유동해석은 플라스틱 수지의 금형 내에서의 온도, 속도, 압력의 계산을 통하여, 수지의충진 패턴, 사출압력, 유동선단 온도, 고화시간, 웰드라인, 형체력, 수축률 등의 정보를 제공한다. 또한 수지의 유동과 열에 의하여 유도된 잔류응력을 계산하여, 변형해석의 입력 값으로 제공한다.
분수 흐름(fountain flow)
일반적으로 사출 성형된 플라스틱 제품은 두께가 평판 제품이다. 평판 제품의 정의는두께 34mm 이하의 두께에 비하여 폭이 5배 이상 큰 제품을 말한다. 이러한 캐비티 내로 수지가 흐를 때는 금형 벽면에 고화층을 형성하면서 분수와 같은 모양으로 전진한다. 이런 원리에 의하여 배럴 앞부분에 계량된 수지는 제품 표면 층을 형성하는데 사용되고, 뒷 부분에 계량된 수지는 제품 중앙부위를 채운다. 또한 전단 변형률이 가장 큰 부분은 고화층과 유동층 경계면이 되고, 표면층은 빠르게 고화되며, 중앙부위는 마지막으로 고화된다. 따라서 표면층은 배향성이 크고 중앙부위는 배향성이 작다.
전단변형률과 마찰열
전단변형률은 제품두께와 사출 속도에 의존한다. 즉 사출 속도가 빠를수록, 두께가 얇을수록 전단변형률이 크며 일반적으
로 배향성이 커진다. 또한 고화층과 유동층 그 경계면에서 전단변형률이 가장 크다. 그리고 전단변형률이 크면 경계면에서 마찰열이 발생한다. 일반적으로 금형으로 유입된 수지는 차가운 금형에 의하여 온도가 떨어지는 경향을 보이지만 사출 속도가 특정속도 이상이 되면 금형과의 접촉시간이 감소하여 손실열이 적고 전단변형률의 증가에 따라 마찰열 발생이 증가하여 수지의 유동선단 온도가 보존되거나 오히려 상승한다. 또한 고화층의 두께는 사출 속도가 느릴수록 금형으로의 손실열이 증가하여 고화층의 두께는 증가한다.
사출압력
압력은 용융수지의 유동저항을 극복하게 하는 구동력이다.스크루가 보압전환점에 도달하였을 때 스크루 앞단의 압력을 사출압력이라고 한다. 이때 유동선단 끝단의 압력은 0Mpa이다. 사출 성형기의 최대사출압력 보다 적은 압력으로 수지를 캐비티 끝부분까지 충진이 가능하여야 한다. 그렇지 않다면 미성형의 가능성이 크다. 따라서 이때는 사출압력을 줄일 수 있는 방법을 찾아야
한다. 일반적으로 안전률을 고려하여, 사출압력이 사출 성형기의최대 사출압력의 80% 이하가 되도록 금형설계 및 사출성형 조건이 설정되어야 한다.
Total Pressure Drop(Injection Pressure) = PD(Runner System) + PD(Cavity)
사출압력에 영향을 미치는 인자
제품설계(part design)
제품두께
제품두께가 얇을수록 유동저항이 증가하여 사출압력은 증가한다. 동일한 제품에서도 두꺼운 부분과 얇은 부분의 유동속도는 달라진다. 이러한 원인에 의하여 정체현상(hesitation)과 에어트랩(air trap) 등의 현상이 발생한다.
제품 표면 면적
제품 면적이 증가할수록 동일한 조건에서 금형으로의 열손실이 증가하여, 수지의 유동선단 온도 강하와 고화층의 두께증가로 인한 실제 유동단면 감소로 유동저항이 증가하여 사출압력이 증가한다. 일반적으로 다수의 미세한 홀이 존재하는 제품은 그렇지 않은 제품에 비하여 사출압력이 상승한다.
금형설계(mold design)
게이트 크기
제품설계와 동일한 이유로 사출압력이 증가한다. 전체 사출압력은 런너의 압력강하와 캐비티 내에서의 압력강하의 합이
므로 런너 시스템을 너무 얇게 설계를 하면 사출압력이 증가하여 미성형이 발생할 수 있다. 또한 런너 시스템을 너무 두껍게
설계하면 사출압력은 낮아지지만 런너의 고화시간이 증가하여 전체 사출성형 사이클이 증가한다.
유동길이
사출압력의 정의에서 알 수 있듯이 유동거리가 증가하면 사출압력은 증가한다. 따라서 유동길이를 줄이면 사출압력은 낮아진다. 유동길이를 줄이는 방법은 바로 게이트의 위와 수에 관련된다. 일반적으로 금형설계에서 결정하여야 할 가장 중요한 항목이다. 또한 게이트는 유동 밸런스를 고려하여 설계하여 야 한다. 한쪽이 아무리 빨리 충진되어도 다른 한쪽이 충진 되지 않았다면 이 부분을 채우기 위하여 사출압력이 계속적으로 증가한다.
공정조건
사출속도
사출속도에 대한 사출압력은 U커브를 보인다. 사출속도가 느리면 열 발생보다 열 손실이 더 커서 유동선단 온도가 강하하여 점도가 증가하고, 고화층의 두께가 증가하여 유동저항이 증가하며, 사출압력이 상승한다. 반대로 사출속도가 빠르면 유
동선단 온도는 상승하여 점도는 낮아지고 고화층의 두께는 줄어들지만, 고화층과 유동층 사이의 마찰저항이 크게 증가하여 오히려 사출압력이 증가한다. 따라서 캐비티 내에서 유동선단이 적절한 일정속도로 흐를 때 사출압력은 가장 낮아진다.
수지 온도
수지 온도란 가소화에 의하여 배럴에 계량되는 수지의 온도를 말한다. 수지 온도를 높이면 점도는 낮아지고 고화층의 두께는 얇아진다. 따라서 사출압력은 낮아진다. 그러나 수지 온도가 높으면 냉각시간이 길어져 사이클시간이 길어진다.
금형 온도
금형 온도란 캐비티 벽면 온도를 말한다. 일반적으로 금형온도는 냉각 시스템과 냉각수의 온도 및 속도에 의하여 결정
된다. 금형 온도가 높으면 고화층의 두께가 얇아져서 사출압력이 낮아진다. 그러나 마찬가지로 사이클 시간을 증가시킨다.
재료 선택(material)
사출압력에 가장 큰 영향을 미치는 요소라고 판단된다. 제품설계자는 수지를 선정하는데 있어서 수지의 유동성을 반드시
고려하여야 한다. 동일한 조건이라면 수지의 유동성이 좋은 것이 사출압력을 줄인다. 즉 게이트의 수를 줄여서 월드라인을 감소시킬 수 있다는 것이다. 수지의 유동성은 앞에서 언급한 것과 같이 수지의 온도와 전단변형률이다. 일반적으로 수지의 유동성을 측정하는 방법으로 MI(melt index) 방법을 사용하여 평가하지만 이는 측정방법상 저속구간 즉 전단변형률이 아주 낮은 곳의 값이다.그러나 실제 사출에서의 전단변형률 범위는 약 1000~10000 1/s이다. 따라서 이 구간에서의 유동성은 재료의 선정에 따라 큰 차이가 있다.
사출압력의 허용 범위따라서 제품의 성형을 위하여 가용한 사출성형기의 최대사출압력의 75% 범위 이하에서 성형이 가능하도록 제품설계, 금형설계 그리고 공정조건 등이 조정되어야 한다.
Target Pressure > Total pressure drop in the mold
DPpart + DPrunner = DPtotal < Target Pressure
사출 속도
최적 사출속도
최적의 사출속도는 주어진 조건에서 사출압력이 최소가 되게 하는 것이다. 캐비티의 두께에 따라서도 사출속도는 달라져야 한다. 두께가 얇은 경우가 두꺼운 경우보다 금형에 의한 냉각으로 열 손실이 훨씬 크기 때문에 사출속도를 증가하여 전단변형률을 높여 마찰열을 증가시켜야 유동선단의 온도는 일정하게 유지되고 사출압력도 낮아진다. 플라스틱 재료에 따라서 비열, 열전도율, 점도 등이 상당히 다르다. 온도변화에 따라서 점도 변화가 심한 재료(PC,PMMA)는 가파른 U 커브를 가지지만 그렇지 않은 재료(PP,
ABS)는 완만한 U 커브를 가진다. 따라서 재료에 따라 사출압력이 사출속도에 민감하게 변하는 것이 있고 그렇지 않은 것이 있다.
유동선단 속도
스크루 전진 속도가 일정하여도 캐비티 내에서 유동선단 면적이 캐비티 형상에 따라서 크게 다르기 때문에 유동선단 속도도 크게 달라진다. 가장 최적의 사출은 수지를 유동선단 온도 변화가 없이 캐비티 끝부분까지 충진하는 것이다. 따라서 유동선단 온도를 일정하게 유지하려면 유동선단 속도가 일정하여야 한다. 즉 유동선단 면적이 넓은 곳은 사출속도를 증가시키고 유동선단 면적이 좁은 곳은 사출속도를 줄인다. 따라서 동일한 속도로 스크루 전진하여 사출한다면 유동선단 온도가 유동선단 면적에 따라 상승 또는 하강하게 되어 U 커브를 생각할 때 결국 사출압력을 증가시킨다.
유동선단 면적(㎠ ) = 유동선단 둘레(㎝ ) × 캐비티 두께(㎝ )
보압 설정
보압의 의미
보압은 충진 공정 이후에 캐비티 내에서의 수지 냉각에 따른 수축률을 보정해 주기 위하여 적정 압력으로 적정시간 동안 스크루를 전진시켜 수지를 캐비티 내로 계속 공급하는 공정이다. 따라서 제품의 수축률에 가장 큰 영향을 준다.
보압의 크기와 그 시간의 결정
■ 보압의 크기 : 수축률이 크기를 좌우한다. 따라서 보압을 높이면 제품 치수는 커지고 싱크마크는 억제된다. 그러나 반대의 경우는 제품 치수는 작아지고 싱크가 발생한다. 그러나 너무 높은 보압은 형체력을 증가시키고 잔류응력을 증가시켜 제품 변형의 원인이 된다. 일반적으로 적정 보압은 최대사출압력 의 7080% 이다.
■ 보압의 시간 : 보압시간은 캐비티의 두께에 관련된다. 제품이 두꺼워서 천천히 냉각되면서 수축이 이루어지면 그 만큼 긴시간 동안 수지가 계속적으로 공급되어야 한다. 그러나 게이트가 고화된 이후에는 캐비티 내로 수지의 출입이 막히게 되므로 결국 보압시간은 게이트의 고화시간이다. 따라서 제품두께에 따라 적정 크기의 게이트를 설계하여야 한다. 게이트의 고화시간은 게이트의 두께와 길이에 크게 의존한다.
최적 보압 설정
일반적으로 보압을 일정 압력으로 균일하게 가하면 게이트에 근접한 곳은 보압을 크게 받아 수축률이 적고 충진 마지막 부위는 상대적으로 압력을 충분히 받지 못하여 수축률이 큰 수축 불균형이 발생한다. 이러한 불균형은 잔류응력을 증가시켜 변형을 일으키는 중요한 원인이 된다. 따라서 균일한 압력으로 보압을 설정하는 것이 아니라 보압의 크기를 점점 줄여주는 다단 보압 설정을 통하여 캐비티 내압의 위치에 따른 편차를 줄여 줄 수있다. 또한 게이트는 제품의 두꺼운 곳에 위치한다. 일반적으로 수축률은 압력과 고화속도에 의존한다. 따라서 고화속도가 느려 수축률이 큰 곳에 게이트를 위치하여 충분한 압력을 공급함으로써 수축률 균형을 이룰 수 있다. 그리고 보압시간은 게이트가 고화시간 이상으로 설정하여야한다. 보압을 게이트 고화 시간 이하로 설정하면 스크루가 가소화를 위하여 후퇴하므로 게이트 앞 단에 압축되어 있는 수지가 뒤로 흘러나간다. 따라서 비정상적으로 게이트 주위가 수축률이 커진다.
냉각 설정
냉각의 의미
제품을 취출 가능한 온도까지 고화하는 공정이다. 제품뿐만 아니라 런너 시스템도 취출에 문제가 없을 정도로 고화되어야 한다. 여기서 취출 온도(ejection temperature)란 취출 시스템에 의하여 응력을 받아도 변형되지 않고 충분히 극복할 수 있는 온도를 말한다. 일반적으로 PP와 ABS는 약 8090℃,PC는 120130℃ 정도이다.
냉각시간 설정
제품을 취출 하기 위해서는 일반적으로 고화 정도가 80% 이상이어야 하고 런너는 약 50% 정도 고화되면 취출 가능하다.
일반적으로 제품은 얇기 때문에 고화가 빠르게 진행되므로 냉각시간을 증가시키는 요인은 아니다. 그러나 콜드 런너의 경우
는 상당한 시간을 요한다. 따라서 런너 설계는 가능한 직경을 줄이는 방향으로 하여야한다. 하지만 런너 직경을 너무 작게 설계하면 사출압력이 크게 상승한다. 물론 수지의 가소화하는 시간도 고려되어야 한다. 제품 및 런너의 고화 시간은 캐비티 두께 및 금형 온도에 크게 의존한다.