사출 성형 런너 스프루 구조 캐비티 충전 편차 점검 방법

멀티 캐비티 금형에서 캐비티 간 충전 편차가 잡히지 않을 때, 현장에서 가장 먼저 손대는 곳은 사출 속도나 압력 같은 공정 조건이다. 그런데 런너·스프루 구조 자체에 문제가 있으면 조건을 아무리 조정해도 편차는 사라지지 않는다. 사출 성형 런너와 스프루의 구조적 요인이 충전 편차에 어떻게 연결되는지, 그리고 어느 지점부터 점검해야 하는지를 알아보겠다.

사출 성형 멀티 캐비티 런너 분기 구조 단면

런너 길이를 맞췄는데도 편차가 남는 이유

밸런스 런너 설계에서 가장 흔하게 오해하는 부분이 있다. 런너 길이를 동일하게 맞추면 각 캐비티에 동일한 압력이 전달된다는 생각이다. 실제로는 그렇지 않다. 런너 길이는 유동 저항의 일부일 뿐이고, 단면 형상과 분기 각도가 압력 전달에 함께 작용한다.

비슷한 조건의 사례로 보면, 8 캐비티 금형에서 런너 길이를 기하학적으로 균형 있게 설계했음에도 캐비티별 중량 편차가 반복됐던 경우가 있었다. 처음엔 수지 건조 상태나 사출 속도 편차가 원인이라고 봤다. 그런데 조건을 반복 조정해도 결과가 달라지지 않았다. 나중에 런너 분기점 직후 단면이 급격히 줄어드는 구간을 확인했고, 그게 캐비티별 압력 손실 차이를 만들고 있었다.

처음엔 길이 기준으로만 밸런스를 판단했기 때문에 구조 문제를 늦게 발견했다. 런너 단면의 기하학적 조건을 수정하고 나서야 중량 편차가 허용 범위 안으로 들어왔다. 길이만 보고 밸런스가 맞다고 판단하는 것이 이 문제에서 가장 흔한 오판이다.

런너 단면 형상이 압력 전달에 미치는 영향

런너 단면 형상은 원형, U형, 사다리꼴형이 주로 사용된다. 이 중 원형 단면이 표면적 대비 단면적 비율이 가장 유리하다. 열 손실이 적고 유동 저항이 낮기 때문에 압력 전달 효율이 가장 높다.

그러나 원형 단면이라도 분기 전후 단면 크기가 일정하지 않으면 국부적인 압력 강하가 생긴다. 분기 구간에서 단면이 작아지는 설계는 그 지점 이후 캐비티에 전달되는 압력을 실질적으로 떨어뜨린다. 이 현상은 수지 점도가 높거나 사출 속도가 빠를수록 더 두드러진다.

사출 금형 런너 단면 형상 원형 U형 비교

헬로티 사출금형 성형 기술 실무 자료에 따르면, 런너 설계의 기준은 압력 전달 측면에서는 최대 단면적 형상이어야 하고 열전달 측면에서는 원주 표면적이 최소여야 가장 효율적이다. 이 두 조건을 동시에 만족하는 것이 원형 단면인데, 실제 설계에서는 가공 편의상 U형이나 사다리꼴형이 선택되는 경우가 많다. 이때 단면 크기를 원형 기준으로 환산해 조정하지 않으면 같은 런너 레이아웃이어도 실질적인 유동 저항이 달라진다.

일반적으로 원형 러너 직경은 φ5mm~φ13mm 범위에서 사용된다. 유동성이 낮은 경질 PVC나 PMMA 계열 수지는 φ13mm 수준까지 올리는 경우도 있다. 단면 크기가 이 범위 안에 있더라도 분기 후 단면이 연속적으로 작아지는 구조라면 말단 캐비티에서의 압력 부족이 반복된다.

스프루 길이와 구배가 만드는 또 다른 변수

스프루는 노즐에서 런너로 용융 수지를 전달하는 첫 번째 통로다. 이 구간에서도 압력 손실이 발생한다. 스프루 길이가 길어질수록, 구배 각도가 작을수록 저항이 커진다.

스프루 구배는 편측 1.0°~2.0°가 표준으로 적용된다. 스프루 입구 직경 φ4.0mm, 길이 50mm 기준으로 끝단 직경은 약 φ5.75mm가 된다. 이 끝단 치수가 연결되는 런너 최소 직경의 기준이 된다. 스프루와 런너의 연결 지점에서 단면이 맞지 않으면 그 불일치가 유동 균형에 바로 반영된다.

실무 사례에서 보면, 이 연결 지점의 단면 불일치는 설계 단계에서 발견하지 못하면 금형 제작 후 수정 비용이 크게 발생한다. 스프루 교체나 런너 단면 재가공은 금형 수정 중에서도 공수가 많이 드는 작업이다. 설계 검토 단계에서 스프루 끝단과 런너 입구의 단면 일치 여부를 반드시 확인해야 하는 이유가 여기 있다.

캐비티 충전 편차 점검 순서

충전 편차가 발생했을 때 점검 순서를 잘못 잡으면 해결에 시간이 오래 걸린다. 공정 조건보다 구조적 요인을 먼저 확인하는 것이 효율적이다.

• 런너 분기 후 단면 변화 확인 — 분기점 직후 단면이 줄어드는 구간이 있는지 도면과 실측으로 점검한다.
• 스프루 끝단과 런너 입구 직경 일치 확인 — 단면 불일치가 있으면 첫 번째 분기 이전부터 압력 손실이 시작된다.
• 캐비티별 쇼트샷 테스트 — 저속·저압으로 충전해 캐비티 간 충전 시작 시점 차이를 확인한다. 구조 문제가 있으면 이 테스트에서 편차가 뚜렷하게 드러난다.

쇼트샷 테스트에서 특정 캐비티만 반복적으로 늦게 충전된다면, 그 캐비티로 이어지는 런너 구간의 단면이나 분기 각도를 집중적으로 본다. 조건을 먼저 건드리는 것은 이 확인 이후다.

런너·스프루 구조 문제를 파악했다면, 게이트 위치와 크기가 충전 균형에 미치는 영향도 함께 이해해 두면 진단 범위가 넓어진다. 또한 CAE 유동 해석을 활용한 런너 밸런스 설계 검증 방법은 반복적인 시행착오를 줄이는 데 직접 연결되는 주제여서 알아보면 좋다.

조건을 바꿔도 편차가 잡히지 않는다면

캐비티 충전 편차 문제는 공정 조건보다 런너·스프루의 구조적 요인에서 출발하는 경우가 많다. 런너 길이 균형만으로 밸런스를 판단하지 말고, 단면 형상과 분기 후 단면 변화, 스프루 끝단 치수까지 함께 확인하는 것이 점검의 출발점이다. 편차가 반복된다면 조건 조정보다 구조 점검을 먼저 하는 순서가 결과적으로 빠르다.

 

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