고분자나노융합소재가공기술센터
Center for Nano-Structured
Polymer Processing Technology

[사출] 금형식 슬릿점도계 개발

사출성형기술이 발전함에 따라 정밀도와 생산성 향상을 위해 사출성형 CAE 의 이용이 확대되어 간다. 그런데 사출성형 CAE의 사용에는 필요한 자료가 정확하게 공급되어야 한다. 그 중에서도 수지의 물성자료는 그 중요도가 매우 높다. 이처럼 중요한 물성자료를 직접 측정하고자 한다면 그 비용이 너무 높아 많은 업체에서는 상업적인 CAE 프로그램에서 주어지는 물성 데이터베이스를 참조하고 있으나, 나날이 새롭게 만들어지는 수지에 대한 물성은 결국 사용자가 직접 측정하여야 한다. 여러 가지 물성자료 중에서도 유변학적 물성자료인 점도는 실제적인 사출성형 공정에 영향을 크게 주는 자료이다.

사출성형에 사용되는 수지의 점도는 일반적으로 모세관 점도계를 사용하여 왔다. 모세관 점도계에서 측정되는 전단율의 범위가 실제 사출성형이 진행되는 전단율 범위와 유사하고 흐름의 유형이 Poiseuille 흐름으로 동일하기 때문이다. 일반적인 용도의 점도 측정에는 모세관 점도계의 적용이 문제가 될 것이 없지만, 새로운 복합소재인 Long Fiber Thermoplastic (LFT) Composites의 점도는 모세관 점도계로 측정이 불가능하다. 모세관 크기에 비해 매우 긴 파이어가 모세관으로 유입되지 못하고 입구에서 변형되고 적층되어 모세관을 막아 버리기 때문이다. 또한 제품의 살두께가 얇아짐에 따라 사출압력이 매우 높은 수준으로 올라가는 일이 빈번하게 발생하는데 이에 대한 해석을 위해서는 높은 압력에서 증가하는 점도의 압력효과를 측정해야 한다. 그리고 모세관 점도계 측정 필요한 보정작업의 하나인 입출구 압력손실 보정 (Begley’s correction)을 하려면 모세관을 길이를 변경하면서 측정함으로써 실험횟수가 증가하고 점도의 압력 효과 때문에 정확한 입출구 압력손실을 구하기 어려워지는 문제점이 있다. 이 같은 문제점을 개선하고자 슬릿점도계를 개발하여 활용하는 사례가 많았다.

슬릿점도계의 장점은 유로 중간에 압력계를 설치하여 입출구 압력손실 보정을 할 필요가 없다는 점이다. 본 연구에서는 슬릿점도계의 수지 공급장치를 사출성형기의 배럴을 이용하도록 금형방식으로 설계, 제작하였다. 금형방식의 슬릿점도계를 개발함으로써 입출구 압력손실 보정이 필요 없을 뿐만 아니라 크게 증가된 수지량으로 인해 고전단율 점도 측정의 안정성을 높이며, 특히 복합소재의 종류와 조성에 상관 없이 실제적으로 가공되는 상태 그대로 점도를 측정할 수 있는 장점이 있다. 또한 배출구에 넉넉한 공간으로 인해 출구압력 조절장치를 설치함으로써 점도의 압력효과를 손쉽게 측정할 수 있게 되었다. 본 금형방식 슬릿점도계는 금형 크기만 수용된다면 다양한 사출성형기에 장착하여 사용할 수 있다.

[그림 1] 모세관 점도계를 이용한 LFT 복합소재 점도 측정의 문제점과 수동식 출구압력 조절장치
기존에는 모세관 점도계 혹은 슬릿점도계 배출구에 수동으로 조절하는 압력 조절 밸브를 이용하여 출구압력을 조절하면서 측정하였다. 그림 1에는 모세관 점도계를 이용하여 LFT 복합소재 점도를 측정할 때 발생하는 문제점과 기존의 수동식 출구압력 조절장치를 보여준다. 본 연구에서 개발한 금형방식 슬릿점도계는 일반 금형과 같이 사출성형기 형판에 장착할 수 있으며 유로에 총 3개의 압력센서가 설치되어 있고 2개의 온도센서가 유로에 설치된다. 그리고 유입되는 수지의 온도 변화를 감시하기 위해 스프루에 별도의 온도센서가 설치되었다. 스프루 온도 센서는 용융수지에 충분히 잠겨서 수지의 온도 변화를 매우 민감하게 측정할 수 있다. 그림 2에서는 개발된 금형방식 슬릿점도계의 사진과 유로 그리고 측정된 ABS 수지의 점도를 기존 자료와 비교한 결과가 나타난다.
[그림 2] 개발된 금형방식 슬릿점도계와 기존자료와 비교한 ABS의 점도 측정결과
배럴의 가소화 조건에 따른 점도 영향, 그리고 노즐과 스프루 크기에 따른 전단가열 영향 등 측정 정밀도에 영향을 줄 수 있는 요소들을 면밀하게 분석하였으며, 길이가 11 mm인 LFT 복합소재의 점도를 매우 안정적이고 정밀하게 측정할 수 있었다. 또한 내부 유로는 온도 변화를 최소화하기 위해 금형 외부 몸체와 단열층을 두도록 설계하였고 유로의 두께는 총 3가지(1.0, 1.5, 2.0 mm)로 설계 제작되었다. 그림 3에는 두께가 다른 채널 블록의 사진과 LFT 복합소재의 점도 측정 결과를 보여준다. 점도 측정 오차가 매우 적고 안정적인 결과를 얻을 수 있었다.
[그림 3] 자동차 범퍼 금형에 사용되는 줄냉각관과 배플냉각관을 혼합한 냉각회로
점도의 압력 효과를 측정하기 위해 출구압력 조절장치는 기존의 수동식이 아닌 자동식으로 설계 제작하였다. 유압으로 조절되는 방식으로서 출구압력을 설정하면 매우 빠르게 원하는 압력을 자동적으로 만들어낼 수 있도록 하였다. 유압실린더는 유로의 높은 온도의 영향을 받지 않도록 거리를 두고 압력을 전달하는 피스톤이 직접적인 수지 압력을 받도록 하였다. 그림4에는 출구압력 조절장치의 그림과 실제 출구압력을 설정하였을 때 유로 내의 압력이 얼마나 신속하게 변화하여 안정되는지를 보여주는 그래프가 있다.
[그림 4] 유압식 출구압력 조절장치와 설정 압력에 따른 신속한 유로 압력 변화와 안정성
유압식 출구압력 조절장치를 이용하여 측정한 점도의 압력효과는 매우 정확하고 무엇보다 수동식 조절장치를 사용하는 것에 비해 실험횟수가 획기적으로 감소되었다. 전단율 변화에 따른 압력효과는 전단율 변화에 따라 변화하는 특성을 가지므로 압력계수를 안정적으로 구하기 어려웠기 때문에 전단응력 변화에 따른 압력효과를 구했다. 전단응력에 따른 압력계수는 열역학적인 물성으로서 물성의 기본적인 의미에 보다 적합하다. 그림 5에는 전단율과 전단응력에 따른 압력계수를 보여주며 기존의 발표된 연구 결과와 비교 분석한 결과도 보여준다.
[그림 5] 전단율, 전단응력에 따른 압력계수와 기존에 발표된 연구결과와의 비교
[관련 논문] 한은수, 김진수, 김봉주, 이병옥, “Examination of the melt temperature stability of the mold-type slit rheometer affected by plastcizing conditions and the shear heating in the nozzle and sprue”, Korean-Australia Rheology Journal, Vol.33, No.2, pp.151-162, 2021