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[사출] HRS SVG Auto-triggering 시스템 개발

평판 TV 백커버, 대형 가전제품 외관, 자동차 범퍼와 대시보드 등 대형 사출성형품을 사출성형 할 때 일반적으로 핫러너 시스템 (HRS: Hot Runner System)을 사용한다. 핫러너 시스템이란 사출성형품이 금형 내부에서 고화되어 취출될 때 러너는 고화되지 않고 금형에 남아 있으며 고화된 성형품 만 취출되도록 한 시스템이다. 가열상태로 유동 상태를 유지하고 있는 러너에서 성형품으로 연결되는 핫드롭 혹은 핫게이트는 개방식과 폐쇄식이 있다. 개방식 게이트는 충전 과정 중 항상 열려 있고 모든 게이트로 수지가 사출된다. 대형 성형품을 사출할 때 하나의 게이트에서 제공하는 유동거리로는 전체 성형품을 충전할 수 없기 때문에 다수의 게이트를 설치하게 된다. 대형 성형품에서 개방식 게이트를 사용하는 경우 서로 다른 게이트에서 들어온 수지가 만나는 곳에 웰드라인이 형성되어 표면 불량을 발생한다. 따라서 일반적으로 대형 성형품에는 폐쇄식 밸브 게이트를 적용하고 있다.

게이트를 통과한 수지가 적정 유동거리를 충전하고 나면 그 다음 게이트가 순차적으로 개방되도록 한 시스템이 순차 밸브 게이트 (SVG: Sequential Valve Gate) 시스템이라고 한다. SVG 시스템은 국내에서도 대형 사출성형품 제조에 널리 사용되고 있다. 그림 1은 SVG시스템의 활용에 대해 보여준다. 이 시스템에 중요한 제어장치가 각 밸브 게이트의 개방과 폐쇄 시점을 제어하는 SVG 시점 제어기이다. 일반적으로 가장 널리 사용되는 시점 제어기로는 타이머 방식의 제어기가 사용되고 있는데 이는 모든 시점을 작업자가 입력하여 맞추어 주어야 한다. 그러나, 시사출이나 생산 도중에도 다양한 이유로 공정변수를 변경하는 일이 발생한다. 공정변수의 변경은 밸브 시점에도 영향을 주어 이를 공정변수 변경에 알맞도록 변경해주어야 하지만, 작업자가 공정변수 변경에 다른 밸브 시점의 영향을 즉각적으로 파악하기 어려워 수많은 시행착오를 거쳐 설정을 한다. 이런 수작업에 의한 설정은 각 공정상황의 균일성을 저해하고 성형품 품질에도 큰 영향을 주게 된다.

[그림 1] 대형 사출성형품에 사용되는 순차 밸브 게이트 시스템과 시뮬레이션 결과
본 연구는 이와 같은 문제를 인식하고 이를 개선하고자 하는 업체와의 산학협력으로 진행되었다. 개발 기간은 총 3년이 소요되었으며 현재 상업화 과정을 거쳐 실제 현장에서 활용되고 있다. 본 시스템은 단순히 SVG Timing Controller 로서의 기능과 함께 현재 강하게 진행 중인 4차 산업혁명을 위한 제조산업 혁신의 가장 Low level 의 현장 생산자료를 자동으로 획득하는 기능도 고려되어 설계되었다. 그림 2는 본 시스템이 MES와 연결되는 계통과 함께 시스템의 구성을 나타낸다. 시스템은 제어기능을 담당하는 제어시스템과 이를 실제 금형 내의 센서 그리고 밸브로 연결하는 하드웨어 그리고 금형 내의 상황을 탐지하여 적정한 시점을 결정할 수 있도록 하는 센서로 구성된다. 제어시스템은 LabVIEW를 기본으로 제작되었다. 이는 향후 공정최적화 제어기로 발전할 수 있는 기초를 위해 단순한 제어기보다는 성력화를 달성할 수 있는 시스템을 선정하였다. 센서로서는 압력센서, 온도센서, 마이크로 스윗치 등 금형과 밸브 게이트의 상황을 파악할 수 있는 센서를 사용한다. 엑추에이터는 게이트 밸브를 작동할 수 있는 유압, 공압 솔레이노이드로 구성된다.
[그림 2] 본 연구에서 개발한 SVG Auto-triggering system 구성과 공장 자동화 시스템 내의 계통
본 시스템의 가장 큰 특징은 공정변수 변경에 따른 금형 내 충전 상황 변화를 자동적으로 탐지하여 게이트 밸브의 개방, 폐쇄 시점을 자동적으로 결정한다. 이는 작업자의 간섭을 전혀 받지 않도록 하였고, 사출성형기와 금형 그리고 수지가 결정되면 초기 설정 단계에서 최적 상태로 설정이 된 후 변경을 하지 않도록 하였다. 그림 3은 본 시스템의 설정과정과 동작과정의 순서와 시스템 운용 화면 모습을 보여준다.
[그림 3] 제어 시스템의 설정과정, 동작과정의 순서도와 운용 화면 모습
본 시스템에서는 향후 보다 차원 높은 자동화를 위한 기능을 구현하여 시험하였는데, 국내 사출기 메이커인 LSMtron의 협조를 얻어 사출기 제어를 통신을 통해 할 수 있도록 Modebus TCP 모듈을 이용하여 필요한 사출기의 제어를 함께 다룰 수 있도록 하였다. 이 기능은 현재 상업화된 시스템에는 포함이 되지 않았으나 이후 자동 공정최적화를 위한 기본적인 성능을 시험하기 위해 구현되었다. 본 시스템 개발을 통해 대형 사출성형품 제조에 널리 활용되는 SVG 시스템 제어가 앞으로는 완전 자동화가 될 수 있고 나아가 자동적으로 공정 최적화도 달성할 수 있는 기본적인 기술을 구현하였다고 본다.
[관련 논문] 현재 저널 논문을 출간하기 위한 준비 중