핫 런너 시스템은 사출 공정에서 꼭 필요한 시스템은 아니지만,
여러 장점과 특징으로 인해 다양한 산업에서 적용하고 있습니다.
핫 런너 시스템이 무엇인지 어떤 장단점이 있는지 알아봅시다.
핫 런너 시스템(hot runner system)이란?
모든 사출 금형에는 액상의 플라스틱 원료가 금형 안으로 들어가는 유로가 존재합니다. 금형 내에 플라스틱 원료를 주입하고 냉각을 하게 되면 이 유로를 흐르던 원료 또한 굳어 형태 그대로 성형이 되죠. 이를 조금 더 자세하게 표현하면 각 부분을 스프루(Sprue), 런너(Runner), 게이트(Gate)라고 합니다.
스프루는 금형에서 사출이 시작되는 입구 부분, 게이트는 액상 수지가 금형으로 들어오는 관문 부분이며 런너는 스프루와 게이트 사이에 응용 수지가 흐르는 부분을 의미합니다. 금형 사출 시에 부득이하게 발생하지만 사실상 불필요한 부분이며 원료를 낭비하는 요인이 되기도 합니다. 이 낭비를 줄이는 것이 바로 핫 런너 시스템 (hot runner system)입니다. 핫 런너는 열가소성 플라스틱 사출에서 런너를 없애는 시스템으로 Cavity 내를 가열하여 스프루와 런너 내 액상 플라스틱을 항상 용융된 상태로 유지시켜주는 시스템입니다.
사실 핫 러너 이전에는 온도를 차갑게 하는 방식의 콜드 런너(Cold runner)가 먼저 고안 되었습니다. 그렇지만 콜드 런너 금형은 원료의 흐름을 제어하기가 어려웠고 열 특성에 영향을 주어 사용하기가 까다롭다는 단점이 있었죠. 또한 기술이 발전함에 따라 플라스틱 원료의 종류가 다양해지고 금형 및 부품 설계가 복잡해졌고 그럴수록 콜드 런너 금형으로 성형 공정을 제어하는 것이 더욱 어려워졌습니다. 이러한 이유로 1960년를 시작으로 콜드 런너와 반대되는 개념의 핫 런너 시스템이 개발 되었습니다. 콜드 런너와는 달리 핫 러너는 온도 조절이 상대적으로 쉬웠고 금형 내 온도 역시 안정적으로 유지 할 수 있었습니다. 또한 각 캐비티별로 개별적으로 온도를 컨트롤 할 수 있으며 제어 범위 역시 더욱 세밀했기에 수지가 요구하는 최적의 온도 조건을 만들어 사출품의 품질 또한 향상 시킬 수 있었습니다.
핫 런너 시스템은 수지 유형, 사출 속도, 충전 속도, 성형 부품과 같은 여러 요인에 따라 달라지며 일반적으로는 매니폴드와 노즐, 온도 컨트롤 등으로 이루어집니다. 온도 컨트롤러에서 신호를 받아 수지를 설정 온도로 가열하여 금형에 주입하면, 수지는 매니폴드로 이동하여 금형 내 노즐로 분산되고 게이트를 지나 부품이 형성되는 금형 캐비티로 이동합니다. 금형 형태 대로 사출이 완료되고 제품이 만들어지는데, 런너 내에 있는 원료는 액상 형태 그대로를 유지합니다. 오늘날의 금형은 192개 이상의 노즐을 적용할 수 있다고 합니다. 핫 러너는 사출 산업에서 전반에서 활용되고 있으며, 특히 다양한 크기의 복잡한 부품을 생산하는 금형에서 적용하고 있습니다.
핫 런너 시스템의 장단점
포스팅 초반에 언급한 것처럼 핫 런너는 사출 공정에서 꼭 필요한 시스템은 아닙니다. 명확한 장단점을 가지고 있는 시스템이며 일반적으로 이러한 부분을 고려하여 시스템 적용 여부를 결정합니다.
먼저 장점입니다.
| 항목 | 상세 |
| 금형 수명 연장 | - 사출 압력을 낮게 사용하므로 금형 내부 압력 감소, 이에 따른 피로도 감소 |
| 제품 품질 향상 | - 플라스틱 원료를 균일한 상태로 유지한 채 사용, 일정한 품질 수준 유지 가능 - 게이트 주위 변형 및 탈형 후 잔류 응력 감소 - 정밀 성형 가능 - 사출 압력이 직접 캐비티로 전달 되므로 제품 수축, weld, 변형 등의 문제 해소 |
| 조건 설정 용이 | - WELD-LINE 변경 가능 - 낮은 수지 온도 및 낮은 사출 압력 가능 |
| 제품 단가 절감 | - 스프루, 런너, 게이트 등에서 발생했던 원료 낭비 제거 |
| 사이클 타임 감소 | - 사출 시작 시 예열 생략 가능 - 원료 계량, 금형 냉각 및 개폐 시간 단축 - 스프루 등의 재료 재활용 프로세스 생략 |
| 설계 유연성 | - 다수 cavity에 적용 가능, 제품 여러 지점에 게이트 적용 가능 |
| 공정 적용 확대 | - PET preforming, 금형의 다색 공동 주입, 다양한 재료 동시 주입 공정, STACK MOLD 등의 기술이 핫 런너 시스템 기반으로 개발되었음 |
다양한 장점이 있지만 그만큼의 단점도 있습니다.
| 항목 | 상세 |
| 공정 난이도 증가 | - 금형 내 런너의 별도 온도제어 필요 - 금형의 열팽창 및 온도 관리의 어려움 - 매니폴드 블럭과 고정 형판 등 각 금형 부품 별 열팽창 차이 주의 필요 - 생산 제품의 색 교환이 까다로움 |
| 금형 구조 복잡해짐 | - 온도 컨트롤러, 매니폴더, 노즐 등의 부품 추가 |
| 금형 비용 상승 | - 금형 내 핫 런너 구성품 추가로 인한 금형 단가 상승 - 일정 생산량을 유지하지 못하면 오히려 손해를 볼 수 있음 - 부품 고장 시 수리 비용 상승, 이에 따른 부담 증대 |
| 유지보수 난이도 증가 | - 구성품 추가로 인한 유지 보수 증대 - 수지 내 이물질 완전히 제거 해야함, 이에 따른 관리 필요, (재생제 사용 불가) - 게이트 막힘 등의 원인이 될 수 있어 이물질 제거가 필수적 |
이러한 장단점들을 고려하지 않고 시스템을 금형에 적용했다가는 오히려 생산 비용이나 사이클 타임을 증가 시키는 원인이 될 수도 있고 자칫 잘못하다가는 금형 손실을 입힐 수도 있습니다. 실제로 60년대에 핫 런너 출시 초창기에는 이러한 부정적인 사례들이 많았다고하며 반대로 기술의 발전과 원료 원가 상승 등으로 인해 80~90년대에 급격하게 성장했다고 합니다.
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