사출 금형에서 유동기구가 필요한 이유
플라스틱 사출성형에서 가장 기본이 되는 과정은 고체 상태의 플라스틱 원료를 가열하여 액체(용융 상태)로 만든 다음, 이 용융된 재료를 금형 안에 집어넣어 원하는 모양으로 굳히는 것입니다. 이때 중요한 것이 바로 “용융된 재료가 금형 내부의 제품 형상 공간까지 어떻게 이동하느냐”입니다.
사출성형기의 노즐(Nozzle)에서 나온 용융 수지는 곧바로 제품이 만들어지는 캐비티(Cavity)에 도달하지 않습니다. 노즐과 캐비티 사이에는 여러 가지 통로와 장치가 있어서, 수지가 순서대로 이 통로를 거치며 캐비티까지 안내됩니다. 이 통로 역할을 하는 장치들을 통틀어 유동기구라고 부릅니다.
쉽게 비유하면, 유동기구는 물이 수도꼭지에서 컵까지 도달하기 위한 배관 시스템과 같습니다. 배관이 잘못 설계되면 물이 새거나 제대로 나오지 않듯이, 유동기구가 잘못 설계되면 제품에 불량이 생기게 됩니다.
유동기구를 구성하는 5가지 핵심 부품
사출 금형의 유동기구는 다음 5가지 부품으로 구성됩니다. 각각의 역할을 간단히 정리하면 아래 표와 같습니다.
| 구성 부품 | 역할 |
|---|---|
| 스프루 부시(Sprue Bush) | 사출성형기 노즐에서 재료를 받아들이는 최초 입구 통로 |
| 런너(Runner) | 스프루 부시에서 게이트까지 수지를 이동시키는 통로 |
| 게이트(Gate) | 런너의 끝에서 캐비티로 수지가 들어가는 입구 |
| 캐비티(Cavity) | 실제 제품이 만들어지는 공간 |
| 에어 벤트(Air Vent) | 캐비티 안의 공기를 외부로 빼내는 배출구 |
이 부품들은 순서대로 연결되어 있습니다. 사출성형기에서 출발한 용융 수지는 로케이트 링을 거쳐 스프루 부시로 들어가고, 런너를 따라 흐른 뒤 게이트를 통과하여 캐비티에 채워집니다. 이 과정에서 캐비티 안에 있던 공기는 에어 벤트를 통해 밖으로 빠져나갑니다.
여기서 로케이트 링(Locate Ring)은 사출성형기의 노즐과 금형의 스프루 부시가 정확히 맞닿을 수 있도록 위치를 잡아주는 부품입니다. 유동기구의 시작점 바로 앞에 위치한다고 이해하면 됩니다.
한편, 성형 수지는 크게 두 가지로 나뉩니다. 경화성 수지는 한번 굳으면 다시 녹지 않는 수지로 히터(Heater)를 사용해 금형을 가열하여 경화시킵니다. 가소성 수지는 다시 녹일 수 있는 수지로 냉각(Cooling) 장치를 이용하여 금형 온도를 낮춰 굳힙니다. 유동기구는 이 두 종류의 수지 모두에서 동일하게 적용되는 개념입니다.
스프루 부시(Sprue Bush)란 무엇인가
스프루 부시는 사출성형기의 노즐에서 나온 용융 수지를 가장 먼저 받아들이는 부품입니다. 성형 재료가 흘러가는 유로(流路)의 일부로서, 원뿔형 모양을 가지고 있습니다. 이 원뿔형 통로를 통해 수지가 아래쪽으로 흘러 내려가면서 런너로 연결됩니다.
스프루 부시 내부에서 굳어진 플라스틱 재료를 스프루(Sprue)라고 부릅니다. 이 스프루는 제품 자체는 아니지만, 성형 후 금형에서 꺼낼 때 함께 빠져나와야 하기 때문에 빼기 쉬운 형태로 설계해야 합니다.
스프루 부시의 치수 설계가 중요한 이유
스프루 부시의 치수 설계에서 가장 중요한 두 가지 원칙이 있습니다.
첫째, 스프루 부시의 터치부 반경(R)은 노즐 반경(r)보다 반드시 커야 합니다. 공식으로 표현하면 R = r + 0.3mm 또는 R = r + 0.8mm입니다.
둘째, 스프루 부시의 입구 직경(ØD)은 노즐 직경(Ød)보다 반드시 커야 합니다. 공식으로 표현하면 D = d + 0.3mm 또는 D = d + 0.8mm입니다.
이 두 조건을 지키지 않으면 심각한 문제가 발생합니다.
반경 R이 노즐 반경 r보다 작을 때(R < r)
스프루 부시의 터치부 반경이 노즐 반경보다 작으면, 노즐과 스프루 부시 사이에 틈(Gap)이 생깁니다. 이 틈으로 여분의 수지가 새어 나와 굳어버리면, 성형 후 스프루를 금형에서 빼낼 수 없게 됩니다. 마치 병뚜껑이 병 입구보다 크면 빠지지 않는 것과 같은 원리입니다.
입구 직경 ØD가 노즐 직경 Ød보다 작을 때(ØD < Ød)
스프루 부시의 입구가 노즐의 출구보다 좁으면, 노즐 쪽에 남아 있는 수지 부분이 스프루 부시 입구보다 더 넓게 굳어버립니다. 이렇게 되면 굳어진 수지가 스프루 부시 쪽으로 빠져나올 수 없게 됩니다.
이 두 가지 문제는 모두 성형 사이클을 멈추게 하고 금형 손상을 유발할 수 있으므로, 스프루 부시 설계 시 반드시 노즐보다 크게 만들어야 합니다.
스프루 부시의 형상 – 2매 구성과 3매 구성
스프루 부시는 금형의 구성 방식에 따라 형상이 달라집니다.
2매 구성 금형용 스프루 부시
가장 기본적인 형태입니다. 스프루 부시가 상 체결판과 상 형판, 하 형판을 관통하며 설치됩니다. Key라는 부품으로 스프루 부시가 회전하지 않도록 고정합니다. 구조가 단순하고 조립이 쉽다는 장점이 있습니다.
3매 구성 금형용 스프루 부시 (Pin Point형)
3매판 금형에서는 런너 스트리퍼 판(Runner Stripper Plate)이라는 추가 판이 있습니다. 이 판이 움직이면서 런너를 제품에서 분리하는 역할을 합니다. 3매 금형용 스프루 부시는 이 스트리퍼 판이 움직일 때 긁히지 않도록, 작동 부분에 구배(경사)를 주어 설계합니다.
3매 금형용 스프루 부시에는 입구경(ØD), 반경(R), 빼기 구배 외에도 러너 판 부분의 추가 구배가 있어 형상이 2매 금형용보다 복잡합니다.
이번 편 핵심 정리
이번 편에서는 사출 금형의 유동기구가 무엇인지, 그리고 유동기구의 첫 번째 관문인 스프루 부시의 역할과 치수 설계 원칙, 형상 종류에 대해 알아보았습니다. 핵심은 스프루 부시의 반경과 입구 직경이 반드시 노즐보다 커야 한다는 점, 그리고 금형 구성 방식(2매/3매)에 따라 스프루 부시의 형태가 달라진다는 점입니다.
다음 2편에서는 스프루 부시에서 받은 수지를 게이트까지 전달하는 런너(Runner)의 종류, 형상, 분류 체계, 그리고 설계 시 반드시 알아야 할 유의사항에 대해 자세히 다루겠습니다.
