플라스틱 사출 금형 설계에서 용융 수지의 유동 시스템(Feeding System)을 제어하는 것은 제품의 외관 품질, 성형품의 수축 및 변형 방지, 그리고 성형 사이클 타임을 결정짓는 핵심 엔지니어링 영역입니다. 유동 시스템은 사출기 노즐에서 고온·고압의 수지를 받아들이는 스프루(Sprue), 이를 각 캐비티로 분배하는 런너(Runner), 그리고 캐비티 내부로 수지가 진입하는 관문인 게이트(Gate)로 구성됩니다.
특히 유동 시스템 부품들은 고온 유동 중인 수지와의 지속적인 마찰, 사출 가압 시의 전단 응력, 그리고 냉각 수축에 따른 고착 현상에 노출되므로 구조적 수치 설계뿐만 아니라 적합한 강재(재질) 선정과 정밀한 경도(HRc) 열처리 사양이 완벽히 뒷받침되어야 금형의 내구성을 확보할 수 있습니다. 본 편람에서는 유동 시스템을 구성하는 핵심 컴포넌트별 표준 강재 선정 조건과 경도 관리 기준을 상세히 해독합니다.
1. 스프루 부싱(Sprue Bushing) 및 유동 부품의 표준 재질·경도(HRc) 가이드
사출 성형기의 노즐과 금형이 최초로 강력하게 밀착하는 스프루 부싱 및 관련 유동 부품들은 사출 압력에 의한 함몰, 기계적 마모, 그리고 수지 누출(플래시)을 방지할 수 있도록 구조적 치수 공식과 강재 사양을 엄격히 매칭해야 합니다.
① 스프루 부시 및 유동 코어 부품의 강재 사양표
| 부품명 (영문/일문) | 표준 강재 재질 (KS / JIS) | 권장 표면 경도 (HRc) | 실무 가공 지침 및 강재 선정 기준 |
|---|---|---|---|
| 스프루 부시 (SPRUE BUSH / スプルーブッシュ) |
STD61 / SKD61 (또는 STC3 / SKS3) |
48 ~ 52 HRc (STC3의 경우 53 ~ 56 HRc) |
노즐과의 반복 접촉 압축 하중과 고속 수지 마찰에 견뎌야 하므로 열간 공구강(STD61) 기반의 고경도 담금질·뜨임 열처리가 대원칙입니다. 내벽면은 거울면 사상(Polishing) 공정이 수반되어야 탈형 불량을 막을 수 있습니다. |
| 런너 체인지편 (RUNNER CHANGE INSERT) |
STD61 / SKD61 | 48 ~ 52 HRc | 2단 구성 금형(2-Plate Mold)에서 유로 변경이나 합류점 분기를 제어하는 인서트 부품입니다. 수지의 전단 응력이 집중되므로 내마모성이 우수한 강재와 고경도 처리가 필수적입니다. |
| 런너 록크핀 (RUNNER LOCK PIN / ランナーロックピン) |
STD61 / SKD61 (고온 금형: SKH9 / SKH51) |
48 ~ 52 HRc (고온 금형: 58 ~ 60 HRc) |
3단 구성 금형(3-Plate Mold)에서 형개 시 런너를 고정측에서 강제 인양하여 잡아주는 핵심 핀입니다. 언더컷 구조에 가해지는 인장 하중이 크므로 일반 저온 금형에는 STD61을 적용하며, 엔지니어링 플라스틱 등 고온 금형에는 고속도 공구강(SKH9)을 선택하여 취성을 방지합니다. |
| 런너 록크 부시 (RUNNER LOCK PIN BUSH) |
STD61 / SKD61 | 48 ~ 52 HRc | 런너 록크핀과 쌍을 이루어 작동하는 안내 부시 부품으로, 고착 및 마모를 방지하기 위해 동일 계열의 경도 매칭을 수행합니다. |
② 스프루 부싱(Sprue Bushing)의 기계적 기하학 설계 기준
- 테이퍼 경사 각도 가이드: 스프루 부싱 내부의 유동 경로 사면은 성형 완료 후 냉각 수축된 스프루 수지가 가동측 방향으로 원활하게 탈형될 수 있도록 양측 구배 각도 3° ~ 5°(한쪽 구배 1.5° ~ 2.5°)의 일정한 테이퍼 각도를 엄격하게 유지하여 작도해야 합니다.
- 노즐 직경(Ø) 오차 보정 공식: 사출기 노즐 끝단과 스프루 부싱 진입구 사이의 단차로 인해 수지가 끼이거나 배면으로 분출되는 것을 물리적으로 차단하기 위해, 스프루 부싱의 최초 진입구 소경 직경(d₁)은 사출기 노즐 구멍 직경(d₀)보다 반드시 1mm 정도 크게 설계(d₁ = d₀ + 1mm)해야 합니다.
- 구면 반경(R) 밀착 공식: 동일한 원리로 사출기 노즐의 선단 구면 반경(R₀)과 스프루 부싱의 오목한 접촉 구면 반경(R₁) 간의 간섭을 제어하기 위해, 부싱의 구면 반경은 노즐 반경보다 1mm 정도 크게 설계(R₁ = R₀ + 1mm)하여 두 구면이 틈새 없이 완벽하게 밀착 접촉하도록 유도합니다.
- 사출 용량별 소경 직경 가이드: 스프루 부싱의 소경 직경이 불필요하게 과도하면 유로 내 수지의 고화 시간이 길어져 전체 사출 사이클 타임(Cycle Time)을 증가시키는 원인이 됩니다. 일반적인 소형 정밀 제품은 4mm Ø 내외, 대형 제품 및 고용량 사출물은 최대 8mm Ø까지 가변 적용합니다.
- 스프루 대경과 런너의 연결 규칙: 스프루 유로의 최종 출구측 직경인 대경(d₂)은 이와 연결되는 1차 메인 런너의 직경(D_runner)보다 무조건 같거나 더 크게 설계(d₂ ≥ D_runner)해야만 진입 단차에 의한 수지 유동의 교란과 급격한 압력 손실을 방지할 수 있습니다.
③ 런너(Runner)의 기하학적 배치 및 콜드 슬러그 웰(Cold Slug Well) 기준
- 콜드 슬러그 웰 구조 치수: 스프루의 말단부와 메인 런너가 교차하며 꺾이는 정반대 편(가동측 형판 코어 내부)에는 사출 초기 노즐 선단부에서 일시적으로 냉각되어 유동성이 극도로 떨어진 고화 수지 덩어리(Cold Slug)가 캐비티 내부로 유입되는 것을 차단하기 위해 콜드 슬러그 웰(Cold Slug Well)을 필수로 천공해야 합니다. 이 웰의 직경은 스프루 대경 직경(d₂)보다 1.5배에서 2배 정도 크게 파내며, 깊이는 런너 직경의 1배 ~ 1.5배 이상 깊게 확보하여 슬러그를 완전히 포집하도록 설계합니다.
- 8-캐비티(Cavity) 유동 균형(Flow Balance) 공식: 다개개 금형, 특히 8개 캐비티 배치 구조에서는 모든 캐비티 내부에 동일한 압력, 동일한 속도, 동일한 온도의 수지가 동시에 도달해야 성형 불량을 막을 수 있습니다. 이를 위해 스프루 중심축으로부터 각 캐비티 게이트 입구까지의 기하학적 유로 총 길이(L)와 유로의 굴곡 횟수를 완벽하게 일치시키는 병렬 H형 레이아웃 배치 또는 방사형 레이아웃 배치의 균형 설계를 수행해야 합니다.
2. 사출 금형 게이트 시스템의 분류 및 11가지 핵심 게이트 매커니즘 해독
게이트는 캐비티 내부로 들어가는 수지의 유량과 충진 방향을 제어하고, 사출 충진 후 보압 공정 시 수지가 런너 측으로 역류하는 것을 방지하는 중대한 역할을 합니다. 게이트 크기를 최적화할 때, 게이트 면적이 작으면 게이트 실(Gate Seal)이 빨라지고 변형 및 사상 작업에 유리하지만, 싱크 마크(Sink Mark)나 핀홀, 제팅 현상을 방지하기 위해서는 게이트를 크게 설계하는 것이 공학적으로 유리하므로 제품 및 수지 특성에 맞춘 정밀한 선정이 요구됩니다.
| 게이트 종류 | 구조적 기하학 매커니즘 및 상세 설계 수치 기준 (직경·각도·비례 공식) | 실무적 특징 및 적합 제품 |
|---|---|---|
| 1) 다이렉트 게이트 (Direct / Sprue Gate) |
런너를 거치지 않고 스프루 부시는 몰드베이스의 고정측 부착판과 상원판을 관통하여 캐비티 내부로 직접 수지를 주입하는 원플러그 방식입니다. 성형 압력 손실이 유동 시스템 중 가장 적은 구조입니다. 제품과 만나는 부위의 직경은 스프루 대경(d₂)과 일치하며, 3° ~ 5°의 탈형 경사 각도가 그대로 적용됩니다. | 대형 용기류나 대형 상자 모양 성형에 적합하며 원가 절감에 유리하나, 제품 표면에 직경 수 밀리미터의 거대한 게이트 절단 흔적이 남습니다. |
| 2) 사이드 게이트 (Side / Edge Gate) |
금형의 메인 파팅라인(P.L)면을 따라 제품의 측면 외곽 에지 부위에 사각형 단면 형상으로 유로를 깎아 주입하는 가장 대중적인 방식입니다. 일반적인 설계 치수 공식으로 게이트의 깊이(h)는 제품 살두께(T)의 50% ~ 70% (h = 0.5T ~ 0.7T)로 규제하며, 게이트의 랜드 길이(L_land)는 압력 손실을 줄이기 위해 0.8mm ~ 1.5mm 범위 내로 매우 짧게 설계하는 것이 룰입니다. | 금형 가공이 매우 쉽고 게이트 랜드 및 단면 치수의 정밀 제어가 용이하며, 다개개 캐비티 배열 금형에 표준으로 적용됩니다. |
| 3) 오버랩 게이트 (Overlap Gate) |
사이드 게이트의 변형 구조로, 런너를 거쳐온 수지 유로가 파팅면에서 꺾여 게이트의 끝단 단면이 제품의 상면 도면부를 일정 두께만큼 완전히 덮도록(Overlap) 상단에 중첩 배치하는 방식입니다. 중첩되는 오버랩 길이는 일반적으로 1.5mm ~ 3mm 단면 폭을 유지하도록 제도합니다. | 게이트 유로 통과 시 고압 수지가 캐비티 벽면을 타고 완충 유입되므로, 수지가 공중으로 뱀처럼 분출되어 엉기는 제팅(Jetting) 현상을 완벽히 방지합니다. |
| 4) 서브마린 게이트 (Submarine / Tunnel Gate) |
파팅면 하부 가동측 코어 내부 부위를 터널 모양으로 비스듬하게 사선 관통하여 제품의 측면 벽이나 내측 하단부에 도달하는 경사 유로 구조입니다. 제품 진입 직전 유로의 경사 각도는 파팅면 기준 30° ~ 45°의 진입 각도를 엄격히 준수해야 형개 시 전단 파손되지 않으며, 제품과 만나는 최종 게이트 입구 직경은 수지 특성에 따라 Ø 0.6mm ~ Ø 1.5mm의 원추형 직경으로 깎아냅니다. | 사출 종료 후 금형이 열리는 물리적 거동 동작 시 제품과 런너가 금형 에지에 의해 자동으로 전단 절단되므로, 후가공 사상 작업을 위한 추가 인건비를 제로화할 수 있습니다. |
| 5) 핀 포인트 게이트 (Pin-point Gate) |
3단 금형 구조의 고정측 형판(상원판)과 런너 스트리퍼 플레이트 사이에서 구현되며, 제품의 상면 평판부 임의의 위치에 바늘구멍 형태로 수지를 수직 주입하는 방식입니다. 게이트의 직경 공률은 최소 Ø 0.8mm에서 최대 Ø 1.5mm 이하의 미세 원형 직경으로 제한하며, 핀 게이트의 테이퍼 랜드 길이는 1mm 이하로 극도로 얇게 제어해야 깔끔하게 떨어집니다. | 금형이 개폐될 때 자동으로 게이트 유로가 뜯겨나가며 분리되며, 제품 표면에 미세한 점 형태의 자국만 남기므로 외관 조립 품질이 극대화됩니다. |
| 6) 디스크 게이트 (Disk / Diaphragm Gate) |
중앙이 뚫린 원통형 또는 링(Ring) 모양 성형품 설계 시, 내경 중심 홀 공간 내부에 디스크(원판) 형태의 얇은 박막 수지 유로를 수평으로 형성하여 외곽 방사형 방향으로 수지를 밀어 넣는 특수 구조입니다. 캐비티와 접하는 원주 방향 디스크 게이트의 박막 두께 치수는 0.5mm ~ 1.2mm 수준으로 얇게 설계합니다. | 용융 수지가 중심에서 사방으로 균일한 플로우 프론트를 그리며 동시에 충진되므로, 원형 제품 특유의 취약점인 웰드 라인을 완벽하게 배제하고 고정밀 진원도를 확보합니다. |
| 7) 휀 게이트 (Fan Gate) |
에지 게이트의 특수한 변형 형상으로, 런너에서 캐비티로 진입할수록 평면 도면 상에서 부채꼴 모양으로 폭이 넓어지고 단면 두께는 반대로 점차 얇아지는 독특한 기하학적 쐐기 구조입니다. 게이트 두께는 최소 1mm에서 제품 두께(T) 이하 범위 내로 정밀 제어하며, 최종 진입 폭은 연결 런너 폭의 1.5배 ~ 2배 폭까지 부채꼴로 확장합니다. 공학적 대원칙으로 부채꼴 전체 게이트부의 통과 단면적 합산치는 연결되는 런너의 단면적보다 반드시 적게 설계되어야 전단 속도가 유지되어 최고의 충진 결과를 얻을 수 있습니다. | 용융 수지 선단이 굴곡 없이 일직선 형태로 균일하게 퍼져 충진되므로, 면적이 넓고 납작한 박판 제품이나 직사각형 제품 성형 시 수축 편차에 의한 뒤틀림 및 휨 변형을 극도로 감소시킵니다. |
| 8) 변형 휀 게이트 (Modified Fan Gate) |
부채꼴의 확산 경사 앵글선과 선단 진입부의 곡률 단면 수축 속도를 유체 동역학적 밸런스에 맞추어 한 단계 더 보정한 하이엔드 휀 게이트 구조입니다. 부채꼴 날개의 측면 요철 변화 각도를 일반 휀 게이트보다 10° ~ 15° 정도 완만하게 슬로프 처리하여 유동 급변을 제어합니다. | 두께가 극도로 얇은 초박판 가전 및 IT 하우징 제품 성형 시 표면에 물결이 치는 제팅 불량이나 은조 형태의 스프레이 표면 얼룩(Splay Mark) 결함을 차단하고, 게이트 주변의 성형 잔류 응력을 현저히 경감합니다. |
| 9) 탭 게이트 (Tab Gate) |
제품의 에지 측면 외곽 도면부에 사각형 모양의 물리적 보조 탭(Tab, 완충 공간) 공간 형상을 고의로 돌출 설계하고, 이 보조 탭의 측면에 일반 사이드 게이트를 연결하여 수지를 우회 유입시키는 특수 이중 구조입니다. 보조 탭의 사양 두께는 제품 기본 살두께(T)의 90% ~ 100% 수준으로 두껍게 유지하여 완충 베드로 활용합니다. | 좁은 게이트를 통과하며 발생한 초고속 유동 전단 난류가 보조 탭 내부에서 1차로 감속 및 완충되어 캐비티 안에는 안정된 층류로 주입되므로, 투명 아크릴·PC 광학 렌즈나 평판 성형 시 고화 스트레스에 의한 게이트부 백화 현상이나 광학적 왜곡, 게이트 블러시(Gate Blush) 결함을 원천 차단합니다. |
| 10) 스포크 게이트 (Spoke / Spider Gate) |
대형 원통형 또는 중경 파이프 관 모양 제품 설계 시 적용되며, 디스크 게이트를 쓰기에는 면적이 너무 넓을 때 중심 코어 허브 공간으로부터 자전거 바퀴살(Spoke) 형태로 3점 또는 4점 방향으로 유로 서브 런너를 분할 배치하여 주입하는 스파이더 형상 구조입니다. 각 스포크 살 게이트의 두께는 1mm ~ 2mm 단면 두께를 유지하여 작도합니다. | 디스크 게이트에 비해 성형 후 버려지는 부품 내경 중심부의 런너 배출재 수지 중량(원가 단가)을 획기적으로 줄일 수 있으므로, 기하학적 치수 공차가 극도로 엄격하지 않은 일반 규격의 대형 원통형 배관 부품 성형에 가장 적합합니다. |
| 11) 링 게이트 (Ring Gate) |
가늘고 긴 중공 원통형 제품(필기구 샤프트, 얇은 튜브 등)의 외경 둘레 영역에 반원형 또는 사각형 단면의 링 모양 가상 주런너 유로를 한 바퀴 감아 파고, 그 링 유로 전체를 통해 제품 외벽 사방에서 수지가 동시 다발적으로 진입하도록 제어하는 동심원 유로 구조입니다. 링 게이트의 진입 갭 두께는 0.4mm ~ 0.8mm 범위로 균일하게 깎아 제어합니다. | 용융 수지가 원통 외벽면 사방에서 균일한 압력 배율로 동시 유입되므로 수지가 한쪽 측면으로 치우쳐 충진될 때 발생하는 고압 유압력에 의해 중심의 가늘고 긴 하코어 핀(Core Pin)이 옆으로 휘거나 부러지는 현상을 물리적으로 방지하며, 원통 부품 전체의 살두께 균일성을 완벽하게 보장합니다. |
3. 글로벌 기계제도 표준(KS·ISO·ASME·GOST) 기반 유동 시스템 도면 작도 원칙
금형설계도면 출도 전, 해외 제조 공장 및 발주처와의 완벽한 데이터 호환을 위해 글로벌 스탠다드 도면 템플릿 표준에 맞추어 치수와 기하공차를 명기해야 합니다.
① 유동 시스템의 치수 기입 및 단위 표기 표준
국제 표준 SI 단위계 대원칙에 따라 도면 상의 모든 스프루 부싱의 직경, 구면 R값, 런너 단면적, 게이트 단면 치수는 밀리미터(mm) 단위를 기준으로 치수 및 기하공차를 명기하되 ‘mm’ 단위 기호는 도면 복잡성을 낮추기 위해 관례상 전면 생략합니다. 러시아 및 CIS 연합 수출용 GOST(ESKD) 규격의 금형 도면을 작성할 때는 투상 배치 대원칙을 반드시 제1각법 기준으로 미러링 재배치해야 하며, 문자 서식은 GOST 2.304 표준에 규정된 75도 우측 기울임꼴 이탤릭 전용 기계제도 글꼴만을 사용하여 작도해야 공학적 오독을 방지할 수 있습니다.
② 정밀 조립성 확보를 위한 기하공차(GD&T) 적용
사출 압력을 다이렉트로 받는 스프루 부시 안착 홀과 고정측 형판 원판 평면 간에는 크기 공차뿐만 아니라 기하공차의 적용이 필수적입니다. 사출기 노즐의 수십에서 수백 톤의 죄는 힘(형체력)과 압력 하중 하에서 고온 수지가 파팅면 밖으로 터져 나오는 거스러미(Flash) 불량을 차단하기 위해 고정측 파팅 형판 면에는 엄격한 평면도(Flatness, ▱) 공차가 선언되어야 합니다.
동시에 스프루 부싱 중심 축선과 가동측 가이드 핀 부시 센터 간의 중심선 일치성을 유지하기 위해, 중심 데이텀(Datum Axis)을 기준으로 공차 기입 틀(Tolerance Frame) 첫 칸에 기호 기입 후 동축도(Coaxiality, ◎) 또는 위치도(Position, ⌖) 공차역 수치 앞에 반드시 파이(Ø) 기호를 포함하여 명확히 명기해야만 해외 공장에서 부품을 교체 조립하더라도 오차 없는 완벽한 금형 호환성을 확보할 수 있습니다.
