제한 사출 압력 : 사출 성형기에서 사출 속도는 입력 범위가 최대 사출 속도를 기준으로 0~100%까지 사용할 수 있으며, 사출 압력 또한 0~100%까지 사용할 수 있다. 일반적으로 사출성형기에서 설정하는 사출 압력은 사출성형 장비를 보호하기 위해 설정하는 값을 의미한다. 사출 압력 설정이 없다면, 사출 속도에 의해서 발생되는 유동 저항으로 사출성형기 스크루 선단부에는 높은 압력이 작용하게 되고, 이로 인하여 스크루 파손 및 사출성형 장비에 악역향을 미치게 된다. 따라서 사출 압력의 설정을 통하여 스크루 선단부에 작용하는 압력이 설정된 값에 도달하게 되면 스크루 및 사출성형 장비 보호를 위해서 성형 제어 방식을 사출 속도 제어에서 압력 제어 방식으로 변환하도록 하는 기능이다. 그러나 현재 대부분의 성형 기술자들은 사출 압력의 기능을 성형 제어 인자로 오인하고 있는 실정이다. 따라서 사출 압력 설정에 따른 성형 특성에 대해서 알아보았다.
사출 성형 제품의 품질에 대한 중용성이 증가하고 있다. 그에 따라 최적의 사출조건을 찾으려는 노력도 많이 하고 있는 상황이다. 최적 사출조건을 찾는 방법 중에서 현재 가장 많이 사용하는 방법은 실험 계획법을 이용한 방법으로 공정조건과 제품 품질과의 관계를 실험계획법으로 찾아서 최적 조건을 찾는 방법이다. 그러나 실험계획법을 적용하여 실험을 진행할 때 공정 변수 설정에 문제가 있다는 것을 지적할 수 있다. 공정과 관련된 수많은 변수들이 공정 변수로 분류될 수 있고, 또 많은 실험에서 이와 같이 다양한 공정 변수의 설정이 무분별하게 이루어지고 있다. 공정 변수를 사출성형기 제어반에서 설정할 수 있는 기계 변수와 실제 수지의 변화와 직접적인 관련을 가진 재료 변수로 나누어 볼 수 있다. 기계 변수는 스크루 회전 속도부터 시작해서 냉각 시간까지 사출기에서 설정이 가능한 모든 변수라고 할 수 있고, 재료 변수는 재료와 관련된 변수라고 정의할 수 있다. 금형 내부의 수지의 상태와 직접적인 관련을 가지는 재료 변수로는 수지 온도, 수지 압력, 수지 선단 속도 등을 들 수 있다. 제품의 품질이 균일하기 위해서는 재료 변수가 균일하여야 할 것이다. 하지만 재료 변수는 사출성형기에서 쉽게 설정될 수 없으며 측정도 어렵다. 따라서 균일하고 정확한 재료 변수의 확인을 위해서는 금형 내부의 압력과 온도 등을 측정하여 이를 기준으로 상태를 판단하여야 할 필요성이 있다. 사출 성형 실험에서 제어 변수로서 조절하는 것은 재료 변수가 아니라 기계 변수이다. 기계 변수 또한 모든 기계 변수를 독립적으로 조절할 수 있는 것은 아니다. 기계 변수는 독립변수, 종속변수 그리고 제한 변수로 분류할 수 있다. 공정 최적화 실험을 위한 제어 변수로는 기계 변수 중 독립변수로 분류된 것만이 채택될 수 있으며, 종속변수와 제한 변수를 정확하게 찾기 위해서도 사출성형기와 금형 내부의 압력과 온도를 정확하게 측정할 필요가 있다.
공정 변수의 구분
| Machine variables | Material variables | |
| Independent variables | Nozzle temperature | Resin temperature |
| Injection velocity | ||
| Coolant temperature | ||
| Hold pressure | Melt front speed | |
| Cooling time | ||
| Dependent variables | Switch-over time | |
| Hold pressure time | Resin pressure | |
| Constraint variables | Injection pressure | |
| Hold pressure velocity | ||
사각 상자 형상의 제품을 대상으로 사출성형기와 금형 내부 상태를 정확하게 측정하여주는 공정 모니터링 시스템을 적용하여 공정 최적화 실험을 진행하였다. 기계 변수 중에서 제품 품질에 영향이 크다고 알려진 노즐 온도, 사출 속도 보압 크기를 제어 변수로 사용하였고, 관리 치수로는 사각 상자 형상 제품에서 중요하게 여겨지는 중량과 벽면 휨 변형을 선택하였다. 최적화를 위한 방법으로는 실험계획법 중 반응표면 분석법을 선택하였다.
제어 변수로서의 사출조건. 1 노즐 온도 : 노즐 온도는 수지의 온도에 영향을 주고 이는 다시 수지 점도에 영향을 준다. 따라서 노즐 온도는 수지의 유동성에 직접적으로 영향을 주는 인자로서 제어 변수로 채택하였다. 2 사출 속도 : 사출 속도는 가능한 빠른 것이 바람직하다고 알려져 있다. 이는 균일한 냉각으로 인한 제품 내부의 잔류 응력을 최소화하고자 함이지만, 지나치게 높은 사출 속도는 제품 내 배향을 증가하고 게이트 등과 같은 제한적인 유로에서 지나치게 높은 전단응력을 발생하여 수지 분자의 열화를 유발할 수 있으므로 적정한 사출 속도의 선정이 중요하다. 불균일한 냉각속도 분포와 배향에 의한 잔류 응력은 제품 변형에 직접적으로 영향을 주는 요소 이기도하다. 3 보압 크기 : 보압은 제품 수축에 가장 큰 영향을 미치는 인자로서 알려져 있다. 보압을 크게 하여 생산한 제품이 그렇지 않은 제품에 비해 수축이 적게 나오지만, 지나친 보압은 게이트 주변과 게이트에서 멀리 떨어진 부위의 잔류 응력을 증가시켜 제품 변형의 원인이 되기도 한다.
종속변수로서의 사출조건. 1 보압 절환 시점 : 보압 절환 시점은 사출성형기가 속도 제어에서 압력 제어로 변환되는 시점이다. 일반적으로 스크루의 위치를 기준으로 정해진다. 원칙적으로 보압 절환은 용융 수지가 금형 충진을 완료하였을 때 이루어져야 한다. 따라서 금형 충진이 완료되는 시점을 찾아야 한다는 점에서 독립적으로 제어가 가능한 변수로 볼 수 없다. 충진 완료 시점은 정확하게 알기 어렵기 때문에 기계 변수를 통한 정확한 설정도 어렵다. 예를 들어 수지 온도가 기준보다 높아진 경우, 수지의 팽창으로 배럴 내부의 수지 체적은 기준보다 커져 있는 상태로서 설정된 스크루 위체에서 보압 절환이 이루어진다면 이미 금형을 다 채운 후에 들어오는 수지로 인하여 금형 내부 압력이 급격하게 증가하여 기분을 초과하는 현상이 발생할 것이다. 이렇게 기준을 초과한 압력 발생은 금형 내부에 과보압을 유발하고 이는 제품에 영향을 주어 내부 잔류 응력을 증가하는 원인이 될 것이다. 이러한 현상은 금형 내부 압력 측정을 통해서 이미 알려진 현상으로서 제품에 악영향을 주고 있다. 이런 점에서 보압 절환 시점은 적정한 수준을 찾아서 설정하여야 하는 종속변수로서의 의미가 강한 변수이다. 2 보압 시간 : 보압 시간은 보압 절환 시점부터 게이트가 고화되어 더 이상 압력이 제품으로 전달될 수 없는 시점까지의 시간으로 정의된다. 게이트가 고화된 후에는 보압에 의해 들어가던 수지가 더 이상 들어갈 수 없다. 냉각되면서 부피가 줄어드는 양만큼 수지를 보충해주는 것이 보압의 의미임을 생각해보면, 게이트가 고화될 때까지 보압 시간을 설정하는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 게이트가 고화되는 시간은 수지에서 금형으로의 열전달 과정에서 결정이 되는 것이므로, 제어되는 변수가 아니다.
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