자동차 성형 사출기

 

플라스틱 수지의 유동은 점탄성 거동을 보이는 비 뉴턴 유체로 알려져 있으며 비 뉴턴 유체인 플라스틱 수지는 뉴턴 유체와 다르게, 일정 구간은 탄성 영역을 가지고 있기 때문에 전단율과 전단력이 비례관계가 성립하지 않은 구간이 있으며 이는 일정 항복 응력 이상의 힘이 주어져야 유동이 이루어지는 것을 의미하며 또한 플라스틱 수지 점성은 전단율 온도 압력 조건에 따라 변화하기 때문에 상당히 많은 민감도를 고려하면서 작업을 해야 함이 강조되어야 한다.

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대형 사출 성형기

 

플라스틱 수지 유동을 분석 하기 위해서는 전단율과 점도 전단응력과의 관계를 이해해야 하며 전단율은 금형 내 유동 선단의 변형 거리로써 수지의 유동 상태를 평가할 때의 지표로 활용하고 있으며 전단력은 전단율에 비례하고 점도는 전단율에 반비례하며 금형 내부의 유동 전단율은 두께 방향으로 수지 흐름 속도 차이에 의한 전단 변형의 정도를 말하며 즉 유동 방향 층 간의 속도 차이가 크면 높은 전단 변형이 된다는 뜻으로 볼 수 있으며 전단율의 크기는 수지의 흐름 속도가 높을수록 두께가 작을수록 높아진다는 특징을 알아두는 것이 앞으로 사출을 하는 데 있어서 많은 도움이 될 것이고 이러한 특징은 보통 전문가들이 많이 찾아내는 편이다.

 

 

따라서 금형내에서 전단율이 가장 큰 부분은 게이트로 볼 수 있으며 전단율이 높으면 전단 박하 (Shear thinning)라는 고분자 사슬이 늘어지는 현상이 발생하여 점도뿐만 아니라 온도 배향성 물성에 영향을 미치며 재료 한계치의 전단율이 발생한다면 재료의 기계적 물성이 변화하게 되어 크랙과 같은 성형품 결함이 발생할 수 있고 전단율이 높아질수록 점도가 낮아짐을 보여 준다.

 

 

또한 온도가 높으면 점도가 낮아짐을 보여 주며 PP는 융융온도 지점에서 체적이 크게 증가하며 또한 압력이 높을수록 체적이 줄어드는 것을 볼 수 있으며 지금까지는 수지의 유동의 기본적인 특성을 살펴보았고 위와 같은 특징을 토대로 플라스틱 수지의 수지 흐름을 이론적으로 표현하기 위한 연속 방정식 운동 방정식 에너지 방정식 등은 여러 가지 방법으로 표현되어지고 있으며 고분 자 수지는 비압축성이고 일반화된 뉴튼 유체의 거동을 따르며 또한 점도가 크기 때문에 레이놀즈 수가 작아서 관성력도 무시하며 중력이 미치는 영향도 미세하기 때문에 무시하는 조건의 방정식이다.

 

 

 

본 연구에 활용된 사출기는 UBE 3,500ton으로 대형 사출품을 생산할 수 있는 사출 용량과 형체력을 올릴 수 있는 사출기이며 사출 성형의 모든 동작들은 각각의 유압 실린더와 유압 비례 밸브 솔 밸브로 컨트롤을 하고 있으며 형체력을 유지하는 장치는 하프 너트와 고압의 형체 실린더를 이용하고 있는 직압식 사출기에 속한다고 볼 수 있으며 아래 사출기에는 여러 동작과 관련된 기구들이 있으나 본 연구에서는 취급하고 있는 유동 동작과 관련된 기구들은 다음과 같은 injection  charge unit들이며 실린더 및 유압모터는 솔 밸브 및 비례 밸브로 속도 및 RPM을 조정하며 수지의 공급 및 계량의 역할을 하는 screw는 수지의 양호한 용융 상태를 얻기 위해 일반적으로 다음과 같은 기준으로 선정하여야 하고 아래 그림은 범퍼 페시아를 생산하고 있는 실제 사출 조건표이며 사출 압력이 설정되어 있는 것은 사출 유압실린더의 입력 압력이며 성형해석에서 표현하는 사출 압력은 screw선단에 걸리는 사출 압력으로 유압 입력 압력의 10~16배의 증압 비가 적용된다.

 

범퍼 금형은 크게 분류하면 cavity 고정된 core 이동된 heater block ejecting unit clamp unit 등으로 구성되어 있으며 여러 기구들 중 본 연구에서 필요한 유동기 구들에 대해서 설명하며 대형 금형에서는 성형부에 수지가 흘러들어갈 때까지 유동성을 높이기 위해 사출기 barrel과 동일한 온도를 유지하는 hot runner system을 사용하고 있으며 또한 weld line을 방지하기 위해 각 hot runner drop에 실린더를 설치하여 valve pin을 작동시켜 순차 사출 할 수 있는 valve시스템을 대부분 사용하고 있으며 valve 시스템은 사출기 노즐에서 주입된 수지는 히터 블록에서 각 게이트 drop으로 흘러가며 각 게이트는 순차 전기신호를 받아 솔밸브가 open 되면서 밸브 핀이 작동이 되면 유로가 열려 수지가 성형부에 주입되는 시스템이며 이와 같은 시스템은 아래와 같이 순차적으로 게이트가 열릴 때마다 압력강하가 발생하는 profile을 가지며 유동적인 측면에서 보면 게이트가 열릴 때마다 유동 속도가 빨라짐을 의미하며 유동성과 관련된 항목은 melt volume flow rate로 보통 MI (melt index)라고 불린다.

 

 

복합 PP는 base PP에 기계적 물성을 향상시키기 위해 무기물 각종 첨가제등 다양한 것들이 들어가며 EPDM이 혼련 되어 있는 원재료이고 유동성을 올리기 위한 재료적인 방법은 filler 및 EPDM을 조정하거나 base PP의 분자량 및 결정 화도를 조정하는 방법이 있으나 그 함량에 따라 물성이 변하기 때문에 제약적인 조정만 할 수 있기 때문에 그 물성의 변화를 반드시 기억해두어야 하는데 그것을 통해서 앞으로 원재료를 어떤 것을 사용할지 어떻게 사용될지가 결정이 되기 때문이고 그러한 여러 가지의 시도 끝에 우리가 원하는 방향성을 가진 물질을 발견하게 되는 것이기 때문이다.