최적의 금형 유도 템퍼링

사출 금형을 전자기 유도 방식으로 빠르게 가열할 수 있다. 슈투트가르트 대학 정밀기계공학 설계 및 제조 연구소(IKFF) 연구원들이 이러한 템퍼링 방법을 개선하기 위해 연구하였다.

공학박사 볼프랑 쉰쾨테(Wolfgang Schinköthe): 슈투트가르트 대학 정밀기계공학 설계 및 제조 연구소장, 공학박사 안드레아스 마우허(Andreas Maucher): 변온 유도 사출성형 분야 연구원

핵심 내용

  • 전문가들의 견해에 의하면 플라스틱 부품이 복잡해지면서 오일이나 물을 통한 등온 금형 템퍼링은 한계에 도달하였다고 한다.
  • 전자기 교류장은 캐비티나 코어와 같은 강자성 금형을 일반적인 방법보다 효율적으로 의도한 대로 가열한다.
  • 신속한 유도 템퍼링은 온도 공급과 열 분리가 관건이다.

열가소성 플라스틱 사출 성형에는 다양한 유형의 금형 템퍼링이 있다. 금형은 일반적으로 등온 방식, 즉 일정한 온도로 가열하는데, 이러한 방식은 부품 품질의 까다로운 요건과 복잡한 윤곽에는 불충분하다. 따라서 이러한 특별한 요건이 제시되는 경우, 변온 방식, 즉 온도 가변적인 사출 성형 프로세스가 필요하다. 슈투트가르트 정밀기계공학 설계 및 제조 연구소(IKFF)의 연구 가운데 하나가 바로 전자기 유도를 이용한 변온 템퍼링이다.

인덕터 외부 배치 또는 내부 배치

이 방법에는 전자기 교류장이 고주파 교류 전류가 흐르는 도선을 중심으로 형성된다. 만약 교류장 안에 강자성 물질을 두면 그 안에 와전류가 유도되고, 이 와전류는 강자성 물질의 옴 저항으로 인해 열이 발생한다. 실제로 사출 성형 금형에 사용할 경우 금형 온도를 통해 표면 품질과 연결 라인 문제를 개선할 수 있다. 또한 높은 금형 온도에서 플라스틱 흐름이 개선되어 벽부가 얇고 종횡비가 높은 부품을 제작할 수 있다. 인덕터는 요건에 따라 금형에 다양하게 배치할 수 있으며, 내부 배치와 외부 배치로 구분할 수 있다(그림 1).

인덕터를 외부에 배치하는 경우(그림 1 좌측), 인덕터는 가열하는 캐비티 바로 앞에 배치되며, 이를 통해 에너지가 표면으로 직접 유입된다. 이러한 경우 금형이 열렸을 때에 인덕터를 넣고 뺄 수 있는 장치가 필요하다. 이러한 경우 금형이 열려 있어야 열에너지가 유입될 수 있다. 반대로 금형이 닫혀 있으면 전 방향으로 열이 분산되어 표면에 높은 에너지가 필요하다.  

의도적인 열 가이드가 이루어진다

그림 1의 오른쪽과 같이 인덕터를 내부에 배치하는 경우, 인덕터는 캐비티 뒤에서 금형 플레이트에 삽입되고, 이를 통해 기계 사이클과 상관없이 에너지를 공급할 수 있다. 하지만 캐비티 뒤에 배치함으로써 짧은 열전도 구간을 극복해야 한다. 열이 캐비티 방향으로만 분산되는 것이 아니고 전 방향으로 분산되어 에너지가 열이 필요 없는 영역까지 전도되어 에너지를 필요 이상으로 소비하고, 표면 온도가 도달하기까지 사이클 시간도 길어질 수 있다.

            이처럼 열이 원하지 않는 영역으로 유입되는 것을 방지하기 위해 금형 플레이트 뒷면에 열 분리를 위한 갭을 만든다. 이 갭은 요건에 따라 인덕터나 전체 캐비티 영역을 감싸게 되고 열이 인덕터를 중심으로 원하는 범위에 전도되어 캐비티 방향으로만 흘러 에너지가 캐비티 바로 근처에 있는 금형 플레이트에 전도된다. 간단한 테스트 지오메트리를 이용하여 기존의 인덕터 배치와 비교하여 에어갭 배치 구조를 조사하였다. 에어갭 배치 구조에서 가열 시간이 약 60% 개선되었다. 또한 유입되는 열에너지에 의해 냉각 시간도 같은 정도로 줄어들었다. 

금형 플레이트 뒷면에서 캐비티 영역을 둘러싸는 갭을 통해 열을 캐비티 방향으로 유도하여 인덕터 자기장 내에 있는 모든 금형이 가열한다. 또한 공급 라인 등 인덕터 주변을 가열에서 배제하기 위해 강자성 물질로 와전류 유입을 줄이거나 유입될 수 없도록 인덕터와 강자성 물질 사이의 거리를 넓힌다. 금형 플레이트의 인덕터 공급 라인을 둘러싼 가장자리 영역에는 구멍 직경을 확대하는 방법으로 인덕터와 강자성 물질 사이의 거리를 넓힐 수 있다. 하지만 구멍은 위치와 강도 때문에 무한정 크게 할 수 없기 때문에 자기장 영역 내에 물질이 있고, 어느 정도 감소된다고 해도 가장자리 영역이 가열될 수는 있다.

와전류를 안내하기 위한 전도성 층

구리와 같이 전도성이 좋은 표면 코팅을 하면 와전류를 잡고 열을 원하는 영역으로 유도할 수 있다. 이때 금형 부품은 자기장 영역에 있지만 가열되지 않도록 코팅해야 한다. 이렇게 단락되는 와전류가 전도성이 우수한 물질로 유도되고 스킨 효과에 의해 이 층 내에서 축 방향으로 인덕터 쪽으로 손실 없이 안내된다. 이 표면 코팅은 적어도 스킨 깊이의 두께가 되어야 한다. 그렇지 않으면 유도되는 와전류의 일부가 물질 내에서 높은 옴 저항으로 흐르게 되고, 이는 재차 원하지 않는 영역을 가열할 수 있다. 가열하기를 원하는 지점에서 코팅이 끊어지면, 와전류가 옴 저항이 높은 물질을 통해 흘러들어 이 영역이 가열된다. 그림 2는 이러한 와전류 가이드에 대한 원칙적인 형상을 보여준다. 여기에서 와전류는 안쪽에 위치하는 작은 갭과 표면에 의해 단락될 때까지 코팅을 따라 안내된다. 코팅되지 않은 갭에서는 와전류가 옴 저항이 높은 물질을 통해 흐른다. 이때 갭 영역에서 높은 손실에 의해 가열된다. [1]   

그림 2: 전도성이 우수한 표면 코팅을 통한 와전류 안내 방식

실제 적용에서 이러한 금형 플레이트의 유도성 템퍼링 최적화는 그림 3에 묘사된 바와 같이 실현된다. 이 예시에서 가열을 원하지 않는 인덕터 근처의 모든 영역이 구리로 코팅된다. 구리 층은 가열되지 않을 인덕터 채널 부분과 플레이트 바깥 면을 포함하며, 와전류가 손실되지 않고 금형 플레이트 둘레를 흐를 수 있다. 또한 이미 언급한 바와 같이, 캐비티 영역의 뒷면은 에어 갭으로 둘러싸인다. 이 에어 갭은 열을 안내하고, 한편으로 구리층 중단에 이용되어, 와전류가 옴 저항이 높은 물질을 통해 단락되고 캐비티 영역을 추가로 가열한다.

그림 3: 1/4로 절단한 구멍이 있고 구리로 코팅된 캐비티 플레이트

의도적으로 캐비티에 에너지 공급하기

그림 3에 묘사된 금형 플레이트의 1/4 부분에 대한 시뮬레이션은 이러한 금형 형태가 지닌 장점을 확실하게 보여준다. 그림 4에서는 에어갭과 구리 층이 있는 배열(위)과 가장자리 영역에 큰 구멍이 있는 배열(아래)을 비교한다. 여기에서 큰 구멍에도 불구하고 공급 라인에서 캐비티 영역의 필요 없는 열이 발생한다는 것을 확인할 수 있다. 넓게 분산되는 이 열기로 인해 냉각 시에는 열을 냉각하는 동안 사이클 시간이 길어진다. 이와 반대로 그림 4 위쪽에서는 열이 중앙에만 집중되는 것을 볼 수 있다. 이는 원하지 않은 영역으로 에너지가 적게 유입되고 냉각 시에 먼 경로를 거쳐서 열을 제거하지 않아도 되어, 귀중한 사이클 타임을 절감할 수 있다.

그림 4는 에어 갭과 구리 코팅을 지닌 금형 플레이트와 공급 라인 영역에 확대된 구멍이 있는 금형 플레이트의 열 시뮬레이션

위의 두 컨셉트의 가운데 영역과 가장자리 영역에서 각각 온도 센서를 이용하여 상이한 온도 차이를 확인하였다. 가운데에 있는 센서는 온도가 거의 비슷하지만, 가장자리 영역에서는 서로 다르게 가열된다. 플레이트가 코팅되지 않은 경우, 온도가 가운데보다 낮기 때문이다. 그에 비해 플레이트가 코팅되어 경미하지만 온도가 주변보다 높다(그림 5).

그림 5: 센서들은 코팅 금형 플레이트와 미코팅 금형 플레이트에서 가운데 금형 부분과 측면 부분에 배치되었다.

이는 유도성 금형 템퍼링에 필요하다

사출 성형 금형의 효과적인 변온 템퍼링을 위해 전자기 유도와 같이 불필요한 영역이 가열되는 것을 의도적으로 배제하는 것이 중요하다. 가열해야 할 영역 둘레를 부품에 맞게 갭으로 열을 가하고 전도성이 우수한 표면 코팅을 이용하여 원하는 영역으로 와전류를 안내하여 유입된 에너지와 냉각 시간을 줄일 수 있다.

참고 문헌:

[1] DE102016102415A1: 플라스틱 공작물 제조 장치 및 제조법 (2017), Maucher, A., Retzbach, A., Schinköthe, W.