사출성형에서 유동 시스템

 스프루, 런너 및 게이트는 사출성형에서 유동 주입 시스템의 구성요소로서 대단히 중요한 역할을 한다. 특히 런너 및 게이트의 형태 및 치수는 성형품의 외관, 물성, 치수 정밀도, 성형 사이클 등에 직접적으로 영향을 끼친다. 용융된 사출 원재료는 사출기의 노즐로부터 사출 되어 금형의 스프루를 거쳐 스프루에서 분기된 런너를 지나 게이트를 통과하여 제품 형상인 캐비티에 충진 된다. 충진 되는 과정의 상태를 살펴보면 사출 용액이 스프루, 런너 및 게이트를 통과하는 동안 마찰에 의하여 압력이 저하되면서 금형의 캐비티에 충진 된다. 이와 동시에 용융된 수지는 런너 및 제한된 좁은 게이트를 통과하면서 마찰에 의해 열이 발생하여 일시적으로 수지 온도가 상승되어 캐비티에 주입된다. 이 런너와 게이트는 성형성, 내부 변형, 성형품의 품질에 큰 영향을 미치는 중요한 역할을 하고 있으므로 설계 시에 성형품의 형상, 크기, 수지의 특성 등을 감안하여 타입 및 형상 치수를 결정하고 성형작업 시에 사출조건 및 제품 성형 상태를 감안하여 치수를 조정한다.

 

▶ 스프루(Sprue)

 스프루는 금형의 입구에 위치하며 사출기 노즐의 구멍으로부터 사출 용융된 수지를 런너에 보내는 역할을 하고 있다. 일반적인 형상은 스프루 부싱이 되고 내부 구멍 형상이 스프루 역할을 한다. 이 스프루 부싱은 고정 측 설치판 및 형판에 조립된다. 스프루 부싱은 성형 압력을 받으므로 사출 압력이 클 경우 스프루 부싱을 단으로 가공한 다음, 로케이 트링으로 위에서 누른 상태로 조립하여 스프루 부싱이 이탈되지 않도록 한다. 한편 내부는 스프루 부싱 R부에서 테이퍼로 되어 있는데 이 테이퍼는 클수록 스프루의 빼내기가 용이해진다.

 

▶ 런너

 런너는 용융된 사출 재료가 스프루로부터 게이트로 유동될 수 있는 통로 역할을 한다.

1. 런너 설계 기준

1) 캐비티 수의 배열에 따른다.

2) 런너는 될 수 있는 데로 작게 하고 단면 형상은 진원에 가까운 형상으로 유동 저항을 적게 냉각이 잘 되지 않도록 한다.

3) 굵게 하면 런너 수지량의 증가 및 런너 고화 시간이 길어져 성형 사이클이 저하하므로 설계 시 단면 형상, 크기, 레이아웃에 절대 유의해야 한다.

4) 런너는 압력 전달면에는 최대 단면적으로 해야 하고, 열전도면에서는 외주가 최소가 되어야 한다. 즉 , 압력 손실은 최대한 적게 하고 열은 외부에 최대한 적게 뺏기는 구조로 되어야 한다.

5) 게이트와 런너의 중심은 유동 온도와 압력유지를 위하여 일직선상에 있도록 해야 한다.

6) 2매 구성 금형에서 파팅이 평면일 때는 원형 런너를 사용하고, 그 이외의 3 매구 성 금형이나 파팅이 복잡한 형태일 때는 사다리꼴 또는 반원형을 사용한다.

7) 런너 가공은 원형, 6 각형에서는 형판의 양면에 새기고 사다리꼴 반원형에서는 한쪽면에 새겨야 한다.

2. 런너의 단면 형상 및 치수

 런너의 종류 및 단면 형상은 여러 종류가 있다. 런너는 압력 전달면에서는 최대 단면적이고, 열전 도면에서는 원둘레가 최소로 되어야 한다. 원둘레에 대한 단면적의 비가 런너의 효율을 나타낸다.

 

▶ 게이트(Gate)

 게이트는 용융 수지가 런너를 지나 제품 형상인 캐비티로 충진 될 수 있게 런너의 끝에 위치한 캐비티의 입구이다. 게이트의 위치, 형상, 치수는 성형품의 외관이나 성형성 및 치수 정밀도에 큰 영향을 준다. 즉 게이트는 단지 성형품의 형상만으로 결정하는 것이 아니고 캐비티 내의 용융 수지의 유동 방향, 웰드라인의 생성 위치 등을 생각하여 결정하는데, 게이트가 클 경우는 충진성은 좋으나 게이트에 머무는 시간이 길고, 또 게이트 가공의 마무리 작업이 복잡하다. 그러나 작은 게이트는 그 반대이다. 한편, 게이트의 형상, 치수, 위치 등의 결정은 사용 수지와 성형품의 형상 및 제품의 요구사항 등을 감안하여 결정하되 응력집중을 최소로 하고 유동 방향에 의한 변형이 가장 적은 타입으로 선택하는 것을 기본으로 한다.

1. 게이트의 목적과 역할 

1) 충진 되는 용융 수지의 유동 방향과 수지량을 제어함과 동시에 제품 성형이 완전히 이루어지고, 취출 하는데 지장이 없을 정도로 충분히 고화 상태가 될 때까지 캐비티 내로 용융 수지를 계속 충진 시키고 런너 측으로의 역류를 막는다. 이것은 캐비티 내 압력 보존 및 수축 조절을 위해 런너와 제품 사이의 차단 역할을 하는 기능을 수반한다.

2) 여러 개 캐비티의 경우는 각 캐비티의 게이트의 치수 크기를 조정하여 캐비티의 충진 균형을 잡을 수 있게 한다. 즉 게이트를 균형 있게 설계함으로써 압력 분배가 균등하게 되도록 한다. 

3) 스프루와 런너를 통과하면서 냉각된 수지는 좁은 게이트를 유동하면서 마찰열을 흡수한다. 이 열에 의하여 용융 수지 온도를 상승시켜 플로 마크, 웰드라인을 감소시킨다.

4) 런너와 성형품의 절단이 용이하고 깨끗하게 마무리 작업을 간단히 할 수 있다.

5) 성형 수지의 특성을 고려하여 품질과 생산성 확보를 위한 적정 성형 시간을 제공해야 한다.

2. 게이트의 분류

1) 비제한 게이트

다이렉트 게이트 또는 스프루 게이트라는 것으로 극히 일반적으로 사용하고 있으며, 이 게이트의 특성은 다음과 같다.

- 스프루의 고화 시간이 길어지므로 성형 사이클 시간이 연장될 수 있다.

- 압력손실이 적어 사출조건을 설정하기가 편하다.

- 성형 후 성형품과 게이트의 절단을 위한 2차 가공이 필요하다. 따라서 상품의 외관이 중요시되는 곳은 사용이 곤란한 경우가 있다.

- 잔류 응력에 의해 게이트부 주위에 균열이 발생할 우려가 있다.

- 금형 구조가 비교적 간단하고 고장이 적다.

2) 제한 게이트

게이트에서의 충진량을 조절하고 게이트 내의 수지가 신속히 고화할 수 있도록 게이트의 단면적을 제한한 것을 말하며 다음과 같은 특성이 있다.

- 게이트 부근의 잔류 응력 및 변형을 감소시킬 수 있다.

- 성형품의 변형 균열, 뒤틀림 및 휨을 감소시킬 수 있다.

- 게이트의 고화 시간이 짧으므로 성형 사이클을 단축시킬 수 있다.

- 성형한 다음 2차 가공이 필요 없거나 간단히 할 수 있으므로 상품 가치가 증가한다.

- 수지가 게이트를 통과할 때 저항 열에 의한 온도 상승으로 유동성이 개선된다.

- 게이트 통과 시 수지의 압력손실이 크다. 압력손실이 크면 용융 수지의 유동성이 나빠지고 캐비티 내에서 냉각 또는 고화를 일으켜 완전한 충진이 어렵기 때문에 많은 사출 압력이 요구된다. 따라서 이를 최소화하기 위해서 게이트의 랜드부를 짧게 한다.

3. 게이트의 종류 및 특성

1) 다이렉트 게이트

다이렉트 게이트는 1 캐비티 금형에 적용되는 게이트로서 일명 스프루 게이트라고도 한다.

2) 표준 Gate

사출성형 시 가장 일반적으로 사용하는 방법으로서 성형품의 측면에서 직사각형 또는 반원형의 게이트를 통하여 사출 용액을 주입하는 방식으로 사이트 게이트라고도 한다. 특히 소형에서 중형에 이르기까지 멀티 캐비티 성형품에 많이 사용된다.

3) 핀포인트 게이트

 3단 방식의 게이트로서 성형품의 중앙에 게이트를 설치할 때 사용되는 게이트이다. 성형의 용이성 및 정밀도를 위해 여러 개의 게이트를 성형품의 표면에 설치할 때 많이 사용된다.

4) 서브마린 게이트

 게이트가 런너로부터 경사지게 터널식으로 뚫려 제품의 측면에 설치되는 형식의 게이트로서 일명 터널 게이트라고도 한다. 2단 금형 구조에 적용되나 금형이 열릴 때는 3단 금형 핀포인트 게이트처럼 게이트부가 자동적으로 절단되기 때문에 2차 가공이 생략된다.