN의성형및가공성을향상시키기위해 PEN 과구조적으로유사하며가공이용이한 PET를 blend 하거나공중합(CoPEN) 하는데 이러한공중합체폴리에스터수지는 PEN보다저렴한가격에일반 PET보다향상된 열적, 기계적성질을발현할수있다. 1 종류 - PEN homopolymer 수지 - PEN-PET 공중합체( 저 NDC 함량, 고 NDC 함량) 수지 - PEN-PET 블렌드수지 - 27 -
2 특성 - 높은 UV 차단성및내방사선성 - 우수한가스차단성(O2 차단성은 PET의 5 배, CO2의차단성은 PET의 9 배) - 높은내열성 - 내화학성, 내가수분해서 - - - 뛰어난기계적물성 높은투명성 우수한전기적성질 Table 2.1.2.3 물성비교 음료용용기로의응용분야 내열용 Bottle( 과즙음료, 스포츠음료用 ) PEN은높은내열성을가지고있는수지로써 열변형온도가높기때문에내열용 bottle에적합하며보통 30~40% PEN을 PET와블 렌드하여내열 bottle 을만들수있다. 가스차단성 Bottle( 맥주, 탄산음료用 ) 맥주, 탄 산음료의맛과향기는 O2와 CO2 에민감하다. PEN 혹은 CoPEN 수지로만든 bottle은 높은가스차단성을가지고있어음료고유한향을오래보존시켜준다. UV 차단성 Bottle PEN의 naphthalate구조는 UV를흡수해무해한빛으로형광시키는특징이있어 유성식품및향, 색소등 UV 에민감한물질식품포장용기로적합하다. 젖병및유아용 식품용기의약품및확장품용기에사용가능하다. - 28 -
PETG PETG는 Glycol modified PolyEthylene Terephthalate를통칭하며단량체로 CHDM(CycloHexaneDiMethanol) 을사용하여제조된기능성폴리에스터수지로써 우수한투명성과가공성으로인하여현재사용되고있는 할수있는고기능성수지이다. PC, PMMA, PVC를대체 1 특성 - - - - - 높은투명성및광택성우수한가공성비결정성우수한내화학성우수한강인성 Table 2.1.2.4 물성 Unit Values Specific gravity - 1.27 Water absorption % 0.2 Tensile strength at yield MPa 50 Flexural strength at yield MPa 73 Glass transition Temp 80 Heat distortion Temp 70 Haze % 1 Total Transmittance % 91 Dielectric strength KVmm 15 응용분야 Film, Sheet PETG를압출가공하여만들어진 film, sheet는투명성광택이우수한특징 을가지고있다. 내응력백화성, 내방사선성이있으며 scrap의재사용또한용이한장점 이있다. 장난감, 의료용소재, 보호커버, 브러시, 디스플레이창 PETG를사출성형하여 다양한모양을가지면서투명하며우수한강인성을가지는제품을만들수있으며특히 내방사선성이있어의료용재료로유용하다. 세제, 화장품, 샴푸, 비누, 오일등생활용 품용 Bottle 압출성형하여제조하는제품으로, 우수한내화학성, 광택성이필요한화장 품용용기로유용하며, 특히환경친화적인생활용품 bottle 로도많이응용되고있다. - 29 -
저올리고머 PET PET 섬유나필름은가열하거나용매에노출되면표면에결정성석출물이형성된 다. 이표면석출물은열처리과정에서 PET 내부로부터확산되어표면에육각형상 으로석출되어외견상문제뿐만아니라가공공정에서불량의원인이되며폴리에스 터수지가가지는문제점중의하나이다. PET bottle을블로우성형하는과정에서도 올리고머가석출되어투명성을떨어뜨리고 mold 에붙어가공성을떨어뜨립니다. 따 라서저올리고머수지가선호되고있으며보다올리고머함량이적은폴리에스터 수지의개발에연구들이진행되고있다. 1 Multi Layer PET bottle의중간에 barrier성소재를하나의층으로형성하여 PET bottle 특유의 투명성을살리면서 PET 대비우수한 O 2 barrier성과 CO 2 Barrier 성을향상시키기 위한방법이다. 다층의 Preform 을사출하는것이핵심기술이며, 플라스틱맥주병 으로용도전개중이며, 온장고와같은특수병전개가가능하다. 2 Barrier 성수지 EVOH, MXD6, PVDC, Nylon6, nano-composite 등 Table 2.1.2.5 소재별 Barrier 특성 3 MXD Blend MXD6는 gas barrier 성및강도가종고, 성형가공성이우수한 nylon 계수지이다. PET와의상용성이우수하여 blend 가비교적용이하다. 현재는일본에서 MXD6를 소량첨가하여온장고용 은상품이다. bottle( 차류음료등) 에적용되어겨울철에매우인기가높 - 30 -
4 CoPEN Blend PEN은특유의내열성및 UV 차단성을가지고있다. PEN의함량에따라다양한용 도의 bottle 이적용될수있으며, 매우소량을첨가하여 UV 차단효과를이용하거나, 비교적다량첨가하여내열성향상에기여할수있다. 5 Coating 기존의 PET bottle 내벽또는외벽에 coating을함으로써 O 2 barrier성을증대시키 는기술이다. 온장고용 bottle 또는맥주병용으로용도가전개되고있다. 제 2 절블로우성형 (Blow Molding) 기술의개요 1. 중공성형의원리 중공성형(Blow Molding) 은압출이나사출에의해튜브상으로예비성형(Parison) 을 하여, 이것을금형에끼워서내부로공기를불어넣어부풀게해서냉각고화시켜 특정한형태의고형물을만드는방법이다. 넓은의미에서블로우성형(Blow Molding) 자체는오래전부터실시되어왔다. 그러나현재블로우성형이라고말할 때에는, 범위를한정하여열가소성수지로만든파이프의일종인프리폼(Preform) 또는, 서로2 장의대향시트인패리슨(Parison) 을맞춤형틀에끼우고, 그속에공기 등을압입하고부풀려맞춤형틀내벽에밀착시킨후, 냉각하여꺼내는성형법을가 리키고있다. 따라서블로우성형으로만들어진제품은원칙적으로외벽의형상만 규제할수있다. 블로우성형은흡입성형이라고도불린다. 때로는중공( 中空 ) 성형이라고불리는경 우도있지만, 앞에서언급하였듯이중공( 中空 ) 성형이라고하는것은블로우성형까 지포함한더넓은범위의성형법을말하는총칭이다. 블로우성형의특징은, 프리 폼(Preform) 이라고하는예비성형체속에고압의기체를압입하여부풀리고, 맞춤 형틀( 분할형) 의내벽에밀착시켜제품형상을만드는성형법이므로, 반드시고압기 체를빼내는공정이있다. - 31 -
이때에쓰이는기체는공기가일반적이지만, 때로는액체질소와같이압입한후 즉시기화하는액체를쓰는경우도있다. 그러나도중에기화되지않고, 액체인채 금형내벽면에소재를눌러확대시키는성형법은 액압( 滾壓 ) 프레스라고하는데 다른장르이다. 또한이경우에는눌러서확대되는소재를블랭크라고부르고있다. 프리폼(Preform) 이라는단어는블로우성형에서만사용되는단어조서, 블로우성형 에사용하는부풀기전의튜브상태, 파이프상태 ( 바닥이없거나있음) 재료를가 리키며, 압출성형또는사출성형으로만든다. 이와같이프리폼이란, 형틀속에서 부풀기이전상태의재료를가리키는블로우성형에있어서의독특한단어이다. 앞서언급한바와같이중공성형은그기법에따라여러가지타입으로나누는데 현재본지원과제에서다루고자하는성형방법은연신중공성형 (Stretching Blow Molding) 이다. 이방법은 Preform을복사열로가열한후 Stretching Rod를이용하 여금형내에서연신을시키면서중공성형을하는방법이다. 완제품의형상길이 가폭보다상대적으로길경우중공성형에의하여연신되는부분을균일하게하여 주는장점이있기때문에현재많은생수병의제작에이용되고있는중공성형방법 이다. Fig.2.2.1.1 은연신중공형에서금형과다른금형시스템과관련된부품의형상을보 여주고있다. 연신중공성형을위한 Preform의형상설계를위하여여러가지기법이 있는데실험적인기법과해석적인기법이있다. 뿐만아니라그동안지원기업( ( 주)TWI 코리아) 에서개발하여왔던 Preform 형상의기술적인노하우를토대로 Preform 설계를가능하게할수있다. Fig. 2.2.1.2은압출중공성형과연신중공성형 의금형시스템의개요를그림으로설명하고있다. 이러한중공성형공정의차이는 중공성형용금형시스템의구조를다르게하여야할뿐만아니라 입이완전히틀리게된다. Preform자체도타 - 32 -
Fig. 2.2.1.1 프리폼제작과연신중공성 [1] Fig. 2.2.1.2 Stretching Blow Molding 과정 [1] - 33 -
2. 중공성형의종류및적용 (1) 연신블로우성형 스트레치블로우라든지, 2축연신블로우라든지또는배양블로우라고부르는경 우도있다. 열가소성수지, 특히결정성열가소성수지를융점이하의온도에서기 계적으로연신하면, 연신방향을따라분자배향에생겨, 기계적인특성이향상된 다. 특히가로세로 2방향으로균형있게연신한필름은 2축연신필름이라고불리 며, 강도적으로매우우수한성질을가질뿐만아니라, 양호한투명성도갖출수있 게된다. 연신블로우성형은, 결정성수지의이러한특성을이용한것이다. 원래블로우성형은다이에서패리슨이압출될때, 다이와의사이에생기는 [ 밀림 응력] 에의해서, 조금은압출방향으로배향하는성질이있지만, 원칙직으로패리슨 의압출방향에대한직각방향즉, 원주방향에대한연신성형이다. 따라서균형있 는연신블로우성형을하기위해서는, 원주방향의연신에대응하는만큼압출방 향에대한연신을부가해주면된다. 연신블로우에는유저패리슨을사용하는경우 가많아, 연신에적합한온도로가열한패리슨의입부분안쪽을치구로고정하고, 이어서금형을닫음으로입부분바깥쪽도고정한다. 다음으로입부분안쪽을고정 한치구의중앙으로부터, 절굿공이모양의돌출막대를밀어내서, 패리슨의바닥부 분을찌르고늘려제 1 차연신을완료시킨다. 이때, 약간의프리블로우를병용하 는경우가많다. 이어서본격적인공기취입을함으로써, 원주방향의연신을하고 성형을완료한다. 냉각후, 금형을열고제품을꺼낸다. 현재연신블로우제품의수요는음료나식품을중심으로한투명용기분야에서크 게신장되고있으며, 재료는 PET 가주류이다. 일반적으로연신성형한 PET제용기 는상태에서고온의액체를충전하면수축되어버린다. 따라서그러한용도에는히 트세트라고하여, 공기압을가한채금형속에서열처리를할필요가있다. 또한, 히트세트없이고온충전을가능하게하기위해서, 내열성이있는수지와조합시켜 2층또는 3 층의구조로한제품도있다. - 34 -
Fig. 2.2.2.1 Preform 생산제조공정및연신제조공정과정 ( 효성케미칼 ) Fig. 2.2.2.2 완성품과캐비티금형 (2) 하이테크블로우성형기술 [4] 가. 이중벽블로우성형기술 - 35 -
블로우성형에서이중벽블로우는 1960년대중반에개발된비교적새로운성형가 공법이다. 1950년대상업적생산을시작한종래의블로우성형은 PE와 PP의블로 우성형용기( 보틀과탱크) 의제조법으로확립된것인데, 1965년종래의블로우성 형의개념을타파하는새로운성형가공법인이중벽블로우성형개발에착수, 1967 년에이중벽블로우성형기술을도입하고이것들의기술을융합, 집결한이중벽 블로우제품은전동공구, 비디오카메라, 퍼스널컴퓨터등을수납하는이중벽케이스 로또한, 자동차용냉온장고, 콘솔등으로그기능, 특성을활용하여폭넓은용도의 제품에채용하고있다. 그리고최근에는플라스틱재료와성형기술의혁신으로초 대형이중벽블로우와엔지니어링플라스틱에의한이중벽블로우가개발되어 OA 기기, 의료기기의판넬과하우징으로고품질, 고외관구조부재로이중벽블로우성 형은급속하게확대되고있다. 이중벽블로우성형의개요, 특징, 용도등은다음과 같다. 이중벽블로우성형기술이중벽블로우제품은내부에중공부를가진상호대항하면서사이가떨어진내벽과외벽의이중벽의일체구조로된편평상중공구조체이다. 그대표적인제품은인테그럴힌지가있는이중벽케이스에나타난판넬상의이중벽구조이다. 1 성형과제조설비 이중벽블로우의성형과정은종래의보틀과탱크를제조하는통상의블로우성형 과정에비해상당히다르다. 그대부분은종래의블로우성형과는구성, 구조를달 리하는성형금형을사용하는것에유래하고있다. 종래의블로우성형은패리손의 내측에압축공기를불어넣어팽창시키는것에대하여이중벽블로우성형에나타 난것과같이패리손의전체둘레를블로우성형금형에서짓누르듯이끼우고패리 손내에미세한공간에압축공기를불어넣어성형하는것으로이른바블로우레시오 가매우작은특징이다. 이중벽블로우성형의제조장치는압출기, 어규물레이터, 다이헤드, 형체기, 성형금 형인데균일한두께에서고품질, 고외관의제품을하이사이클로제조하기위해서 는가장적절한디자인과종래의블로우성형제조장치에비해각장치의사이즈, 스피드, 정밀도를향상시킨장치가필요하다. 그러나경합하는성형가공법인인젝 션, SF, RIM 과비교하면제조장치, 성형금형의초기설비투자비용이저렴하고블 로우성형의특색을갖추고있다. - 36 -
이중벽블로우의성형프로세스와제조설비의개발과기술혁신은이중벽블로우의 사용재료범위를확대시킴과함께이종기능재료를결합시킨다충성형, 2 색성형, 2 구분성형, 제품의표면에퍼블릭을일체로적층하는라미네이트성형(FLP), 깊은 물품의성형, 발포성형, 대형성형을실현해실용화되고있다. 또도장기술의개발 로스포일러등의고외관, 고기능제품을가능하게하였다. 2 이중벽블로우제품의특징 이중벽블로우제품은내부에중공부를가지며내벽과외벽이중벽으로된중공이 중벽구조체로많은특징을가지고있다. 내벽은수납품을피드하는현상으로외벽 은상품이미지를향상시키는디자인으로성형할수있다. I. 중공구조로경량ㆍ강성이있으며, 치수안정성이뛰어나다. : 종래의단일벽구조 품에비해경량으로강성이높은제품을얻을수있으며중공부는충격흡수와열ㆍ 음을차단하는효과를가지며완충ㆍ보온ㆍ보냉ㆍ방음ㆍ흡음을필요로하는용도에 적합하다. 또치수안정성이뛰어나휨과뒤틀림이없이표면의평면성ㆍ평탄성이요구되는 판넬등의제품에적합하다. II. 중공부를활용할수있다. : 중공부에케이블과파이프를배설하는등중공부를 활용할수있고단열재, 축냉재, 보냉재등을충진하여제품의기능을높일수있 다. III. 일체설형ㆍ일체구조로저렴하고, 단납기이다. : 복잡성형의제품을한번에성형 할수있고조립가공이불필요해저렴ㆍ단납기에제작할수있으며또일체구조로 박리와파손이없으며견고하다. IV. 디자인의자유성 : 곡면구성과복잡한형상이가능. 또인서트, 도장ㆍ인쇄도 가능하고디자인의자유성이크다. 또한소형제품에서대형제품까지범용플라스 틱에서엔지니어링플라스틱까지적용범위가광범위하다. 3 성형재료 - 37 -
이중벽블로우용의재료는기본적으로는블로우성형이가능한플라스틱은모두사 용가능하다. 그러나재료의선정에있어서는가공특성과제품특성의양면을가미하 는것이필요하다. 가공특성면에서는이중벽블로우의특수한성형이기때문에종 래의블로우성형용재료에비해고점도ㆍ고분자량으로개량된재료가사용된다. 이중벽블로우는 PE 를중심으로하는케이스용도로전개되었다. PE는뛰어난가 공특성, 물리적특성, 그리고가격이저렴하기때문에케이스에요구되는특성을갖 추고또일체성형품으로적당한강도와힌지강도를가진최적재료이다. 그후외 관성ㆍ강성을향상하는용도로 PP 가, 소프트감을향상하는용도로 EVA, 아이오노 모, 각종엘라스토머가투명성을향상시키는용도로 AS, PS와그제품특성면에서 사용하는재료의범위는넓어졌다. 최근이중벽블로우는다양화, 개성화, 고급화 하는시장요구에대응하여 ABS, PPE, PC, PA 플라스틱이구조체로서또고내열성용도로 플라스틱이사용된다. PPS, 및이들알로이등의엔지니어링 폴리설폰등의슈퍼엔지니어링 4 응용과용도 이중벽블로우제품은광범위한분야에서사용되고있다. 예를들면, 전동공구캐 링케이스로전동드릴, 전동드라이버, 임펙트렌치, 진동드릴등전동공구용 AIRMOLD 케이스, 내벽은몸체, 충전기, 부속품에따른형상으로말끔하고콤팩트 하게수납되어외벽은손잡이를일체성형한스마트한디자인, 종래의스틸게이스 에비해경량으로수납품의보호, 완충성이뛰어나디스플레이효과도있다. 손잡 이, 라치, 힌지를일체화하여코스트다운을도모한다. 사용재료는충격에강한무 거운 PE, PP 를사용한다. (3) 자동차부품의블로우성형 세계적인자동차수요를보면세계판매량의 22% 를차지하는아시아의의미를인 식하는것이중요하고또아시아에서수용의절반을차지하는것이일본이라는사 실을언급하는것도중요하다. 세계수요의상당한부분을차지하고있는일본의해 외자동차제조업체와함께자동차시장의동향에큰영향을주고있다는것을이 해하는것이중요하다. - 38 -
TABLE 2.2.2.1 자동차부품의응용사례 분야용도예 자동차 OA 기기 일레트로닉스 산업용기기 레져 메디칼 & 취미 - 에어인테크닥트, 냉온장고, 어린이시트, 콘솔박스, 인스투루먼 트판넬, 글로브박스, 시트레그커버, 팔걸이, 에어스포일러, 에어로 커튼, 후론트가드바, 사이드거닛슈 - 복사기용판넬, 원고테이블ㆍ배기트레, 형상기용천판ㆍ샷시, 프 린터커버, 플로터스탠드, 인쇄기칼라드럼케이스, 워드프로세스 ㆍ노트북컴퓨터운반케이스, OHP ㆍ운반케이스, 플로피도전케이 스, OA 용디스크ㆍ테이블ㆍ운반차, OA용전기청소기하우징 - 비디오카메라ㆍ시스템케이스, 비디오테크게이스, 머린킷케이스, 라이도, BS 안테너키트, 마이크로폰 - 전동공구, 측정기, 현미경, 수분계케이스, 건설기계용캬노피루 프, 간이하우스파렛트ㆍ콘테너 - 혈압계하우징, 캐링케이스, 파이바스콥케이스, 의료기기용판 넬, 운반차, 의료분석기기, 항온기기의도어ㆍ커버판넬, 치과진료 용트레 악기( 플롯, 기타, 키보드) 케이스, 카메라, 쌍안경, 그림도구케이 스, 루프트렁크 3. PET Bottle 의 CAE 개요 [5] PET Bottle 성형방법은크게직접연신성형법과간접연신성형법두가지로대 별되며, 이공정은다음의 3 가지공정으로나눌수있다. PET 수지를튜브모양의 Preform 으로사출한다. 비결정상태의 Preform 을유리전이온도이상으로가열하고몰드안으로이송한다. 원하는형태를성형하기위하여 Preform 을팽창, 인장시켜성형한다. 이와같이생산된 PET Bottle의두께분포와배향상태는 Preform의모양과온도 그리고연신속도에하여결정된다. 다시말해서, PET bottle 의두께, PET의투명 도, 기계적물성은초기 Preform 의모양, 초기 Preform 의온도, stretch rod에의한 인장과 blowing 속도의밸런스에의해지배된다. - 39 -
이러한복잡한고분자수지의특성과고분자공정을이해하고최적화하기위해서는 다양한실험은물론수많은 Trial-and-Error 를수행해야하는바, 이를극복하기위 해현재전세계적으로 Computer Aided Engineering(CAE) 의이용이점차증가되고 있다. Simulation의이점은컴퓨터를이용하며적은비용으로공정조건을설정하 고, 다양한변수들을 simulation을통하여변화시켜서다양한연구를수행할수있 다는것이며, 이는시간과설비, 투자비를절약하고, 값비싼원자재와설비투자ㅋㅋ 비용을줄일수있다. 게다가공정에서관찰하거나측정할수없는결과들을 simulation 을이용하여시각적으로확인할수있으며, simulation을통하여전체공 정의연구와이해가가능하게한다. CAE를이용한 Blow공정의 simulation은 PET성 형공정중 Stretch/Blow 하는공정을컨트롤하는분야이다. 가. Cracking Solution 전세계적으로 stress cracking은 PET 탄산음료(CSD) bottle 시장에서가장이슈가 되고있는문제이다. 탄산음료가충진된 bottle에서가장문제가되는 stress cracking은내용물의높은 PH와 filling line 중의윤활제에의해서확대되어생기는 것과 bottle 내부의압력과불완전한 orientation 영역에서발성된다. PET 용기의 사출게이트는기본적으로예각을이룬복잡한구조로덜배향되어있고, Stress cracking 인자에의해서쉽게공격당할수있다. 또한 neck 근처에서도발생가능 성이있으나벽면에서는 stress cracking 이발생될수없다. Stress cracking 원인 이되는요소에노출시간, 높은온도등은 Stress cracking 을가속화시킨다. 또다 른요소로는 bottle design( 특히작은반지름과급격한반지름변화), 용기의크기( 직경의용기는더욱 stress cracking 에약함), preform 의생산후보존기간( 오래된 것일수록영향받기쉬움), 사출공정과 blow 공정등이있다. 이러한요소들을결 합하여문제를해결하고자할때 stress cracking 을최소화할수있다. 이러한이 유로 CAE를이용하여 stress cracking을최소화할수있는 bottle design과 blow 공정조건등을해석하여문제를해결해나가는시간과비용을절감할수있다. - 40 -
Fig. 2.2.3.1 Stress Cracking Process 나. Special Design 일반적으로 bottle은디자인또는 outline 을상세하게보기를원할때, 최적화작업 이요구되어진다. 한예로, 선택된 bottle 모양과고분자수지는제품특성과생산 방법에고려하여결정하며, 이때가장경제적으로최선의방법을선택한다. 일반적 인공정의최적화는다음과같다. ㆍ낮은변형특성 ㆍ최소한성분중량 ㆍ저상품가격 또한, 상품성과공정성에부합하는조건을선택하여야하며, 가능성있는최적화방 법은기존의사출 preform 의두께와초기온도를개량하는것이다. Blow molding 공정중압력의변화속도는가장중요한요소이다. 압력의변화속도가크면클수 록, bottle에적용되는 stress 는더욱커지게되며, 압력은 bottle의최종두께분포 에중대한영향을미친다. Blow molding 성형시 preform의처짐현상또한제품의 최종물성에중대한영향을끼친다. 이러한 Blow molding Simulation은상용프로 그램( 예: Polyflow, SimblowF-1, 등) 의수행하여얻어지며, Blow molding의 computer simulation 은고분자수지(PET) 의탄성, 점성, 점탄성모델을이용하여 수행되어진다. 탄성과점성모델을사용할경우 Blow molding 공정 simulation결과 가미진하기때문에주로시간의존성을가지고있는 되어진다. K-BKZ 점탄성모델이적용 - 41 -
Fig. 2.2.3.2 블로우몰딩시뮬레이션 제 3 절 Multi-Cavity Preform 금형시스템설계기술지원 1. 금형부품설계개요기술지원 일반적으로금형설계를위하여일련의공학적인과정이요구된다. 즉, 제품의형상 과사출조건, 금형시스템의타입등다양한사양이고려되어야한다. (1) 금형설계조건 사출성형금형(Mold) 이라고하는것은성형품의최후형상을부여하고구체적인치 수를유지하도록하므로사출성형의능률및성형품은품질을결정하는중요한기 능을가진장치라고말할수있다. 따라서사출성형금형이이와같은기본기능을 갖추기위해서는성형품의형상과사용되는플라스틱의특성을고려하여야하지만 우수한금형을설계하는데는다음의조건이필요하다. 즉성형품에요구되는형상 과치수정밀도를주는구조이어야한다. 성형능률이좋은금형구조이어야하며, 자 동화가가능할것, 성형사이클의단축화를위한냉각방식일것, 런너, 게이트의제 거가용이할것, 이젝터가신속하고확실하게이루어질것그리고성형품의다듬질 작업또는 2 차가공이적어야한다. 이조건이만족되는것은좋지만성형품의원가 면에서총생산량이적은경우오히려 2차가공을필요로하는금형이최적설계금 형인경우도있다. 또한제작이용이하고, 금형제작비용이저렴하여야한다. 그리 고제작이쉽고가장적은공정수( 工程數 ) 로가공할수있는금형구조가최적의금 형설계라고할수있으며가공성을고려한설계이어야한다. - 42 -
이상과같은조건들을갖춰야하겠지만사출성형금형은열에의해가소화된플라스 틱이금형내로사출되어압력이가해진상태로냉각되어상품으로인정되는성형품 을만드는기구이다. 플라스틱재료가금형안에서충분히굳어지면금형의압축이 열리도록사출기가작동한다. 따라서성형품은금형으로부터밀려나온다. 성형품의 품질과제조가격은금형설계와제작및숙련도에많은영향을받는다. 성형품을생산함에있어서가장중요한 플라스틱 2가지단계는성형품의설계와이에따른 금형의설계이다. 금형설계의불량은생산성저하, 높은금형보전비용과성형품품질 저하요인이된다. 잘작동하지않는금형은공장의관리비상승과도직결된다. 따 라서성형업자나금형메이커또는때때로성형품구입처에서설계시에최대의주의 를경주하도록하여야한다. (2) 금형설계순서와검토사항우수한사출성형금형설계를위하여금형설계를어디서부터어떤순서로실행하느냐는매우중요한일이다. 성형제품도면으로부터금형설계도면작성까지설계순서도와설계중고려하여야할사항을설명한다. 사전검토 금형구조설계 금형의개략치수결정 금형구조설계의승인 금형설계완료및예정 재료및주요부품의가공도 부품도작성 금형제작사항 금형설계재검토 - 43 -
( 가) 사전검토 수지 : 금형설계자는각수지가금형설계에주는제약과그에대한금형설계상의배려를 분명히해둘필요가있다. 수축률 : 수지메이커, 색에따라같은종류의수지에서도수축률이크게변하고흐름방향 과직각방향에서수축률이큰차이가난다. 여러가지요인에의해수축률이변하 므로수축률결정은발주자와사전에충분히협의할필요가있다. 투명도 : 투명수지인가아닌가에따라금형의연마정도에큰차이가생긴다. 치수공차 : 금형치수가소정의수축률을예상한치수로되어있으며알맞은것인지성형품에 서소요공차내에들어있어야만하는지를제작착수전에명확히해두어야한다. 다듬질작업정밀도 : 다듬질작업정도는캐비티측과코어측을따로따로명기해야한다. 투명수지를사 용할때는캐비티측과코어측의구별없이양쪽을같은정도로한다. 성형품조립시외관및사용목적 : 파팅라인게이트위치등외관을손상시킬우려가있는것을보이지않게하기 위하여조립했을때해당성형품의어느부품이외부에서보이는지명확히해야한 다. 변형 성형후휨, 변형의허용치도분명히하여야한다. 사용성형기 : 성형기의형식, 사출량, 형체력, 사출압력및사출속도, 다이플레이트의크기및 타이바간격, 최대형두께, 최소형두께치수, 최대다이플레이트간격, 형체스트로 크치수, 다이플레이트의부착볼트구멍피치, 나사지름, 이젝터스트로크치수, 압출로드지름및로드위치, 노즐선단의구멍지름및구면의 R 치수, 로케이트링 치수 - 44 -
( 나) 금형구조설계 고정축이캐비티형판이냐코어형판인가를결정 : 성형품의외관품질로인하여케이트흔적의허용장소, 이젝터흔적의허용장소성형품형성사용수지가제약을받고캐비티수량에의하여게이트형식이제약을받아어느현판을고정측에가져올것인가결정된다. Fig. 2.3.1.1 은캐비티측에게이트자국이허용될때, Fig.2.3.1.2는코어측에게이트자국이허용될때를나타낸다. Fig. 2.3.1.1 캐비티측에게이트자국이허용될때 Fig. 2.3.1.2 코어측에게이트자국이허용될때 파탕라인을결정 : 파팅라인은성형품의표면에나타나므로사용목적에합치할만한위치에만드는것이당연한데될수있는한단순형상으로해야하며복잡한것일수록금형가공이어려워진다. 또한플래시가발생했다고해도성형품의다듬질작업이용이해질만한위치를선택함과동시에게이트의위치및그현상을고려할것과언더컷이없는곳에만드는것이필요하다. 캐비티수량을결정 : 금형사용자로부터희망캐비티수가제시되는경우가일반적인데금형설계자는사용예정인성형기의형체력최대사출량, 캐비티내의수지압성형품의투영면적등에의해체크할필요가있다. 캐비티, 코어는일체식인지분할조합식인지결정 - 45 -
: 성형품은형상과캐비티코어의가공등을고려한다. 캐비티를분할식으로할지어떤지를결정 캐비티, 코어에부분코어를만들지를결정 캐비티배열을결정 : 캐비티수량, 성형품의치수소요정밀도, 성형품형상에따라원형배열, 직선배열, H 형열등으로결정된다. 런너방식을결정 : 콜드런너로할것인가런너리스로할것인가는금형사용자가성형품의원가를고 려하여결정하는것이일반적이다. 게이트의종류와위치를결정 : 성형품형상, 성형품기능, 성형품외관품질, 사용수지, 성형변형, 성형품치수캐비 티, 생산성등에대해서검토하고게이트방식을결정한다. 2매금형구조, 3매금형구조방식을결정 공기빼기방식을결정 언더컷, 처리방식을결정 이젝터방식을결정 온도컨트롤방식을결정 : 성형품중량, 사용수지, 수지온도, 금형온도, 쇼트사이클, 금형강재, 사용냉매를 결정함에따라냉각구멍의크기, 구멍위치, 냉매입구온도, 유량을결정한다. 형합( 型合 ) 방식을결정 : 고정형판과가동형판과의형합정밀도과높아야하며일반적으로는가이드핀과 가이드핀구멍에의해행해진다. 스프루로크형식을결정 : Z 형, 역테이퍼형, 홈형등의로크형식을결정한다. 캐비티, 코어고정방식을결정한다. ( 다) 금형의개략치수결정 캐비티측벽두께의결정 가동판두께의결정 캐비티분할을할경우의캐비티바닥두께의결정 - 46 -
금형두께및형판크기의검토 ( 라) 금형구조설계의승인 금형설계에대하여사용자의승인을얻는다. ( 마) 금형설계완료및예정 금형설계완료및예정을결정한다. ( 바) 재료및주요부품의가공도 재료및주요부품대략적인가공도를작성한다. ( 사) 부품도작성 주요부품도일반부품도순서로도면을작성한다. ( 아) 금형제작사항 금형제작상지켜야할사항을명확히한다. ( 자) 금형설계재검토 금형제작의용이화를위해설계를재검토한다. 각부품의기계가공다듬질작업가공조립조정의관점에서작업이용이해지도록재검토한다. (3) 금형설계체크사항 ( 가) 품질 : 금형의재료, 경도, 정밀도, 구조등수요자의명세는충분히검토되었는가. ( 나) 성형품 : 싱크마크, 재료의흐름, 드래프트, 웰드, 크랙등성형품의외관에영향을미치는 사항에관하여검토되었는가. 성형품의기능, 외장등에지장이없는범위내에서, 금형가공이쉽도록검토되었는가. 성형재료의수축률은정확한가. ( 다) 성형기계 : 성형기의사출량, 사출압력, 형체력은충분한가. 지정된성형기의금형은정확하 게설치될수있는가, 즉, 장치나사의위치, 로케이트링의지름, 노즐 R, 스프루 구멍의지름, 이젝터봉구멍의위치, 크기, 두께, 기타 ( 라) 기본구조 - 파팅라인: 파팅라인의위치는적정한가. 금형가공. 성형품의외관, 끝손질, 성 형품을금형의어느쪽에다는가. - 47 -
- 이젝션: 성형품에적당한돌출방법이선택되었는가, 핀, 플레이트, 슬리이브, 에 어기타. 핀, 슬리이브의사용위치와수는적당한가. - 온도컨트롤: 가열용히터류의사용법, 용량은적정한가. 온유, 온냉수, 냉각액등 이어떠한구조에의해서순환되는가. 냉각용구멍의크기, 수, 위치는적정한가. - 언더컷: 구멍, 기타안더컷빼내는기구는적당한가. 사이드코어, 언더컷핀, 랙 피니온, 에어실린더기타. 그들의기구는무리없고, 사고없이작동이되도록고려 되어있는가. - 런너, 게이트: 케이트의선택은적절한가. 스프루, 런너크기는적정한가. 게이트 의위치크기는적정한가. ( 마) 조립도 : 금형의크기는낭비없고, 적절한내구력을가지고있는가. 각부품의배치는적 정한가. 조립도는적정한배치로그려져있는가. 부품의조립위치가명시되어있는 가. 필요한부품이빠짐없이기입되어있는가. 표제란, 기타필요한명세란은기입 되어있는가. ( 바) 부품도 - 부품번호가명확하게기입되어있는가. - 부품명칭은적당한가. - 개수는기입되어있는가 - 사내재작, 사내제고, 시판품구입등의구별이기입되어있는가. - - 지장이없는한표준부품이이용되어있는가 시판되는부품이이용되도록고려되어있는가 - 필요한위치의정도, 끼워넣기기호가기입되어있는가. - 도금을할경우의도금자리는기입되어있는가. - 성형품에있어서특히엄격한정도가요구되는개소는, 수정이되도록고려되어 있는가. - 필요이상의정도가기입되어있는것은없는가. - 각부품의기능에알맞은재료가사용되고있는가 - 필요한개소의열처리, 표면처리의지시가있는가 - 형이여러개수로나누어지는것일때각각번호가표시되어있는가 - 48 -
( 사) 도면작성법 : 도면은현장작업자에게보기쉽도록걸려있는가. 도면에는불필요한것이없고, 필요한것은충분히나타나있는가. ( 아)) 치수 : 현장에서는복잡한계산을하지않아도되도록되어있는가. 숫자는적정한위치 에명료하고도착오없이기입되어있는가. ( 자) 가공에대한고려 1 적정한품질로서싸고빨리제작할수있도록충분히고려되어있는가. 2 공작은가능하며또한쉬운것인가. 3 가능한것이어도극도로곤란한것은쉽게설계할수없는가 4 원블록으로부터의깎아내기와끼워넣는방식의가부가검토되었는가. 5 가공방법이검토되고그에적응한구조로되어있는가. 6 가공, 조립의기준면은고려되어있는가. 7 특수공정인경우공정지시는적절한가. 8 현물맞추기의개소는명시되어있는가. 9 맞대어보기, 조정여유의지시는있는가. 10 조립에관해서주의할사항이있으면기입되어있는가. 11 조립, 운반, 일반작업이편리한위치에적정한크기의후크구멍의지시가있는 가. 12 조립, 분해가용이하도록홈, 빼기구멍, 공칭나사등의지시가있는가. 담금질, 그밖의가공에의한변형이최소에그치도록고려되어있는가. 2. Multi-Cavity Preform 용핫런너부품설계기술지원 사출금형에서스프루(Sprue) 과런너(Runner) 를가열하여가소화된수지를항상일 정한온도 (200 ~300 ) 의용융상태로유지시켜제품만연속적으로사출할수 있도록고안된방법이핫런너(Hot Runner System) 이다. Fig. 2.3.2.1은핫런너금 형구조를나타낸다. - 49 -
Fig. 2.3.2.1 핫런너금형의구조 핫런너시스템을이용할경우원료를 300% 제품화할수있으며, 항상신재( 新 材 ) 만을사용할수있기때문에이물질에의한불량이나트러블이방지된다. 게이트까지는항상수지가용융된상태이므로용융된수지는 cavity만충전시키 면되므로스프루와런너의양만큼사출, 계량, 냉각, 형개폐시간이단축된다. 사출성형기의사출압력이직접 cavity 로전달되므로제품수축, weld, 내부응력에 의한변형등의문제가해결되어제품품질의향상을꾀할수있다. 또한스프루, 런너의양만큼사출용량, 압력, 형개거리등이작아져도되므로성 형기의효율이향상되어기계효율증대를이룰수있다. 사출압력이감소되어금형 내에서받는압력이줄어들고특히, 대형의삼단금형은 Hot Runner System을적 용할경우 2단금형으로할수있으므로 3단금형에서발생될수있는 Trouble을 방지할수있다. 따라서금형수명의연장을이룰수있다. - 50 -
하지만결점으로는구조가복잡하다. 온도컨트롤에필요한온도감지장치, 온도컨 트롤장치를설치하여야하고매니폴드의열이금형과성형기에전달되지않도록 단열시켜야하므로금형구조가복잡해진다. 금형비가높아진다. 히터, 컨트롤시스 템, 단일구조, 기타금형비가높아지는요소가많다. 세심한온도컨트롤이필요하 다. 금형의전체높이가높아진다. 보수가복잡하다. 매니폴더블록과고정형판과의 열팽창차에주의하여야한다. 수지중에이물질을완전히제거하여야한다. 색교환 이곤란한경우가있다. (1) 핫런너 (Hot Runner) 시스템 [6] 기본적으로핫런너는스프루우부시에의하여가소화실린더와연결된핫매니폴드로구성된다. 핫매니폴드내의런너시스템은각노즐과스프우루부시를연결시키다. 핫매니폴드는내측이나또는외측에서가열할수있다. 가열은용융수지런너내부에토피도로서얻을수도있다. 노즐은항상열려있거나또는니들밸브에닫혀있을수도있다. 이것들은동시에하나또는세개의게이트를작동시킬수있다. Fig. 2.3.2.2 핫런너 Lay out 가. 핫런너의사용방법과다른게이팅과의비교 - 금형캐비티의중앙게이팅: 핫런너의가장간단한형태는종래의게이팅부시특 히대기실핀게이트를가열, 스프루우부시나가열노즐로대체한것이다. 이들은 성형품에서바로또는보롱런너에서끝날수도있다. 이러한방법을직접또는간 접혹은조합충전이라부른다. 이것은대기실핀게이트와비교하면다음과같은 잇점을가진다. 온도의조절이가능하여성형수지나사이클로부터독립성이이크고, 어느부위라도도달될수있으므로대형금형에도널리사용될수있으며제품이 분리될때면이깨끗하고, 노즐의설계에따라압력손실이작다. - 51 -
- 단일캐비티금형의사이드게이트: 비교적큰제품이기때문에단지단일캐비 티금형만허용되는경우, 예를들면성형품의중심에스프루우의자국이허용되지 않거나특정한방향성이필요하면사이드게이트를사용하여야할경우에는핫런너 가수지를금형의중앙, 즉사출기노즐로부터사이드게이트까지안내한다. 더유 리한장점은파팅면을통해충전하든가가소화장치를옆으로움직일수있는기계 에서만가능하다. a) 다수금형캐비티의충전 b) 다수캐비티내에서의수지의통로 c) 하나의성형품에다수충전 d) 다수의캐비티금형에서성형품의측면면충전 e) 다단금형에서수지통로 - 52 -
- 다수캐비티금형에서의수지통로: 핫트런러는특히용융수지를파팅면바깥쪽 으로분배해야하는경우, 한금형안의다수의캐비티를중앙에서충전시킬필요가 있거나또는금형의캐비티를통해수지를통과시켜야하는경우에특히많이사 용한다. 상대적으로취출이어렵고비교적복잡한반경방향런너시스템을가진 3 단금형과비교하여중요한점은수지의절약과분쇄하는비용을절감할수있다 는것이다. 핫런너의또다른장점은압력강하가낮고압력전달시간이길며사이 클시간이짧다는것이다. - 성형품의다수충전: 긴유로와살두께의비를가긴성형품과안전한살두께를얻 고, 균일한금형충전을얻기위해대형제품은다수게이트를요한다. 즉금형의파 팅면에서용융수지는또다시성형품을통과하여야한다. 이것은예컨데라디오캐 비니트의스피커구멍의경우이다. - 다수캐비티금형에서금형캐비티의측면충전: 이런종류은핫런너는성형기의 체결력을실링하는힘으로사용할수없으므로실링이매우곤란하므로자주사용 되지않는다. 취출시게이트플래시가간섭을일으키므로문제가일어나지않는다 른게이팅방법이사용된다. 대부분의경우에금형의파팅면에서고화런너를통한 측면게이트나터널게이트를사용할수있다. - 특수한경우: 가열된런너에서용융수지의운반에는여러가지유로를선택할수 가있다. 수도있다. 예를들면용융수지를이젝터쪽이나금형외부에서캐비티쪽으로안내할 나. 경제성 - 종래의게이팅방법( 흔히 3 단금형) 대신에핫트런너를사용하는결정은궁극적으로 는경제성관점에서고찰되어야한다. 장점과단점을 Table 2.3.2.1 이표기하였다. - 또한생산비용을보통런너금형과핫런너금형자동생산에서비교계산한결과 를 Table 2.3.2.2 에나타내었다. 핫런너의경우에는투영된런너의표면을계산되 지않기때문에소형기계를사용할수있고시간당기계비용도낮다. 생산임금에 대한중요한요인은보통런너의경우한사람이동시에두대의기계를관리할수 있다는것이다. 여기서관리의의미는기계를감시하고재료를호퍼에충전하고성 형품과런너를취출하고분쇄하는것등이다. - 53 -
- 핫트런너의장점은한사람이동시에 5대의기계를관리즉감시하고재료를충전하고성형품을취출할수있다는것이다. 비교조건을일치시키기위해핫런너시스템을가진금형과자동이아닌보통런너를비교하는것은의도적으로피했다. 금형의제작비용은핫런너방식이더높다. 이것은주로블록히터열전대조절기등과같은추가부품( 그러나다른금형에도사용할수있다.) 때문이며이로서노즐쪽온도제어를개선할수있다. 사이클타임은핫트런너의경우가보통짧으나양쪽금형에서모든같은것으로가정한다. Table 2.3.2.1 핫런너의장단점 장점단점 스프루우재료의절감/ 스프루우재처리 비용절감 사이클타임단축: 반경방향런너취출 시간불필요, 스프루우가천천히고화됨에 따른냉각시시간영향없음. 노즐분리필 요없음 소형기계사용가능: 런너가금형을열려 고하는힘을발생시키지않음. 런너의체적 만큼사출량감소, 3단금형보다여는스트 로크짧음 공정상잇점: 게이트선정폭이넓음. 런 너직경이고화스프루우의플라스틱코어보 다크므로압력손실이작음, 고화시간이포 함되지않음. 가압시간이길어짐, 온도제어 로다수의캐비티금형에서각캐비티충전 이균형을이룸 작업개시시스크랩비중이높음 작업이어려워우수한작업자필요 고장이잦음예컨대누설, 히터손상추 가장비필요( 다른금형에도사용할수있 으나히터, 온도조절기, 온도센서필요) 공정단단점: 열적손상, 불균일한수지 온도따라서충전불균일고화된게이트의 압력제어작용불가 - 54 -
Table 2.3.2.2 3 단금형과핫트런너금형의생산비의비교계산 [6] - 55 -
다. 핫런너의설계 [7] - 핫런너금형을설계할경우, 핫노즐부를포함한전부를자사에서설계제작하는 경우와, 시판되는핫런너시스템을사용하여금형설계하는경우가있다. 또한후자 의경우에도핫노즐부만을구입하고, 그밖에것을자사에서설계제작하는것으 로부터, 캐비티부를제외한고정측전체를핫런너시스템메이커에의로하는경우 까지여러가지경우가발생할수있다. 본지원사업에서는핫노즐부만을구입하 고, 매니폴드부를주체로하는고정측금형을자사에서설계제작하는경우를상정 하여핫런너설계에서의일반적인주의점, 설계상포인트를살펴보기로하겠다. 1 시스템의선정 2 게이트의절단성 3 열팽창대응 4 온도제어 5 수지의체류 6 단열구조 1 시스템의선정 - 시판되는핫런너시스템을선정할경우, 가격이나서비스체제등기술이외의인자도중요하지만, 기술적평가에관해서는가열방식이나게이트실링방식의특징을토대로하고, 이하여러가지항목을체크하여야한다. - 성형재료와적성: 성형재료에는핫런너화하기쉬운재료와, 하기어려운재료가 있다. 일반적으로성형가능한온도역이광범위하고, 열안정성이높은수지는핫런 너화하기쉽고, 그반대의경우는핫런너화하기가어렵다(Table 2.3.2.3). 시스템 에따라서는재료의종류에대응한핫칩을정비하고있는메이커도있으므로시스 템선정시에충분한검토가필요하다. - 56 -
Table 2.3.2.3 성형재료와핫런너화의난이도 핫런너화난이도수지명이유 용이한수지 약간용이한수지 약간어려운수지 어려운수지 PE, PP, PS ABS PMMA,SAN(AS) 성형가능한온도역이광범위하고, 이높다. 열안정성 열안정성이약간나쁘고, 체류에의한그을음 등이눈에띄기쉽다. POM, PBT 열안정성이나쁘다. 변성 PPE, PC 성형온도가높고, 형온과의차가크다. PA, PET 게이트부의고화가빠르다. 경질 PVC, LCP 열안정성이나쁘다. PPS, PEEK 성형온도가높고, 게이트부의고화가빠르다. PES, PEI 성형온도가높고, 형온과의차가크다. 2 게이트의절단성 - 오픈게이트보다런너게이트쪽이게이트절단성이좋고, 오픈게이트도상시가열타입보다성형기의사출타이밍과동기시켜주기( 간헐) 가열하는타입이게이트절단성이좋다. 3 열팽창대응 - 핫런너의매니폴드와금형온도가다르고, 이온도차및게이트피치가커질수록 열팽창차가커져, 게이트중심과매니폴드유로중심의중심차이량이커진다. 이러 한중심차이에대하여어떤구조로이것을흡수할지를체크하여야한다. 일반적 으로매니폴드와핫노즐의접속부에서, 이열팽창차를흡수하는구조(Fig. 2.3.2.3) 가많다. 이경우에도접속부에서의수지누설방지대책이어떻게강구되고있는 지를체크한다. Fig. 2.3.2.3 열팽창팽창차흡수구조의예 (Husky 카탈로탈로그 ) - 57 -
- 일반적으로매니폴더블록의열팽창에관해주의사항은다음 2 가지가있다. 즉, 매니폴더블록의길이방향의열팽창과매니폴더블록의두께방향의열팽창이다. 모두다형판과의온도차가문제가된다. 길이방향의열팽창에의해발생하는문제 중중요한것으로금형게이트중심과매니폴더블록노즐중심과의어긋남이있 고, 그대책은금형구조에의해차이가있다. 매니폴더블록과노즐배면과의사이 에서미끄럼을발생시키는방법으로 Fig. 2.3.2.4 에표시한것과같은경우, 상온시 금형게이트와노즐중심과는완전히일치한상태로제작된다. 스텐리스 O링에의해 노즐배면과매니폴더사이에수지흐름이방지된다. 이경우노즐이완전히형판측 에놀지않고감합되어있어야한다. 감합상태가나쁘면매니폴더블록의미끄러지 는힘에의해노즐이쓰러지게되고수지가새어나오는원인이된다. Fig. 2.3.2.4 고정식노즐예 - 상온시에는노즐중심과게이트중심은벗어나게해놓고연속성형시노즐중심과 게이트중심이완전히일치하도록하는방법으로 Fig. 2.3.2.5~7에표시한것과같 이노즐을매니폴더블록에고정하는경우채용되는방법이다. 이경우에는매니폴 도블록과형판과의열팽창차만큼매니폴더블록의노즐중심거리를짧게해놓는 것이필요하다. 설계식은다음과같다. - 58 -
Fig. 2.3.2.5 매니폴니폴더구멍피치멍피치와와게이트피치와의관계 Fig. 2.3.2.6 온도차에의한중심벗어남에에대한대책 Fig. 2.3.2.7 노즐과스프루부시 여기서 l 2 l 2 : : 상온시매니폴도블록노즐중심과중심내기원반심과의거리 : 상온시형판게이트중심과중심내기일반중심과의거리 a1 : 매니폴더블록재질의열팽창계수 (Table 2.3.2.4 참조) a2 : 형판재질의선팽창계수 T1 : 성형시매니폴더블록의온도 T2 : 성형시형판의온도 - 59 -
Table 2.3.2.4 열팽창계수 ( 10 ( -6 / ) 4 온도제어및가열시스템 - 요구품질이그다지엄격하지않고, 열안정성이높은 PE, PP, PS 등의범용수지 제품에서는간단한오픈루프의전압수동조정 ( 슬라이덕) 방식의온도콘트롤러도 성형가능하다. 그러나엔지니어링플라스틱계의재료를핫런너로성형하는경우는, 정밀한온도제어가필요해진다. 온도콘트롤러는각사모두 PID ( 비례적분미분) 제어방식이일반적이라서, 우열을가리기어려워졌다. 최근에는게다가 PID 제어정 수를자동선택하는오토튜닝방식을채용한시스템도있기때문에정밀한온도컨 트롤이가능할뿐만아니라, 간편한취급성도하나의평가척도로보면좋다. - 핫런너금형에서가열방식은현재여러가지명칭으로판매되고있다. INCOE 시스템, Dupont 런너리스시스템, DME 런너리스시스템등이있다. Fig. 2.3.2.8은 INCOE 시스템으로핫팀부싱종단면도이며, Fig. 2.3.2.9는 INCOE 핫립부싱의 부품을나타낸다. 가소화된수지는성형기노즐접촉부또는샹크입구로들어가 가열된토피드의주위를통해최후게이트로부터금형캐비티에사출된다. Fig. 2.3.2.10은 INCOE 매니폴더구조를나타낸다. - 60 -
Fig. 2.3.2.3 INCOE 핫팁부싱종단면도 Fig. 2.3.2.9 INCOE 핫팁부싱의부품 Fig. 2.3.2.10 INCOE 매니폴니폴드 - Fig. 2.3.2.11은 Dupont 런너리스시스템을나타낸다. 이시스템은아세탈, 나일 론등엔지니어링플라스틱용으로개발된것이다. 런너는보조적으로카트리지히터 에의해가열되는데카트리지히터는런너부시에삽입하였다. 폐쇄프로브는내부 가열되고있지만코흘림문제가없으므로성형가능온도유지만하면되고온도컨 트롤은단순하다. 폐쇄프로브는스프링에의해밀리고런너중의수지압이높으면 프로브전면에작용하는수지압에의해위로올라가게이트가열린다. Fig. 2.3.2.12는 Kenico co. Hot shot 히트파이프스프루부싱구조를나타낸다. - 61 -
Fig. 2.3.2.11 Dupont 런너리스시스템 Fig. 2.3.2.12 Kenico co. "Hot shot" 히트파이프스프루부싱 - 히트파이프는 2 중관으로상부의밴드히터의열을노즐첨단까지전달한다. 밴 드히터는알루미늄슬리브에부착되고열확산을좋게하여밴드히터수명연장 을도모하였다. - 62 -
Fig. 2.3.2.13 DME 런너리스몰드시스템 - Fig. 2.3.2.13은 DME 런너리스몰드시스템단면을나타낸다. 이시스템구성은 디스트리뷰터시스템과컨트롤시스템으로되어있다. 디스트리뷰터시스템은프로 브( 밸브게이트방식, 개방게이트방식) 디스리뷰터블록, 디스리뷰터튜브, 서모 카를, 카트리지히터, 노즐로게터로구성되었고, 컨트롤시스템은컨트럴모듈, 프 레임, 도선유닛등으로구성되어있다. 5 수지의체류 - 성형기노즐로부터사출된용융수지는, 장애물이없는원활한유로로게이트에도발하는핫런너가이상적이다. 내부가열방식은구조적으로수지에의한단열층을가지기때문에유동층과의경계부에체류가발생하기쉬운결점을가진다. 외부가열방식의직접가열시스템은사기이상에가까운방식이라고할수있다. 6 단열구조 - 오픈게이트방식을전제로한경우, 융점이불명확하고게이트부의고화가느린 비성상수지는 실늘어짐 이나 흐름 방지관점에서핫칩부를비교적고온으로 유지하는단열구조가필요하다. - 63 -
마. 구조설계 - 플레이트구성: 핫런너금형에서의고정측플레이트는고정측설치판, 매니폴드, 스페이서블록, 고정측받침판, 고정측형판구성이되는것이일반적이다. 고정측 받침판을없애고, 고정측형판에캐비티를직접조각한구조도보이지만, 매니폴드 와캐비티와의단열이안좋아지고, 최악의경우는캐비티를파손시킬위험이있으 므로피하여야한다. 조각깊이를정밀하게가공할수있는경우는스페이서블록 과고정측받침판또는고정측설치판을일체화한매니폴드박스플레이트로하여 야한다. (Fig. 2.3.2.14) 향상한다. 것이기본이다. 말이필요없이일체화하는것으로금형의강성이크게 또한이들매니폴드를둘러싼플레이트류는전부냉각회로를마련하는 Fig 2.3.2.14 고정에받침판조각에의한고강성화의예 (MOLDMASTERS 카탈로탈로그 ) 1 매니폴드 a. 매니폴드설계의기본 매니폴드는사출된수지의온도를떨어뜨리지않고, 또한압력손실을될수있는 한작게, 각각의핫노즐에분배하기위한분기로이다. 이유로의레이아웃설계에 서의기본은용융수지가각핫노즐까지동시도달하는것이고또한, 형상설계에 서의기본은, 분기점이나굴곡점에서의체류가없는원활한유로로하는것이다. 따 라서최근에다수개캐비티핫런너금형에서는 않다. 2층구조의매니폴드도신기하지가 - 64 -
Fig. 2.3.2.15 원활한유로로만든든매니폴니폴드설계의예 (MOLDMASTERS 카탈로탈로그 ) b. 유로지름 유로지름은금형크기나사출량에따라 ø 4 - ø16 의사이에서결정되지만, 결정하 기위한주된요소는부품성형에필요로하는 1 회의사출량, 압력손실과체류시간이 다. 압력손실의정확한부분은 CAE에의한것말고는시스템에따라서는매니폴드 의크기마다표준화되어있기때문에참고로하면좋다. 또한열안정성이좋지않 은 POM 등의경우는, 압력손실을감안하면서매니폴드내의체류하는시간을될 수있는한짧게하는유로지름으로하여야한다. 런너직경(R) 은다음식으로계 산한다. 여기서 L : 런너길이 (cm) Q : 사출률 (cm 3 /sec) R : 런너직경 (cm) - 65 -
V : 1 회의사출용량 (cm 2 ) Jp : 압력차 (kg/cm 2 ) t : r : 사출시간 전단속도 (sec) u : 외관점도 (kg, sec/cm 2 ) 열안정성이나쁜수지에대해서는 위식을만족하게 R 을조절하여야한다. c. 매니폴드형상 매니폴드의형상을결정하는큰펙터로서히터의종류가있다막대상의카트리지 히터는염가이고유지보수성도좋지만, 게이트점수가 4점이상이되면상대거리가 일정해지지않기때문에유로의균일가열이균일해지고매니폴드의형상도유로에 따른필요최소한의크기로할수있다. X Type (a) H Type (b) Plate Type (c) Y Type (d) 2 Level Ty (e) I Type (f) - 66 -
1 점, 1 단 MANIFOLD 15 점, 1 단 MANIFOLD 6 점, 1 단 MANIFOLD 24 점, 1 단 MANIFOLD 6 점, 2 단 MANIFOLD 11 점, 2 단 MANIFOLD Fig. 2.3.2.16 여러가지매니폴니폴드형상및상용제품예 [8] - 67 -
d. 매니폴드의고정방법 매니폴드의고정방법으로는고정측받침판에볼트조임하는방법과노즐하우징 이나받침패드를끼우고고정측받침판과고정측설치판사이에끼우는방법이있 다. 고정측받침판에볼트조임하는방법이구조적으로간단하지만볼트조임분만 큼매니폴드의평면사이즈가커지는경우가있다. 또한, 고정측받침판과고정측 설치판사이에끼우는방법일경우는열팽창계산을정확하게하며열팽창시의 해 (interference) 를적정히설정하지않으면, 수지누설이나받침패드에의한고정 측설치판오목한부분에어떤불량이발생한다. 방 e. 매니폴드위치결정 매니폴드의위치결정은고정측받침판의노즐터치력을받는금형중심위치에노 크핀과링모양받침패드또는전용로케이터로센터하고, 장수방향의중심선상에 회전브레이크를위한녹핀(Knock Pin) 을설치하는것이일반적이다. 또, 이회전 브레이크때문에매니폴드로밝혀진녹핀구멍은열팽창을고려하여길다란구멍으 로한다. f. 매니폴드가열너무큰히터를사용할수없는경우도있다. 소정의시간으로소요수지온도까지상승시키는데필요한열량을단열등에의해열효과를상승시켜가능한작게하는것이중요하다. 다음식은소요전력계산식을나타낸다. 여기서 P : 소요전력 (KW) t : 소요매니폴더블록의온도( ), 온도의기점은 O 로한다. W : 매니폴더블록의중량 (kg) T : O 에서 t 까지되는상승시간 (hr) η : 효율 ( 히터의밀착도, 단열상태에따라변화고 T=1시간으로할때 O2~O.3이 실제적이다). 강의비열=0.115 (kcal/kg ) - 68 -
매니폴더중량을 W=1kg, 상승시간 T=1hr으로하면 으로된다. Fig. 2.3.2.17은위식을노모그래프시킨것이며매니폴더 1kg당소요전 력(W) 이구해진다. Fig. 2.3.2.17 히터용량산출노모그래그래프프 ( 강제매니폴니폴더 ) 2 스풀부시 핫런너금형의스풀부시는매니폴드에설치된다. 볼트에따라설치하는방법도있 지만직접밀어넣는방법이일방적이다. 콜드런너금형과같은 R 스풀부시의노즐터치부는크게나누어 노즐대응타입과핫런너부의잔류수지압을뽑을목적 의실린더노즐대응타입으로나누어진다. R 노즐대응타입의경우는, 성형기의 색백기능에의해서핫런너부의잔류수지압을뽑게되고, 사용하는핫런너시스템 이나성형재료, 성형기의사양등으로부터의전열로승온시키기때문에일반적으 로히터를설치할수는없지만, 목표로서 30mm 이상의길이가될경우는외주부 에밴드히터를설치하는편이좋다. - 69 -
Fig. 2.3.2.18 실린더노즐대응스풀부시사용의예 ( 미쓰비시 material Catalog) 3 밸브게이트 Fig. 2.3.2.19 는핫런너금형에사용되는스프링에의해작동되는밸브게이트금 형설계를표시한다. 니들 (c) 는스프링 (g) 에의해가이드부시내를슬라이딩한다. 가이드부시내의홈을파조립된유출파이프(h) 로부터모인수지는금형밖으로 유출한다. (a) 압축실린더로노즐에대한수지압을받고 0.05~0.02mm의체결여유 를준다. (b) 는막히는것을방지하는링을, (d) 는동으로만든노즐을표시한다. Fig. 2.3.2.20 은니이들의작동을유압실린더에의해행하여지는유압실린더방식 밸브게이트를나타낸다. Fig. 2.3.2.19 스프링식식벨브게이트 - 70 -
Fig. 2.3.2.20 유압실린더벨브게이트 Fig. 2.3.2.21 핫런너용벨브게이트노즐 밸브게이트의특징으로는수지가처음부터압축되어있으므로압력이 0일때의수지 량은보통성형법보다많고동일한크기의사출기의성형용적이크게된다. 수지가 처음부터압축되어있으므로밸브가열렸을때의용융수지의팽창이매우빠르므로 고속사출이되고금형충전까지의수지온도저하가적고웰드라인은최소로된다. 수지온도가낮아도좋으므로실린더중에과가열에의해수지열화기회가작다. 성 형품의물성특히저충격성이개량된다. 응력과변형이작아성형품에뒤틀리는불 량현상을감소시킬수있다. 내부응력이작기때문에게이트주변에발생하는약점, 스프루주변의크랙은거의없게된다. 성형온도가낮아도좋으므로성형사이클을 단축할수있고, 고속사출을할수있다. 수지코흘림을방지되므로대부분의수지 를핀게이트로할수있다. 게이트밸런스가취해진다. Fig. 2.3.2.21은핫런너용 밸브게이트노즐구성과단면을나타낸다. - 71 -
4 핫런너에서일본의차별화기술 핫런너는일본에비하여구미쪽이훨씬보급되어있지만, 일본에선개발된시스템 도있다. 세기의스피아나 TGK 는오래전부터실적이있는일본산시스템이다. 본 지원사업에서는비교적독특한십왕의 개한다. 614 시스템과간편한명성의미니런너를소 십왕 614 시스템소개 특징: IH 밥솥처럼고주파유도전류에의해서매니폴드나핫노즐부를직접발 열시키는외부가열, 오픈게이트방식핫런너이다. 유로에장애물이없기때문에체 류걱정이없고, 또한열응답성이대단히좋기때문에게이트부를간헐가열하는 것으로지름이큰게이트라도 실늘어짐 따위가잘생기지않는이점이있다. 단 게이트마다충전량을조정하는것이어렵기때문에게이트점수가많은다수개캐 비티성형에대한적용에한도가있고또한, 값비싼고주파발생장치를필요로하 는문제도있다. 용도: 오픈게이트방식이라서밸브게이트를필요로하는게이트흔적이눈에 띄지않는외관부품용은아니지만, 범용엔지니어링플라스틱이나수퍼엔지니어링 플라스틱뿐만이아니라. 프라마그나, MIM 등특수한성형재료에도대응할수있 기때문에, 정밀기구부품에대한용도에이용되고있다. 또한오픈게이트방식이라 도게이트절단성이좋기때문에, 지름이큰게이트를사용할수있어, 충전성의장 점을살린대형성형품에적용이나저압성형에의한저캠버, 저왜곡성형에대한 적응을검토하면좋다. 명성미니런너소개 특징: 안전한런너레스금형이아니라, 작은콜드런너를가진세미핫런너이다. - 72 -
핫노즐부에히터등의가열기구는없지만, 열전도성이좋은동합금을사용하므로 써매니폴드의열을노즐선단부까지전달하는구조로되어있다. 따라서, 길다란 핫노즐이필요한깊은성형품에는대응할수없지만, 원래작은스풀을가진시 스템이기때문에스풀을길게하면대응할수도있다. 또한구조상게이트발란스 의미세조정은불가능하지만미니런너가일종의밸런스완충부로되어있기때문 이다수개캐비터성형에도대응이가능하다. 용도: 구조가간단하고가격도싸고, 전용온도콘트롤러를필요로하지않기때 문에핫런너금형설계제작이나사용경험이없더라도히터를사용한콜드런너의감 각으로손쉽게도입할수있다. 따라서핀포인트게이트로몇점의서브런너에 게이트를떨어뜨리는 2 단게이트의금형은, 이세미핫런너를사용하는금형으로 개조하면확실히큰상이클단축효과를기대할수있다. 또한, 다수개캐비티의 소품부품으로, 미니런너를재생사용할수있는제품이나직접제품표면에게이 트흔적을남기지않는사이드게이트나서브마린게이트가요구되는제품에는, 이 방식이대응하고있다. Fig. 2.3.2.22 전차유도가열핫노즐원리도와매니폴니폴드외관의예 ( 십왕카달로그 ) Fig. 2.3.2.23 세미핫런너의예 ( 명성금성금속공업소카달로그 ) - 73 -
(2) 가. 핫런너부품제작기술 핫런너부품 Fig.2.3.2.24 핫러너부품의명칭 (www.hotsys.co.kr ( www.hotsys.co.kr) b 수지역류홈설치 - PIN 의작동이원활 - VALVE PIN SHUT-OFF 시 HIGH GATE 방지 - 성형시안정성확보 c 2중 PIN GUIDE 구조 (HOT-SYS 특허) - GATE-MARK 가아주미려한제품생산 - d 금형의수명의장수명 특수구조의 PIN GUIDE 방식 - O-RING이필요없는 SEALING구조 e 특수구조의유로구조 - PIN 을중심으로한전주방향수지유입유로구조 - 잔류및체류수지가없는구조 - 수지흐름( 고속) 의관성력을상쇄하여, 제품표면에미세WELD LINE 형성을억 제 (FLOW MARK) f MANIFOLD 유로의특징 - 유로방향의변경부는체류수지가없는구조로설계 - 74 -
- 최적의 HEATING BALANCE - 최적의압력LOSS 설계및최적의압력 BALANCE설계 g - - 금형가공및 HOT-RUNNER SYSTEM 전선도피홈이필요없는구조 조립성우수 조립시배선방향을자유롭게할수있는편리성 - 편유로방식에서는필요한회전방지 Key가필요없음 - NOZZLE 안착부가 PLATE 면상에있으므로정밀도및가공성확보 h HEATER & SENSOR - WATT 일도편차 ±3% 이내확보 - 고열효율과장수명히터 Fig. 2.3.2.25 핫런너치수 나. 핫런너의문제점 1 적절하지못한핫런너시스템을사용하는경우 - 적절하지못한핫런너시스템은대개큰압력손실을초래한다. 핫런너시스템 을사용하는경우매우고온에서만다루어야한다. 이로인해대체로폴리머가디 그레이드되며, 여러문제점이발생된다. 부분적과열로인해, 스트리크, 변색, 표면 결함도발생된다. 성형화합물의분해는디그레이드산물에의한다른부작용을초 래한다. - 75 -
2 - 고려해야할사항 각각의수지에대해권장되는용융액온도와고체화온도등을사용해야한다. 또한핫런너를런너및노즐로부터효과적으로단열시켜야한다. 노즐은자연적으 로균형을이룬런너를사용할수있도록설계해야한다. 이것이모든금형캐비티 에서압력손실이일정하고용융액체류시간이동일하도록하는유일한방법이다. - 토출중량이작은경우, 직접적게이트보다간접적게이트가낳은데, 특히유리 섬유강화재료를사용하는경우에그러하다. 기쉽도록노즐당재료처리량을증가시킨다. 성형화합물에적용되는열을관리하 핫런너노즐을위한게이트는커도 되며, 성형품의게이트는통상적인케이트를거쳐작게둔다. 냉각슬러그개입장 치는언제나핫런너노즐을향하도록배치해야한다. 이것이노즐을거쳐성형품 으로들어가는냉각물질을방지하는한가지방법이다. - 열적으로민감한설형화합물에대해모든성형품이개별적으로균형을이룰수 있도록핫런너의입구, 런너, 각노즐을별도로조절할수있어야한다. 전원공급 장치( 예를들면 PID) 를통해일정한온도가유지되도록하는조절장치가있어야 한다. 사출기시스템의동일한방식으로핫런너시스템을기계적으로지원해야한 다. 핫런너노즐의바로옆에있는개별가열회로는금형표면온도를별도로올 바르게설정할수있도록한다. Recommended nozzle design Thermal isolation Separ ate heating Indirect gating Fig. 2.3.2.26 핫런너의문제점개선 1 (Source: Dupont & http://engpolymer.co.kr) 3 핫런너와노즐의선정기준 - 76 -
- 전체단면도를포함하고열전도체가대칭적으로결합된런너가최적의방안이 다. 고리형단면만있어서내부적으로가열되는시스템은압력의손실이심하므로 가능하면피해야한다. POM 이나내연성화합물같이열감도가높은재료의경우, 런너내부지류가최대한완전해야한다. - 노즐은개방되고, 완전한단면을가진외부적으로가열되는시스템이어야한다. 게이트부위에서용융수지플로우가여러갈래로분할되는것은피해야한다. 연결 된로드를조합된상태의조건에맞도록분산하여, 균등한온도분포가이루어지도 록해아한다. 연마재를다루어야하는경우교체가능한노즐탭을사용하는것이 좋다. 그리고필요하면작은뇌관으로대체하는것도가능하다. - POM을다룰때차단형노즐을쓰는것은일반적으로바람직하지못하다. 다른 종류화합물을사용하여니들밸브노즐을사용해야하는경우, 압력손실을최소화 하도록노즐과니들을결합하여사용해야한다. 여러가지다양한핫런너시스템 이상용화되어있어서, 위에서언급한권장사항을지킨다면좋은결과를가져온다. Turn of melt stream Nozzle arrangement Flow cross-section inside manlfold Fig. 2.3.2.27 핫런너의문제점개선 2 (Source: Dupont & http://engpolymer.co.kr) 4 YUDO 핫런너시스템 - 77 -
국내에서핫러너시스템관련가장많이사용되고있는제품의예를 Fig. 2.3.2.28에 제시하였다. 그림에서보듯이핫러너, 노즐및매니폴드등의표준부품상세도를볼 수있으며, Table 2.3.2.5 에각부의자세한명칭을제시하였다. 특히매니폴드같은 경우는용융된수지가흐르는런너를포함하고, 용융수지의균일한온도유지를위 한가열시스템이존재하므로, 상대적으로금형측보다는넓은온도사용조건을가 져그림에서처럼열전달및이로인한열응력에의한파손을방지하고자금형과매 니폴드사이에공기가존재할수있는구조로설계되어있음을알수있다. Fig. 2.3.2.28 핫런너와주변표준부품상세도 [8] - 78 -
Table 2.3.2.5 핫런너와주변표준부품 Part List 구분 No Description 구분 No Description 1 Locating Ring 31 Gate Bush 2 Socket head Cap Bolt 32 Cylinder Cover 3 Clamping Plate 33 Housing 4 spacer Plate 34 Piston Out Mold 5 Holding Plate 35 Piston In Pistion 부 6 Cavity Plate 36 Snap Ring 부 7 MODU Assy Bolt(B2) 37 O Ring 8 Mold Assy Bolt(B1) 38 Glyd Ring 9 Socket head Cap Bolt 39 Wear Ring 10 Center Pin Cover 40 Valve pin 11 Center Pin 41 Power +T/C Connector 12 Nozzle Locator 42 Solenoid Valve 13 Socket head Cap Bolt H e a t er 43 Signal Connector Pin Guide Bush support & 센서 14 44 Air (Oil) Nipple Pad 매 15 Pin Guide Bush 45 Silencer 니 16 Upper Insulation Pad 폴 17 Manifold Thermocouple 드 18 Manifold Block 부 19 Socket Head Cap Bolt 20 Lower Insulation Pad 21 Dowel Pin 22 Dowel Pad 23 Lock Pin 24 Sheath Heater 25 Seal ring 26 Nozzle Body Pin 27 Tube Heater Guide 28 Snap Ring 29 Nozzle Tip 30 Nozzle Thermocouple - 79 -
Fig. 2.3.2.29 설계및제작되어사용된핫런너시스템 - 80 -
(3) 핫노즐밸브의최적화기술지원 가. 핫런너노즐핫런너노즐은핫런너시스템에서가장중요한부분이다. 이것은금형캐비티와런너를연결하는것이며다수의조건을충족시켜야한다. 즉게이트로의열전도측면에서용융수지를가급적등온상태로게이트부속에서온도가많이상승되지않아야한다. 또한용융상태로있는런너와고화된성형품사이에서취출시에깨끗하고재현성에있는분리가수행될수있도록되어야한다. 나. 간접충전전오픈노즐 - 부정확한유동때문에생기는결함이없게캐비티를충진하려고하면때로는스 프루우, 게이트, 다이어프램게이트, 디스크게이트또는링게이트를사용하여얻 을수있는유동패턴이필요하다. 이런경우성형품을핫런너를이용하여직접충 전하는것보다는간접적인충전이필요하다. 이것은핫런너가금형캐비티의바로 위에설치될수없다는것을뜻한다. 그대신, 보통의고화되는런너를짧게하여 사용한다. (a) (b) Fig. 2.3.2.30 간접충전전오픈가열노즐 1 1 가열노즐 - Fig. 2.3.2.30 (a) 노즐은대형금형에서핫런너, 노즐그리고스프루우부시를통하여수지가보통런너로어떻게충전되는지나타낸다. 이설계는성형기노즐에서보통의가열되지않는스프루우부시로변환되지않는것과거의같다. 여기서노즐의열팽창에대한보정은컵스프링에의한다. 핫런너가팽창하면노즐이부시상에서미끄러지게한다. 노즐의직경은부시의직경보다작고이는미끄럼이노즐입구를부분적으로실링하지않음을의미한다. - 81 -
- Fig. 2.3.2.30 (b) 노즐은노즐과부시가일체로만들어져있다는깃이다르다. 틈새 A가단열을시키며반면에틈새 c 는열팽창을보정한다. 런너를열팽창에서 미끄러질수있다. 다수의터널게이트와결합은흥미있는조처로간접충전의경 우에도스프루를자동취출할수있는간단한방법을나타낸다. Fig. 2.3.2.31 간접충전전오픈가열노즐 2 Fig. 2.3.2.31 (c) 는핫런너와스프루에의하여두꺼운살두께를갖는제품의충전에유용하다는것이입증되었다. 열전대의최적위치와절단부위의설계가흥미롭다. 간접충전에서의절단은직접충전방식보다덜위험하다. 그러나특히투명제품에 서는유동줄무늬와그림자와같은희미한자국을일으킨다. 노즐출구의단면 K의 자연스러운감소는날카로운노치작용을가져쉽게절단되도록한다. 거친가공 을한제한플레이트 S는어떠한고화표면이라도억제하며팽창부 E는느린사출 의경우에흐름전면에공간을생성한다. 이것은파단시 K에서고화된표면이파단 되게한다. 이표면은금형캐비티로들어가지않아결함을일으키지않는다. 단일 캐비티금형의경우핫런너는단순히가열스프루우부시로생각할수있는노즐 로구성된다. Fig. 2.3.2.31 (d) 는핫런너의설계의예를보인다. - 82 -
Fig. 2.3.2.32 간접충전전대기실을가진오픈열전도노즐 다. 대기실을가진열전도노즐 앞에서설명한노즐방식은밴드히터또는카트리지히터에의하여가열된다. 소 위열전도노즐이라하는것은별도의열공급이없다. 이노즐은노즐에매우높 은열전도도를갖는재료를사용하여핫런너에서게이트로의열유동을보강한것 이다. 그러나이노즐은충분히가열된상태이어야하며이는노즐에서금형으로의 열손실을가급적낮추도록양호한열절연에의하여얻어진다. 이것은대기실이라 고하는것에의하여수행된다. 대기실은내부가플라스틱으로채워져낮은열전도 도를갖는다. 열절연을위해외부로부터부시내에에어포켓을기계가공한다. 부시 는또한주위로부터노즐을실링하는데도움을준다. 노즐 Fig.. 2.3.2.30 (a) 와 (b) 를비교하면다음과같은차이점을알수있다. Fig. 2.3.2.30 (a) 노즐의대기실은 성형품에닿을때까지금형내로들어가고따라서취출시성형품에자국을남긴다. 이것이필요없으면 Fig. 2.3.2.30 (b) 와같이대기실의길이를짧게한다. 이렇게 하면열절연이나빠지지만노즐의작은테이퍼형상에의하여보정될수있다. 단 면이넓으면열유동이향상된다. 또다른차이점은두대기실의스프링특싱에서 찾을수있다. Fig. 2.3.2.30 (a) 의노즐은금형조립시플랜지부분만( 예압약 0.05mm) 압축되나 Fig. 2.3.2.30 (b) 의노즐은대기실전체가압축된다.( 예압 0.2mm)) 강한볼트를사용하여얻는힘이연결부에누설을일으키지않아야하고 일체형보다는탄성노즐은충분히커야한다. 또, 일체형노즐은시스템내에서부정 확한예압, 길이의변화에대해민감한반응을보인다. 대기실없이외부에서가열 되는노즐과비교하여대기실을갖는열전도노즐은다음과같은장점및단점을 갖는다. - 83 -
- 장점 : 가격이싸다. ( 별도의가열장치, 온도측정및조절장치등이불필요하다.) 노즐과금형사이에열절연이매우좋다. 작은공간을차지한다. - 단점금형을열려는힘이크다. 대기실내에적체된수지가서서히분해된다. 장 기적체된수지가캐비티내로유입되면결함이나취약을유발한다. 이러한이유로, 외관상중요한제품이나열에민감한제품의경우에는대기실의사용을제외하는 경향이있다. 대기실을갖는열전도노즐은직접충전의게이트부분설계는특히중요하다. 대기 실부시의게이트구멍은원통형이나원추형이며부분적으로돌출된형상을가진 다. 이것이성형품에구형오목부를만들어간섭을주지않는다. 이러한오목부를 모두배제하고싶으면둥근고리모양의틈새또는니들- 실노즐이바람직하다. 한 편돌출부는 P.E의사출에서대기실부시의통로를반대쪽으로원추형으로하면쉽 게피할수있다. 취출시대기실내에남는돌출부는냉각되어다음사출에서밀려 난다. Fig. 2.3.2.33 여러가지노존존팁의의형상 A,B 보통핀포인트게이트 : 제품에작은스프루우가남은 C 평핀포이트게이트 : 스프루우가약간돌출됨 D 잠김핀포이트게이트 : 전혀돌출되지않음 E 환상게이트 : 게이트간돌출되는경우는거의없음 G 형상게이트 : 둥근고리형상성형품 라. 직접충전전환상의갭노즐 - 84 -
오픈노즐의단점은작은스프루우가남는다는것과실뽑기가생긴다는것이다. 실 뽑기가없이비교적작은스프루자국이생기게하는것은팁을원래노즐의원형 출구오리피스로부터둥근고리형상의틈새로변환하여노즐의구멍으로돌출되게 하면가능하다. 팁은단순한니들, 토피토또는내부에서가열되는멘드렐이다. 이 런팁의다른또다른장점은열이직접게이트부에전도되어게이트가열린상태 를유지한다는것이다. 팁의길이와형상을변화시키면절단을조절하고실뽑기를 피하는데도움을준다.(Fig. 2.3.2.33). 3. Multi-Cavity Preform 금형설계기술 (1). Preform 설계및성형기술지원 가. 실험적인방법에의한프리폼형상설계 Preform 단면형상설계는최적의완제품을생산하기위한가장중요한요인중의 하나로서, 업체에서는최대한실험과설계변경에따른반복적인방법(Trial and Error 방식) 의횟수를최대한줄이고자한다. 실험적인방법이란중공성형 Preform 설계를위한실험적인방법을위하여 Preform형상에서중요한 Factor를결정하여 이것을변화시켜서다양한조건의 교하여 Preform형상을결정하고중공성형의결과를비 Preform 의형상을결정하는데기술적인데이터로이용하는방법이다. Fig. 2.3.3.1 Preform 형상설계및실험과정 Preform에서중요한단면형상의 Factor는 Fig. 2.3.3.1에서보는바와같이 Preform 의내경(Inside diameter) 과외경(Outside diameter) 이있다. 이는단면위치에서의 Preform wall thickness 를결정하어주기때문에매우중요한요인이된다. 뿐만아 니라전체길이(Overall length) 와축방향길이(Axial length) 도중요한요인이다. - 85 -
이들의여러가지조합을통하여실험의효율적인계획을정하고실험을수행하여 이들의기술적인데이터를 Preform 설계에반영하여야한다. 본지원사업에서설계 된프리폼의형상및치수결과를 Fig.2.3.3.2 에제시하였다. 그림에서치수부는업 체의기밀사항이므로 DIM 으로표시하였다. Fig. 2.3.3.2 설계된프리폼삼차원모델, 국부치수및중립면면취출출프리폼서피스모델 나. 해석적인방법에의한프리폼성형기술 해석적방법으로는가상적으로사출과정을통해프리폼제품을성형하는것과실제 의연신준공성형과정을수행하지않고초기의 Preform 형상을바탕으로최종적으 로어떠한중공성형이이루어지는지를예측하는수치해석적방법이있다. 이러한 일련의과정을토대로 Preform의최적화설계및성형이가능하게할뿐만아니 라이와연계된중공성형의공정조건도최적화할수있다. 수치해석적인방법의 성공여부는얼마나실제와가까운형태로중공성형을예상하는가에달려있다. 를위하여시뮬레이션을다양한물성치나공정조건의정확도가생명이며더나아가 수치해석자체의기법이어떤것이이용되었는가에많은영향을받는다. 현재까지 프리폼사출성형을위한수치해석시스템은 이 MOLDFLOW가가장널리알려져있으 며, 이외에도국내의 CAPA & MAPS3D, 일본의 Timon, 대만의 MODEX3D 등의해 석프로그램이있다. - 86 -
한편중공성형을위한수치해석시스템은 Polyflow 가가장널리알려져있으나, 중 공성형의경우는중공성형의공정자체가매우보편화되어있는공정이아니기때문 에많은다양한해석 Tool 이개발되어있지않다. 본지원사업의경우에는사출전 용해석프로그램인 MOLDFLOW TM 를사용하여최적화성형기술을지원하였다. 우선앞에서제시된기하학적모델을사용하여유한요소메쉬를생성하였으며, 사 출시간의변화에따른프리폼에작용하는최대압력의변화를살펴보았다 (Fig.2.3.3.3). 본지원사업에서다루는프리폼모델은 가소화된용융수지를프리폼모델까지이송하는 Multi-Cavity 시스템이지만 delivery system을핫런너시스템 으로설계하였기때문에해석상에서는이부분의효과가큰다. 왜냐하면핫런너부 분에서의용융수지는이상적으로일정한온도를유지한다고가정되기때문이다. 따 라서해석의효율성을높이기위해서는 Fig.2.3.3.3과같은단일한모델에대해해 석을수행한후전체시스템결과를예측하는것이바람직하다. Fig.2.3.3.3 프리폼의사출시간대비압력결과를통한충진시간최적화결과 한편 Fig. 2.3.3.3의결과에서보듯이동일한제품의경우에도사출시간의변화만으 로도제품에걸리는압력이크게변함을볼수있다. 일반적으로프리폼과같은제 품은투명성을요구할뿐만아니라추후중공성형의과정을거치게되므로가능한 한제품내에잔류응력이발생되지않는것이바람직하다. - 87 -
특히이러한잔류응력은게이트부분에서적게발생되어야한다. 왜냐하면마찬가 지로중공성형과정에서이부분이큰압력을받게되기때문이다. 실제제품의성 형과정에서발생된잔류응력은육안으로는확인이불가능하다. 하지만광탄성측정 장비와같은실험장비를이용하면 Fig. 2.3.3.4에서와같이투명한제품내에응력이 걸려있음을확인할수있게된다. 이러한충진시간의최적화를수행한후는순차 적으로보압해석, 냉각해석및변형해석을수행하게된다. 보압해석의경우는제품 의균일한수축을발생시키기위해보압프로파일최적화가필요하게되며, 냉각해 석최적화를통해제품의양질화및생산성을확보할수있게된다. 왜냐하면, 일반 적으로사출성형에서전체사이클의상당한부분을냉각시간이차지하기때문이다. Fig. 2.3.3.4 광탄성측정을이용한사출성형후 Preform 제품의시간변간변화에따른 잔류응류응력의변화화 [ 서울산업대류민영민영교수발표자표자료중발췌 ] 한편 Fig. 2.3.3.3에서얻어진최적사출시간을적용하여얻어진해석결과들을 Fig. 2.3.3.5~8 에제시하였다. Fig. 2.3.3.5 는충진패턴결과를보여주고있으며, 그림에서보듯이핫런너부분은이미충진이되었다는가정하여해석이진행되었음 을알수있다. 제품의단순한특성상충진을비교적양호하게진행되었음을볼수 있다. - 88 -