Plastic Injection Molding Process
1. 서 론,Introduction
일반적으로 프라스틱 재료의 가장 중요한 특성은 그것들 자신의 유연성(versatility)이라 할 수 있을 것이다. 대부분의 프라스틱은 high molecular weight polymer을 monomeric building block에서 모아진 합성물질(synthetic material)이다. 이런 high molecular weight polymer은 material chemistry에 따라 熱可塑性(thermoplastic)이나 熱硬化性(thermosetting)으로 분류할 수 있다.
1-1. 열가소성 재료,Thermoplastic material
프라스틱 사출에 사용되는 프라스틱 재료 중 대개는 열가소성물질(thermoplastic)이다. 대개의 프라스틱은 가열 시 연해지고, 냉각 시 재응고하는 line 또는 branched polymeric material이다. 열가소성물질은 단단함(rigid)으로부터 합성고무(elastomeric)에 이르는 성질을 띤 다양한 grade가 있다. 이론적으로 열가소성 재료의 processing은 물리적 변화(상변화)만 수반된다. 따라서 재료는 쉽게 재생될 수 있다. 열가소성 재료는 재생이 가능하지만, processing이 이루어지는 동안 최소한 약간의 화학변화(즉, 산화, 열적퇴화,thermal degradation 등)가 일어나기 쉽고, second generat -ion material property는 초기 포리머의 그것과는 아마 상당한 차이가 있을 것이다. 그림1-1은 열가소성물질에 대한 recycling을 나타내는 개념이다.
그림1-1 Thermoplastic recycling의 개념
열가소성 재료를 분류하는데 사용되는 방법에는 몇 가지가 있다. 그 중에 하나는 plymer chain conformation이나 morphology를 근거로 했다. 이 개념에 근거해서, 열가소성 재료를 amorphous thermoplastic, sem-crystalline thermoplastic, liquid crystalline thermoplastic 등으로 기술한다.
[비결정 열가소성 물질,Amorphous thermoplastics
Amorphous polymer는 그림1-2처럼 특정 형태가 없는(즉 불규칙한 배치상태) ploymer molecu -les이다. amorphous polymer는 사출기 시린더 안에서 가열될 때, intertwined chain은 더욱 더
mobile/active하게 되고, 얽힘이 풀려서 chain slipage 현상이 일어나기 쉽다. 그 결과 점점 부드러워져서(유동성 좋아져서) 결국엔 흐르게 된다. molecular activity의 수준이 증가할수록 재료는 더욱 유동성이 좋아지는데, polymer chain 사이에 attractive force이 감소하기 때문이다. 용해 후 amorphous polymer이 형상을 만들어 내기 위해 mold fillling이 이루어지는 동안 polymer가 냉각되고 molecular mobility이 감소할수록 그것의 단단함은 회복한다. Polyctylene, polycarbonate,
polymetyl methacrylate 과 같은 polymer는 amorphous thermoplastics의 예이다.
그림1-2. 프라스틱 재료는 amorphous, semi-crystalline, liquid crystalline 혹은 thermosetting
이들 중 어느 것이냐에 따라 분류된다.
[준결정 열가소성 프라스틱,Semi-crystalline thermoplastics]
어떤 중합분자는 그들이 불규칙적인 것보다 규칙적인 분자배열을 형성하여 그들 자신 chemical
structure 내에서 규칙적이고 유연성(flexibility)이 충분하다. thermoplastic이 용해상태(molten st -ate)에서 냉각하여 형성된 결정이 이들 규칙배열 구역이다. 재가열함으로써 그 결정은 polymer가 그 자신의 crystalline melting temp.에 도달할 때까지 원래 상태를 유지한다. 용해상태에서 이들 재료는 비결정질이나 불규칙분자구조를 갖는다. 주목할 것은, crystalline thermoplastic은 semi- thermoplastic으로 서술하는 것이 더 적당할 것이다. 왜 그런가 하면, 이들 polymer는 그림1-2처럼 amorphous region과 crystalline region을 둘 다 포함하고 있기 때문이다.
crystallinity의 정도(즉 재료 내의 결정질면적 대 비결정질면적의 比)는 polymer의 chemical st -ructure와 제조공정조건에 따라 영향을 받는다. 특히 molten polymer는 냉각속도의 영향이 크다. 냉각속도를 감소시키는 공정변수(processing variables)는 일반적으로 crystallinity의 정도를 증가시킨다. polyethylene, polypropylene, polysmids(나이론)과 같은 polymer는 semi-crystalline po -lymer의 예이다.
[액정 프라스틱,Liquid Crystalline Thermoplastic]
Semi-crystalline thermoplastic, liquid crystalline thermoplastic과 같이 고용체 상태에서 규칙적인 체인배열(chain arrangement)을 하고 있다. 그렇지만 보통의 semicrystalline polymer, liqu- id crystalline polymer과 달리 용해상태에서도 불규칙이 아닌 규칙적인 분자배열을 나타냈다. 이런 특이한 재료는 영력이나 평행한 배열을 형성하는 분자같은 로드에 의해 특징되다. LSPs의 잇점로는 낮은 용해점착성, 낮은 수축성, chemical resistance, 크리프 저항, 치수안정 강화 등 많다.
1-2 열경화성 프라스틱 재료,Thermosetting Plastic Maetrial
Thermosetting polymer는 그림1-2처럼 processing이 이루어지는 동안 화학반응을 일으키면서 cross linked polymer chain network를 형성하는 중헙체(polymer)이다. 화학반응은 역행해서 일어날 수 없다. thermoplastic과 달리 thermoset는 직접 재생될 수 없는 재료이다. thermset mold -ing에 있어서 화학반응이 일어나기 때문에 process변수와 관련하여 여러 가지 많은 반응이 부가적으로 processing동안에 수반된다. thermoset material들은 같이 더불어서 작업하기가 어렵고, 특별한 molding equipment을 필요로 한다. 그렇지만 그 재료는 어느 정도 두드러진 성질을 제공하기도 한다. thermosetting polymer의 cross linked chain network characteristic은 내크리프성, 치수안정성, 내화학반응 등의 성질을 좋게 한다. 그렇지만 재생이 불가능할 뿐 아니라 thermoset -ing polymer를 가공할 때 만나게 되는 어려움으로 인해서 그것들의 사용을 제한 받는 경우가 있다. thermosetting polymer의 예는 phennolics, epoxies, 불포화포리에스터 여러 가지 elastomer -ic(합성고무재료) 등이 있다.
1-3 조직과 성질의 상호관계,structure-property relationships
프라스틱 재료의 성질은 필요조건을 만족시킬 수 있도록 조절되어야 한다. 프라스틱 재료의 성질은 화학성분의 차이, maetrail formulatin 안으로 부가된 첨가물의 차이에 따라 달라질 수 있을 것이다. 프라스틱 재료의 성분조성(chemical composition)이 달라지면 아래를 포함하여 여러 방법으로 달라질 수 있다.
# Repaet unnit의 조직 # Homopolymer 이나 copolymer
# 평균분자무게 # 분자무게분포
# linked vs branched vs crosslinked
이들 chemical characteristic 중 어느 하나의 변화도 프라스틱 재료의 성질에 영향을 준다. 폴리카보네이트는 체인을 편성하는 repeat unit가 다르기 때문에 폴리스틸렌보다 상당히 다른 재료이다. polymer molecule를 평성하는 repeat unit는 그림1-3처럼 체인을 평성하는 링크와 비슷하다. 다른 repeat unit를 갖는 포리머의 성질은 다를 것이다. 링크의 타입이 다를 때 체인의 강도가 다른 것처럼--)
많은 프라스틱 재료는 그들이 한 타입 이상의 monomer unit로부터 세워진 chain structure을 가지고 있기 때문에 copolymer로 서술된다. poly(strene-acrylonirile), SAN과 같은 재료는 그것이 copolymer이기 때문에 polystelene보다 다른 성질을 나타낸다. SAN늬 성질은 그것의 실제 co -polymer composition과 molecular weight characteristics에 따라 달라질 것이다. 사실 chemical composition에 관련하여 무수한 가능성이 있다. 그리고 이 방법으로 폭?c게 다양한 end -use property이 얻어진다.
그림1-3. polymmer chain를 구성하는 repeat unit는 재료의 processability와 성질에 미치는
영향이 아주 크다.
chain link타입과 polymer molecules의 길이는 포리머의 processing과 관련된 성질과 end-use performance에 영향을 미칠 것으로 판단된다. 프라스틱 재료 제조업자는 정해진 평균 분자무게와 규정된 molelar weight distribution의 polymer를 생산하려면 polymerization process을 바꾸어서 특정 재료타입의 processing behavior과 성질을 정교하게 조정한다.
그림1-4. 평균분자무게와 분자무게분포는 둘 다 폴리머의 end-use property과
processability에 영향을 미친다.
포리머의 평균분자무게는 평균분자무게 수(Mn;재료의 총무게를 분자수로 나눈 값), 또는 weight average molecular weight(Mw;higher molecular weight fraction을 강조하고, 그 결과 larder moleculees에 좌우되는 성질과 관련), 포리머의 수와 weight average molecular weight는 1-1식과 1-2식을 각각 이용하여 결정한다. Mi는 molecular weight each incremental fraction, Ni는 각 비에 있어서 분자의 number이다.
특정 분자에 대한 분자무게분포곡선의 나비는 polydispersity index(PDI)을 이용하여 특징을 나타낸다. 포리머의 PDI는 식1-3을 이용하여 결정한다.
2. 제조검토, manufacturing consideratin
2-1 개요, Introduction
프라스틱사출 공정은 모양이 아주 복잡한 프라스틱부품을 생산하는데 사용될 수 있는 고속의 자동화 작업방법이랄 수 있다. 이 기술로 실지로 프라스틱 재료를 이용해서 아주 크거나 작은 어떤 부품도 만들어낼 수 있다. 그렇지만 부품설계가 공구의 필요조건과 비용뿐아니라 부품의 생산성과 몰딩의 용이성을 결정한다는 것을 부품을 설계하는 사람은 반드시 숙지하고 있어야 한다. 프라스틱품의 몰딩성을 개선시키기 위해선 생산품의 전체적인 모양과 세부적인 것도 바뀔 수 있다는 점도 사출품 설계자는 인지하고 있어야 한다. 게다가 사출품 설계자는 프라스틱사출품이 공구설계와 공정변수들과 같은 인자에 의해 크게 영향을 받을 수 있다는 점도 알고 있어야 한다. 품질을 개선하기 위해서는 프라스틱부품설계자ㆍ금형설계자ㆍ재료공급자ㆍ공정설계자 등이 함께 노력해야 한다. 프라스틱부품설계는 그런 엔지니어링실무가 뒤따른다면 성공적으로 업무를 수행할 수 있을 것이다.
프라스틱사출작업은 일련의 여러 단계를 포함하는 복잡한 공정이다. 프라스틱사출의 단계는 일반적으로 [금형충전,Mold Filling], [패킹,Packing], [보압,Holding], [냉각,Cooling], 부품추출,Part Ejection]등으로 나누는 것이 보통이다. 좀더 자세히 기술하면 아래와 같다
1 단계 충전(Mold Filling) : 금형이 닫힌 다음 융해는 스프루ㆍ런너를 통과하여 상대적으로 치가운
금형 안으로 흘러서 캐비티 안으로 흐른다
2 단계 패킹(Packing) ; 완전히 충전시키기 위해서 융해에 압력을 가하고 압축한다
3 단계 유지(Holding) ; 금형 내에서 사출품이 냉각하므로 써 생기는 수축에 대해 보충하
기 위한 압력상태 하에서 유지한다.
4 단계 냉각(Cooling) ; 융해는 수축에 대한 벌충없이 계속 냉각되어 수축한다.
5 단계 추출(Part Ejection) ; 보통은 금형을 열고 냉각을 추출시스템을 이용하여 코아나 캐비티로부터
제거된다.
프라스틱사출의 각 단계 때마다 사출품설계에 영향을 준다. 사출품이 성형되기 위해선 이들 다섯 진행단계에 맞는 성형필요조건을 갖추어야 한다.
2-2. 충전에 대한 고찰
2-2-1 게이팅 대한 고찰
충전과 관련해서 가장 중요한 결정사항 중 하나는 프라스틱품에 사용되는 게이트의 위치ㆍ숫자ㆍ타입이다. 이름에서 알 수 있는 것처럼 게이트는 융해가 몰드 캐비티 안으로 들어가는 지점이다. 게이트는 사출품의 여러 곳에 둘 수 있으며, 여러 유형으로 설계할 수 있다. 각기 다른 게이팅 디자인 및 위치는 품질에 커다란 영향을 미친다. 게이팅 설계는 충전ㆍ보압ㆍ유지 단계에 영향을 미치며 그것의 성능뿐아니라 사출품의 최종 칫수에도 크게 영향을 미친다. 게이티 설계는 아래를 포함하여 여러 가지로 사출품질에 영향을 미친다.
[아 래]
* 몰드충전 양상(Mold Filling Pattern) * 캐비티(Cavity) 안에서의 압력분포
* 웰드(Weld) 혹은 Knit의 품질과 위치 * 가스 트랩(Gas trap)과 미성형(Short shot)
* Orientation의 방향과 정도(Degree) * 게이트의 사이즈와 위치
* 치수공차(Dimensional tolerance) * 잔유응력(Residual stress)
* 수축(sink mark)의 통제력 * 왜곡(Warpage)과 평탄도(Flatness)
경험적으로 볼 때, 제품설계자는 부품도면이나 견본을 공구설계자한테 가져다 준다. 설계하는 사람은 대개 미학적인 이유 때문에 게이트를 둘 수 없는 부품에 대해 위치를 표시한다. 이 지점에서 공구 설계자는 몰드를 설계하기 시작한다. 더 이상 이런 경우는 없다. 제품을 설계하는 사람이 알아야 할 것은 게이팅 설계는 사출품 품질에 지대한 영향을 미칠 수 있다는 점이다. 많은 경우에서 공구를 설계하는 사람보다는 제품을 설계하는 사람이 게이팅 설계를 상술하는 경우가 많다. 그렇지만 사출품 지오메트리가 형성되는 것처럼 사출품 설계 초기 단계에서 공구 설계자가 디자인 루프(design loop)를 일으키는 것이 최선이다. 이렇게 하여 공구와 제품설계자는 게이팅과 관련한 중요한 사안에 대해선 다같이 협력해야 한다. 그림2-1에서처럼 막힌 슬리브, 컵 모양을 검토해보자. 가능한 여러 가지 게이팅 설계가 제안되었다.
그림1 막힌 슬리브(컵) 모양의 전형적인 게이팅 옵션. 게이팅 옵션에 포함된 것은 Edge gate,
Tunnel gate, Pin gate 등이다
각 게이팅 설계는 각기 자신의 독특한 장점과 한계를 동시에 갖고 있다. 일반적으로 사출품을 설계하는 사람은 될수있는 한 많은 게이팅 옵션을 검토하는 것이 좋다. 그리고 성형성과 성능의 밸런스가 양호한 설계가 좋다. 가령 싱글 에지게이트(edge gate) 사출품은 단순한 두 프레이트 몰드(금형)에서 생산이 가능하다. 그렇지만 이 게이팅은 코아 디플렉션, 가스 트랩, 약한 웰드, 칫수 등 문제를 일으킬 수 있다. 멀티-에지 게이트 설계는 싱글-에지 게이팅을 개선한다. 그렇지만 웰드와 밴팅 문제가 남고 부가적으로 런너 스크랩이 발생된다. 막힌 슬리브 타입에 대해선 측면보다는 위에 게이팅하는 것이 더 좋다. 가령, 상단의 중앙에 위치한 게이팅은 그 결과 흐름 밸런스가 더 좋아지고, 파팅-라인에서 자연 밴팅이 되며, 웰드라인이 없게 된다.
그림2. 림(rim) 모양을 한 사출품의 내부 스포크 및 디스크 게이팅 옵션, 디스크 게이트는
충전이 균일하고 웰드라인이 생기지 않고 패킹.
게이팅 설계는 프라스틱사출품의 칫수에 영향을 미친다. 그림2에 나타낸 것처럼 림모양의 사출품은 싱글 캐비티 금형 안에서 생산되는 것이다. 그런 사출품에 대해 가능한 게이팅 설계는 내부 스포크 게이팅이나 디스크 게이팅이다. 프라스틱 사출품은 캐비티압 그라디언트와 압축효과 때문에 게이트 근처에서 수축이 덜한 경향이 있다. 그러므로 사출품의 최종 칫수는 게이트의 숫자에 영향을 받게 될 것이다. 칫수ㆍ성능ㆍ전반적인 품질의 관점에서 그림2의 디스크 게이팅 옵션이 가장 좋다. 그것은 흐름의 균형이 좋고, 압력 분포가 균일하며, 칫수관리가 용이하고 웰드가 형성되지 않기 때문이다. 불행히도 이런 게이팅 옵션은 부가적인 런너 스크랩을 야기시키기 쉽고 게이트를 움직이기 위해 펀칭(punching)이나 가공(machining) 등 부가적으로 2차 작업이 필요할 수도 있다.
그림2-3 대표적인 콜드 런너, 2-프레이트(싱글PL) 멀티-캐비티 몰드
[2 및 3 프레이트의 몰드]
게이트 위치 결정은 사출품을 생산하는데 사용될 몰드 유형을 결정하게 되고 게다가 사출품의 원가에 영향을 미치게 될 것이다. 가령, 에지 게이티나 사브 게이트 사출품은 표준의 콜드 런너 2-프레이트 몰드를 사용해서 만들어 낼 수있다. 상부 중앙에 존재하는 게이팅이나 멀티-상부게이팅(multiple top gating)이 사용될 때 사출품은 3-프레이트 몰드를 사용하여 생산이 가능하다. 특별한 싱글 캐비티 몰드의 경우에서 닫힌 슬리브에의 상부 중앙 게이팅은 그림4처럼 스프루 게이트와 2-프레이트 몰드를 이용해서도 생산할 수 있다.
거의 모든 경우에서 게이트를 제거할 때 사출품에 남는 흔적은 하나의 미학적 관심사일 수 있다 .
그림2-4 스프루 게이트는 싱글 캐비트 몰드(좌)의 상부로 게이트할 때 사용이 가능하다. 한편
3-프레이트 몰드(2PL)는 멀티-캐비티 몰드의 상부 게이팅(top gating)역할을 한다.
그림5 못마땅한 게이트 흔적을 안보이게 하거나 재배치기 하려면 여러 가지 다양한 옵션이 사용 가능.
게다가 게이트 주변의 사출품 단면은 흐름ㆍ브러쉬 혹은 스프레이 흔적 뿐아니라 변색(퇴색) 가능성도 있다. 그림5에 나타낸 사출품을 검토해보자. 흐름의 관점에서 상부 중앙에서 게이트하는 것이 가장 좋고 또 가장 용이하다.
표준 캐비티와 코아셋업(즉 정지된 캐비티와 움직이는 코아)을 이용해서 상부 표면에 게이트를 설치할 수 있다. 불행히도 이 모양을 이용해서는 몰딩의 나타난 표면에 배치되므로 게이트 흔적이 분명한 결함이 된다. 만일 반대로 융해가 코아를 통하여 주사된다면 게이트 흔적이 캐비티보다 차라리 나타나지 않은 안쪽 표면에 숨겨진다. 불행하게도 이런 역주사와 관련된 공구제작비용은 상당히 크다. 그 이유는 사출물도 공구의 정지된 측면에서 추출되어야 하기 때문이다. 스프루와 같이 추출 핀 흔적도 분명히 결함이 될 수 있다. 기계 노크아웃 시스템이 사출기의 움직이는 판 뒤쪽에 배치되기 때문에 정지된 측면 추출 시스템을 활성화시키기 위해선 특별한 추출장치가 필요하다. 다행히 역추출에 대해선 선택의 여지가 있다. 가령, 만일 로고나 라밸같은 설계 특징을 이용해서 게이트 흔적이 숨겨질 수 있다면 표준 캐비티와 코아 컨피구레이션을 이용하여 사출물을 생산할 수 있다. 또다른 옵션은 그림5처럼 수정된 추출 핀 속으로 터널 게이팅(tunnel gating)에 의해서 몰딩의 뒷면에 게이트되는 것이다.
어떤 경우엔 설계자가 2 혹은 3-프레이트 몰드를 사용하기 위해서 어떤 옵션을 갖는다. 그림6과같은 깊은 드로 품을 검토해보자. 일반적인 캐비티와 코아 컨피그레이션을 이용해서 3-프레이트 몰드를 이용하는 상부에 게이트를 설치했다.
그림6 전형적으로 3-프레이트(혹은 핫-러너) 몰드를 이용해서 생산되는 슬리브형 사출물.
그렇지만 사이드 코아 풀을 동반하는 2-프레이트 몰드는 또 다른 옵션을 마련한다.
그런 사출품들은 몰드가 열려 사출물이 추출될 때 추출이 촉진되도록 캐비티와 코아에 드라프트를 적용한 이들 공구를 이용해서 생산된다. 만일 원주형 리브와 같은 설계 생김새들이 원주형 사출품의 바깥면에 부가되었다면 사출물을 캐비티로부터 제거할 수 없게 된다. 리브가 수반되면서 더 복잡한 사출물은 쪼개진 캐비티나 사이드 코아 풀을 동반하는 2-프레이트 몰드를 이용해서 생산이 가능하다. 이들 툴링 옵션은 둘다 부품 축출과 관련하여 특별한 액션을 가진것으로 서술되었다. 드로우가 깊은 사출물을 허용할 만큼 다이 높이가 충분치 못한 드로우가 깊은 적용에 2-프레이트 몰드를 이용해서 생산할 수 있다.
그림7 ?I런너와 함께 다양한 게이트 설계가 가능하다
[?I-런너 몰드를 동반하는 게이팅]
?I-러너 시스템은 그들이 실지로 프라스틱 재료와 부품 지오메트리와 함께 사용될 수 있는 지점에 전개되었다. 이 러너 시스템들은 펜 뚜껑과 같은 작은 사출물 및 자동차 범퍼와 같은 커다란 사출물을 만드는데 사용된다. ?I-러너 시스템은 러너 스크랩을 제거하고 재연마와 관련된 많은 문제를 제거하는 장점이 분명 있다. 그렇지만 ?I-러너 시스템은 사출물 품질을 개선하기 위한 도움과 게이트 배치에 관하여 많은 자유를 마련하는 등 다른 장점이 있다.
?I-러너 시스템은 공구 속으로 사출기 노즐의 연장으로 보일 수도 있다. ?I-러너 시스템이 사용될 때 콜드-러너 피드 시스템과 관련된 frozn layer effect는 제거될 수 있다. 몰딩과 관련된 오리엔테이션 수준은 감소될 수 있으며, 그 결과 사출물에 잔유응력수준을 떨어트린다. ?I-러너 게이트는 가장 보편적인 오픈-원형과 환상의 형태를 포함해서 다양한 모양에 유용하다. 게이트 흔적이 특별히 어떤 관심사가 될 땐 ?I-밸브 게이팅시스템(hot valve gating syystem)이 사용되어도 된다. 밸브-게이트는 핀이 앞으로 이동하므로서 게이트를 차단시키는 밸브-핀을 갖게 된다. 이때 기계적으로 봉함하고 흔적은 비교적 깨끗하다.
2-2 몰드 충전 오리엔테이션,Mold Filling Orientation
설계하는 사람들이 알고 있어야 할 것이, 분자방위에 있어서 거의 모든 프라스틱 사출품은 어느 정도 고정될 것이다. 완성된 제품에 대해 오리엔테이션에 고정(frozen in orientation) 정도는 포리머의 분자무게와 느즈러짐 특성에 의해 영향을 받을 것이다(생산시 사용된 공정 컨디션에 의해). 분자 리렉세이션을 촉진시키는 공정변수는 몰딩에 있어서 net orientation level을 줄이는 경향이 있다. 몰드 충전과 연관된 오리엔테이션은 몰드 충전압 필요조건을 최소화하는 공정변수와 디자인을 통하여 최소화될 수 있다. net orientation level은 몰드 충전과 패킹 단계에서 전해진 오리엔테이션 수준 , 그리고 리렉세이션의 정도 사이에 차이일 것이다.
Residual(Frozen-in)Orientation = Orientation Level due to Flow-Relaxatio
가령, 공구온도가 오르면 융체온도를 더 높게 더 길게 유지시키므로 써 분자 리렉세이션(재무작위화;rerandomization)을 촉진시킬 것이다. 용융체 온도나 몰드 온도에 증가 등 공정조절은 오리엔테이션을 최소화하는데 사용될 수 있다. 그렇지만 이들 변화는 대부분 공정시간을 증가시킬 가능성이 클 것이다. 생산에 있어서는 반대의 생각도 대조되어야 한다. 이런 이유 때문에 몰드충전과 패킹에 의해 야기된 오리엔테이션 정도는 특별히 주의되어야 한다.
그림8. 가층상속도프로필; 벽 근처 포리머분자들을 중앙으로 향하게, 흐름 중앙은 랜덤 코일
형태로 남는다
열적관성이 낮은 +금형캐비티절연층은 충전시 캐비티면의 온도가 상승한다. 이것이 캐비티와 코아 벽 근처의 포리머 온도를 상승시켜, 몰드 충전 흐름으로 생긴 잔유응력과 분자 오리엔테이션을 완화시킨다. 그 생각은 좋다. 그렇지만 이들 코팅조건이 가혹한 생산조건을 견뎌 낼만큼 충분한 내구력을 지녀야 하고 절연효과에 의해 공정시간이 과도하게 늘어나지 않아야 한다. 주사 속도와 같은 공정변수도 충전시간에 오리엔테이션 정도에 영향을 미친다. 주사 속도가 빠르면 충전순간에서의 오리엔테이션 수준을 높이겠지만, 이들 오리엔테이션의 대부분은 빠른 충전에 연관된 더 높은 융해온도에 의해 완화한다. 빠른 충전은 점성가열(viscous heating)을 증가시키고 유도냉각(conductive cooling)에 저하를 가져오기 때문이다. 그 결과 충전 순간에 분자유동성을 높이고 느즈러짐이 일어날 수 있다.
분자 오리엔테이션(molecular orientation)은 융체가 노즐, 런너, 게이트 그리고 캐비티를 통과하여 주입, 충전되면서 발전되어 간다. 포리머 체인은 층상흐름운동(lamilar flow behavior)과 연관된 velocity gradient에 의해 뻗쳐 나간다. 무딘 모양을 한 대개의 포리머 융체 velocity profile은 오리엔테이션 대부분을 사출물의 표면 쪽으로 일어나게 한다. 반면 코아에서의 분자들은 그림8에서처럼 불규칙한 코일 형태로 남는다. 이것은 상대적으로 차가운 금형의 캐비티와 코아 벽 근처의 융체(melt)가 고체층(solid layer)과 융체 사이 계면전단응력을 오리엔테이션에 frozen 문제를 일으키며 먼저 식는다. 체적수축에 대해 벌충하기 위해 융체가 금형 안으로 계속 흐르므로서 오리엔테이션은 사출의 유지단계동안 계속 발전한다. 이것은 특히 사출물의 게이트 부근에서 사실이다. 공정진행 변수와 연계된 팩킹 또는 홀딩(시간에 따른 유지압 감소 등)은 오리엔테이션과 연관된 패킹정도를 최소화하는데 사용된다. 오리엔테이션 문제는 분자 무게가 높은 포리머와 섬유상강화포리머에 대해선 아주 중요하다. 포리머 분자들과 달리 섬유상강화는 상태(condition)가 유용할 때조차 리렉스하거나 재불규칙하게 할 수 없다.
포리머 체인은 흐름방향따라 오리엔테이션 경향이 있다. 캐비티에 들러간 모든 융체는 게이프를 통과하므로 오리엔테이션 체인은 그림9처럼 게이트에서 흐름의 끝 쪽으로 방사하는 경향이 있다.
그림2-9. 오리엔트된 분자는 게이트로부터 흐름의 끝 쪽으로 방사하는 경향이 있다. 이것이 결
과적으로 포리머 분자들이 회복하려고 하므로 써 게이트구역 내에서 상대적으로 높은
스트레스를 일으키게 한다. 이것이 고온에서 칫수변형에 이르게 할 수도 있다.
포리머 분자들은 이런 전개된 체인상태로 있기를 원치 않고, 그 결과 아주 큰 내부응력이 그림9에서 유사인장스프링에 의해 나타낸 것처럼 게이트 부근에서 활동한다. 응력이 벅클링을 야기시킬 만큼 아주 높을 때, 분자 오리엔테이션과 연계된 내부응력은 왜곡을 일으킬 수도 있거나 서비스와 관련된 응력에 덧붙여진 내부응력으로 남아 프라스틱 사출품의 주변응력크랙에 대한 저항성과 내구성을 감소시킨다. 내부응력은 몰딩 후 사출물을 풀림처리하므로 써 제거될 수 있다. 그렇지만 사출물을 적당히 고정시키지 않으면 치수변화가 일어날 것이다. 게다가 잔유오리엔테이션수준이 높으면 사출물은 고온(뜨거운 날씨조차)의 작업온도에서는 비틀림이나 왜곡하기 시작한다. Frozen in orientation은 최종성질과 몰드 수축에 관하여 anisotrophic behavior도 일으킬 수 있다.
그림2-10. 각진 부품의 짧은 측면 내로 배치된 상부게이팅은 길이를 따라 오리엔테이션을 나타낸
다(종횡 방향으로 성질의 차이). frozen in orientation의 정도는 재료ㆍ디자인ㆍ공정
관련 팩터에 의해 결정된다. 센터 게이팅(하부)은 방사방향과 원주방향 모두에서 오
리엔테이션과 함께 방사 혹은 디스크 흐름에 결과를 일으킨다.
그림10a 부품은 몰딩의 짧은 측면을 따라 넓은 fan gate를 이용하여 만들어졌다. 이 게이팅 설계는 결과적으로 흐름방향(사출물의 길이)을 따라 오리엔테이션이 되다. 부품의 성질은 시험 방향에 따라 변한다. 가령 굽힘이나 인장강도는 횡흐름방향강도에 비해서 흐름방향을 따라 더 큰 경향을 보여 준다. 흐름방향에서 채취한 아이조드 충격시편이 다른 것에 비해 높은 값을 나타냈다. 고충격폴리스티렌을 이용한 시험에서 그림10 사출물에서 체취한 아이조드 충격시편은 다음과 같은 결과를 나타냈다
표1 HIPS 몰딩에 대한 충격강도에 변화
그림2-11 그라스화이바로 보강한 나이론6/6에 대한 X흐름피로강도는 흐름방향값보다 상당히 낮았다
표1 데이터에서 알 수 있었던 것은 게이트로부터의 거리에 따라 성질도 어느 정도 달라질 수 있다는 것이었다. 게이트자리나 게이트에서 아주 근접한 곳에서 채취한 샘플의 충격강도값도 또한 잔유게이트응력에 의해 낮다. 비교적 얇은 벽 몰딩과 점성이 더 큰 포리머에 대해 방향의 성질 차이는 더 큰 것으로 짐작된다. 그림10b 부품은 센터게이트를 이용해서 만들어졌다. 센터 게이트는 결과적으로 방사흐름이 된다. 방사흐름패턴은 뻗어 나는 흐름선단에 의해 방사와 원주형 오리엔테이션 결과가 되다. 오리엔테이션은 포리머 흐름의 자연스런 결과이다. 그러나 몰딩에서 넷오리엔테이션수준은 분자 리렉세이션을 촉진하는 프로세싱 컨디션을 이용하므로서 최소화할 수 있다는 것이 강조되어야 한다.
앞에서 언급했던 것처럼 화이바로 강화된 포리머에 대한 오리엔테이션 효과는 한층 더 크다. 그림11은 그라스화이바로 강화시킨 나이론6/6 사출품에서 채취한 시편의 휨피로강도이다. 그라스화이바로 강화시킨 나이론6/6 사출품의 X흐름방향피로강도는 흐름방향값보단 상당히 낮다. 흐름방향강도값은 표준앤드게이트휨시편을 이용해서 결정된 강도값과 관련되었다. 또한 주목해야 할 것은, X흐름방향시편의 피로강도값이 흐름방향값보다 낮더라도 보강치 않은 나이론 피로응력값보다 여전히 크다.
앞서의 그림에서 잔유분자(residual moiecular)나 화이바 오렌테이션은 애니스트로픽 운동을 하지 않는다. 그리고 부품 설계자는 그 현상에 잘 대처해야 한다. 가능할 때마다 사출품 설계자는 최종용도(end-use applicatin)와 관련된 최대응력 방향으로 오리엔테이션을 촉진시키는 위치로 게이트를 배치시키고자 노력해야한다. 그림12에 나타내고 있는 케이블 타이는 주로 최종 용도에서 축이 같지 않은 굽힘과 인장응력을 받는다. 사출물의 길이방향을 따르는 분자 오리엔테이션(molecular orientation)은 실지로 유익하게 사용된다. 반면에 부품이 서비스 중에 다축성 스트레스(multi-axial stress) 받을 땐 일반적으로 오리엔테이션 수준을 최소화시키는 것이 가장 좋다.
그림12. cable tie wrap 같은 어떤 유형의 부품에 대해서는 오리엔테이션이 장점이 될 수도
있다. 디자이너는 대개 적용과 연관된 최대응력방향이 있는 라인 내에 잔유오리엔테
이션 효과가 존재하도록 게이트해야 한다
몰드 충전과 패킹에 의해 일어난 오리엔테이션의 정도는 재료성질ㆍ공구 디자인과 부품 디자인 등 공정진행조건에 의해 영향을 받는다. 가령 흐름길이가 짧은 스프루와 게이트, 직경이 큰 런너는 오리엔테이션을 감소시키는 경향이 있다. 충전 속도가 더 빨라지고 융체온도가 높아지면 분자 리렉세시션을 촉진시키므로서 frozen in orientation의 넷수준을 감소시키는 경향이 있다. 핫러너를 사용하면 일반적으로 잇점이 있다. 흐름방향을 바꾸면 그것이 분자와 화아바 오리엔테이션에 이를 때 특별한 관심사가 된다. 코너, 특히 러너 시스템과 부품에서 내부 코너는 가능한 한 R를 주어야 한다.
그림13 . 밴드나 코너 특히 내부코너는 몰드충전과 연관된 오리엔테이션의 정도를 최소화시
키기 위해서 R를 부여해야 한다
내부코너가 예리하면 오리엔테이션 경향이 있고 고속으로 흐르므로써 포리머융체의 전단을 악화시킨다. 코너R는 또한 작업하중이나 잔유응력과 관련된 응력집중을 감소시키는 효과도 갖고있다. 이상적으론 사출물을 설계할 때, 코너가 그림14의 코너와 유사하게 보여야 한다. 이런 올바른 코너 설계는 디자이너가 안쪽 코너에 큰 R를 사용했다면 자동적으로 만들어진다. 이 코너 디자인은 작업중에 비교적 균일한 응력분포ㆍ양호한 흐름성ㆍ미학 등을 제공한다.
그림14. 코너는 내외에 R를 갖는게 이상적이다. 외부R가 내부R+벽 두께와 같다면 벽두께는
균일하게 될 수 있다. 코너에서 벽이 두꺼면 아래 사항이 염려된다.
*수축(sink mark)
*기공(viod)
*수축응력(shrinkkage S)
*racetracking
2ㅡ3 몰드충전압 손실
사출물에 대해서 게이트 위치를 선정할 때 설계하는 사람은 몰드충전과 연관된 여러 가지 팩터 모두를 검토해야 한다. 사출물에 대한 캐비티 충전 프로세스는 게이트에서부터 시작해서, 저항이 가장 적은 길을 따라 용융체가 흐르면서 진행된다. 게이트는 몰드가 균일하게 충전되고 캐비티를 통하여 압력강하가 과도하지 않게끔 배치되어야 한다. 제안된 게이트설계에 관하여 사출물의 성형성을 어림하려면 설계하는 사람이 이러한 압력강하 정도를 얻어내는 것도 중요하다. 압력강하와 충전패턴은 컴퓨터 시뮤레이션을 이용해서 산정하는 것이 가장 좋다. 이런 시뮤레이션을 통하여 설계자는 사출물의 성형성을 어림할 수 있다. 그리고 공구나 부품의 설계를 변경시킬 수 있다. 부적당한 게이트 위치, 흐름방해, 가스 트랩, 웰드 위치 등등과 관련한 문제는 부품설계단계에서 모두 전해질 수 있다. 그 결과 전체 개발시간을 줄이고 품질을 향상시킬 수 있다.
그림15. 컴퓨터 몰드 시뮤레이션 공구를 실지로 제작하기에 앞서 문제점을 발견하기 위해서
사용된다. 사진은 사출물위에 실시한 몰드충전과 냉각분석을 컴퓨터처리한 결과이
다. 공구설계는 컴퓨터모델을 이용하여 최적화시켰기 때문에 공구수정을 별로 하지
않고도 양질의 부품을 얻을 수 있었다.
몰드충전과 관련된 압력강하 또는 압력손실은 수많은 팩터에 의해 영향을 받는다. 아래는 이들 몰드충전변수들(mold filling variables)이다.
* 재료 타입 - 전단 흐름성질
- 열적성질
* 사출기 - 주사압 능력
- 스크류/후런지 마찰 손실
- 바렐 캡과 노즐 손실
* 몰드 특성 - 핫 또는 콜드 공급시스템
- 스프루, 런너, 게이트와 캐비티 형상
- 재료의 구조
- 냉각/가열 능력
- 밴팅 능력
* 공정 조건 - 용해온도와 온도 균일성
- 공구 온도와 온도 균일성
- 주사속도/몰드충전속도와 프로필
충전에 필요한 압력은 수많은 변수에 의해서 영향을 받는다. 이 사실은 다시 한번 제품 엔지니어링의 중요성을 강요한다. 캐비티 형상을 이용해서 이루어진 몰드충전시뮤레이션은 유용하다. 그렇지만 기계 노즐 형상, 공구공급(러너)시스템을 포함한 시뮤레이션은 보다 실제적일 것이다. 그것은 이들 형상의 모두가 그림16에서 설명했듯이 압력강하와 온도분포에 영향을 미치기 때문이다.
그림16. 몰드충전과 관련된 압력강하, 이것은 기계와 몰드를 통하여 흐름의 조합된 효과에
의한 것이다
그림17에 나타난 cable tie를 예로 검토해보자. 이 사출물에 대한 게이팅 옵션은 양끝에 싱글 게이트를 할 수도 있고, 중앙에 게이트할 수도 있다. 혹은 어쩌면 조합, 멀티 게이트가 배치될 수도 있을 것이다. 멀티 게이트의 사용은 유효흐름길이를 줄이는데(따라서 압력강하 초래) 효과적인 방법이 될 것이다. 그렇지만 이 경우엔 멀티-게이트에 의한 웰드라인이 작업하중방향에 수직으로 형성되므로 인해서 염려되는 바가 있다. 이런 웰드는 부품의 밀착성을 떨어트리는 경향이 있다. 두께가 얇은 텅(tongue) 안으로 싱글 게이트를 배치시키는 것은 캐비트의 먼 끝에의 상대적으로 두꺼운 록킹 매카니즘에 대해 팩킹이나 웰드 문제를 야기할 수도 있다. 이런 게이팅 설계를 수단으로 한 흐름의 끝(선단)에서의 공차가 적은 두꺼운 단면의 치수를 효과적으로 통제하고 팩킹하기가 어렵다. 제품 중에서 상대적으로 두꺼운 끝으로의 싱글 게이티는 부품의 모든 단면에 대한 팩킹이 가능하게 하는데, 흐름 길이가 두꺼운 것에서부터 얇은 것으로 흐르기 때문이다. 웰드라인은 생겼지만 streaming weld line은 부품의 길이를 따라 흐른다. 그런 웰드가 단축성작업응력 방향을 따라 흐르기 때문에 부품의 강도는 이런 웰드에 의해 역으로 영향을 받지는 않는다. 만일 게이트 자리로 로크(lock) 안으로의 엔드 게이트가 선정되었다면 부품이 실지로 싱글 게이트를 이용해서 충전될 수 있는지를 결정해야 한다. 이것은 컴퓨터를 이용한 몰드충전시뮤레이션을 이용하는 것이, 혹은 선별적으로 재료업자의 성형성 자료를 이용하는 것이 이상적일 것이다.
그림17. 설계자는 가장 가능한 게이팅 위치를 확인해야 한다. 그리고 각 게이팅 설계의 장점과
단점을 비교하여 평가해야 한다
[나선형 흐름 데이터; Spiral Flow Data]
어떤 정해진 재료의 성형성은 나선형 흐름 몰드나 구불구불한 흐름 몰드(serpentine flow mold)를 이용해서 정량화하는 경우가 빈번하다. 이 시험자료를 만들기 위해 용융체를 여러 작업조건 하에서 긴 나선모양의 몰드 캐비티 안으로 주입시켰다. 실험적으로 얻을 수 있는 가장 긴 흐름 길이는 캐비티 두께에 따라 결정된다. 여러 다양한 캐비티 깊이는 일련의 교체가 가능한 캐비티 인설트를 이용하여 평가하는 것이 전형적인 방법이다. 평가한 대표적 공정변수는 융체온도, 몰드온도, 최대사출압, 주사속도 등이다. 실험자료는 주로 그림18에 나타낸 것과 같은 방법으로 나타냈다.
그림2-18. 나선형 흐름 곡선은 어떤 특정 수지에 대한 공정처리능력을 나타냄. 그 데이터는 여
러 가지 몰딩조건에 대해서 벽두께의 역할에 따라 비롯되는 최대흐름길이와 함께 그
라프로 나타냈다.사출압에 따른 흐름길이는 좌측이고, 융체나 몰드온도에 따른 흐름
길이는 우측에 나타냈다
흐름 테스트 결과는 흐름성질(flow properties)이나 여러 가지 수지의 실제 성형성을 비교하는데 사용될 수 있다. 이 데이터는 제품설계자가 게이팅, 특히 벽두께가 일정한 제품의 게이팅을 결정하는데 도움이 된다. 그림17의 cable tie와 같은 제품을 대상으로 나선형흐름데이터를 사용하는 것은 곤란한데, 그 제품의 벽두께가 균일치 않기 때문이다. 그런 정황은 런너시스템이 몰드압력감소의 상당한 부분을 책임진다는 사실에 의해 복잡해진다. 그럼에도 불구하고 이들 나선형흐름곡선(재료공급자로부터)은 포리머의 흐름운동(flow behavior)에 대해 유익한 정보를 제공한다.
[몰드압력강하의 개산]
컴퓨터를 이용한 몰드충전시뮬레이션을 대신할만한 것은 아직 없더라도, 설계 결정사항과 연관된 흐름이나 몰드충전을 거드는데 엔지니어링 개산이 사용될 수 있다. 몰드충전은 그림19에서 보듯이 복잡한 공정이다. 용융체는 빠른 주사속도로 비교적 차가운 몰드 안으로 주사된다. 대부분의 포리머가 상당히 양호한 절연체이더라도 용융체가 캐비티 안으로 들어가므로서 캐비티벽에 대항하여 단단한 층(skin)이 형성된다. 흐름선단운동은 분수와 같다. 단단한 층 아래로 층상흐름이 터널링한다. 융체 코아는 비교적 뜨겁게 유지된다. 한편 고체/융체 경계면층온도는 viscous heating과 conductive heat lose 모두에 의해 영향을 받는다.
단단한 표면층과 용융체 코아 사이 접촉면에서 전단속도(shear rate)와 전단응력은 높다(분자 오리엔테이션과 전단 악화를 초래하며..). 부품의 횡단면을 통과하는 특정 층에서 전단응력은 부품의 횡단면을 통하는 특정 층에서의 전단응력은 shear viscosity에 그 층과 관련된 전단속도(shear rate)를 곱하여 나온 값이다.
그림2-19. 원주형 흐름 채널과 각진 흐름 채널에 관해 나타난 전단속도(shear rate)와 압력강하
를 내는 식. 식은 등온, 층상, 뉴톤 흐름을 수반했다는 가정에 근거했다
τ=ηㆍΥ (1)
그림2-20 .팬-게이트 사출품. 쇼트의 초기엔 투명재를 이용했고, 후기엔 단단한 투명층 아래로
도색한 재료를 터널링하는 것이 보인다.
단단층과 용융체 사이 접경구역에서의 전단응력은 높을 수 있는데, 그 이유는 첫째 가성흐름운동(pseudoplastic flow behavior)으로 인해 경계선에서의 전단속도를 높아지게 하므로 인해, 둘째, 차가운 표면층에 아주 인접한 구역 내에서의 용융체 점성(melt viscosity)이 높기 때문이다. 흐르므로 써 전단응력은 결국 단단한 층에 갇히게 되는 오리엔테이션이 된다. 반면에 단단한 층의 생성은 viscous heating에 의해 경계구역 안에서 만들어지는 열에 의해 옵셋(off set)된다. 터널 흐름(tunneling flow=underflow) 개념은 그림20의 팬 게이트 시험제품을 이용해서 설명이 가능할 것이다. 쇼트(shot)의 초기에는 투명프라스틱재(transparent plastic material)로 만들어진(런너에 투명재로 나타나듯이) 반면, 쇼트의 후기에는 색을 주고 용융상태의 코아를 나타낸다. 실지로 불안정상태의 사출공정은 연결된 유체흐름(fluid flow)과 열전달 문제들이 finite difference 혹은 finite element solution을 이용해서 해결될 만큼 아주 까다롭다(복잡하다). 그렇지만 만일 몰드충전시 열전달효과(heat transfer effect)가 심각하지 않다면 통상적인 형상에 대해 그 문제는 아주 간단하다. 이 가설이 확실히 잘 못된 결과를 낳더라도 아래 사항을 전제로해서 몇 가지 정당성은 있다.
* 몰드충전시간이 비교적 짧다(수초)
* 대부분의 프라스틱 용융체는 비교적 열확산성이 낮다.
* conductive cooling과 viscous heating은 반대의 효과이다.
이 가설을 만드는 것과 연관된 에러의 크기는 각기 적용에 따라 다르다. 가령, 얇은 벽을 가진 캐비티에 대한 에러는 상대적으로 크다. 그것은 전체 벽두께에 대한 단단한 층두께(코아와 캐비티 사이드)의 비율이 상대적으로 크기 때문이다. 마찬가지로 무기물충전포리머(mineral filled polymer))에 대한 에러는 열확산성 차이에 의해서 미충전 수지보다 크다. 어떻든 아래 압력강하분석이 오직 사출에 대한 압력손실의 초기의 개산일 뿐이라는 것을 아는 것이 중요하다. 그렇지만 동향을 확인하는 데는 그런 간단한 접근이 유효할 수 있고, 보다 정교한 컴퓨터 충전 시뮬레이션을 이해하는 데에도 도움이 된다.
그림21 설계하는 사람이 자(ruler)사출품과 같은 것의 벽두께나 형상을 바꿀 때, 이들 변화가
생산품의 제조성에 미치는 영향도 결정(평가)되어야 한다
그림21의 부품을 검토해보자. 부품 설계자는 벽두께의 변화가 충전압력에 어떻게 영향을 미치는지 흥미있을 것이다. 초기 계산을 위해서 등온활동(일정한 융체온도)과 안정상태의 흐름활동(즉 스트로크 동안 내내 일정한 주입속도)을 가정하겠다. 실지 융해온도는 변하고 주입속도는 상하로 기울어진다. 또 부품과 런너에 대한 형상의 균형에 대해서도 가정했다. 이 경우에 그림21의 자를 만들기 위해 싱글 게이트, 2-프레이트 몰드가 사용될 거라고 발표되었다(제안). 몰딩 형태가 상당히 복잡하더라도(즉 구멍, 웅덩이, 곡선 등을 갖음) 길이,L, 폭,W, 두께,H의 사각흐름채널로 어림할 수 있다. 구멍을 만드는데 사용된 작은 코아핀이나 부품의 곡선은 몰드충전압력에 그리 영향을 미치지 않는다고 추정하다. 여러 가지 부품과 런너의 형태는 안정된 등온분석을 위해서 원주형 혹은 사각형 흐름채널로 기술된다.
제품을 HIPS(High Impact Polystyrene)을 사용하여 사출하려 한다. 충전이 이루어지는 동안 압력강하를 알기 위해선 shear viscous behavior이 알려져야 한다. 어떤 특정 포리머에 대한 shear viscous data는 재료공급자로부터 얻는 것이 일반적이다. 대개의 경우에 viscous data는 視벽전단속도(apparent wall shear rate)와 온도(temp.)에 따라 벽에 視전단점성을 주며표나 그라프형식으로 나타낸다. 만일 재료공급자로부터 입수한 전단점성데이터가 apparent로
그림2-22. 원주형과 사각형 흐름채널에 대한 압력강하와 視전단속도(apparent shear rate)에 관한 식.
식은 등온(isothermal), 층상(laminar), 뉴톤학설(newtonian) 흐름을 포함하는 가설에 근거
서술되었다면 대부분의 포리머에 대해 전시된 비뉴톤학설의 의사프라스틱흐름운동에 대해서는 옳지 않다, 점성에 미치는 압력의 영향은 미미할 때가 많다.
표2 단순화된 제품과 런너 형태
그림2-23. 대부분의 포리머는 pseudoplastic flow behavior을 나타낸다. 점성곡선은 포리머
의 視전단점성에 미치는 視전단속도와 온도의 영향을 기술하기 위해 사용된다. 전
단 점성에 미치는 압력의 영향은 미미한 정도이다
power law fluid에 대해선 수정된 전단점성이 아래 식을 이용하여 결정이 가능하다.
원주형흐름채널(cylindrical flow channel) ηT=[4n/(3n+1)]ηa (2)
사각형흐름채널(rectangular flow channel) ηT=[3n/(2n+1)]ηa (3)
여기 n은 power law index(newtonian fluids에 대해 n=1, pseudoplastic fluid에 대해 n<1)이다. 대개 경우 공학적 계산(engineering calculation)용으론 수정점성값(corrected viscosity value)을 사용하는 것이 더 적합하다. 그렇지만 이 경우에 압력강하평가는 낮을 것으로 예상된다. 그 이유는 단단한 층의 효과(또는 영향)가 고려되지 않았기 때문이다. 계산은 절대압력강하값(absolute pressure drop value)을 예보하는 것보다는 오직 동향을 알기 위해서 이루어졌으므로 視점성(apparent viscosity)과 전단속도값은 여기에 사용될 것이다.
그림2-24.모세관과 슬릿-다이 모세관 전류계는 다양한 온도에서 전단점성데이터와 전단속도를
만들기 위해 사용
계산을 위해 얻었던 전단점성데이터가 최종 수정되었는지 어떤지 아는 것도 아주 중요하다. 전단점성자료(shear viscosity data)는 전형적으로 그림24에서 묘사하듯 원통 모세관(cylindrical capillary)이나 슬릿 금형 전류계(slit die rheometer)에서 만들어진다. 엔드ㅡ에러는 주로 용융체가 비교적 직경이 큰 전류계통(rheometer barrel)에서 직경이 비교적 작은 모세관 다이에 흐름에 따른 모세혈관입압 손실(capillary entrance pressure loss)에 의한 실험적 에러이다. 전단점성 데이터가 그림24b과같이 부착된 슬릿 다이 전류계에서 만들어질 때, 제한된 흐름구역 이내의 압력강하는 직접 측정이 가능하기 때문에 엔드 에러는 생략된다. 그림24a, 점성 데이터가 보다 일반적인 원주형 모세관 다이 전류계를 이용해서 만들어질 때 엔드-에러는 시험결과에 영향을 미친다. 그런 엔드-에러는 기다린 모세관을 이용해서 최소화될 수 있거나, 배그리기술와 같은 수정방법을 이용하기 위해서 수정될 수 있다. 엔드 콜렉트 점성 데이터(end correct viscosity data)가 포리머의 안정전단흐름운동(steady shear flow behavior)을 좀더 정확히 나타낼 수 있더라도, 분석에서 접합 손실(juncture loss)이 주어진 특별한 검토대상이 아니므로 이런 몰드충전압 개산을 위해서는 언콜렉트전단점성데이터(즉 엔드 콜렉션 없이)가 보다 적당하다. 효과적으로 언콜렉트 데이터는 “built in”juncture loss를 갖는다. 비슷한 juncture loss는 용융체가 방향을 바꾸거나 천이(transition)를 통해서 흐를 때(즉 런너에서 게이트로) 몰드충전이 이루어지는 동안 만나게 될 것이다.
그림25. 그림21에 나타낸 부품을 생산하는데 사용된 고충격폴리스틸렌에 적합한 전단점성
운동(shear viscosity behavior)
자를 생산하는데 사용될 HIPS의 전단점성운동을 그림25에 나타냈다. 이 데이터를 사용해서 단순화시킨 부품형태, 예기된 공정컨디션(용융체온도와 몰드충전시간), 몰드충전압 등은 다음 방식으로 어림될 수 있을 것이다.
[공정조건을 상술하라]
설계하는 사람은 부품에 맞는 작업공정이나 사출(몰딩)조건을 판단해야 한다. 분석을 위해서 용융체온도와 충전시간은 선정되어야 한다(컴퓨터 시뮤레이션을 위해선 몰드온도도 선정되어야 한다. 설계자는 그의 결정을 지난 경험에 근거할 수 있거나, 안전을 위해서 가장 나쁜 경우에 조건(가령, 가장 낮은 온도/가장 높은 점성)을 선정할 수도 있다. 이 단계에서 설계자는 가능한 한 가장 넓은 공정진행창(processing window)을 마련할 부품/몰드설계를 얻기 위한 일련의 계산을 실행할 수 있다. 이 경우에 용융체는 總충전시간,1.5초를 이용하여 권장되는 가장 낮은 작업온도,200℃에서 몰드에 주사된다고 추정된다.
[부품 체적을 결정]
몰딩의 총체적은 부품과 런너시스템을 만드는 각기 형상의 체적을 합하여 얻을 수 있다.
원주형 흐름 채널(cylinderical flow channel) V = πㆍR2ㆍL (4)
사각형 흐름 채널(retangular flow channel) V = LㆍWㆍH (5)
[체적 흐름 속도를 결정]
몰딩의 각 단면에 대한 몰드충전,Q과 연관된 체적 흐름속도는 압력강하를 사정하기 전에 계산되어야 한다. 캐비티가 하나뿐인 자금형(ruler mild)의 경우에는 그 시스템이 단 하나의 흐름 가지만 갖기 때문에 사출품의 각 단면을 통과하는 체적흐름속도는 같다(압축이 불가능한 용융체로 추정하며). 스프루에 맞는 체적흐름속도는 런너 따위의 그것과 같다.
Qsprue= Qruner = Qgate = Qcavity = QT (6)
여기서 총체적흐름속도,QT는 단순히 몰드충전시간에 의해 나누어진 총체적(부품과 런너시스템)이다.
QT = VT/t f (7)
가령, 만일 자가 균형을 이루는 캐비티 둘짜리 몰드에서 생산되었다면 스프루를 통과하는 체적흐름속도는 충전시간에 의해 나누어진 총몰딩체적이다. 반면에 각 런너, 게이트, 캐비티에 대한 체적흐름속도는 거기에 흐름가지가 둘이므로 스프루의 그것의 1.5이 된다. 시전단속도를 사정 포리머의 전단점성은 온도와 전단속도에 따른다. HIPS 용융체의 온도는 200℃처럼 보다 일찌기 상술되었다. 그렇지만 각 흐름 단면에서의 시전단속도는 각 단면에서의 전단점성이 그림25에 주어진 시점성곡선의 세트로부터 사정할 수 있다.
그림2-26 시전단속도값은 흐름속도(flow rate)와 흐름단면형상(flow section geometry) 둘다
에 따라 변한다. 그림에서 알 수 있는 것은 게이트 안에서 시벽전단속도는 런너시스템
에서의 그것보다 상당히 높은데, 그것은 줄어든 횡단면구역에 의해야기된 점성 프로필
에 변화 때문이다
층상흐름은 흐름 스트림의 중앙에서는 최대 속도를 갖고 벽에선 0의 속도를 갖는 흐름과 같은 층으로 나타날 수 있다. 이들 인접한 층의 상대적 속도는 결과적으로 전단응력을 일으키고 분자 오리엔테이션이나 변형을 일으킨다. 이러한 속도 그라디언트(전단속도)는 벽 근처에서 가장 크고, 흐름川의 중앙에서 가장 낮다. 벽에서의 시전단속도는 아래 식을 이용해서 사정할 수 있다.
원주형 흐름 채널(cylinderical flow channel) γa = [4ㆍQ] / [πㆍR³] (8)
사각형 흐름 채널(retangular flow channel) γa = [6ㆍQ] / [WㆍH²] (9)
전단속도도 체적흐름속도와 흐름채널형상에 따라 달라진다. 가령, 공급하는 게이트 안에서의 전단속도는 그림26처럼 형상에 차이에 의해서 런너에서의 그것보다 높은 경향이 있다. 대개의 포리머에 대한 용융체점성은 분자배열(molecular alignment) 에 미치는 그 자체의 영향에 의해서(즉 대개의 프라스틱융체는 pseudoplastic flow behavior을 보이다) 전단속도를 증시키므로서 감소하는 경향을 나타낸다. 식8과 9는 newtonian(parabolic) 속도프로필(velocity profile)을 가정하여 나타냈다. 실지로 pseudoplastic polymer는 blunt 속도 프로필을 갖는 경향이 있다. 그 결과 벽 근처의 전단속도는 상대적으로 높고 newtonian fluids과 비교해서 코아 쪽으로 전단속도가 낮다.
[視점성 결정;determine apparent viscosity]
포리머 용융체의 視전단점성은 용융체온도와 視전단속도가 알려진 이상 사정이 가능하다. 이 경우에 視전단점성값은 그림25에의 고충격폴리스틸렌 점성곡선 셋트에서 직접 구할 수 있다. 우리가 일정한 용융온도(200℃)를 가정했더라도 몰드 각 단면에서의 점성은 차이가 날것이다. 그것에 대한 이유는 몰드 각 단면에서의 시벽전단속도(apparent wall shear rate)가 틀리기 때문일 것이다.
[압력강하 결정]
몰드충전과 연관된 각각의 압력강하,△PT는 브랜치에 따르는 각기 압력강하의 합일 것이다.
△PT 〓 ∑△Pi 〓 △Psprue ＋ △Prunner ＋ △Pgate ＋ Pcavity (10)
각각의 압력강하는 지오메트리, 체적흐름속도, 점성값이 알려졌기 때문에 계산이 가능하다.
원주형흐름채널 △P 〓 [ 8ㆍQㆍηㆍL] / [πㆍR4] (11)
사각형흐름채널 △P 〓 [12ㆍQㆍηㆍL] / [WㆍH3] (12)
등온분석의 결과는 표3에 요약해 두었다. 식,10을 이용해서 사정한 몰드충전압력은 그림16에서처럼 충전 순간의 압력 표시이다. 여기서 사정한 절대값이 명백히 에러(많은 가정에 의해)일지라도 그 절차는 흐름 바란싱과 기타 다른 타입디자인결정으로 설계하는 사람한테 도움이 된다. 가능하다면 컴퓨터를 이용한 몰드충전분석을 권장한다.
표3 등온몰충전분석의 개요
2.4 흐름 선단, 흐름 제한, 흐름 지연
[흐름선단/흐름제한]
일반적으로 용융체가 가능한 한 캐비티를 통하여 일정하게 흐를 수 있도록 게이트하는 것이 좋다. 용융체가 게이트로부터 캐비티의 끝에 동시에 도달하도록 흐르는 것이 이상적이다. 그림27에 나타낸 스프루 게이트방식의 몰딩(사출물)을 검토해보자. 부품의 벽은 일정했고, 그 결과 몰드충전공정의 초기 단계에선 디스크 혹은 방사형 흐름 패턴이 관찰되었다.
그림2-27 사각형 부품의 중앙에 스프루게이팅은 결과적으로 부품의 게이트구역에서 오바패킹을 야기하
고, 게다가 단단한 층 아래로 용융체가 터널링하므로 서 흐름방향을 바꾸게 된다.
융해흐름 앞쪽은 몰딩의 윗 쪽 부분과 아래 쪽 부분이 다 충전되기 전에 좌우측에 도달한다. 이것이 오바팩/언더팩에 이르게 하고, 융해가 단단한 층 아래로 터널링하므로 써 결국 흐름방향에 변화를 수반하는 문제가 된다. 최종적인 결과는 일정치 않은 수축, 잔유응력, 왜곡을 일으키는 경향을 수반하는 부품이다. 그림28은 사각형 사출품에 적합한 게이트 자리이다. 이들 게이팅 계획은 3-프레이트 혹은 핫런너 공구형태를 이용해서 이룰 수 있었다.
스프루 하나로 게이트한 부품과 같이 두개의 게이트를 써 사출한 부품은 결국 오버팩 입장이 되고. 그렇지만 흐름방향은 싱글스프루게이트를 써서 사출한 부품보다 변화가 덜 하다. 주목할 것은 두개의 게이트가 사용될 때 두 흐름전선이 합쳐질 때 하나의 웰드라인이 생긴다. 그림28을 보면 3개의 게이트가 사용될 때 충전양상은 상대적으로 일정한 편이지만 몰딩의 단면 코너와 웰드 말단은 마지막으로 충전되는 곳임을 알 수 있다. 이들 세개의 각기 다른 게이팅 설계 중 게이트 3개짜리가 흐름진로와 균일한 팩킹의 견지에서 가장 좋다. 만일 웰드와 게이트 흔적이 기능적으로나 미학적으로 허용된다면 적당할 것이다.
그림28의 게이트 3개짜리가 개선되어더라도, 부품의 코너 단면은 아직도 여전히 마지막으로
그림2-28 게이트 숫자를 증가시키는 것은 흐름양상과 압력분포를 개선시킨다. 그렇지만 이것이
웰드라인을 생기게 한다.
충전되는 단면이다. 이것은 당신이 두께가 일정한 사각형 혹은 정사각형 모양을 방사형흐름패턴을 이용해서 충전하려 할 때는 피할 수 없다. 그렇지만 그런 충전패턴은 융해흐름전선이 캐비티의 말단에 동시에 도달하도록 수정이 가능하다. 균형잡힌 충전을 이루기 위해서는 게이트로부터 각 흐름진로와 연관된 충전압력강하는 같다(게이트로부터 comer에 압력강하는 게이트로부터 에지에의 그것과 같다). 압력강하는 부품의 벽 두께에 국부적 조정을 통해서 균형을 이룰 수 있다. 벽 두께의 국부적 증가(흐름을 증가시키려)는 흐름 리더 혹은 내부 런너로 알려졌다. 반면에 벽 두께의 감소(흐름을 방해하려고)는 흐름 제한물로 알려졌다. 그림29와 같은 박스모양의 사출물에 대해서, 최대흐름길이구역으로 흐름을 촉진하기 위해 부품의 코너 쪽으로 전개되는 대각선
그림2-29. 좀더 균형잡힌 몰드충전을 얻으려 몰드충전패턴을 바꾸는데 흐름리더와 흐름 제한이 사용
구역을 두껍게 할 수 있다. 이 처지는 디자이너가 균일한 벽 두께를 유지하는 룰에서 벗어나는 몇몇 경우 중 하나이다. 때때로 벽 두께의 변화는 아주 포착하기 힘들 정도다. 컴퓨터를 이용한 몰드충전분석은 이번 장에 앞에서 대충 설명했던 압력강하계산인 것처럼(압력강하를 상쇄하기 위해 두께를 조절하고 finite width의 각기 strips처럼 다양한 흐름길이를 처리하다) 흐름 리더나 제한물을 설계할 때 유용하다. 게이트에서 흐름리더는 게이트로부터 충전하기에 어려운 단면쪽으로 전개되는 한편, 흐름 제한물(혹은 댐)은 좀더 쉽게 충전되는 캐비티 단면을 따라 자리를잡을 수 있다. 이들 벽 두께 변화는 일반적으로 몰딩의 잘 보이지 않는 표면과 합쳐진다. 흐름 리더나 흐름 제한물은 균일치 못한 벽 두께의 이입(응력집중이나 각기 다른 냉각과 수축 효과)으로 생긴 혼란을 최소화시키기 위해 부품 벽안으로 소멸되거나 혼합되어야 한다. 프라스틱 제품을 경화시키는 데에 주로 사용되는 리브는 크기가 적당하고 적당히 배치되었을 때 흐름 리더로도 사용이 가능하다. 캐비티 내의 융해흐름양상은 몰드냉각서킷트디자인에 의해서도 영향을 받을 것이다. 공구온도가 상대적으로 뜨거우면 흐름을 촉진시키는 경향이 있을 것이다.
그림28 부품에 몰드충전경향은 흐름리더 혹은 제한물을 시용하여 수정이 가능하다. 그림30에 나타난 부품은 3개의 게이트와 대각선 흐름 리더를 이용해서 만들어졌다. 알맞게 설계된 흐름 리더는 언더흐름효과(underflow effect)를 제거하고 균일한 팩킹을 보장한다. 따라서 더 좋은 품질이 된다.
그림2-30. 3개 게이트의 대각선흐름리더가 사용될 때 충전패턴이 균일해진다
그렇지만 거기엔 흐름 리더 및 제한물(flow leader/restriction)와 관련하여 현실적인 제한이 존재한다. 가령, 불균형 때문에 게이트 하나를 이용해서 만들었던 그림27의 부품에 맞는 흐름을 맞추는 것이 어려울 것이다.
[흐름 지연/레이스 트랙킹]
실지로 대개의 프라스틱 부품은 여러 다양한 벽 두께로 설계된다. 일반적으론 이런 일(practice)은 피해야 하지만, 때로는 이처럼 벽 두께가 다양해지는 것을 피할 수 없을 때도 많다. 벽 두께가 다양해지면 수축과 관련된 문제도 다양해지고(나중에 설명하겠지만), 몰드충전이 진행되는 동안 다양한 어려움이 일어날 수도 있다.그림31에서는 이것을 증명하고 있다.
그림31의 부품은 두꺼운 후레임 혹은 림에 의해 둘러싸인, 비교적 얇은 중앙단면을 가졌다. 설계자는 얇은 단면이 얼더라도 그런 두꺼운 단면이 팩킹될 수 있도록 상대적으로 두꺼운 림을 따라 게이트를 배치했다. 불행하게도 몰드충전이 진행되는 동안 그런 융해는 융해가 저항이 가장 적은 진로를 따라 진행하므로 두꺼운 림 주변을 픽처 후레임(picture frame)하거나 레이스 .트래킹(race tracking)하는 경향이 있다
그림2-31 프라스틱 부품이 얇은 단면과 두꺼운 단면을 둘다 가졌을 때, 융해는 저항이 가장 적은
진로를 따라 진행하므로 게이트와 이어지는 두꺼운 쪽 단면을 통하여 우선적으로 흐르
는 경향이 있다.
중앙 얇은 쪽 구역 안에 융해는 두꺼운 쪽 단면이 충만해질 때까지 지연되는 경향이 있다. 그런 다음 다시 흐르기 시작한다. 최악의 경우엔 이것이 높은 잔유응력, 외관 불량, 가스 트래핑, 미성형(short shot)등을 수반하는 문제를 야기시킬 수 있다. 얇은 단면은 흐름을 제한하는 바람직스럽지 못한 방해물 역할을 한다. 이런 상황을 피하는 가장 간단한 방법은 다양한 벽 두께를 사용하는 것이다. 다양한 벽 두께를 사용해야만 할 경우에는 가급적 최소화되어야 한다. 얇은 쪽 단면 부분에 게이팅은 충전 문제를 최소화할 수 있다. 그러나 두꺼운 쪽 단면에 팩킹 문제를 야기할 수도 있다. 흐름 지연이나 레이스 트해킹 문제가 발견될 수 있도록 다양한 두께를 갖는 부품들에 대해선 컴퓨터를 이용한 충전분석을 권장한다. 만일 문제가 일어났다면 게이팅 계획은 바뀔 수 있거나 균형잡힌 흐름 패턴이 이루어질 때까지 벽 두께를 조절될 수 있다.
그림2-32. 멀티-캐비티와 패미리몰드는 흐름지연이나 오버팩 문제를 피하도록 균형있게 흘러야
된다. 일단 몰드 가 생산플로워에 도달한 이상 런너 셧오프과 부가적인 냉각써킷트콘
트롤이 공정설계자를 도울 수 있다.
[멀티 캐비티 對 패미리 몰드]
실지로 대개의 프라스틱 제품은 2차 생산작업이나 소비자에 의해 조립되어야 하는 일련의 사출품이다. 각개의 부품이 각기 다른 재료로부터 생산될 때, 각각의 구성품(콤퍼넌트)을 만들기 위해선 일반적으로 일련의 사출 금형들(호환성있는 인설트 셋트등)이 구성되어야 한다. 선별적으로 견본이나 저생산성에 대해선 런너-셧오프를 수반하는 싱글멀티캐비티패미리몰드가 사용 가능하다. 그렇지만 제품을 짜맞추는 모든 부품이 같은 프ㅡ라스틱 재료로 만들어진다면 패미리몰드를 이용하여 한번의 쇼트로 구성품의 일부나 전부를 생산하는 것도 가능하다.
대개의 경우에 패미리몰드-옵션에는 일련의 싱글캐비티 혹은 균형잡힌 고생산성, 멀티-캐비티몰드가 우선한다. 그렇지만 생산량이 낮을 때 그림32에 나타난 것과 같은 패미리몰드의 툴링이 더 경제적일 수 있다. 패미리몰드는 각각의 캐비티가 동시에 충전되는 방식으로 설계되는 것이 중요하다(자연적으로 균형이 잡히는 멀트캐비티공구를 사용한 것처럼). 패미리몰드에 적합한 흐름바란싱은 적당한 캐비티 레이아웃을 이용해 달성될 수 있고, 각 흐름브란치에 있어서 압력강하를 등화시키기 위한 노력의 일환으로 런너길이와 직경을 조절하므로 서 이루어질 수 있다. 일단 조립되면 생산이 이루어지는 동안에 패미리몰드를 이용해서 일하기가 아주 어려울 수 있다. 특히 공구가 균형있게 흐르지 못했을 때ㅡ. 가령, 부품 중 하나는 오바?s 그리고 오바사이즈가 될 수 있는 반면, 또다른 하나는 언더사이즈가 될 수 있다. 부품을 칫수규격 안으로 들게 하기 위해 몰딩조건을 바꾸는 것은 대부분 다른 부분에 대한 문제를 확대시킬 수 있다. 부품을 패미리몰드에서 생산해야만 할 때, 몰드의 각 부(단면)가 그것 자신의 냉각써킷트를 갖을 수 있는 방법으로 공구를 설계하는 것이 중요하다. 이런 방법으로 각 캐비티에 대해서 각 몰드의 온도조절이 가능하다. 결국부품들이 하나하나 생산될 수 있도록 런너셧오프를 포함하는 것도 잇점이 있다. 런너셧오프는 흐름 제한물이 쉽게 삽입될 수 있는 자리도 마련할 수 있다. 거기엔 패미리몰드와 연관되어 많은 단점이 있지만, 얼마간의 장점도 존재한다. 가령, 제품조립을 조합할 모든 부품들이 동시에 사출될 수 있으므로(즉 같은 기계와 열/전단이력) 색갈 매칭문제는 패미리몰드를 이용해서 효과적으로 제거할 수 있다. 부품 취급도 최소화할 수 있다(특히 전체 쇼트가 소비자 어셈부리용 유닛으로 일할 때ㅡ).
그림33. 벽 두께가 다양한 부품은 수축이나 기공이 생길 가능성을 배제하기 위해 가능한 한 두
꺼운 쪽에 게이트를 배치해야 한다. 만일 부품이 엷은 것에서 두꺼운 것으로 게이트되
어야 한다면 내부런너(아마 리브)가 두꺼운 쪽 단면 팩킹을 촉진하는데 도움이 될 수
있다.
[두꺼운 데에서 얇은 데로 게이팅]
프라스틱 사출품이 다양한 벽 두께를 갖을 때는, 일반적으로 그림33처럼 몰딩의 가장 두꺼운 단면에 게이팅하는 것이 좋다. 몰딩의 두꺼운 쪽 단면은 더 많은 팩킹과 수축 벌충을 필요로 하고, 따라서 게이트에 가장 가깝게 배치시켜야 한다. 이것이 이루어지지 않았을 때 게이트와 두꺼운 쪽 단면 사이에 위치한 얇은 단면은 얼어버릴 수 있고, 두꺼운 쪽 단면을 ?s하는 능력이 상실된다. 융해전선은 그것이 얇은 쪽 단면을 떠나므로 써 냉각되고 분출하는 경향이 있는 만큼 얇은 것으로부터 두꺼운 것으로 게이트한 부품에 대해선 양질의 표면완성도를 얻는 것도 어려울 수 있다. 만일 어떤 다른 이유 때문에 게이트를 몰딩의 얇은 단면에 배치시켜야 한다면 그림33처럼 몰딩 프로세스중 팩킹과 유지 단계 동안에 흐름채널 열린 상태가 유지되기 위해선 내부 런너나 개량된 리브가 사용될 수 있다.
프라스틱 제품의 두꺼운 쪽 벽 단면 안으로의 게이팅은 오바팩킹을 콘트롤할 수 있게 하더라도 제팅과 같은 또다른 몰딩 문제를 야기할 수도 있다. 두꺼운 오픈 캐비티 속으로 게이팅될 때 젯팅은 일어날 수 있다. 젯팅이 일어날 때, 융해는 분수와 같은 흐름전선으로 발전하기 보다는 깊은 캐비티 안으로 내천과 같이 흐르는 경향이 있다. 만일 젯팅이 일어난다면 사출품의 외관은 비교적 좋지 않다. 포리머 중 로프와 같은 제트는 몰드충전공정의 초기단계가 진행되는 동안에 식는다. 그리고 알맞게 접합되지 않는다. 아마 더 중요하게는 제트가 일어날 때 그런 부품의 물리적 화학적성질도 나쁜 영향을 받기 쉽다.
젯팅 효과는 적당한 게이트 설계를 이용해서 최소화할 수 있다. 가령, 게이트 랜드길이가 짧으면 캐비티에 들어감으로써 탄성/소성복원효과(elastic/memory effect)에 의해 융해의 팽창을 촉진시킨다(압출금형을 설계하는 사람은 바로 그 반대로 하는데, 즉 치수변화와 연관된 다이팽창을 최소화시키기 위하여 압출용금형에는 랜드길이가 긴 것을 사용한다). 커다란 게이트, 특히 휀게이트와 탭게이트는 젯트가 생길 가능성을 최소화하기 위해 사용될 수 있다. 몇가지 유형의 흐름장애(즉 코아핀 따위) 안으로의 게이팅도 융해흐름전선이 전개되는데 도움이 된다. 그 결과 제팅이 생길 가능성을 최소화시킬 수 있다.
[개요] 그림36a~e에 나타낸 디스크 모양의 몰딩을 검토해보자! 몰딩의 중앙에는 비교적 두꺼운 림으로 둘러싸인 얇은 디스크단면이 있다. 거기엔 이런 보통 지오메트리를 수반하는프라스틱 부품용으로 사용될 수 있는 많은 게이팅 설계가 있다. 이들 게이팅 설계 각각은 그 자신의 장점과 한계를 동시에 나타낸다.
그림36. 디스크와 같은 부품은 두꺼운 림이 둘러싸고 있는 얇은 중앙구역을 지녔다. 부품이
균일치 못한 벽 두께를 지녔다는 사실에 의해서 게이팅 설계를 선정하는 것은 아주
복잡해진다. 나타난 다섯 옵션 중 각각은 그들 자신의 장점과 한계를 갖고 있다.
<상부중앙게이팅> 상부 게이팅은 균형된 흐름파팅라인에서 일정한 밴팅, 웰드를 생기지 않게 하는등 장점을 준다. 그렇지만 그런 부품은 얇은 쪽에서 두거운 쪽으로 게이팅한다. 그리고 두꺼운 단면은 충분히 ?s되지 않을 가능성이 있다. 그 결과 수축이나 수축공이 생기게 된다.
<에지게이팅> 사출품의 에지로의 게이팅은 두꺼운 단면의 팩킹을 촉진시키나, 융해는 바깥쪽 림 주변에 레이스-트랙을 생기게 할 가능성이 있다. 이 결과 웰드라인을 생기게 하고 흐름의
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