사출 성형 업체를 위한 센서

현대식 플라스틱 사출 성형은 이제 센서 없이는 불가능하다. 사출 성형기와 관련해서도 그렇고 그에 필요한 공작 기술 측면에서도 그러하다. 개별 몰드 캐비티까지 이르는 프로세스 모니터링 및 품질 보장을 지금까지 담당한 것은 전자 “감각 기관”이라 할 수 있는 이 센서였다. 네트워킹은 디지털화를 이용하여 인더스트리 4.0의 결정적인 인에이블러인 센서 기술 응용 스펙트럼이 그 다음 단계로 나아갈 수 있도록 대비한다.

울리히 W. 샤마리(Ulrich W. Schamari)

인더스트리 4.0이 사출 성형기 제조사와 사용자들에게도 중요해졌다. 프로세스 모니터링과 제어를 네트워킹화 및 디지털화함으로써 사출성형 생산의 투명성을 개선되고 생산 절차를 경제적으로 극대화할 수 있다. 그와 같이 네트워크화된 사출성형 제조로 인해 스위스의 Kistler 그룹이 제공하는 지능적인 금형 센서 장치가 필요하다. 전략적 플라스틱 사업분야 사장인 로베르트 바쿨릭의 말이다. „금형 내압을 모니터링 하는 것이 효과가 좋았습니다. 금형 내압이 부품 품질과 상관 관계가 매우 높습니다.“ 금형에 장착된 센서는 프로세스를 모니터링하고, 프로세스를 투명하게 만들어 더욱 효율적으로 제어할 수 있는 가능성을 제공한다.

센서를 통해 획득한 데이터를 가상의 생산 환경에 적용하면, 개별 사출 성형 사이클뿐만 아니라 전체 프로세스를 모니터링하고 최적화할 수 있다. 금형 내압은 자동 또는 수동으로 정의되는 평가 요소를 이용하여 모니터링하고, 이때 센서가 제공하는 곡선이 사전에 정의된 바와 같이 평가 요소를 통과하는지 점검하여, „정상“ 또는 „비정상“의 결과를 바탕으로 양호 부품과 불량 부품으로 분류할 수 있다. 또한 사용자에게는 모델에 기반하여 명확한 품질 특성에 대한 예측을 제공한다. 이 점에 대해 Kistler는 자부심을 느끼고 있다. „통합된 온라인 품질 예측을 바탕으로 완성되는 각 부품에 대해 믿을 만하게 말할 수 있습니다.”

디지털화 시대에 데이터 전송에 대한 모든 방향을 결정하고자 하는 업체는 광범위한 센서 기술을 피해가 갈 수 없다. 예를 들어 사출 성형 금형에 센서를 장착하는 경우, 개별 캐비티에 이르기까지 부품의 생성 절차를 저장하고 추적할 수 있으며, 문제가 발생하였을 때에 빠르게 대응책을 적용할 수 있다.

센서의 적절한 사용 위치를 숙고해야 한다

사출 성형 금형에 센서를 사용하여 금형 내압을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 템퍼링 장치의 공급부와 복귀부의 온도와 유량을 파악할 수 있다. 다음은 Bürkert Fluid Control Systems의 마틴 슈람의 의견이다. „템퍼링 프로세서가 개선될수록 생산품 품질이 좋아집니다.“ 사출 성형 금형을 인더스트리 4.0의 범위에서 사용하는 것과 관련해서 센서가 중요한 역할을 한다. I/O 링크를 통합하여 센서, 레귤레이터, 밸브로 구성되는 제어 시스템을 적합하게 네트워크화할 수 있다. 특별히 멀티 캐비티 금형 구조에게 도움이 되는 센서를 사용함으로 인한 특별한 점을 Bürkert의 이곤 휘프너는 다음과 같이 지적하였다. „멀티 캐비티 금형에서 콤팩트한 제어 밸브와 조합하여 유량 센서를 사용함으로써 각 캐비티에 필요한 냉각량을 정확하고 재현 조정할 수 있습니다.“

RJG Germany의 울리히 브레트하우어는 최종 제품에 있어서 센서의 의미를 다음과 같이 강조하였다. „플라스틱이 사출기 노즐을 떠나게 되면 우리는 아무 것도 볼 수 없습니다. 캐비티 내의 물리 법칙과 가공해야 하는 물질의 점도 변화에 맡길 뿐입니다.“ 그런데 금형 내압 기술을 성공적으로 투입하여 사출 성형 공정을 안정화하고 이를 통해 최종적으로 비용을 낮추어 회사의 경쟁력을 보장할 수 있다. 금형 내부 어딘가에 센서를 장착하고 곡선을 살펴보는 것으로 다 끝난 것은 아니다. 이 기술이 이익을 가져다 줄지 비용만 초래할지에 대해서 중요한 것은 캐비티 내 센서의 올바른 배치이다. 정확하게 말하자면 센서가 충족해야 할 기능에 달려 있다. 사출 성형 프로세스의 적절한 장치와 기록되는 압력 곡선의 이해와 평가도 마찬가지이다. 브레트하우어는 다음과 같이 경고한다. „새로운 프로젝트에서는 센서 장치가 어떤 목표를 달성해야 하는지의 문제를 명확하게 해야 합니다. 왜냐하면 거기에 센서 배치가 달려 있기 때문입니다.“ 원칙적으로 금형 내입 센서를 프로세스 제어, 즉 압력 전환, 셧오프 노즐의 열기 및 닫기 그리고 프로세스 모니터링에 사용된다. 비록 센서 배치를 위한 표준 권장안이 있지만 (예, „프로세스 제어가 목적인 경우 항상 스프루 근처에“), 최적의 센서 위치를 산출하려면 시뮬레이션을 이용하여 개별적인 흐름 거동과 압력 거동을 고려하는 것이 필요하다.

플라스틱 가공 분야의 하이엔드 프로세스 모니터링을 위해 사용할 수 있는 Kistler의 온라인 툴 Comoneo. 이를 이용하면 „사출 성형 4.0“에 따라 매개변수를 모니터링 할 수 있다.

금형에서 투명한 작동 수단 프로세스가 되다

금형 내부의 센서를 통해 압력과 온도를 측정을 조합하는 방식으로 할 수 있다. 사출 성형기 제조사 Arburg의 응용 기술 책임자인 Dr. 토마스 발터는 다음과 같이 설명하였다. „센서 장치는 기본적으로 캐비티 내부의 상황을 확인할 수 있게 합니다.“ 이는 센서가 가공업체에게 „내부를 알 수 없는“ 금형 안에서 일어나는 상황에 대해 전반적인 상태를 전달한다. 기계 운전자는 금형 센서 장치를 이용하여 금형 내부 씰링 포인트 등과 같이 직접적인 정보를 얻을 수 있다.

사용자는 프로세스를 보다 자세하고 재현 가능하게 조정할 수 있게 된다. 토마스 발터는 다음과 같이 설명하였다. „가공 업체는 금형 내부의 센서 장치를 통해 밀폐된 시스템을 들여다볼 수 있습니다.“ 프로세스에 대한 이해도가 개선되고 프로세스 제어가 최적화되어 프로세스 재현 가능성으로 인해 품질이 향상된다.

Arburg 사출 성형기 제어 장치는 기준 곡선 제어를 통해 압력과 온도에 좌우되는 신호 처리가 가능하며, 이는 개입 가능성을 개선한다. 이 제어 장치는 중요한 프로세스 매개변수를 금형 센서 장치를 통해 기록한다. 이러한 기능은 MES 시스템과 연결하여 인더스트리 4.0의 기준에 따라 자동화되고 네트워크화된 생산 프로세스를 지원한다.

사출 성형 부품의 제작과 조립 공정은 최신 이미지 처리 비전 센서를 이용하여 다양하게 사용할 수 있는 가능성의 장이기도 하다. „사출 성형 시 빈번하게 발생하는 문제 중 하나는 미성형 또는 short shot으로 알려진, 사출 부족이나 버나 플래시를 초래하는 과잉 사출입니다.“(클라우스 베르델, Sensopart Industriesensorik) 사전에 구성된 이미지로 대상의 면과 윤곽을 비교하여 부품 지오메트리와의 차이를 간단하게 검출할 수 있다. 또한 비전 센서들은 잘못 인서트 사출 성형된 플러스 내에 금속 핀이 잘못 정렬되는 경우 등 삽입 오류도 실시간 감지할 수 있다.

Toses Tooling Security Services의 부르크하르트 발더의 경우, 사출 성형기의 센서를 사용하여 정비 사이클을 낮추고, 금형의 수명을 늘리고 불량 감소, 금형 손상 조기 감지, 공정 매개변수 모니터링을 통해 설비종합효율(OEE)을 높일 수 있다. „즉 센서는 생산성 증대에 크게 기여합니다.“(클라우스 베르델) Sensopart Industriesensorik의 센서 기술을 이용하면 금형의 소음 발생을 체크하여 정비 주기를 최적화할 수 있다. 이 시스템은 금형 내부의 소음을 센서로 감지하여 정비가 임박했음을 알려주기 때문에 실제 생산에 맞게 이루어지며 생산되는 부품량을 정비 기준으로 삼지 않아도 된다.

사출 성형기의 센서는 품질뿐만 아니라 금형의 출력과 효율성을 높일 수 있다. „특히 생산되는 부품의 품질을 모니터링하기 위해서는 온도를 정확하게 측정해야 합니다“(펠릭스 에거트, TE Connectivity) 온도가 너무 높거나 낮아 변화가 생기면 품질에 결정적으로 영향을 끼친다. 예를 들면 온도가 조금만 높아도 부품이 탈 위험성이 있다. 부품에 품질이 떨어지면 이 또한 센서를 통해 자동으로 선별되지만 민감한, 온도 센서를 사용하면 선별되는 제품 수가 적어지기 때문에 생산 효율을 더욱 높일 수 있다.

금형 압력은 사출 성형기 타이 바의 신장 측정을 통해서도 결정할 수 있다. „그러나 이 센서 장치는 사출 성형 금형에 통합되어 있지 않습니다“(카이 비간트, Gefran Deutschland). 비간트의 설명에 따르면 타이 바에서 주도적인 힘을 프레스 센서가 파악하고, 평가를 위해 앰프를 통해 신호가 제어 장치로 전달된다.

사출 성형 금형에 사용되는 Sensopart Industriesensorik의 비전 카메라. 이 기술을 이용하여 과잉 사출, 미성형 또는 잘못 삽입된 구성 요소를 감지할 수 있다.

내부 및 외부 요소가 사출 성형 공정을 상대적으로 복잡하게 만든다

센서가 공급하는 신호의 평가와 처리는 우수한 사출성형 부품을 위한 전제 조건이 된다. 예를 들어 공차가 10 μm 미만이어야 하는 고정밀 사출 성형 금형도 부품 공차를 30 μm 미만으로 달성하기 위해서 센서가 필요하다. 금형 수정을 위한 센서 측정이 필요하며, 이를 위해 Carl Zeiss Industrielle Messtechnik이 표면 재구성을 위한 혁신적 소프트웨어를 개발하였다.

Priamus System Technologies는 사출 금형 캐비티 내부의 센서 장치에 초점을 맞추고 있다. 독일 사장 에르빈 쾨니히의 설명이다 „사출 성형 프로세스는 수많은 조정 가능성을 지닌 매우 복잡한 제조 공정이며, 하나하나의 조정 가능성들 모두가 사출 부품의 품질에 큰 영향을 줍니다.“ 또한 사출 공정은 외부로부터 많은 가변적인 영향을 겪는데, 이는 품질 부품에 결정적으로 영향을 미친다.

실질적인 제조 공정과 공정 변화를 투명하게 만들기 위해, 사출 금형 캐비티 내에 금형 내압 센서와 금형 벽부 온도 센서를 장착하여 고해상도의 정보를 제공한다. „측정 기술이 그러하듯이, 현상이 일어나는 그 위치 가까운 곳에서 최고의 정보와 해답을 얻을 수 있습니다.“(에르빈 쾨니히) 사출 성형기나 카메라 시스템의 신호는 그렇게 높은 신빙성을 제공하지 못한다.