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사출금형 성형 기술 실무 2, 러너 분석 결과와 레이아웃

  • 등록 2015.04.13 09:47:45
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러너 치수 계산


러너의 크기는 생산성과 생산 효율 측면에서 매우 중요한 사항이므로 러너의 치수를 계산하는 3가지 방법을 가지고 소개하고자 한다. 하나는 경험적 그래프를 가지고 결정하는 방법이고, 나머지 두 가지 방법은 수식을 가지고 계산하는 방법이다.


(1) 그래프를 가지고 러너의 지름을 결정하는 방법
그림 3은 두께 3mm 이내 성형 제품의 러너 지름을 구하는 방법으로, 경험적 관계식은 식 (1)의 계산식으로 구할 수 있다. 단, 유동성이 좋지 않은 고점도 수지(PVC, PMMA 등)는 약 25% 증가한 러너 치수 적용을 권장한다. 


예를 들면 수지는 폴리에틸렌으로 성형품 중량 120g, 유동 길이는 50mm일 때, 적색 라인을 따라 가면 러너 지름은 약 8.0mm가 된다.


이론적으로 1차 러너의 단면은 약 7.0~8.0mm 범위에서 반영하면 좋다. 식 (1)로 계산하면 7.87mm이다.
여기서 2차 러너 지름을 구하는 계산식은 <2차 러너 지름=1차 러너 지름/[2차 러너 개수]1/3>이다


그림 3. 두께 3mm 이내의 성형품 러너 지름 구하기


(2) 수식을 가지고 러너 치수를 계산하는 방법
여기에는 중요한 두 가지 경험식이 있다. 하나는 원형 러너의 압력 손실을 예측하며 러너의 크기를 결정하는 계산식이고, 다른 하나는 러너의 길이와 성형품의 중량으로 계산하는 계산식이다. 둘 다 유용한 계산 방법이므로 잘 활용하면 큰 도움이 된다. 


첫 번째 수식은 그림 3을 뒷받침하는 경험적 수식이다. 이 식은 매우 근사된 결과값을 제공한다.



두 번째 수식은 압력 손실을 어떻게 가지고 갈 것인가에 따라 러너 지름을 구할 수 있는 것이다. 러너의 유동 길이가 길고 수지양이 많아, 점도가 클수록 유동저항이 크고 압력 손실(△P)이 많이 일어나는 것을 알 수 있다.



위의 식을 통해 스프루에서 캐비티까지의 러너 거리는 러너 단면적의 크기를 어떻게 선택하는지에 따라 영향을 받는다는 사실을 알 수 있다.


러너 사례 분석


목적은 러너 지름의 유체거동을 분석하기 위해서이다.
식 (1)을 사용하여 계산하면 러너는 φ2.88mm= φ3.0mm 이다. 그림 3을 통해 러너 지름을 추적해도 약 φ3.0mm이라는 것을 발견할 수 있다.


본 주제에서는 설계자가 설정한 φ5.0mm를 기준으로 단계별로 컴퓨터 해석을 진행하고, 각 단계별로 어떤 거동 현상이 나타나는지를 분석하고자 한다.


(1) Analysis Data



(2) Process Condition



(3) 실험 위치

(4) Analysis Results (1)


(5) Analysis Results (2)


러너 분석 결과


유체의 성질 중에서 유체의 속도와 압력 사이의 관계는 베르누이법칙을 따르면 된다. Analysis results (2)의 결과를 분석하면 러너에 작용하는 사출압력은 유동 길이에 반비례하는 것을 확인할 수 있다.


그래프에서 확인할 수 있듯이 동일한 압력이 가해졌을 때 러너의 지름에 따라 첫 번째 실험 위치에서 φ3.0은 높은 압력과 낮은 속도를 발견할 수 있다. φ5.0은 낮은 압력과 빠른 속도로 나타나고 있다. 


마찬가지로 러너의 크기와 사출 시간을 통해 확인할 수 있듯이 단면적이 크면 속도가 떨어지고, 사출 시간이 늘어나며 단면적이 작으면 속도는 빨라지고 사출 시간이 짧아지게 되는 것을 알 수 있다. 이것은 유체의 성질 중 연속방정식으로 증명할 수 있다. 


러너에서의 유체 온도는 단면적이 작은 φ3.0mm에서는 역시 빠른 속도의 영향으로 수지 온도가 상승하고 있으며, 나머지 러너 지름에서는 유사한 온도 차이를 나타내고 있다.


위의 실험 데이터는 그림 3과 식 (1)을 활용할 때에 러너의 지름은 약 φ3.0mm를 제시했으나, 컴퓨터 해석을 통한 현재 상태에서 적정한 러너 지름은 φ3.5mm로 판단할 수 있다. 이것은 어디까지나 러너에 한하여 분석한 결과이지 게이트와 성형품을 포함한 분석은 아니기 때문에 게이트와 성형품과의 분석이 완료되면 최적의 러너 지름과 길이, 사출성형 조건을 찾을 것으로 기대된다. 앞으로 사출성형 현장에서 성형 조건을 관리할 때 매우 유익한 이론적 배경이 될 것이다.


러너의 레이아웃


그림4. 다수 캐비티의 밸런싱이 필요한 러너 레이아웃(a)과
밸런싱을 갖춘 레이아웃(b)


러너의 레이아웃은 캐비티 배치와 밀접한 관계가 있다. 러너의 길이를 감안하면 직선 배열이 가장 짧고, 경제적인 레이아웃이라고 할 수 있다. 고품질 성형을 얻기 위해서는 러너 밸런싱이 우수하고 열 손실을 최소화하기 위해 가능한 H형 배열과 Ο형 배열을 권장한다.


다음 회에 계속 이어집니다.



박균명 공학박사, 금형기술사


저자 약력
공학박사, 금형기술사
한국생산기술연구원 금형기술센터 재직
사단법인 한국금형기술사회 회장 역임
한국산업기술대학교 겸임교수 역임
국가뿌리산업진흥센터 소장 역임


정리 : 김정아 기자 (prmoed@hellot.net)






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