42

PART IV. INJECTION MOLDING PROCESS

Fig. 4.1 사출성형기 구성 개요도

4.1 사출성형공정 (Injection Molding Process)

사출성형공정은 아래에서 설명하는 다단계 과정을 반복적으로 거쳐 복

잡한 형상을 가진 사출성형물의 대량 생산에 적합한 제조 기술이다.

충전 과정 (Filling stage): 금형이 닫혔을 때 생기는 금형 캐비

티에 높은 온도의 용융 플라스틱을 사출하여 채우는 과정. 이

과정 중에도 낮은 온도의 금형에 닫게 되는 플라스틱은 고화되

고 캐비티의 중앙 부분에는 높은 온도의 용융 플라스틱으로 남

게 된다.

보압 과정 (Packing stage): 금형 안에 있는 높은 온도의 플라스

틱은 냉각되면서 수축하게 되기 때문에 이러한 수축으로 인한

형상정밀도의 저하를 방지하기 위하여 충전이 끝난 후에 높은

압력으로 상당한 시간동안 플라스틱을 더 보충하도록 유동을 유

도한다. 이러한 보압과정에 금형으로 흘러 들어간 플라스틱에

의해 형상정밀도를 높일 수 있게 된다.

43

냉각 과정 (Cooling stage): 아직 높은 온도의 플라스틱이 그대

로 금형에서 꺼내어지면 형상이 변하게 되므로 일정온도 이하로

냉각한 후에 취출해야 한다. 따라서 냉각과정이 상당한 시간 유

지되어야 한다. 이러한 냉각과정은 전 반복적인 사이클공정시간

의 80%이상 차지하게 되는 경우가 많다.

이형 과정 (Ejection stage): 이동금형부가 후진하여 금형이 열

리고 금형으로부터 사출성형물을 꺼내게 된다. 이때 스크류는

회전하면서 후진하여 다음 반복과정에 필요한 플라스틱 펠렛을

압출기 베렐에 장진하며 용융시키게 된다.

이러한 사출성형의 한 사이클 과정에서 노즐부분에서의 압력을 시간

에 따라 도식적으로 표시하면 다음 그림과 같다

Fig. 4.2 사출성형 전 공정에서 노즐압력의 시간에 따른 변화

냉각 보압 충전 시간

압력

44

4.2 사출성형기 요소 (Machine components):

Fig. 4.1 은 열가소성 수지에 대한 단축 사출 성형기의 개략도로서 가소

화 스크류 배럴, 배럴을 가열하기 위한 밴드 히터, 고정판, 이동판 및

금형으로 구성된 것을 보여주고 있다. 사출성형시스템은 다음과 같은

시스템의 조합이라고 할 수 있다:

사출시스템, 금형시스템, 유압시스템, 형체시스템, 제어시스템

아래에서 각각의 시스템에 대해 간략히 소개한다.

1) 사출 시스템 (The Injection System)

사출 시스템은 Fig. 4.1 에서 보는 바와 같이 호퍼, 왕복 스크류 및

배럴로 구성되어 있다. 이 시스템은 이송, 압축, 가스 제거, 용융

및 사출 과정 등을 거치면서 플라스틱을 제한하고 전달한다.

호퍼 (THE HOPPER)

열가소성 재료는 작은 펠렛 형태로 성형자에게 제공된다. 사출 성형

기의 호퍼는 이 펠렛을 담고있다. 펠렛은 호퍼로부터 호퍼 목을 통

해 배럴과 스크류 조합으로 중력에 의해 이송된다.

배럴 (THE BARREL)

사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크류를 지지하고 있다. 이는

전기 히터 밴드에 의해 가열된다.

왕복 스크류 (THE RECIPROCATING SCREW)

왕복 스크류는 재료를 압축하고, 녹이고, 이송하는데 사용된다. 왕

45

복 스크류는 세 가지 영역으로 (아래 Fig. 4.3 에서 설명하는 바와

같이) 구성된다: 고체 이송 영역, 압축 영역 및 유체 이송 영역.

고체 이송 영역 (the feeding zone)

압축 영역 (the compression or transition zone)

유체 이송 영역 (the melting zone)

스크류의 바깥 지름은 일정하게 유지되지만, 왕복 스크류에 있는 날

개의 깊이가 고체 이송 영역에서 유체 이송 영역의 시작점까지 감소

한다. 이 날개가 재료를 배럴의 안쪽 지름쪽으로 압축하는데, 이는

마찰열을 ― 전단에 의한 ― 발생시킨다. 이 마찰열은 주로 재료를

녹이는데 사용된다. 배럴 바깥쪽의 히터 밴드는 재료가 용융 상태로

유지되는 것을 도와준다. 전형적으로 성형기는 서로 다른 온도로 고

정 가능한 세 개 이상의 히터 밴드를 가지고 있다.

Fig. 4.3 왕복 스크류에서 고체 이송 영역, 압축 영역 및 유체 이송 영

역을 보여준다

46

노즐 (THE NOZZLE)

노즐은 배럴을 금형의 스프루 부싱에 연결하며 배럴과 금형 사이의

밀폐를 형성한다. 노즐의 온도는 재료 공급자의 추천 값에 좌우되는

재료의 용융 온도 또는 조금 낮은 온도로 고정되어야 한다. 배럴이

완전히 앞쪽의 공정 위치에 있을 때, Fig. 4.4 의 (a)에서 보는 바

와 같이 노즐의 반경은 로케이팅 링과 함께 스프루 부싱에 있는 오

목 반경과 포개져서 밀폐되어져야 한다. Fig. 4.4 의 (b)에서 보는

바와 배럴의 퍼징 동안 배럴은 스프루로부터 뒤로 빠져 나와, 퍼징

혼합물가 노즐로부터 자유롭게 떨어져 나오게 한다.

Fig. 4.4 (a) 공정 위치에서의 배럴과 노즐 (b) 퍼징을 위하여 뒤로 빠

져 나온 배럴과 노즐

2) 금형 시스템 (Mold system)

사출 금형 시스템은 Fig. 4.5 에서 보는 바와 같이 캐비티, 스프루

및 러너 시스템을 지지하는 성형판, 취출핀, 그리고 냉각수로뿐만

아니라 타이 바, 이동판 및 고정판으로 이루어져 있다. 사출 금형은

기본적으로 용융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된

형태와 상세 치수로 고화시키는 열교환기의 역할도 한다.

47

Fig. 4.5 전형적인 삼단 금형 시스템

사출 금형 시스템은 일반적으로 공구강으로 만들어진 평판과 금형판

의 조립체이다. 금형 시스템은 금형 캐비티 내에서 — 또는 캐비티

의 조합 — 플라스틱에 형태를 부여하여 성형하고 성형된 제품 또는

제품들을 취출한다. 고정판은 성형기의 배럴 측면에 붙어 있으며 타

이 바에 의해 이동판과 연결되어 있다. 캐비티판은 일반적으로 고정

판에 붙어있어 사출 노즐을 지지한다. 코아판은 타이 바에 의해 이

동판에 연결되어 있다. 종종 캐비티판이 이동판에 붙어있고 코아판

과 유압 취출 — 제거 — 시스템이 고정판에 붙어있는 예외도 있다.

이단 금형 (TWO-PLATE MOLD)

금형의 대부분이 기본적으로는 다음의 Fig. 4.6 에서 보는 바와 같

이 두 개의 판으로 이루어져 있다. 이러한 유형의 금형은 전형적으

로 캐비티와 같은 금형판에 러너를 가지고 제품의 테두리나 그 주이

에 게이트가 있는 제품에 사용된다.

48

Fig. 4.6 이단 금형.

삼단 금형 (THREE-PLATE MOLD)

삼단 금형은 전형적으로 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있

는 제품에 대하여 사용된다. 러너는 두 판 사이에 있는데 다음의

Fig. 4.7 에서 보는 바와 같이 캐비티와 코아로부터 분리된다.

Fig. 4.7 삼단 금형.

4.3 사출성형공정 인자 (Processing conditions)

사출성형공정 인자들은 다음과 같은 것들이 있다.

사출압력 (Injection pressure): 사출압력이 크면 사출 유량이

크게 된다. 한편 보압과정에서 압력이 크면 보압이 잘된다. 그

러나 과도한 보압은 제품의 균질성에 문제를 야기하기도 하므로

49

주의를 요한다.

사출유량 (Injection volume flow rate): 사출유량이 너무 작으

면 냉각이 빨리 진행되어 미 충전이 생기거나 과도한 사출압력

을 요하게 될 수 있다. 사출유량이 너무 커도 유동저항을 이기

기 위해서 높은 사출압력이 요구된다. 따라서 적절한 사출유량

이 존재하게 된다.

금형온도 (Mold temperature): 냉각수의 흐름을 이용하여 금형

의 온도를 적절한 수준으로 낮게 유지해야 높은 온도의 용융 플

라스틱을 냉각, 고화시켜 성형제품을 변형 없이 금형으로부터

취출할 수 있게 된다. 금형의 균일한 온도 또한 사출품의 변형

을 방지하기 위해 중요하다. 이를 위해서 적절한 금형의 냉각

시스템을 설계하여야 한다.

사출온도 (Melt temperature): 용융 플라스틱의 온도를 적절하

게 높게 유지해서 성형성이 확보되어야 하고, 플라스틱의 종류

에 따라서 적절한 사출온도가 추천되고 있다.

보압력, 보압시간 (Packing pressure, packing time): 보압과정

에서의 보압력이 적절한 크기로 적절한 시간동안 유지되어야 한

다.

4.4 사출 압력 (Injection pressure)

압력은 용융 수지의 저항을 극복하게 하는 구동력인데, 이는 고분자를

금형 캐비티를 충전하고 패킹할 수 있게끔 밀어준다. 용융 수지의 유동

흐름을 따라 압력이 감소하게 되는데, 용융 수지에서의 압력 분포는

Fig. 4.8 와 같게 된다.

50

Fig. 4.8 delivery system 및 cavity 를 따라 압력이 줄어든다.

압력은 용융 수지를 움직인다 (PRESSURE DRIVES THE MELT)

사출 과정 동안, 용융 수지의 유동 저항을 극복하기 위해 사출 노즐

에는 높은 압력이 형성된다. 이 압력은 용융 수지의 유동 선단 쪽으

로 가면서 유동 길이를 따라 감소하는데, 만약 캐비티가 벤트로 연

결되어 있다면, 유동 선단에서의 압력이 대기압에 도달할 것이다.

대략적으로 말하자면, 용융 수지의 유동 저항에 비례하여 압력 강하

는 증가하는데, 이는 형상과 용융 수지 점도 의 함수이다. 유동 길

이가 증가함에 따라, 적절한 사출 유량을 유지하기 위해 용융 수지

주입부 압력은 증가해야 한다.

요구 사출 압력에 영향을 미치는 인자들

(Factors that influence injection pressure requirements)

다음의 표들은 사출 압력에 영향을 미치는 설계 및 공정 인자들을

51

설명하고 있다.

요인 변수 높은 요구 사출 압력 낮은 요구 사출 압력

제품 두께

얇은 제품

두꺼운 제품

제품 설계

제품 표면 면적

많은 금형면 냉각 및 항력

적은 금형면 냉각 및 항력

요인 변수 높은 요구 사출 압력 낮은 요구 사출 압력

재료 선택

용융 수지 유동 지수

낮은 지수 재료

높은 지수 재료

요인 변수 높은 요구 사출 압력 낮은 요구 사출 압력

게이트

설계

게이트 크기

제한된 게이트

큰 게이트

52

유동 길이

긴 유동 길이

짧은 유동 길이

용융 수지 온도

차가운 용융 수지

뜨거운 용융 수지

금형 표면 (냉각수)

온도

차가운 냉각수 온도

뜨거운 냉각수 온도

램 속도

부적절한 램 속도

최적 램 속도

공정 조건

충전 시간

너무 짧은 / 너무 긴

최적 충전 시간

53

압력 관련 수식 (Equations)

기본적인 유체 역학 이론의 간단화에 바탕을 두면, 딜리버리 시스템

스프루, 러너 및 게이트 및 캐비티를 충전하기 위해 요구 사

출 압력을 몇몇 주요 재료, 설계 및 공정 변수들 등과의 상관 관계

를 맺을 수 있다. 다음 식들에서 P 는 사출 압력, n 은 다양한 용융

수지에 대해 일반적으로 0.15 ~ 0.36 정도 0.3 으로 잘 근사할

수 있음 의 값을 가지는 재료 상수 승수-법칙 계수 이다.

Fig. 4.9 는 이들 변수들 몇몇과의 함수로써 사출 압력을 보여준다.

원형 채널 유동 (circular channel flow) 스프루, 러너, 원형

게이트들에서의 용융 수지 유동

(4-1)

평판 채널 유동 (strip channel flow) 얇은 캐비티에서의 용융

수지 유동

(4-2)

54

Fig. 4.9 용융 수지 점도, 유동 길이, 유량 및 제품 두께에 대한 함수

로서의 사출 압력.

55

4.5 사출성형 충전공정 CAE System

CAE System 의 필요성

상기의 공정조건에 따라 사출제품의 품질이 좌우하게 되므로 사출성형

공정조건을 결정하는 것은 사출성형공정의 성공에 큰 영향을 미치게 된

다. 이를 위해 종래에는 실험적인 시행착오법(trial-and-error method)

에 의해 결정하였으므로, 경제적인 손실이 크고, 최적조건을 찾기 어려

우므로 제품이 어느 정도 수준에 이르면 공정조건을 적당히 결정하게

되어 생산성의 제고의 여지가 있게 되고, 제조경쟁력이 떨어질 수 있다.

이를 극복하기 위하여 이른바 CAE (Computer Aided Engineering) 시스

템이 개발되어 널리 이용되고 있다. 이러한 시스템들은 다음과 같은 것

들을 제공한다.

충전 패턴 (Filling Pattern)

시간에 따른 압력, 속도, 온도 분포

Weld line 위치

미충전 (short shot) 여부

잔류응력, 휨, 변형, 등

56

1) Numerical Simulation of injection molding filling process

Fig. 4.10 Schematic diagram of a cavity with a local coordinate

system

Hele-Shaw approximation can be applied to the flow in the thin cavity

geometry, which implies that 0≅zv . And the high viscosity of molten polymeric

liquid allows us to ignore the inertia force term in comparison with the viscous

force terms in the momentum equation. And velocity change in the plane of thin

cavity geometry is much smaller than its change in the thickness direction. That is,

zv

yv

xv iii

∂∂

<<∂∂

∂∂ ,

Then the governing equations can be simplified as below.

Continuity equation

.0=∂∂

+∂

∂+

∂∂

zv

yv

xv zyx (4-3)

57

Momentum equation

0=∂∂

∂

∂

∂∂

=∂∂

∂∂

∂∂

=∂∂

zp

zv

zyp

zv

zxp

y

x

η

η

(4-4,5,6)

Energy equation

2

22

zTk

yTv

xTv

tTC yxp ∂

∂+=

∂∂

+∂∂

+∂∂ γµρ & (4-7)

Eq. (4-6) implies that pressure is just a function of x and y.

One can integrate Eq. 4-4 to have

zxp

zvx

∂∂

=∂∂

(4-8)

noting that the shear rate at the center (i.e., at z=0).

One more integration of Eq. (4-8) provides

∫∂∂

−= bzx zdz

xpzv ~~

)(η

(4-9)

Gapwise average velocity can be obtained by

Sxp

dzzxpdzzzzdzz

xp

dzzdzdzdz

xpdzzdz

xpdzvub

bbb

bz

b bz

b bz

bx

∂∂

−=

∂∂

−=

−−

∂∂

−=

∂∂

−=∂∂

−==

∫∫∫

∫ ∫∫ ∫∫

~~

~~~~

0

2

00

000

ηηη

ηη

(4-10)

where ∫≡b dzzS 0

2

η, which is called ‘fluidity constant’.

58

Similarly, integrating Eq. (4-5) provides us with the following

Syp

dzvvb by

∂∂

−=

= ∫

0 (4-11)

Integrating Eq. (4-3) with respect to z, with the help of Eqs. (4-10) and (4-11),

results in the pressure governing equation as follows:

.0=

∂∂

∂∂

+

∂∂

∂∂

ypS

yxpS

x (4-12)

Numerical simulation program has been developed to solve Eqs. (4-12) and (4-7)

during the entire filling process.

2) Mold cooling analysis

Fig. 4.11 Schematics of Mold Cooling System

59

Mold cooling analysis program solves the heat conduction equation to obtain the

temperature distribution on the mold surface.

The design parameters are:

Cooling channel location

Cooling channel diameter

Coolant flow rate

Coolant temperature, etc.

The design goal is to achieve fast and uniform cooling.

60

4.6 특수 사출 성형 공정 (ALTERNATIVE INJECTION MOLDING PROCESSES)

다중 사출 성형 (Co-Injection/sandwich molding)

다중 사출 성형은 서로 다르지만 호화성 있는 두 용융 수지를 캐비

티로 순차적 또는 동시적으로 사출하는 방법이다. 재료들은 각각 층

을 형성하여 고화된다. [Fig. 4.12 참조.] 이 공정은 표면 재료의

층 사이에 둘러싸인 코아 재료를 가진 층 구조를 가진 제품을 생산

한다. 이 혁신적인 공정은 각 재료의 최적 물성을 사용하거나 성형

품의 물성을 수정할 수 있는 본질적인 유연성을 제공한다.

Fig. 4.12 다중 사출 성형의 4 단계 (a) 불충분한 표면 용융 수지가 — 검은색으

로 보이는 — 금형 안으로 사출 된다 (b) 코아 용융 수지의 사출은 (c)에서 보는

바와 같이 거의 충진 한다. (d) 스프루로부터 코아 고분자를 밀어 넣기 위해 표

면 고분자를 다시 사출한다.

61

용융 코아 사출 성형 (Fusible/lost/soluble core injection molding)

아래에 그림으로 설명된 용융 코아 사출 성형 공정은 복잡한 형상으

로 중앙이 빈 하나의 제품을 만든다. [Fig. 4.13 참조.] 이러한 공

정은 플라스틱 제품의 내부 코아를 성형한다. 성형 후, 제품의 내부

모형으로써 바깥쪽 형상은 남겨 놓은 채 코아는 물리적으로 녹이거

나 화학적으로 용해시킨다.

Fig. 4.13 용융 코아 사출 성형

가스 사출 성형 (Gas-assisted injection molding)

가스 사출 성형 공정은 금형 캐비티 안으로 용융 수지를 부분적으로

또는 전체적으로 사출하는 것으로 시작한다. 그 후 금형의 충전 또

는 패킹을 돕기 위하여 압축된 가스를 용융 수지의 코아쪽으로 사출

한다. 이 공정은 아래에 그림으로 설명되어 있다. [Fig. 4.14 참

조.]

62

Fig. 4.14 가스 사출 성형: (a) 전기 시스템 (b) 유압 시스템 (c) 제어

패널 및 (d) 가스 실린더

가스-도움 공정의 이점 (Benefits of the gas-assisted process)

이 공정은 싱크 마크가 없고 변형이 적게 일어나는 속이 비어 있으

며, 가볍고 단단한 제품을 생산할 수 있다. 다른 이점들은 다음을

포함한다:

사이클 시간의 단축 (Reduced cycle time)

압력 및 체결력 톤수의 감소 (Reduced pressure and clamp

force tonnage)

두껍고 얇은 담면 모두에 있어 제품의 강성 증가

(Part consolidation with both thick and thin sections)

사출-압축 성형 (Injection-compression molding)

63

사출-압축 성형 공정은 전통적인 사출 성형의 확장이다. 아래 Fig.

4.15 에서 보는 바와 같이 미리 정해진 양의 용융 수지가 열려져 있

는 캐비티 안으로 사출된 후, 이 용융 수지가 압축된다. 압축은 또

한 고분자가 사출 될 때도 또한 일어날 수 있다. 이 공정의 기본적

인 이점은 치수적으로 안정되고, 상대적으로 적은 잔류 응력을 갖진

제품을 낮은 체결력으로 — 전형적으로 20 ~ 50 % 정도 낮게 — 생

산할 수 있다는 것이다.

Fig. 4.15 사출 압축 성형

구조 발포 사출 성형 (Structural foam injection molding)

구조 발포 사출 성형은 아래 Fig. 4.16 에서 설명하는 바와 같이 안

쪽에 다공 — 폼 — 으로 된 코아를 둘러싸고 있는 외부의 고체 표

면으로 구성된 제품을 생산한다. 이 공정은 제품을 이용할 때 굽힘

하중을 받기 쉬운 크고 두꺼운 제품에 적절하다. 구조 발포 제품은

높고 낮은 압력 모두에서 질소 가스 또는 화학적 발포제로 생산이

가능하다.

64

Fig. 4.16 구조 발포 사출 성형.