프린터 토너 드럼 보호용 플라스틱 커버 성형용 사출 금형의 핫 런너 밸브 게이트 개수 변화의 영향 연구: 사출성형해석 접근

1. 서 론

플라스틱 사출성형 공정에서 핫 런너 시스템은 고온 상태를 유지하며 런너 내 재료의 냉각을 방지함으로써 소재 절감, 사이클 단축, 품질 향상 등의 이점을 제공한다. 특히, 핫 런너는 런너가 없으므로 재료의 소비가 감소할 뿐 아니라, 런너 냉각에 필요한 시간의 감소로 인해 전체 성형 사이클을 단축하게 해 생산성을 높인다.^1,2)

한편, 이러한 시스템은 초기 금형 설계 제작비용 상승 및 운전 유지관리 비용 증가라는 현실적인 제약이 있다. 특히, 매니폴더 및 컨트롤러 비용이 과대하게 소요될 때도 있으며, 게이트 수가 많아질수록 핫 런너의 구조가 복잡해지고 제작비가 증가하게 된다.³⁾

복잡한 핫 런너 시스템의 간소화를 위한 방법으로 금형의 캐비티 수나 제품 형상을 변경해야 한다. 그러나 두 방법 모두 생산성과 밀접한 관련이 있으므로 실행하기에는 극히 어려움이 있을 수 있다. 따라서 캐비티 수와 제품 형상을 유지하면서 기존 금형 및 핫 런너 설계를 그대로 적용하기 위해 핫 런너 시스템의 게이트를 줄이는 방안으로 고려할 수 있다.

게이트 수 감소는 단순한 구조 비용 절감뿐 아니라, 재료 유동과 충전 균일, 냉각과 수축 거동 그리고 변형 등에 영향을 미칠 수 있다. 실제로, 게이트 구조나 수가 변경되면, 성형품의 잔류 응력, 표면 품질, 비대칭 수축 등의 결함이 발생할 수 있다는 것이 확인되었다.⁴⁾

이러한 문제를 고려하여 본 연구에서는 핫 런너 시스템의 밸브 게이트 수를 2개에서 1개로 줄이는 설계를 통하여 금형 제작 및 설계 비용, 운영 및 유지보수 비용은 절감하면서, 성형품의 품질은 유지할 가능성을 확인하려고 한다. 그리고 실제로 핫 런너 시스템의 게이트 수를 변경하면서 금형을 제작할 경우, 상당한 비용이 필요하므로 실제 금형을 하지 않고 게이트 개수 변화가 토너 드럼 보호용 커버의 성형과 성형 품질에 미치는 영향을 비교하기 위하여 사출성형해석을 이용하였다.

2. 사출성형해석

2.1 토너 보호 커버

Fig. 1은 프린터 토너 보호용 커버의 3D 모델링이다. 크기는 가로, 세로, 두께 295 mm × 66 mm × 1.6 mm이고, 사용된 재료는 LG Chemical 사의 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) Lupol TE-5007B를 사용하였다. Table 1은 Lupol TE-5007B의 기계적 및 유변학적 물성을 나타낸 것이다.

Fig. 1

3D modeling of printer toner drum cover

Table 1

Mechanical and rheological property of Lupol TE-5007B

2.2 캐비티 레이아웃

토너 드럼 보호 커버의 성형은 Fig. 2와 같이 핫 런너 시스템을 갖춘 금형에서 진행된다. 총 4개의 캐비티로 구성되고, 각 캐비티는 밸브 게이트(valve gate)로 성형된다.⁵⁾

Fig. 2

Hot runner layout of cover mold

연구에서 비교될 주된 내용은 밸브 게이트의 개수를 1과 2개로 성형할 경우, 커버의 성형성과 변형 결과를 비교한다. 따라서 Fig. 2(a)와 같이 2개의 밸브 게이트를 사용한 금형과 Fig. 2(b)처럼 1개의 밸브 게이트를 사용한 금형을 성형해석으로 비교하였다.

Fig. 3은 각 금형에 적용된 핫 런너와 밸브 게이트의 형성을 나타낸 것이다. 런너의 직경과 밸브 게이트의 크기는 Table 2와 같다. 밸브 게이트직경은 게이트가 2개일 때보다 1개일 때가 크다.

Fig. 3

Valve gate shape comparison

Table 2

Hot runner and valve gate size (mm)

2.3 사출성형 해석 모델

밸브 게이트 개수가 성형에 미치는 영향을 비교하기 위하여 사출성형해석을 진행하였다. 성형해석은 Autodesk 사의 Moldflow Insight 2023을 이용하였다.⁶⁾ 커버의 두께가 1.6 mm로 일정하고, 얇으므로 듀얼 도메인(dual domain) 메쉬를 적용하였다. 총 메쉬의 크기는 2mm이며, 메쉬의 개수는 약 591,000개로 구성하였다. Fig. 4는 밸브 게이트가 2개인 금형의 성형해석 모델을 나타낸 것이다. 냉각 채널의 크기와 레이아웃은 두 금형이 모두 같으며 냉각 채널의 직경은 ∅10이다.

Fig. 4

Injection molding analysis model for 2 valve gate mold

성형조건은 본 연구 이전에 몇 차례 진행된 사전 해석을 바탕으로 결정하였다. Table 3은 성형조건을 나타낸 것이다. 두 금형의 성형성을 비교하기 위한 목적으로 보압(holding pressure)을 제외한 나머지 조건은 동일하게 적용하였다.

Table 3

Fabricating conditions of injection molding

3. 사출성형해석 결과

3.1 사출 압력 비교

Fig. 5는 성형 시 금형에 발생하는 최대 압력을 비교한 것이다. 최대 압력은 일반적으로 캐비티 충전이 끝나고 보압이 작용하기 직전에 캐비티에 가해진다. 밸브 게이트가 2개인 금형은 최대 사출 압력이 19.63 MPa이며, 밸브 게이트가 1개인 금형은 최대 사출 압력인 50.26 MPa이었다.

Fig. 5

Comparison of maximum injection pressure

사출 압력의 증가와 비례하여 형체력은 밸브 게이트가 1개인 금형에서 크게 나타났다. Fig. 6은 두 가지 금형의 성형에서 사출성형기에 작용하는 형체력을 나타낸 것이다. 밸브 게이트 2개의 금형 작용하는 형체력은 88.1 tonne이며, 밸브 게이트 2개의 금형 작용하는 형체력은 221.2 tonne이다.⁷⁾

Fig. 6

Comparison of clamping force

밸브 게이트 개수를 2개에서 1개로 줄이면서 사출 압력과 형체력이 대폭 증가하는 결과를 확인하였다. 따라서 성형성이 나빠지는 듯 보이지만 4개의 커버를 성형하기 위한 금형의 형판은 가로와 세로가 대략 650~700 mm 이상이다. 따라서 사용되는 사출성형기는 280 tonne 이상의 사출성형기를 사용해야 할 것으로 생각된다.⁸⁾ 즉, 게이트 개수의 변화로 사출성형기의 변경은 없을 것으로 생각된다.

금형 온도의 비교에서는 성형하는 재료의 추천 금형 온도를 확인할 필요가 있다. Lupol TE-5007B의 추천 금형 온도는 20~80℃이다. 따라서 두 금형의 금형 온도를 비교하면 모두 추천하는 금형 온도 범위에서 성형이 이루어지는 것을 알 수 있었다. Fig. 7은 두 금형 온도를 나타낸 것이다. 일부 국소 부분에서 약 70℃의 금형 온도가 계산되었으며, 그 외 대부분의 금형 온도는 약 40~50℃로 예측되었다.

Fig. 7

Comparison of mold temperature

생산성과 관련이 있는 취출 온도 도달시간을 비교하였다. 취출 온도 도달시간은 사용된 재료가 금형 내에서 충분히 고화되어 취출하는데 문제가 없을 때까지 고화에 필요한 시간을 나타낸다.⁹⁾ Lupol TE-5007B의 취출 온도는 93℃이다.

Fig. 8은 성형 후 성형품이 취출 온도까지 도달하는 시간을 나타낸 것이다. 2 밸브 게이트 금형과 1 밸브 게이트 금형 모두 약 20.2초로 같았다.

Fig. 8

Comparison of time to reach ejection temperature

게이트 개수의 변화가 성형품의 변형에 미치는 결과도 확인하였다. Fig. 9는 성형 후의 커버에 발생하는 변형량을 비교한 것이다. 밸브 게이트가 2개인 금형에서 성형된 커버의 변형량은 2.08 mm이다. 성형품의 양쪽 끝부분이 중앙으로 수축과 위쪽으로 휘는 변형이 발생하였다. 밸브 게이트가 1개인 금형에서 성형된 커버의 변형량은 2.93 mm로 두 성형품 사이의 변형량 차이는 약 0.85 mm가 있었다. 성형품의 양쪽 끝부분이 중앙으로 비대칭적으로 수축하였고, 게이트와 가까운 끝단이 비교적 많이 상승하는 변형이 발생하였다. 이는 미성형된 반대쪽 캐비티를 충전하기 위해서 계속해서 사출 압력이 가해지면서 과사출 압력(over-injection pressure)이 작용한 결과로 생각된다.¹⁰⁾

Fig. 9

Comparison of warpage

이상의 결과를 종합한 결과를 Table 4에 나타내었다. 게이트 수가 줄어듦에 따라 사출 압력과 형체력이 크게 증가하였다. 이런 변화로 인하여 용량이 큰 사출성형기로 교체할 필요가 있을 것으로 생각되나 4개의 캐비티를 갖춘 커버 성형용 금형의 크기를 고려하면 원래 280 tonne 이상의 사출성형기를 사용하여 성형해야 한다. 따라서 사출성형기 변경으로 인한 추가 비용은 발생하지 않는다. 그리고 성형 사이클 타임의 증가도 없으므로 생산성에 변화가 생기지도 않음을 알 수 있다.

Table 4

Comparison of the results for injection molding analysis

추가로 금형의 제작비와 관련하여 핫 런너 시스템에서 밸브 게이트 하나를 줄이므로 핫 러너 시스템의 제작비 및 사출성형에 에너지도 감소하는 이점이 있을 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 프린터 토너 드럼 보호용 커버의 사출성형에서 핫 런너 시스템의 밸브 게이트 개수 변화가 성형성 및 성형품 품질에 미치는 영향을 사출성형해석을 통하여 비교·분석하였다. 결론은 아래와 같다.

1) 밸브 게이트 개수를 2개에서 1개로 줄였을 때, 사출 압력과 형체력이 큰 폭으로 증가했으나, 사출성형기 허용 범위 내에 있어 실제 성형 공정에는 문제가 없었다. 또한 금형 온도와 취출 온도 도달시간은 거의 차이가 없어 생산성 저하 요인은 없었다.

2) 단일 게이트 적용 시 성형품 변형량은 다소 증가했으나 허용 공차 범위 내로 최종 품질에는 큰 영향을 미치지 않았다.

3) 프린터 토너 보호용 커버 금형의 밸브 게이트를 2개에서 1개로 줄이는 설계는 품질과 생산성에 미치는 영향이 제한적이며, 금형 설계, 제작비 및 사출성형 작업 비용을 절감할 수 있다.

Author contributions

S. Y. Han; Project administration, Supervision, Writing-review & editing, Investigation, Formal analysis

References

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