금형 온도·압력 계측방식

왜 배우는가: 금형 내부의 온도와 압력은 성형품 품질을 좌우하지만 외부에서 직접 보이지 않으므로, 계측 방식을 알아야 공정 조건을 근거 있게 설정할 수 있다. 시험에서는 센서의 활용 방법과 직접식·간접식 계측의 비교가 함께 묻는 만큼, 측정 원리와 한계를 정확히 구분해 익혀야 한다.

출제 이력: 제115회 4교시 5번, 제109회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

금형 온도·압력 계측방식은 사출금형 캐비티 안의 수지 온도와 압력을 센서로 측정하여 성형 상태를 관리하는 방식이다. 사출성형품의 품질은 금형 내부에서 진행되는 충전, 보압, 냉각 과정에 의해 결정된다. 그런데 이 과정은 금형 밖에서 직접 볼 수 없으므로, 사출기 화면의 설정값만으로는 실제 상태를 알기 어렵다. 금형 온도·압력 계측은 이 공백을 메우는 수단이며, 측정값을 공정 조건 판단의 기준으로 삼는다는 점에서 사출성형 공정 관리의 기본이 된다. 계측 대상은 크게 두 가지로 나뉜다. 하나는 캐비티 안을 채운 수지의 상태인 캐비티 압력과 용융수지 온도이고, 다른 하나는 금형 자체의 온도인 금형 표면온도이다. 두 대상을 함께 보아야 수지의 흐름과 금형의 열 조건이 서로 어떻게 맞물리는지 설명할 수 있다. 핵심 키워드는 캐비티 압력, 용융수지 온도, 금형 표면온도, 온도센서, 압력센서, 직접식 계측, 간접식 계측, 보압이다. 이 용어들은 뒤의 2절과 4절에서 차례로 풀이한다.

2. 개념 풀이

금형 온도·압력 계측은 금형 내부 또는 금형 표면에 설치한 온도센서와 압력센서로 캐비티 압력과 용융수지 온도를 측정하고, 그 값을 성형 조건의 설정과 이상 판단에 쓰는 계측 체계이다. 측정값은 사출기의 설정값과 비교되어 공정의 재현성을 확인하는 데 쓰인다. 원리는 두 물리량이 충전과 냉각을 각각 지배한다는 데서 출발한다. 사출 압력은 수지가 금형을 채우는 데 필요한 압력이며, 초기 충전은 전체 충전의 약 95%를 차지한다. 사출 압력은 재료에 따라 대략 30,000~100,000kPa 범위에 든다. 이 구간의 압력은 용융수지의 점도와 사출 유량에 의해 결정되므로, 같은 금형이라도 점도가 높은 재료나 유량이 큰 조건에서는 충전에 필요한 압력이 달라진다. 금형 표면온도는 수지가 고화되는 속도를 정한다. 금형 온도가 낮으면 수지가 충전 도중 빨리 굳어 충전 불량이 생기고, 높으면 냉각 시간이 길어져 생산성이 떨어진다. 압력과 온도는 다른 공정 인자보다 품질에 미치는 영향이 커서 일정하게 유지해야 하는 핵심 값이다. 센서 원리는 다음과 같다. 압력센서는 다이어프램이나 피에조 소자의 변형을 전기 신호로 바꾸며, 용량식 압력센서는 다이어프램의 움직임에 따른 정전용량 변화를 측정한다. 온도센서는 열전대의 열기전력이나 측온저항체의 저항 변화를 온도로 환산한다. 계측 방식은 센서가 수지나 금형 내부 값을 직접 감지하는 직접식 계측과, 금형 벽 등 떨어진 위치에서 얻은 값으로 내부 상태를 추정하는 간접식 계측으로 나뉜다. 두 방식은 정확도, 응답 속도, 설치 비용이 달라서 공정과 금형 조건에 맞춰 선택해야 한다.