금형 디자인

성형성 및 제품 성능은 적절한 부품 디자인을 통해 향상시킬 수 있습니다. 좋은 디자인이 되려면 다음과 같은 점을 갖추어야 합니다.

  • 적절한 플로우 길이
  • 적절한 용접 라인 위치
  • 적절한 사출 압력
  • 최소 조임 요건
  • 최소 폐기율
  • 쉬운 부품 조립
  • 디게이팅, 페인팅, 드릴링 등의 이차 공정 최소화 또는 제거
좋은 디자인이 되려면 다음과 같은 점을 최소화해야 합니다.
  • 금형 시 응력
  • 파열
  • 함몰 마크
  • 표면 흠집
  • 기타 제품 품질 및 생산성을 저하시키는 일반적인 금형 결함
적절한 사출 압력으로 금형을 충전하는 기능은 부품 벽면 두께의 영향을 많이 받습니다. 나선형 플로우 데이터는 적절한 벽면 두께를 선택하는 데 도움이 됩니다. 게이트 위치 및 벽면 두께는 부품의 무게, 클램프 용적 톤수 요건 및 용접 라인 위치를 고려하여 다양하게 조절할 수 있습니다.

냉각

적절하게 냉각될 수 있도록 부품을 디자인하면, 제작 사이클 횟수를 줄이며 고품질의 부품을 만들 수 있어 비용도 절감할 수 있습니다.

적절한 냉각은 Eastman 폴리머를 사용한 금형 제작에 있어 절대적으로 중요한 요소입니다.

냉각이 적절하지 못하면, 다음과 같은 결과가 나옵니다.

  • 사이클 횟수 증가
  • 부품 전반 혹은 각 부품 간 냉각 차이
  • 높은 잔류 응력
  • 비틀림 증가
  • 들러붙는 현상 및 사출의 어려움
위의 모든 결과가 심각한 문제이지만, Eastman 폴리머를 사용한 부품 제작 시 냉각이 적절하지 않아 생기는 가장 흔한 문제점은 들러붙는 현상 및 사출의 어려움입니다.

냉각 관련 참고 사항
  • 속도를 유지하지 못한 채 냉각 채널의 지름을 넓히면, 총 열량 면에서 볼 때 채널 내에서 제거되는 양이 감소합니다. 난류(亂流)가 유지될 경우, 실제적인 상관 관계를 보면 플로우의 양(gpm)을 유지하면서 지름의 길이가 두 배가 될 때 영역이 증가함에도 불구하고 열 전이율은 약 40% 적은 것으로 나타납니다.
     
  • 난류(亂流)가 흐를 경우, 냉각수 속도가 동일하게 유지되면서 냉각 채널의 지름이 넓어지면 이 채널에의 열 전이율이 대폭 증가하게 됩니다. 예를 들어, 지름이 두 배가 되면 열 전이율이 80%로 증가합니다.

스프루 디자인

적절한 스프루 디자인은 좋은 금형 제작은 물론 금형에서 부품을 쉽게 제거하는 일에 중요한 영향을 미칩니다. Eastman 폴리머를 사용하는 금형에서 스프루 디자인이 중요한 이유는 다음과 같습니다.

  • 폴리에스터 소재는 뜨거울 때 공구강에 달라붙는 성질이 있습니다.
  • 스프루는 매우 두꺼우므로 가장 뜨거워지는 부분이면서 또한 가장 냉각시키기 어려운 부분입니다.
고전도성 스프루 부싱
Eastman의 많은 고객들이 고전도성 스프루 부싱을 효과적으로 잘 이용하고 있습니다. 부싱은 전도성이 높은 구리 합금으로 만들어졌습니다. 부싱에는 딱딱한 420개의 스테인리스강 노즐 시트가 있어 노즐을 열 손실과 마찰로부터 보호합니다. 이 부싱은 스프루의 끈적거림을 감소시키고 피커와 그래버의 단단함을 높이며 사이클 횟수를 줄이는 데 효과적입니다. 이 스프루 부싱을 사용하실 때에는 양호한 열전도를 위해 미터당 42mm(피트당 0.5인치)의 표준 스프루 테이퍼를 이용하시는 게 좋습니다.

러너 디자인

러너 시스템을 디자인하실 때는 대부분의 폴리머 엔지니어링에 적용되는 가이드라인을 똑같이 사용하시면 됩니다. 러너는 흐름이 무리 없고 균형을 이루도록 디자인되어야 합니다. 넉넉하게 반경을 넓히면 재료가 막히거나 전단되지 않도록 해줍니다. 콜드 슬러그웰은 플로우 선단에서 굳은 슬러그를 차단하는 데 유용합니다. 러너는 충분히 환기시켜 주셔야 합니다.

게이트 디자인
Eastman 폴리머는 다음과 같은 기존의 게이트 디자인을 사용하여 성형할 수 있습니다.

  • 스프루 게이트(부품에 직접 투입)
  • 팬 게이트
  • 터널 혹은 잠수함 게이트
  • 플래시 게이트
  • 에지 게이트(탭 혹은 팬 스타일)
  • 핫 러너 시스템
완성된 부품의 크기와 외형을 고려하여 게이트의 종류와 위치를 선택해야 합니다.

핫 러너 시스템

디자인 안내서
핫 러너 시스템에는 폴리에스터 소재를 사용하는 것이 일반적입니다. 디자인이 적절하게 된 경우, 이 시스템은 스프루와 러너 재생물을 없애고 저압력 금형, 사이클 횟수 감소, 공정 윈도우 향상 등의 효과를 가져옵니다. 적절한 핫 러너 시스템 선택 방법은 부품의 크기, 폴리에스터 배합, 부품 디자인에 따라 아주 다양합니다. 따라서 러너 디자인과 선택에 있어 금형 제작자/최종 사용자, 도구 제작자, 핫 러너 공급자와 Eastman 전문가가 함께 의논하여 적절한 러너 시스템 디자인을 정하는 것이 아주 중요합니다.

일관된 히팅 및 적절한 열관리
게이트에서의 뛰어난 온도 조절 및 적절한 냉각은 폴리에스터 소재의 금형에 있어 결정적인 요소입니다. 금형은 게이트에서 빨리 열이 제거될 수 있도록 디자인되어야 합니다. 이는 핫 러너 시스템이 인서트로서 캐비티(Cavity)를 지나 부품 내로 이르는 구조보다 게이트 개구부가 강철 캐비티와 하나의 구조로 된 경우에 최대의 효과를 냅니다. 냉각 채널(뚫린 냉각 수로 혹은 고리 모양의 길)은, 게이트가 캐비티(Cavity) 안에 위치할 때 게이트 주변의 캐비티에서 필요로 하는 냉각을 제공하는데 사용될 수 있습니다. 일부 핫 러너 공급자들이 게이트 냉각 인서트를 판매합니다. 만일 게이트가 적절하게 냉각되지 않는다면 흐르거나 끈적임, 또는 늘어지는 현상이 발생할 수 있습니다. 핫 드롭의 일부로 직접 가열된 강철은 부품에 직접 닿아서는 안되며, 금형의 냉각된 부분과 격리되어야 합니다.

각각의 플로우 냉각 루프와 핫 드롭 게이트 냉각용 온도 제어를 분리하여 설치하실 것을 권장합니다. 초기의 결함 수정 및 게이트의 외형과 성능을 최적화하는 데에 추가적인 제어 장치가 유용하게 사용됩니다.

적체 가능 부분 제거
플라스틱 성형을 위한 플로우 채널은 중단없이 흐름이 계속되어야만 합니다. 재료가 고이거나 분리될 수 있는 틈 혹은 포켓이 있다면 불량 부품이 만들어질 수 있습니다.

전단열 최소화
플로우 패스의 지름은, 게이트 또는 기타 부분의 플로우 패스 중 갑자기 휘어지는 모서리에서 발생하는 전단열을 최소화할 수 있을 만큼 충분한 길이여야 합니다. 금형 충전 분석은 전단열 및 디자인 단계에서 발생 가능한 문제점들을 보여줄 수 있습니다.

밸브 게이트
Eastman 폴리머를 사용한 공정 시에는 가능하다면 밸브 시스템을 사용하셔야 합니다. 밸브 시스템은 다른 열점착 전송 시스템과 비교해 볼 때 몇 가지 장점이 있습니다. 밸브 게이트를 이용하면 용융 채널은 최고로 뜨거워지고 기계 잠금 기능이 게이트 제어를 가능하게 해줍니다. 게이트의 크기는 일반적으로 다른 시스템에 비교할 때 더 큽니다. 충전 공정 중에는 흐름을 방해하지 않기 위해 밸브핀이 다시 열리게 됩니다. 그 결과 전단열을 낮춰주고 압력을 낮춰줍니다.

통기 및 사출
금형 시 용융 선단에서 발생하는 가스는 통기를 통해 배출됩니다. 부품이 적절하게 통기되지 않으면 샷의 길이가 짧아지고 타게 되며 재료의 불량화가 발생할 수 있습니다. 다음의 방법으로 이를 예방하실 수 있습니다.
  • 적절한 위치에서 충분한 통기 제공
  • 정기적인 통기구 청소 및 확인
  • 가능한 곳은 압출 핀을 통기구로 사용
  • 유지보수 접근을 위해 금형 분해가 필요한 통기구는 피함
Eastman 폴리머를 위해 디자인된 금형의 전형적인 통기
Eastman 폴리머를 사용하도록 설계된 금형의 적당한 통기구 깊이는 작은 부품 혹은 게이트에 가까운 통기구의 경우 0.0005-0.001mm(0.012-0.025인치)이며, 큰 부품의 경우는 0.001-0.0015mm(0.025-0.038인치)입니다. 일반적인 지면의 길이는 3~6mm(0.125~0.250인치)이고, 금형에서 가스가 배출될 수 있도록 더 큰 채널로 연결되어 열려있습니다.

금형제작용 합금
금형을 위한 강철 선택 시 고려해야 할 요소:
  • 내마모성
  • 강도
  • 절삭성
  • 광택성
  • 치수 안정성
패밀리 금형
패밀리 금형에는 각기 다른 부품을 금형하는 두 개 이상의 캐비티가 있습니다. Eastman 폴리머는 패밀리 금형 내에서 효과적으로 사용되고 있습니다. 다른 폴리머와 마찬가지로, 각 부품으로 흐르는 플로우의 균형이 반드시 유지되어야 합니다. 모든 부품이 균일하고 동일하게 충전되어야 합니다. 그렇지 않으면 고르지 못한 패킹이 발생합니다. 그런 경우에는 일부 부품이 과도하게 부어져 뒤틀리거나 다른 부품에는 충분히 충전되지 못하는 문제가 발생합니다.

금형 연마 및 텍스처링

금형 연마
Eastman 폴리머는 광택이 뛰어나며 금형 마무리가 깔끔합니다. 사출을 위해 필요 이상으로 표면을 부드럽게 연마하시면 금형 비용만 추가된다는 점을 참조하시기 바랍니다. 기울기가 없거나 낮은 곳에서 진공이 생겼을 때, 많이 연마된 표면은 대부분의 경우 사출을 방해할 수 있습니다. 진공이 없는 경우에 일반적으로 연마된 표면에서 사출이 더 잘 됩니다.

금형 표면 텍스처링
텍스처링은 용접 라인, 플로우 마크, 게이트 블러시, 함몰 마크, 긁힌 자국 등을 감추는 데에 유용합니다. 텍스처링에는 수백 가지의 기본 패턴이 있으며, 기본적으로 검은색과 흰색으로 만들어진 패턴은 거의 모든 텍스처 패턴의 기본으로 사용될 수 있습니다.

구배각 지침
대부분의 경우 사출을 용이하게 하기 위해 한 면당 1°의 드래프트를 추천합니다. 그러나 립, 보스 및 다른 디자인 기능에서 적절한 치수를 얻기 위해 한 면당 ½°를 사용하기도 합니다. 구조 강도를 높이기 위해 립이나 보스 윗부분의 두께에 대한 주의가 필요합니다.

사출을 용이하게 하기 위한 금형 표면 처리
일부 경우, 낮은 드래프트 각도가 필요할 수 있지만, 금형의 치수가 적절하게 냉각하기에 맞지 않을 수도 있습니다. 부품의 사출을 도와주는 표면 코팅 혹은 표면 처리 방법이 있습니다. Eastman은 폭넓은 연구를 통해 어떤 코팅 및 처리 방법이 Eastman 폴리에스터를 위한 좋은 이형제인지를 확인하였습니다. Eastman은 그중 최고의 이형제 3가지를 추천합니다.

FAQ

핫 러너 시스템과 사출 금형을 사용한 코폴리에스터 수지에 적합한 게이트 종류는 무엇입니까?
밸브 게이트

콜드 스프루는 사출 금형 툴에서 코폴리에스터 수지와 사용하기에 적합한 게이팅 방식입니까?
예. 콜드 스프루를 게이팅 스타일로 사용하신다면, 고열 전도 스프루 부싱을 추천합니다. 스프루 길이를 3인치 미만으로 유지하시기 바랍니다. 가까이에서 냉각 라인을 제공합니다. 약한 프레스 핏을 사용하여 스프루 부싱과 주변 강철 도구 사이에 적절한 온도를 유지해줍니다.

코폴리에스터 수지를 위한 사출 금형의 주요 디자인 기능은 무엇입니까?
냉각입니다. 캐비티(Cavity) 내의 모든 강철 표면이 반드시 잘 냉각되어야 합니다. 빠른 사이클에서 캐비티(Cavity) 표면 부분 온도가 수지의 유리 전도 온도에 가깝거나 이를 초과하게 되면, 수지는 끈끈하게 되며 사출에 어려움이 생깁니다.

코폴리에스터 수지를 위한 사출 금형에서 긴 핵심부를 냉각시키는 일반적인 방식은 무엇입니까?
버블러, 배플 및 나선형 냉각 채널이 긴 핵심부를 냉각시키는 효과적인 방식입니다. 긴 핵심부의 끝까지 냉각수를 보내기 힘든 경우에는 고열전도 합금을 사용하여 열전도를 높이는 방법도 있습니다.

게이트 부분의 냉각이 중요한 이유는 무엇입니까?
사출 성형 충전 단계에서 모든 열은 게이트를 통해 캐비티(Cavity)로 들어가서 그 부분에 고온을 형성합니다. 금형 구조는 가까운 곳에 있는 냉각 서킷이나 수냉식 게이트 삽입물을 통해 이 캐비티에 적절한 열 제어를 해줄 수 있어야 합니다. 대부분의 경우 독립적으로 연결될 수 있는 게이트 냉각 서킷을 제작하는 것이 바람직합니다. 이를 통해 캐비티(Cavity) 냉각 시, 게이트 부분을 따로 효과적으로 냉각시킬 수 있습니다.

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