[사출금형 성형 기술 실무 6]  게이트 시스템이란 무엇인가?

[사출금형 성형 기술 실무 6] 게이트의 종류 /직접 게이트...사이드 타입 비표준

[사출금형 성형 기술 실무 6] 게이트의 종류 /표준(제한) 게이트
 

 

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.

게이트 시스템

1. 게이트의 기능
게이트는 러너와 캐비티를 연결하는 중간 매체이다. 그림 1에서와 같이 게이트는 캐비티에 용융수지를 충진하도록 안내하는 기능과 충진 완료 후 캐비티 내의 수지가 역류하는 것을 방지하는 기능을 가지고 있다. 

게이트는 게이트의 위치, 게이트의 수, 형상 치수는 성형품의 외관이나 성형 효율 및 치수 정밀도에 큰 영향을 준다. 따라서 게이트는 용융수지가 캐비티 안에서 흐르는 방향, 웰드라인(Weld Line)의 생성, 성형 후 게이트의 제거 등을 고려하여 결정해야 하며, 설계자가 어떤 결정을 하느냐에 따라 성형품의 품질에 결정적인 영향을 미치므로 각별한 검토와 지식이 필요한 부분이기도 한다.

전체적인 금형의 성형 시스템(구조)에 있어서 대체로 가장 얇은 부분이다. 크기와 위치는 여러 가지의 필요 사항들을 고려하여 정해지며, 게이트에 영향을 미치는 항목들은 그림 2와 같다. 이들은 게이트의 위치, 모양 그리고 크기를 정하는 요인으로 금형 설계 시 고려될 사항들이다.

이 글에서는 게이트의 일반적인 지식과 전산모사 사례를 소개하고, 실험계획법을 적용하여 최적 설계의 묘미를 소개하고자 한다. 다음은 게이트의 기능과 역할이다.

① 충진되는 용융수지의 흐름 방향과 유량을 간섭하고 성형품을 이젝팅시키기에 충분한 상태로 고화될 때까지 캐비티 안의 수지를 막아 러너로의 역류를 방지한다.

② 스프루, 러너를 통과한 냉각된 수지는 좁은 게이트를 통과하는 동안 유동 속도가 빨라져 마찰력이 발생되며, 이 열에 의해 수지 온도가 상승되어 플로마크(Flow Mark)나 웰드라인 생성을 예방하기도 한다.

③ 다수 캐비티나 다점 게이트의 경우 단면적의 크기를 변화시켜 캐비티로의 충진 밸런스를 맞출 수 있다.

④ 러너가 성형품에서 용이하게 절단되도록 한다.

그림 1. 게이트의 기능과 역할

그림 2. 게이트 위치, 모양, 크기를 결정하는 요인

2. 게이트의 위치
① 게이트는 성형품의 가장 두꺼운 부분에 설치하는 것이 이상적이다.

② 성형품의 외관 상 눈에 띄지 않는 곳, 게이트의 끝손질이 용이한 부분에 설치한다.

③ 웰드라인이 생기지 않는 곳에 설치한다.

④ 높은 사출압력에 견딜 수 있는 위치에 설치해야 하며, 가는 코어나 리브 핀이 설치된 인접 위치는 가능한 한 피한다.

⑤ 가스가 고이기 쉬운 반대편에 설치하고 게이트 반대편에는 에어벤트를 설치한다.

⑥ 휨 하중이나 충격 하중이 크게 작용하는 부분에는 게이트를 설치하지 않는다. 게이트 부근은 보압에 의해 잔류변형이나 응력이 발생되므로 휨이나 충격에 매우 약하다.

⑦ 성형품의 기능, 외관 품질을 손상시키지 않은 곳에 설치한다.

⑧ 인서트 등 기타의 장애물을 피할 수 있는 곳을 선택한다.

3. 게이트의 크기와 개수
① 충진 시간은 게이트가 클수록 유리하고, 게이트 부분의 수지 응고 시간은 게이트가 작을수록 유리하다. 게이트의 크기를 크게 하면 고속 성형이 가능해지고 물성, 외관 치수, 성형 사이클 등에서 고품질 성형품을 얻을 수 있지만, 게이트가 응고할 때까지 보압을 걸어 두어야 하므로 사이클 타임이 길어진다.

② 잔류응력에 의한 변형, 휨에 관해서는 게이트가 작은 쪽이 유리하다. 단, 게이트가 작으면 사출압력 저항이 커지고 무리하게 사출압력을 높이면 게이트부에 마찰열이 발생하여 제팅(Jetting) 현상이 발생할 수 있다.

③ 게이트 개수는 유동길이와 살두께와의 비(L/t)에 따라 일점 게이트로 할 것인지, 다점 게이트로 할 것인지 결정한다. 사출성형에서 변형, 뒤틀림, 불균일한 살두께, 기하학적으로 대칭성이 부족한 것 등의 관점에 볼 때 일점 게이트보다는 다점 게이트를 채택하는 것이 영향을 적게 할 수 있다. 다점 게이트인 경우에는 에어트랩과 웰드라인의 원인을 제공할 수 있어 면밀한 검토가 선행돼야 한다.  

④ 게이트의 제거 및 끝손질 작업을 고려하면 게이트는 작은 쪽이 유리하고 대부분 게이트 개수도 적을수록 좋다. 단, 게이트 크기와 개수를 결정하기 위해서는 전산모사를 통해 유동 특성을 분석하여 결정할 것을 권장하며 더 나아가 실험계획법을 통해 최적 게이트 크기를 정하는 것이 가장 좋은 방법이다.

이와 같이 게이트의 위치 및 크기는 매우 중요한 의미를 가지고 있으며, 또한 관련 요소가 많으므로 충분히 검토해 결정해야 한다.

4. 게이트 실
일반적으로 사출기 노즐을 지나는 용융수지는 게이트를 통과할 때 매우 빠른 속도로 유동하기 때문에 용융 온도를 잘 유지하고 있으나, 캐비티 내에 수지가 충전되어 유동이 멈추면 금형 표면에 열을 빼앗기며 서서히 냉각되기 시작하여 중심부까지 고화된다. 

이때 게이트는 캐비티보다 두께가 얇기 때문에 캐비티 부의 중심부가 응고되기 전에 게이트가 먼저 응고가 일어난다. 그림 3은 이 현상을 도식적으로 표현한 것으로 게이트 실(Gate Seal)이라고 한다. 

이것은 게이트의 중요한 역할로서 게이트부가 먼저 응고되면 성형기의 플런저 또는 스크루가 가하고 있는 성형압력은 게이트부에서 차단되어 캐비티에 영향을 미치지 않는다. 이로 인해 아직 굳지 않은 부분은 성형압력에서 벗어나 수축할 수 있으므로 응력이 없는 상태에서 굳어지기 때문에 균열, 스트레인, 휨 등의 결점을 방지할 수 있다.

한편으로 충분한 압력으로 충진되지 못한 성형품은 성형압력으로부터 영향을 받지 않은 관계로 원하지 않는 수축이 발생하여 뒤틀림이나 싱크마크가 발생하는 원인이 되기도 한다. 고품질 성형품을 생산하기 위해서는 게이트의 형상과 치수 결정은 매우 중요한 것이다.

그림 3. 게이트 실

박균명 _ 공학박사 / 금형기술사