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외관 검사를 통과한 제품이 조립 단계에서 치수 불량으로 돌아오는 경우, 냉각 시간 설정을 먼저 의심하는 현장은 생각보다 많지 않다. 눈에 보이는 불량이 없으면 공정을 그대로 유지하는 게 일반적인 흐름이기 때문이다. 그런데 리브 구조가 있는 부품에서는 냉각 시간이 짧을 때 취출 후 잔열에 의한 변형이 외관이 아닌 치수로 먼저 드러나는 경우가 있다. 이 글에서는 냉각 시간 부족이 리브 구조 부품의 치수 불량으로 이어지는 원인과, 현장에서 설정 기준을 다시 잡는 방법을 살펴본다.
외관이 괜찮아도 치수 불량이 나오는 이유
리브 구조 부품은 벽 두께가 균일하지 않다. 리브가 교차하는 부위, 리브와 평면이 만나는 모서리는 인접한 얇은 벽 대비 열용량이 크다. 두꺼운 부위는 얇은 부위보다 냉각 속도가 느리기 때문에, 동일한 냉각 시간을 적용하면 얇은 벽은 이미 고화됐는데 두꺼운 리브 내부는 아직 반고화 상태로 취출 되는 상황이 만들어진다.
취출 후 상온에서 계속 냉각되는 동안 리브 쪽 내부 수축이 진행되면서 이미 굳어진 얇은 벽 쪽을 당기게 된다. 이 내부 응력 차이가 외관상 싱크마크나 웰드라인으로 나타나기 전에, 먼저 치수 변화로 표면화되는 것이다. 3D Systems의 사출성형 설계 자료에서도 두꺼운 섹션의 냉각 속도 차이가 수축 불균형으로 이어지고, 이는 싱크마크뿐 아니라 부품 전체의 뒤틀림으로 진행될 수 있다고 명시한다.
외관 검사에서 문제가 없었던 이유는 간단하다. 변형이 외피가 아닌 내부 응력 상태로 남아 있었기 때문이다. 조립 시 외력이 가해지거나 환경 온도가 변하면 그 응력이 치수 변화로 현실화된다. 이 점이 개인적으로는 가장 놓치기 쉬운 부분이라고 본다. 외관 검사만으로 냉각 충분성을 판단하는 것은 리브 구조 부품에서 특히 위험한 접근이다.
냉각 시간 설정 기준, 어디서부터 다시 잡아야 하는가
냉각 시간 설정은 부품 전체 두께가 아니라 가장 두꺼운 단면을 기준으로 잡아야 한다. 얇은 벽 부위를 기준으로 냉각 시간을 설정하면, 두꺼운 리브 교차 부위는 항상 미냉각 상태로 취출 된다.
ABS 소재 기준으로 벽 두께 1mm당 약 3초의 냉각 시간이 참고 기준으로 통용된다. 다만 이 수치는 균일 두께 기준이기 때문에, 리브 교차부처럼 실질 두께가 기준보다 큰 부위가 있다면 그 두께를 따로 계산해야 한다. 소재 종류, 금형 냉각수 온도, 금형 재질에 따라 실제 냉각 효율이 달라지므로 이 수치를 그대로 현장에 적용하는 것은 한계가 있다. 조건 범위를 확인하는 출발점으로 사용하는 것이 맞다.
비슷한 조건의 사례를 보면, 두께가 불균일한 리브 구조 부품에서 냉각 시간을 얇은 벽 기준으로 설정한 채 양산에 들어갔다가 조립 단계에서 치수 불량이 확인된 경우가 있다. 원인을 추적하니 두꺼운 리브 교차부와 얇은 벽의 냉각 속도 차이로 인해 잔류 응력이 취출 후까지 유지된 것이었다. 이 경우 냉각 시간을 부위별로 재검토하고 가장 두꺼운 부위 기준으로 재설정한 뒤 치수가 안정됐다.
냉각 시간 단축이 실제 사이클 단축으로 이어지지 않는 조건
사이클 타임을 줄이기 위해 냉각 시간을 줄이는 시도는 현장에서 흔히 있다. 그런데 리브 구조 부품에서 냉각 시간을 무리하게 줄이면, 취출 후 변형이 발생해 재작업이나 불량 처리가 필요해지는 경우가 생긴다. 실질적인 사이클 단축이 아니라 후공정 부담이 늘어나는 결과가 된다.
한국금형공학회(2021)에서 발표된 냉각 파라미터 연구에서는 냉각 시간과 냉각수 온도가 수축량에 직접 영향을 준다는 점을 실측 결과로 확인했다. 냉각 조건을 바꾸면 측정 부위의 수축량 차이가 수 배 이상 달라지는 결과가 나왔다. 이 수치가 현장의 공차 범위와 얼마나 맞는지를 먼저 확인해야 한다는 판단이다.
냉각 시간을 줄일 여지가 있는지 판단할 때, 취출 직후 부품 표면 온도를 열화상 카메라나 접촉식 온도계로 측정하는 것이 가장 현실적인 점검 방법이다. 표면 온도가 소재의 열변형 온도(HDT) 보다 높은 상태에서 취출 되고 있다면, 냉각 시간은 줄일 여지가 없다.
리브 구조 부품에서 냉각 시간 재설정할 때 확인할 순서
아래는 현장에서 냉각 시간을 다시 잡을 때 확인하는 순서다. 이 순서가 절대적인 기준은 아니지만, 실무적으로 보면 원인을 좁히는 데 효율적인 흐름이다.
- 부품 단면 중 가장 두꺼운 부위 치수를 확인하고, 해당 두께 기준으로 냉각 시간 하한을 계산한다.
- 취출 직후 부품 온도를 측정해 소재 HDT와 비교한다. HDT 이하로 내려오지 않은 상태에서 취출되고 있다면 냉각 시간을 늘려야 한다.
- 냉각 시간을 조정한 뒤 치수 측정을 취출 직후와 상온 방치 30분 후로 나눠서 비교한다. 두 시점 사이에 치수 변화가 있다면 잔열 변형이 아직 남아 있다는 신호다.
치수 측정 시점을 취출 직후 한 번만 보는 경우가 많다. 그런데 잔열 변형은 취출 이후 시간이 지나면서 발생하기 때문에, 안정화 이후 치수를 기준으로 봐야 실제 조립 공차와 맞는 판단이 가능하다.
자주 묻는 질문
냉각 시간을 늘렸는데도 치수 불량이 반복된다면?
냉각 시간 외에 금형 내 냉각수 유로 배치, 냉각수 온도, 금형 온도 불균일을 함께 점검해야 한다. 냉각수가 두꺼운 리브 교차부 근처까지 충분히 닿지 않는 구조라면 냉각 시간을 늘려도 해당 부위의 냉각 효율은 제한적이다.
리브 두께를 설계 단계에서 줄이면 냉각 문제가 해결되는가?
설계 단계에서 리브 두께를 인접 벽 두께의 50~60% 수준으로 줄이면 냉각 불균일을 완화하는 데 도움이 된다. 이미 금형이 제작된 상태라면 공정 조건으로 보완할 수밖에 없지만, 한계가 있다는 점을 함께 고려해야 한다.
ABS 외 다른 소재에서도 동일한 기준이 적용되는가?
소재마다 열전도율, HDT, 수축률이 다르기 때문에 두께 기준 냉각 시간 수치는 소재별로 달라진다. PP나 PE처럼 결정성 수지는 비결정성 수지보다 냉각 과정에서 수축이 더 크게 나타나는 경향이 있어 냉각 시간을 보수적으로 잡는 것이 일반적이다.
냉각 시간은 단축 여부보다 기준 설정이 먼저다
리브 구조 부품에서 냉각 시간 부족으로 인한 치수 불량은 외관 검사로 걸러내기 어렵다. 문제가 조립 단계에서 드러나는 이유가 여기에 있다. 냉각 시간을 줄이는 판단보다 먼저, 현재 설정이 가장 두꺼운 부위를 기준으로 잡혀 있는지, 취출 후 온도가 소재 HDT 이하인지를 확인하는 것이 순서다. 설정 기준이 맞은 다음에 단축 여부를 검토해도 늦지 않다.