핫 스프루(Hot Sprues)

핫스프루 끝이 곧바로 파팅라인과 만나 차단되도록 하는 방식과 내부에 얇은 원 판이 성형되도록 공간을 주는 방식 가운데 어떤 것이 좋은지는 여러 해 동안 논쟁거리가 되고 있다.

최근 금형설계와 관련된 한 가지 문제를 두고 다시 열띤 논쟁이 벌어졌다. 핫스프루 말단과 투플레이트 금형 콜드러너의 파팅라인 사이에 의도적으로 공간 혹은 간극을 남겨 두는 것이 좋은지를 둘러싼 논쟁이다. 여기서 말하는 것은 선형 열팽창을 보정하기 위해 필요한 공간이 아니다. 얇은 플라스틱 디스크, 즉 원판이 성형되도록 두 면 사이에 두는 0.005~0.050인치 두께의 부가적 공간을 말한다.

필자는 이제 이 문제에 관해 모종의 매듭을 짓거나, 그것이 아니라도 최소한 기존의 모든 찬반 논의를 전체적으로 소개함으로써 금형 설계자들이 자신들의 필요 또는 성형품 용도에 가장 적합한 선택을 내리는 데 필요한 정보를 제공할 수 있는지 검토해야 할 시점 이라고 생각했다.

별로 놀랍지 않게도, 필자는 인터넷뿐 아니라 여러 해 동안 모아온 수많은 플라스틱 관련 참고서적, 세미나 자료 집, 잡지기사 등 그 어떤 곳에서도 이 주제에 관해 단 한 줄도 찾아볼 수 없었다. 그래서 업계에서 높은 신뢰를 얻고 있는 핫스프루 제작업체, 툴 메이커, 성형품 가공업체, 원료회사의 기술 담당 부서 등 몇 곳에 연락을 취해 그들의 의견을 구했다.

모두 이들 각자 의견의 찬반 양쪽모두 극단적으로 다를 뿐 아니라 각자가 선호하는 설계방식 및 그를 뒷받침하는 이유까지 조금의 흔들림도 없이 완고한 견해를 보인다는 사실에 적잖이 놀랐다.

스프루와 파팅라인 사이에 간극을 두어 얇은 디스크가 성형되도록 하는 방식이 좋다는 의견이 가장 설득력 있는 근거는 아마 이 방법을 씀으로써 핫스프루가 고정측 금형의 파팅라인 너머까지 절대 팽창되지 않는다는 점일 것이다.

스프루 팁이 지나치게 멀리 팽창되면 가동측 금형에 반복적으로 충격을 받아 스프루 팁의 나사가 서서히 풀리게 되 고, 그 결과 훨씬 더 심각한 파손이 초래되어 노치감도가 높은 나사니 부근에 균열을 일으킬 수 있다는 연구결과도 있다. 핫스프루 팁의 나사부분이 록타일(Loctite) 같은 나사용 접착제가 아니라 고착방지용 윤활제 막으로 덮여 있다는 점을 고려하면 충분히 그럴 수 있다.

이 두 가지 모두 원판이 성형되도록 공간을 두자는 주장은 아주 좋은 이유가 된다. 이 원판이 핫스프루의 게이트에 남아있는 굳은 수지원료를 잡아내는 콜드웰(cold well) 역할을 해주기 때문에 좋다고 하는 이들도 있다.

필자는 이 의견에는 동의할 수 없다. 플라스틱은 가장 저항이 적은 경로를 따라 움직이기 때문이다. 원판의 두께가 매우 두껍거나 수지원료의 점도가 아주 낮은 경우가 아니면, 원료는 얇은 원판 안으로가 아니라 넓게 열린 러너 안으로 우선적으로 흘러 들어간다.

사실 원판 부분에는 수지 흐름이 제 약을 받는 게이트에 도달하기 전까지는 수지가 채워지지도 않을 가능성이 크다. 따라서 얇은 디스크가 성형되도록 한다고 해서 이것이 콜드웰 효과를 내줄 가능성은 아주 낮다.

하지만 디스크는 ‘플래시를 잡는 역할(flash trap)’을 한다. 디스크는 원료를 가두는 얇은 원판형 우리로서 플래시를 예방하기 위해 러너 측면 아래에 부착된 다. 이 우리는 얇기 때문에 용융수지 전달체계 내의 압력이 높은 수준에 달하기 전에 굳는다.

따라서 얇게 성형된 원판은 러너의 그 주변 영역이 플래시로 인해 피해를 보는 것을 막아준다. 이 역시 얇은 디스크 성형공간을 두면 좋은 또 하나의 이유다.

반면 디스크 성형공간을 두는 것에 반대하는 이유 가운데 하나는 사출압력이 핫스프루가 ‘뒤로 밀릴’ 가능성이 높아진다는 것이다. 대부분의 핫스프루는 표준 1인치 지름을 갖고 있다. 논의를 위해 최대 사출압력이 14000psi의 플라스틱압력이라 가정하면, 핫스프루를 고정형판쪽으로 밀쳐내는 11000psi가량의 압력이 발생하게 된다.

이때 사출기가 소형이라서 노즐 접촉력 이 강하지 못한 경우에는 핫스프루가 실제로 뒤로 밀릴 가능성이 있다. 핫스프루를 1/4-20 소켓헤드캡나사로 고정시켜 놓았다면 시간이 지나면서 볼트에 피로로 인한 균열이 발생해 결국 핫스프루가 뒤로 밀리는 사태가 발생할 수 있다.

하지만 핫스프루가 뒤로 밀릴 수 있다는 주장은 핫스프루 고정에 플랜지 결합형 클램프 타입 로케이팅 링(예를 들면, Progressive Components Part사의 LR519 제품 같은)을 사용했을 때는 힘을 잃는다. 이런 유형의 로케이팅링은 핫스프루를 고정해줄 뿐 아니라 그 자체가 고정형판에 의해 완벽하게 지지가 되기 때문이다.

디스크 성형공간을 두어서는 안 된다는 주장의 근거로 필자가 접한 것 가운데 가장 엉터리라 생각되는 것은 “이제까지 쭉 스프루 팁을 파팅라인과 나란히 맞닿게 설계해왔다”는 고집이다. 이것은 근거나 까닭이 아니라 변화를 거부하는 구세대적 사고방식일 뿐이다.

필자 또한 구세대의 한 사람으로 말하자면, 이제까지 늘 그런 방식으로 설계가 이뤄져 왔고, 또 누구도 그에 대해 의문을 제기하지 않았다는 것이 사실이다. 예전에는 디스크 성형공간을 두면 무슨 문제가 있냐고 사람들이 묻곤 했다.

선형 열팽창 계산을 제대로 했다면 핫스프루가 파팅라인을 넘어 팽창되는 일은 일어날 까닭이 없다. 이 열팽창 값 계산은 말이 쉽지, 실제로는 좀 까다롭다. 사실, 처음부터 딱 맞는 정확한 값을 구할 가능성은 매우 낮다.

정확한 값을 구하기 위해서는 금형 조립시 뿐 아니라 최초 시운전 후에도 적절한 조정이 필요한 경우가 흔하다. 선형 열팽창의 양을 계산하기 위해 사용 되는 공식은 아래와 같다.
ΔL = La A~ (Tp - Ta) A~ α

ΔL은 가공온도에서 핫스프루의 길이 증가분이다. La는 주변온도에 노출된 핫스프루의 지지가 되지 않은 길이 이며, Tp는 성형하는 원료의 가공온도 다. Ta는 주변온도(일반적으로 20℃)이며, α는 소재(대개 강철)의 열팽창계수 이다. 대부분의 경우 Ta와 La는 고정 값을 지닌다. α또한 고정값이다.

하지만 제대로 된 값을 사용하고 있는지는 분명히 해야 한다. 표 1은 사출금형에 사용되는 다양 종류의 강철 소재의 열팽창계수를 필자가 조사 해본 내용이다. 열팽창계수는 6.1에서 7.3A~10-6in/in-℉ 범위에 걸쳐 있다. 최고값과 최저값 사이의 차이는 극히 작지만(0.0000012in/in-℉) 중요하다. 만일 10인치 길이의 핫스프루를 600℉(315℃) 온도에서 가동한다면, 열팽창계수 차이는 0.5A~10-6in/ in-℉이지만, 이는 0.003인치의 차이를 의미한다.

이 차이는 성형에 사용하는 원료에 따라 플래시가 생기거나 금형을 절삭해 수정해야 하는 정도의 문제를 일으킬 수 있는 크기이다. 모든 종류의 금형용 강철에‘범용’팽창계수를 적용해 서는 안 된다. 열팽창계수는 강철 종류에 따라 달라질 뿐 아니라 공급하는 회사에 따라서도 늘 달라진다.

혼란스럽지만 이 모든 것을 고려해보면, 툴에 사용되는 강철의 열팽창계수가 고정값이 아님을 알 수 있다. 강철 온도가 올라감에 따라 팽창계수값도 올라가는 것이다. 그럼 이를 어떻게 계산에 넣을 것인가? 그리고 또 금형 베이스 자체의 팽창은 어떻게 다뤄야 할까?

핫스프루 길이가 얼마나 늘어날 것인가를 계산하기 위한 공식은 그대로 금형베이스에도 사용할 수 있다(표 2). 금형온도가 80℉(26℃)일 때 열팽창 양은 무시할 만한 수준이지만, 그보다 높은 온도에서는 고려해야 하는 요소가 된다.

예를 들어, PEEK 원료를 375℉(190℃) 금형온도에 10인치 길이의 핫스프루를 사용해 가공한다고 하면 이 거리 위의 형판은 약 0.021인치 팽창하게 된다. 이를 고려하지 않으면 원했든 원하지 않았든 얇은 원판 하나를 성형하는 결과가 나오는 것이다.

완벽한 선형 열팽창량을 계산하기 위해 머리를 쥐어뜯지 않아도 이 문제를 해결하는 손쉬운 방법이 있으니 바로 스프루, 그리고 필요하다면 금형 베이스를 가공온도 수준까지 가열해 보는 것이다. 스프루 끝면과 파팅라인 사이의 거리를 측정해 그에 따라 필요한 조정을 가해주면 된다. 이렇게 하면 수학 문제를 푸느라 진땀을 빼지 않아도 정확한 값에 매우 근사한 결과를 얻을 수 있다.

이와 같은 방식으로 측정을 수행했을 때 문제가 될 수 있는 것은 실제 생산 현장에서 다른 가공온도를 사용하는 경우뿐이다. 불행하게도 실제 성형 현장에서 사용하는 가공온도는 권장온도나 본래 설계시 염두에 둔 온도와 늘 다르다.

모든 성형용 원료는 공급업체가 지정하는 저마다의 바람직한 용융수지 온도범위를 갖고 있다. 그 범위는 50℉(10℃) 또는 그 이상에 걸쳐 있는 경우도 있다. 가공업체에서 캐비티 완전충전이나 외관, 성형품 치수 정확도를 향상하기 위해 이 범위가 지정한 최저온도와 최고온도를 넘어서는 일이 결코 드물지 않다. 다시 말해 제품 또는 금형의 설계문제를 요령껏 고려해서 성형품 가공을 진행하는 것이다.

표 3은 핫스프루의 길이가 매우 길거 나, 온도 편차가 아주 높지 않은 이상 핫스프루는 우리가 생각하는 만큼 크게 팽창하지는 않음을 보여준다. 열전대 또는 컨트롤러에 문제가 있어 핫스 프루의 온도상승을 유발할 수 있으며, 때로는 그 정도가 매우 극심할 수도 있다. 가장 흔한 이유는 아래와 같다:
- 열전대가 금형 소재표면과 제대로 접촉하지 못하고 있을 때.
- 열전대 배선 또는 전기 커넥터의 히터 존이 잘못돼 있을 때.
- 피복이 닳아진 열전대 와이어가 서로 맞닿아 있을 때.
- J타입 열전대가 필요한 곳에 K 타입 열전대를 설치한 경우(유의: 미국에서는 J타입 단자는 붉은색과 백색이다. 다른 나라들은 이와 다른 색깔표시체계를 사용하고 있다).
- 사출기 제어모듈이‘폐쇄’조건에서 작동오류를 일으켰을 때.
- 현장감독자가 열전대의 문제를 발견한 뒤 지나치게 높은 전력 설정상태에서 컨트롤러를 수동 모드로 전환시켰을 때.

이보다는 드물지만, 온도 오버라이드(override) 원인으로 컨트롤러 자체의 품질이 문제가 되는 경우도 있다. 필자는 사용한 적 없는 6개의 신품 핫러너 금형과 6개의 신품 컨트롤러 시가동을 한 적이 있다. 첫 번째 금형 컨트롤러의 전원을 넣었을 때 모든 존에서 설정값을 넘는 온도로 올라가도록 나타나는 것이었다.

두 번째 금형에서도 마찬가지 현상이 나타났고, 세 번째까지. 6개의 금형과 컨트롤러 모두에서 이 같은 현상이 나타났다. 조사해 보니 공장건물 바로 옆 칸에 설비를 가진 블로운필름 압출업체에서 같은 전력선을 통해 대형 직류 모터를 사용하고 있었다.

이 모터가 대량의 전기적 노이즈를 뿜어내고 이것이 금형 컨트롤러에 영향을 주고 있었다. 숙련된 기술서비스 전문가가 오실로스코프를 가지고 정밀한 작업을 수행한 뒤에야 이 문제를 해결할 수 있었다. 이제까지는 디스크 성형공간을 두면 좋은 까닭 몇 가지와 굳이 핫스프루가 가동측 형판에 맞닿지 않도록 해도 좋다는 점을 살펴봤다. 이제 원판 공간 없이 공정을 진행했을 때 어떤 상황이 발생하는지 의논해 보자.

원판을 만들지 않고 작업하면 핫스프루의 앞면이 가동측 형판에 접촉하게 될 것이고, 이를 통해 열을 빼앗겨 본래 의도한 온도설정값과 다른 결과를 초래할 수 있다고 말하는 사람들이 있다. 어느 정도는 맞는 말이다. 하지만 금형에 따라서 핫스프루 앞면으로 열을 빼앗기는 것이 좋은 일이 될 수도 나쁜 일이 될 수도 있다는 점을 알아야 한다.

사이클타임이 매우 빠르고, 게이트 오리피스가 상대적으로 크거나 ABS처럼 스트링, 즉 줄 딸림이 쉽게 발생하는 원료의 경우에는 디스크 성형을 하지 않는 편이 좋을 수도 있다. 표면 접촉을 통해 이뤄지는 열전달이 수지 응고속도를 증가시켜 스트링 형성을 줄여줄 수 있기 때문이다.

바로 이런 이유로 어떤 금형들은 핫스프루 팁 주위에 수랭식 부싱이 설계돼 있다. 원판 성형공간을 두지 않으면 핫스프루 팁에서 열을 빼앗기는 속도가 늘어나고, 그 결과 스트링, 즉 줄딸림 불량 발생위험이 줄어든다.

그와 반대로 만일 사이클타임이 매우 느리고, 게이트 오리피스가 상대적으로 작거나 결정성 나일론과 같이 빨리 굳는 원료라면 디스크 성형공간을 두는 편이 좋을 수 있다. 디스크 성형공간을 두지 않으면 열을 너무 많이 빼앗겨 게이트 뒤에 콜드슬러그(Cold slug)가 발생할 수 있다.

콜드슬러그가 생기면 사출 개시시점에 이를 제거하는 데 엄청난 양의 압력이 필요하다. 이때 발생하는‘펑’하는 커다란 소리나 사출장치가 흔들릴 정도의 충격에 깜짝 놀란 경험이 누구나 있을 것이다. 뿐만 아니라, 콜드슬러그가 캐비티 안으로 유입되기 전에 콜드웰이나 러너 오버플로우(runner overflow)을 통해 붙잡아줘야 한다.

원판 성형공간을 두면 핫스프루 팁을 통해 열이 빼앗기는 속도를 줄일 수 있고, 이는 콜드슬러그 형성의 위험을 낮춰준다. 디스크 성형공간을 두지 않았을 때 핫러너 앞면에서 가동측 형판으로 전이되는 열이 얼마나 되는지는 다양한 추측이 있다.

이 같은 열의 전이가 그렇게 중요한 문제가 된다면 때로는 실제로 매우 중요한 경우도 있지만, 핫스프루 앞면이 아니라 핫스프루 팁 바깥쪽의 접촉 또는 접지면적에 보다 신경을 써야 한다. 디스크 성형공간을 두지 않았을 때, 핫스프루 팁 앞면은 금형이 닫혀 있을 때 성형이 진행되는 사이클만큼 금형의 강철표면과 접촉한다. 하지만 팁의 접지면적, 즉 랜드(land) 부위는 금형의 인접 강철면과 늘 맞닿아 있다.

표 4는 핫스프루 팁 측면의 가능 접촉 면적이 핫스프루 팁 앞면보다 훨씬 적거나 많을 수 있음을 나타내고 있다. 핫스프루 제조업체가 지정하는 금형의 적정 랜드 길이는 업체마다 엄청난 차이가 있다. 필자의 경우 만약에 있을 위험에 대비하기 위해 업체가 정한 것보다 랜드 길이를 가능한 최대로 길게 만들어준다.

사실, 오리피스 사이즈가 큰 스프루의 경우, 필자는 노즐 바디는 짧게 하고, 랜드 길이를 늘이기 위해 확장 노즐 팁을 사용하는 방식을 선호한다. 이렇게 하면 문제가 돼도 나중에 손쉽게 길이를 손볼 수 있다.

매우 빠른 사이클로 돌아가는 금형의 대량생산공정의 개선작업을 도와준 적이 있다. 이 공장에서는 1초 차이가 1년에 몇만 달러의 차이를 만든다. H-13 강철, 420 스테인리스, BeCu 얼로이 등으로 각각 핫스프루 팁을 만들어 시험해봤다.

이 각각의 팁 외부 접촉면적에도 변화를 줘봤다. 우리 목표는 사이클 타임을 단축하기 위해 가장 빠른 게이트 동결시간을 확보하는 것이었다. 물론 게이트 동결시간이 지나치게 빨라서도 곤란 했다. 콜드슬러그가 생기거나 금형의 가동 시작이 어려울 수도 있기 때문이다.

게이트 동결시간이 너무 길면 사이클 타임이 늘어나거나 스트링 불량이 발생할 수 있다. 게이트 오리피스의 지름은 고정 치수를 지니고 있었다. 즉, 주어진 성형품 두께와 유동길이에 적당한 사출압력값을 유지하기에 충분한 크기를 유지해야 했다.

핫스프루 팁에 어떤 종류의 금속을 사용할 것인가, 그리고 가능한 가장 신속한 사이클타임과 이상적인 성형품 응고속도를 얻기 위해 필요한 최적의 랜드 길이가 얼마인가를 결정하는 데 있어 가장 중요한 요소는 오리피스 지름과 성형에 사용되는 원료였다.

여기서 얇은 디스크 성형공간을 두는 것이 좋은지 아닌지를 조사하는 과정이 내가 갖고 있던 구세대적 의견을 뒤집는 계기가 됐다. 가장 극단적인 경우를 제외하고는 핫스프루 팁에서 금형 가동측 형판으로 빼앗기는 열의 양은 지배적인 요소가 아닐 것이다.

따라서 필자는 성형품 두께의 약 25% 두께를 원판 디스크가 성형되도록 의도적으로 공간을 두는 것을 제안한 다. 하지만 핫스프루 팁의 랜드 혹은 베어링 길이를 최대한 늘려주고, 팁 부근 또는 주변의 냉각채널에 각별한 주의를 기울여야 한다.

이런 방식을 사용하면 가능한 여러 가지 문제로 초래되는 금형 파팅라인 손상을 막을 수 있을 뿐 아니라 핫스프루 팁 랜드 길이를 변경함으로써 게이트 응고속도를 조절하고, 냉각온도를 조절해 콜드슬러그나 스트링을 막을 수 있게 된다.

마지막으로, 이 자리를 빌려 필자가 여기서 핫스프루를 통한 투플레이트 금형의 콜드러너로 수지 주입에 관해 언급한 사항의 상당부분이 쓰리플레이트 금형에서 핫스프루 그리고 다양한 종류의 핫 피드(hot-feed) 시스템 금형에도 적용됨을 이미 깨닫고 있는 여러 사출 전문가들에게 경의를 표하고자 한다.

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