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사출성형기 실린더와 금형 캐비티의 실시간 모니터링을 이용한 사출 성형 공정 비교 분석10

by 뭉형 2022. 7. 13.

자동차 분야에서 발전은 자동차에서 소요되는 플라스틱 양의 증가와 함께 진행되어 왔다. 자동차의 측면 창, 후면 창이나 대면적 선루프(sunroof) 등에 유리를 대체하여 폴리카보네이트로 성형하는 것은 아직 완성되지 않았지만, 향후에 분명히 발전하게 될 기술이다. 새롭게 개발되는 자동차 모듈들은 대면적 플라스틱 글레이징(glazing)으로 장착될 것이다. 이러한 기술의 장점은 무엇보다도 중량 절감에 있다. 유리를 폴리카보네이트로 대체할 경우 글레이징의 중량은 50%까지 감소된다. 그리고 중량 절감은 연료 소모량을 줄이고 운전 성능을 향상하는데 도움을 준다. 왜냐하면 더 가벼워진 창들은 자동차의 무게 중심을 아래쪽으로 이동시키기 때문이다. 게다가 유리와 비교하여 더 커진 설계 자유도는 경쟁이 심한 시장에서 차별화 가능성을 높여준다. 플라스틱 글레이징을 후면 창에 적용하게 되면 사각(dead angle)을 줄이거나 또는 완전히 제거할 수도 있으며, 결국에는 안전성을 높이는 효과를 준다. 제조 관점에서 볼 때, 플라스틱 글레이징은 사출성형과 관련된 모든 가능성의 영역을 열어놓아, 인서트 사출 성형에서부터 장식 필름 또는 기능성 필름의 인몰드 라미네이팅 등의 기술 및 오버몰딩 등의 기술 적용을 가능하게 하였다.

폴리카보네이트 소재로 성형된 자동차 글레이징은 가능한 최소의 잔류 응력을 가져야 한다. 하지만 일반적인 사출성형을 적용할 경우, 불균일하고 매우 심한 냉각에 의해 용융 수지가 사출 되는 동안 수지의 내부에 내부 응력과 배향(orientation)이 형성되게 된다. 따라서 일반적인 사출성형 공법은 4mm 두께에 1m의 유동거리를 갖는 대면적 자동차 글레이징에 적용하기에는 한계가 있다. 결국 이러한 이유로 자동차 선루프(sunroof) 모듈을 성형하는데 사출-압축 공법을 사용하게 된다. 사출-압축 성형에서는, 캐비티를 약간 열어 놓은 상태에서 용융 수지를 사출 하며, 이로 인해 충진 과정 동안 압력과 속도 구배를 상당히 감소시킬 수 있다. 또한 상당히 낮은 압력으로 최종적으로 용융 수지를 캐비티에 충진 시키고 금형을 닫으면서 용융 수지의 열수축을 보상할 수 있다. 사출 압축 성형에서는 사출성형과 비교하여 더 낮은 형체력이 요구된다. 결과적으로 사출 압축 방법으로 제품을 성형하게 되면 더 낮은 용량의 기계로도 충분할 수 있다. 아울러 부수적으로 1.2㎡의 면적을 갖는 글레이징을 생산하는데, 기기 투자 비용이 낮아지게 된다. 반면에 사출성형으로 이 크고 투명한 글레이징 제품을 성형할 수 있다 하더라도, 몰드플로우 성형해석 결과에 따르면, 체적 충진 과정 동안은 두 배의 형체력이 필요하게 되고, 압축과 보압 과정 동안 형체력은 70,000 kN까지 증가된다. 하지만 사출 압축 성형에서는 최대 15,000 kN의 형체력만 요구될 뿐이다. 수지의 유동 관점에서는 센터 게이트가 이상적이지만, 광학적인 이유로 자동차 글레이징의 성형에는 적용하기 어렵다. 글레이징 제품에는 반드시 에지 게이트, 예를 들면 필름 게이트가 적합하다. 하지만 에지 게이트를 적용하게 되면 캐비티가 완전히 비대칭적인 개방력(opening force)이 금형에 작용하게 된다. 비대칭적인 개방력은 이동 측 금형과 기계의 형판을 뒤틀리게 하고 이로 인해 금형에 손상을 주게 된다. 일반적인 성형 가이드로는 대면적 제품의 비대칭 충진으로 발생되는 커다란 토크 문제를 해결하는데 부족하다. 비대칭적인 개방력 문제에 대한 해결책으로 4개의 타이바(tiebar)에 개별적으로 유압을 가하여 평판의 평형을 제어하는 (platen parallelism control) 기술이 도입되었다. 이러한 기술을 통하여 공정 중에 평판의 평형에 편차가 발생하면 피드백 제어를 통해 지속적으로 보정하게 된다.

자동차 글레이징을 개발하면서 사출 속도, 압축 행정량, 압축 속도 등의 성형 인자가 제품 품질에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 체계적인 연구가 진행되었다. 사출 압축 실험을 위해 두께 4mm의 사각 평판 캐비티를 사용하였고, 수지는 Bayer사의 PC (Makrolon 2607)을 사용하였다. 앞서 언급된 바와 같이 투명한 글레이징 제품에는 게이트가 눈에 보이는 제품 표면에 위치할 수 없기 때문에 여기서는 두 개의 니들 셧오프 노즐(needle shutoff nozzle, valve gate) 중 하나만 사용되었다. 캐비티가 충진 되는 동안 실제 자동차 선루프의 성형에서처럼 비대칭적인 하중이 금형과 기계에 작용하였다. 본 실험의 목적은 캐비티 내압과 제품에 형성된 내부 응력(mold-in stress)을 살펴보고, 이 결과를 일반적인 사출성형으로 성형된 결과와 비교하는 것이다. 이러한 목적을 위해서 여러 개의 압력 센서를 게이트로부터 다양한 위치에 설치하였다. 서로 다른 공정 변수에 따라 영향을 받으며 사출 압축 성형이 진행되면 각각의 공정 단계 동안 캐비티 내압이 형성된다. 충진 과정 동안에는 압력은 충진 정도가 증가하면서 함께 증가되어 충진이 완료될 시점에 국부적인 최댓값(local mximum)에 도달한다. 속도 제어를 통한 압축 과정(velocity-controlled compression phase) 동안에는 금형이 닫히면서 용융 수지는 캐비티 말단까지 이동하게 되어 마침내 게이트에서 가장 먼 곳에 위치한 압력 센서에서도 압력 증가를 감지하게 된다. 하중 제어에 의한 2차 압축 과정(force-controlled second-stage compression phase)에서는 제품 내 다양한 위치에서 모니터링된 압력들은 거의 균일한 상태에 도달한다. 일반적인 사출 성형에서는 보압은 유동 경로를 따라 게이트에서 유동 말단까지 가면서 압력 강하(pressure drop)가 나타나지만, 사출-압축 성형의 경우에는 제품 전체의 투영 면적(projected area)에서 균일한 크기로 열수축을 보상하기 위한 압력이 가해진다. 최종적인 압력의 크기는 압축 과정에 작용한 하중이나 제품의 투영 면적에 따라 달라진다. 충진 과정 완료 시 나타나는 압력의 최댓값은 두 가지 변수에 의해 결정된다. 캐비티 내압을 줄이기 위해서는 짧은 사출 시간과 적당한 압축 행정량이 요구된다. 압축 행정량을 4mm (참고로 제품의 두께는 4mm임) 보다 크게 하면 압력 감소의 측면에서 별다른 개선은 없다.

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