내부 스트레스 이해하기: 원인과 예방 방법

1. 내부 스트레스 발생

1. 내부 스트레스 발생

사출 성형 제품에서 응력 상태는 국부적인 변화를 나타내며 제품의 변형 패턴에 큰 영향을 미칩니다. "성형 응력"으로 알려진 이러한 응력은 주로 냉각 공정 중 온도 구배에서 발생합니다.

사출 성형 제품의 내부 응력은 성형 응력과 열 응력의 두 가지 주요 유형으로 분류할 수 있습니다.

용융된 폴리머가 냉각된 금형 캐비티에 주입되면 캐비티 벽면에서 급속 응고가 발생합니다. 이러한 급격한 냉각으로 인해 폴리머 사슬이 비평형 상태에서 '동결'되어 열전도율이 떨어지고 제품 두께 전체에 걸쳐 온도 구배가 가파르게 나타납니다. 제품의 코어가 더 느리게 굳어져 코어가 완전히 굳기 전에 게이트가 굳어지는 경우가 종종 발생합니다. 이 현상은 사출 성형기가 냉각으로 인한 수축을 보정하지 못하게 합니다.

결과적으로 제품 내부에는 인장 응력이 발생하는 반면 표면층은 압축 응력을 받는 등 복잡한 응력 분포가 발생합니다. 이러한 응력 분포는 단단한 피부 층의 거동에 반대되는 내부 수축 패턴을 만듭니다.

충전 단계에서 응력 발생은 체적 수축 효과에만 기인하는 것은 아닙니다. 러너 시스템과 게이트 영역의 확장도 크게 기여합니다. 수축으로 인한 응력은 용융 흐름 방향과 일치하는 반면, 팽창 관련 응력은 흐름에 수직으로 작용하며 게이트 출구에서 국부적인 팽창에서 비롯됩니다.

2. 스트레스에 영향을 미치는 프로세스 요인

(1) 방향성 스트레스의 영향

빠른 냉각 조건에서 배향으로 인해 폴리머 소재에 내부 응력이 형성될 수 있습니다. 폴리머 용융물의 점도가 높으면 내부 응력이 빠르게 완화되지 않아 제품의 물리적 특성과 치수 안정성에 영향을 미칩니다.

오리엔테이션 스트레스에 대한 매개변수의 영향:

• 용융 온도:

용융 온도가 높으면 점도가 낮아지고 전단 응력이 감소하여 배향이 감소합니다. 그러나 높은 온도는 응력 이완을 가속화하고 방향 방출을 향상시킵니다. 사출 성형기의 압력을 조정하지 않으면 캐비티 압력이 증가하여 전단 효과가 더 강해지고 방향 응력이 증가합니다.

• 노즐 폐쇄 전 유지 시간:

노즐이 닫히기 전에 유지 시간을 연장하면 방향 스트레스가 증가합니다.

• 주입 및 유지 압력:

주입 또는 유지 압력을 높이면 방향 스트레스가 증가합니다.

• 금형 온도:

금형 온도가 높으면 제품이 천천히 냉각되어 방향 전환 역할을 합니다.

• 제품 두께:

제품의 두께를 늘리면 벽이 두꺼운 제품은 천천히 냉각되어 점도가 천천히 증가하고 응력 완화 과정이 길어져 방향 응력이 작아지기 때문에 방향 응력이 감소합니다.

(2) 온도 스트레스에 미치는 영향

앞서 언급했듯이, 금형 충진 시 용융물과 금형 벽 사이의 온도 구배가 크면 외층에는 압축 응력(수축 응력)이, 내층에는 인장 응력(방향 응력)이 발생합니다.

유지 압력의 영향으로 금형이 장시간 채워지면 폴리머 용융물이 캐비티로 재충전되어 캐비티 압력이 증가하고 불균일 한 온도로 인한 내부 응력이 변경됩니다. 그러나 유지 시간이 짧고 캐비티 압력이 낮으면 제품은 냉각 중에 원래의 응력 상태를 유지합니다.

제품 냉각 초기 단계에서 캐비티 압력이 충분하지 않으면 응고 수축으로 인해 제품 외층에 함몰이 생깁니다. 제품이 차가운 경질층을 형성한 후반 단계에서 캐비티 압력이 충분하지 않으면 수축으로 인해 제품 내부 층이 분리되거나 캐비티가 형성될 수 있습니다.

게이트가 닫히기 전에 캐비티 압력을 유지하면 제품의 밀도를 높이고 냉각 온도 스트레스를 제거하는 데 도움이 되지만 게이트 근처에 고농도의 스트레스가 발생하기도 합니다.

따라서 열가소성 폴리머를 성형할 때 금형 내 압력이 높고 유지 시간이 길면 온도에 의한 수축 응력을 줄이고 압축 응력을 높이는 데 도움이 됩니다.

3. 내부 스트레스와 제품 품질 간의 관계

제품의 내부 응력은 제품의 기계적 특성과 전반적인 성능에 큰 영향을 미칩니다. 응력 분포가 균일하지 않으면 제품 사용 중 균열이 발생하여 구조적 무결성과 수명이 저하될 수 있습니다.

유리 전이 온도 이하에서 사용하면 제품이 불규칙하게 변형되거나 뒤틀리는 현상이 발생할 수 있습니다. 또한 표면 "백화" 또는 혼탁이 발생하여 광학적 특성과 미적 매력이 저하될 수 있습니다. 이러한 현상은 가공 과정에서 소재에 잔류 응력이 남아 있기 때문에 나타나는 경우가 많습니다.

고르지 않은 응력 분포를 완화하고 기계적 특성의 균일성을 향상시키기 위해 몇 가지 전략을 사용할 수 있습니다:

1. 게이트 온도 감소: 초기 냉각 속도가 느려져 보다 균일한 응력 완화가 가능합니다.
2. 느린 냉각 시간 증가: 확장된 제어 냉각으로 부품 전체의 응력 균등화를 촉진합니다.
3. 금형 설계 최적화: 적절한 게이트 배치와 냉각 채널 레이아웃을 통해 응력 집중을 최소화할 수 있습니다.

결정성 및 비정질 폴리머 모두 이방성 인장 강도를 나타내며, 이는 가공 중 분자 배향과 밀접한 관련이 있는 특성입니다. 인장 강도와 처리 매개변수 간의 관계는 폴리머 유형과 게이트 방향에 따라 달라집니다:

비정질 폴리머의 경우:

• 충전 방향에 맞춰 정렬된 게이트: 용융 온도가 증가함에 따라 인장 강도가 감소합니다.
• 충전 방향에 수직인 게이트: 용융 온도가 상승함에 따라 인장 강도가 증가합니다.

이 동작은 방향과 방향 전환 효과의 상호 작용에 기인합니다. 용융 온도가 높을수록 분자 이동성이 향상되어 방향 전환이 촉진되고 방향 전환으로 인한 강도 향상이 감소합니다. 게이트 방향은 흐름 패턴에 영향을 미쳐 분자 정렬에 영향을 미칩니다.

비정질 폴리머는 일반적으로 결정질 폴리머에 비해 더 강한 이방성을 나타내므로 흐름 방향에 수직인 인장 강도가 더 높습니다. 기계적 이방성의 정도는 온도에 따라 달라집니다:

• 저온 주입: 강도 비율(흐름에 수직/흐름에 평행) ≈ 2
• 고온 주입: 강도 비율 ≈ 1.7

이러한 온도 민감도는 원하는 기계적 특성을 달성하는 데 있어 정밀한 공정 제어의 중요성을 강조합니다.

요약하면, 용융 온도가 상승하면 일반적으로 결정성 및 비정질 폴리머 모두 인장 강도가 감소합니다. 그러나 근본적인 메커니즘은 다릅니다:

• 결정성 폴리머: 결정성 및 방향성 감소
• 비정질 폴리머: 분자 방향 감소