배압

왜 배우는가: 배압은 계량 단계의 용융 온도와 계량 정밀도를 좌우하는 설정 조건이므로 사출 조건을 정하는 기본 개념이다. 사출 조건과 성형 불량을 연결해 묻는 문항에서 자주 다뤄지므로 원리와 불량 사이의 관계를 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제136회 4교시 4번, 제133회 4교시 2번, 제120회 1교시 7번, 제111회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

배압은 계량 중 스크류가 뒤로 밀려나는 것에 맞서 스크류 앞쪽 용융 수지에 걸리는 저항 압력이다.

이 정의는 답안 첫 줄에 그대로 옮겨 쓸 수 있다. 배압은 사출성형기의 가소화 공정 가운데 계량 단계에서만 작동하는 설정 조건이다. 스크류가 회전하며 수지를 앞으로 보내면 스크류 앞쪽에 용융 수지가 쌓이고, 그 압력이 스크류를 뒤로 밀어낸다. 배압은 이 후퇴 힘에 저항하도록 거는 압력이므로 용융 품질과 계량량을 함께 좌우한다.

배압은 수지를 금형에 밀어 넣는 사출 압력과 구별해야 한다. 사출 압력은 용융 수지로 금형 캐비티를 채우는 힘이고, 배압은 계량 단계에서 스크류의 후퇴를 누르는 힘이다. 두 값을 혼동하면 계량 불량과 충전 불량의 원인을 잘못 짚게 된다. 따라서 답안에서는 배압을 계량 단계의 조건으로 한정해 서술한다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 배압
• 계량
• 가소화
• 스크류 후퇴
• 전단열
• 가스 벤팅
• 용융 균일성

2. 개념 풀이

배압의 정식 정의는 사출성형기가 계량하는 동안 스크류가 후퇴할 때 스크류 선단에 가하는 역방향 압력이다. 계량은 스크류가 회전하며 수지를 가열 실린더 앞쪽으로 이송해 한 샷에 필요한 용융량을 모으는 과정이다. 이때 앞쪽 용융 수지의 압력이 설정된 배압을 넘어야 스크류가 뒤로 밀려나며 계량이 진행된다.

이 관계를 식으로 쓰면 다음과 같다.

$P_f > P_b$

여기서 P_f는 스크류 선단 용융 수지의 압력이고, P_b는 배압이다. 두 값의 단위는 모두 MPa이다. 전면 압력이 배압보다 높으면 후퇴가 배압 원리의 출발점이다.

배압을 높이면 스크류가 후퇴하기 어려워진다. 그러면 수지가 스크류 표면과 접촉하는 시간이 길어지고, 전단 변형으로 생기는 전단열이 커져 용융 온도가 상승한다. 반대로 배압이 낮으면 스크류가 빠르게 후퇴하여 수지 속 공기가 제거되지 않은 채 계량되므로, 계량량이 실제보다 적거나 부정확해진다. 스크류는 후퇴하는 동안에도 회전을 계속하므로, 배압은 회전 중 수지가 받는 전단 작용의 강도를 간접적으로 바꾼다. 결국 배압은 용융 온도의 균일성과 계량 정밀도를 동시에 조절하는 변수이다.

배압과 용융 온도의 관계를 대략의 모양으로 그리면 다음과 같다. 정밀한 값이 아니라 증가 경향과 적정 구간의 위치만 나타낸다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 계량: 스크류가 회전하며 수지를 가열 실린더 앞쪽으로 이송해 한 샷분 용융 수지를 모으는 단계이다. 배압은 이 단계에서만 걸린다.
• 전단열: 스크류와 수지 사이의 전단 변형으로 생기는 열이다. 배압이 높을수록 접촉 시간이 길어져 전단열이 커진다.
• 가스 벤팅: 용융 수지 속 공기와 휘발 가스를 배출하는 작업이다. 적절한 배압은 스크류 회전 중에 공기를 함께 배출하여 금형에 공기가 들어가는 것을 줄인다.
• 가소화: 고체 펠릿을 가열과 전단으로 용융 상태로 바꾸는 공정 전체를 가리킨다. 배압은 가소화의 한 조건이다.

배압의 구체적 설정값은 수지 종류와 성형기 사양에 따라 달라지므로 본문에는 수치를 쓰지 않았다. 배압의 원리와 방향은 수지와 설비가 달라도 같다.

3. 등장 배경과 필요성

사출성형은 용융 수지를 금형에 고압으로 충전해 복잡한 형상의 제품을 대량으로 만드는 공법이다. 현재 주로 쓰이는 방식은 왕복동 스크류이며, 스크류가 회전하면서 수지를 앞으로 보내고 계량이 끝나면 축 방향으로 전진하여 사출한다. 이 구조에서는 계량 중 스크류가 뒤로 밀려나는 현상이 생기고, 이 후퇴를 어느 정도로 누를지 정하는 조건이 배압이다.

배압이 필요한 이유는 제품 품질과 계량 정확도에 있다. 수지가 가열 실린더 안에서 충분히 섞이지 않으면 용융 온도가 고르지 않아 웰드라인 같은 외관 불량과 치수 편차가 생긴다. 배압은 수지와 스크류가 상호작용하는 시간을 늘려 용융을 균일하게 하고, 수지 안의 공기를 밀어내는 역할을 한다. 공기가 빠지지 않은 채 계량된 수지는 금형 캐비티에 기포나 블리스터를 남길 수 있다.