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제목 올바른 게이트, 러너, 스프루 사이즈 결정법 ①
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/07/31 10:25

올바른 게이트, 러너, 스프루 사이즈 결정법 ①

게이트 깊이는 많은 변수를 바탕으로 이루어지고 게이트 너비는 캐비티 유동길이, 유동속도, 성형품의 부피를 바탕으로 결정하게 된다. 복잡하고 골치 아픈 수식에 많은 시간을 쓰지 않고 스프루, 러너, 게이트 크기를 처음부터 이상적 수준에 가깝게 정하는 방법을 알아본다.

유동분석 프로그램을 돌려보든 아니든 달라지는 것은 없다. 결국 어떤 시점에서는 스프루, 러너 및 게이트 크기를 지정하고 시작해야 한다. 이 부품들의 크기는 누군가의 경험이나 프로그래머나 설계자가 보기에 단순히 “적당해 보이는” 크기에 기반한 경험적 추측에 지나지 않는다.

유동분석을 실행하는 경우, 소프트웨어 프로그램은 유동 채널 중 어떤 것이 너무 크거나 작다고 알려줄 수 있다. 그러면 그에 따라 크기를 조정한 다음 시뮬레이션을 다시 돌리게 된다. 유동분석을 수행하지 않은 경우는 금형을 사용한 첫 번째 샘플 생산을 통해 이 부위들이 너무 크거나 작은지 확인해 볼 수 있다.

이를 확인한 후 원래의 금형강에 손상을 주지 않는 방식으로(steel-safe) 이 부위의 크기를 조절해 다시 샘플링을 수행하게 된다. 이번 칼럼에서는 복잡하고 골치 아픈 수식에 많은 시간을 쓰지 않고 스프루, 러너, 게이트 크기를 처음부터 이상적 수준에 가깝게 정하는 방법에 대해 알아보고자 한다.

1단계: 원료 점도 확인

가공에 사용할 원료의 유동 양상이 물 같은가 또는 시럽 같은가 아니면 그 중간 어디쯤인가? 원료의 점도는 가공 파라미터에 따라 크게 달라지는 경우가 많기 때문에, 이 질문은 실제로는 유도성 질문이다.

원료 물성표에 명시된 용융흐름지수(MFI)는 전단박화 현상을 고려하지 않기 때문에 원료의 점도 수준에 대해 그리 신뢰할 수 있는 지표가 못 된다. 전단박화는 원료 주입 중 마찰열로 인해 원료의 점성이 낮아지는 현상을 가리킨다. 이 때문에 10 MFI의 폴리에틸렌은 동일한 10 MFI 등급의 폴리카보네이트와 같은 방식의 유동을 보이지 않을 수 있다.

다행히도 게이트, 러너, 스프루 크기의 초기 근사값을 얻는 데는 원료의 점도를 일반적으로만 파악해도 충분하다. 특정 원료의 점도 수준에 대해 보다 정확한 정보가 필요하다면, 실제 가공 현장에서 일하는 이들에게 물어보면 된다.

 

2단계: 게이트 치수 결정

이상적인 게이트 크기는 성형품의 두께나 부피, 가공조건에 따른 원료 점도, 게이트를 통과하는 원료 유량, 게이트에서 충전 종료 지점까지의 유동길이 등 여러 조건에 따라 결정된다.

가장 널리 사용되는 직사각형 엣지 게이트(rectangular edge gate)에 대해 먼저 살펴보자. 여기에는 랩 게이트(lap gate), 끌타입 게이트(chisel gate), 테이퍼 게이트(tapered), 팬 게이트(fan), 필름 게이트(film gate), 커튼 게이트(curtain gate), 링 게이트(ring gate), 디스크 게이트(disk gate), 다이어프램 게이트(diaphragm gate) 등에도 대략 마찬가지로 적용된다. 엣지 게이트에서는 깊이, 너비, 랜드(land) 길이의 세 가지 요소를 결정해야 한다.

게이트 깊이: 이상적 게이트 크기 결정은 많은 변수를 바탕으로 이루어진다. 때문에 게이트 깊이는 극히 중요성이 큰 요소로, 가장 먼저 정해야 하는 치수다. 게이트 깊이는 게이트 내 원료가 동결되는 시점을 결정한다. 게이트 깊이가 너무 낮으면 게이트 동결이 빠르게 진행된다. 그러면 용융원료가 냉각되면서 수축돼 원료가 캐비티로 더 유입되지 못한다.

이렇게 되면 성형품의 패킹(packing), 즉 압축이 불완전하게 이루어져 싱크 마크, 뒤틀림, 기포, 표면마감 불량, 치수 불안정 등을 일으킬 수 있다.

 

게이트 깊이를 먼저 정하라.

게이트가 너무 깊으면 스크류를 후진 시작 전에 게이트 동결이 이루어질 때까지 기다려야 하므로 압축 단계가 필요 이상으로 길어지게 된다. 동결이 되지 않은 채 스크류를 후진시키면 원료가 게이트를 역류해 육중한 러너 안으로 유입되고, 이는 성형품 내에 기포를 발생시킬 수 있다.

따라서 게이트 깊이의 결정은 이 둘 사이의 균형을 잡는 작업이라 할 수 있다. 처음부터 최적점을 찾을 가능성은 매우 희박한데, 안타깝게도 최초에 설정해 높은 값을 그대로 유지해 생산공정 내내 사용하는 경우가 빈번하다.

게이트 깊이는 얕게 놓고 시작하는 것이 최선이다. 게이트는 통과하는 수지 주입 압력이 지나치게 높거나, 성형품에 싱크 마크 또는 태움 자국이 발생하면, 원래 금형강에 손상을 주지 않는 방식으로 조성한 게이트 깊이를 머시닝으로 늘려줄 수 있기 때문이다.

필자는 보통 아크릴 또는 경성 PVC 같은 고점도 또는 전단 민감성이 높은 원료로 가공하기 위해 게이트를 성형품 두께 60~70% 정도 게이트 깊이로 시작한다. 그리고 중간 수준의 용융유량을 지닌 원료인 경우는 성형품 두께의 50~60%, 폴리에틸렌 또는 나일론 등 저점도 전단 민감성이 낮은 원료는 40~50% 수준에서 시작한다.

두꺼운 성형품은 패킹 즉 압축에 더 많은 시간이 필요하기 때문에 얇은 성형품은 더 낮은 비율의 깊이로, 두꺼운 성형품은 높은 비율의 깊이를 주는 것이 좋다. 성형품 크기(실제로는 부피)에 비례해 게이트 깊이를 조절해야 한다는 의견도 있지만, 필자는 그 의견에 동의하지 않는다. 성형품의 부피는 게이트 깊이가 아니라 게이트의 너비 또는 게이트 개수와 관련이 있기 때문이다.

필자는 게이트 깊이가 0.200인치인데 게이트 너비는 0.040에 불과한 형상의 게이트를 사용한 성형품을 본 적이 있다. 사실 이것은 일반적인 엣지 게이트를 90° 회전시켜 놓은 것이었다. 성형품에는 가로로 긴 형태의 자국이 아니라 세로의 직사각형 게이트 자국을 남겼다. 여기서 말하고자 하는 것은, 방향과 관계없이 좁은 치수의 게이트는 게이트 동결 시간에 영향을 주고, 넓은 치수의 게이트는 유동 길이에 영향을 준다는 점이다.

게이트 너비: 게이트 너비는 게이트 깊이의 두 배로 해야 한다는 현장에서 통용되는 오래된 경험칙이 있다. 대체 누가 이런 규칙을 만들어냈는지 알고 싶다. 게이트의 너비는 캐비티까지 유동 길이, 게이트를 통과하는 유량, 게이트를 통과하는 유동속도 그리고 성형품의 부피를 바탕으로 결정해야 한다.

필자는 캐비티에 벤트(vent)를 내는 것과 같은 방식으로 게이트를 생각하는 것을 좋아한다. 벤트의 깊이는 원료 점도에 따라 달라지는 비교적 고정된 값이다. 게이트 깊이도 성형품 두께에 따라 달라지는 비교적 고정된 값이다. 벤트의 너비는 캐비티 내부 에어가 얼마나 신속하게 배출돼야 하는지에 따라 달라진다.

마찬가지로, 게이트 너비는 얼마나 많은 양의 원료가 얼마나 빠른 속도로 주입되는지에 따라 달라진다. 벤트 또는 게이트가 지나치게 좁으면 수지 주입 압력 상승과 성형품의 불완전 충전, 높은 전단 등 여러 가지 문제의 원인이 된다. 

원료가 게이트를 통과해 캐비티로 주입하는 속도의 중요성에 대해 살펴보자. 숙련된 작업자는 수지 주입 속도를 낮추면 전단으로 인한 태움 또는 캐비티 안으로 젯팅(jetting)을 완화할 수 있음을 알고 있다. 사출속도를 줄이면 게이트를 통과하는 원료 속도가 느려질 것이 분명하다. 태움이나 젯팅 문제 발생 시 게이트 깊이를 늘려주어야 한다는 것은 널리 퍼져 있는 오해다.

게이트를 더 깊게 만들면 태움 또는 젯팅 문제를 줄일 수 있는 것은 사실이지만, 게이트 너비를 늘려도 마찬가지 효과를 얻을 수 있다. 게이트 깊이나 게이트 너비를 늘려주면, 유동 영역이 증가한다. 유동 영역이 넓어지면, 게이트를 통과하는 원료 속도가 느려진다. 앞서 언급했듯, 게이트 깊이는 성형품 두께에 따라 결정되는 상대적으로 고정된 값이다.

하지만 게이트 너비는 고정된 값이 아니며 보다 논리적 조정이 가능한 부분이다. 유동 영역을 넓혀주었을 경우의 이점은 전단으로 인한 태움 또는 젯팅 방지를 위해 사출속도를 줄일 필요가 없다는 점으로, 이때 성형품 충전을 위해 오히려 사출속도를 높여야 하는 경우가 많다.

게이트의 면적과 게이트를 통과하는 원료 속도 간의 관계를 더 깊이 살펴보자. 싱글 캐비티 금형에 1차 러너에서 나온 엣지 게이트 하나로 수지를 주입한다고 가정하자. 사출기 배럴은 3인치 직경이고, 초 당 2인치의 속도로 수지를 주입한다고 했을 때 스프루 부싱과 1차 러너 및 게이트를 통과하는 원료의 유량은 초 당 14.1 in.3이 될 것이다.

표 1은 각기 다른 네 개의 게이트 너비를 통과할 때 원료의 속도가 어떻게 달라지는지 보여준다. 네 개의 게이트 깊이는 0.050인치로 동일하지만, 너비는 0.100에서 0.800인치로 각기 다르다. 게이트 1은 오래된 경험칙에 따라 게이트 깊이의 두 배에 해당하는 게이트 너비를 지니고 있음에 유의하라.

이 경우 원료는 161mph(시간당 마일)의 속도로 게이트를 통과한다. 이 속도라면 원료가 전단 민감도가 높은 경우 태움 문제가 발생할 수 있다. 게이트 폭을 두 배로 늘릴 때마다 게이트를 통과하는 원료 속도가 절반으로 줄어든다. 또한 캐비티로 들어가는 원료 유량 또는 부피는 게이트 면적에 상관없이 변하지 않는다. 다만 속도가 달라질 뿐이다.

게이트가 남기는 자국 크기와 러너를 잘라내야 하는 번거로움을 제외하고는, 게이트를 필요보다 더 넓게 해도 일반적으로 별문제 없다. 게이트의 너비를 크게 했을 때, 한 가지 장점은 게이트 면적이 넓어져 게이트를 통해 원료를 밀어내는 데 필요한 압력이 줄어든다는 것이다.

하지만 모든 규칙에는 한 가지 이상의 예외가 존재하는 경우가 있다. 예를 들어, 게이트 너비가 너무 넓으면 게이트를 통과하는 원료 속도가 지나치게 느려서 성형품 패킹 즉 압축이 완료되기에 앞서 게이트 동결이 시작될 수 있다. 이런 상황은 두꺼운 성형품을 충전하는 깊이가 깊은 게이트에서는 거의 발생하지 않지만, 얇은 성형품을 매우 넓은 너비 게이트로 충전할 때는 흔히 발생한다. 이는 팬 게이트, 필름 게이트, 커튼 게이트, 링 게이트, 디스크 게이트, 다이어프램 게이트 등에서도 마찬가지다.

예를 들어, 5인치 직경의 원통형 성형품을 내부 디스크 게이트로 사출한다고 해보자. 5인치 직경의 원통 성형품은 둘레가 15.7인치다. 이때 이 게이트는 “넓은” 게이트가 된다. 게이트 깊이가 0.050인 이전 사례에서는 이 링 게이트를 통과하는 수지 유동속도는 1mph에 불과하다. 그렇기 때문에 이러한 유형의 게이트에서는 너무 빠른 동결을 방지하기 위해 통상적인 예상치보다 게이트 깊이를 깊게 해주어야 하는 경우가 많다.

이번에는 캐비티가 여럿인 금형인 경우에서는 어떤지 살펴보고 스프루 부싱을 통과하는 유량이 초 당 14.1 in.3였던 앞의 사례와 비교해 보자.

스프루 부싱을 통과하는 원료 유량은 수지가 1차 러너에서 두 갈래로 나뉘어 공급되면서 반으로 줄어든다. 이렇게 절반이 된 유량은 2차 러너에서 뻗어 나온 가지들에서 또다시 반으로 나뉘고, 3차에서 다시 절반으로, 4차, 5차에서도 마찬가지로 반복적으로 절반씩 줄어든다. 때문에 게이트에 다다를 때 즈음에는 체적 유량(volumetric flow rate)이 극히 작아질 수 있다.

표 2는 캐비티 수에 따른 유량과 유동속도 변화를 예를 들어 보여주고 있다. 여기서 강조하고자 하는 점은, 만약 초 당 14.1 in.3 유량의 원료를 금형에 주입한다고 할 때, 원료가 동일한 다중 캐비티 금형의 캐비티 각각에 초 당 14.1 in.3의 동일한 유량으로 들어간다고 생각해선 안된다는 사실이다. 실제로 32캐비티 금형을 사례로 든 초 당 14.1 in.3의 유량은 초 당 0.45 in.3까지 떨어진다. 캐비티 개수와 스크류에 맞는 바람직한 원료 유량 사이에는 직접적인 상관관계가 있다.

이것을 강조해 언급하는 또 다른 이유는 금형에 문제가 있어 캐비티 한두 개를 차단해야 하는 경우 어떤 상황이 발생하는지 보여주기 위한 것이다. 샷 크기를 변경하는 것만으로는 충분치 않다. 차단하지 않고 열어 둔 캐비티로 유입되는 원료 속도와 유량이 증가했기 때문에 사출속도를 줄여야 할 수도 있다. 그로 인해 원료 점도가 감소되기 때문이다.

그렇다면, 엣지 게이트 너비는 어느 정도가 적당할까? 변수가 너무 많기 때문에 적당한 게이트 너비를 잘라 말하기란 불가능하지만 적절한 게이트 너비를 정하는 데는 유동 분석 프로그램이 매우 유용한 도구가 된다. 또한 초기 금형 시험가동 과정에서 압력 손실 폭을 따져 게이트 너비가 충분한지 여부를 결정할 수 있다.

벽에 박는 폴리프로필렌 소재의 나사못 앵커와 같이 작고, 얇은 성형품을 만들 때는, 게이트 너비를 게이트 깊이와 동일하게 할 수도 있다. 경험칙에서 뭐라고 하든, 그 이상 넓게 만들 필요가 전혀 없다. 이와는 반대로, 필자가 젊었을 때 숙련된 작업자가 16×24인치 크기의 아크릴 패널 성형을 위해 24인치 너비의 엣지 게이트를 사용하는 것을 본 적이 있다. 이런 게이트를 “커튼” 게이트라고 하는데, 기술적으로 보자면 너비가 극단적으로 넓은 엣지 게이트의 일종이라 할 수 있다.

한 업계 전문가는 다음의 수식을 사용해 초기 게이트 너비 근사값을 구하라고 권하고 있다.

W=n×(√A)÷30

여기서 W는 인치 단위의 게이트 너비이며, n은 원료 상수이고, A는 평방인치 단위 캐비티의 표면적이다(투영면적이 아님에 유의). 원료 상수 n은 PE 또는 PS 같은 자유 유동 원료는 0.6, 아세탈 또는 PP나 그보다 점성이 약간 높은 원료인 경우는 0.7, 셀룰로오스 아세테이트 같이 점성이 더 높은 원료는 0.8, 경성 PVC와 같이 매우 점성이 높은 원료는 0.9로 잡는다.

예를 들어 치수 10×5×2인치의 상자 뚜껑을 만든다고 가정했을 때 성형품의 두께는 0.100인치이고, 원료는 PVC인 경우 이 뚜껑의 표면적은=(2×10×2)+(2×5×2)+(10×5)=110 평방인치다. 따라서 적정 게이트 너비는 W=0.9×(√110)÷30=0.314인치가 된다.

필자는 이 공식이 약간 보수적인 쪽이라고 생각한다. 다시 말해, 이 게이트 너비 계산 방식을 쓰면 통상 필자가 적합하다고 여기는 것보다는 조금 더 넓은 값이 나온다는 뜻이다. 그럼에도 불구하고, 이 공식이 적정 게이트 너비라고 여겨지는 것은 훌륭한 타당성 점검 수단이며, 근거가 불분명한 낡은 경험칙에 비해 100배는 더 정확하기 때문이다.

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