[논문]금형온도가 사출성형품의 웰드라인과 치수안정성에 미치는 영향에 관한 연구

김동학; 이재원; 김태완

금형온도가 사출성형품의 웰드라인과 치수안정성에 미치는 영향에 관한 연구
Effects of Mold Temperature on the Weldline and Dimensional Stability of Injection-molded Parts 원문보기

김동학 (순천향대학교 신소재화학공학부) , 이재원 (순천향대학교 신소재화학공학부) , 김태완 (순천향대학교 신소재화학공학부)

본 논문은 금형의 온도 변화가 사출성형품의 미시구조에 미치는 영향에 관해 연구했다. 웰드라인의 폭과 길이는 금형온도가 증가함에 따라 모두 감소되었다 그리고 금형의 온도에 따른 결정성수지인 PP(Polypropylene)와 비결정성수지인 PS(Polystyrene)의 치수안정성에 관해 연구했다. PS성형품은 금형온도가 높을수록 수축률이 줄어들고, 두께 편차가 적어졌고, PP성형품의 경우에는 결정의 생성으로 인해 상반된 경향이 나타났다. 캐비티의 충전성과 전사성은 금형온도가 높을수록 향상되었다.

In this paper, we studied the effects of mold temperature on the microstructure of injection molded parts. The weld line decreases in length and width as mold temperature increases. We investigated the dimensional stability of the parts made of two kinds of resin(polypropylene and polystyrene) by varying the mold temperature. As the mold temperature is high, both the shrinkage ratio and the thickness difference for the PS parts decreases. But the observation of PP parts shows a tendency to increase. The easiness of cavity filling and transcription of the mold texture is improved as the mold temperature is high.

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문제 정의

본 연구는 사출 성형품의 품질에 영향을 주는 인자 중에 금형의 온도에 따라 성형품의 미시구조에 미치는 영향과 금형의 온도를 변화시켜 비결정성수지인 PS(PolyStyrene)와 결정성수지인 PP(Polypmpylene)를 대상으로 수축율, 두께, 웰드라인 그리고 리브(rib) 뒷면의 씽크마크(sink mark) 등을 측정, 금형온도가 최종 성형품에 미치는 영향을 알아보았다. 또한, 금형을 순간적으로 가열시키고 냉각시키는 MmSH(Momentary Mold Surface Heating) 공정조건에 따른 영향도 비교, 검토 하였다.

제안 방법

이때, 이 설정값은 사출 속도와 위치, 시간을 고정하고 압력을 조절해 가며 성형이 완료되는 시점의 압력에서 10%의 압력을 더 가하여 값을 취하였다. 금형온도는 칠러(chHler)와 금형온도조절기로 조절하여 20°C, 40°C, 60°C, 80°C 그리고 MmSH 조건으로 실험했다.
두께는 성형품의 게이트부분과 말단부분을 마이크로미터로 측정하여 비교하였고, 각각의 두께를 측정한 후 게이트 부분의 두께와 말단부분의 두께의 차를 도표화하였다.
수축율의 측정 부위는 수지흐름방향수축율 실험값을 EDRx로 나타내었고, 흐름 직각방향수축율 실험값을 EDRy로 나타내었다. 또한, 각기 다른 리브 뒷면의 수축을 측정하기 위해 표면 거칠기 측정기(Surface Roughness meter)로서 Ra값 및 Rz값을 비교 . 검토하였다.
또한, 금형을 순간적으로 가열시키고 냉각시키는 MmSH(Momentary Mold Surface Heating) 공정조건에 따른 영향도 비교, 검토 하였다. MmSH공정은 금형 캐비티 표면을 기체 화염을 이용하여 순간적으로 가열 및 냉각하여 표면광택 및 기계적 물성을 일반 사출성형보다 뛰어나게 만드는 신기술이다[5].
치수이다. 수축율의 측정 부위는 수지흐름방향수축율 실험값을 EDRx로 나타내었고, 흐름 직각방향수축율 실험값을 EDRy로 나타내었다. 또한, 각기 다른 리브 뒷면의 수축을 측정하기 위해 표면 거칠기 측정기(Surface Roughness meter)로서 Ra값 및 Rz값을 비교 .
1과 같다. 이 금형은 two cavity 형태로서 한쪽 캐비티 (cavity)는 가로, 세로 모두 120 mm, 두께는 2 mm로 제작되었고, 다른 한쪽 캐비티는 금형 표면의 전사성을 알아보기 위하여 캐비티의 1/2을 embossing 처리를 하였다. 실험에 사용된 시편은 웰드라인 부분의 상구조를 보기 위하여 사각평판방향의 게이트는 닫고 시편을 채취하였다.
성형품의 표면 및 단면은 시편을 절단하여 BIO-RAD coater 로 관찰면에 금을 증착시켰다. 이 시편을 SEM(JEOL DATUM Ltd., JSM-5310, Japan)에서 웰드라인 부분의 형상을 관찰하였다. 시편은 Fig.

대상 데이터

200°C~25O>C이다. 시편은 각각의 금형온도별로 정상적인 사출상태가 이루어진 후 각 온도당 10개의 시편을 취출하였다.
실험에 사용된 수지는 Dow Chemical의 HIPS 로서 흑색 master batch를 2part를 혼합하였다. 금형 온도를 제외한 사출압력, 보압, 속도, 위치, 시간, 수지의 온도는 Table 1과 같이 조건을 설정하였다.
1 실험방법과 동일하고 보압은 좀더 정확한 수축율의 실험을 위해 0으로 하였다. 실험에 사용된 수지는 비결정성수지인 PS(PolyStyrene)와 결정성수지인 PP(Polypropylene)이다.
이 금형은 two cavity 형태로서 한쪽 캐비티 (cavity)는 가로, 세로 모두 120 mm, 두께는 2 mm로 제작되었고, 다른 한쪽 캐비티는 금형 표면의 전사성을 알아보기 위하여 캐비티의 1/2을 embossing 처리를 하였다. 실험에 사용된 시편은 웰드라인 부분의 상구조를 보기 위하여 사각평판방향의 게이트는 닫고 시편을 채취하였다. 성형품의 표면 및 단면은 시편을 절단하여 BIO-RAD coater 로 관찰면에 금을 증착시켰다.
실험에 사용한 사출성형기는 현대정공주식회사의 SPF250 으로 직압식 수평형 타입이다. 성형에 사용된 금형의 개략도는 Fig.

이론/모형

성형 수축률을 측청하기 위한 도구로는 버니어캘리퍼스를 사용하였다. 성형수축률은 금형 캐비티의 치수에 대한 성형된 시편의 치수로서 다음 식 (1)로 정의된다 [6, 7].

성능/효과

6은 금형온도 변화에 따른 수축율의 변화를 나타내었다. PP의 경우 금형온도가 증가할수록 수축율은 증가함을 보였고, PS의 경우 PP의 수축보다 상대적으로 작은 변화이지만 감소함을 볼 수 있다. 단 PP의 경우 MmSH 공정에서는 수축율이 감소하는 것을 볼 수 있다.
성형품의 수축은 결정성수지인 PP와 비결정성수지인 PS는 금형온도가 높아짐에 따라 각기 다른 결과를 나타내었다. PS성형품은 금형온도가 높을수록 수축률이 줄어들고 두께 편차가 적어지는 경향을 관찰됐다. 반면 PP성형품의 경우에는 결정의 생성으로 인한 상반된 경향을 나타냈다.
10은 거친 면의 리브 뒷면을 나타내는데, 매끄러운 면과 달리 측정치가 올라가는 것을 볼 수 있다. Ra와 Rz의 값을 종합해서 볼 때 금형온도가 높은 면에서 전사성이 개선되었다고 할 수 있다. 한편 씽크마크의 크기를 육안으로 판별한 결과, 금형 온도가 높아질수록 씽 크마크가 감소하였다.
반면 PP성형품의 경우에는 결정의 생성으로 인한 상반된 경향을 나타냈다. 그리고 성형품의 외관품질은, 금형온도에 따른 캐비티의 매끄러운 면과 거친 면의 결과로 볼때 금형온도가 높을수록 캐비티의 충전성 및 전사성이 향상되었다.

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