[사출금형 성형 기술 실무 1] 러너 밸런싱

등록 2015.09.09 11:27:28

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[사출금형 성형 기술 실무 2] 러너 밸런싱 사례

이번 연재는 컴퓨터 해석을 기반으로 하는 사출금형 설계의 핵심 기술인 유동시스템 설계를 중심으로 사례를 들어 설명하고, 요소 기술의 특성들을 분석하여 설계자들에게 관련 기술 정보를 제공하고자 한다. 사출성형 기술은 유체 성질에 관한 이론적 배경을 근거로 사출성형의 다양한 파라미터의 특성을 분석하여 성형기술자에게 유익한 정보를 제공할 것이다.

Runner Balancing

러너 밸런스는 러너의 직경을 변화시켜 성형품에 작용하는 사출압력이 동일하게 충진할 수 있도록 돕는 역할을 한다. 여기서 게이트의 크기는 동일한 전제 조건으로 러너의 밸런스를 맞추는 것이며, 캐비티 내에서 사출압력을 균일하게 함으로써 성형품의 트러블을 최소화하고 품질을 안정화하는데 있다.

지난 달에는 러너의 배치를 ‘H’형으로 배치하여 수지 유동의 균일성을 확인했고, 아울러 러너 크기를 구하여 전사모사를 통해 검증한 바 있다. 이번에는 같은 형상을 가지고 ‘일자’형으로 배치하여 러너 밸런스의 치수 결정하기와 전사모사를 통해 러너의 밸런스를 자동으로 결정할 수 있는 기법을 다루고자 한다.
그림 1은 ‘H’형 러너 레이아웃과 ‘일자’형 러너 레이아웃이다. 캐비티 개수는 스프루를 기준으로 좌우 4개씩으로 총 8개이다.

그림 1. ‘H’형 러너 레이아웃과 ‘일자’형 러너 레이아웃

참고로 해석 프로그램으로 러너 밸런스를 구하려 한다면, 최소한 두 가지의 전제 조건이 만족돼야만 진행시킬 수 있다. 첫 번째는 성형품 Mesh 품질이 85% 이상이어야 한다. 두 번째는 러너와 스프루는 Beam mesh를 이용해야 한다는 것이다. 상대적으로 ‘H’형은 러너 밸런스를 하지 않아도 캐비티 8개를 균일하게 충진할 수 있는 구조를 가지고 있으나, 반면에 ‘일자’형은 균일한 충진을 기대할 수 없기 때문에 밸런스를 해주는 것이다.

이번에는 우선 러너 밸런스를 위한 계산식을 정립하고 계산식에 의한 전산모사를 실시하여 유동의 밸런스가 실제 맞는 것인지를 확인하고자 하며, 다음으로는 계산식을 적용하지 않고 해석 프로그램을 이용한 러너 밸런스의 자동 설계 현상을 구현하고 분석하고자 한다.

다음은 러너 밸런스를 위한 계산 방식을 소개한다.
먼저 성형품 1개의 용량(Qcm³ =g)을 CAD에서 구하거나 CAE에서 형성을 정의하여 구한다. 그리고 1차, 2차 러너의 초기 치수를 임의로 정하고 레이아웃을 결정한다. 여기서 말하는 3차 러너는 편의상 ‘일자’형 러너의 가장 끝단에 있는 것을 말한다. 1차 치수의 러너를 임의로 정하기 위해서는 지난 달에 제시한 러너의 크기보다 경험상 적어도 30% 이상의 크기로 시작하는 것이 적절한 것으로 추천하고 싶다.

다음은 사출 충진 시간(sec)을 정하고 러너 유동 단계별 용융수지 용량(Vcm³)과 초당 사출량(Qcm³/sec, Q=V/t)을 구한다. 이어서 전단 변형률 속도(γ=4·Q/(π·R⁴))를 구하고, 그 값을 그림 2에서 PA66의 점도와 전단 변형률 선도에서 점도(η=kg·sec/cm³)값을 구한다.

전단 변형률 속도는 러너의 직경과 길이 초당 사출량과 밀접한 관계가 있기 때문에 점도값을 찾아내는 것은 매우 중요하다. 점도값은 러너의 크기에 매우 민감하기 때문이다. 위의 과정을 통해 구한 값으로 러너 유동 단계별 압력 손실(△P=8×L×η×Q/(π·R⁴))을 구할 수 있으며, 각 캐비티는 게이트 입구까지의 압력 손실이 동일하게 될 때까지 2차 러너의 크기를 변수로 반복하여 구한다. 러너 밸런스를 위한 계산은 그림 3의 순서에 따라 진행하게 된다.

여기서, 계산식의 타당성을 검증하기 위하여 해석 프로그램을 통해 전산모사 결과를 확인할 수 있도록 제시했다.

그림 2. PA66의 용융 점도와 전단률 곡선

그림 3. 러너 밸런스 계산식 순서도

박균명 공학박사 _ 금형기술사

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