사출 성형기의 사출 장치

사출장치는 성형품위 품질을 직접 좌우하는 것으로서 사출성형기에서 가장 중요한 부분이다. 사출장치로서 필요한 기능은 호퍼에서 공급되어진 재료를 가소화시키고 용융상태에서 금형에 송입시키는 것에 있지만 다음과 같은 능력을 지녀야한다.

 ▶ 계량할 것 : 각 쇼트마다 필요량을 안정하게 공급할 것,

 ▶ 재료를 가소화시켜, 용융(유동)상태로 만들 것 : 신속히, 균일하게 체류하지 않도록 엄격한 조건하에서 원료를 성형할 수 있는 점탄성과 온도로 용융할 것.

 ▶ 용융재료를 고압, 고속으로 금형내에 사출할 것.

이상과 같은 사출 기구는 플라스틱의 계량, 가소화, 사출 등의 방법에 따라 여러 종류로 분류되지만 가장 일반적으로 사용되는 스크류식 사출장치에 대해서만 설명한다.

 

1. 스크류식 사출장치

 

스크류식 사출장치의 구조

 

[ 스크류식 사출장치의 구조 ]

 

 스크류식 사출기구는 정확하게는 스크류 인라인 방식 또는 인라인 스크류(In line screw) 방식이라고 하는데 스크류 프리플라식의 경우에는 가소화용 스크류와 사출용스크류가 각각 별도로 설치되어 있지만 스크류식 사출기구는 스크류 한 개로 가소화 및 사출을 할 수있도록 고안된 것이다.

 그림에서와 같이 스크류는 가열실린더안에 설치되어 있고 가열실린더 외주에는 가열 히터가 부착되어 있으며 스크류 앞에는 노즐이 조립되어 있다. 여기서 중요한 것은 스크류의 역할 인데 스크류는 사출하기 위해 전진과 후진 동작이 필요하며 이동작을 위해 유압실린더가 있고 또한 재료 공급과 가소화를 위해 스크류의 회전 동작이 요구되는데 이를 위해 유압모터를 이용하여 회전수를 조정할 수 있게 되어 있다.

 

스크류식 사출기구에 의한 성형공정

 

 호퍼안의 플라스틱은 자중에의해 자동으로 가열 실린더 안으로 낙하하여 스크류 회전 이동 작용에 의해 스크류 홈을 따라 실린더 앞부분으로 보내진다. 이과정에서 플라스틱은 가열실린더 외주에 감겨져 있는 가열히터와 스크류의 회전작용으로 혼련되면서 발생하는 마찰열이 가해져 내부로부터 온도가 상승해 용융상태가 된다.

 가열실린더 앞부분에 요융재료가 채워지면 그재료의 반력(배압)에 의해 스크류는 후방으로 후퇴하는데 그 후퇴거리를 전기적으로 검출(근접스위치, 리미트스위치, 포텐숀 메타 등)하여, 스크류의 회전을 정지시키면 1 쇼트분의 용융플라스틱이 가열실린더 선단부에 축적이 된다. 계량된 플라스틱을 스크류 후부에 설치된 유압 실린더로 스크류를 전지시키고 노즐에서 금형의 내부로 사출한다. 사출할 때 계량 플라스틱 일부가 스크류의 홈을 통하여 역류하기 때문에 일반적으로 스크류의 선단부에는 역류 방지 밸브가 설치되어 있다.

사출할 때는 스크류가 전진해서 사출 플랜저의 역할을 하게 된다.

▶ 인라인 스크류식은 현재 가장 많이 일반적으로 사용되고 있는 사출기구로써 다음과 같은 이점을 가지고 있다.

   ① 스크류의 혼련 작용에 의해 재료가 내부에서도 발열 하므로 균일한 가소화를 할 수 있고 가소화 능력도 크다.

   ② 가열실린더내에서 압력손실이 작기 때문에 사출압력이 저하되는 것도 없다.

   ③ 가열실린더내에서 재료가 체류되지 않아 열안정성이 나쁜 재료도 분해되지 않는다.

   ④ 재료의 교체나 색체 교체가 용이하다.

   ⑤ 재료의 종류에 따라 드라이 칼라법에 의해 직접 착색이 가능하다

 

2. 스크류 디자인

 

 스크류의 구조는 호퍼부에서 볼 때 공급부(Feed Zone), 압축부(Compression Zone), 계량부(Metering Zone)의 3구간으로 나뉘어져 있다.

 

[ 스크류의 구조 ]

 

공급부(Feed Zone)

 

 공급부는 호퍼에서 떨어지는 성형재료를 가열하면서 앞쪽으로 이송되지만, 이 부분에서는 재료를 완전히 용융시키지 못하였기 때문에 부피의 팽창이 있어 스크류 홈의 깊이가 크게 되어 있다.

 

압축부(Compression Zone)

 

 압축부는 스크류 홈이 조금씩 얕아져 있어 재료는 밴드히터의 전열에 의해 가열됨과 동시에 앞으로 나아감에 따라 압축력을 받고, 그때 전단작용에의한 마찰열을 발생시켜 온도가 상승하여 재료가 용융된다.

 

계량부(Metering Zone) 

 

 계량부는 압축되어진 용융재료가 스크류의 회전에 의하여 충분히 혼련되어 균일하게 가소화한 후 선단부로 보내어 진다.

 

 위의 3구간 중에서 압축부가 가장 중요하며 그 길이는 수지의 종류에 따라 변화시킬 필요가 있습니다. rigid- PVC (경질염화비닐)과 같이 열안정성이 나쁜 수지의 경우 급격한 압축은 과열에 의한 열분해가 일어날 수 있기 때문에 압축을 완만하게 행하기 위해서 압축부분이 긴 것이 좋고, PA (나일론) 와 같은 용융온도에 달하면 급속하게 용융하는 수지는 압축이 급속하게 행해져야 하므로 압축부가 짧은 것이 좋다.

 

열가소성플라스틱용 스크류의 주요치수

 

스크류 직경 D (㎜)	공급부 홈깊이 hF (㎜)	계량부 홈깊이 hM (㎜)	압축비 (hF/hM)	스크류외경과 가열실린더 틈새 (㎜)	비 고
30 40 60 80 100 120 120이상	4.3 5.4 7.5 9.1 10.7 12 max.14	2.1 2.6 3.4 3.8 4.3 4.8 max.5.6	2:1 2.1:1 2.2:1 2.4:1 2.5:1 2.5:1 max.3:1	0.15 0.15 0.15 0.20 0.20 0.25 0.25	∙피치(P) = D에서 0.7D (통상 P와 D는 같게 함) ∙L/D = 18～20 ∙날폭(e) = 0.1D ∙사출스트로크 =4D ∙라운드R1, R2 = 1～10 (㎜)

 

스크류의 디자인에 따른 다른점

 

 스크류의 디자인(공급부, 압축부 및 계량부의 비율, 압축비, 스크류의 피치, 스크류홈의 깊이 등)에 따라 재료의 혼련상태 및 가소화능력이 매우 다르게 된다.

▶  스크류 길이 선정

  일반적으로 표준 스크류는 L/D(스크류의 길이와 스크류직경의 비를 나타냄)는 18～20 으로 선택한다.

[참고] L/D가 크고 공급부가 긴 스크류는 일반적으로 양호한 혼련상태의 용융재료를 얻을 수 있다. L/D의 비는 가소화 행정에 있어서 스크류의 후퇴에 따라 변화하므로 계량이 최대일 때도 충분한 가소화 상태를 얻을 수 있도록 되어 있다.

▶ 스크류 홈의 깊이

 스크류의 홈의 깊이( hM=계량부의 홈깊이, hF=공급부의 홈깊이 )도 스크류의 혼련 작 용과 가소화능력과의 관계가 깊다. 일반적으로 압축비라 함은 hF/hM을 가지고 말하 며 2～3으로 선택합니다. 이 압축비를 크게 하고 계량부의 홈깊이를 얕게하여 스크류의 회전에 의한 전단열을 충분하게 이용하여 재료를 단 시간 균일하게 가소화시킬 수 있지만 내열이 발생할 소지를 많이 갖고 있으므로 재료 선택이 중요하다. 

 

3. 스크류헤드

 

 스크류헤드는 스크류를 통해 전달된 수지를 다시 한 번 혼련, 용융시켜주는 역할을 한다. 이 스크류헤드는 수지에 따라 디자인이 틀려지는데 대표적으로 다음과 같은 종류가 사용되고 있다.

 

역류방지 밸브가 부착된 스크류헤드

 

 역류방지 밸브가 부착된 스크류헤드는 일반적으로 ABS, PP, PE등의 수지에 사용되는데 스크류가 용융재료를 사출할 때 재료의 일부가 스크류의 홈을 따라 뒤쪽으로 역류한다. 이 역류를 백 플로우(back flow)라고 하는데, 백 플로우가 일어나면 사출량이 감소할 뿐 아니라 금형 캐비티에 충분한 사출압을 가하지 못하게 된다. 특히 PA(나일론)와 같이 용융시 점도가 낮은 재료에서는 더욱 문제가 된다. 이 백 플로우를 방지하기 위해 역류방지 밸브가 부착된 스크류헤드를 사용하는 것이다.

 

[ 역류방지 밸브의 작동 ]

 

  ▶ 계량공정 중에는 첵크링과 시트 사이가 열려 스크류가 회전하면서 후진함에 따라 용융재료는 그 사이를 통하여 스크류 선단부로 보내어진다.

  ▶ 사출공정 중에는 용융재료의 반력에 의하여 첵크링은 뒤쪽으로 밀려 시트에 밀착하므로 용융재료의 역류를 방지한다. 가열실린더와 첵크링의 공차가 클 경우, 또한 가열실린더와 스크류 외경에서도 역류가 일어날 수 있다.

 

원형 및 나사형 스트레이트형 스크류헤드

 

[ 원형 및 나사형 스트레이트형 스크류헤드 ]

 

 스트레이트형 스크류헤드는 역류방지 밸브를 설치하지 않고 스크류헤드 선단부를 그림과 같이 만든 것이다. 이것들은 주로 rigid-PVC(경질염화비닐)와 같이 헤드부에 용융재료가 체류되어 열분해을 일으키기 쉬운 재료의 사출성형에 사용된다.

 

달포인트형 스크류헤드

 

[ 달포인트형 스크류헤드 ]

 

   달포인트형 스크류헤드는 투명성이 요구되는 PC(폴리카보네이트), PMMA(아트릴)등의 성형재료에 적용을 하는데 용융재료의 체류도 거의없고 색의 교체도 용이하다는 특징이 있지만 백 플로우 현상이 일어날 수 있다.

 

4. 가열실린더 (BARREL)

 

[ 가열 실린더 ]

 

 가열실린더는 사출장치의 모체가 되는 것으로서 그 내부에 스크류를 내장하고 이것을 지지함과 동시에 외주에 장착된 여러 개의 밴드히터에 의해 내부의 재료를 가열하는 부분이다.

 가열실린더의 밴드히터는 일반적으로 3～5zone(1zone=2～3의 히터로 구성)으로 나뉘어져 있는데 각 존은 열전대(썸머커플)에 의해 가열실린더 내의 재료를 각 종류에 적응하는 온도로 유지하도록 자동제어가 되어 있다. 또한 노즐부에도 밴드히터를 부착하여 사출 상태에 따라 노즐에서 사출되어지는 용융재료의 온도를 제어한다.

 그밖에 호퍼의 아래부분에서는 과도하게 재료온도가 상승하게 되면 호퍼공급부 외벽에 성형재료가 굳어져 버려 원활한 공급이 이루어지지 않으므로 그림과 같이 냉각수를 공급하여 적당한 온도로 유지되도록 제어한다.

 

5. 노 즐

 

 노즐은 가열실린더내의 용융재료를 금형 캐비티에 사출하기 위해 금형과 가열실린더와 의 접합부가 되는 곳으로서 사출되어진 용융재료의 온도를 제어하고 유동상태를 적당하게 유지함과 동시에 필요에 따라서 용융재료의 흐름을 차단 혹은 개방한다.

 

[ 노 즐 ]

 

오픈 노즐

 

 가장 일반적으로 사용되고 있는 노즐로서 용융재료의 흐름을 강제적으로 제어하는 장치를 갖고 있지 않다. 하지만 재료의 체류부분도 없고 색깔의 교체도 용이한 것이 장점이다. 오픈 노즐을 사용하는 경우에는 흘림방지 장치(석백, Suck Back)를 사용하여 노즐에서의 수지 누출을 방지해야 한다.

 

※ 흘림방지장치(석백, Suck Back)란?

 계량을 하면 스크류 선단부로 용융수지가 저장되어지는데 이때 노즐을 통하여 수지가 누출이 됩니다. 이것을 방지하기 위해 스크류를 약간 강제후퇴시켜 수지의 누출을 방지한다. 이와같은 장치를 흘림방지장치 또는 석백 장치라고 한다. 다만 석백 양을 너무 많이 하면 용융재료에 공기가 들어가게 되므로 성형불량품을 발생시키는 원인이 될 수 있으므로 주의해야 한다. 방법은 2가지가 있는데 다음과 같다.

- 계량 후 흘림방지.

- 계량 전 흘림방지.

일반적으로 계량 후 흘림방지를 사용하고 있다.

 

셧오프식 노즐 (니들밸브 노즐)

 

 셧오프 노즐은 노즐의 안에 있는 핀 형상의 밸브본체(니들)를 스프링 또는 유압실린 더에 의해 조작시켜 노즐구멍을 강제적으로 개폐하는 장치이다. 이런 타입의 노즐에서는 재료의 가소화, 계량 중 또는 계량 후의 사출대기시에 스프링의 힘이나 유압실린더에 의해 니들이 노즐구멍을 강제로 막아 수지누설과 늘어짐을 방지한다.

셧 오프식 노즐의 종류는 아래 그림과 같은 종류가 있습니다.

 

사출금형 구조

금형 구조 정리