[논문]고온기체 유동을 이용한 사출성형품의 웰드라인 개선

정재성; 이영주; 민경배; 송보근; 김희성; 김선경

고온기체 유동을 이용한 사출성형품의 웰드라인 개선
Improvement of Weldlines of an Injection Product in Using Movement of a High Temperature Gas

정재성 (서울과학기술대학교 제품설계금형공학과) , 이영주 (서울과학기술대학교 제품설계금형공학과) , 민경배 (서울과학기술대학교 제품설계금형공학과) , 송보근 (서울과학기술대학교 제품설계금형공학과) , 김희성 (서울과학기술대학교 제품설계금형공학과) , 김선경 (서울과학기술대학교 제품설계금형공학과)

Today, looking at the trend of product development, interests of injection technology to reduce weldline are growing because of increases of polymer composite materials that containing functional elements and demand of no-painted injection in accordance with environmental regulations. In this paper, surface temperatures of mold increased using high temperature gas for elimination of weldline and characteristics of weldline are analyzed according to mold temperature($60^{\circ}C{\sim}120^{\circ}C$).

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문제 정의

고온기체가열 금형은 코어(Core)와 캐비티(Cavity)의 뒷면에 고온기체의 유로가 뚫려있는 플레이트(Plate)를 설치하고, 히팅시스템을 이용하여 고온기체를 만들어 금형의 온도를 높이는 방식이다. 금형에 Thermoscouple을 설치하여 온도에 따라 성형품의 웰드라인 양상에 대해 관찰해 보고자 한다.
본 연구에서는 앞서 언급한 방안들이 아닌 고온으로 가열된 기체를 이용하여 금형의 온도를 증가시킴으로써 웰드라인을 개선하는 방안에 대해 연구하고자 한다. 고온기체가열 금형은 코어(Core)와 캐비티(Cavity)의 뒷면에 고온기체의 유로가 뚫려있는 플레이트(Plate)를 설치하고, 히팅시스템을 이용하여 고온기체를 만들어 금형의 온도를 높이는 방식이다.
이번 연구를 통해 금형표면의 온도가 웰드라인에 미치는 영향과 금형에서의 열적 균형의 중요성에 대해 알 수 있었다. 다만 처음 실험을 계획하고 예상했던 결과만큼 눈에 띄게 큰 차이를 보이진 않았다.

제안 방법

히팅시스템은 스테인리스관(Stainless Steel Pipe)을 코일(coil)형상으로 만들어 유로를 만들고, Fig. 2(a)와 같이 코일 안쪽에 탄소봉을 설치하여 탄소봉을 가열하여 주변의 스테인리스관이 가열되는 간접 히팅 방식을 사용하였다. Fig.
34Mpa을 입력하였다. Thermoscouple과 LabView프로그램을 이용하여 금형표면온도를 측정하여 30℃, 60℃, 80℃, 100℃, 120℃일 때 성형을 진행하였고, 하형만 가열했을 경우, 양쪽모두 가열했을 경우의 웰드라인을 살펴보았다.
본 연구에서는 고온기체를 이용하여 금형의 가열온도를 각각 30℃, 60℃, 80℃, 100,℃, 120℃로 설정하여 실험했을 때 각 온도별 성형품을 비교하였다. 그 결과 한 쪽 방향만 가열했을 경우와 양쪽모두 가열했을 경우의 온도에 따른 수축 및 웰드라인 양상에 대해 확인할 수 있었다.

대상 데이터

실험에 사용한 제품의 형상은 ASTM(American Society for Testing and Materials) D618 인장시편을 사용하였고, 시편 양쪽에서 수지가 유입되어 중앙에서 만나 웰드라인이 생성되게 하였다. 사이드 게이트와 원형러너를 사용하였고, 시편의 각 부위에서 온도를 측정할 수 있도록 다섯 군데에 온도센서를 설치하였다. 고온의 기체의 단열을 위해 기체 유로 플레이트에 단열제(bakelite)를 설치하여 온도를 유지하였다.
실험에 사용한 제품의 형상은 ASTM(American Society for Testing and Materials) D618 인장시편을 사용하였고, 시편 양쪽에서 수지가 유입되어 중앙에서 만나 웰드라인이 생성되게 하였다. 사이드 게이트와 원형러너를 사용하였고, 시편의 각 부위에서 온도를 측정할 수 있도록 다섯 군데에 온도센서를 설치하였다.
실험은 수직사출기를 사용하였고, 성형에 사용한 수지는 PMMA(Poly Methyl Methacrylate)를 사용하였다. 초기 성형조건으로는 유량 185 l/min, 금형표면온도 25℃, 사출수지온도 250℃, 사출시간 5sec, 압력 0.

성능/효과

본 연구에서는 고온기체를 이용하여 금형의 가열온도를 각각 30℃, 60℃, 80℃, 100,℃, 120℃로 설정하여 실험했을 때 각 온도별 성형품을 비교하였다. 그 결과 한 쪽 방향만 가열했을 경우와 양쪽모두 가열했을 경우의 온도에 따른 수축 및 웰드라인 양상에 대해 확인할 수 있었다.
하지만 제품을 비교하였을 때 금형의 가열 온도를 높게 설정해 주면 비교적 웰드라인이 희미해지는 것을 육안으로 확인할 수 있었다. 그리고 금형의 온도가 높아질수록 성형품의 품질이 좋아질 것이라는 예상과는 달리 120℃ 성형 시에 100℃ 성형 제품보다 플래시 등 불량 요인이 많이 생겼다. 이것을 보았을 때 PMMA의 경우 유리전이온도(glass transition temperature, Tg)가 약 105℃인데 유리전이온도까지만 금형을 가열하면 불량을 개선하는데 충분하다는 것을 알 수 있다.
그리고 금형의 온도가 높아질수록 성형품의 품질이 좋아질 것이라는 예상과는 달리 120℃ 성형 시에 100℃ 성형 제품보다 플래시 등 불량 요인이 많이 생겼다. 이것을 보았을 때 PMMA의 경우 유리전이온도(glass transition temperature, Tg)가 약 105℃인데 유리전이온도까지만 금형을 가열하면 불량을 개선하는데 충분하다는 것을 알 수 있다.
다만 처음 실험을 계획하고 예상했던 결과만큼 눈에 띄게 큰 차이를 보이진 않았다. 하지만 제품을 비교하였을 때 금형의 가열 온도를 높게 설정해 주면 비교적 웰드라인이 희미해지는 것을 육안으로 확인할 수 있었다. 그리고 금형의 온도가 높아질수록 성형품의 품질이 좋아질 것이라는 예상과는 달리 120℃ 성형 시에 100℃ 성형 제품보다 플래시 등 불량 요인이 많이 생겼다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

사출성형의 장점은 무엇인가?

플라스틱 가공법 중 하나인 사출성형은 높은 경량화와 생산성, 다른 재료에 비해 가공이 용이하며, 전기 절연성, 내약품성 등이 우수하고, 착색이 용이하고 가벼운 장점이 있다. 이러한 장점들로 인해 가전제품, 이동통신, 자동차, OA기기의 외관 및 내부 부품 제조에 많이 사용되고 있다.

웰드라인 발생 부위에 ‘V’자 형태의 노치(Notch)가 발생하여 어떤 문제를 유발하는가?

특히 웰드라인(Weldline)이 생기게 되면 도장 등의 후 공정을 해야하기 때문에 부가적인 경비와 시간이 소요되게 된다. 또한 웰드라인(Weldline) 발생 부위에서는 ‘V’자 형태의 노치(Notch)가 발생하여 제품의 기계적 특성 저하는 물론 증착, 도장, 도금 등 후 공정에 여러 가지 문제를 유발하게 된다1).

사출성형은 어떤 분야에 사용되고 있는가?

플라스틱 가공법 중 하나인 사출성형은 높은 경량화와 생산성, 다른 재료에 비해 가공이 용이하며, 전기 절연성, 내약품성 등이 우수하고, 착색이 용이하고 가벼운 장점이 있다. 이러한 장점들로 인해 가전제품, 이동통신, 자동차, OA기기의 외관 및 내부 부품 제조에 많이 사용되고 있다. 최근 첨단부품의 개발추세를 살펴보면 미세한 패턴이 추가되고 기능성 재료가 함유된 고분자 복합재료의 사출이 증가하고 있다.

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