ISBM 금형 설계 - 프리폼, 블로우 캐비티 및 코어 핀 엔지니어링

잘 설계된 ISBM 금형 병이 처음부터 완벽하게 성형되는 것과 응력 백화 현상, 바닥면 진주광택, 벽 두께 변화 또는 넥 플래시가 발생하는 것을 구분하는 것은 바로 사출 스트레치 블로우 성형 공정입니다. 이 공정은 프리폼 사출과 병 블로우 성형을 단일 기계 사이클에 통합합니다. 즉, 프리폼 금형과 블로우 캐비티는 독립적인 툴링 결정 사항이 아닙니다. 처음부터 동일한 스트레치 비율 목표에 맞춰 함께 설계되어야 하며, 동일한 기계 인터페이스 치수와 호환되어야 합니다.

이 가이드는 전체 내용을 다룹니다. ISBM 금형 설계 공정: 프리폼 형상 및 벽 두께 분포, 코어 핀 공차 및 게이트 설계, 블로우 캐비티 표면 마감 및 냉각 채널 레이아웃, 프리폼과 캐비티 간의 스트레치 비율 계산 및 일치 방법, Aoki 100 및 ASB-12M 금형 인터페이스 표준과 기계 호환성에 미치는 영향, 주요 동력 ISBM 금형 비용또한 강철을 절단하기 전에 공급업체가 금형 타당성 검토를 수행하는 데 필요한 정보도 제공합니다.

ISBM 금형 설계가 일반 사출 성형과 다른 이유는 무엇일까요?

일반적인 사출 성형에서 금형은 최종 부품을 생산합니다. 설계자는 금형 벽 두께, 게이트 위치, 냉각 방식 및 드래프트 각도를 최적화하여 캐비티를 균일하게 채우고 도면에 부합하는 부품을 배출합니다. 성공 여부는 부품이 도면 치수와 일치하는지 여부로 판단됩니다.

~ 안에 ISBM 금형 설계프리폼 금형은 최종 부품을 생산하는 것이 아니라, 프리폼의 예비 부품을 생산합니다. 전구체 형상 이후 블로우 성형 공정에서 늘어나고 불어 넣어져 완전히 다른 모양으로 변형됩니다. 이로 인해 모든 디자인 결정이 달라집니다.

• 프리폼의 벽 두께가 균일하지 않습니다. — 이는 블로운 병의 높이에 따라 발생하는 불균일한 신장률을 보정하기 위해 의도적으로 테이퍼링 처리한 것입니다. 바닥 부분이 두껍고 어깨 부분으로 갈수록 얇아지는 프리폼 벽은 벽 두께가 전체적으로 동일한 프리폼보다 블로운 병의 벽 두께 분포가 더 균일해집니다.
• 넥 마감은 프리폼에서 유일하게 변하지 않고 남아 있는 치수입니다. 최종 병에 담기기까지 모든 과정이 스트레치 블로우 공정을 통해 이루어집니다. 병목 부분은 사출 성형으로 만들어진 후 블로우 성형기에 도달하기 전에 냉각 과정을 통해 고정됩니다. 따라서 병목 마감 툴링은 전체 금형 세트에서 가장 정밀한 요소가 됩니다.
• 프리폼 금형과 블로우 성형 용기는 시스템으로 서로 호환되어야 합니다.3.0 ASR용으로 설계된 프리폼을 3.8 ASR용으로 설계된 캐비티에서 블로우 성형하면 언더스트레치(불량 배향, 두꺼운 벽, 베이스 펄 현상) 또는 오버스트레치(응력 백화 현상, 숄더 갈라짐)가 발생합니다. 두 금형은 재설계 없이는 기계 또는 캐비티 구성 간에 호환되지 않습니다.

이러한 제약 조건은 다음을 의미합니다. ISBM 툴링은 시스템 엔지니어링 작업입니다.단순히 두 개의 독립적인 금형 작업이 아닙니다. 가장 확실한 방법은 프리폼 금형과 블로우 캐비티를 동일한 공급업체에서 설계 및 제작하거나, 최소한 강재 투입 전에 두 설계를 함께 검토하는 것입니다.

파트 1 — 프리폼 금형 설계

프리폼 형상 - 벽 두께 분포

프리폼의 벽 두께 프로파일은 ISBM 툴링에서 가장 중요한 설계 변수입니다. 목표는 벽 두께 변화가 ±0.05mm 미만인 블로우 성형 병을 생산하는 것이지만, 블로우 성형 과정에서 프리폼의 높이에 따라 신장률이 상당히 달라집니다. 바닥 부분은 몸체보다 덜 늘어나고(스트레치 로드가 게이트 지점에서 최대 힘을 ​​가함), 어깨 부분은 몸체보다 더 많이 늘어납니다(프리폼 몸체에서 고정된 넥 마감으로의 전환 부분에 신장 변형이 집중됨). 그리고 게이트와 어깨 사이의 몸체 부분은 캐비티 형상에 비례하는 비율로 늘어납니다.

그러므로 디자이너는 사전 보상 프리폼 벽을 늘릴 때, 늘림 비율이 낮은 부분(밑면 및 하단부)은 두껍게 하고, 늘림 비율이 높은 부분(어깨 및 상단부)은 얇게 만듭니다. 일반적인 표준 원통형 PET 병의 초기 분포는 다음과 같습니다.

가장 흔한 프리폼 설계 오류는 툴링을 단순화하기 위해 벽 두께를 균일하게 지정하는 것입니다. 표준 ISBM 캐비티에서 균일한 벽 두께의 프리폼을 블로우 성형하면 바닥 부분은 두껍고 진주광택이 나타날 수 있으며, 어깨 부분은 얇고 구조적으로 약하며, 몸통 부분은 높이에 따라 벽 두께가 변하는 병이 만들어집니다. 이는 모두 불균일한 신장 영역에 일정한 벽 두께를 적용한 결과입니다. 완성된 툴에서 이러한 결함을 수정하려면 비용이 많이 드는 강철 추가 또는 제거 작업이 필요합니다. 따라서 강철을 가공하기 전에 벽 두께 프로파일을 정확하게 설계하는 것이 훨씬 경제적입니다.

코어 핀 - 치수 정확도 및 냉각

코어 핀은 게이트에서 넥 마감까지 프리폼의 내부 표면을 정의합니다. 코어 핀의 외경은 프리폼의 내경을 결정하며, 코어 핀 외경과 캐비티 내경 사이의 환형 간격은 각 높이에서의 프리폼 벽 두께를 결정합니다. 코어 핀의 치수 정확도는 프리폼 벽 균일성에 직접적인 영향을 미칩니다. 코어 핀이 캐비티 내경에 대해 0.02mm만큼 편심되면 프리폼 벽 두께에도 그에 상응하는 편심이 발생하고, 이는 블로우 성형된 병에서 0.06~0.12mm의 몸체 벽 비대칭으로 증폭됩니다.

코어 핀은 전체 경화 처리된 H13 또는 P20 공구강으로 제작되며, 직경과 직진도에서 ±0.005mm의 공차로 연마됩니다. 핵심적인 연결부는 코어 핀/캐비티 정렬 메커니즘입니다. ISBM 프리폼 금형은 정밀하게 가공된 리더 핀과 부싱 시스템을 사용하여 생산 과정의 열 순환에도 동심도를 유지합니다. 상온에서 정확하게 정렬된 코어 핀이라도 핀(냉각)과 캐비티(가열) 사이의 작동 온도 차이로 인해 정렬이 어긋나면, 생산 과정 전반에 걸쳐 벽면 편심이 점진적으로 발생합니다.

코어 핀 냉각은 일반적으로 내부 냉각 방식입니다. 핀 중앙의 구멍을 통해 냉각수 회로가 흐르면서 프리폼 게이트 돔의 내면과 냉각수를 접촉시킵니다. 게이트 돔은 프리폼에서 가장 두껍고 온도가 높은 부분입니다. 따라서 게이트가 금형이 열리기 전에 응고될 수 있도록 적절한 사이클 타임을 확보하려면 게이트 냉각이 필수적입니다. 게이트 냉각이 불충분하면 사출 시 게이트가 찢어지는 현상이 흔히 발생합니다. 게이트가 부분적으로 녹은 상태로 프리폼이 코어 핀에서 분리되면서 찢어져 금형 내부에 재료가 남게 됩니다.

게이트 설계 — ISBM 프리폼용 핫 러너

일반적인 사출 성형에서는 많은 경우 스프루 게이트 또는 엣지 게이트가 있는 콜드 러너 시스템을 사용합니다. ISBM 프리폼 금형은 거의 예외 없이 이러한 방식을 사용합니다. 핀포인트 또는 밸브 게이트가 있는 핫 러너 시스템 ISBM에 특정한 두 가지 이유로 인해 프리폼 베이스에서 다음과 같은 일이 발생합니다.

• 콜드 러너 제거ISBM 프리폼 금형은 10~20초의 짧은 사이클로 작동합니다. 콜드 러너는 사출 전에 경화를 위해 추가 냉각 시간이 필요하며, 단일 수지 프로그램에서는 상당한 재료 낭비를 초래합니다. 핫 러너는 사출이 완료될 때 밸브 게이트를 닫을 수 있어 냉각이나 다듬어야 할 스프루가 남지 않습니다.
• 게이트 잔재 제어프리폼 게이트 잔여물(핀포인트 게이트로 인해 바닥에 남는 작은 돌출부)은 최소화되어야 하며 프리폼 축의 중심에 정확하게 위치해야 합니다. 중심에서 벗어나거나 과도하게 큰 게이트 잔여물은 블로우 성형 공정에서 스트레치 로드와 접촉하는 지점이 되며, 이 접촉면의 편심은 비대칭적인 축 방향 신장을 유발하여 타원형 또는 중심에서 벗어난 병 바닥을 생성합니다. 밸브 게이트 핫 러너는 다른 어떤 게이트 설계보다 가장 작고 일관된 게이트 잔여물을 생성합니다.

넥 마감 가공 — 최고 수준의 정밀도를 요구하는 요소

병목 마감은 사출 성형에서 최종 병에 이르기까지 유일하게 변하지 않는 치수입니다. 병의 다른 모든 특징은 블로우 성형 과정에서 형성되지만, 병목은 사출 성형 스테이션에서 완전히 형성되며 금형이 열리는 순간부터 ±0.05mm의 오차 범위 내에서 정확한 치수를 유지해야 합니다. 따라서 병목 나사산 툴링(일반적으로 외부 나사산 프로파일, 변조 방지 비드 및 지지대를 형성하는 분할 인서트 세트)은 ISBM 금형 세트에서 가장 높은 정밀도를 요구하며 가장 중요하게 관리되어야 하는 요소입니다.

넥 나사산 툴링은 경화강(일반적으로 S136 또는 동등 재질, HRC 50~54)으로 제작되며, 장기간 생산 시 마모를 줄이기 위해 나사산 성형면에 크롬 도금이 되어 있습니다. 두 넥 인서트 반쪽 사이의 분할선은 캡이나 펌프 설치를 방해할 수 있는 눈에 띄는 분할선 자국이 나사산에 남지 않도록 위치를 정확하게 잡고 연마해야 합니다. 넥 툴링은 나사산 프로파일 마모가 캡 또는 펌프 장착 사양의 허용 오차 한계에 도달하기 전에 교체해야 합니다. 병 검사 게이지를 통과한 마모된 넥 나사산이라도 충전 라인 캡핑기에서 요구되는 토크 사양을 충족하지 못할 수 있습니다.

파트 2 — 블로우 캐비티 설계

치아 표면 - 연마, 질감 및 통풍

블로우 성형 과정에서 형성되는 캐비티 표면 마감은 성형된 병의 외부 표면에 직접 적용됩니다. 뜨겁게 가열되어 가소화된 병의 벽이 최대 3.5MPa의 블로우 압력으로 캐비티 표면에 밀착되면서, 의도적이든 우발적이든 모든 표면 디테일에 맞춰 성형됩니다. 따라서 캐비티 표면 선택과 마감 품질은 원하는 병 외관을 구현하는 데 매우 중요합니다.

환기 표면 품질에도 마찬가지로 중요한 요소입니다. 병이 캐비티 벽에 밀착되어 팽창할 때, 병 표면과 캐비티 사이에 갇힌 공기가 빠져나가야 합니다. 그렇지 않으면 "블로우백"이라고 하는 표면 결함이 발생합니다. 블로우백이란 병이 캐비티 표면이 아닌 갇힌 공기와 접촉한 부분에 국부적인 움푹 패인 자국이나 얼룩이 생기는 현상입니다. 통풍구는 캐비티 분할선(깊이 0.01~0.02mm, 너비 1~2mm)과 베이스 인서트 접합부에 가공됩니다. 통풍이 불충분하면 ISBM 병, 특히 화장품용 매끄러운 마감 캐비티에서 외관상 결함이 발생하는 가장 흔한 원인 중 하나이며, 작은 통풍 관련 결함조차도 눈에 띄게 나타납니다.

냉각 채널 설계 - 주기 시간 및 품질

블로우 성형 과정에서 캐비티 냉각은 사이클 시간과 병 품질 모두에 직접적이고 정량적인 영향을 미칩니다. 블로우 성형 유지 단계 동안 캐비티 벽은 블로우 성형된 병에서 충분한 열을 제거하여 병 벽 온도를 PET의 유리전이 온도(Tg) 이하로 낮춰야 합니다._g (~80°C) 공동이 열리기 전 — 벽 온도가 여전히 T보다 높으면_g 금형이 열리면 분자 사슬이 배향된 상태에서 이완되면서 병이 변형되고 수축됩니다. 따라서 냉각이 불충분하면 단순히 효율성 문제만 발생하는 것이 아니라, 완성된 병의 이축 배향 품질을 직접적으로 저하시킵니다.

ISBM 블로우 캐비티의 냉각 채널 설계 모범 사례:

• 채널 직경: 8~12mm 크기로, 열전달 계수를 극대화하기 위해 난류 흐름(레이놀즈 수 10,000 이상)에 적합하게 설계되었습니다. 냉각 채널에서 난류는 동일한 채널 단면적의 층류보다 열을 3~5배 더 효율적으로 전달합니다.
• 채널 간격: 일반적으로 채널 간 중심 거리는 20~30mm이며, 채널은 캐비티 표면의 윤곽을 따라 8~15mm 간격으로 설치됩니다. 채널 간격이 8mm보다 좁으면 캐비티 벽에 응력 균열이 발생할 위험이 있으며, 표면에서 20mm 이상 떨어진 채널은 채널 사이에 열점이 발생할 수 있습니다.
• 등각 냉각 직선으로 뻗어 나가는 대신 캐비티 표면의 3D 윤곽을 따라가는 채널은 기존의 직선형 채널 드릴링 방식에서 모서리와 전환 부분에서 발생하는 과열 지점을 제거함으로써 복잡한 병 모양(타원형 단면, 비대칭 어깨 프로필)에서 사이클 시간을 15~25%까지 단축할 수 있습니다.
• 베이스 인서트 냉각: 병 바닥은 본체보다 더 강력한 냉각이 필요합니다. 이는 게이트 베스티지 영역이 가장 늦게 냉각되고 블로우 홀드 단계 시작 시 가장 높은 온도를 나타내는 영역이기 때문입니다. 생산 등급 ISBM 캐비티 세트에는 자체 회로를 갖춘 별도의 냉각 베이스 인서트가 표준으로 사용됩니다.

드래프트 각도, 언더컷 및 금형 재질

ISBM 블로우 성형 시 병의 블로우 캐비티 드래프트 각도는 일반적으로 직선형 몸체 부분의 경우 측면당 0.5~2°이며, 어깨 테이퍼 부분에서는 3~5°까지 증가합니다. 드래프트가 부족하면 병이 개봉 시 캐비티에 걸려 라벨 부분이 찢어지거나 넥 마감이 변형될 수 있습니다. 병을 캐비티에 고정시키는 언더컷(undercut)은 분할형 인서트 또는 접이식 코어 메커니즘을 사용해야 하며, 가능하면 병 디자인에서 넥 지지대 아래쪽의 언더컷을 피해야 합니다.

금형 재질 선택은 금형 수명과 표면 조도에 영향을 미칩니다.

베릴륨 구리는 열전도율(105~120W/m·K)이 공구강(15~25W/m·K)보다 약 5배 높기 때문에 냉각이 중요한 인서트, 특히 블로우 캐비티 베이스 인서트 및 코어 핀 팁에 선택적으로 사용됩니다. 이는 사이클 시간이 구조적 요구 사항이 아닌 열 추출 속도에 의해 제한되는 영역에서 강력한 국부 냉각을 가능하게 합니다.

파트 3 — 프리폼과 블로우 캐비티의 매칭

성형 전 형상과 블로우 캐비티 치수를 일치시키는 것이 가장 중요한 계산입니다. ISBM 툴링 설계계산 및 검증해야 하는 두 가지 매개변수는 축 방향 신장률( )입니다.ASR) 및 후프 스트레치 비율(고속철도이 각각의 값은 처리되는 수지에 대한 목표 범위 내에 있어야 합니다.

일반적인 프리폼-캐비티 불일치 문제 및 해결 방법

Aoki 100 및 ASB-12M 금형 표준 - 그 의미는 무엇일까요?

ISBM 금형 호환성은 단순히 금형이 기계의 클램핑 영역에 맞는지 여부만이 아니라, 금형 세트가 기계의 회전 시스템 내에서 프리폼을 어떻게 배치하고, 클램핑하고, 이송하는지를 결정하는 정확한 인터페이스 치수 세트에 의해 정의됩니다. 화장품, 제약 및 특수 음료 생산에 사용되는 3스테이션 ISBM 기계 시장에서는 두 가지 표준이 지배적입니다.

표준에서 정의하는 내용

ASB-12M 및 Aoki 100 금형 표준은 다음과 같은 인터페이스 치수 세트를 명시합니다.

• 캐비티 블록의 너비, 높이 및 볼트 패턴 — 블로우 캐비티 절반이 기계의 블로우 스테이션에 장착되는 위치와 고정 방식을 정의합니다.
• 코어 핀 피치 및 직경 — 캐비티 간 간격과 코어 핀 인터페이스의 직경을 정의해야 하며, 이는 장비의 코어 핀 홀더와 일치해야 합니다.
• 넥 피니시 링 마운팅 인터페이스 — 프리폼 캐비티 및 기계의 넥링 이송 메커니즘에 대한 넥 스레드 툴링의 위치 지정
• 냉각수 연결 위치 — 기계의 냉각 매니폴드와 일치하도록 캐비티 냉각 회로의 입구 및 출구 위치를 지정합니다.

ASB-12M 표준에 따라 제작된 금형은 해당 표준에 따라 제작된 모든 기계에 물리적으로 설치할 수 있습니다. 여기에는 인터페이스를 채택한 다른 제조업체의 기계도 포함됩니다. 이 표준은 캐비티 형상, 병 디자인 또는 공정 매개변수를 규정하는 것이 아니라 금형과 기계 간의 물리적 인터페이스만을 규정합니다.

금형 호환성이 기계 구매 시 가장 간과되는 결정 요소인 이유는 무엇일까요?

수년간의 생산을 통해 ISBM 금형 툴링을 축적해 온 업체, 즉 제품군에 필요한 프리폼 및 블로우 캐비티 세트 라이브러리를 구축한 업체는 신규 기계 구매 시 반드시 고려해야 할 중요한 툴링 자산을 보유하고 있습니다. 일반적인 ISBM 금형 세트는 기계 가격의 상당 부분을 차지하며, 10~15개의 금형 세트를 보유한 업체는 기계 자체 가치의 40~60%에 달하는 툴링 라이브러리를 보유하고 있을 수 있습니다.

새로운 기계가 기존 툴링과 다른 금형 표준을 사용하는 경우, 전체 툴링 라이브러리를 재구축하거나 수정해야 하며, 이 비용은 두 기계의 가격 차이와 같거나 그 이상이 될 수 있습니다. 따라서 ISBM 기계 구매 시 금형 표준 호환성은 선택 사항이 아닌 필수 요구 사항으로 명시해야 합니다.

어떤 표준이 어떤 한국 에버파워 머신에 적용되는지 궁금합니다.

한국의 Ever-Power는 HGY 제품군에서 두 가지 인터페이스 표준을 모두 제공합니다. HGY50-V3 그리고 HGY50-V3-EV는 다음을 사용합니다. ASB-12M 금형 인터페이스 — 한국의 화장품 및 제약 공장에 널리 사용되는 니세이 ASB 기계에서 사용하는 표준입니다. HGY150-V3 사용 아오키 100 금형 인터페이스는 아오키 세이코(Aoki Seiko) 장비에서 사용하는 표준으로, 한국 및 동남아시아 ISBM 사업장에서 상당한 규모의 금형 라이브러리가 설치된 또 다른 플랫폼입니다. 두 표준 중 하나에 기존 금형 라이브러리가 있는 사업장은 최소한의 수정만으로 해당 금형을 한국의 에버파워(Ever-Power) 장비로 이전할 수 있으며, 이는 주문 전 금형 도면 검토 단계에서 확인됩니다.

ISBM 금형 비용 - 가격을 결정하는 요인

ISBM 금형 비용은 기계 가격에만 집중하는 구매자들에 의해 지속적으로 과소평가됩니다. 전체 프로젝트에서 금형 세트는 일반적으로 다음과 같은 부분을 차지합니다. 총 투자액의 20~40% — 그리고 병 디자인이 복잡하거나(비원형 단면, 비대칭 어깨, 질감이 있는 표면) 여러 개의 캐비티 구성이 필요한 경우 해당 비율은 40%에 가까워집니다.

비용 증가의 주요 요인(영향력 순):

ISBM 금형 타당성 검토를 위한 병 디자인 제출

금형 타당성 검토(또는 제조 용이성 설계(DFM) 검토)는 금형 제조업체가 금형 제작에 착수하기 전에 제안된 병 디자인을 평가하는 과정입니다. 이 검토를 통해 제조상의 문제, 방향 결함 또는 구조적 결함을 야기할 수 있는 설계 요소를 파악하고, 강철 절삭 전에 이러한 문제를 해결할 수 있는 수정 사항을 권장합니다.

ISBM DFM 검토를 완료하는 데 필요한 정보:

한국 에버파워의 금형팀은 일반적으로 모든 제출 서류를 접수한 후 3~5영업일 이내에 DFM(설계 제조성 검토) 보고서를 제공합니다. 이 보고서에는 제안된 프리폼 벽 두께 분포 확인, 스트레치 비율 계산, 금형 재질 추천, 기계 사이클 시간 및 목표 BPH(병당 생산량) 대비 캐비티 개수 검증, 그리고 원활한 생산을 위해 필요한 병 디자인 수정 권장 사항 등이 포함됩니다. DFM 단계에서 발견된 수정 사항은 추가 비용 없이 구현할 수 있지만, 강재 가공 후 동일한 수정 사항이 발견될 경우 일반적으로 원래 금형 가격의 15~251톤이 추가됩니다.

결론

ISBM 금형 세트는 병 디자인을 실제 제품으로 구현하는 데 필요한 툴링입니다. 프리폼 형상은 이축 배향이 일관되게 달성되는지 여부를 결정합니다. 블로우 캐비티 표면과 냉각 방식은 병의 외관, 투명도 및 사이클 타임을 좌우합니다. 스트레치 비율의 적합성은 구조적 성능을 결정합니다. 또한 금형 표준 호환성은 향후 기계 업그레이드 또는 교체 시 툴링 투자 보호 여부를 결정합니다.

ISBM을 처음 도입하거나 새로운 컨테이너 포맷을 개발하는 경우, 가장 중요한 투자는 DFM(설계 제조성 검토) 프로세스에 있습니다. 즉, 강재 절단 전에 프리폼 설계, 연신율 계산, 금형 표준을 확정하는 것입니다. 한국 에버파워는 턴키 방식의 ISBM 프로젝트 솔루션을 통해 금형 설계, DFM 검토, 3D 프로토타이핑, 금형 제작을 모두 제공합니다. HGY 시리즈 3스테이션 ISBM 제품군.

편집자: Cxm