게이트(Gate)란 무엇인가
게이트는 런너의 종점이자 캐비티(제품이 만들어지는 공간)의 입구를 말합니다. 용융 수지가 런너를 따라 흘러온 뒤 최종적으로 제품 공간에 들어가는 마지막 관문이라고 생각하면 됩니다.
2매 구성 금형에서는 게이트가 제품의 측면이나 가장자리에 위치하는 경우가 많고, 3매 구성 금형에서는 제품의 상면에 위치하는 핀 포인트 형태가 일반적입니다.
게이트의 4가지 핵심 역할
게이트는 단순한 통로가 아니라, 성형 품질을 좌우하는 중요한 기능을 수행합니다.
유량 조절
게이트의 단면적 크기에 따라 캐비티로 유입되는 수지의 양을 조절합니다. 다수 캐비티 금형에서는 각 캐비티의 게이트 크기를 조절하여 충전 밸런스를 맞출 수 있습니다.
압력 조절
게이트의 단면적에 따라 사출 압력을 증가시키거나 감소시킬 수 있습니다. 이를 통해 수축이나 미성형 같은 불량을 줄일 수 있습니다.
온도 조절
수지가 좁은 게이트를 통과할 때 마찰이 발생하며, 이 마찰열로 수지 온도가 변합니다. 마찰열로 재가열되는 효과를 통해 플로우 마크(Flow Mark)나 웰드 라인(Weld Line) 같은 외관 불량을 경감시킬 수 있습니다.
수지 역류 방지
게이트는 좁은 공간이므로, 캐비티에 충전된 수지가 런너 쪽으로 역류하는 것을 방지합니다. 충전되는 용융 수지의 흐름 방향과 유량을 제어하고 런너 측으로의 역류를 막는 역할을 합니다.
게이트의 종류별 특징
게이트는 형태와 용도에 따라 다양한 종류가 있습니다.
스프루 게이트(Direct Gate)
스프루 부시에서 곧바로 캐비티로 수지가 들어가는 방식입니다. 별도의 런너가 없어 압력 손실이 적고 수지가 절약됩니다. 금형 구조가 간단하고 고장이 적다는 장점이 있습니다. 하지만 성형 사이클 타임이 길어지기 쉽고 게이트의 끝손질이 필요합니다. 또한 게이트 부위에 잔류응력에 의한 크랙이 발생하기 쉽습니다.
스프루 게이트에서는 게이트의 반대편에 온도가 저하된 수지가 캐비티 내로 흘러 들어가는 것을 막기 위해 성형품 살 두께의 1/2이 되는 두께로 **콜드 슬러그 웰(Cold Slug Well)**을 설치할 필요가 있습니다. 스프루 부시 입구 지름은 노즐 구멍 지름보다 0.3mm에서 0.8mm 정도 크게 하고, 테이퍼(Taper) 각도는 2도에서 4도 정도로 설계합니다.
사이드 게이트(Side Gate)
제품의 측면에 게이트를 설치하는 가장 일반적인 방식입니다.
오버 랩 게이트(Over Lap Gate)
성형품에 플로우 마크나 제팅(Jetting)이 발생하는 것을 방지하기 위해 사용됩니다. 성형품의 에지부가 아닌 평면 부에 평행하게 설치한 게이트입니다. 수지가 제품 표면을 따라 부드럽게 흐르도록 유도하는 것이 특징입니다. 다만 게이트의 제거 및 끝손질 작업이 곤란하다는 단점이 있습니다.
팬 게이트(Fan Gate)
평판형이며 면적이 비교적 큰 성형품에서 기포, 플로우 마크, 제팅이 발생할 우려가 있는 경우 사용합니다. 캐비티를 향하여 충분히 넓게 벌어진 형태로, 평판형의 면 또는 얇은 단면으로 매끄럽고 균일하게 충진할 필요가 있을 때 적합합니다.
필름 게이트(Film Gate)
얇고 넓은 판형 제품에 사용되는 게이트입니다.
링 게이트(Ring Gate)
원통형 제품의 둘레를 따라 설치되는 게이트입니다.
서브마린 게이트(Submarine Gate, Tunnel Gate)
성형품 표면에 게이트 자국이 보이지 않아 외관이 중요시 될 때 많이 사용합니다. 게이트를 측면이나 안쪽 면에 설치할 수 있습니다. 금형이 열릴 때 게이트부가 자동으로 절단되어 성형품과 런너 및 게이트가 분리되므로, 게이트의 2차 가공이 생략됩니다.
핀 포인트 게이트(Pin Point)
3매 금형에서 주로 사용되며, 아주 작은 점 형태로 수지가 주입됩니다.
디스크 게이트(Disk Gate)
원형 제품의 중심에서 수지를 주입하는 방식입니다.
탭 게이트(Tab Gate)
탭 게이트의 바로 앞 부분에서 수지가 탭의 벽에 충돌하여 재가열됩니다. 이로 인해 수지의 온도가 상승하여 유동 방향이 고르게 캐비티 안으로 유입됩니다. 게이트 부근에 잔류응력이 감소되기 때문에 사출 압력에 의한 변형(제팅)을 피할 수 있습니다. 주로 유동성이 나쁜 수지(PVC, 아크릴 등)에 적용합니다.
| 게이트 종류 | 주요 특징 | 적용 상황 |
|---|---|---|
| 스프루 게이트 | 압력 손실 적음, 구조 간단 | 단일 캐비티, 단순 형상 |
| 오버 랩 게이트 | 제팅 방지, 끝손질 곤란 | 플로우 마크 우려 제품 |
| 팬 게이트 | 넓게 펼쳐진 형태 | 큰 면적의 평판형 제품 |
| 서브마린 게이트 | 자동 절단, 자국 안 보임 | 외관 중시 제품 |
| 탭 게이트 | 재가열 효과, 잔류응력 감소 | 유동성 나쁜 수지(PVC 등) |
게이트 설정 시 유의사항
게이트의 위치와 크기는 제품 품질에 직접적인 영향을 미치므로, 설계 시 다음 사항을 반드시 고려해야 합니다.
게이트는 성형품의 가장 두꺼운 부분에 설치하는 것이 원칙입니다. 두꺼운 부분에서 얇은 부분 쪽으로 수지가 흐르도록 해야 수축이나 싱크마크 같은 불량을 줄일 수 있습니다.
상품가치를 위해 눈에 띄지 않는 곳 또는 게이트 마무리가 간단하게 되는 부분에 설치해야 합니다. 웰드 라인이 생성되기 어려운 곳에 설치하고, 가는 코어나 리브 핀이 가까운 곳 또는 유동 압력에 의해 편육하고 쓰러질 우려가 있는 방향은 피해야 합니다.
큰 힘이나 충격 하중이 작용하는 부분에는 게이트를 붙이지 않습니다. 게이트 부위에 잔류응력이 남아 있어 외부 충격에 취약해질 수 있기 때문입니다. 제팅을 방지하고 흐름을 순조롭게 하기 위해 코어형을 향해 용융수지가 흐르는 위치에 설치합니다. 또한 성형품의 기능과 외관을 손상하지 않는 부분에 설치하며, 인서트 등 기타 장애물을 피할 수 있는 곳을 선택해야 합니다.
에어 벤트(Air Vent)란 무엇인가
에어 벤트는 사출 금형에서 사출된 수지가 노즐에서부터 런너 유동시스템을 통과하면서, 캐비티 안에 있는 공기를 밀어낼 때 그 공기가 외부로 빠져 나가도록 만든 통로입니다.
용융 수지가 캐비티 안으로 들어가면, 원래 캐비티 안에 차 있던 공기가 수지에 밀려나게 됩니다. 이때 공기가 빠져나갈 곳이 없으면 캐비티 끝부분에 공기가 갇히면서 다양한 불량이 발생합니다.
에어 벤트의 원리
에어 벤트를 설치하지 않으면, 용융 수지가 캐비티 끝까지 도달하지 못하고 중간에서 멈추거나 공기가 압축되어 심각한 불량이 생깁니다. 반면 에어 벤트를 설치하면, 수지가 밀어내는 공기가 에어 벤트를 통해 외부로 원활하게 배출되어 수지가 캐비티 끝까지 완전히 충전될 수 있습니다.
에어 벤트 미가공 시 발생하는 5가지 불량
에어 벤트가 없거나 제대로 가공되지 않으면 다음과 같은 심각한 불량이 발생합니다.
| 불량 유형 | 발생 원인 및 현상 |
|---|---|
| 태움 | 성형품의 웰드부에 수지 온도가 과도하게 상승하여 변색이나 가스탄화 현상이 발생합니다 |
| 충진 부족 / 미성형 | 에어 벤트의 배기저항이 크기 때문에 충진에 대한 배압이 되어 수지가 끝까지 채워지지 않습니다 |
| 플래시(Flash) / 버어(Burr) | 가스탄화 불량이 생기지 않더라도 끊어지거나 파팅면 웰드 단말부에 덧살이 생기기 쉽습니다 |
| 기포 | 공기와 수지가 혼합되어 기포나 은선(Silver Streak) 등이 발생합니다 |
| 외관(표면) 불량 | 미성형이 발생하지 않더라도 웰드 라인이나 플로우 마크가 많이 나타납니다 |
태움 현상은 캐비티 끝에 갇힌 공기가 수지의 압력으로 급격히 압축되면서 온도가 극도로 상승하여 발생합니다. 단열 압축의 원리로, 자동차 엔진의 디젤 점화와 유사한 현상입니다. 이 고온으로 인해 수지가 탄화되어 검게 변색됩니다.
충진 부족은 갇힌 공기가 수지를 밀어내는 역할을 하여 수지가 더 이상 전진하지 못하는 경우에 발생합니다. 플래시는 갇힌 공기의 압력이 파팅면의 틈새로 수지를 밀어내면서 생기는 현상입니다.
이번 편 핵심 정리
이번 편에서는 게이트의 4가지 역할(유량 조절, 압력 조절, 온도 조절, 수지 역류 방지)과 다양한 게이트 종류별 특징, 게이트 설정 시 유의사항, 그리고 에어 벤트의 원리와 미가공 시 발생하는 불량 유형에 대해 알아보았습니다.
사출 금형의 유동기구는 스프루 부시에서 시작하여 런너, 게이트, 캐비티, 에어 벤트로 이어지는 하나의 시스템입니다. 각 구성요소가 제 역할을 다해야 양질의 제품이 만들어집니다. 이 시리즈를 통해 유동기구 전체의 흐름과 각 부품의 역할을 이해하셨다면, 실제 금형 설계나 성형 조건 설정에서 불량의 원인을 파악하고 해결하는 데 큰 도움이 될 것입니다.
