사출성형 기초 지식 1

사출성형 공정의 특징

1) 플라스틱 가공법 중 가장 많이 사용되는 가공법의 하나이다. (압출성형, 사출성형, 블로우성형 등)
2) 다양한 입체 형상을 가공할 수 있기 때문에 자동차 산업에 폭 넓게 적용된다.
3) 1872년 처음으로 셀루로이드 성형을 위한 성형법으로 발전되기 시작하였다.
4) 1930년대 말부터 유압을 사용하면서 급격한 발전을 이루었다.
5) 1950년대에 발명된 스크루 용융 방식이 적용되면서 현재는 거의 대부분 스크루 방식의 사출기가 사용되고 있다.

 

사출성형 공정의 장점

1) 생산성이 높다.
2) 큰 부피의 성형품이 가능하다.
3) 자동화가 가능하다.
4) 대부분 성형품은 마무리 작업이 필요 없다.
5) 자유로운 형상을 만들 수 있다.
6) 성형품에 다른 재료를 인서트하여 가공할 수 있다.
7) 수지에 보강재(유리섬유 등)를 혼합하여 기계적 성질을 증가 시킬 수 있다.

 

사출성형의 단점

1) 금형 가격이 높다.
2) 사출성형기 및 부대 장치의 가격이 높다.
3) 성형품의 품질을 빠르게 결정할 수 없다.
4) 성형과정의 기본 지식을 모르면 문제를 야기시킬 수 있다.
5) 사출 성형 과정을 잘 제어할 수 없다.

 

사출성형 사이클

1) 수지가 고체 상태에서 용융 상태로 만들어져 높은 압력으로 찬 금형을 채우고 들어간 후 다시 고체로 식어서 금형에서 빠져 나오는 과정이다.
2) 고체 → 액체 → 고체의 변환과정을 거친다.
3) 고체에서 액체로 변할 때 팽창한다.
4) 액체에서 고체로 변할 때 수축한다.
5) 금속보다 팽창과 수축하는 폭이 매우 크다.
6) 금형의 체적은 일정하게 변하지 않는다.
7) 고체/액체 변환과정과 유동현상이 복합적으로 일어나면서 금형의 충전과 보압과정이 즉각적으로 이해하기 어려운 복잡한 현상이 발생한다.

 

사출성형 공정 단계

1) 충전 단계 : 금형에 재료를 채운다.
2) 보압 단계 : 수축으로 인한 공간에 재료를 보충한다.
3) 냉각 단계, 가소화 단계 : 적정 온도까지 냉각한다. 냉각되는 동안 가소화를 진행한다.
4) 방출 단계 : 금형을 열고 성형품을 꺼낸다.

 

충전 단계 특징

1) 스크루 앞 부분에 모여 있던 용융 수지는 강한 압력에 의해 빠른 속도로 금형으로 사출된다.
2) 수지는 스프루, 런너, 게이트를 거쳐 캐비티로 들어간다.
3) 수지는 충전과 동시에 금형 벽면에서 냉각이 시작된다.
4) 충전 과정 중 스크루는 속도와 위치가 제어된다.

 

보압 단계 특징

1) 캐비티가 충전되고 나면 냉각으로 인한 재료의 수축이 발생한다.
2) 재료의 수축으로 두께 중심부에 발생되는 공간에 새로운 재료를 보충하여 주기 위해 압력을 높여 재료를 밀어 넣는다.
3) 게이트가 고화되어 더 이상 압력이 전달되지 않을 때까지 압력을 유지한다.
4) 보압 과정 중 스크루는 압력을 유지할 수 있도록 제어 된다.

 

가소화 단계 특징

1) 스크루가 회전하면서 재료를 전진시키고 용융시킨다.
2) 냉각 과정이 시작되면서 바로 같이 진행된다.
3) 스크루 첫 단계에서 고체 상태의 수지가 스크루 펌프의 원리로 전진한다.
4) 두번째 단계에서 스크루 채널에 의해 수지는 배럴 벽면에 문질러 지고 벽면으로부터 전달된 열에 의해 녹기 시작하며 좁아지는 채널에 의해 가압이 된다.
5) 세번째 단계에서 충분히 녹은 수지는 역류 방지 링을 넘어 스크루 앞 부분에 모이며, 이 때 수지의 압력은 스크루를 뒤로 민다.

 

냉각 단계 특징

1) 게이트가 고화되어 압력이 전달되지 못하면 압력을 제거한다. 사실상의 냉각은 충전과 함께 시작하지만 압력이 제거되는 때부터 냉각 과정이라고 부른다.
2) 금형 내부에 설치된 냉각관을 흐르는 냉각수로 열전달이 일어나며 성형품은 금형 온도로 냉각된다.
3) 냉각 과정이 전체 사출 과정 중 가장 긴 시간을 차지한다.
4) 냉각 과정과 동시에 가소화 과정이 시작된다.

 

방출 단계 특징

1) 금형 온도까지 냉각되어 굳어진 수지는 금형에서 빼내어도 좋을 기계적 강도를 얻는다.
2) 성형품의 방출을 위해서 금형을 연다.
3) 적절하게 금형이 열렸을 때, 핀, 플레이트 또는 압축 공기를 이용하여 금형에서 성형품을 밀어 낸다.
4) 금형 내에 남아 있는 수지가 없도록 하여 다음 사출 공정을 시작하기 위해 금형을 닫는다.

 

역류 방지 밸브 (Ring, Ball)

사출 후 수지가 계량 부족으로 역류하는 것을 방지하기 위해 스크루 앞부분에 역류 방지 장치를 한다. 마모에 유의해야 하며, PVC와 같은 열경화성 수지는 역류 방지 밸브가 없는 것도 사용된다.

역류 방지 밸브 구조

 

역류 방지 밸브 종류

 

공정조건 설정 원리

1) 가소화 과정 : 스크루 회전수, 성형온도, 배럴 히터 온도
2) 충전 과정 : 사출속도, 사출 속도 변경 위치 
3) 보압 과정 : 보압 시간, 보압 크기
4) 냉각과정 : 냉각 시간

 

가소화 과정

1) 고체 → 액체 상태로 변화
2) 수지는 열전달이 매우 안되는 재료
3) 녹이기가 무척 어려운 재료
4) 마찰열이 매우 높게 발생하는 재료
5) 마찰열을 이용하여 녹이는 방법을 개발
6) 스크루의 구조가 이와 같은 원리를 적용하도록 만들어져 있음
7) 수지마다 적절한 마찰열을 낼 수 있는 속도 범위가 있음

 

사출성형기 스크루 특징

1) 수지를 용융 시키고 노즐을 통해 수지를 금형 내로 보내는 역할을 한다. 가소화 스크루는 공급부, 압축부, 계량부로 나누어지며, 중요한 인자는 L/d 비와 압축비이다.
2) L/d비: 스크루의 길이를 직경 값으로 나눈 값이다. 일반적으로 L/d 비는 12:1에서 30:1을 사용하고, 길수록 가열이 쉽고 혼합을 잘 시킬 수 있다.
3) 압축비 (h2/h1) : 열가소성 수지는 2:1에서 3.5:1을 사용하고 열경화성 스크루는 아주 작거나 없다.

 

스크루의 영역 구분

1) 공급부(Feed Zone)

   - Hopper로부터 수지를 공급받는 부분을 말한다.
2) 압축부(Compression Zone)

   - 공급부에서 가열되어 유동화된 수지는 이 부분을 통과하면서 압축되어 완전히 용융된다. 수지의 용융 온도를 균일화 시킨다.
3) 계량부(Metering Zone)

   - 완전히 용융된 수지를 성형품에 따라 계량하여 금형의 입구로 보내 주는 역할을 한다.

 

스크루의 수지 용융 원리

배럴 벽면에 문질러지면서 스크루 벽을 타고 전진

스크루의 수지 용융 원리

→ 마찰열은 선속도에 의하여 결정

 

스크루 채널 내부의 수지

1) 배럴 외벽에 설치된 히터에 의해 열이 수지에 전달되며 부드러워진다.
2) 스크루에 의해 수지는 배럴 내벽면에 문질러지며 마찰열을 일으키며, 온도가 올라가 녹는다.
3) 녹은 수지는 배럴 내벽을 타고 압력에 의해 채널 앞부분에 모인다.

 

스크루 채널 내부의 수지

 

스크루 회전 속도 결정

스크루 회전 속도 결정

 

회전수 결정의 원리

1) 반결정성 수지
   - 용융점에서 잠열 때문에 많은 열량이 필요함
2) 높은 속도로 마찰을 일으켜야 쉽게 녹음
   - 비결정성 수지
3) 용융점이 없어 상대적으로 적은 열량이 필요함
   - 낮은 속도로 마찰을 일으켜도 쉽게 녹음
4) 박막성형용 수지
   - 점도를 최대한 낮추기 위해 높은 온도로 만들기 위해서 높은 속도로 마찰할 필요함

 

성형온도 결정

1) 대부분 수지 공급업체에서 제공하는 물성표를 이용함
2) 반결정성 수지
   - 용융점보다 약 50 – 70 도 높은 온도
3) 비결정성 수지
   - 유리천이온도보다 약 70 – 90 도 높은 온도
   - 점도가 높으면 성형온도를 높여 점도를 낮춤
4) 낮은 점도가 필요한 경우 성형온도를 높임
   - 수지 유동길이가 긴 경우, 살두께가 작은 경우

 

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