사출성형은 온도, 압력, 시간, 속도, 위치 조건에 따라 성형품 결과가 다르게 나타난다. 제품표면과 내부에 나타나는 싱크마크, 웰드라인, 플로마크, 제팅, 미성형, 플래시, 박리, 은줄, 흑줄, 태움, 기포, 크랙, 휨 등이 대표적인 불량이다.
싱크마크
싱크마크(sink mark)는 성형품 표면에 나타나는 수축 현상으로 오목하게 들어간 모양이다. 사출압력, 보압, 사출속도, 수지온도, 금형온도 등에 밀접한 영향을 받는다. 냉각이 불균일한 경우에도 나타나는데 수축 억제를 위해 살두께가 두꺼운 부분에 충분한 냉각을 설치하도록 한다. 리브나 보스처럼 용융수지가 모여 체적이 커지는 부위는 수지가 빠져 들어가는 입구에 금형살을 살려 살두께를 줄이는 방법을 사용한다. 체적수축 편차를 최소화하기 위해 성형품 두께를 일정하게 유지하도록 제품디자인하는 것도 해결방안이다. 금형설계 측면에서는 캐비티 말단 부위까지 보압이 작용하도록 스프루, 러너, 게이트 크기를 적당히 크게 한다. 낮은 사출압력, 짧은 보압시간, 높은 수지온도와 금형온도는 싱크마크의 원인으로 작용하므로 조건을 재설정한다.
웰드라인
웰드라인(weld line)은 용융수지가 분기하여 흐르다가 다시 합류하는 지점에 생기는 가느다란 경계선이다. 미관상 보기가 좋지 않고 용융수지 합류 지점의 강도가 약하기 때문에 이 부분이 외부 충격에 쉽게 파손된다. 웰드라인을 완벽하게 제거할 수는 없으므로 게이트 조건을 조정하여 성형품 외관과 강도에 지장을 주지 않는 위치로 배치하는 것이 중요하다. 게이트에서 뻗어나가는 유동거리가 길면 유동성이 감소하여 웰드라인 발생에 유리한 조건이 된다. 웰드라인을 최소화하기 위한 방법으로 유동해석을 거쳐 게이트 위치와 수량을 결정하는 것이 중요하다. 핫러너 다점 밸브게이트에서는 시퀀스 타이머를 사용하여 노즐을 시간차 개방함으로써 웰드라인 위치에 변경을 줄 수 있다. 웰드라인을 감소시키기 위한 목적으로 유동성을 증가시켜야 하는데 금형온도를 80℃ 이상으로 올리는 고온성형을 하기도 한다. 가스가 모이는 위치를 예상하여 가스벤트 코아를 설치하고 공기를 외부로 배출시키면 유동수지 흐름이 좋아져 웰드라인 감소에 도움이 된다.
플로마크
플로마크(flow mark)는 수지가 흘러가면서 성형품 표면에 나타나는 유동궤적 물결 무늬이다. 과도한 냉각, 낮은 금형온도, 높은 유동 점도, 느린 사출속도가 유동성을 떨어뜨려 플로마크를 발생시킨다. 웰드라인 방지대책과 마찬가지로 유동성을 좋게 하는 방향으로 성형조건을 조정한다.
제팅
제팅(jetting)은 뱀의 움직임처럼 꾸불꾸불한 흐름 자국이 성형품 표면에 나타나는 불량이다. 작은 단면적의 사이드 게이트에서 주로 발생한다. 유속이 너무 빠르거나 금형온도가 낮을 경우 일어난다. 게이트 단면적을 크게 해서 유속을 감소시키고, 노즐에서 빠져나온 최초의 수지(온도가 낮은 최초의 용융수지)를 담아놓도록 콜드슬러그웰(cold slug well)을 설치한다. 캐비티에 들어온 수지가 잘 흘러가도록 금형온도를 높인다.
미성형
미성형(short shot)은 용융수지가 완전 충진되지 않은 상태에서 냉각 고화하는 불량이다. 성형 체적에 비해 캐비티 안으로 공급하는 수지가 적어서 나타나는 미성형의 경우 계량을 증가시키거나 사출중량이 큰 성형기를 사용한다. 충진이 어려운 부분을 성형시키기 위해서는 수지와 금형온도를 높게 해서 용융수지의 흐름을 좋게 한다. 냉각이 시작되면 유동성이 급격히 떨어지므로 사출속도를 증가시켜 냉각 이전에 완전 충진할 수 있도록 조건을 조정한다. 사출성형기 노즐에서 캐비티까지 이어지는 유로를 통과하는 동안 급격한 압력강하가 진행되므로 스프루, 러너, 게이트의 크기를 너무 작지 않게 설정하는 것도 도움이 된다. 살두께가 너무 얇은 부위의 미성형은 수지 흐름에 방해를 받으므로 허용하는 범위 안에서 두께를 키운다. 유동수지 흐름을 개선시키는 플로리더(Flow leader)를 추가하는 것도 고려해 볼 만하다. 뜨거운 열기와 만나 캐비티 내부에 공기 혹은 플라스틱이 분해되어 가스가 발생하게 되면 그 공간만큼 미성형이 발생한다. 이 경우 파팅면에 공기가 빠져나갈 수 있도록 에어벤트(Air vent, Gas vent)를 가공해야 한다. 가스가 성형품 내부에 발생하면 여러 층의 얇은 편으로 이루어진 가스빼기 입자코아 구조를 설정한다. 미성형 부위의 가스가 빠져나간 체적만큼 수지가 충진된다. 게이트 수량이 많다고 반드시 충진에 유리한 것은 아니다. 너무 가까이 있는 게이트는 유동수지가 충돌하여 주변으로 나아가지 못하고 오히려 형체력을 증가시킨다. 유동해석과 금형설계 단계에서 적은 수량의 게이트를 최적 위치에 배치하는 것이 바람직하다.
플래시, 버
플래시(Flash)는 파팅면, 성형품 내부의 입자코아 및 핀의 경계면 틈새로 수지가 새어들어가 성형품과 함께 딸려나오는 불량이다. 틈새는 대부분 가공오차와 조립오차에 기인하므로 맞춤작업을 정밀하게 마무리해야 한다. 과대한 사출압은 형판 변형을 일으켜 파팅면 플래시를 유발하기도 한다. 변형 방지를 고려한 형판 두께를 설정하고 가동측 형판과 가동측 설치판 사이에 지지봉(support pin)을 충분히 설치하여 변형을 방지하도록 한다. 금형내압이 커져 형체력을 초과하면 가동측 형판이 밀려나 버(burr)가 발생한다. 이 경우에는 투영면적 혹은 살두께를 조절하여 금형내압을 줄이거나 형체력이 한 단계 큰 사출성형기로 변경한다. 과대한 재료 공급, 높은 수지온도 등도 플래시의 원인으로 작용할 수 있다. 플래시는 가장 기본적인 사출성형 불량유형이므로 반드시 T2 이내에 제거하는 것을 목표로 한다. 금형수명에 다다를 정도로 생산을 오래 한 금형은 마모로 인해 틈새가 벌어지므로 정기적인 금형유지보수 작업이 필요하다.
박리
사출성형품을 절단해서 단면을 살펴보면 표면층이 분리되어 있는 부적합 현상이 가끔 발견된다. 보호 필름을 붙힌 다음 일정시간 경과 후 떼어내면 표면층이 얇게 벗겨지기도 한다. 경우에 따라서는 칼날로 긁는 과정을 통해 박리(delamination) 정도를 확인할 수 있다. 박리가 발생하는 주요 원인과 대책은 다음과 같다. 첫째, 서로 다른 수지의 혼입은 가장 대표적인 박리 원인이며 게이트 주변에서 뚜렷하게 나타난다. 원재료가 오염되지 않도록 실린더 내부와 호퍼를 깨끗히 청소하고 잔류수지를 배출하도록 충분한 퍼징(purging)을 해야 한다. 청소가 불충분한 경우 스크류에 붙어있던 다른 수지가 사출 도중 떨어져 나와 박리를 유발시킨다. 둘째, 성형조건의 부적합이다. 용융수지 온도와 금형온도가 너무 낮으면 금형면에 접촉한 수지가 즉시 고화되고 중심부 수지와의 온도차가 커서 서로간에 고화 속도가 다르게 나타난다. 박리 현상을 억제하기 위해서는 수지온도와 금형온도를 높이는 방향으로 최적화해야 한다. 셋째, 활제(유동성을 좋게 해서 가공을 쉽게 하기 위한 것과 성형품을 형틀에서 빼내는 것을 쉽게 하기 위해 첨가하는 약제가 있음)의 과다 사용이다. 활제는 성형품 표면으로 노출되어 아주 얇은 박막을 만든다. 열안정성이 낮은 활제는 박리현상을 유발하는데 게이트 주위에서 시작하여 성형품 전체로 퍼져 나간다. 기타 요인으로는 게이트 크기가 너무 작으면 수지 유입 속도가 늦어져 얇은 층을 형성하게 된다. 게이트와 러너를 키우는 금형설계는 박리 현상을 억제시킨다. 인서트가 있는 경우 낮은 온도의 금속재질 인서트로 인해 박리 현상이 발생할 수 있는데 인서트를 예열한 후 사출하거나 게이트의 위치를 인서트가 있는 곳에서 멀리 배치하면 효과가 있다.
은줄, 흑줄
은줄(siver streak)은 유동 방향으로 은백색의 선이 성형품 표면에 두드러지게 나타나는 현상이다. 흑줄(black streak)은 수지 흐름 방향으로 검은 줄이 나타나는 현상이다. 금형 표면이 오염된 상태에서 높은 사출압과 빠른 속도는 은줄과 흑줄의 원인이 된다. 캐비티 표면 청결 상태가 중요하다. 수지에 함유되어 있는 안정제와 안료의 열분해는 은줄을 발생시키고, 용융수지의 실린더 체류시간이 길어서 일어나는 수지분해는 흑줄을 일으킨다. 건조상태가 불충분하여 수분을 함유하고 있는 원료로 성형하면 은줄이 발생하므로 원료를 충분히 건조해야 한다. 재생수지를 사용하는 경우 분쇄입자 크기가 불균일하면 혼합재료 사이의 빈 틈으로 더 많은 공기가 혼입되어 은줄을 유발시킨다. 재생수지를 사용하려면 분쇄입자 크기를 작고 균일하게 해야 한다. 사출압력과 사출속도를 낮추고 게이트 단면적을 키우는 것도 은줄 억제에 도움이 된다. 색상 교체시 이전 수지가 핫러너 매니폴드에 잔류하고 있으면 흑줄을 발생시킨다. 새로운 수지로 사출하기 전에 이전 수지를 전량 배출하도록 충분한 퍼징을 해야 한다. 캐비티 안으로 공기가 유입되면 검게 타서 성형품에 묻어 나오므로 호퍼에 공기가 혼입되지 않도록 관리한다.
태움
태움(burn)은 캐비티 내부에 있던 공기가 매우 짧은 시간에 고온 고압의 용융수지 영향으로 성형품을 까맣게 태우는 불량이다. 유동수지에 의해 밀려난 공기는 리브(rib) 바닥이나 보스(boss) 바닥과 같은 성형부 끝단에 모여 타게 된다. 해당 부위에 가스벤트 혹은 공기가 새어나갈 수 있도록 입자코아를 설치하는 방법이 필요하다. 헐거운 끼워맞춤 공차를 적용하는 밀핀의 설치는 구멍과 축의 틈새로 주변의 공기를 배출하는 역할을 수행한다. 플로마크가 생기지 않는 범위 내에서 수지온도를 내리고 사출속도를 느리게 하면 도움이 된다.
기포
기포(pin hole)는 성형품 내부에 생긴 작은 물방울 모양의 빈 공간이다. 재료를 충분히 건조시켜서 수분이나 휘발분을 제거해야 한다. 진공 상태를 만들기 위해 캐비티에 있는 공기를 빼내는 배출기구를 고려할 필요가 있다. 캐비티 진공상태는 태움과 기포발생 예방에 효과가 있다. 수지온도와 금형온도를 높게 해서 유동성을 개선하는 것도 기포 억제에 효과가 있다. 살두께가 두꺼운 부분에 나타나기 쉬우므로 두께 조절을 시도하는 것도 바람직하다.
크래이징, 크랙
크래이징(crazing)은 성형품 표면에 나타나는 스크래치 같은 가느다란 실선이다. 유동 단면에서 금형면에 접촉하는 고화층과 중심부분을 흐르는 유동층 사이에 급격한 전단력이 작용한다. 표면층의 유동을 개선하기 위해 수지온도와 금형온도를 올린다. 크레이징이 더 진행되면 크랙(crack)으로 발전한다. 금형온도 분포가 불균일하면 냉각차에 의해 응력이 집중되고 크랙으로 이어진다. 살두께가 두꺼운 부분의 냉각이 불충분한 상태에서 이젝팅을 수행하면 밀핀 주위에 크랙이 발생하는 경향이 있다. 크랙을 예방하기 위해 충분한 냉각시간을 주거나 응력이 집중해 있는 제품의 각진 모서리를 둥글게 R로 처리하는 것이 좋다. 크랙은 밀핀 배치 불균형, 빼기구배 부족과 래핑불량, 가공오류에 의해 발생한 미세한 언터컷 등으로 인해 취출이 불안정할 때도 자주 발생한다.
휨, 변형
휨(warpage)의 가장 큰 원인은 불균일한 냉각이다. 빨리 냉각되는 곳은 수축이 작고 늦게 냉각되는 곳은 수축이 크기 때문에 휨과 변형이 발생한다. 다점 게이트의 위치가 부적절하여 유동패턴 균형이 깨지면 부위별 충진시간 차이가 발생하고 먼저 충진된 부분과 나중에 충진된 부분의 수축 크기가 달라서 휨 발생 가능성을 높인다. 유동해석을 통해 온도분포 결과를 확인한 후 냉각속도를 균일하게 하는 냉각채널와 균형잡힌 유동패턴을 확보하도록 하는 게이트 수량과 위치 설정이 필요하다.