제6장 잘못된 금형온도

POM(아세탈), PA(나일론), PBT 및 PET(폴리에스터)와 같은 반결정성 엔지니어링 폴리머를 성형할 때, 금형의 표면온도가 올바른지 여부가 중요하다. 최적 공정을 위한 기본 요건은 금형의 설계에 있다. 이 때문에 이후 단계에서 제작상 문제점을 피하려면 금형 설계와 계획단계에서의 밀접한 협력이 요구된다.

 

금형온도가 잘못된 경우 예상되는 부작용

가장 파악하기 쉬운 증상은 성형품의 표면 상태가 거칠다는 점이다. 금형의 표면온도가 너무 낮음으로 인한 경우가 많다.

반결정성 폴리머의 성형시 수축과 성형 후 수축은 금형의 온도와 성형품의 벽면 두께에 크게 좌우된다.
따라서 금형의 열이 불규칙하게 손실되면 수축이 차별적으로 일어날 수 있다. 이는 결국 성형품의 허용한도가 유지돨 수 없게 한다. 최악의 경우 비강화 수지로 작업하건 강화 수지로 작업하건 간에 수축을 바로잡을 수 없게 될 것이다. 고온에서 사용되는 성형품의 치수가 사용시 줄어들 때, 이는 대개 금형 표면 온도가 너무 낮아서 이다. 이것은 금형 온도가 너무 낮으면 성형시 수축은 적어지나 실제적으로 성형 후 수축은 많아지기 때문이다.

치수가 확정되기 전에 스타트업 단계가 오래 필요하다면, 평형에 도달할 때까지 금형의 온도가 장시간 동안 상승하고  있는 것이므로, 금형의 온도 조절이 잘못되었음을 나타내는 것이다.
금형의 특정 부분에서 열 손실이 잘못 일어나면 사이클 타임이 길어지게 되어, 성형 비용이 증가되는 결과를 초래한다.
구조 분석(예를 들면 POM의 경우), differential scanning calorimetry(DSC) 검사(예를 들면 PET의 경우)와 같은 분석법을 통해 금형 온도가 잘못되었는지 여부를 성형품으로부터 알아내는 경우도 있다.

올바른 금형온도 설정을 위한 권장사항

금형은 점점 더 복잡해지고 있고, 그 결과 효과적인 금형 온도 조절을 위한 적절한 조건을 창출하는 것도 점점 더 어려워지고 있다. 단순한 성형품인 경우를 제외하면, 금형 온도 조절 시스템은 항상 여러 가지를 절충해야 하는 문제이다. 이러한 이유로, 다음의 권장사항을 대략적인 지침으로만 보아야 한다.

• 성형해야 할 모양의 온도 조절을 금형 설계 단계에서 고려해야 한다.
• 토출중량이 작고 규모가 큰 금형을 설계할 때, 열 전달이 잘 되는 구조 되도록 하는 것이 중요하다.
• 금형과 유입 파이프에서 플로우 단면의 치수를 정할 때 넉넉하도록 한다. 너무 꼭 맞게 하여 금형온도 조절액의 플로우를 제한하는 주요 원인이 되지 않도록 한다.
• 가능하면 압축된 물을 온도 조절 매체로 사용한다. 고압과 고온(8bar 와 130˚C 까지)을 지탱할 수 있는 유연한 파이프와 매니폴드를 사용한다.
• 금형에 맞는 온도 조절 장치의 성능을 규명한다. 금형 제작자가 제공한 참고 자료에 유속에 대한 필요한 수치가 있어야 한다.
• 금형과 기계 플래튼의 중간 부분 사이에 단열 판을 사용한다.
• 금형의 움직이는 부분과 고정된 부분에 별도의 온도 조절 시스템을 사용한다.
• 금형을 가동할 때 상이한 스타트업 온도로 작업하려면, 중심부와 주변부에 별도의 온도조절 시스템을 사용한다.
• 상이한 온도 조절 회로는 항상 병렬이 아니라 직렬로 연결한다. 회로가 병렬인 경우, 플로우 저항에서 조금만 차이가 나도 온도 조절 매체의 체적 유속이 달라져서, 직렬로 연결된 회로보다 더 큰 온도차가 날 수 있다. (이러한 직렬 연결은 금형의 입구와 출구 온도차가 5˚C 이하인 경우에만 제대로 작동한다.)
• 금형 온도 조절장치에 공급 온도와 반환 온도 표시기가 있으면 좋다.
• 공정제어를 위해서는 실제 가동 중 온도를 점검할 수 있도록 금형 내에 온도 센서를 두는 것을 권장한다.

  사이클에서 토출이 여러 번 일어나고 나면 금형에 열적 평형이 이루어지는 데, 보통은 최소한 10번 정도의 토출이 일어나야 한다. 평형시 실제온도는 많은 요인에 좌우된다. 이렇게 플라스틱과 접촉된 금형 표면의 실제 온도는 금형 내부의 thermocouple이나(표면으로부터 2mm를 측정) 대개는 손으로 집는 고온계로 측정할 수 있다. 고온계의 표면 탐침은 신속히 재야 하며, 금형온도는 각 면에서 한번만 재는 것이 아니라 여러 군데에서 측정해야 한다. 금형의 온도를 기준치로 조정하기 위해 조절 장치의 설정 온도를 수정해야 할 수도 있다. 다양한 원재료에 관한 참고 자료에서는 항상 금형의 권장온도를 수정해야 할 수도 있다. 다양한 원재료에 관한 참고 자료에서는 항상 금형의 권장사항은 언제나 우수한 표면 상태, 기계적 특성, 수축 양상, 사이클 타임 간에 절충 가능한 최상의 상태를 나타낸다.

  정교한 성형품과 정확한 광학적 또는 안전 위주 규정을 준수해야 하는 성형품을 성형할 때는(성형 후 수축이 적고, 표면이 더 매끄럽고, 단일한 특성을 가지도록) 더 높은 금형 온도를 사용하는 것이 보통이다. 가능한 한 최저 비용으로 제작해야 하는 기술적으로 덜 중요한 성형품은 다소 낮은 금형 온도에서 성형할 수도 있다. 그러나, 성형 업체에서는 이러한 선택 사항의 단점을 알고 있어야 하며 성형품을 철저히 테스트해서 고객의 요구사항이 충족되는지 확인해야 한다.