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플라스틱 성형 길잡이

플라스틱의 수축율 관리

이를 의미합니다.
성형품은 잘 조절된 상태에서 측정되어야 하는데 그 이유는  온도 및 공기중의 습기가(대부분의 플라스틱에 대해) 어느 정도 치수의 변화를 가져올 수 있기 때문입니다.
책에 나와있는 수축율과는 달리 실제 제품의 치수는 제품의 왜곡(휨)과도 관계된다는 것을 기억하십시오.
실제로 왜곡(휨)이 발생해도, 제품의 왜곡을 포함한 측정치를 그 수지의 성형 수축율로 볼 수는 없습니다.
표1에 여러가지 수지의 대표적인 수축율이 나타나 있습니다.

표1. 수축율 비교

수지명

수축율(%)

결정성 폴리스틸렌

0.4~0.6

HDPE 호모폴리머

1.5~2.5

PP 호모폴리머

1.5~2.5

아세탈수지

1.5~2.5

나일론수지

1.2~2.0

나일론 유리섬유 30%강화

0.4(F)-1.1(T)

나일론 미네랄 40%강화

0.7(F)-1.1(T)

PET수지 유리섬유 40%강화

0.2(F)-1.1(T)

F:수지흐름방향 T:수지직각방향

수축의 원인은 무엇일까요?
제품크기의 감소는 분명히 성형품의 냉각에 의한 것입니다. 일반적으로 비결정성 수지로 표현되는 폴리스티렌, ABS, SAN 또는 아크릴 같은 플라스틱은 온도저하에 비례하여 크기가 조금씩 감소하며, 낮은(0.5%이하) 수축율을 갖고 있습니다.

결정성 수지(혹은 반결정성 수지)라고 불리는 아세탈 수지, 열가소성 폴리에스터 수지, 나일론 수지  대부분의 그레이드 및 미네랄 강화 나일론수지는 온도에 비례해서 크기가 변화하지 않는데 그 이유는 부피의 변화가 고화 과정중에 일어나기 때문입니다. 그림 1에서는 같은 온도범위에서의 폴리스티렌과 아세탈의 부피 변화를 비교하고 있습니다. 

그림1. 냉각시 결정성 수지가 비결정성 수지에 비해 부피변화가 크다.

결정화의 효과 때문에 비강화 결정성 수지는 비결정성 수지보다 높은 수축율을 갖습니다.(1.0에서 30%까지)
반결정성 수지라는 것이 이러한 수지들에 대해 더욱 어울리는 표현인데 그 이유는 용융된 액체상태 수지의 냉각속도가 빠르면 빠를수록 완전한 결정구조로 변환되기가 어렵기 때문입니다.
냉각속도를 천천히 하면 결정의 형성이 촉진되며 결정구조가 완전해질수록 결정이 밀집되어 수축율이 커지게됩니다.(그림2) 

그림2.급속히 냉각한 것과(왼쪽) 서서히 냉각한 것의 현미경 사진 비교

제품의 수축은 언제 멈추는가?
이것은 사용된 수지, 작업조건, 그리고 성형품이 보관되거나 사용되는 환경에 의해 결정됩니다. 그림 3에서는 고온의 금형과 저온의 금형에서 나온 대표적인 결정성 수지의 장기적인 수축율 변화를 비교하고 있습니다. 그림에서 보듯이 고온의 금형에서 나온 성형품은 성형후 1시간에서 1년동안의 기간에 0.1%미만의 크기 변화만 있을 뿐입니다.

그림3.적절한 금형온도 사용에 의해 개선된 치수
 

그림4.스크류 전진시간이 잘 관리된 수축율

그림 4는 수축율에 대한 스크류 전진시간의 효과를 보여주고 있습니다. 만약 스크류 전진시간이 너무 짧게되면 게이트 금처제품의 비중이 낮아지게 되며 계속되는 결정화로 인해 후수축도 증가하게 됩니다.

장시간의 치수안정성을 위해 제품을 어닐링 해야 하는가?
이것은 경우에 따라 다릅니다. 경험상으로 미루어 보아 제품의 약 95%는 어닐링이 필요하지 않습니다. 어떤 경우 있어서는 어닐링이 문제를 일으킬 수도 있습니다.
결정성 수지의 어닐링은 제품의 결정화도를 최대한도로 높이게 되며 따라서 최대의 수축율을 가져다 줍니다. 어닐링이 항상 제품의 응력완화의 원인이 되는 것은 아닙니다.
예를 들어 만약 제품이 금속 인서어트 성형이면 인서트 주위의 플라스틱에 가해지는 응력이 실제 사용온도에서의 장기간 사용을 위해 필요한 응력 이상으로 올라가게 된 것입니다.
어닐링 한 후의 제품의 크기는 적당한 온도에서 장기간 사용된 제품의 크기보다 약간 작습니다. 경험상으로 볼 때 좋은 설계, 정확한 수지의 선택 및 적절한 성형기술을 통해 성형상의 오차를 줄일 수 있습니다.

얼마나 정확히 수축율을 관리할 수 있을까요?
이것은 분명히 사용된 수지나(충진재가 들어 있거나 또는 수분을 함유하고 있는지 여부), 제품설계(두께 및 두께 차이) 냉각한도, 리브의 많고 적음이나 위치, 그리고 작업상태 즉, 고온 또는 저온의 금형, 압력, 싸이클 타임 등에 영향을 받습니다.
그림 5에 정밀성형의 한 예가 나타나 있습니다. 

그림5.

이 제품이 보여주다시피 정확한 공차의 성형이 가능합니다. 실제로, 잘 알려진 기어 생산업체가 최근 플라스틱으로 미국  기어 생산업자협회 규격  10등급의 기어까지도(매우 정밀도가 높은 기어) 생산할 수 있다는 광고를 낸 바 있습니다. 비강화  나일론 수지나   아세탈 수지로 만든 형상이 단순한 제품의 수축율은 거의 정확하게 예측할 수 있습니다.

아세탈이나 나일론으로 만든 복잡한 형상의 제품이나 매우 빠른 싸이클 타임 또는 이상적인 스크류 전진시간 보다 빠른 속도로 성형된 두꺼운 제품의 수축율은 정확하게 예측하기 어렵습니다. 그러나 사출성형기가 정확하게 조정되었다면 공차범위를 유지하는 것은 가능합니다.
그림 6에는 이러한 수지들로 얻을 수 있는 정밀한 공차의 범위를 보여주고 있습니다. 여러 성협업자들은 그림에 나타난 수치보다 더욱 정확한 공차의 관리를 할 수 있다는 것을 발견하곤 합니다.
강화수지나 충진재를 포함한 수지의 수축율은 수지흐름 방향의 수축이 흐름 직각방향보다 낮으므로 예측하기 더욱 어렵습니다. 

그림6. 추천되는 최소 공차

재생재의 함량이나 착색제도 수축율의 예측을 복잡하게 만듭니다. 유리섬유 강화수지의 경우 유리섬유의 길이가 사출기 실린더 통과 횟수에 영향을 받고 또한 유리섬유의 길이가 수축율에 중요하므로 재생재의 함량은 정확하게 관리되어야 합니다.
그림 8에서는 재생재의 함량이 서로 다른 두 가지 수지의 사출기 실린더 통과 횟수를 비교함에 있어 왜 재생재의 최대함량이 25%로 제한되어야 하는가를 보여주고 있습니다. 실제 최적함량은 충격강도 시험등의 방법에 의해 결정되어야 합니다.

마지막으로 정확한 수축율 관리가 성형품의 원가에 어떤 도움이 될까요?
열가소성 엔지니어링 플라스틱의 정밀사출 업자들은 작업에 필요한 금형, 사출기 그리고 부대 조절장치를 갖고 있으며 이러한 장비들은 정상적인 조건으로 잘 보수 유지함으로서 그들의 명성을 이룩해 나가고 있습니다. 그러나 이것은 가장 비싼 장비나 작업기술을 갖고 있다는 것을 의미하지는 않으며 또한 장시간의 불필요한 품질관리 과정을 거치는 것을 의미하지도 않습니다. 아래에 열거된 몇가지 사항은 고품질 사출성형을 위한 몇가지 중요한 내용이므로 참고하시면 도움이 될 것으로 기대합니다.

의사교환

  • 먼저 품질이 야호한가, 중간정도인가 또는 불량인가 등의 구분을 위해 기중을 정해야 합니다.(샘플에 대한 몇마디의 표현만으로도 충분합니다.)
  • 서로에게 쉽고 편리한 방법을 찾으십시오.
    즉 실수나 예상되는 실수를 기록하고 즉시 조치를 취하기 위해 담당자 및 금형 작업자를 선정하고 애매모호한 Q.C 기준을 확실히 하십시오. 각각의 기계에 연필이 달린 메모판을 부착해 놓는 것도 한가지 방법입니다.
  • 작업자가 사출성형 작업시 해야할 일과 해서는 안될 일에 대해 의논하십시오. 즉 기계가 스타트 업 되자마자(또는 금형온도가 정상온도로 오르기 전이나) 작업하는 것이 좋은가 또는 8번 내지 10번의 사이클 후 작업하는 것이 좋은가 등에 대해 의논하십시오. 금형 및 수지온도, 스크류 속도 또는 싸이클 타임이 정상 작업조건에서 이탈되면 수축율과 공차관리가 어렵게 됩니다.

장비관리

  • 사출기가 성능을 제대로 발휘하는가 확인하십시오.
    스크류 역류방지/체크링, 히터 밴드, 써모커플, 온도조절기, 유압필터, 유압조절 밸브는 항상 좋은 상태여야 합니다.
  • 금형온도를 점검하십시오.
    유량 및 온도의 이상 여부를 알려주는 경보기를 갖추는 것이 바람직합니다.
  • 건조장치를 점검하십시오.
    노점 및 공기의 양을 측정할 수 있는 장비를 갖추는 것이 바람직합니다.
  • 금형의 상태를 점검하십시오.
    금형의 손상을 방지하고 교정해야 하며, 가스빼기와 다른 주요 부분을 자주 세척해주십시오

Q.C 모니터링

  • 제품의 성형이 잘 관리되고 있는지를 확인하기 위해 주요한 측정부위를 선정하고 간단한 시험을 하십시오.(합격 적부의 판정이 필요한 부위의 선정, 간단한 충격시험 등) 챠트에 시간을 기록하고 표시를 해두면 재생재의 발생을 많이 줄일 수 있습니다.