러너 시스템 설계 시 주의해야 할 점 5가지

사출 성형에서 제품의 품질과 생산성을 좌우하는 중요한 요소 중 하나가 바로 러너 시스템입니다. 러너 시스템은 플라스틱 용융체가 금형 캐비티까지 원활하게 이동하도록 연결하는 통로이자, 불필요한 부분을 제거하여 최종 제품을 얻는 데 필수적인 역할을 합니다.

하지만 러너 시스템 설계는 단순히 연결만 하는 것이 아니라, 제품의 특성, 생산 환경, 비용 등 다양한 요소를 고려해야 하는 복잡한 과정입니다.

이번 글에서는 러너 시스템 설계 시 주의해야 할 5가지 중요한 점을 자세히 알아보고, 성공적인 사출 성형을 위한 최적의 러너 시스템 설계 방법을 알아보고자 합니다.

 

 

러너 시스템 설계 시 주의해야 할 점 5가지

1. 제품 형상과 재료 특성 고려

러너 시스템 설계에서 제품 형상과 재료 특성은 매우 중요한 변수입니다. 이 두 가지 요소에 따라 러너의 형상, 크기, 위치 등이 결정되며, 최종적으로 제품의 품질에 직접적인 영향을 미치기 때문입니다.

1-1. 제품 형상

• 복잡한 형상: 얇고 복잡한 형상의 제품은 용융 수지가 흐르는 데 제약이 많습니다. 따라서 짧고 굵은 러너를 사용하여 충분한 용융 수지를 공급해야 합니다. 또한, 게이트 위치를 신중하게 선정하여 짧은 유동 경로를 확보해야 합니다.
• 단순한 형상: 두껍고 단순한 형상의 제품은 긴 러너를 사용하여 압력 손실을 최소화할 수 있습니다. 긴 러너는 용융 수지의 온도 감소를 야기할 수 있으므로, 핫 러너 시스템을 사용하거나 냉각 조건을 조절하여 이를 방지해야 합니다.
• 벽 두께 변화: 제품의 벽 두께가 급격하게 변하는 부분은 용융 수지의 충전이 불균일하게 발생할 수 있습니다. 이러한 경우, 보조 게이트를 추가하거나 러너의 단면 형상을 조절하여 균일한 충전을 유도해야 합니다.
• 언더컷: 제품에 언더컷이 존재하는 경우, 코어 풀 또는 슬라이더 등의 기구를 사용하여 제품을 탈형해야 합니다. 이러한 경우, 러너 시스템 설계 시 코어 풀의 이동 경로를 고려해야 합니다.

1-2. 재료 특성

• 점도: 점도가 높은 수지는 유동성이 낮아 러너의 단면적을 크게 하거나 압력을 높여야 합니다. 반대로, 점도가 낮은 수지는 얇은 러너를 사용할 수 있지만, 짧은 유동 경로를 확보해야 합니다.
• 수축률: 수축률이 큰 수지는 냉각 시 수축량이 많으므로, 게이트 위치를 신중하게 선정하여 변형을 최소화해야 합니다.
• 유동성: 유동성이 좋은 수지는 긴 러너를 사용할 수 있지만, 표면 품질 저하를 유발할 수 있으므로 주의해야 합니다.
• 열 안정성: 열에 약한 수지는 고온의 용융 수지가 러너를 통해 장시간 이동하는 것을 방지하기 위해 짧은 러너를 사용해야 합니다.

1-3. 기타 고려 사항

• 생산량: 대량 생산의 경우, 생산성을 높이기 위해 멀티 캐비티 금형을 사용하는 경우가 많습니다. 이 경우, 각 캐비티에 균일하게 용융 수지를 공급하기 위한 밸런싱이 매우 중요합니다.
• 제품 품질: 제품의 표면 품질, 치수 정밀도, 강도 등을 고려하여 러너 시스템을 설계해야 합니다.
• 비용: 러너는 생산 후 제품에서 분리되어 버려지는 부분이므로, 러너의 중량을 줄여 재료비를 절감하는 것이 중요합니다.
• 사출 성형 기계: 사출 성형 기계의 사출 압력, 사출 속도 등의 사양을 고려하여 러너 시스템을 설계해야 합니다.

 

2. 게이트 위치와 형상 최적화

게이트는 러너 시스템과 캐비티를 연결하는 통로로, 용융된 수지가 캐비티 내부로 유입되는 관문입니다. 게이트의 위치와 형상은 제품의 품질에 직접적인 영향을 미치므로, 신중하게 설계해야 합니다.

2-1. 게이트 위치의 중요성

• 수축 및 변형: 게이트 위치에 따라 제품의 수축 및 변형 정도가 달라집니다. 일반적으로 게이트는 제품의 두꺼운 부분이나 응력이 집중되지 않는 부분에 위치시켜 수축 및 변형을 최소화합니다.
• 잔류 응력: 게이트에서 발생하는 급격한 냉각은 잔류 응력을 유발할 수 있습니다. 따라서 게이트를 제품의 중심이나 두꺼운 부분에 위치시켜 잔류 응력을 분산시켜야 합니다.
• 충전 시간: 게이트 위치는 용융 수지가 캐비티를 채우는 시간에 영향을 미칩니다. 게이트에서 가장 먼 곳에 위치한 부분까지 용융 수지가 빠르게 충전되도록 게이트 위치를 선정해야 합니다.
• 표면 품질: 게이트 자국은 제품의 표면 품질을 저하시킬 수 있습니다. 따라서 게이트 자국이 눈에 띄지 않는 부분에 게이트를 위치시키거나, 게이트 자국을 제거할 수 있는 후가공 공정을 적용해야 합니다.

2-2. 게이트 형상의 중요성

• 충전 속도: 게이트의 형상은 용융 수지의 충전 속도에 영향을 미칩니다. 넓은 단면적의 게이트는 빠른 충전을 가능하게 하지만, 짧은 유동 경로를 확보하기 어렵습니다.
• 수축: 게이트 형상은 제품의 수축에 영향을 미칩니다. 둥근 형상의 게이트는 수축을 완화시키는 효과가 있습니다.
• 잔류 응력: 게이트 형상은 잔류 응력 발생에 영향을 미칩니다. 급격한 단면 변화는 잔류 응력을 유발할 수 있으므로, 부드러운 곡선 형상의 게이트를 사용하는 것이 좋습니다.
• 게이트 자국: 게이트 형상은 게이트 자국의 크기와 형태에 영향을 미칩니다. 얇고 긴 형상의 게이트는 게이트 자국을 최소화할 수 있습니다.

2-3. 주요 게이트 형상

• 팬 게이트: 가장 일반적인 형태의 게이트로, 넓은 면적을 통해 용융 수지를 빠르게 충전할 수 있습니다.
• 서브 게이트: 팬 게이트의 단점을 보완하기 위해 개발된 형태로, 여러 개의 작은 게이트를 사용하여 균일한 충전을 유도합니다.
• 다면체 게이트: 다양한 형상의 게이트로, 제품의 형상에 맞춰 최적의 게이트 형상을 선택할 수 있습니다.
• 핀 게이트: 핀 형태의 게이트로, 작은 제품이나 얇은 벽 두께의 제품에 적합합니다.

2-4. 게이트 위치 및 형상 최적화 방법

• 시뮬레이션: CAE 소프트웨어를 이용하여 다양한 게이트 위치와 형상을 시뮬레이션하고, 최적의 조건을 찾습니다.
• 실험: 실제 사출 성형을 통해 다양한 조건을 비교하고, 최적의 조건을 도출합니다.
• 경험: 다양한 제품의 사출 성형 경험을 바탕으로 최적의 게이트 위치와 형상을 선정합니다.

 

3. 밸런싱 (Balancing) 고려

밸런싱은 사출 성형 공정에서 매우 중요한 요소로, 금형 캐비티에 용융 수지가 균일하게 채워지도록 하는 것을 의미합니다. 불균일한 밸런싱은 제품의 수축, 변형, 잔류 응력을 유발하여 품질 저하를 초래할 수 있습니다.

3-1. 밸런싱의 중요성

• 균일한 충전: 모든 캐비티에 용융 수지가 동일한 속도와 양으로 충전되어야 제품의 품질이 균일하게 유지됩니다.
• 수축: 불균일한 충전은 부분적인 수축을 야기하여 제품의 변형을 초래할 수 있습니다.
• 잔류 응력: 불균일한 냉각은 잔류 응력을 발생시켜 제품의 강도를 저하시키고, 크랙 발생의 원인이 될 수 있습니다.
• 표면 품질: 불균일한 충전은 표면 품질 저하를 유발할 수 있습니다.

3-2. 밸런싱 불량의 원인

• 러너 길이 불균형: 각 캐비티로 연결되는 러너의 길이가 다르면 용융 수지의 유동 저항이 달라져 불균일한 충전이 발생합니다.
• 게이트 위치 및 크기 불균형: 각 캐비티의 게이트 위치와 크기가 다르면 용융 수지의 유입량이 달라져 불균일한 충전이 발생합니다.
• 캐비티 용적 불균형: 각 캐비티의 용적이 다르면 필요한 용융 수지의 양이 달라져 불균일한 충전이 발생합니다.
• 압력 손실: 러너를 통과하면서 압력 손실이 발생하는데, 압력 손실이 큰 부분은 용융 수지의 유입이 지연될 수 있습니다.

3-3. 밸런싱 개선 방법

• 러너 길이 조절: 각 캐비티로 연결되는 러너의 길이를 조절하여 유동 저항을 균일하게 합니다.
• 게이트 위치 및 크기 조절: 각 캐비티의 게이트 위치와 크기를 조절하여 용융 수지의 유입량을 균일하게 합니다.
• 밸런스 핀: 러너에 밸런스 핀을 설치하여 용융 수지의 유동을 조절합니다.
• 핫 러너 시스템: 핫 러너 시스템을 사용하면 각 게이트에 일정한 온도와 압력을 유지하여 밸런싱을 개선할 수 있습니다.
• 시뮬레이션: CAE 소프트웨어를 이용하여 밸런싱을 시뮬레이션하고, 최적의 조건을 찾습니다.

3-4. 밸런싱 시 고려 사항

• 제품 형상: 복잡한 형상의 제품은 밸런싱이 더욱 어렵습니다.
• 재료 특성: 점도가 높은 수지는 유동성이 낮아 밸런싱이 어렵습니다.
• 생산량: 대량 생산의 경우, 생산성을 높이기 위해 멀티 캐비티 금형을 사용하는 경우가 많습니다. 이 경우, 각 캐비티에 균일하게 용융 수지를 공급하기 위한 밸런싱이 매우 중요합니다.

 

4. 냉각 시스템과의 연계

러너 시스템은 단순히 용융된 수지를 캐비티로 이동시키는 통로를 넘어, 냉각 시스템과 밀접하게 연관되어 제품의 품질에 큰 영향을 미칩니다. 냉각 시스템과 러너 시스템의 상호 작용은 제품의 수축률, 변형, 잔류 응력 등에 직접적인 영향을 미치므로, 이 두 시스템을 효과적으로 연계하는 것이 매우 중요합니다.

4-1. 냉각 시스템과 러너 시스템의 연계

• 냉각 채널: 금형 내부에는 냉각수가 순환하는 냉각 채널이 존재하며, 이 냉각 채널은 러너 주변에 배치됩니다. 냉각 채널의 위치와 형상은 러너의 냉각 속도에 영향을 미치므로, 제품의 특성에 맞게 설계해야 합니다.
• 냉각 온도: 냉각수의 온도는 제품의 냉각 속도를 조절하는 중요한 요소입니다. 낮은 온도의 냉각수는 냉각 속도를 빠르게 하지만, 제품에 열 변형을 발생시킬 수 있습니다. 반대로, 높은 온도의 냉각수는 냉각 속도를 늦추지만, 잔류 응력을 감소시킬 수 있습니다.
• 냉각 시간: 냉각 시간은 제품의 물성에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 냉각 시간이 너무 짧으면 제품 내부에 잔류 응력이 발생할 수 있으며, 너무 길면 생산성이 저하됩니다.

4-2. 냉각 시스템과 러너 시스템의 연계 시 고려 사항

• 제품 두께: 제품이 두꺼울수록 냉각 시간이 길어지므로, 냉각 채널을 충분히 확보해야 합니다.
• 재료 특성: 열전도율이 낮은 재료는 냉각 시간이 오래 걸리므로, 냉각 채널을 제품에 가깝게 배치해야 합니다.
• 형상 복잡성: 형상이 복잡한 제품은 냉각이 불균일하게 발생할 수 있으므로, 냉각 채널의 배치를 신중하게 설계해야 합니다.
• 생산성: 짧은 냉각 시간은 생산성 향상에 기여하지만, 제품의 품질 저하를 유발할 수 있습니다.

4-3. 냉각 시스템과 러너 시스템의 최적화

• CAE 시뮬레이션: 냉각 시뮬레이션을 통해 냉각 채널의 위치와 형상, 냉각 온도, 냉각 시간 등을 최적화할 수 있습니다.
• 실험: 실제 사출 성형을 통해 다양한 냉각 조건을 비교하고, 최적의 조건을 도출합니다.
• 경험: 다양한 제품의 사출 성형 경험을 바탕으로 최적의 냉각 조건을 선정합니다.

 

5. 비용 최적화

러너 시스템 설계 시 비용적인 측면도 고려해야 합니다. 러너는 생산 후 제품에서 분리되어 버려지는 부분이므로, 러너의 중량을 줄여 재료비를 절감하는 것이 중요합니다. 또한, 러너 시스템의 복잡성을 줄여 금형 제작 비용을 절감하고, 생산 효율을 높일 수 있습니다.

 

결론

러너 시스템 설계는 사출 성형 공정에서 매우 중요한 단계입니다.

제품의 형상, 재료, 생산 환경 등 다양한 요소를 종합적으로 고려하여 최적의 러너 시스템을 설계해야 합니다.

위에서 제시된 5가지 주의 사항을 바탕으로 체계적인 설계를 수행한다면, 제품의 품질을 향상시키고 생산 비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있을 것입니다.

 

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