사출성형 불량 진단 (근본원인, 공정변동, 조건기록)

 플래시가 나오면 당연히 금형 셧오프 문제라고 생각했는데, 파고들어 보니 벤트 막힘이 원인이었던 적이 있습니다. 사출성형 불량은 눈에 보이는 것과 실제 원인이 다른 경우가 생각보다 훨씬 많습니다. 공정 조정에 앞서 근본원인을 먼저 잡지 않으면, 고친다고 한 게 오히려 다른 불량을 키우는 일이 현장에서는 비일비재합니다.

근본원인 — 눈에 보이는 불량이 진짜 원인이 아닐 수 있다

저도 처음엔 플래시(flash)가 나오면 금형 파팅라인(parting line) 문제거나 클램핑 포스(clamping force) 부족이라고 단정했습니다. 여기서 파팅라인이란 금형이 두 쪽으로 나뉘는 경계면을 말하는데, 이 면이 제대로 밀착되지 않으면 수지가 새어 나와 플래시가 생깁니다. 그런데 막상 금형을 빼서 셧오프(shutoff)를 수정하고 다시 장착해도 플래시가 여전히 나오는 경우를 몇 번이나 겪었습니다.

나중에야 알게 된 건 벤트(vent) 막힘이었습니다. 벤트란 캐비티 안의 공기를 대기 중으로 빼내는 작은 홈인데, 이게 이물질로 막히면 캐비티 내 압력이 급격히 올라갑니다. 그 압력이 사출압력을 밀어올리면서 결국 파팅라인 쪽으로 수지가 새는 것입니다. 탄자국(burn mark)이나 미성형(short shot)으로 이어질 것 같지만, 조건에 따라 플래시로 나타나기도 한다는 걸 몸으로 배웠습니다.

일반적으로 플래시는 과충전, 미성형은 충전 부족이라고 알려져 있지만, 제 경험상 이 두 가지는 같은 공정 안에서 연결되어 서로를 유발하는 경우가 많습니다. 사출성형 공정은 모든 매개변수가 다른 매개변수에 영향을 주는 연결된 공정(connected process)이기 때문입니다. 한쪽만 보고 조정하면 반드시 다른 쪽이 무너집니다(출처: 플라스틱코리아).

• 플래시 → 셧오프·클램핑 문제라고 단정하기 전에 벤트 상태부터 확인
• 벤트 막힘 → 캐비티 내압 상승 → 사출압력 급증 → 플래시 발생 경로를 기억
• 전단(shear) 증가로 용융수지 온도가 오르는 경우에도 플래시가 나올 수 있음
• 금형 수정 전에 공정 매개변수 로그를 먼저 검토하는 것이 순서

요약: 플래시의 근본원인은 셧오프나 클램핑이 아닐 수 있으며, 벤트 막힘처럼 의외의 원인이 캐비티 내압을 올려 불량을 만들기도 한다.

 

공정변동 — 정상 범위 안의 변동이 산발적 불량을 만든다

난연ABS 소재로 작업하던 시절, 가스 불량과 미성형이 번갈아 나오는 상황이 있었습니다. 가스를 잡으려고 형체력을 낮추면 미성형이 나오고, 미성형을 잡으려고 압력을 올리면 가스가 터졌습니다. 환장할 노릇이었습니다. 벤트도 새로 파보고, 제습건조기도 돌려보고, 형체력도 손봤지만 반나절 넘게 불량이 쏟아졌습니다.

결국 해결의 실마리는 사출속도 패턴 조정이었습니다. 1차 사출 거리와 속도를 중속으로 올리고 구간을 길게 가져가니 가스 불량이 잡혔습니다. 여기서 사출속도 패턴이란 수지가 캐비티 안으로 밀려들어가는 속도를 구간별로 다르게 설정하는 것인데, 이 패턴이 수지의 흐름(flow front)을 결정하고 웰드라인(weld line) 위치와 가스 포집 위치에 직접 영향을 줍니다.

어느 정도 강건한 공정이라도 사출성형기 히터나 핫러너(hot runner) 히터의 순환 사이클에서 비롯되는 정상적인 공정 변동(normal process variation)은 항상 존재합니다. 정상적인 공정 변동이란 말 그대로 제거할 수 없는 자연스러운 오차 범위를 뜻하는데, 문제는 플래시를 막겠다고 공정 조건을 과도하게 좁혀놓으면 이 변동만으로도 산발적인 미성형이 튀어나온다는 점입니다. 공정 창(process window)이 너무 좁아졌기 때문입니다. 공정 창이란 불량 없이 성형이 가능한 조건의 허용 범위를 의미하며, 이 범위가 좁을수록 조금만 흔들려도 불량이 납니다(출처: SPE(미국 플라스틱엔지니어협회)).

제가 현장에서 내린 결론은 이렇습니다. 공정 변동 자체를 없애려 하지 말고, 그 변동을 품을 만큼 공정 창을 넉넉하게 확보하는 것이 먼저라는 것입니다. 그러려면 플래시의 근본원인을 해소해서 처음 설계된 최적 조건으로 되돌려야 합니다.

요약: 정상적인 공정 변동은 없앨 수 없으므로, 공정 창을 충분히 확보한 상태에서 근본원인을 해결하는 것이 산발적 불량을 막는 핵심이다.

 

조건기록 — 패턴으로 기억하고 문서로 남겨야 반복하지 않는다

저는 성형 조건을 숫자로 외우려 하지 않습니다. 숫자는 금형이 바뀌면 달라지지만, 패턴은 비슷한 형상의 제품에 그대로 통하기 때문입니다. 사출속도가 저속 구간에서 중속으로 올라가다가 게이트(gate) 부근에서 다시 낮아지는 패턴, 보압(holding pressure) 전환 타이밍이 어느 지점에서 이루어지는지, 이런 흐름을 머릿속에 그림으로 그려두면 처음 보는 제품에도 어느 정도 감이 잡힙니다.

제품에 웰드라인을 직접 그려보는 것도 제가 즐겨 쓰는 방법입니다. 웰드라인(weld line)이란 두 방향에서 흘러온 수지가 만나 합쳐지는 지점으로, 강도가 약해지거나 외관에 줄이 생기는 불량 원인이 됩니다. 제품 위에 수지 흐름 방향을 손으로 그려가면서 어느 지점에서 흐름이 합쳐지는지 확인하면, 사출속도 패턴을 어떻게 조정해야 웰드라인을 원하는 위치로 옮길 수 있는지 눈에 들어오기 시작합니다. 이걸 머리로만 하면 금방 헷갈리고, 반드시 손으로 기록해야 다음 번에 써먹을 수 있습니다.

현장에서 가동이 우선시되던 시절과는 지금은 다릅니다. 근본원인도 모른 채 기계를 돌리다가 스크랩이 쌓이고 납기를 놓치는 게 훨씬 손실이 큽니다. 그래서 저는 불량이 잡히지 않으면 기계를 세우고, 조건 변경 이력과 불량 발생 상황을 문서로 남긴 뒤 다시 가동하는 방식을 고집합니다. 귀찮게 느껴질 수 있지만 이 기록이 쌓이면 다음에 유사한 불량이 나왔을 때 원인을 찾는 시간이 눈에 띄게 줄어듭니다.

근본원인이 난연ABS의 소재 특성이나 금형 리브(rib) 구조처럼 당장 바꾸기 어려운 경우라면, 그 한계를 기록으로 남겨두고 최적의 회피 조건을 함께 적어둡니다. 리브란 제품의 강도를 높이기 위해 벽면에 덧대는 얇은 돌출부인데, 리브가 깊고 좁을수록 수지 충전이 어렵고 가스가 고이기 쉽습니다. 이런 구조적 한계를 파악해두면 같은 조건에서 비슷한 문제가 재발했을 때 엉뚱한 데서 시간을 낭비하지 않을 수 있습니다.

요약: 성형 조건은 숫자가 아닌 패턴으로 기억하고, 수지 흐름과 조건 이력을 문서로 남겨야 다른 제품에도 응용할 수 있고 반복 불량을 줄일 수 있다.

 

자주 묻는 질문

Q. 플래시가 나오면 무조건 형체력을 올려야 하나요?

A. 형체력을 올리는 것이 정답이라고 알려져 있지만, 제 경험상 그것만으로 해결된 경우는 생각보다 드물었습니다. 벤트 막힘이나 과도한 사출압력처럼 캐비티 내압을 높이는 근본원인이 있다면, 형체력을 올려도 플래시가 다시 나올 가능성이 높습니다. 근본원인을 먼저 파악한 뒤 형체력 조정은 마지막 수단으로 보는 것이 낫습니다.

 

Q. 가스 불량과 미성형이 동시에 잡히지 않을 때 어떻게 하나요?

A. 저도 이 상황에서 반나절을 날린 적이 있습니다. 두 불량이 동시에 나오는 경우는 대체로 사출속도 패턴과 벤트 상태가 동시에 문제인 경우가 많았습니다. 벤트를 청소하거나 새로 파주면서 사출속도 구간을 중속으로 조정하고 거리를 길게 가져가는 방식을 시도해보는 것이 저는 효과적이었습니다.

 

Q. 성형 조건 기록은 어떤 형식으로 남기면 좋나요?

A. 복잡한 양식보다 불량 발생 시점, 변경한 조건 항목과 변경 전후 수치, 그 결과를 한 줄로 적는 것이 습관 들이기 쉽습니다. 제가 중요하게 여기는 것은 사출속도 패턴을 그림으로 남기는 것인데, 이후에 비슷한 형상의 제품을 만날 때 숫자보다 이 패턴 그림이 훨씬 빠른 감을 줍니다.

 

Q. 공정을 바꿔도 산발적으로 불량이 계속 나오는 이유가 뭔가요?

A. 공정 창, 즉 불량 없이 성형 가능한 조건 범위가 좁아진 상태에서 정상적인 공정 변동이 겹치면 산발적인 불량이 계속 나옵니다. 일반적으로는 조건을 더 세게 조이면 해결될 것 같지만, 제 경험상 오히려 공정 창을 넓히는 방향으로 근본원인을 해소하는 것이 산발적 불량을 줄이는 데 더 효과적이었습니다.

 

결론

사출성형 불량을 오래 다뤄보면서 제가 가장 많이 한 실수는 눈에 보이는 불량을 그대로 원인으로 단정한 것이었습니다. 플래시는 플래시대로 잡고 미성형은 미성형대로 잡으려다 보면, 어느 순간 공정 창이 너무 좁아져서 정상적인 변동 하나에도 라인이 흔들리는 상황이 됩니다. 근본원인을 찾는 데 시간이 걸리더라도, 그 시간이 이후 수십 번의 재발을 막아준다는 것을 몸으로 경험했습니다.

바쁜 현장일수록 기계를 세우고 기록하는 것이 득이 됩니다. 조건 기록이 쌓이면 비슷한 형상의 새 제품 앞에서도 감이 먼저 오고, 그 감이 불량을 잡는 시간을 줄여줍니다. 수지 흐름을 읽는 눈은 경험으로 만들어지지만, 그 경험을 기록으로 남기지 않으면 개인에게만 머물 뿐입니다. 지금 당장 작업일지 한 장부터 시작해보는 것을 권합니다.

참고: https://www.plastickorea.co.kr/news/articleView.html?idxno=24365&page=2&total=58