게이트의 종류-1: 기본 게이트의 구조와 적용 기준

사출 성형에서 게이트는 용융 수지가 제품으로 진입하는 마지막 통로입니다. 게이트의 위치와 형태에 따라 충전 패턴, 외관 품질, 성형 불량 발생 여부가 달라지기 때문에 게이트는 단순한 통로가 아닌 품질 제어 요소로 이해해야 합니다. 이 글에서는 다양한 게이트 중에서도 가장 기본이 되는 대표적인 게이트의 종류와 특징을 사출 성형 관점에서 정리해 보겠습니다.

게이트의 역할과 중요성

게이트란 무엇인가

게이트는 러너 시스템과 제품을 연결하는 최종 유동 경로입니다.

게이트는 다음과 같은 역할을 합니다.

• 수지 유입 방향 결정
• 충전 속도 제어
• 웰드라인 위치 영향
• 외관 품질 좌우

즉, 게이트는 성형 조건·러너 설계와 함께 반드시 고려해야 할 요소입니다.

게이트 설계가 품질에 미치는 영향

잘못된 게이트 설계는 다음과 같은 문제를 유발할 수 있습니다.

• 외관 불량
• 충전 불균형
• 잔류 응력 증가
• 절단 자국 문제

따라서 게이트는 형상·외관 기준·생산 조건을 함께 고려해 선택해야 합니다.

기본 게이트의 대표적인 종류

1. 다이렉트 게이트
가장 일반적으로 성형성이 좋은 게이트 방법이지만 성형품의 표면 또는 이면에 게이트 위치를 정하기 때문에 절단, 뒷손질이 필요하게 되어 외관상 아무래도 게이트 자국이 남게 된다. 그러나 사출 압력의 손실이 적고 성형이 비교적 어떤 재료에도 쉽게 할 수 있으므로 대형의 깊은 성형품에는 자주 사용된다. 반면, 성형 재료에 따라서는 얕고 납작한 성형품의 경우에 성형 후 휘어지기 쉽기 때문에 주의가 필요하다. 또 게이트 부의 이면에는 콜드 슬랙의 고임 받이를 마련해서 식은 재료가 캐비티 안에 흘러 들어가는 것을 방지하는 것도 성형 상 필요하게 된다. 그리고 성형 후의 잔류 응력이 게이트 부근에 집중하여 크랙의 원인이 되는 경우가 있으므로 게이트의 선정에서 이러한 점을 고려하지 않으면 안 된다. 성형 사이클에 관계하는 게이트부의 지름도 그다지 굵게 하지 않고 성형품의 크기와 살 두께에 알맞은 것으로 하지 않으면 성형품은 이미 고화되어 버리고 있는데 스프루가 아직 반융 상태이기 때문에 다시 냉각 시간을 갖지 않으면 안 되고 성형 능률이 낮아진다. 단, 대형의 성형품으로서 성형이 매우 어려운 것에 대해서는 당연히 스프루 지름을 굵고 짧게 하는 수가 있다. 깊이가 깊은 성형품에 있어서 성형기의 다이 스트로크를 최대한으로 사용하여 성형품을 집어내는 것에 대해서는 스프루의 길이를 되도록 짧게 하고 최소한의 형 열기로서 집어낼 수 있게 할 필요가 있다. 그렇게 하면 성형의 능률도 좋아지고 좋은 결과를 얻을 수도 있다. 그럴 경우에는 특수하게 길게 만든 노즐을 사용하는 것도 하나의 방법이다.

 

2. 보통의 러너, 게이트
다이렉트의 경우에는 성형품은 1개로 한정되어 있으나, 이 방식은 다수 개의 게이트로서 일반적으로 널리 이용되고 있다. 물론 1개의 성형품에도 여러 개의 게이트를 마련해서 성형할 수도 있다. 일반적으로는 사이드 게이트 방식이라고 불리고 있다. 이로부터 변화한 게이트 방식으로 여러 종류가 있으며 제한 게이트, 터브 게이트는 성형 재료에 따라 고안된 방법이다. 또 성형품의 형상, 크기 등에 따라 필름 게이트, 디스크 게이트, 링 게이트 등이 있다. 스프루에서 게이트까지 흐르는 러너의 단면 형상은 원형, 사다리꼴이 좋다. 반면, 반원형, 직사각형 등의 단면 형상의 러너는 모든 점에서 뒤처지기 때문에 사용하지 않는 것이 좋다. 지름은 성형 재료, 러너 길이, 성형품 치수에 따라 다르다. 보통 5Ø~10Ø의 것이 많이 쓰인다. 5Ø이하의 것이 되면 온도 강하가 커지며 압력의 저하를 발생시킨다. 그러나 소형의 것에 있어서는 3Ø~4Ø로 사용될 경우도 있다. 너무 굵으면 성형 재료와의 접촉면이 커져서 온도 조정이 문제가 되며 재료를 지나치게 많이 쓰게 되고 성형 사이클이 늘어나는 원인이 되기도 한다.
1) 터브 게이트(경질 비닐, 아크릴에 적합하다)
염화 비닐 등과 같이 성형 온도의 허용 폭이 작고 유동성이 나빠서 성형하기 어려운 재료를 성형할 때 비교적 높은 압력을 넣기 때문에 게이트 부에 변형이 집중된다. 따라서 이럴 경우에는 터브 게이트가 유효하다. 터브 게이트는 터브에 의하여 게이트 주변에 들어감을 방지할 수 있으며 사출 압력으로 인한 과잉 충전에 따른 변형을 배제할 수 있다. 또한, 게이트 국부의 응력 집중을 완화한다. 게이트에 이르기까지의 온도 강하를 터브에 의한 죄기 부분의 마찰에 따라 재가 소화하여 러너에서의 온도 강하를 보완할 수 있다. 이러한 결과로 성형이 쉽게 되고 표면의 광택이 잘되며 게이트 주변의 플로우 마크가 개량된다. 하지만 사출 압력이 보통 러너, 게이트의 2배 정도가 필요해진다. 그것과 게이트를 성형품의 얇은 살 두께 부에 붙이면 웰드 라인이나 더러운 마크를 남기게 되므로 되도록 살 두께가 두꺼운 곳에 붙이는 것이 좋다.
2) 제한 게이트
제한 게이트는 게이트가 급속하게 굳어지는 것을 가능하게 할 정도로 게이트의 길이가 제한당하는 것을 말하며, 사이드 게이트의 게이트 치수를 적당하게 조은 것을 말한다. 이것을 사용하면 성형 재료에 따라서는(예를 들면, 경질염화비닐) 잔류 성형 응력의 감소(특히 게이트 부근), 사이클의 단축, 휨과 균열의 감소, 게이트의 끝손질이 쉬워짐, 다수 개의 캐비티 게이트 밸런스를 취하기 쉬워짐, 열변형의 감소 등의 특징이 있으므로 이용 가치는 충분하다. 단, 제한 게이트를 사용할 경우에는 협소한 단면을 통하게 하기 위한 압력 손실이 중대한 문제가 된다. 만약 이 압력 손실이 크면 성형 재료의 흐름이 나빠지고 캐비티 내에서 냉각 또는 고화가 생겨 완전한 충전의 저해를 받게 되므로 필요 이상의 사출 압력을 가하지 않으면 안 된다. 따라서 이 압력 손실을 막기 위해서 게이트 랜드(길이)를 짧게 하여 높은 압력을 가하지 않아도 성형이 가능하게 할 필요가 있다. 일반적으로 1mm 정도의 게이트 러너를 쓰면 큰 압력 손실은 없어지게 될 것이다. 최소한이 0.8mm 정도이다. 제한 게이트는 단면 형상에 따라 각각의 장단점이 존재한다. 직사각형이 가장 밸런스를 취하기 쉽고 치수를 정하기가 쉽다. 그 밖의 것은 밸런스를 취하기 어렵다. 특히 반원형이나 타원형은 치수도 정확하게 내기가 어렵고 부적당하다. 게이트의 폭에 대해서는 러너의 중심을 대칭으로 다소 좁게 해서 쓰는 것이 보통이다. 그것은 러너의 중심에 있어서는 표면층보다도 용융 성형 재료의 온도가 높고 유동성이 있기 때문이다. 접근 각도가 급해져도 성형 재료의 점도를 높이기 때문에 난류에 의해서 생기는 마찰 손실은 작다. 제한 게이트의 깊이는 중간 크기의 성형품은, 가장 좋은 깊이의 범위는 0.8~1.2mm이다.

 

게이트는 사출 성형 공정에서 가장 작지만 가장 큰 영향을 미치는 요소 중 하나입니다. 기본 게이트의 구조와 특징을 정확히 이해하고 제품 형상·외관 기준·재료 특성에 맞게 선택한다면 성형 품질과 생산 안정성을 동시에 확보할 수 있습니다.

이 글에서 정리한 기본 게이트의 종류는 다음 편에서 다룰 특수 게이트를 이해하기 위한 기초가 됩니다.