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플라스틱 사출 성형 공정
생성 날짜 01.04
사출 성형 공정 흐름
사출 성형 공정은 주로 금형 닫힘, 충전, 보압, 냉각, 금형 열림, 탈형의 여섯 단계로 구성됩니다. 이 여섯 단계는 제품의 성형 품질을 직접 결정하며 완전하고 연속적인 공정을 형성합니다. 본 장에서는 충전, 보압, 냉각 및 탈형 단계에 중점을 둡니다.
충전 단계
충진은 금형이 닫히는 순간부터 금형 캐비티가 약 95% 채워질 때까지 전체 사출 성형 사이클의 초기 단계를 구성합니다. 이론적으로 충진 시간이 짧을수록 성형 효율이 높아지지만, 실제 생산에서는 성형 시간(또는 사출 속도)이 여러 제약 조건에 따라 달라집니다.
고속 충진. 고속 충진 중에는 전단율이 높아져 플라스틱의 점도가 전단 박화로 인해 감소하고, 이로 인해 전반적인 유동 저항이 낮아집니다. 국부적인 점성 가열 효과는 또한 응고층을 얇게 만드는 데 기여합니다. 결과적으로, 유동 제어 단계 동안 충진 거동은 종종 충진될 부피에 의해 결정됩니다. 즉, 이 단계에서는 고속 충진 중 용융물의 상당한 전단 박화 효과가 얇은 벽 부분에 대한 냉각 영향보다 일반적으로 더 커서 속도 효과가 우세하게 작용합니다.
저속 충진. 열전도 제어를 통한 저속 충진 시 전단율이 낮고, 국부 점도가 높으며, 유동 저항이 큽니다. 용융 플라스틱의 보충 속도가 느리기 때문에 유동이 점진적으로 진행되어 열전도 효과가 두드러집니다. 차가운 금형 벽에 의해 열이 빠르게 소산됩니다. 최소한의 점성 발열과 결합하여 더 두꺼운 고화층이 얇은 벽 부분의 유동 저항을 더욱 증가시킵니다.
분수 흐름의 유체 역학적 특성으로 인해 플라스틱 용융물 내의 고분자 사슬은 흐름 전선에 거의 평행하게 정렬됩니다. 결과적으로, 두 개의 용융 플라스틱 흐름이 합쳐질 때, 그 경계면에 있는 고분자 사슬은 서로 평행하게 됩니다. 두 용융물의 다른 특성(금형 캐비티 내 체류 시간, 온도 및 압력의 차이)과 결합되어, 이는 수렴 영역에서 미세 구조적 약점을 초래합니다. 부품을 적절한 각도로 빛 아래에 놓고 육안으로 관찰하면 뚜렷한 웰드 라인이 보이게 됩니다. 이것이 웰드 라인의 형성 메커니즘을 나타냅니다. 웰드 라인은 플라스틱 부품의 외관을 손상시킬 뿐만 아니라 응력 집중에 취약한 느슨한 미세 구조를 나타냅니다. 결과적으로 이 영역의 강도가 감소하여 잠재적인 파손으로 이어집니다.
일반적으로 고온 영역에서 형성된 용접선은 더 우수한 강도를 나타냅니다. 이는 고온에서 고분자 사슬의 이동성이 커져 서로 침투하고 얽힐 수 있기 때문입니다. 또한, 고온 영역에서는 두 용융 스트림의 온도가 더 가까워 용융물의 열적 특성이 거의 동일해져 용접 영역의 강도가 향상됩니다. 반대로 저온 영역에서는 용접 강도가 약합니다.
압력 유지 단계
보압 단계의 목적은 지속적으로 압력을 가하여 용융물을 압축하고 플라스틱 밀도(고밀도화)를 높여 재료의 수축 거동을 보상하는 것입니다. 보압 중에는 이미 금형 캐비티가 플라스틱으로 채워져 있기 때문에 배압이 상대적으로 높습니다. 보압 압축 과정 내내 사출 성형기 스크류는 미세한 증분으로만 천천히 전진할 수 있으며, 플라스틱 유량 또한 상대적으로 느립니다. 이 유동을 보압 유동이라고 합니다. 보압 단계 동안 플라스틱은 금형 벽에 대해 빠르게 냉각 및 고화되어 용융 점도가 급격히 증가합니다. 결과적으로 금형 캐비티 내부에 상당한 저항이 축적됩니다. 보압 후반부로 갈수록 재료 밀도는 계속 증가하고 부품은 점차 형태를 갖춥니다. 보압 단계는 게이트가 고화되고 밀봉될 때까지 지속되어야 합니다. 이 시점에서 보압 단계 중 캐비티 압력은 최대값에 도달합니다.
압력 유지 단계 동안 플라스틱은 비교적 높은 압력으로 인해 부분적인 압축성을 나타냅니다. 압력이 높은 영역에서는 플라스틱이 밀도가 증가하면서 더 조밀해지고, 반대로 압력이 낮은 영역에서는 밀도가 감소하면서 더 다공성이 됩니다. 결과적으로 밀도 분포는 위치와 시간에 따라 달라집니다. 이 단계 동안 플라스틱 흐름 속도는 매우 낮아 흐름 역학은 더 이상 지배적인 요인이 되지 않으며, 압력이 유지 공정을 결정하는 주요 요인이 됩니다. 이 단계에 이르면 플라스틱은 금형 공동을 채우게 됩니다. 점차 고화되는 용융물이 이제 압력 전달 매체 역할을 합니다. 금형 공동 내의 압력은 플라스틱을 통해 금형 벽 표면으로 전달되어 금형을 팽창시키려는 경향을 만듭니다. 따라서 금형을 고정하기 위해 적절한 클램핑 힘이 필요합니다. 정상적인 조건에서는 금형 팽창력이 금형을 약간 넓혀 배기를 돕습니다. 그러나 과도한 팽창력은 플래시, 누출 또는 금형 분리를 유발할 수 있습니다. 따라서 사출 성형기를 선택할 때는 금형 팽창을 방지하고 효과적인 유지 압력을 보장하기에 충분한 클램핑 힘을 가진 기계를 선택해야 합니다.
새로운 사출 성형 환경 조건 하에서는 가스 보조 성형, 수 보조 성형, 발포 사출 성형과 같은 새로운 사출 성형 공정을 고려해야 합니다.
냉각 단계
사출 성형에서 냉각 시스템의 설계는 매우 중요합니다. 이는 성형된 플라스틱 부품이 외부 힘에 의한 변형을 방지하기 위해 이젝션 전에 일정 강도로 냉각 및 고화되어야 하기 때문입니다. 냉각 시간은 전체 성형 사이클의 약 70%에서 80%를 차지하므로, 잘 설계된 냉각 시스템은 성형 시간을 크게 단축하고 사출 성형 생산성을 향상시키며 비용을 절감할 수 있습니다. 부적절하게 설계된 냉각 시스템은 성형 시간을 연장하고 비용을 증가시키며, 불균일한 냉각은 플라스틱 제품의 뒤틀림 및 변형을 더욱 악화시킵니다.
실험 결과, 용융물에서 금형으로 유입되는 열은 두 가지 주요 방식으로 방출됩니다. 약 5%는 복사와 대류를 통해 대기로 전달되며, 나머지 95%는 용융물에서 금형으로 전도됩니다. 금형 내부에서는 플라스틱 제품의 열이 캐비티 플라스틱에서 금형 베이스를 통해 냉각수 파이프로 열전도 방식으로 전달된 후, 대류를 통해 냉각 유체에 의해 운반됩니다. 냉각수가 제거하지 못한 소량의 열은 금형 내부에서 계속 전도되어 외부 환경과 접촉 시 결국 주변 공기로 방출됩니다.
사출 성형의 성형 사이클은 클램핑 시간, 충진 시간, 보압 시간, 냉각 시간, 이젝팅 시간으로 구성됩니다. 이 중 냉각 시간이 약 70%~80%로 가장 큰 비중을 차지합니다. 따라서 냉각 시간은 플라스틱 제품 성형 사이클의 길이와 생산량 모두에 직접적인 영향을 미칩니다. 탈형 단계에서 플라스틱 제품은 잔류 응력으로 인한 이완 또는 외부 탈형력으로 인한 뒤틀림 및 변형을 방지하기 위해 열 변형 온도 이하로 냉각되어야 합니다.
제품의 냉각 속도에 영향을 미치는 요인은 다음과 같습니다:
플라스틱 제품 설계에서 벽 두께는 주요 고려 사항입니다. 제품 두께가 클수록 냉각 시간이 길어집니다. 일반적으로 냉각 시간은 제품 두께의 제곱 또는 최대 러너 직경의 1.6승에 비례합니다. 즉, 제품 두께를 두 배로 늘리면 냉각 시간이 네 배가 됩니다.
금형 재료 및 냉각 방법. 금형 코어, 캐비티 및 금형 베이스에 사용되는 재료는 냉각 속도에 상당한 영향을 미칩니다. 금형 재료의 열전도율 계수가 높을수록 단위 시간당 플라스틱에서 열을 더 효과적으로 제거하여 냉각 시간을 단축할 수 있습니다.
냉각수 파이프 구성. 냉각수 파이프가 금형 캐비티에 가까울수록, 직경이 클수록, 개수가 많을수록 냉각 효과가 커지고 냉각 시간이 단축됩니다.
냉각수 유량. 냉각수 유량이 많을수록 (일반적으로 난류가 최적), 냉각수가 열 대류를 통해 열을 더 효과적으로 제거합니다.
냉각수 특성. 냉각수의 점도와 열전도율 계수도 금형의 열 전달 효율에 영향을 미칩니다. 냉각수 점도가 낮을수록 열전도율이 높고, 온도가 낮으며, 냉각 성능이 우수합니다.
플라스틱 선택. 이는 플라스틱이 뜨거운 부분에서 차가운 부분으로 열을 전달하는 능력을 의미합니다. 열전도율 계수가 높을수록 열 전달 효율이 좋습니다. 또는 비열 용량이 낮을수록 플라스틱의 온도 변화가 더 쉽게 일어나 열 방출을 촉진하여 냉각 시간을 줄여 더 나은 열 성능을 달성할 수 있습니다.
공정 변수 설정. 재료 온도, 금형 온도, 배출 온도가 높을수록 냉각 시간이 길어집니다.
냉각 시스템 설계 원칙:
냉각 채널은 균일하고 빠른 냉각을 보장하도록 설계해야 합니다.
냉각 시스템 설계의 목적은 금형을 적절하고 효율적으로 냉각하는 것입니다. 냉각 구멍은 가공 및 조립을 용이하게 하기 위해 표준 치수를 사용해야 합니다.
냉각 시스템을 설계할 때 금형 설계자는 플라스틱 부품의 벽 두께와 부피를 기준으로 다음과 같은 설계 매개변수를 결정해야 합니다: 냉각 구멍의 위치 및 치수, 구멍의 길이, 구멍의 유형, 구멍의 배열 및 연결, 냉각수의 유량 및 열 전달 특성.
탈형 단계
이형은 사출 성형 사이클의 마지막 단계입니다. 제품이 이미 냉각되고 고화되었더라도, 이형 과정은 제품 품질에 상당한 영향을 미칩니다. 부적절한 이형 방법은 제거 시 불균일한 힘 분배를 초래하여 변형이나 기타 결함을 유발할 수 있습니다. 이형에는 두 가지 주요 접근 방식이 있습니다: 이젝터 핀 이형과 이젝터 플레이트 이형입니다. 금형을 설계할 때, 품질을 보장하기 위해 제품의 구조적 특성에 따라 적절한 이형 방법을 선택해야 합니다.
이젝터 핀을 사용하는 금형의 경우, 이젝터 핀은 가능한 한 균일하게 배치해야 하며, 이젝션 저항이 가장 큰 곳, 부품이 최대 강성과 강성을 나타내는 곳에 위치해야 합니다. 이는 플라스틱 부품의 변형이나 손상을 방지합니다.
이젝터 플레이트는 일반적으로 깊은 캐비티, 얇은 벽 용기 및 이젝터 핀 자국이 허용되지 않는 투명 제품에 사용됩니다. 이 메커니즘은 상당하면서도 균일한 이젝션 힘을 제공하고, 부드럽게 작동하며, 눈에 띄는 흔적을 남기지 않습니다.
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