[스크랩] 사출금형 설계의 노하우

※ 사출금형 설계의 노하우 최근 전자 및 기계 기술의 고도화가 급격히 진행됨에 따라 금형설계 기술에 있어서도 다양화가 요구되어 고품질,고정밀도의 금형과 유연성 있는 소량 다품종의 금형을 단기간 내에 저렴하게 제작,납품해야만 한다. 본고는 이와 같은 요구에 부응하는 동시에 사출금형 설계자가 유용하게 활용할 수 있도록 유럽 및 미국의 금형 설계 기법을 중심으로 사출 금형 설계의 노하우를 정리 소개한다. 캐비티 배열 (1)일반 요건 캐비티 수가 결정된 뒤에는 캐비티를 금형에 가능한 합리적으로 배치해야 한다.현대적인 사출 성형계에서는 보통 배럴이 고정 플랜트의 중심축에 위치한다.이것은 곧 스프루의 위치가 결정된다는 것을 뜻한다. 캐비티는 아래의조건을 만족시킬 수 있도록 배치해야 한다. ·모든 캐비티는 동시에 같은 온도로 용융 재료가 채워져야 한다. ·스크랩을 최소로 하기 위해 유동 길이는 짧게 한다. ·하나의 캐비티에서 다른 캐비티간의 거리는 충분히 크게 하여 냉각관과 이젝터 핀을 설치할 공간을 마련하고 사출 압력에 견딜 수 있기 위해 적절한 단면을 갖도록 한다. ※ 캐비티 배열의 비교 ① 환 상 배 열 ▷ 장점 모든 캐비티까지의 유동 길이가 같고 나사 풀기 장치가 필요한 부품에 대해서 특히 디몰딩이 용이하다 ▷ 단점 캐비티 수에 한계가 있다 ② 직열배열 ▷ 장점 환상 배열에 비해 공간이 크다 ▷ 단점 각 캐비티까지의 유동 길이가 같지 않고,채널 직경을 교정(MOLDFLOW,CADMOLD 등과 같은 컴퓨터 프로그램을 사용하여)할 때만 균일한 충전이 가능하다 ③ 대칭배열 ▷ 장점 게이트의 교정 없이도 모든 캐비티까지의 유동 길이가 같다 ▷ 단점 러너 체적이 크고 스크랩이 많으며 응용 재료가 빨리 냉각되는데,해결을 위해서는 가열 매니폴드나 단열러너를 사용해야 한다. (2) 금형에서 힘의 평형 만일 캐비티가 중심의 스프루에 대해서 편심이 되게 놓이면 금형과 클램핑 장치에 작용하는 힘이 균형을 이루지 못한다. 금형은 대개 한 방향으로 힘이 작용한다. 그 결과 플래시 및 타 이 바가 파괴될 수 있다.한 번 플래시가 생긴 금형은 밀폐면이 손상되므로 계속해서 플래시가 발생한다. 따라서 설계의 제 1원칙은 모든 반력의 합력(사출 압력)과 모든 클램핑력의 합력은 스프루 중심에 작용해야 한다. 복잡한 금형에서는 무게의 중심을 결정해서 캐비티 위치를 결정해야 한다. 무게의 중심은 다음 식으로 계산할 수 있다. xm = Σ(Ai \ xi ) =­­­­­­­­­…………………………………식(1) 여기서,Ai :부품의 조사 대상 부분 면적 xi : 주축으로부터 각 부분의 무게 중심까지 거리 한편,금형의 선택과 각종 처리 과정에서는 클램핑력이 중심부에 작용하도록 해야 한다. (4)분리선의 수 부품과 러너는 금형이 열릴 때 분리선을 통해서 평면에 놓이게 된다. 표준 금형은 하나의 분리선이 있다.부품과 러너가 함께 디몰딩된다.만일 러너가 다중 캐비티 금형이나 다중 게이트 금형에서와 같이 부품으로부터 자동으로 분리된다면 러너 장치에 또 하나의 분리선이 필요하다 (터널 게이트는 예외).또한 스택 금형에서는 몇 개의 분리선이 더 필요하다. 금형의 종류에 따른 분리선의 수는 다음과 같다 ① 1분리선 ·표준 금형 ·슬라이드 금형 ·스플릿 캐비티 금형 ·나사를 사용하지 않는 금형 ② 복수 분리선 ·3판 금형 ·스택 금형 ·단열 러너 금형 ③ 분리선의 수에 영향을 미치는 요소 ·부품 형상 ·캐비티 수 ·러너 장치 및 게이트 ·디몰딩 장치 2. 러너의 설계 러너의 개요 러너 배럴로부터 들어온 용융 플라스틱 재료를 금형의 캐비티까지 안내하는 역할을 한다.러너형상, 치수 및 성형품과의 연결 방식은 금형 충전에 영향을 미치며 제품의 품질에 큰 영향을 미친다.경제적인 측면에서만 설계를 하면(급속한 냉각과 짧은 사이클)대개의 경우 품질이 떨어진다. 러너는 보통 몇 개의 부품으로 되어 있으며(특히 다중 캐비티 금형에서)러너장치는 스프루, 러너(1차 및 2차),게이트로 구성된다. 스프루는 배럴로부터 용융 플라스틱을 받아서 그것에 수직을 이루는 면까지 분리선을 따라 안내한다. 자주 단일 캐비티 금형은 스프루만을 설치하며 이것을 스프루 게이트라 한다. 러너의 주된 목적은 다중 캐비티 금형에서 같은 조건(동일 온도 및 압력)으로 동시에 모든 캐비티에 재료를 충전하는 것이다. 게이트는 러너에서 캐비티까지의 통로를 형성하며 성형품을 러너로부터 깨끗이 분리하려면 랜드를 특히 얇게 해야한다. 랜드는 러너 벽에서 형성된 고화면이 캐비티에 흘러 들어가는 것을 막는다. 스프루 부시 스프루는 러너의 첫째 요소로서 단일 캐비티 금형은 예외이며 스프루가 전체를 이룬다.금형이 닫히고 기계의 노즐이 금형을 향해서 통로를 뚫고 가압되면 재료는 배럴에서 스프루로 직접 흘러간다.이 과정은 금형에 대해 매우 큰 하중을 가하게 되면 최대 하중이 스프루 부시에 작용하기 때문에 부시는 보통 담금질강으로 제작하여 금형에 삽입하여 손상을 입거나 마모될 때 쉽게 교환할 수 있도록 한다. 접촉면은 밀폐면으로 대단히 중요하며 평면 또는 곡면으로 접촉한다. 평면은 실제적으로 거의 사용되지 않는데, 이유는 높은 밀폐 압력이 필요하기 때문이다. 반면 가열 러너 금형에서는 사용되는데,이것은 열팽창으로부터 측면이동이 허용되기 때문이다. 대부분의 경우에는 곡면 접촉이 사용되며 약간 기운 구면을 스프루 부시에 가공하여 구면의 노즐이 여기에 접하게 한다. 구면 접촉면의 치수를 결정하기 위해서는 다음과 같은 관계식을 사용한다. RD ＋1 RA (mm)……………………………식(2) dN ＋1 ds (mm)………………………………식(3) RD 는 노즐팁의 구면 반경, RA 는 스프루 부시의 곡면 반경,dN 은 노즐의 오리피스 직경이고,ds 는 스프루 부시의 오리피스 직경이다. 만일 이러한 조건에 맞지 않으면 언더컷이 발생하여 고화 후에 노즐 또는 스프루의 디몰딩이 밀폐되는 것을 어렵게 한다. 그러나 노줄팁의 표준 공차를 R -0.010 정도로 하면 앞에서 언급한 조건을 만족시킬 수 있다. 미국에서는 대부분 표준 금형 규격품을 사용하기 때문에 오리피스 직경과 스프루 부시의 직경을 규격화된 몇 종류로 제한한다. 스프루의 치수는 1차적으로 성형품의 치수,특히 그것의 벽 두께에 의해 결정된다. 이때 다음과 같은 점을 고려해야한다. 스프루는 적절한 압력을 유지하기 위해 어느 위치에서나 재료가 응고하지 않아야 한다.또한 쉽게 디몰딩되어야 한다. 이러한 조건은 그림 9와 같은 결과를 가져온다. 반경 r 2 는 스프루의 뿌리에서부터 주어서 스프루와 성형품 사이에 날카로운 모서리가 없도록 하고(단일 캐비티 금형)재료의 흐름을 원만하게 한다.밀폐를 위해서 즐을 스프루 부시에 밀착시키면 여러 종류의 하중이 작용하게 된다. 스프루부시에는 1차적으로 반복 휨 모멘트가 작용하므로 부시의 플랜지 직경 D1을 너무 크게 하지 않아야 한다. 원통부 의 직경 D 도 부시와 금형 사이의 온도차를 최소로 줄이기 위해 작게 잡는다.스프루 부시는 고정측 금형의 온도를 일정하지 않게 하여 제품이 긁히거나 움푹 패이거나 뒤틀리는 원인이 된다. 강도를 위해서 반경 r1 은 약간 크게 한다. (담금질한 부시의 날카로운 모서리에서의 노치 효과 방지).부시에 작용하는 노즐의 힘에 기인된 어떠한 변형도 길이를 0.2mm 이내로 짧게 하여 보정할 수 있다. 유럽 시장에서는 중간 정도 완성된 스프루 부시를 쉽게구할 수 있고,금형 제작자는 여기에 테이퍼 구멍을 뚫기만 하면 된다.이 구멍의 피니싱 작업에 있어서는 특히 주의를 기울여야 한다.디몰딩 방향에 대해 수직인 방향으로 연삭하거나 폴리싱하면 언더컷 이 발생하여 디몰딩에 대한 저항이 생겨 몰딩 사이클을 저해한다(특히 자동식 작업). 이것을 막기 위해서는 구멍의 폴리싱 질을 높이고 부식이 염려되는 재료에 대해서는 크롬 도금을 해야 한다.이렇게 하면 단일 캐비티 금형의 스프루는 성형품과 함께 디몰딩하여 성형품이 이동측 금형에 달라붙게 된다. 다수의 캐비티에서는 스프루가 러너에 연결되며 특수한 디몰딩 지지구가 필요하다.스프루 풀러를 스프루의 반대쪽에 장치하면 돌출된 꼭지가 스프루를 쥐는 언더컷과 같은 작용을 한다.이와 같은 설계는 냉각 슬러그를 제공하기도 한다. 러너 러너는 게이트를 통해서 스프루와 캐비티를 연결시키며 동시에 모든 캐비티에 재료가 동일 압력으로 충전되도록 하는 역할을 한다.온도 조건에 따라 세 종류로 구분된다. (1)표준 러너 표준 러너는 금형 판에 직접 기계 가공한 것으로 개별로 가열되는 매니폴드에 포함되는 않는다.그러므로 러너의 온도는 금형 전체의 온도와 일치하므로 ‘등온 러너 ’라고 불리는데, 재료가 매 사출 후에 냉각되어 성형품과 함께 분리되어야 한다.이것은 열경화성 재료와 마찬가지로 열가소성 재료에 적합하다. 열경화성 재료 가공에서 생기는 러너는 열가소성 재료와 마찬가지로 열가소성 재료에 적합하다. (2)가열 러너 열가소성 재료에 대한 금형의 가열 러너는 개별적으로 분리되고 가열되는 핫 러너 매니폴드로 특정지을 수 있다. 열가소성 재료의 용융 범위는 180~300 ℃ 정도로 일반 금형의 온도 범위인20~120 ℃보다 매우 높다. 매니폴드는 용융재료를 노즐로부터 캐비티의 게이트까지 열손실 없이 옮겨준다. 일반 러너에 비해 다른 점은 가열 러너에서는 열가소성재료가 액체 상태로 있다는 것이다.따라서 러너에 채워진 재료가 다음 사출을 위해 재용융될 필요가 없다.가열 러너 장치의 문제는 가열 매니폴드가 차가운 금형으로부터 열분리된다는 것이다. (3)냉각 러너 냉각 러너는 열가소성 재료의 금형 작업에서 가열 러너와 같이 열경화성 재료나 고무와 같은 반응 재료의 금형 작업에 적합하다.냉각 러너도 단열 문제가 있으며 열의 이동방향이 반대이다.약 160~180 ℃의 가열 금형에서 러너는 80~120 ℃로 유지되어 러너에서 반응이 너무 빨리 일어나지 않도록 해야 한다. ‘냉각 러너 ’라는 말은 표준 러너와는 다르므로 잘못 사용해서 는 안된다.

출처 : 꿈★은 이루어진다

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