니트라인과 멜드라인의 차이와 중요성

성형품 설계에 있어 많은 경우 불가피하게 유동선단을 분할시킬 수밖에 없다. 하지만 분할된 유동선단이 어떻게 그리고 어느 지점에서 다시 합류되도록 하는지가 최종 성형품의 강도에 매우 중요한 영향을 미친다.

사출성형업계에서 자주 혼용되는 세 가지 용어가 웰드라인(weld line), 멜드라인(meld line), 니트라인(knit line)이다. 멜드라인과 니트라인은 실은 서로 다른 종류의 웰드라인을 이르는 말이다. 멜드라인과 니트라인 불량 발생의 원인, 그리고 이 두 가지가 서로 어떻게 다른지와 이들이 성형품 내구성에 미치는 영향에 대해 살펴보고자 한다.

니트라인(Knit Line)과 멜드라인(Meld Line)의 발생 원인
많은 성형품 부정합의 경우와 마찬가지로, 원치 않는 니트라인과 멜드라인의 발생은 제품 설계에 뿌리를 두고 있다. 원료는 게이트를 통해 주입되기 때문에, 캐비티를 통과하고 구멍이나 보스 등 금형 내 다양한 세부구조를 돌아 흐르게 된다.

바위가 수면 위로 솟아 튀어나와 있는 강에 물이 흐른다고 생각해보라. 물이 바위에 닿으면, 물의 흐름은 갈라져, 바위 둘레를 돌아가서 반대편에서 다시 한 데 모이게 된다. 성형품에 니트라인이 생길지 멜드라인이 생길지를 알기 위해서는 이 수지 흐름의 재합류에 초점을 맞춰야 한다. 

이것이 왜 중요할까? 나사 보스에 니트라인이 있을 경우, 나사를 보스에 돌려 넣을 때 보스에 균열이 일어나 부품 부정합으로 이어질 수 있다. 자동차 부품의 경우, 이로 인해 쿵쾅거리거나, 삐걱거리거나, 덜거덕거리는 부품이 나올 수 있다. 전자 장치의 경우, 부서진 나사 보스로 인해 씰이 제대로 압축되지 않아 PCB(인쇄 회로 기판)가 수분 유입에 의한 파손이 생길 수 있다. 

배관용 부품의 O-링 홈에서 이 같은 현상이 일어나면 유체가 흘러 조금씩 떨어지는 문제가 생길 수 있다. 파이프 피팅에서 이런 문제를 잘 관리하지 않으면 피팅이 파열 또는 압축 테스트를 통과하지 못해 제품의 필드 고장(field failure), 즉 실제 사용 중 불량을 낳는다.

멜드라인(Meld Line)
멜드라인은 성형품 디자인 내에 존재하는 세부구조를 통해 플라스틱의 흐름이 둘로 나뉘도록 했다가 다시 이들 유동선단이 합쳐지도록 하는 것으로 정의할 수 있다. 이는 사람들이 일터에서 하루를 보내다가 집으로 가기 위해 모두 고속도로에서 하나로 합쳐지는 광경을 떠올리면 된다. 

모든 차량은 같은 방향으로 향하고 있으며, 이들이 사고 없이 고속도로로 진입할 방법을 찾아야 한다. 옆 그림에서는 직사각형 코어아웃(core-out)으로 인해 수지의 유동선단 흐름이 갈라졌다가 반대편에서 다시 합류하는 것을 볼 수 있다. 금형 캐비티 내부에 공간이 더 많기 때문에 용융 상태의 수지는 계속 앞으로 흐르며 새로운 유동선단을 형성한다.

이렇게 다시 결합된 유동은 방해받지 않고 연속적으로 유동하는 만큼 강하지는 않다. 그러나 갈라졌던 유동선단이 다시 합쳐져 캐비티를 통해 유동을 계속할 수 있기 때문에, 이 부위의 압력을 높여 강도를 증가시킬 수 있다.
 
니트라인(Knit Line)
니트라인은 두 개의 유동선단이 만나기는 하지만 합쳐지는 것은 아닌 경우로, 마치 4거리 정지신호에서 서로 마주 달려오던 두 차량이 정면충돌하는 것과 같다. 이는 바람직한 상황이 아닐뿐더러 그 결과도 좋지 않다. 두 개의 유동선단이 이런 식으로 만나면, 수지원료가 흘러 통과할 수 있는 캐비티 공간이 없기 때문에 성형품의 이 부위 압력을 높이기 어려워 멜드라인의 경우보다 강도가 훨씬 약해진다. 

적절한 원료 선택
어떤 원료는 원료 본래의 강도 덕분에 웰드라인 허용 수준이 더 높다. 매끄럽고 간결한 구조를 가진 HDPE, PP, POM(아세탈) 등의 수지는 폴리머 사슬들이 더 쉽게 섞일 수 있기 때문에 일반적으로 더 높은 강도를 나타낸다. 하지만 PC, PMMA, ABS와 같은 다른 원료들은 벤젠 고리를 포함하는 무작위적 구조를 지니고 있어 폴리머 사슬들이 쉽게 합쳐지지 못한다. 이 벤젠 고리는 니트라인이나 멜드라인을 제외하고는 일반적으로는 수지 점도를 높이고, 수축률을 줄이며, 강도를 높여주는 역할도 한다.

유리, 탄소, 금속 플레이크 등의 물리적인 충전재가 들어간 원료는 니트라인 또는 멜드라인의 강도에 부정적인 영향을 미친다. 여기에는 몇 가지 이유가 있다. 첫째, 대부분의 열가소성플라스틱의 가공온도(400~600°F/
204~315°C)는 이들 충전재의 용융점보다 크게 낮다. 예를 들어, 유리만 해도 용융점이 (2552~2912°F/
1400~1600°C)이다. 캐비티 내의 세부구조가 플라스틱 흐름을 방해할 뿐 아니라, 수지의 유동선단에 이 같은 충전재가 녹지 않은 채로 매달려 있어 더더욱 상황이 좋지 않게 된다. 따라서 금형 내 세부구조를 만들지 않았을 때와 만든 후의 섬유 배향이 어떻게 달라지는지를 살펴봐야 한다.

테스트 데이터 분석
강도가 약해진 성형품에 발생한 변화를 이해하기 위해서는 테스트용 샘플에 충격과 파손을 가하는 방식 그리고 데이터를 수집하는 방식에 대한 이해가 필수적이다. 아이조드(Izod) 충격 테스트는 일정한 무게를 지닌 진자를 사용해 샘플을 타격한다. 판독값은 샘플을 파괴하는 데 필요한 에너지 양(일반적으로 ft-lb/in2)으로 나타내고 있다. 샘플 파괴에 필요한 에너지가 클수록, 소재의 강도가 높다.

노치가 들어간 시편과 노치가 없는 시편을 사용한 ASTM 표준 방식 테스트로 나온 데이터도 검토해야 한다. 폴리머를 형성하는 요소들의 배열과 결합이 폴리머의 강도를 결정한다. 니트라인은 ASTM 테스트용 시편에 만들어진 노치와 유사하다. 니트라인이 있는 성형품이 테스트용 시편과 완전히 동일한 거동을 보이지는 않을 수 있지만, 테스트를 통해 얻은 물성표는 니트라인이 있는 성형품에 발생할 수 있는 강도 저하의 정도를 보여준다.

예를 들어 ASTM 테스트에서 노치 없는 시편에서는 파손이 발생하지 않을 정도로 강한 소재도 있지만, 동일한 소재로 노치가 들어간 시편의 경우에는 충격강도 값이 엄청나게 낮다. 표 1에서 보는 의료산업용 그레이드 PC가 그 좋은 예이다. 표 2에서 보는 PP같은 소재는 ASTM 테스트 방법에서 노치가 들어간 경우와 들어가지 않은 경우 모두 파손이 발생했다.

이 두 가지 소재 모두 그리 나쁘다고 할 수 없지만, 그 소재의 한계 그리고 성형품에 기대하는 목표 수준의 달성을 위해 필요한 설계상의 필요를 이해해야 한다. 소재의 강도 평가는 노치가 없는 시편과 노치가 들어간 시편 간의 충격강도 하락 정도를 살펴보는 것이 핵심이다. 이를 통해 니트라인 부위의 강도가 유동에 방해를 받지 않은 경우의 플라스틱 강도에 비해 어느 정도 떨어지는지를 알아내는 데 도움을 얻을 수 있다.

금형설계 및 가공
니트라인 또는 멜드라인이 부품의 표면형상 어느 위치에 발생하게 되는 가는 게이트 위치에 따라 크게 영향을 받는다. 유동 시뮬레이션 기술을 활용하면 니트라인이나 멜드라인의 발생 위치를 예측할 수 있다. 하지만, 성형품의 기능상 적정 위치에 니트라인 또는 멜드라인이 위치하도록 성형품의 기능에 따라 게이트 위치를 선택할 수도 있다.

성형품의 형상, 게이트 위치, 유동길이, 수지원료 등 이미 확정돼 바꿀 수 없는 요소가 너무 많기 때문에 가공을 통해 니트라인 또는 멜드라인의 강도를 개선하는 작업은 어려움이 클 수 있다. 우리가 기대할 수 있는 최선의 방법은 용융온도, 금형온도, 유량, 보압 등 적절한 조합을 통해 니트라인 또는 멜드라인에 가해지는 압력을 극대화하는 것이다.

니트라인과 멜드라인의 차이는 매우 크며, 이 차이는 성형품의 구조적 무결성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 니트라인과 멜드라인은 플라스틱 사출성형 공정 고유의 문제다. 제품이 요구하는 바 때문에 니트라인이나 멜드라인의 제거는 어려운 경우가 많다. 하지만 제품 디자이너와 금형 제작자, 성형업체 간의 협력을 통해 성공적인 결과를 이끌어 낼 수 있다.