금형 설계자를 위한 터널형 게이트 정리 ②

실제 현장에서 발생하는 문제 극복을 위해 알아야 할 것들이 많다 그 중에서 이번 칼럼에서는 가공 현장의 관점에서 터널게이트를 두고 자주 겪게 되는 문제들에 초점을 맞추고, 그에대해 입증된 해결책 또한 제안해 보고자 한다.

터널게이트는 변덕을 부릴 수 있다. 어떤 때는 아무런 문제 없이 잘 작동하다가, 다른 경우에 가면 엄청나게 속을 썩이기도 한다. 지난 회 칼럼에서는 금형설계자의 관점에서 터널게이트와 관련한 여러 가지 문제를 다루었다. 이번 칼럼에서는 가공 현장의 관점에서 터널게이트를 두고 자주 겪게되는 문제들에 초점을 맞추고, 그에대해 입증된 해결책 또한 제안해 보고자 한다. 성형 현장에서 터널게이트와 관련해 맞닥트리게 되는 가장 흔한 문제 네 가지는 아래와 같다:
● 터널게이트가 보어에서 잘 빠지지 않는다.
● 터널게이트가 부러진다.
● 이형시 금형 위로 움직여버린다.
● 터널게이트 하나는 나오는데, 다른 하나는 나오지 않는다.

만일 금형의 고정측 형판에 가공된 터널게이트가 잘 빠지지 않는다면, 금형을 1/4인치쯤 개방한 상태에서 러너가 가동측 형판에 제대로 고정돼 있지 않고 당겨져 움직이고 있지 않은지 확인해 봐야 한다. 만일 그렇다면 러너를 더 튼튼하게 고정해줘야 한다.

터널게이트 부근의 보스 길이를 늘이거나 그 보스에 언더컷을 더 만들어주면 보통 이 문제를 해결할 수 있다. 하지만 게이트가 마모되었거나 보어 안쪽의 연마가 제대로 이루어지지 않아서 이 문제가 발생했을 가능성을 배제해서는 안 된다.

그림 1 - 이젝터핀의 위치가 터널게이트에서 너무 멀 때는 러너를 뻣뻣하게 만들기 위해 리브를 만들어주면 러너가 이리저리 움직이는 현상을 줄일 수 있다.

게이트가 잘 빠져나오지 않는 더욱 흔한 이유로 게이트와 러너가 만나는 지점 또는 러너가 짧게 만든 이젝터 핀으로 형성된 보스와 만나는 지점에서 러너가 끊어지는 경우를 들 수 있다. 이 문제는 단단하고 충전된 원료를 사용하는 경우 매우 자주 발생한다. 하나같이 그 원인은 이 교차부위 안에 있는 날카로운 모서리다.

해결책은 이 부위를 곡면으로 만들어 날카로운 부분을 없애주는 것이다. 겉모양은 보기에 깔끔하지 않을 수도 있지만, 효과를 볼 수 있다. 이 부위들의 날카로움을 줄여주는 것 말고도 플라스틱의 양 자체를 늘리는 것도 도움이 된다.

더 많은 양의 플라스틱은 더 높은 온도를 더 오래 유지하게 되고, 이는 소재의 연성을 높여준다. 공간이 허락한다면 파팅라인의 플라스틱 양을 더욱 늘려주기 위해 터널게이트의 끼인각을 더 늘려주는 것도 좋은 방법이다. 터널게이트가 가공돼 있는 형판쪽 금형 온도를 올려주는 것도 효과가 있지만, 그 결과로 사이클타임이 늘어나게 된다. 어떤 이들은 러너의 유연성을 높이기 위해 게이트 주변 러너의 사이즈를 늘려주기도 한다.

그림 2 - 터널게이트를 장치한 여러 가지 원료를 가공하는 금형에서 보스를 형성하는 이젝터핀의 위치 결정은 특히 까다롭다.

하지만 멀티캐비티 금형에서는 이 방법을 권하고 싶지 않다. 캐비티간의 균형을 깨트릴 수 있기 때문이다. 위에서 말한 방법들 모두 본격 적용하기에 앞서, 조금 더 빠른 사이클타임으로 몇 차례의 숏을 진행해야 한다. 사이클이 더 짧고, 금형 온도가 더 높을수록, 게이트와 러너의 온도도 더 높아지고 유연성도 높아진다.

사이클타임을 빠르게 해도 양품을 얻을 수 있고, 게이트가 들러붙거나 끊어지는 문제가 나타나지 않는다면 진짜로 문제 해결에 성공을 거둔 것이다. 러너가 성형품 받이(chute)로 떨어지기 전에 리더 핀(leader pins) 혹은 타이바로 튀어 올라 성형품에 그리스가 묻을 수도 있다. 이 같은 문제는 터널게이트가 금형의 가동측 형판에 가공돼 있고 게이트 옆의 보스가 지나치게 짧을 때 자주 발생한다.

그림 3 - 타원형 게이트를 끌형 게이트로 바꿔 플레이크 문제를 해결할 수 있다.

터널게이트는 기본적으로 보어를 통해 빠져나오기 전까지는 힘을 가해 눌러준 스프링과도 같다고 할 수 있다. 만일 터널게이트가 금형에서 풀려나기에 앞서 보스가 풀려나온다면 러너는 마치 로켓처럼 발사돼 버린다.

이젝터핀으로 형성된 보스의 길이를 늘여주면 대개 이 문제를 해결할 수 있다. 멀티캐비티 금형 또는 여러 개의 터널게이트가 필요한 성형품의 경우 한 게이트는 잘 빠져나오는데, 다른 게이트는 나오지 않고 그대로 있는 경우가 종종 발생한다. 이 같은 문제는 대개 이형을 위한 스트로크 중에 이젝터 핀 가운데 하나가 러너를 제대로 밀어내지 못하고 미끄러져 발생한다.

이럴 때도 마찬가지로 이젝터 핀에 의해 형성된 보스의 길이를 늘여줌으로써 문제를 해결할 수 있다. 가동측 형판에 가 공된 터널게이트의 경우 길이를 짧게한 이젝터 핀에 의해 형성된 보스의 길이는 터널게이트 자체의 길이보다 언제나 길어야 한다. 금형에 필요한 만큼 이젝터핀 길이를 짧게 할 수 있는 수용공간이 없거나 충분한 이젝터 스트로크가 이뤄지지 않으면(금형 쪽에서든 사출기 쪽에서든), 이젝터 핀의 끝부분에 뾰쪽한 지점을 만들어 주는 것도 방법이다. 어떤 이들은 이를 ‘위치조절 원뿔(centeringcone)’이라 부르기도 한다.

이렇게 해주면 심지어 이젝터 핀이 금형의 파팅라인 지점을 벗어나 있는 경우에도 보스가 이젝터 핀을 벗어나지지 않도록 해준다. 터널게이트가 고정측 형판에 머시닝 된 경우에는 최초의 금형 개방속도가 터널게이트가 보어에서 빠져나올 수 있는지 여부에 영향을 끼칠 수 있다.

그림 4 - 터널게이트가 성형품에 심한 상처를 남기는 경우는 대개 여러 가지 복합적 문제들이 원인이 된다.

또한, 성형품에 남은 베스티지의 상태에도 영향을 미칠 수 있다. 이와 반대로, 터널게이트가 가동측 형판에 가공된 경우에는 최초의 이형속도가 터널게이트 보어에서 문제없이 제대로 제거돼 나올 수 있는가의 여부에 영향을 미치고, 성형품 표면의 베스티지 상태에도 역시 영향을 준다.

이렇듯 이 두 가지 종류의 속도에 변화를 가하면 다른 공정 결과를 얻을 수 있기 때문에 당장 특별한 문제가 없더라도 속도를 빨리하거나 늦추었을 때 어디서 더 바람직한 결과가 나오는지를 알아보는 것도 좋다.

그리고 그를 기본으로 공정 윈도우를 최대한 넓히기 위해 설정값을 적절하게 조절하는 것은 더할 나위 없을 것이다. 제팅(jetting) 문제는 원료가 금형 내의 적절한 장애물이나 방해물에 바로 부딪히지 않고 빠른 속도로 주입돼 발생한다.

원료가 금형 안의 넓은 빈 공간으로 빠르게 주입되면 제팅 불량을 피하기 어렵다. 이때 만일 게이트의 크기가 너무 작으면 상황을 더욱 악화시킬 수 있다. 게이트 사이즈를 늘리는 것이 문제 해결을 위해 우선적으로 시도해야 할 일이다.

왜냐하면 이 방법이 가장 비용이 적게 드는 해결책이기 때문이다. 금형 코어의 온도를 올리는 것도 도움이 될 수 있다. 금형 코어가 차가우면 용융 수지가 튕겨 나와 캐비티 안쪽으로 더욱 빠른 속도로 빨려 들어갈 수 있기 때문이다.

또한, 수지 주입속도를 조절하는 것도 방법이다. 게이트 바로 직전 지점에서 수지 주입속도를 아주 느리게 해서 게이트 바로 앞에 작은 용융수지 웅덩이가 생기도록 해주는 것이다. 이 작은 웅덩이가 그 뒤에 따라 오는 원료에 장애물 작용을 한다. 일단 웅덩이가 형성되고 나면 원하는 주입 속도로 돌아갈 수 있다.

이 ‘해결책’에서 아쉬운 점은 툴링이 가진 문제를 해결보다는 에둘러 가고 있다는 점이다. 만일 근본 원인을 바로잡고 싶다면 게이트 맞은 편에 작은 코어 핀을 설치할 수 있는지 검토해 보라. 이 핀이 제팅을 막아줄 장애물 역할을 할 수 있다.

그림 5 - 이젝터핀이 터널게이트에 너무 가까이 있는 경우에는 보스의 길이를 늘려주고 파팅라인에 주입되는 플라스틱의 양을 늘려줌으로써 문제를 해결할 수 있다.

이 코어핀은 캐비티 안쪽까지 갈 정도로 길 필요가 없다. 만일 그렇게 되면 성형품 안에 구멍을 만들게 될 것이기 때문이다. 대략 게이트의 깊이와 비슷한 정도로만 짧게 만들어주면 된다. 금형 설계자는 터널게이트의 종류, 위치, 사이즈, 그리고 그 제거방법 등에 대한 결정을 내린다. 이 모든 결정은 그 설계자가 학습한 바와 다년간의 경험을 통해 배운 것을 기반으로 할 것이다. 하지만 모든 금형은 하나하나 다르다. 100번 성공했더라도, 101번째는 상황이 다를 수 있다.

어떠한 문제가 생기면 금형 설계자와 금형 제작사는 현장에서 금형을 실제 사용하는 성형업체가 주는 정보에 따라 문제해결을 위한 후속조치를 취할 수 밖에 없다. 그러자면 성형업체는 금형 설계자 내지 제작자에게 문제가 정확히 무엇인지 제대로 설명할 수 있어야 한다.

이를 위한 최상의 방법은 스마트폰으로 비디오를 찍어 느린 동작으로 재생해 보여주는 것이다. 그림 4에서는 투플레이트 금형의 고정측 형판에 가공된 타원형 터널게이트가 남긴 보기 흉한 흔적을 볼 수 있다. 게이트가 남긴 흉터가 상당히 거칠고 꽤 패어 들어가 있음을 눈여겨봐야 한다. 뿐만아니라 게이트 아래 성형품의 측면으로 끌린 자국까지 보인다. 이런 현상의 분명한 원인 가운데 하나는 게이트 끝의 날카로운 가장자리가 마모돼서이다.

두 번째, 보다 덜 명확한 원인으로 꼽을 수 있는 것이 터널게이트 보어가 제대로 연마되지 않아 거칠거나 표면에 작은 구멍이 생긴 경우다. 세 번째, 역시 그리 분명하지 않은 원인으로 게이트가 너무 커서 러너가 금형 개방 중에 이리저리 움직여서 이런 일이 일어날 수도 있다.

큰 게이트들은 성형품에 매우 큰 고정력을 가한다. 이 힘이 너무 커서 금형 개방 스트로크 동작 중에 금형의 가동측 형판에서 러너가 벗어나 이리저리 움직이도록 만드는 경우가 적지 않다. 휜 러너의 고정력이 게이트의 고정력을 이겨내는 순간 게이트를 성형품에서 세게 분리해 놓게 된다.

성형품의 내측 벽 부위는 대개 동결된 게이트보다 온도가 높기 때문에 그로 인해 온도가 높거나 약한 부위가 끊어지거나 파손되는 일이 발생하고, 성형품에 패인 흔적을 남기기도 한다. 이 같은 복합적인 문제의 해결을 위해서는 게이트 끝 가장자리를 날카롭게 만들어주고, 보어 안쪽을 매끄럽게 연마해 주고, 러너가 이리저리 움직이지 않도록 강도를 높이거나 러너의 고정력을 높여주는 것이 필요하다.

러너가 너무 유연하여 이리저리 움직이는 가장 흔한 원인은 보스를 만들어주는 짧은 이젝터핀이 게이트에서 너무 멀리 떨어져 있기 때문이다. 냉각수 라인이나 다른 장애물 때문에 핀을 게이트에 더 가까운 위치로 옮길 수 없다면 러너를 좀 더 뻣뻣하게 만들거나 이리저리 움직이지 않도록 리브를 만들어주는 것도 방법이다.

러너를 뻣뻣하게 만들기 위한 리브는 파팅라인의 한쪽 측면 또는 심한 경우 양쪽 측면 모두에 만들어 넣어준다. 러너가 너무 뻣뻣하지도 또 너무 이리저리 움직이지도 않도록 하기 위해 짧은 길이 이젝터 핀의 최적 위치를 찾는 일은 그리 쉬운 일이 아니다. 게다가 금형으로 한 가지 이상의 원료를 가공해야 하는 경우라면 이 결정은 더욱 어려운 것이 된다.

한 가지 옵션은 기존의 핀보다 게이트에 더 가까운 위치 또는 훨씬 먼 위치에 또 하나의-교체 가능한-짧은 길이의 이젝터핀을 추가해 주는 것이다. 이렇게 하면 원료에 따라 각각 각기 다른 핀을 사용할 수 있다.

플레이크(flakes) 문제가 있는지? 지난 칼럼에서 필자는 터널게이트의 끝부분에서 플레이크가 생기는 까닭을 설명하며 타원형 터널게이트에서 이 문제가 가장 빈번히 발생한다는 점을 지적했다. 만일 플레이크 문제로 고민하고 있다면 가장 좋은 해결책은 타원형 게이트를 끌형 게이트로 교체해 주는 것이다.

그림 3의 터널게이트 사진은 필자가 45% 유리충전된 나일론 66 성형품 제작을 위해 개량한 것이다. 여전히 타원형 게이트의 흔적을 볼 수 있다. 하지만 이를 사용해서 플레이크 불량을 즉시 없앨 수 있었고, 공정 윈도우도 훨씬 여유 있게 만들 수 있었다.

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