온도 조절이 잘못되면 어떤 불량이 생기나
1편부터 3편까지 사출 금형의 온도 조절기구, 냉각 회로, 연결 부품에 대해 알아보았습니다. 이번 마지막 편에서는 온도 조절이 적절하지 못할 때 발생하는 성형품의 불량 현상을 다룹니다. 온도에 따른 성형품의 불량 현상에 대한 이해를 통해, 적절한 온도 조절로 성형품의 품질을 개선하는 것이 이 장의 핵심 목표입니다.
온도 조절에 따른 대표적인 불량에는 수축(Sink Mark), 웰드 라인(Weld Line), 플로우 마크(Flow Mark) 세 가지가 있습니다.
수축(Sink Mark)과 냉각 회로
수축 불량이란
수축이란, 수축률이 큰 재료나 수축 방향에 따라 냉각 회로가 제품의 변형을 야기하는 현상입니다. 플라스틱은 녹은 상태에서 식으면서 부피가 줄어드는데, 이 줄어드는 정도(수축률)가 부위마다 다르면 제품이 뒤틀리거나 울퉁불퉁해집니다.
예를 들어 원하는 성형품이 얇고 길고 평평한 판 형태라고 가정해 보겠습니다. 이 제품이 균일하게 냉각되지 않으면, 어떤 부분은 많이 줄어들고 어떤 부분은 적게 줄어들어 평평해야 할 표면이 물결처럼 휘어지게 됩니다.
얇고 긴 제품의 냉각 회로 설계 – 잘못된 사례
성형품이 얇고 긴 형태일 때, 냉각관 회로를 제품과 수직으로 설계하면 어떻게 될까요? 냉각수 관이 성형품을 가로질러 수직으로 배치되면, 냉각수 관 바로 위 부분은 빨리 식고 관 사이 부분은 천천히 식습니다. 이 온도 차이가 변형을 가져와 성형품에 파동(물결 모양의 변형)을 일으키게 됩니다.
마치 빨래를 널 때 빨래줄이 닿는 부분만 눌리고 나머지는 처지는 것과 비슷합니다.
얇고 긴 제품의 냉각 회로 설계 – 올바른 사례
이 문제를 해결하려면 제품과 평행하게 냉각 회로를 설계해야 합니다. 냉각수 관을 제품의 길이 방향과 같은 방향으로 배치하면, 제품 전체가 비교적 균일하게 냉각됩니다. 위아래 양쪽에 평행하게 냉각수 관을 배치하면 더욱 효과적입니다.
| 구분 | 냉각관 배치 | 결과 |
|---|---|---|
| 잘못된 설계 | 제품과 수직 | 온도 차이로 파동(변형) 발생 |
| 올바른 설계 | 제품과 평행 | 균일 냉각으로 변형 최소화 |
좁고 깊은 제품의 냉각 회로 설계 – 잘못된 사례
성형품이 좁고 깊은 형태일 때는 또 다른 문제가 있습니다. 사선 냉각이나 탱크 냉각 방식으로 냉각 회로를 설계하면, 냉각이 되지 않는 부분이 생깁니다. 특히 코너부(모서리 부분)에 냉각수가 충분히 도달하지 못해 이 부분의 온도가 높게 유지됩니다.
온도 분석(열화상) 이미지를 보면, 사선 냉각으로 설계한 경우 코너부가 빨간색(고온)으로 표시되어 냉각이 부족한 것을 확인할 수 있습니다. 이 고온 부분에서 제품의 변형이 발생합니다.
좁고 깊은 제품의 냉각 회로 설계 – 올바른 사례
이 문제를 해결하려면 냉각에 양호한 형태, 즉 굴절 냉각 방식으로 냉각 회로를 설계해야 합니다. 굴절 냉각은 냉각수 통로가 제품의 형상을 따라 꺾이면서 흐르는 방식으로, 코너부까지 냉각수가 충분히 도달할 수 있습니다.
온도 분석 이미지에서도 굴절 냉각을 적용한 경우 제품 전체가 비교적 균일한 온도를 보여, 냉각이 양호한 것을 확인할 수 있습니다.
웰드 라인(Weld Line)
웰드 라인이란
웰드 라인은 수지가 캐비티(금형의 제품 형성 공간) 내에서 핀이나 코어의 주위를 흐르거나, 2개 이상으로 나뉘진 흐름이 다시 합류할 때, 금형의 온도가 낮아 완전히 융합하지 않고 실 모양의 가는 선을 나타내는 현상입니다.
쉽게 비유하면, 강물이 바위를 만나 양쪽으로 나뉘었다가 다시 합쳐질 때 물결이 부딪히는 경계선이 생기는 것과 같습니다. 플라스틱 수지도 금형 안의 구멍이나 돌출부를 만나면 양쪽으로 갈라졌다가 다시 만나는데, 이때 수지의 온도가 충분히 높지 않으면 완벽하게 합쳐지지 못하고 가는 선(웰드 라인)이 남습니다.
웰드 라인의 발생 원인과 특징
웰드 라인 불량은 게이트(수지가 캐비티에 들어가는 입구)에서 먼 부분에 수지의 온도가 낮아서 발생합니다. 수지는 게이트에서 출발하여 캐비티를 채워 나가는데, 멀리 갈수록 온도가 떨어지기 때문입니다.
웰드 라인의 주요 특징을 정리하면 다음과 같습니다.
| 특징 | 설명 |
|---|---|
| 식은 수지의 만남 | 온도가 떨어진 수지 흐름이 서로 만나는 지점에서 발생합니다 |
| 금형 온도 낮음 | 금형 온도가 낮을수록 발생 가능성이 높아집니다 |
| 게이트 수에 영향 | 게이트가 여러 개일수록 수지 흐름이 나뉘는 횟수가 많아져 웰드 라인이 증가합니다 |
| 게이트에서 먼 부분 | 수지가 게이트에서 멀리 갈수록 온도가 떨어져 발생 확률이 높아집니다 |
| 가는 선 형태 | 실처럼 가는 선의 형태로 나타납니다 |
| 요철과 구멍 주위 | 제품에 구멍이나 요철(凹凸, 들어간 부분과 나온 부분)이 있으면 수지 흐름이 나뉘어 그 주위에 발생합니다 |
웰드 라인을 줄이려면 금형 온도를 적절히 높이거나, 게이트 위치와 수를 최적화하거나, 수지의 사출 온도와 속도를 조절하는 등의 방법이 있습니다.
플로우 마크(Flow Mark)
플로우 마크란
플로우 마크는 금형의 온도 편차로 인한 성형품 각 부위의 수축률 차이에 의해 발생하는 불량입니다. 성형품 표면에 물결 모양이나 줄무늬가 나타나는 현상으로, 대부분 금형 내 온도가 균일하지 않을 때 발생합니다.
온도 분석 이미지를 보면, 성형품의 온도가 높은 부분과 낮은 부분이 명확하게 구분되어 있습니다. 이 온도 차이가 수축률의 차이를 만들고, 결국 제품 표면에 눈에 보이는 흔적으로 나타나게 됩니다.
수지 종류에 따른 플로우 마크
플로우 마크는 수지의 종류에 따라 발생 메커니즘이 약간 다릅니다.
비강화 그레이드(유리섬유 등의 보강재가 들어있지 않은 일반 수지)에서는 분자 배향에 의해 흐름 방향과 직각 방향에 관계없이 수축이 커져 발생합니다. 분자 배향이란 수지가 흐르면서 분자들이 특정 방향으로 정렬되는 현상인데, 이로 인해 방향에 관계없이 전반적으로 수축이 커지게 됩니다.
강화 그레이드(유리섬유 등의 보강재가 섞인 수지)에서는 유리섬유의 배합에 의해 흐름 방향과 직각 방향의 수축률 차이가 뚜렷하게 나타나 발생합니다. 유리섬유가 흐름 방향으로 정렬되면서, 흐름 방향의 수축은 적고 직각 방향의 수축은 크게 나타납니다.
| 수지 종류 | 원인 | 특징 |
|---|---|---|
| 비강화 그레이드 | 분자 배향 | 방향에 관계없이 수축 증가 |
| 강화 그레이드 | 유리섬유 배합 | 흐름 방향과 직각 방향의 수축률 차이 발생 |
두 경우 모두 금형 온도를 균일하게 관리하는 것이 플로우 마크를 줄이는 핵심입니다.
전체 시리즈 마무리 정리
4편에 걸쳐 사출 온도 조절기구의 이해를 모두 다루었습니다. 1편에서는 온도 조절기구의 개요와 필요성, 조절 방법을 배웠고, 2편에서는 냉각 회로의 치수 기준과 다양한 종류를 살펴보았습니다. 3편에서는 커플러, 오-링, 분파기 같은 연결 부품을, 그리고 이번 4편에서는 온도 조절 불량인 수축, 웰드 라인, 플로우 마크를 알아보았습니다.
사출성형에서 온도 조절은 단순히 ‘식히는 것’이 아니라, 제품의 품질과 생산성을 결정짓는 핵심 기술입니다. 냉각 회로의 설계부터 연결 부품의 선택, 그리고 불량 원인의 이해까지 모두 연결되어 있으므로, 전체적인 흐름을 파악하는 것이 중요합니다.
