편집: 코어테크시스템 기술지원부　주임 엔지니어　린저핑(林哲平)

개요

SUNON은 Moldex3D의 고급 핫 러너 모듈로 핫 러너 내부의 온도 변화를 심도 있게 연구하고, 핫 러너 내부에서 성형 효율에 영향을 주는 부분을 파악하여 핫 러너를 개선 및 최적화했습니다.

기존의 핫 러너에서는 온도 불충분 현상 때문에 플라스틱의 온도가 지나치게 내려가 유동 저항이 생기는 등 사출에 영향을 주어 불안정해졌습니다. 낮은 온도 문제를 해결하기 위해 유로 사이즈와 코일 설계를 변경하여 핫 러너 내부의 콜드 슬러그 현상을 개선하고 제품 생산의 안정성과 효율성을 높였습니다.

도전과제

• 과도한 시스템 압력 손실 문제
• 생산 효율 향상

솔루션

기존 설계로는 충진 초기 시 핫 러너 내부의 플라스틱 온도가 비교적 낮게 나왔습니다. 낮은 온도의 플라스틱이 밸브 게이트를 통과하면 사출에 영향을 주어 막힐 수도 있습니다. 설계 최적화 후 핫 러너의 유로 사이즈 및 코일 설계를 변경하여 사출의 높은 안정성과 낮은 압력 손실을 검증했고, 설계 변경을 통해 핫 러너의 온도 저하 문제를 효과적으로 개선하고, 안정성과 전반적인 성형 효과가 향상되었음을 증명했습니다.

효과

• 과도한 시스템 압력 손실 문제 개선
• 콜드 슬러그 위치를 찾아, 설계 변경하여 최적화
• 실제 가공 및 테스트 비용 절감
• 최소한의 설계 변경으로 최상의 효과 획득
• 사출 안정성 향상

연구 사례

SUNON은 몰드 실험 시 기계의 피드백 곡선을 통해 사출 압력이 과도하게 높고 불안정하여 매번 사출 압력의 변화가 크다는 것을 발견했습니다. SUNON은 업체에서 제공한 데이터로 Moldex3D의 고급 핫 러너 분석을 진행했으며, 이를 통해 핫 러너의 문제점도 찾고 최적화하길 원했습니다.

플라스틱 유동선단 온도 분석을 통해 핫 러너 시스템의 일부 영역에서 유동선단 온도가 비교적 낮고, 온도 필드에서 비정상적인 상태(시간: EOF)가 나타났음을 알 수 있었습니다. 그림 1을 보면 핫 러너 내부에서 화살표로 표시된 부분의 플라스틱 유동선단 온도가 지나치게 낮은 경향이 나타났고(그림 1a), 핫 러너 외부에서도 같은 경향을 확인할 수 있습니다(그림 1b).

그림 1　플라스틱 유동선단 온도 분석: (a)핫 러너 내부, (b)핫 러너 외부(시간: EOF)

핫 러너에서 발생하는 부분적 저온 현상과 그 위치를 확인한 뒤, 이러한 현상이 나타나는 원인을 더 잘 파악하기 위해 SONON은 각 충진 단계에서의 온도 변화를 분석했고, 결과는 그림 2와 같이 나타났습니다. 충진 초기(0.078초) 핫 러너 내부에서 화살표로 표시한 부분의 온도가 지나치게 낮았고, 0.156초에 이르면 고속 사출로 절단열이 발생해 콜드 슬러그가 감소했으며, VP까지 충진했을 때 온도가 비교적 낮은 경향이 거의 나타나지 않았습니다.

그림 2　충진 단계별 유동선단 온도 분석: (a) 0.078초, (b) 0.156초, (c) 0.231초, (d) 0.329초(VP)

각 단계의 선단 온도 변화를 더 자세히 관찰하면 그림 3과 같은 결과가 나타납니다. EOF 시, 유로의 콜드 슬러그는 모서리에서만 나타났으나, EOC가 되면 여러 곳에서 콜드 슬러그가 나타나기 시작했습니다. 그리고 몰드 오픈 단계가 되면 플라스틱의 저온 현상이 가중됐습니다. 이와 같은 상황은 핫 러너 단면 온도 결과에서도 확인할  수 있는데(그림 4), 이로 인해 사출 압력이 과도하게 높고 불안정하게 됩니다.

그림 3　단계별 유동선단 온도 분석: (a) EOF, (b) EOP, (c) EOC, (d) 몰드 오픈

그림 4　단계별 핫 러너 단면 온도 분석: (a) EOF, (b) EOP, (c) EOC, (d)몰드 오픈

위의 분석 결과에 따라 SONON은 핫 러너 플레이트, 가열 코일 및 유로의 모서리 등 그림 5와 같이 핫 러너의 일부를 최적화했습니다. 설계 최적화 후 분석 결과를 보면 그림 6과 같이 핫 러너 내부에서 화살표로 표시한 위치에서는 온도가 과도하게 낮아지는 현상이 사라졌고, 핫 러너 외부에서도 동일한 결과가 나타났습니다.

그림 5　핫 러너의 기존 설계와 변경된 설계 비교

그림 6　최적화 이후의 플라스틱 유동선단 온도 분석: (a) 핫 러너 내부，(b) 핫 러너 외부 (시간: EOF)

실제 몰드 실험 결과는 그림 7, 8과 같습니다. SONON이 핫 러너의 일부를 최적화한 뒤로는 제품 사출 시 비정상적으로 압력이 과도하게 높았던 현상이 개선되었음을 확인할 수 있습니다.

그림 7　현장 압력 응답도 비교(핫 러너 및 노즐 손상 압력)

그림 8　현장 압력 응답도 비교(제품 사출)

결과

SONON은 Moldex3D 고급 핫 러너 모듈 분석을 통해 콜드 슬러그의 위치를 발견했고, 사출 시 불안정함과 압력 이상을 야기하는 원인을 파악할 수 있었습니다. 소프트웨어로 콜드 슬러그의 위치를 분석한 뒤 유로 설계 및 핫 러너 가열 시스템 설계를 최적화했습니다. 그 결과, 최적화 후 핫 러너의 압력은 50%까지 낮아졌고, 안정성이 제고되었습니다. 이를 통해 유로 온도 분포를 개선하면 성형 효율을 효과적으로 높일 수 있음을 증명했습니다. Moldex3D의 온도 분석은 보이지 않는 실제 내부 상황에 부합합니다. Moldex3D를 이용하면 유로를 설계하지 않는 제조업체도 핫 러너 설계 개념을 갖고 이에 참여할 수 있으며, 몰드와 제품의 생산 능력을 높일 수 있습니다.