러너 시스템의 이해: 사출성형 품질을 좌우하는 유동의 길

사출 성형에서 용융된 수지가 어떤 길을 통해 금형 내부로 들어가는지는 제품 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 이 유동 경로를 결정하는 것이 바로 **러너 시스템(Runner System)**입니다.
러너 설계가 적절하지 않으면 미충전, 웰드라인, 수지 낭비와 같은 문제가 반복적으로 발생할 수 있습니다. 이 글에서는 러너 시스템의 기본 개념부터 종류, 설계 시 고려 사항까지 사출 성형의 관점에서 차분하게 정리해 보겠습니다.

러너 시스템이란 무엇인가

러너 시스템의 역할

러너 시스템은 사출기 노즐에서 나온 용융 수지를 각 캐비티로 분배하는 통로입니다.

구성 요소는 다음과 같습니다.

• 스프루(Sprue)
• 러너(Runner)
• 게이트(Gate)

이 세 요소가 조화를 이루어야 안정적인 충전이 가능합니다.

러너 시스템과 성형 품질의 관계

러너 설계는 다음 요소에 큰 영향을 줍니다.

• 충전 균형
• 압력 손실
• 사이클 타임
• 수지 사용량

즉, 러너는 보이지 않지만 품질을 결정하는 핵심 구조입니다.

1. 러너 게이트의 선택 기준
1) 성형품의 기능
성형품의 표면에 게이트의 절단 자리가 남아서 외관이나 기능을 그르치게 할 경우에는 문제가 없는 위치에 게이트를 고른다.
2) 성형품의 수
1개의 경우에는 어떠한 러너 시스템이라도 가능하지만, 2개 이상의 경우는 러너, 게이트의 배치 방법이 제한되어 말티플 노즐 이외는 다이렉트의 방법은 사용되지 않는다.
3) 성형품의 형상, 치수에 의한 제한
평면적으로 큰 성형품의 경우 한 곳에서부터는 성형되지 않을 경우는 게이트수를 늘림으로써 성형이 가능하게 될 경우가 있다.
4) 성형기의 다이 플레이트의 크기에 의한 제한
예를 들면, 보통 게이트로 하려면 다이 플레이트에 대하여 쏠리기 때문에 금형의 설치가 불가능하다. 이러한 경우에는 스리 플레이트나 다른 게이트 시스템을 선택하지 않으면 안 된다.
5) 후가공
후가공은 성형품의 외관 및 기능에도 영향을 미쳐 비용이 높아지게 되므로 되도록 후가공이 필요가 없는 게이트를 고른다.
6) 성형품의 잔류 틀어짐
예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 성형품에 다이렉트 게이트를 채택했을 경우, 게이트 주변에 잔류 틀어짐이 집중해서 변형하기 때문에 2개 이상의 핀포인트 게이트를 달아서 변형을 방지하는 수가 있다.
7) 사용 성형 재료
아크릴, 폴리에틸렌, 경질염화비닐, 폴리아세탈(데를린) 등과 같은 성형성이 나쁜 재료는 러너 및 게이트에 따라 성형 사이클, 성형품의 기능과 외관에 영향을 준다. 따라서 성형 재료에 각각 알맞은 것을 고른다.
8) 생산성
성형 사이클을 빠르게 하기 위해 고려한 러너, 게이트로 해야 한다. 또 적당한 러너, 게이트에 의해 재료의 절약을 생각해야 한다.

 

2. 러너 시스템의 구성 요소
1) 주 주자: 메인 러너, 사출 채널(스프루) 또는 수직 스프루라고도 알려져 있으며, 사출기 노즐과 메인 러너 부싱과의 금형 접촉부터 러너까지 서브 러너까지의 러너 부분을 나타낸다. 이 부분은 용융된 플라스틱이 금형으로 흘러 들어가는 첫 번째 부분이다.
2) 게이트: 피더라고도 알려진 매니폴드와 금형 캐비티 사이의 좁은 개구부로 가장 짧고 얇은 부품이다. 그 역할은 유동 표면의 조임을 사용하여 플라스틱의 전단 얇아짐의 특성으로 인해 플라스틱이 가속 효과를 달성하고 높은 전단 속도가 플라스틱 흐름을 잘 만들 수 있도록 하는 것이다. 점성 가열 효과는 재료 온도를 높이고 역할의 점도를 감소시켜야 한다. 성형 후 플라스틱이 역류하는 것을 방지하고 금형 캐비티의 압력이 너무 빨리 떨어지지 않아 성형 제품이 수축 및 함몰되는 것을 방지하기 위해 게이트를 먼저 경화하고 밀봉한다. 성형 후 러너 시스템과 플라스틱 부품을 잘라내기 쉽게 분리할 수 있다.
3) 서브 러너
서브 러너 또는 서브 게이트라고도 한다. 금형의 디자인에 따라 다시 첫 번째 러너와 두 번째 러너로 나눌 수 있다. 러너는 메인 러너와 게이트 사이의 전환 영역으로 용융된 플라스틱의 흐름을 부드럽게 변환할 수 있다. 다중 캐비티 금형의 경우 각 캐비티에 플라스틱을 균일하게 분포시키는 기능도 있다.
4) 콜드 슬러그
차가운 재료 캐비티라고도 한다. 목적은 차가운 재료가 금형 캐비티에 직접 들어가 충전 품질에 영향을 미치거나 게이트를 막는 것을 방지하기 위해 충전 초기 단계에 차가운 플라스틱을 저장하는 것이다. 저온 공급 웰은 일반적으로 주 흐름 채널의 끝에 위치하지만 매니폴드 길이가 긴 경우 저온 공급 웰도 매니폴드 끝에서 열려야 한다.

 

3. 게이트와 러너의 유동성
녹은 재료가 노즐에서 나와서부터 압력을 잃게 되는 것은 재료가 금형에서 온도 강하와 통로 중에서의 마찰 손실에 의한 것이어서, 이 조건에서 생각하면 러너는 굵게 해야 하나 한쪽에 있어서 재료의 절약상 성형 재료를 최소로 하는 것이 바람직하다. 러너가 너무 크면 냉각이 늦어지고 성형 사이클이 늘어져 가격이 높아지게 되는 것이다. 원형의 러너는 어떤 모양보다도 유동성, 방열도 등 모든 점에서 우수하다.

 

4. 게이트 밸런스와 러너의 배치
다수 개의 금형이 각각 게이트에 도달하는 시간이 다르면 최초의 게이트에 재료가 이르러도 다른 게이트에 아직 재료가 닿지 않을 동안은 사출 압력은 그다지 높지 않으며 최종의 캐비티에 거의 충만할 즈음부터 급격히 상승한다. 이때 최초의 게이트는 이미 식어서 굳어져 가고 있으므로 충전 부족이라는 현상이 일어날 수도 있다. 다수 개의 성형 시에 불량품이 되는 플로우 마크나 들어감 혹은 충전 부족(쇼트)은 이와 같이 하여 생기는 일이 많다. 이상의 이유에서 녹은 재료는 거의 동시에 각 게이트에 고르게 도달되게 할 필요가 있다. 따라서 스프루에서 먼 위치에 있는 게이트는 가까운 것에서부터 크게 하는 것이 원칙이다. 통상적으로 게이트 밸런스는 랜드의 길이를 일정하게 하고 폭과 깊이를 조절해서 각 캐비티에 대하여 동시 충만을 노릴 경우와 러너 배치에 따라 어느 캐비티에도 같은 시간에 닿을 수 있도록 스프루로부터의 러너 길이를 일정하게 할 경우가 있다. 그러나 후자의 경우에는 러너의 전체 길이가 길어지게 되므로 성형품의 중량과 러너와의 비율이 많아진다. 같은 개수라도 러너 배치와 캐비티 배치에 따라 자유롭게 밸런스가 잡힌 러너 배치가 가능하다. 그리고 러너가 너무 길어지면 온도 강하가 많아지게 되므로 좋은 일은 아니다. 반대로 러너가 너무 짧으면 잔류 틀임이 커져서 플래시가 일어나기 쉽고 또 러너의 돌출이 곤란하게 되는 등의 결점이 있다. 따라서 성형품 형상에 알맞은 길이, 단면 형상을 선정하지 않으면 안 된다.

 

러너 시스템은 사출 성형 공정에서 보이지 않지만 가장 중요한 유동 구조입니다. 러너 설계를 단순한 통로로 보지 않고 품질과 생산성을 동시에 좌우하는 핵심 요소로 이해한다면 성형 불량과 원가 문제를 효과적으로 줄일 수 있습니다. 이 글에서 정리한 러너 시스템의 기본 개념을 기준으로 금형 설계를 점검해 보시길 바랍니다.