내부 스트레스 발생
각 사출 성형품에서는 국부적인 응력 상태가 위치마다 다르며, 제품의 변형 정도는 잔류 응력 분포에 따라 결정됩니다. 제품 냉각 시 온도 구배가 있으면 이러한 응력이 발달하므로 ‘성형 응력’이라고도 합니다.
성형 공정에서 발생하는 사출 성형 부품의 내부 응력에는 사출 성형품의 성형 응력과 온도 잔류 응력 두 종류가 있습니다. 비교적 낮은 온도의 용융 수지가 금형에 들어가면 캐비티 벽 근처의 용융 수지가 빠르게 냉각·고화되어 분자 사슬 세그먼트가 ‘동결’됩니다.
응고된 폴리머 층의 잔류 열 응력 전도도가 낮기 때문에 제품의 두께 방향으로 큰 온도 구배가 발생합니다.
제품 중심부는 비교적 천천히 고화되므로 게이트가 닫힐 때 제품 중앙의 용융부가 아직 고화되지 않았으며, 이때 사출 성형기는 냉각 수축을 보상할 수 없습니다.
따라서 제품의 내부 수축은 딱딱한 피부층의 작용과 반대 방향으로 이루어지며, 코어는 정적 장력 상태이고 표면층은 정적 압축 상태입니다.
용융물 충전 흐름에는 응력에 의한 부피 수축 효과 외에도 러너와 게이트 출구의 팽창 효과로 인한 응력이 있습니다. 러너와 게이트 출구의 팽창 효과로 인한 응력도 있는데, 전자의 효과는 용융 흐름 방향과 관련된 응력을 유발하고 후자는 출구 팽창 효과로 인해 흐름에 수직인 방향으로 응력을 유발합니다.
스트레스에 영향을 미치는 프로세스 요인
급속 냉각 조건에서 배향은 폴리머에 응력을 형성합니다. 폴리머 용융물의 점도가 높기 때문에 내부 응력이 빠르게 완화되지 않아 제품의 물리적 특성과 치수 안정성에 영향을 미칩니다.
각 파라미터가 방향 스트레스에 미치는 영향
(1) 용융 온도, 높은 용융 온도, 낮은 점도 및 전단 응력은 방향을 감소시킵니다. 반면에 용융 온도가 높기 때문에 응력 이완이 가속화되어 방향성을 강화하는 능력을 촉진합니다.
(2) 사출 성형기의 압력을 변경하지 않는 경우 금형 캐비티 압력이 증가하고 강한 전단 효과로 인해 방향 응력이 증가합니다.
(3) 노즐이 닫히기 전에 유지 시간을 연장하면 방향 응력이 증가합니다.
(4) 사출 압력을 높이거나 압력을 유지하면 방향 응력이 증가합니다.
(5) 금형 온도가 높으면 제품이 천천히 냉각되고 방향이 맞지 않는 역할을 할 수 있습니다.
(6) 벽이 두꺼운 제품은 천천히 냉각되고 점도가 증가하며 장시간의 응력 완화 과정이 있으므로 방향 응력을 줄이기 위해 제품의 두께를 늘리면 방향 응력이 작습니다.
온도 스트레스에 미치는 영향
(1) 위에서 언급했듯이 사출 금형을 충전할 때 용융 수지와 금형 벽 사이의 온도 구배가 크기 때문에, 먼저 응고하는 용융 수지의 외층이 나중에 응고하는 얇은 내측 표면층의 수축을 억제하게 됩니다. 그 결과 외층에는 압축 응력(수축 응력)이, 내층에는 인장 응력(배향 응력)이 발생합니다.
(2) 금형이 충전된 후 보압 작용이 장시간 계속되면 폴리머 용융물이 금형 캐비티에 추가되어 캐비티 내 사출 성형 압력이 증가하며, 이 압력은 불균일한 온도로 인해 내부 응력을 변화시킵니다.
그러나 유지 시간이 짧고 캐비티 압력이 낮은 경우 제품은 냉각 시에도 원래의 응력 상태를 유지합니다.
(3) 제품 냉각 초기 단계에서 금형 캐비티 압력이 부족하면 제품 외층에 고화 수축으로 인한 함몰이 생깁니다. 반면 제품에 냉각 경화층이 형성된 후기 단계에서 사출 금형 캐비티 압력이 부족하면 수축으로 인해 제품 내층이 분리되거나 공동이 형성됩니다.
(4) 게이트가 닫히기 전에 캐비티 압력이 유지되면 제품의 밀도를 높이고 냉각 온도 응력을 제거하는 데 유리하지만 게이트 근처에서 큰 응력 집중이 발생합니다.
(5) 따라서 금형 내 압력이 클수록 유지 시간이 길어져 온도에 의해 발생하는 수축 응력이 감소하고 그 반대의 경우 압축 응력이 증가하는 것으로 보입니다.
내부 스트레스와 제품 품질 간의 관계
(1) 제품에 내부 응력이 존재하면 제품의 기계적 특성 및 성능에 심각한 영향을 미치며, 내부 응력의 존재 및 고르지 않은 분포로 인해 제품 사용 과정에서 균열이 발생할 수 있습니다.
사용 이하의 유리 전이 온도에서는 종종 불규칙한 변형이나 뒤틀림이 발생하지만 제품의 표면이 “흰색”, 흐린, 광학 특성 저하를 유발합니다.
(2) 게이트의 온도를 낮추고 제품의 잔류 응력 불균일성을 개선하는 데 도움이되는 느린 냉각 시간을 늘려 제품의 기계적 특성이 균일하도록합니다.
(3) 결정성 폴리머 또는 비결정성 폴리머에 관계없이 인장 강도는 이방성 특성을 나타냅니다.
비결정성 폴리머의 인장 강도는 게이트 위치에 따라 달라집니다. 게이트 방향이 금형 충전 방향과 같으면 용융 수지 온도가 높아질수록 인장 강도가 감소합니다. 반면 게이트가 사출 금형 충전 방향에 수직이면 용융 수지 온도가 높아질수록 인장 강도가 증가합니다.
(4) 용융 온도가 상승하면 방향 전환 효과가 강화되는 반면 방향 전환 효과가 약화되면 인장 강도가 감소합니다.
게이트의 방향은 재료의 흐름 방향에 영향을 주어 방향에 영향을 미치며, 비결정성 폴리머의 이방성이 결정성 폴리머보다 강하기 때문에 흐름 방향에 수직인 방향의 인장 강도는 전자가 후자보다 더 큽니다.
저온 사출 성형은 고온 사출보다 기계적 이방성이 큽니다. 예를 들어 유동 방향에 대한 수직 방향의 강도비는 사출 온도가 높을 때 1.7, 낮을 때 2입니다.
(5) 따라서 용융 온도가 증가하면 결정성 및 비결정성 폴리머 모두 인장 강도가 감소하는 것으로 보이지만 메커니즘은 다르며 전자는 배향을 통한 감소 효과로 인한 것입니다.
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