수축을 빠르고 정확하게 측정하는 방법
수축(sink mark)은 성형품의 표면이 수축에 의해 미세하게 오목해지는 현상입니다. 외관 표면을 가진 성형품에서는 품질 불량으로 이어지는 경우가 있습니다. 수축이 성형품의 표면에 나타나지 않고 성형품의 내부에 기포(공동)가 발생하는 경우도 있습니다. 이를 보이드(void)라고 합니다. 수축도 보이드도 녹은 플라스틱 수지가 냉각 고화하는 과정에서 비정상적인 수축을 일으키기 때문에 발생하는 현상입니다.
여기에서는 수축의 발생을 억제하는 금형 설계의 팁과 수축의 측정 과제 및 해결 방법을 소개합니다.
수축이란?
수축은 성형품의 표면이 움푹 들어간 상태로, 용융 수지가 금형 내에서 냉각·고화하여 수축할 때 금형 에 있는 수지의 절대량이 부족하여 발생하는 불량입니다. 즉 수축하는 힘에 비해 표면의 강성이 약한 경우, 표면이 오목해지고 수축합니다. 이러한 수축은 다른 곳과 비교하여 특히 두꺼운 부분의 체적 수축률이 높은 것이 주된 원인이 되어 발생합니다. 따라서 상황에 른 차이는 있지만 냉각 시 안쪽과 바깥쪽의 냉각 방식이 크게 다르지 않으면 수축을 피할 수 있습니다. 일반적으로 수지 성형 공정에서의 수축 대책은 다음과 같습니다.
- 수지 온도를 낮춘다
- 금형 온도를 낮춘다(상황에 따라서는 올린다)
- 제품의 두께 차이를 줄인다(살 빼기 가공을 한다)
- 사출압을 올린다
- 사출 보압을 올려 보압 시간을 길게 한다
참고로 수축하는 힘에 비해 표면의 강성이 강하면 제품의 중심 부분에 보이드가 발생합니다.
금형 설계 단계에서의 수축 대책
소재나 공정이 정해져 있는 경우 성형 공정에서의 수축 대책에는 한계가 있는 경우가 있습니다. 여기에서는 금형 설계 단계에서의 수축 대책 3가지를 소개합니다.
두께 차이를 줄인다
수지 성형에서 두께 차이가 큰 부분은 두꺼운 부분이 얇은 부분에 비해 천천히 식습니다. 이러한 부분(아래 그림: 빨간 원)에서는 수축이 발생하기 쉬워집니다. 이 경우 수지 성형품의 두께를 변경함으로써 수축의 발생을 방지할 수 있습니다. 예를 들어 그림에서 B의 두께를 A의 두께와 동일(또는 70% 이하)하게 변경하면 수축의 발생을 피할 수 있습니다.
두께 변화를 완만하게 한다
아래 그림에서는 빨간색 원 부분에 수축이 발생하기 쉽습니다. 두께 차이를 줄이면 수축의 발생을 방지할 수 있지만, 강도 유지 등의 이유로 두께 차이를 줄일 수 없는 경우가 있습니다. 이러한 경우에는 두께 변화를 완만하게 만듭니다. 성형품에 코너 R을 만들면 두께 변화가 완만해집니다.
설계상 이러한 대책이 불가능한 경우에는 제품 설계에 따른 대응과 함께 열이 모이기 쉬운 부분에 냉각 배관을 설치하거나 금형에 열전도성이 높은 베릴륨 구리와 같은 재료를 사용하는 등의 대응을 마련하는 것이 중요합니다.
살 빼기나 리브를 설정한다
부품이 복잡하고 두께의 변화가 필요한 경우에는 살 빼기나 리브 등을 설정함으로써 수축의 발생을 억제할 수 있습니다.
예를 들어 부품의 두꺼운 단면을 살 빼기하여 두꺼운 영역을 줄이면 온도 변화가 줄어듭니다. 두꺼운 부분과 같이 강도가 필요한 경우에는 살 빼기내부에 크로스 해치의 리브 패턴을 설정하면 강도를 유지한 채로 수축을 방지할 수 있습니다. 또한 금형 내의 급격한 압력 변화를 억제하기 위해서는 단계적인 두께 변화나 모따기를 실시하는 것도 유효한 대책입니다.
기존의 수축 측정 과제
수지 성형된 부품의 수축은 단순히 외관적인 결함일 뿐만 아니라 형상 자체의 결함일 수 있습니다. 또한 수축의 형상을 검사·측정하는 것으로 성형 시의 압력이나 주입한 재료의 양, 온도 등의 결함 원인을 조사할 수 있습니다.
기존의 수축 측정에는 하이트 게이지나 3차원 측정기를 사용하고 있었습니다. 그러나 다음과 같은 측정 과제가 있었습니다.
3차원 측정기를 이용한 측정의 과제
하이트 게이지는 다이얼 게이지와 조합하여 높이를 측정할 수 있습니다. 그러나 측정이 점에 한정되어 전체 형상을 모르기 때문에 전체 상태를 부감하여 파악할 수 없습니다. 또한 부드러운 부품의 경우 측정 시의 압력으로 부품이 휘어져 정확하게 측정할 수 없습니다. 뿐만 아니라 사람에 따른 측정 결과의 편차나 측정기 자체의 오차 등 여러 가지 요인으로 인해 정도 높고 안정된 측정을 할 수 없습니다.
3차원 측정기를 이용한 측정 과제
예를 들어 수축 부분의 면적이 1mm2 로 작은 경우, 그 부분을 프로브로 맞춰 가상의 면을 만들고 정확하게 측정하는 것은 매우 어렵습니다. 또한 작은 부분의 3차원 형상을 측정하는 경우에는 측정점이 적어져 정확한 형상을 파악하기 어렵습니다. 게다가 측정 데이터의 집계나 도면과의 대조 등 많은 수고가 필요합니다.
수축 측정의 과제 해결 방법
기존에 사용되고 있는 일반적인 측정기는 입체적인 대상 물체·측정 항목을 점이나 선으로 접촉하면서 측정하고 있어 측정값의 신뢰성이 낮다는 과제가 있습니다. 이러한 측정 과제를 해결하기 위해 KEYENCE에서는 원 샷 3D 형상 측정기「VR 시리즈」를 개발했습니다.
대상 물체의 3D 형상을 비접촉 방식을 이용하여 면으로 정확하게 포착할 수 있습니다. 또한 스테이지의 대상 물체를 최고 속도 1초 만에 3D 스캔하여 3차원 형상을 고정도로 측정할 수 있습니다. 이로 인해 측정 결과의 편차 없이 신속하게 정량 측정을 할 수 있습니다. 여기에서는 구체적인 장점을 소개합니다.
장점 1: 80만 포인트의 점 데이터를 수집
200mm×100mm라는 광범위한 형상을 「면」으로 측정하여 80만 포인트의 점 데이터를 수집. 전체 형상을 파악해 고저 부분을 측정하기 때문에 큰 수축은 물론 미미한 수축도 놓치지 않습니다. 또한 모든 측정 데이터를 장하여 저장된 데이터끼리 비교하거나 3D 설계 데이터와 비교할 수 있습니다.
- A
- 파란 부분이 오목하다
「VR 시리즈」를 사용하면 기존 측정기와 달리 지금까지 많은 수고와 시간을 필요로 했던 넓은 면적에 점재하는 수축도 측정할 수 있습니다. 또한 다양한 측정을 간단하게 실현할 수 있는 계측 툴을 재하여 특정 작업자에게 의존해왔던 측정 작업을 측정에 익숙하지 않은 분이라도 간단하고 빠르게 할 수 있습니다.
장점 2: Excel 데이터 출력/CAD 출력 가능
해석 내용은 보고 있는 그대로 Exel 데이터로 출력할 수 있습니다. 측정값별로 정렬하거나 피벗을 짜서 집계하는 등 보다 상세한 검토를 원활하게 할 수 있습니다. 또한 CAD 데이터에 있어서는 STEP 및 ASCII 외에도 STL 형식의 출력도 지원하여 폭넓게 데이터를 활용할 수 있습니다.
요약: 측정하기 어려웠던 수축 측정을 비약적으로 개선 · 효율화
「VR 시리즈」를 사용하면 고속 3D 스캔을 통해 비접촉 방식으로 대상 물체의 정확한 3D 형상을 순식간에 측정할 수 있습니다. 수축의 높이나 거칠기 등의 어려운 측정도 최고 속도 1초 만에 완료. 기존 측정기의 모든 과제를 해결할 수 있습니다.
- 면으로 측정하기 때문에 넓은 면적의 수축도 쉽게 측정 가능. 최고점·최저점도 측정할 수 있습니다.
- 사람에 따른 측정값의 편차를 해소하여 정량적인 측정을 할 수 있습니다.
- 위치 결정 등의 작업 없이 스테이지에 대상 물체를 놓고 버튼을 누르기만 하면 되는 간단한 조작을 실현. 측정 작업을 특정 작업자에게 의존해야 했던 문제를 해소합니다.
- 간단·고속·고정도로 3D 형상을 측정할 수 있기 때문에 단시간에 많은 대상 물체를 측정할 수 있어 품질 향상에 도움이 됩니다.
그 외에도 과거의 3D 형상 데이터나 CAD 데이터와의 비교, 공차 범위 내에서의 분포 등을 간단하게 분석할 수 있기 때문에 제품 개발이나 제조 경향 분석 및 샘플링 검사 등 다양한 용도로 활용할 수 있습니다.
