사출성형 보압해석

왜 배우는가: 보압해석은 사출성형 CAE에서 제품의 수축과 치수를 좌우하는 단계를 다루므로, 금형 설계와 성형 조건 설정에 직접 쓰인다. 이 주제는 3회차 시험에서 2교시와 4교시 문항으로 반복해 출제되었으며, 보압유지시간과 체적수축률을 연결해 설명하는 능력을 요구한다.

출제 이력: 제123회 2교시 4번, 제118회 4교시 2번, 제91회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

보압해석은 충전 후 보압 단계의 압력과 수축 거동을 CAE로 예측하여 보압유지시간을 정하는 해석이다.

보압해석은 사출성형 해석의 한 단계로, 충전 해석이 끝난 뒤부터 게이트가 굳을 때까지의 거동을 다룬다. 충전 해석이 금형 안을 수지가 채우는 과정을 본다면, 보압해석은 채워진 수지를 압력으로 보충하면서 제품이 수축하고 굳어 가는 과정을 본다. 이 단계의 결과가 제품의 수축량과 치수를 결정하므로, 보압해석은 시험 사출 없이 성형 조건을 정하는 데 쓰인다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 보압
• 보압유지시간
• 체적수축률
• 게이트 고화
• V/P 전환
• 싱크마크
• 치수 정밀도
• 충진 해석

이 키워드들은 서로 얽혀 있어 하나를 빼면 해석 결과를 읽을 수 없다. 뒤의 절에서 원리와 함께 풀어 쓴다.

2. 개념 풀이

보압해석의 정식 정의는 사출 공정에서 캐비티 충전이 끝난 뒤 보압을 가해 수지 밀도를 높이는 과정을 수치 모델로 재현하고, 압력 분포, 밀도 변화, 수축과 변형, 게이트 고화 시점을 계산하는 해석이다. 해석 결과는 보압의 크기와 유지 시간이 제품 품질에 미치는 영향을 정량적으로 보여준다.

원리는 수지의 열수축에 있다. 용융 수지는 냉각되면서 부피가 줄어드는데, 충전 후 압력을 바로 끊으면 줄어든 만큼 캐비티 안에 빈 공간이 생긴다. 보압은 게이트를 통해 추가 수지를 밀어 넣어 이 부족분을 보충하며, 그 결과 제품의 체적수축률이 낮아진다.

보압이 캐비티에 전달되는 경로는 게이트뿐이다. 따라서 게이트가 굳은 뒤에는 보압을 더 가해도 캐비티 안 수지에 영향을 주지 못한다. 게이트의 용융 재료가 경화되기 전까지 보압 시간은 제품의 치수 정밀도에 영향을 미치고, 그 이후에는 영향을 주지 않는다. 판단 기준이 되는 시점이 바로 게이트 고화 시각이다.

충전에서 보압으로 넘어가는 시점은 보압절환위치(V/P위치)로 정한다. V/P 전환 시점이 너무 빠르면 충진이 부족해지고, 너무 늦으면 과충전이 생긴다. 그래서 보압해석에서는 V/P 전환 시점과 보압 크기를 함께 바꿔 보며 최적 조건을 찾는다.

계산은 충전 해석의 결과를 초기 조건으로 받아 보압 단계를 짧은 시간 간격으로 나누어 진행한다. 각 간격에서 압력이 밀도를 바꾸고, 밀도 변화가 수축량을 정하며, 수축된 부피만큼 수지가 게이트를 통해 보충된다. 이 과정을 게이트가 굳는 시점까지 반복한 뒤 결과를 집계한다.

해석에 필요한 입력은 수지의 점도와 압력-체적-온도(PVT) 특성, 금형 온도, 게이트와 러너 형상, V/P 전환 시점, 보압의 크기와 유지 시간이다. 수지의 PVT 특성은 압력과 온도에 따라 부피가 어떻게 변하는지를 나타내므로 체적수축률 계산의 기초 자료가 된다. 입력이 실제와 다르면 수축량 예측도 빗나가므로 실측 물성을 우선 쓴다.

해석 결과는 캐비티 안의 압력 분포, 밀도 분포, 체적수축률 분포, 게이트 고화 시각으로 얻는다. 압력 분포는 보압이 부품 끝단까지 전달되는지를, 수축 분포는 두꺼운 부위에 수축이 집중되는지를 보여준다. 보압유지시간의 최적값은 재료 온도, 몰드 온도, 스프루 및 게이트의 크기에 따라 달라진다. 이 때문에 보압유지시간은 고정된 값이 아니라 조건별로 구해야 하는 값이며, 보압해석은 보압의 크기와 시간을 바꿔 가며 수축 분포를 비교하는 방식으로 활용된다.

3. 등장 배경과 필요성

사출성형품은 두께가 부위마다 달라 냉각 속도가 다르고, 그 차이 때문에 수축량도 부위별로 달라진다. 보압이 부족하면 표면에 싱크마크가 생기고 치수가 설계값에서 벗어나며, 두꺼운 부위 중심에 빈 공간이 생길 수 있다. 이런 불량은 치수 정밀도 요구가 높은 부품일수록 문제가 된다.

과거에는 시험 사출을 반복하며 보압 조건을 찾았다. 금형을 한 번 가공한 뒤 조건을 고치려면 금형 수정 비용과 기간이 추가로 든다. 보압해석은 이 시행착오를 컴퓨터 안에서 먼저 수행하여 게이트 위치, 보압 크기, 보압유지시간을 설계 단계에서 비교하게 한다. 해석 결과를 금형 제작 전에 검토하면 금형 수정 횟수를 줄일 수 있다는 점도 실무에서 중요하다.