핫 러너의 기초 ①

시장에 나와있는 거의 모든 브랜드에 대한 오랜 경험을 바탕으로 핫 러너의 이점, 개선 방안 및 일상적인 문제를 해결해보도록 한다. 핫 러너는 그 용도가 매우 다양하며 사이클 시간을 단축시키고 콜드 러너와 스프루를 대체할 수 있다. 물론 핫 러너는 상당한 비용이 투입되는 것으로 먼저 그 경제적인 타당성이 입증되어야 한다.

수십 년 동안 플라스틱 업계에서 일해온 필자는 핫 러너가 빠르게 진화하는 것을 목격해왔다. 초기에는 강철 블록의 뒷면에 핫 러너를 가공하여 사용했으며, 전세계에서 매년 수 천 개의 금형을 관리하는 과정에서 수 많은 맞춤형 팁을 만들고 거의 모든 브랜드의 핫 러너를 정비해본 경험이 있다.

여기서 경험을 이야기하는 이유는 현장에서 직접 핫 러너를 다루고 문제를 해결해 왔으며, 결코 책상머리에 않아서 이론만 이야기하는 것이 아님을 미리 밝히기 위한 것이다. 이 기사의 목적은 핫 러너를 사용하거나 사용하지 않도록 권장하려는 것이 아니라 일상적인 사출성형 환경에서 사용자들에게 더 나은 이해를 제공하려는 것이다.

기술이 발전함에 따라 핫 러너의 용도 역시 날이 갈수록 다양해지고 있다. 먼저 콜드 스프루와 런너를 대체하여 스크랩 발생 비용을 절감할 수 있도록 해준다.(재가공품을 고려하지 않는 경우).

핫 러너는 로우-베스트지 팁이나 밸브 게이트를 통해 성형품 위에 직접 게이팅할 수 있도록 해주며 3-플레이트 런너 시스템이 필요하지 않다. 또한 성형품의 중심이 금형 안에 있을 때 그 외부 가장자리 위에 게이팅할 수 있도록 해준다.

니트 라인(Knit Line)이나 플로 라인(Flow Line) 등의 결함이 생기기 쉬운 큰 성형품에서는 시퀀셜 밸브 게이트를 사용하여 용융수지의 흐름을 조절하고 니트 라인을 이동시킬 수 있다. 여러 개의 핫 드롭을 사용하여 충전 압력을 낮출 수도 있으며 긴 콜드 런너를 대체하여 압력 손실을 줄이고 성형공정에서 이용할 수 있는 압력 구간을 넓힐 수도 있다.

그러므로 핫 러너는 그 용도가 매우 다양하며 사이클 시간을 단축시키고 콜드 러너와 스프루를 사용하지 않아도 되도록 해준다. 물론 핫 러너는 상당한 비용이 투입되는 것이므로 먼저 그 경제적인 타당성이 입증되어야 한다. 그러나 고가의 수지를 대량으로 성형하는 툴일 경우 투자비 회수 기간은 아주 짧아진다.

핫 러너를 사용하면 금형이 좀 더 복잡하게 되고 정비유지 작업이 필요하게 된다. 그러나 최근 설계 기술의 발전으로 핫 러너의 문제점은 크게 개선되었다.

핫 러너 포켓과 와이어 채널이 막혀 플라스틱으로 가득 차 있는 광경을 보는 것은 누구나 절대로 피하고 싶은 일이다. 이런 광경은 불과 몇 해 전까지도 드물지 않게 볼 수 있었지만 매년 수 천 건 이상의 예방정비와 보수 작업을 수행하고 있는 필자의 경우에는 이미 이런 문제는 더 이상 없다.

핫 러너의 간단한 설명
먼저 핫 러너의 기본과 그 기능을 간단하게 살펴보자. 우선 핫 러너를 사출성형기의 일부분이라 여겨야 한다. 핫 러너를 사용하는 목적은 수지가 캐비티로 유입되는 과정에서 적절한 온도로 용융된 상태를 유지하도록 하기 위한 것이다. 그러므로 핫 러너는 기본적으로 내부에 원형 단면의 용융수지 유동 통로를 가진 가열된 강철 구성품이라 할 수 있다.

이상적으로는 이 유동 통로의 온도가 제어장치에 의해 정확하게 제어되고, 용융수지 흐름이 정체되거나 갇혀 있는 부분이 없으며 따라서 색상 변화 또는 오염으로 인한 스크랩 문제를 유발할 수 있는 요소와 같은 장애물이 없어야 한다.

유동 통로에는 적절한 위치에 히터와 서모커플을 설치하여 온도를 정확하게 유지할 수 있도록 해야 한다. 서모커플은 매우 중요한 요소로 핫 러너의 온도를 측정하여 제어장치가 핫 러너의 온도를 유지하기 위해 히터를 가열하는데 필요한 전류를 계산할 수 있도록 해준다. 온도에 문제가 있는 경우 그 근본 원인은 대부분 서모커플이다.

히터는 마치 전구와 같이 전류가 흐르거나 흐르지 않거나 둘 중 한 가지의 상태이다. 그러나 작동하고 있는 것처럼 보이지만 온도를 유지하지 못하는 경우가 있다.

프레스에 설치, 사용되고 있는 히터의 전기 저항을 측정하여 작동 여부를 판별할 수 있는 방법을 설명한다. 서모커플이 느슨해 지거나 온도를 측정하려는 대상에 확실하게 접촉되지 않으면 서모커플이 주변 공기의 온도를 대신 측정하게 되므로 제어장치가 히터에 과도한 전류를 보내 극단적인 과열을 초래할 염려가 있다.

이런 경우 제어장치는 정상적인 온도를 표시하고 있는데도 핫 러너 속에 있는 수지가 연기를 내면서 타는 것을 본 일이 있다. 또한 서모커플과 히터가 연결 플러그의 정확한 부분에 결선되지 않아서 위와 같은 문제가 생기는 것을 본 일도 있다.

몇 년 전까지는 히터와 일체로 제작된 서모커플이 널리 사용되었지만 이런 구성은 핫 러너의 온도를 정확하게 조절하기 어렵다. 그러므로 서모커플과 그 위치는 매우 중요하다. 다행히 현재 대부분의 핫 러너 제작사에서 서모커플과 히터를 올바르게 설치하여 온도 편차 없이 정확하게 제어할 수 있도록 하고 있다.

또한 필자는 구형인 아날로그 방식의 핫 러너 온도 제어장치를 거의 사용하지 않는다. 최신 전자식 온도 제어장치는 훨씬 더 정확하며 전류도 비교적 일정하게 공급되도록 제어할 수 있다. 제어장치만 신형으로 교체했을 뿐인데도 문제가 해결되는 것을 본 경험도 있다.

그 중 한 사례는 폴리카보네이트 성형품에 갈색 줄무늬가 생기는 문제였다. 정비팀은 핫 러너와 성형공정을 수정하여 문제를 해결하기 위해 많은 시간을 소비했지만, 결국 제어장치가 문제라는 것이 밝혀졌으며, 제어장치를 교체하자 문제가 일시에 해소되었다.

또 다른 경우는 표면 반사율이 엄격하게 규정되어 있는 성형품에서 규정된 반사율이 얻어지지 않았던 문제로, 이것 역시 제어장치를 교체하여 문제를 해결할 수 있었다.

문제 해결 요령
핫 러너 내부에서 용융수지의 흐름이 정체되어 고온에 의해 열화되는 문제는 이미 오래 전부터 잘 알려져 있다. 그러나 현재는 핫 러너 설계 기술의 발전으로 이런 문제는 거의 사라졌다. 핫 러너에서 성형품의 외관 결함을 초래하는 일이 가장 많은 부분은 핫-드롭 팁(Hot-Drop Tip)이다. 핫 러너에서 문제가 잦은 또 다른 부분은 핫 러너와 노즐 팁의 오리피스이다.

핫 러너 설계는 사이클 시간 및 게이트 베스티지(Vestige)를 개선하기 위한 팁의 설계 및 스타일에서 많은 기술적 진보를 이루었지만 이러한 구성 요소는 한편으로 용융수지 유동 통로에서 장애물이 되어 흐름에 정체를 일으킬 수 있는 것이다.

핫-드롭 팁 설계에는 일반적으로 로우-베스티지 팁(Low-Vestige Tip), 직선 관통 스프루, 밸브 게이트 등 세 가지 방식이 있으며 각 방식마다 다양한 변형품이 있다.

• 로우-베스티지 팁은 성형품에 최소한의 베스티지로 직접 게이팅할 때 주로 사용되며, 또한 콜드 러너에서 스트링거(Stringer)를 감소시키기 위해 사용된다. 경험에 의하면 대부분의 경우 이 팁 방식은 반드시 필요한 것은 아니다.

이 방식은 충전 압력(압력 손실)을 증가시키며 다색도 성형을 할 때 색상에 문제가 생길 수 있다. 또한 이 팁 방식은 오리피스의 부피와 면적이 작아 쉽게 막힌다. 이 단점은 재가공 원료를 사용하여 성형할 때 문제를 일으키는 수가 많다.

• 직선-관통 팁(Straight-Through Tip) 방식은 용융수지가 정체되는 부분이 작아서 변색이나 오염 문제를 최소화할 수 있는 경우가 많다. 하지만 단열 갭을 포함한 최신 설계에서도 경우에 따라 스프루 방식 팁도 문제를 일으킬 수 있다. 대부분의 시스템에서는 이런 갭을 메울 수 있는 부품을 갖고 있다. 이런 부품을 컬러 실(Color Seal)이라 부른다.

• 밸브 게이트는 성형품에 최소한의 베스티지로 직접 게이팅 하는데 사용되며 또한 여러 개의 밸브 게이트를 사용할 때 용융수지의 유동을 제어하기 위해 사용된다. 밸브 게이트들은 독립적으로 개폐될 수 있으므로 용융수지의 유동 전면과 니트 라인의 위치를 제어할 수 있다.