사출 금형의 냉각 회로란?
1편에서 사출 금형의 온도 조절이 왜 중요한지 알아보았습니다. 이번 2편에서는 가장 핵심적인 온도 조절 수단인 ‘냉각 회로’에 대해 깊이 있게 살펴보겠습니다. 냉각 회로는 금형 내부에 뚫린 통로로, 이 통로를 따라 냉각수가 흐르면서 뜨거운 성형품의 열을 빼앗아 가는 역할을 합니다.
냉각 회로의 기본 구조
냉각 회로 개요
금형 내부에는 냉각수가 흐를 수 있는 구멍(회로)이 뚫려 있습니다. 외부에서 냉각수 연결 호스를 통해 금형으로 물이 공급되면, 이 물이 금형 내부의 냉각수 회로를 따라 흐르면서 형판과 코어 주변의 열을 흡수합니다.
여기서 ‘형판’이란 금형의 판 모양의 부품을 말하고, ‘코어’는 성형품의 안쪽 형상을 만들어 주는 부분입니다. 냉각수는 코어 주변을 감싸듯 흐르면서 성형품의 열을 효과적으로 빼앗습니다.
냉각 회로의 치수 기준
냉각수 회로를 설계할 때는 정해진 치수 기준이 있습니다. 이 기준을 지켜야 성형품이 균일하게 냉각됩니다.
냉각수 구멍은 성형품 표면에서 구멍 직경의 3배만큼 떨어져야 합니다. 예를 들어 냉각수 구멍의 직경이 10mm라면, 성형품 표면에서 30mm 떨어진 위치에 설치해야 합니다.
또한 구멍과 구멍 사이의 간격은 직경의 5배로 설정합니다. 같은 예로 직경 10mm의 구멍이라면, 옆 구멍과 50mm 간격을 두어야 합니다.
이 치수는 평면형 회로뿐만 아니라 입체형(3차원) 회로에도 동일하게 적용됩니다. 입체형 회로는 복잡한 형상의 성형품에 맞춰 3차원적으로 냉각 통로를 배치하는 방식입니다.
| 항목 | 기준 | 예시 (직경 10mm 기준) |
|---|---|---|
| 성형품 표면에서의 거리 | 직경의 3배 | 30mm |
| 구멍과 구멍 사이 간격 | 직경의 5배 | 50mm |
냉각 회로의 종류
일렬식과 병렬식
냉각 회로의 가장 기본적인 배치 방식은 일렬식과 병렬식 두 가지입니다.
일렬식(직렬식)은 냉각수가 하나의 통로를 따라 순서대로 흐르는 방식입니다. 물이 입구에서 들어와 형판과 코어 주변을 지그재그로 지나면서 한 줄로 이어져 출구로 빠져나갑니다. 구조가 단순하지만, 입구 쪽과 출구 쪽의 온도 차이가 크다는 단점이 있습니다.
병렬식은 냉각수가 여러 갈래로 동시에 나뉘어 흐르는 방식입니다. 입구에서 들어온 물이 여러 통로로 분산되어 동시에 흐른 뒤 출구에서 다시 합류합니다. 금형 전체의 온도를 비교적 균일하게 유지할 수 있다는 장점이 있습니다.
배플(Baffles)
배플은 냉각이 부족할 수 있는 부분에 냉각수를 보내기 위해 원통형 구멍 안에 칸막이(격벽)를 설치한 냉각 회로입니다.
쉽게 설명하면, 원형 구멍 안을 반으로 나누는 판을 세워서, 냉각수가 한쪽으로 올라갔다가 반대쪽으로 내려오도록 만드는 구조입니다. 이렇게 하면 일반 냉각수 구멍이 도달하기 어려운 높은 위치나 좁은 공간까지 냉각수를 보낼 수 있습니다. 특히 코어의 상단부처럼 열이 집중되는 곳에 효과적입니다.
버블러(Bubblers)
버블러는 배플과 비슷한 목적으로 사용되지만, 작동 방식이 약간 다릅니다. 원통형 구멍 안에서 분수처럼 냉각수를 위로 뿜어 올린 뒤, 벽면을 타고 내려오도록 만든 냉각 회로입니다.
버블러의 중앙에 있는 파이프를 통해 냉각수가 위로 분출되고, 분출된 물은 파이프와 구멍 벽 사이의 공간을 통해 아래로 내려옵니다. 이 방식도 일반 냉각 회로가 닿지 못하는 곳의 냉각에 효과적입니다.
산형(사선형) 냉각 채널
산형 냉각 채널은 둥근 코어의 외곽 형태에 주로 사용됩니다. 냉각수 통로가 산 모양(삼각형)으로 올라갔다 내려오는 형태를 하고 있습니다.
이 방식에는 주의할 점이 있습니다. 사선 방향으로 가공을 해야 하므로 가공이 어렵고, 구멍의 크기에 제한이 있습니다. 또한 회로 설계 시 산의 각도에 주의해야 합니다. 이런 이유로 가급적 사용을 지양하는 것이 일반적입니다. 구성 요소로는 코어, 원판, 니플 탭핑, 오-링, 냉각수 구멍 등이 있습니다.
원통형(사선형) 냉각 채널
원통형 냉각 채널은 성형품의 면이 길면서 각이 있는 경우에 사용됩니다. 코어의 상부 중앙에서 사각형으로 냉각 채널을 가공하여, 소용돌이 형태로 냉각수를 공급하는 방법입니다.
원통 나선이라고 불리는 이 방식에서 코어부는 두 부분으로 구분됩니다. 성형품과 직접 닿는 외부 부분과, 냉각 채널을 형성하는 부싱(내부 삽입물) 부분입니다. 역시 오-링과 니플 탭핑이 사용되며, 냉각수는 나선형으로 회전하면서 코어 전체를 균일하게 냉각합니다.
냉각수 입출구 온도 관리
A Type과 B Type 비교
금형 냉각수의 회로 설계에 따라 입구와 출구의 온도 차이가 달라집니다. 이 온도 차이는 성형품의 품질에 직접적인 영향을 미칩니다.
A Type은 입구 온도 20도, 출구 온도 45도인 경우입니다. 입구와 출구의 온도 차이가 25도나 되므로, 입구 쪽은 온도가 낮고 출구 쪽은 온도가 높습니다. 이렇게 되면 금형 전체의 온도가 불균일해져 성형품 품질에 문제가 생길 수 있습니다.
B Type은 입구 온도 20도, 출구 온도 25도인 경우입니다. 입구와 출구의 온도 차이가 5도에 불과하므로, 금형 전체가 비교적 균일한 온도를 유지합니다. 출구 쪽도 ‘온도가 조금 높은 부분’ 정도에 그치기 때문에 품질이 훨씬 안정적입니다.
| 구분 | 입구 온도 | 출구 온도 | 온도 차이 | 품질 영향 |
|---|---|---|---|---|
| A Type | 20도 | 45도 | 25도 | 온도 불균일, 품질 저하 위험 |
| B Type | 20도 | 25도 | 5도 | 온도 균일, 품질 안정 |
금형 온도의 허용 범위
금형 온도는 해당 수지의 권장 온도에 맞춰야 합니다. 허용되는 온도 편차는 금형의 정밀도에 따라 다릅니다.
보통 금형의 경우 온도 편차가 5도 이내여야 합니다. 정밀 금형의 경우에는 더 엄격하게 3도 이내로 관리해야 합니다. 이 기준을 벗어나면 성형품에 변형, 수축, 표면 불량 등의 문제가 발생할 수 있습니다.
이번 편 핵심 정리
이번 2편에서는 사출 금형의 냉각 회로에 대해 알아보았습니다. 냉각수 구멍은 성형품 표면에서 직경의 3배, 구멍 간 간격은 직경의 5배가 기본 치수입니다. 회로 종류로는 일렬식, 병렬식, 배플, 버블러, 산형, 원통형 등이 있으며, 각각 제품의 형상에 맞게 선택됩니다. 냉각수 입출구 온도 차이는 보통 금형 5도 이내, 정밀 금형 3도 이내로 관리해야 합니다.
다음 3편에서는 사출 금형의 냉각 연결 부품인 커플러, 오-링, 분파기에 대해 자세히 알아보겠습니다.
