일반적인 사출 성형 결함 및 해결 방법

흐름 선 및 쇼트 샷: 원인과 공정 최적화

흐름 선의 이해와 재료, 금형, 공정 요인 분석

성형품에서 보이는 선상 또는 무늬 형태의 흐름 선은 성형 중 일관되지 않은 재료 흐름으로 인해 발생합니다. 주사형조각 과정 주요 원인은 다음과 같습니다:

• 재료 점도 불일치 , 특히 불균일하게 냉각되는 반결정성 폴리머에서 두드러짐
• 비최적의 금형 설계 , 예를 들어 좁은 게이트나 날카로운 모서리가 흐름을 방해하는 경우
• 공정 변동 , 주입 속도 또는 용융 온도의 변동을 포함함

2023년 플라스틱 기술 연구소의 연구에 따르면, 흐름선 결함의 62%가 게이트 크기 부족과 용융 단계에서의 온도 불균형으로 인해 발생한다.

쇼트 샷의 근본 원인: 압력, 벤팅 및 유동 저항

쇼트 샷은 용융 플라스틱이 몰드 캐비티를 완전히 채우지 못할 때 발생한다. 주요 요인은 다음과 같다:

1. 압출 압력 부족 , 얇은 벽 부분의 저항을 극복하기 위해
2. 벤팅 불량 , 이는 공기를 포획하여 백프레셔를 생성함
3. 고점도 재료 복잡한 형상을 따라가는 데 어려움을 겪고 있음

정밀 몰드에서 부적절하게 배치된 게이트는 쇼트 샷(Short Shot) 발생의 34%를 차지한다(Polymer Engineering Reports, 2022).

유동 관련 결함 방지를 위한 주사 파라미터 최적화

주요 파라미터를 개선하면 유동 관련 결함을 크게 줄일 수 있다.

*범위는 재료 및 부품 형상에 따라 다름
**유리 전이 온도

시뮬레이션 데이터에 따르면, 폴리프로필렌 부품의 흐름 자국 심각성을 2초의 냉각 버퍼와 함께 보압을 20% 증가시키면 45% 감소시킬 수 있음 금형 유동 해석 도구 . 항상 실험계획법(DOE, Design of Experiments) 시험을 통해 변경 사항을 검증해야 함.

싱크 마크 및 휨: 냉각과 잔류 응력 관리

두꺼운 단면과 패킹 압력이 싱크 마크 형성에 미치는 영향

성형 부품의 두꺼운 부분이 서로 다른 속도로 냉각될 때 표면에 작은 움푹 들어간 자국으로 나타나는 이 성가신 싱크 마크들(sink marks)은 외부보다 내부가 고체화되는 데 더 오랜 시간이 걸리기 때문에 냉각 중에 안쪽으로 당겨지면서 발생하는 현상입니다. 이로 인해 내부가 수축하면서 빈 공간이 남게 되죠. 생산 과정에서 몰드에 충분한 압력을 가하지 못하면 이러한 문제가 더욱 악화됩니다. 대부분의 제조업체들은 싱크 깊이를 25%에서 40% 정도 줄이려면 압축 압력을 약 10%에서 15% 정도 높이고, 보압 유지 시간을 추가로 몇 초 더 늘려야 한다고 판단합니다. 물론 정확한 수치는 사용하는 재료의 종류에 따라 크게 달라지며, 흐름 특성이 좋은 재료와 그렇지 않은 재료 간에는 차이가 있습니다.

냉각 속도 불균형 및 비균일 수축으로 인한 휨 현상

부품은 냉각이 고르지 않아 내부 응력이 남을 때 휘는 경우가 많습니다. 몰드의 서로 다른 영역 간에 약 15~20도 정도의 미세한 온도 차이만 있어도 수축률이 0.5~1.2% 정도 달라지며, 이로 인해 부품이 비틀리거나 굽어지는 현상이 발생합니다. 폴리프로필렌이나 나일론 6/6과 같은 특정 플라스틱은 냉각 중 결정 구조를 형성하기 때문에 특히 문제가 되기 쉽습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 제조업체는 몰드 전체에서 약 ±3도 이내로 온도를 일정하게 유지해야 합니다. 이를 위해서는 냉각수 채널을 정밀하게 설계하거나 복잡한 부품에 특수한 곡면 냉각 기술을 적용할 수 있습니다. 이러한 방법들은 일반적으로 휘는 문제를 약 30~50% 정도 줄여주므로 품질 관리를 위해 추가 노력이 필요한 만큼 가치가 있습니다.

치수 안정성을 위한 설계 및 공정 조정

• 디자인 수정 : 질량 차이를 최소화하기 위해 두꺼운 부분을 리브(보강대)나 거셋으로 대체
• 공정 튜닝 : 필요한 곳에서 냉각 속도를 늦추기 위해 재료의 유리 전이점보다 10–15°C 높은 금형 온도를 설정하십시오
• 재료 선택 : 미네랄 충전 등급과 같은 저수축 첨가제를 사용하여 수축률 차이를 줄이십시오

게이트 크기와 위치를 몰드 흐름 시뮬레이션을 통해 균형 있게 설계하면 비대칭 충전으로 인한 응력을 최소화할 수 있습니다. 실시간 압력 센서를 활용하면 패킹 중 동적 조정이 가능해져 자동차 부품의 치수 편차를 18–22% 감소시킬 수 있습니다.

용접선 및 제팅: 성형 부품에서의 유동선 문제

유동선이 합류하는 지점에서 형성되는 용접선의 생성과 약점

용접선은 용융 폴리머가 인서트와 같은 장애물 주위로 나뉘어 흐른 후 완전한 융합 없이 다시 만나면서 형성됩니다. 이로 인해 주변 재료에 비해 기계적 강도가 최대 70%까지 저하될 수 있습니다(IMS Tex). 외관상의 유동선과 달리, 의료기기 및 자동차 브래킷과 같은 중요 응용 분야에서 구조적 무결성을 해칠 수 있습니다.

강화된 니트 선을 위한 게이트 배치 및 용융 온도 전략

전략적 게이트 배치는 플로우 경로의 분할을 최소화하며, 게이트를 이상적인 위치에 배치하여 유동 흐름이 상당한 냉각이 발생하기 전에 모일 수 있도록 한다. 용융 온도를 15–25°F(8–14°C)만큼 높이면 융합 지점에서의 융합 시간이 연장된다. 2024 재료 융합 연구에서 사용된 도구와 같은 소프트웨어는 유동 프론트를 시뮬레이션하여 게이트 배치 및 열 프로파일을 최적화한다.

제팅 결함: 고속 유동 및 노즐 설계 문제

제팅(jetting)은 용융 플라스틱이 금형 캐비티로 무질서하게 빠르게 유입될 때, 매끄러운 유동면을 형성하지 못하고 표면에 파도 모양의 선으로 나타나는 현상입니다. 이 문제는 게이트 크기가 0.04인치(약 1밀리미터)보다 작고, 특히 주입 속도가 초당 약 4입방인치를 초과할 경우 자주 발생합니다. 이를 해결하기 위해 제조업체들은 일반적으로 테이퍼형 노즐이나 핫 러너 시스템을 사용합니다. 이러한 방법들은 소비자들이 휴대폰 케이스 및 기타 광택 제품에서 요구하는 반짝이고 투명한 부품을 만드는 데 중요한 층류(laminar flow)라고 불리는 매끄럽고 층을 이룬 유동 패턴을 형성하는 데 도움을 줍니다.

플래시, 공극, 표면 결함: 금형의 완전성 및 재료 취급

분할선의 정렬 불량 및 클램프 힘으로 인한 플래시 형성

플래시는 금형의 미세한 틈새로 뜨거운 플라스틱이 새어나올 때 발생하며, 일반적으로 분할선(parting lines)이 정확히 맞지 않거나 전체를 고정하는 클램프 힘이 부족할 때 나타납니다. 작년에 수행된 일부 연구에 따르면 이러한 플래시 문제의 약 2/3은 오래되고 마모된 공구(tooling)에서 비롯됩니다. 또한 클램프 힘이 약 3~5톤/제곱센티미터 이하로 떨어지면 플라스틱이 새어나가기 쉬워집니다. 제조업체들은 대략 5만 번의 생산 주기마다 금형을 재정렬하면 큰 개선 효과를 얻을 수 있다는 것을 발견했습니다. 또한 압력 센서를 추가하여 실제 고정 정도를 점검함으로써 현장에서는 플래시 문제를 실제로 거의 90%까지 줄이는 데 성공했습니다.

내부 공극, 기포 및 습기 또는 과열로 인한 번짐 자국

자재 내의 공극과 기포의 주요 원인은 일반적으로 수분 함량이 약 0.02%를 초과할 때 증기로 변하는 과잉 수분이거나, 가공 중 부품이 파손 온도 이상으로 과열되는 경우입니다. 우리는 고전단 나사 설계로 전환하면 용융된 자재를 훨씬 더 균일하게 혼합하기 때문에 이러한 성가신 기포를 약 70~75% 정도 줄일 수 있다는 것을 발견했습니다. 자주 발생하는 성가신 번짐 자국(burn marks)의 경우? 이는 일반적으로 핫 러너 시스템 내에서 자재가 너무 오래 머무르면서 발생합니다. 이 문제를 해결하기 위해 제조업체는 자재가 머무는 시간을 철저히 모니터링하고 민감한 플라스틱의 경우 냉각 속도가 초당 25도 섭씨를 초과하지 않도록 해야 합니다. 이러한 파라미터를 정확하게 설정하는 것이 결함 없는 고품질 부품 생산에 결정적인 차이를 만듭니다.

표면 결함: 스플레이(splay), 변색 및 오염 관리

스플레이는 오염된 수지 또는 120mm/s 이상의 사출 속도에서 전단에 의한 과열로 인해 발생합니다. 노즐 온도를 8~12°C 낮추고 10µm 호퍼 필터를 설치하면 스플레이를 68% 감소시킬 수 있습니다. 변색 방지를 위해선 재료 교체 시 폴리카보네이트 기반 퍼징 화합물을 사용하여 색상 일관성을 ĨE<1.5 허용오차 이내로 유지할 수 있습니다.

결함 없는 성형을 위한 예방 전략 및 시뮬레이션 도구

성형 흐름 분석을 활용하여 결함 예측 및 방지

Autodesk Mold Flow 및 SolidWorks Plastics와 같은 금형 유동 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하면 실제 부품 제작에 앞서 성형 공정 중 내부에서 발생하는 현상을 엔지니어가 미리 확인할 수 있습니다. 2023년 Modern Machine Tools의 최근 조사에 따르면, 이러한 예측 도구를 도입한 제조업체의 약 80%가 기존의 시행착오 방식과 비교해 폐기율이 약 3분의 1 정도 감소한 것으로 나타났습니다. 이 프로그램들은 문제를 발견하는 데에도 매우 효과적입니다. 용접선 형성, 게이트가 제대로 열리지 않는 현상, 결함을 유발하는 성가신 에어 포켓과 같은 문제들을 정확히 포착합니다. 이는 섭씨 최대 5도(화씨 약 180도)의 미세한 온도 변화까지 감지함으로써 가능합니다. 예를 들어 얇은 벽의 전자제품 하우징 부품의 경우, 적절한 시뮬레이션을 통해 제조업체는 생산 과정에서 가스가 갇히지 않도록 통기구를 정확히 어디에 배치해야 할지 파악할 수 있어 비용 절감과 낭비 감소에 기여합니다.

설계 최적 사례: 균일한 두께의 벽, 적절한 게이트 및 벤팅

균일한 벽 두께 유지(ABS 및 PP의 경우 이상적인 두께는 1–3mm)는 수축 불균형으로 인한 휨을 방지하는 데 도움이 됩니다. 2022년 폴리머 유동 연구에 따르면, 유리 충전 나일론에서 리바디 게이트(radial gates)는 엣지 게이트 대비 전단 응력을 40% 감소시킵니다. 제조 용이성 설계 원칙은 다음을 권장합니다.

• 원활한 탈형을 위해 측면당 ≥1°의 드래프트 각도
• 플래시 없이 공기가 배출될 수 있도록 0.015–0.03mm의 벤트 깊이
• 싱크(sinks)를 피하기 위해 벽 두께 대 리브 두께 비율을 60% 미만으로 설정

일관된 품질을 위한 공정 모니터링 및 유지보수

실시간 압력 센서와 스마트 IoT 컨트롤러를 함께 사용하면 주입 속도를 목표값에 거의 근접하게 유지할 수 있으며, 일반적으로 ±2% 이내로 유지된다. 이는 여러 캐비티를 가진 금형에서 성가신 단사(short shots) 문제를 피하려 할 때 매우 중요하다. 정기적인 유지보수를 위해 매월 프로파일로미터를 사용하여 점검하면 몰드 표면의 마모가 5마이크로미터 기준을 초과했는지 확인할 수 있으며, 대개 이 시점에서 플래시 문제가 발생하기 시작한다. 최근 2023년 MMT 연구 자료를 살펴보면 흥미로운 사실을 알 수 있다. 그들은 예기치 않은 생산 중단의 거의 10건 중 8건이 스크류 체크 링의 마모로 인해 발생했다는 것을 발견했다. 이는 취약한 부품들을 3개월마다 교체하는 것이 원활한 운영을 유지하는 데 얼마나 중요한지를 잘 보여준다.

스템들이 층을 이루며 부드러운 흐름 패턴인 층류(laminar flow)를 생성한다.