설계 및 LSR 사출 성형 공정 가이드

LSR 사출 성형이 근본적으로 다른 이유

액상 실리콘 고무(LSR) 사출 성형은 거의 모든 중요한 매개변수에서 기존 열가소성 사출 성형과 다른 정밀 제조 공정입니다. 열가소성 성형이 가열된 재료를 냉각된 금형에 주입하여 응고시키는 반면, LSR 성형은 그 반대입니다. 차가운 2성분 액체 실리콘 화합물이 가열된 금형에 주입되어 부가 경화 가교 반응을 거치고 영구적으로 가황되어 유연하고 내구성이 뛰어난 엘라스토머 부품이 됩니다. 이러한 열 반전(뜨거운 금형에 냉간 주입)은 성공적인 LSR 생산에 필요한 전체 기계 아키텍처, 금형 설계 철학 및 공정 제어 전략을 정의합니다. 이러한 근본적인 반전을 이해하는 것이 LSR 사출 성형기를 지정, 운영 또는 설계하는 모든 사람의 출발점입니다.

LSR 화합물은 두 부분으로 구성된 시스템으로 공급됩니다. 파트 A에는 백금 촉매가 포함된 기본 폴리머가 포함되어 있고, 파트 B에는 가교제 및 억제제 패키지가 포함되어 있습니다. 이 두 성분은 조기 경화를 방지하기 위해 별도로 보관되며, 기계의 투여 시스템에 의해 1:1 비율로 계량되고, 주입 직전에 정적 혼합기에서 혼합되며, 열적으로 조절되고 고도로 제어된 흐름으로 금형에 전달됩니다. 전체 재료 처리 및 주입 시스템은 조기 겔화를 방지하기 위해 5°C ~ 25°C 사이의 온도에서 유지되어야 하며, 금형은 신속한 완전 경화를 위해 동시에 150°C ~ 220°C에서 작동합니다. 기계와 금형 전체에서 이러한 열 대비를 관리하는 것은 LSR 사출 성형의 핵심 엔지니어링 과제입니다.

LSR 사출성형기의 핵심 부품

안 LSR 사출성형기 일관된 부품 품질을 제공하기 위해 정밀하게 조정되어 작동해야 하는 여러 하위 시스템으로 구성된 통합 시스템입니다. 배럴과 스크류가 가소화 및 사출을 수행하는 표준 열가소성 사출기와 달리 LSR 사출기의 사출 장치는 저점도, 열에 민감한 2액형 액체를 처리하기 위해 특별히 제작되었습니다. 각 하위 시스템은 프로세스에서 특정하고 대체할 수 없는 역할을 수행합니다.

2성분 계량 및 투여 시스템

계량 시스템은 재료 표면에 일정한 압력을 유지하고 공기 혼입을 방지하는 팔로워 플레이트를 사용하여 공급 드럼이나 통에서 파트 A와 파트 B를 끌어옵니다. 정밀 기어 펌프 또는 피스톤형 정량 펌프는 정밀하게 제어된 1:1 체적 비율로 두 구성 요소를 동시에 전달하며 비율 정확도는 일반적으로 ±1% 이내로 유지되어 일관된 가교 밀도와 최종 경도를 보장합니다. 또한 많은 시스템에는 프로그래밍 가능한 비율로 색상 마스터배치 또는 기능성 첨가제를 믹싱 헤드에 도입하는 세 번째 계량 스트림인 안료 도징 라인이 통합되어 있어 수동으로 화합물을 준비하지 않고도 다색 또는 첨가제 도징 생산이 가능합니다. 분배 회로 전체의 압력 센서 및 유량계는 비율 드리프트 또는 유량 이상이 감지되면 경보를 울리고 기계를 정지시키는 실시간 피드백을 제공합니다.

정적 혼합 및 콜드 러너 시스템

계량 후 두 구성 요소는 일회용 정적 혼합기(완전히 균질한 혼합이 달성될 때까지 재료 흐름을 점진적으로 나누고 재결합하는 일련의 나선형 혼합 요소가 포함된 튜브)를 통과합니다. 일반적으로 화합물 점도 및 원하는 혼합 품질에 따라 20~40개 혼합 요소 내에서 사용됩니다. 그런 다음 혼합된 혼합물은 금형의 콜드 러너 시스템으로 들어갑니다. 이는 핫 금형 온도 제어와 독립적으로 실행되는 수냉식 회로를 사용하여 사출 배럴과 동일한 차가운 온도(일반적으로 20°C 미만)로 유지되는 단열 매니폴드입니다. 콜드 러너는 샷 사이에 경화되지 않은 LSR을 유지하여 재료 낭비를 방지하고 자동 게이트 제거를 가능하게 합니다. 콜드 러너 스프루와 러너는 액체 상태로 유지되고 금형이 열릴 때 후퇴되어 다듬거나 재활용할 경화된 러너 스크랩이 남지 않기 때문입니다.

주입 배럴 및 왕복 나사

사출 배럴은 콜드 러너 매니폴드로부터 혼합된 LSR 컴파운드를 받고 저압축 왕복 스크류를 사용하여 재료의 샷을 축적하고 이를 금형 캐비티에 주입합니다. 전단을 통해 열을 생성하도록 설계된 열가소성 스크류와 달리 LSR 사출 스크류는 매우 낮은 압축비(일반적으로 1:1 ~ 1.2:1)를 가지며 배럴에서 조기 경화를 유발하지 않도록 최소한의 전단 가열로 재료를 전달하도록 설계되었습니다. 전체 배럴 어셈블리는 백금 촉매의 활성화 임계값 아래로 재료 온도를 유지하기 위해 수냉식 재킷으로 덮여 있습니다. LSR 성형에서는 재료의 점도가 매우 낮고 샷 부피가 캐비티 부피를 초과하는 경우 작은 틈에서도 플래시가 발생하기 때문에 샷 크기 정확도가 매우 중요합니다. LSR의 일반적인 사출 압력 범위는 100~250bar로 열가소성 수지 사출 압력보다 상당히 낮습니다.

LSR 가공에 따른 금형 설계 원리

LSR 금형 설계는 많은 측면에서 열가소성 금형 설계와 반대되는 원칙을 따릅니다. LSR은 경화 시 약간 수축하고(일반적으로 화합물 및 경화 조건에 따라 2~4% 선형 수축) 경화되지 않은 상태에서는 점도가 매우 낮기 때문에 금형은 더 엄격한 파팅 라인 공차, 더 공격적인 배기 전략, 캐비티 전체에서 빠르고 균일한 경화를 촉진하는 열 아키텍처로 설계되어야 합니다. 금형 구조는 일반적으로 P20 또는 H13 등급의 경화 공구강을 사용하며 캐비티 표면은 Ra 0.05μm 이상으로 연마되어 의료, 광학 또는 소비자 등급 LSR 부품에 필요한 표면 마감을 달성합니다.

분할선 공차 및 플래시 방지

LSR의 낮은 점도(일반적으로 주입 온도에서 50,000~300,000mPa·s)는 주입 압력에서 0.004mm만큼 작은 간격을 관통하여 매우 얇고 다듬기가 어렵고 정밀 응용 분야에서 허용되지 않는 플래시를 생성한다는 것을 의미합니다. 분할선 표면은 금형 면 전체에 걸쳐 0.005mm 이내로 편평하게 연삭되어야 하며, 체결력은 사출 및 경화 전반에 걸쳐 캐비티 압력에 대해 분할선이 닫힌 상태를 유지할 수 있을 만큼 충분해야 합니다. 필요한 조임력은 투영된 부품 면적과 최대 캐비티 압력을 기준으로 계산되며 일반적인 안전계수는 1.5~2가 적용됩니다. 소형 의료 부품을 생산하는 다중 캐비티 LSR 금형의 경우, 적당한 샷 크기의 기계에서도 일반적으로 50~150톤의 조임력이 사용됩니다.

공기 대피를 위한 환기 전략

LSR 금형 캐비티에 갇힌 공기는 가스가 용융물에 흡수되는 일부 열가소성 공정에서처럼 재료를 통해 빠져나갈 수 없습니다. LSR에 갇힌 공기는 투명 또는 반투명 LSR 화합물에서 특히 눈에 띄는 보이드, 불완전한 충전 및 표면 결함을 생성합니다. LSR 금형 설계에는 두 가지 배기 전략이 사용됩니다. 최종 충전 위치에 배치된 0.003~0.005mm 깊이의 정밀 연삭 분할선 배기를 통한 수동 배기와 사출 직전에 전용 배기 채널을 통해 진공 펌프가 닫힌 금형 캐비티를 배기하는 능동 진공 배기입니다. 진공 보조 LSR 성형은 복잡한 형상 부품, 0.5mm 미만의 얇은 벽 또는 이식형 의료 부품과 같이 보이드 함량이 0인 품질 요구 사항이 있는 응용 분야에 필수입니다.

열 설계 및 난방 시스템 레이아웃

모든 캐비티에 걸쳐 일관된 경화 속도를 위해서는 균일한 금형 온도가 필수적입니다. 특히 캐비티 간의 온도 변화로 인해 경도, 수축 및 기계적 특성이 서로 다른 부품이 생성되는 다중 캐비티 도구에서는 더욱 그렇습니다. 전기 카트리지 히터는 LSR 금형의 가장 일반적인 가열 방법으로, 정상 상태 생산 조건에서 측정 시 캐비티 표면에 걸쳐 ±3°C 이내의 온도 균일성을 달성하는 정확한 위치 패턴에 설치됩니다. LSR 작업 전용 금형 온도 컨트롤러는 ±1°C의 설정점 정확도를 유지하고 매 사이클마다 뜨거운 금형 표면에 차가운 LSR을 주입하여 발생하는 열 추출에 신속하게 반응합니다. 금형 베이스가 아닌 캐비티 표면에서 5mm 이내에 열전대를 배치하면 더 대표적인 캐비티 온도 피드백과 더 엄격한 제어가 제공됩니다.

주요 공정 매개변수와 부품 품질에 미치는 영향

일관성 있고 결함 없는 부품을 생산하기 위해 LSR 사출 성형 공정을 제어하려면 각 공정 매개변수가 최종 결과에 어떻게 영향을 미치는지 이해해야 합니다. 다음 표에는 중요한 매개변수, 일반적인 작동 범위, 주로 영향을 미치는 품질 속성이 요약되어 있습니다.

경화 시간은 특히 영향을 미칩니다. 왜냐하면 경화되지 않은 LSR 부품은 탈형 중에 찢어지고, 과도한 경화는 완전한 가교 밀도에 도달한 후 기계적 특성을 의미 있게 개선하지 못한 채 사이클 시간을 낭비하기 때문입니다. 주어진 금형 온도에 대한 최소 경화 시간은 최소 허용 경화 시간이 확인될 때까지 부품이 점진적으로 더 짧은 간격으로 탈형되고 인열 강도 및 압축 영구 변형에 대해 테스트되는 경화 연구를 통해 설정됩니다. 생산 시 정상적인 공정 변화를 고려하여 최소 경화 시간에 10~15%의 안전 여유가 추가됩니다.

성형성 및 성능을 위한 LSR 부품 설계

LSR 사출 성형을 위한 부품 설계에서는 재료의 고유한 높은 탄성, 낮은 모듈러스 및 상당한 경화 수축 조합을 고려해야 합니다. 열가소성 수지 및 압축 성형 실리콘 고무 설계 지침과 다른 여러 설계 규칙이 LSR에 특별히 적용됩니다.

• 벽 두께 균일성: LSR은 얇은 부분으로 쉽게 흐르지만 벽 두께가 매우 불균일하면 경화 속도가 다르고 잔류 응력이 발생하여 탈형 후 변형이 발생합니다. 부품 전반에 걸쳐 벽 두께 변화를 최대 3:1(이상적으로는 2:1) 비율로 유지하면 이러한 효과가 최소화됩니다. 두꺼운 부분과 얇은 부분 사이의 전환은 갑작스러운 단계보다는 반경을 사용하여 점진적으로 이루어져야 합니다.
• 탈형을 위한 구배 각도: LSR의 높은 탄성은 언더컷 위로 늘어져 금형에서 튀어나올 수 있음을 의미하지만, 내부 벽의 측면당 3°~5°의 구배 각도는 필요한 탈형력을 줄이고 금형 수명을 연장합니다. 질감이 있거나 접착된 표면의 경우 부품 배출 중에 표면 질감이 찢어지는 것을 방지하기 위해 5°~10°의 더 높은 구배 각도를 권장합니다.
• 게이트 위치 및 크기: LSR 게이트는 부품의 가장 두꺼운 단면에 위치하여 재료가 두꺼운 부분에서 얇은 부분으로 흐르도록 하여 미세한 형상에서 미성형이 발생할 위험을 줄여야 합니다. 터널 게이트와 핀 게이트는 재료의 탄성 회복으로 인해 LSR에서 완전히 자동으로 게이트가 해제되므로 수동 트리밍이 필요한 증거 표시를 남기는 엣지 게이트보다 선호됩니다.
• 캐비티 치수의 수축 보상: LSR은 탈형 및 경화 후 선형적으로 2~4% 수축하며, 목표 부품 치수를 달성하려면 예상 수축량만큼 캐비티 치수를 확대해야 합니다. 수축은 복합 경도계, 경화 온도 및 부품 형상에 따라 다르므로 도구가 완성되기 전에 각 특정 화합물 및 금형 설계에 대한 실제 수축을 보정하기 위한 초기 도구 시험이 필수적입니다.

LSR 성형의 일반적인 결함과 근본 원인

잘 설계된 금형과 적절하게 구성된 기계가 있어도 LSR 사출 성형은 체계적인 진단과 해결을 위해 공정 조정이 필요한 일련의 반복적인 결함에 취약합니다. 기계, 금형, 재료 또는 프로세스 매개변수에 있는지 여부에 관계없이 각 결함의 근본 원인을 식별하는 것은 보상 매개변수 변경으로 증상을 가리기보다는 효과적인 시정 조치를 구현하는 데 필수적입니다.

• 플래시: 가장 일반적인 LSR 결함은 과도한 사출 압력, 불충분한 체결력, 마모되거나 공차를 벗어난 분할선 표면, 캐비티 압력에 따른 금형 편향으로 인해 발생합니다. 시정 조치에는 클램핑 힘의 적절성 확인, 파팅 라인 표면 재연마, 사출 속도 및 압력 감소, 금형 플레이트 평탄도 및 지지 기둥 상태 확인 등이 포함됩니다.
• 부족한 샷과 불완전한 채우기: 이는 샷 볼륨이 부족하거나 통풍구가 막혔거나 공기가 갇히거나 온도 변화로 인해 배럴이나 콜드 러너에 부분적으로 겔화된 재료로 인해 발생합니다. 벤트 채널 점검 및 청소, 배럴 및 콜드 러너 온도 확인, 샷 볼륨 약간 증가가 첫 번째 진단 단계입니다.
• 탈형 중 찢어짐: 경화 시간이 부족하거나 금형 온도가 낮아 경화가 덜 진행되었음을 나타냅니다. 체류 시간을 연장하거나 금형 온도를 5~10°C 높이면 대부분의 찢어짐 문제가 해결됩니다. 복잡한 형상이 지속적으로 찢어지면 부품 형상이 취출 중에 설계 수정이 필요한 응력 집중을 생성하는 금형 설계 문제를 나타낼 수 있습니다.
• 공동 사이의 경도 변화: 캐비티 플레이트 전체에 걸쳐 금형 온도가 균일하지 않아 캐비티마다 경화 속도가 다르기 때문에 발생합니다. 생산 중 금형 표면의 열전대 매핑을 통해 고온 및 저온 영역을 식별하고 사양 내에서 열 균일성을 달성하기 위해 히터 배치 또는 전력 분배 조정이 이루어집니다.