금형 설계자를 위한 터널형 게이트 정리 ①

모든 종류의 게이트 가운데, 터널게이트에 대해 잘못 알고 있는 경우가 가장 많다. 문제점들이 발생하는 것은 거의 대부분 너무 작은 사이즈의 터널게이트를 사용하기 때문이다. 용도에 가장 적합한 디자인의 터널게이트를 선택하기 위해 알아야 할 내용을 정리해 본다


투플레이트 금형에서 캐비티 충전을 위해 사용되는 콜드 러너에는 여러 가지 종류가 있다. 이 컬럼에서는 터널게이트 한 가지에 대해서만 초점을 맞추고자 한다. 모든 종류의 게이트 가운데 터널게이트에 관한 오해가 가장 많기 때문이다.

서브게이트(subgate) 혹은 서브마린게이트(submarine gate)라고도 알려져 있는 기울어진 원뿔 모양의 터널게이트는 최상인, 동시에 최악의, 게이팅 방법일 수도 있다.

최상의 방법인 경우는 금형이 개방되거나 성형품과 러너가 이형되는 순간 터널게이트가 자동적으로 성형품에서 분리되거나 게이트를 차단해주기 때문이다. 덕분에 사출기 작동자의 할일이 1/4로 줄어든다.

이렇게 절약한 작업량이 금방 쌓여 효과로 나타난다. 터널게이트가 가진 또 하나의 장점은 거의 모든 각도로 절삭 가공해 넣을 수 있다는 것이다. 따라서 다른 형태의 게이트로는 접근이 불가능한 위치, 이를테면 성형품의 가장 두꺼운 부위 같은 곳에 게이트를 만들 때 대단히 편리하다. 아래 내용은 다양한 종류의 터널게이트가 있으나, 가장 널리 사용되는 네 가지를 설명한다.

● 완전 원뿔형 게이트- 타원형의 게이트 자국을 남긴다.
● 꼭지점이 없이 잘린 원뿔대 혹은 D형 게이트- D자 모양의 게이트 자국을 남긴다.
● 구형 혹은 볼노우즈형(ball-nosed) 게이트- 완벽하게 둥근 게이트 자국을 남긴다.
● 끌(chisel)형 게이트 (플레어[flare] 게이트라고도 부름)-직사각형 게이트 자국을 남긴다.

이상의 네 가지 형태 모두 파팅라인에 가장 가까운 가장자리 강철을 칼날 같이 만들어준 부위가 있다. 이 날이 깎아내기 즉 전단을 수행한다. 하지만 D형 게이트와 볼노우즈형 게이트는 반대편 가장자리에도 칼날이 있다. 이 날부위들은 사출 과정에서 빠르게 마모된다. 특히 충전되거나 입자가 거친 소재를 사용하면 더욱 그렇다.

터널게이트가 쓰고 있는 가장 큰 오명은 수지가 너무 빨리 응고되어 성형품을 완전히 충전하거나 패킹하지 못하거나 지나치게 전단이 많이 발생할 수 있다는 것이다. 이런 문제점들이 발생하는 것은 거의 대부분 너무 작은 사이즈의 터널게이트를 사용하기 때문이다.

표준형 엣지게이트(edge gate) 깊이를 성형품 벽두께의 60~70% 정도로 해주고, 엣지게이트의 너비는 그 깊이의 두 배로 해주는 것이 일반적이다. 게이트의 너비는 소재의 유동 길이에 영향을 미치고, 깊이는 성형품을 완전 충전 측 패킹할 수 있는지에 영향을 미친다.

벽두께가 0.080인치인 성형품을 사출한다고 가정 했을때 깊이 0.050인치, 너비 0.100인치로 엣지게이트를 설계할 수 있을 것이다. 이때 이 게이트의 유동영역은 0.0050평방인치가 된다. 엣지게이트 대신 터널게이트를 사용하고자 할 때도, 성형품 벽두께의 60~70%라는 엣지게이트와 같은 규칙이 적용된다고 생각해서 같은 치수 0.050인치를 지름으로 사용할 수도 있다.

하지만 이 부분에서 오류가 발생한다. 이 두 가지 종류의 게이트가 동일한 유동 면적을 갖도록 하기 위해서는 정확한 수학적 계산이 필요하다. 타원형 터널게이트의 유동 면적은 아래와 같이 나타낼 수 있다:
● (Pi X 높이)/2 X 너비/2, 또는 ● (Pi X 높이 X 너비)/4

만일 이 경에 터널게이트가 45° 기울기로 설치되어 있다면, 타원형의 높이(큰 쪽 지름)는 0.096인치, 너비(작은 쪽 지름에서 툴 제작자가 게이지 핀으로 측정한 사이즈를 뺀 값)는 0.050인치가 아니라 0.067인치가 된다. 만일 “지름”을 0.050인치로 해주면, 유동 면적은 0.0028평방인치 밖에 되지 않아 “동일한 유동 면적” 엣지게이트 유동 면적의 약 절반에 지나지 않게 된다.

재미있는 사실은 이 두 가지 방식의 게이트를 동일한 유동 면적으로 설계하면 엣지게이트 쪽이 깊이가 얕아서 성형품의 완전충전 능력이 떨어진다는 점이다. 어떤 이들은 게이트 동결시간을 늘리지 않기 위해서 터널게이트의 오리피스 사이즈를 최대한 작게 유지해 주어야 한다고 생각한다. 말도 안되는 이야기다.

그럼 엣지게이트도 똑 같은 이유로 가능한 작게 만들 것인가? 게이트 동결시간이 좀 늘어나는 것이 무슨 문제가 된다는 말인가? 성형품의 응고가 아직 진행중이고, 따라서 성형품의 냉각에 필요한 시간은 변함이 없다. 최악의 경우 사이클타임을 유지하기 위해 스크류를 조금 빠르게 복귀시켜야 할 수는 있다.

어떤 이들은 터널게이트의 베이스가 러너의 지름이나 너비보다 커서는 안된다고 한다. 이거야말로 완전히 말도 안 되는 것으로 금형 설계시 고려해볼 가치도 없는 생각이다. 필자는 러너보다 훨씬 큰 베이스를 가진 터널게이트를 수 없이 보았고, 이들 모두 작동에 아무 이상이 없었다. 사실, 필자는 러너보다 큰 터널게이트를 선호하는 경우가 많다. 그래야 많은 양의 수지가 더 높은 온도를 오래 유지할 수 있고, 공정상의 유연성도 뛰어나다. 소재 유동에 거침이 적다. 이런 게이트는 보어(bore)가 막히는 일도 적다.

터널게이트가 쓰고 있는 또 한 가지 오명은 특히 게이트 사이즈가 클 때 높은 게이트 베스티지(vestige)를 남긴다는 것이다. 이 역시 부분적으로 말이 안 되는 이야기다. 게이트 크기가 베스티지의 크기에 영향을 미치는 것이 보통이지만, 베스티지가 얼머나 “깔끔한지” 또는 높이가 얼마나 되는지 등을 결정하는 주된 요소는 게이트가 부착되어 있는 벽의 기울기에 달려있다.

대게 터널게이트는 성형품에서 그냥 떨어져 나가지 않는다. 전단으로 깎아서 분리시킨다. 파팅라인에 가장 근접해 있는 강철에 난 구멍의 가장자리 날이 이 전단 작용을 수행한다. 이 규칙에는 예외가 있다. 소재의 유연성이 매우 높은 경우나, 금형 설계에 결함이 있는 경우, 2단계 사출시스템을 사용하는 경우 등이다.

앞서 든 예를 가지고 보자면, 터널 게이트가 4°의 측면 테이퍼링을 가진 성형품에 설치된 경우, 게이트 베스티지의 높이는 0.007인치 정도가 될 것이다. 약 1°정도의 보다 일반적인 기울기 각도를 지닌 경우라면 베스티지 높이가 0.001을 넘지 않을 것이다.

문제가 생기는 것은 테이퍼링 폭이 크거나 곡면을 가진 부품에 게이트를 만드는 경우이다. 이 같은 경우에는 게이트 베스티지가 꽤 높아질 수 있다.

게이트에 마모가 발생하여 다시 날카롭게 만들어주어야 하는 경우라면, 베스티지 크기(치수)는 한층 더 높아 질 수 있다. 테이퍼 기울기가 큰 성형품이나 곡면 부위에는 터널게이트를 사용하지 않는 것이 좋다. 터널게이트의 길이는 아주 짧을 수도 있고, 아주 길어도 된다. 길이가 짧은 터널게이트는 낮은 각도로 머시닝할 수 있는 반면, 길이가 긴 터널게이트는 제거가 쉽도록 더 큰 각도가 필요하다.

길이가 긴 게이트는 캐비티에서 더 멀리 떨어진 지점에서 시작되므로 더욱 튼튼한 금형을 만들 수 있다. 낮은 각도의 게이트는 캐비티 벽에 가까이 머시닝 해주어야 하므로 이 지점에서 수지의 플래쉬(flash)가 발생하는 경우가 많다. 짧은 터널게이트를 위해 별도의 게이트 인서트(gate insert)를 활용하는 것도 좋은 방법이다. 장차 발생할지도 모를 용접작업의 필요성을 크게 줄여줄 것이다.

터널게이트 가 받는 또 한가지 오해는 “젯팅(jetting)”의 원인이 된다는 것이다. 이것 역시 대개는 틀린 생각이다. 원료가 슬금슬금 기어서 캐비티로 가는 것이 아닌 한, 엣지형(edge), 터널형(tunnel), 캐슈형(cashew), 부채형(fan), 핀포인트(pinpoint), 등 어떤 유형의 게이트를 쓰더라도, 심지어 핫러너를 사용해도, 흐름을 막아주는 장애물에 부딪치지 않는 이상 용융수지가 금형 벽면과 제대로 접촉하지 못하고 빠른 속도로 가늘게 유동해서 겹치면서 표면 불량인 젯팅 현상이 어느 정도는 발생한다.

장애물로 가장 흔히 사용하는 방법은 캐비티 벽 맞은 편에 게이트를 설치해 주는 것이다. 작은 게이트는 젯팅의 발생 가능성을 높인다. 터널게이트는 적정 사이즈보다 작게 만들어지는 경우가 흔하기 때문에, 캐비티의 너비가 0.100인치일 때 0.030인치 게이트에서 0.060인치 게이트에서보다 젯팅이 더 심하게 발생할 것이다.

소재의 유동흐름이 가늘수록 게이트를 빠르게 빠져 나와 캐비티 벽면들 사이를 이리저리 휘젓고 다닐 공간이 더 많다. 게이트와 첫번째 장애믈 사이의 거리가 얼마나 되는가에 따라 젯팅의 발생 여부가 결정되곤 한다.

터널게이트가 젯팅의 원인이 된다는 말이 대개 옳지 않다고 하는 까닭은 이것이 터널게이트의 기울기에 따라 다르기 때문다. 터널게이트의 센터 라인의 기울기는 보통 파팅라인에서 30°~50°각도이지만, 20°밖에 안 되거나 60°나 되는 경우도 필자는 본 적이 있다. 각도가 클수록 젯팅의 발생 가능성이 높아진다. 캐비티 내 반대편의 금형 코어에 바로 가서 부딪히지 않고, 빈 공간으로 수지 줄기가 빠르게 뿜어져 들어가는 것이다.

하지만, 소재 종류, 사출 속도, 금형 온도 및 십여 다른 요소들이 젯팅 발생과 관련이 있다. 단지 게이트 타입이 문제가 되는 것이 아니다. 사실 필자는 3/4인치나 너비에 1/4인치 깊이의 커다란 엣지게이트가 널따란 빈 캐비티 안으로 젯팅을 일으키는 것을 본적도 있다.

툴 설계자라면 젯팅 발생 가능성을 고려하여, 그로 인해 발생할 수 있는 위험을 최소화하기 위해 어떤 변화를 줄 수 있는지 생각해 보아야 한다. 어떤 경우에는 젯팅을 일으킬 수 있는 큰 각도의 게이트와 금형을 약하게 할 수 있는 얕은 각도의 게이트 사이에서 적절한 철충점을 찾아내야 한다.

터널게이트의 길이나 각도 또는 종류와 상관없이 게이트 보어는 안쪽 방향으로 연마해주어야 한다. 이 규칙은 소재가 부드럽거나 엘라스토머 종류일 때는 예외다. 이런 소재들은 무광택 마감을 해주어야 잘 들러붙지 않는다. 필자는 모든 터널게이트를 EDM으로 머시닝 해줄 것을 권장한다.

특히 멀티캐비티 금형에서는 더더욱 그렇다. 터널게이트는 작은 성형품을 만드는 공정에 사용되는 경우가 많기 때문에 게이트 자체가 대개는 작다. 게이트들의 오리피스 사이즈가 각각 0.001인치 또는 0.002인치 범위를 넘어서게 되면, 성형품의 치수에 변화가 생길 수 있다.

사출성형 현장에서는 모든 것을 백분율의 관점에서 생각해 보는 것이 도움이 된다. 게이트 하나의 지름이 0.03인치이고 다른 게이트의 지름이 0.027인치라고 가정해 보자. 별것 아닌 것처럼 보이는 0.003인치가 유동 면적의 20% 이상을 날려버리고 있는 것이다. 해당 캐비티는 게이트가 너무 빨리 동결되어 싱크(sink)나 빈공간(voids)이 생길 수 있다. 바로 종이 한 장 두께 정도의 차이 때문에 말이다.

D형 게이트나 끌형 게이트는 깊이가 낮은 부품 성형에서 타원형 게이트보다 훨씬 효과적이다. 필자는 끌형 게이트를 권장하는 편은 아니지만, 끌형 게이트를 머시닝하여 일종의 직사각형 D형 게이트를 만들어줄 수도 있다. 하지만 깊이가 낮은 성형품에 연결하기 위해 낮은 각도로 게이트를 만들어 주었을 때 게이트가 분리될 수도 있다는 염려가 든다면, 게이트 자리에 있는 파팅 라인을 옮겨주어 게이트 각도를 더 급격하게 만들어 줄 수도 있다.

터널게이트를 고정측 형판에 머시닝 해줄 때는 게이트를 보어에서 잡아 빼주기 위한 기계적 수단이 필요하다. 보통 투플레이트 금형에서는 짧게 만든 이젝터 핀에 언더컷이나 역테이퍼링을 주어 사용하고, 스트리퍼 플레이트(stripper-plate) 방식 금형에서는 서커핀(sucker pin)을 사용한다.

커널게이트를 가동측 형판에 머시닝하는 경우에도 게이트를 보어에서 잡아당겨 빼내기 위한 기계적 도구가 필요하다. 마찬가지로 짧게 만든 이젝터 핀을 사용하는 경우가 보통이지만, 역테이퍼링이 없는 것을 쓴다.

금형의 어느쪽 형판에 터널게이트를 설치해주는가와 상관없이 이젝터 핀과 터널게이트 사이의 거리 그리고 짧게 만든 이젝터핀이 형성하는 보스(boss)의 길이가 결정적으로 중요하다. 핀이 너무 가까이 있으면 터널게이트가 유연하게 이리저리 움직일 수 없다. 또 너무 멀리 떨어져 있으면, 움직임이 지나칠 수 있다. 양 쪽 다 문제를 일으킬 수 있다.

모든 금형 설계는 저마다 다를 수 밖에 없고, 성형 원료 또한 특성이 모두 다르다. 이를테면 이젝터핀이 정확히 어디 자리해야 한다는 식의 불변의 규칙 같은 것은 없다. 모든 것은 금형의 개방이 시작되는 시점의 터널게이트와 러너의 단단하기에 달려있다. 게이트와 러너가 단단할 수록, 이젝터 핀을 더 멀리 두어야 한다.

금형의 고정측 형판에 터널게이트를 만들어 줄 때, 짧은 이젝터핀에 의해 형성된 보스는 그렇게 길 필요가 없다. 보통은 러너 지름 정도면 된다. 하지만 가동측 형판에 터널게이트를 설치할 때는 보스의 길이가 최소한 터널게이트의 길이(게이트의 깊이가 아니라 빗변 길이) 정도는 되어야 한다.

필자가 배운 것 중에 최고의 가르침은 일이 잘못되었을 경우를 대비한 계획을 세우고, 그렇게 되었을 때 문제를 극복할 수 있는 옵션을 생각해 두라는 것이다.

터널게이트와 관련해서, 첫 번째 규칙은 러너 이젝터핀에 베어링면(bearing surface)을 많이 남겨두라는 것이다. 보스의 길이를 늘려주어야 할 때 핀만 가지고 어렵다면, 고정식 슬리즈를 설치해 주어야 한다.

필자는 가동측 형판에 터널게이트를 머시닝해서 금형 개방 스트로크가 진행될 때 성형품에서 떨어지도록 설계한 금형을 다룬 적이 있다. 비용이 많이 드는 2단계 이형시스템을 채택하는 대신 금형의 고정측 형판에 포물선형 러너를 머시닝해 주었다. 러너의 끝부분에는 언더컷 또는 “폴러(puller)” 리브(ribs)를 약간의 기울기를 주어 러너의 측면에 머시닝해 넣었다.

금형이 개방되면, 러너가 구부러지면서 동시에 러너 측면의 리브가 보어에서 터널게이트를 잡아 빼주면 금형이 개방을 계속하면서, 언더컷 리브가 고정측 형판에서 분리되었다. 중앙의 스프루풀러가 러너를 고정시켜주어 금형이 완전 개방되었을 때 가동측 형판에서 이형될 수 있도록 해주었다.

다른 종류의 게이트와 마찬가지로, 터널게이트도 게이트가 수지로 막히거나 필요 이상의 원료가 캐비티로 유입되는 것을 막기 위한 오버플로우(overflow) 또는 콜드웰(cold well)이 만들어진 러너를 통해 수지를 공급해야 한다. 그리고 다른 모든 게이트와 마찬가지로 터널게이트에서도 게이트가 러너와 만나는 지점 그리고 러너와 이젝터핀이 만나는 지점에는 충분한 곡면을 만들어 주어야 한다.

만일 취성이 강한 원료를 사용하는 경우라면 이 두 지점 중 한 곳에서 끊김이 발생할 가능성이 크기 때문이다. 터널게이트 하나 당 하나의 짧은 이젝터 핀을 사용하는 대신, 게이트와 등거리 지점에 두 개의 짧은 이젝터 핀을 장착해 사용하는 것을 권하고 싶다. 약간 비용이 더 들지만, 이 같은 설계를 사용해 매우 만족스러운 결과를 얻을 수 있었다.

이제 게이트 플레이킹 (gate flaking) 문제를 살펴보자. 필자는 이를 금형킬러라고 부른다. 플레이킹으로 손상을 입은 사출 금형을 수리하기 위해서는 호빙(hobbig)이 발생한 표면을 제거하고 수지 흐름을 방해하는 부위를 수리하기 위해 파팅라인 부분을 그라인딩 해주어야 한다.

하지만 그렇게 하다보면 성형품의 전체적인 높이가 짧아지면서 규격에서 벗어날 가능성도 있다. 뿐만 아니라 성형품 맨 위쪽의 벽두께가 전보다 얇아져 레이스트랙(racetrack) 또는 백필(back-fill) 상태로 이어질 수도있다. 이 같은 상황을 해결하기 위해서는 금형 코어의 윗부분을 그라인딩 해주어야 하지만, 그래도 성형품 길이가 짧아진 것은 해결할 수가 없다.

규격에 맞는 성형품을 만들기 위해서는 캐비티들을 더 깊이 절삭해주고 다시 연마해주어야 한다. 결론적으로, 터널게이트 플레이킹에 의해 초래된 손상을 제대로 고치기 위해서는 금형 전체를 거의 새로 만드는 수준의 작업이 필요하다. 이것이 바로 필자가 플레이킹을 금형 킬러라 부르는 까닭이다. 그렇다면 이 무서운 플레이킹을 어떻게 예방할 것인가?

플리이킹 예방법을 이해하기 위해서는 우선 무엇이 플레이킹을 일으키는지를 이해해야 한다. 여기 사진을 보면 타원형 터널게이트 끝부분에 작은 플레이크가 발생했다. 터널게이트는 보어에서 빠져나오면서 이리저리 움직인다. 이렇게 이리저리 움직이면서 터널게이트에는 “스프링하중(springloads)”이 가해지고, 터널게이트는 보어에서 완전히 빠져나온 뒤에는 원래 모양으로 되돌아가려는 탄성을 발휘한다. 이 때 터널게이트가 보어에서 완전히 빠져나와 분리되기 직전의 순간에 플레이크가 발생한다.

스프링 장력은 터널게이트 끝 작은 딱딱한 플라스틱 부분의 강도보다 크기 때문에 이 부위에 균열을 발생시킨다. 어떤 경우에는 간신히 터널게이트 끝 부분에 달라붙어 있기도 하고, 어떤 때는 이송장치로 떨어지기도 한다. 하지만 정전기 때문에 파팅라인 전면에 들러붙어 있는 경우가 보통이다.

타원형 터널게이트는 이런 플레이킹 문제의 가장 큰 주범이다. 특히 게이트 길이가 길고 파팅라인의 각도가 45°가 넘을 땐 더더욱 그렇다. 이 상황이 바로 타원형의 큰쪽 지름이 가장 커지게 되고, 게이트 팁의 구조적 통합성은 가장 약하지는 때다. D형 게이트는 플레이크가 잘 일어나지 않는 장점을 가지고 있다.

하지만 끌형 게이트 너비가 넓고 구조적 통합성이 더욱 강하기 때문에 플레이크 방지에는 최상이다. 끌형 게이트는 게이트 베스티지도 가장 적게 남긴다. 끌형 게이트는 동일한 수준의 유동 면적을 가진 여러 가지 종류의 터널게이트 가운데 가장 깊이가 얕기 때문이다.

하지만 어떤 유형의 터널게이트를 사용할지 선택하기에 앞서 소재 공급사의 설계 매뉴얼을 확인해야 한다. 특정 종류의 소재에는 특정한 게이트가 필요한 경우도 있고, 그것이 이 컬럼에서 언급한 네 가지 가운데 하나가 아닐 수도 있기 때문이다.

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