E-모빌리티의 열경화성 사출 성형

사샤 엥글리히 교수는베를린 슈타인바이스대학의 플라스틱 공학 교수이자 슈바르츠 플라스틱 기술*의 플라스틱 재료 및 공정 기술 전문가입니다. 차동 주사 열량계와 유변학을 이용한 에폭시 수지 사출 성형 최적화에 대한 블로그 시리즈의 일환으로, 이번 첫 번째 글에서는 열경화성 사출 성형 공정과 자동차 전자제품 캡슐화에 적용하는 방법에 대해 설명합니다. 또한 부품, 금형 및 공정 설계를 위한 DSC 또는 회전 레오미터와 같은 재료 분석의 중요성에 대해서도 설명합니다.

E-모빌리티는 소재에 대한 요구가 높습니다: 전자 부품의 캡슐화에서 열가소성 수지가 열가소성 플라스틱보다 우수한 성능을 발휘하는 이유.

많은 응용 분야에서 열경화성 플라스틱의 특성은 효율적인 부품 설계 및 제조를 위한 이상적인 전제 조건을 제공합니다. 열가소성 플라스틱에 비해 매우 높은 온도 범위까지 거의 일정한 열역학적 거동과 뛰어난 내화학성 및 전기 절연 특성으로 인해 열경화성 소재는 '가혹한' 조건에서 사용되는 많은 부품 애플리케이션에 적합합니다. 열경화성 소재는 특히 e-모빌리티 분야에서 발생하는 요구 사항으로 인해 최근 각광을 받고 있습니다. 열경화성 소재는 소위 캡슐화 애플리케이션에 이상적입니다(그림 1).

둘 다 펠릿 형태로 시작하기 때문에 겉으로 보기에는 크게 다르지 않지만(그림 2), 열경화성 및 열가소성 성형 컴파운드는 서로 크게 다릅니다. 이는 재료 특성과 사출 성형과 같은 공정 모두에 적용됩니다. 그 주된 이유는 가공 중(경우에 따라서는 가공 전에도) 열경화성 소재의 반응성 때문입니다. 즉, 물리적 공정 외에도 화학적 공정(3차원 가교 결합)이 일어나며 공정에서 서로 영향을 미칩니다. 열경화성 성형 부품과 관련된 이러한 특징과 기타 특수 기능은 기계 및 공정 설계 시 항상 고려해야 합니다.

전반적으로 결정적인 요소인 온도

열경화성 성형 컴파운드 사출 성형의 주요 공정 흐름은 열가소성 플라스틱의 공정 흐름과 일치합니다.

가소화, 사출, 유지 압력 유지, 응고/경화의 공정 단계는 하나의 주기로 실행됩니다. 그러나 개별 단계는 재료별 기계 및 금형 구성 요소와 공정 파라미터에 따라 다릅니다(그림 3). 처음에 가장 눈에 띄는 차이점은 준 "역방향" 온도 제어입니다. 열경화성 성형 컴파운드는 최대 90°C의 온도에서 매체 강화 실린더에서 가능한 한 부드럽게 가소화됩니다. 90°C(재료에 따라 다름)의 온도에서 가교 반응이 조기에 시작되는 것을 방지하기 위해 가소화됩니다. 여기에는 적당한 배압, 스크류 속도 및 스크류 루트 압축도 포함됩니다. 점성이 높은 용융물은 대부분 전기로 가열된 금형에 주입됩니다. 보압이 가해지는 동안 잔류 경화 시간(열가소성 플라스틱의 잔류 냉각 시간과 유사) 동안 화학적 가교/경화 반응이 일어납니다. 최대 약 180°C의 금형 온도는 이 과정을 가속화합니다. 이 상태에서는 재료가 비가역적으로 화학적으로 교차 결합되어 더 이상 온도를 높여도 녹지 않습니다. 이러한 기본적인 공정 특징과 함께 특히 금형 및 공정 설계와 관련하여 고려해야 할 중요한 재료별 세부 사항이 많이 있습니다.

낮은 점도 - 부드러운 처리

에폭시 기반 몰딩 컴파운드와 같은 열경화성 플라스틱이 앞서 언급한 캡슐화 응용 분야에서 흥미로운 이유는 가소화된 상태에서 점도가 낮다는 점입니다.

용융 점도가 낮은 열가소성 수지(PA, PBT, PPS 등)도 있지만, 냉각된 금형에 핫멜트를 주입하여 금형 벽이나 인서트에서 재료가 동결되는 공정 원리로 인해 특히 민감한 전자 인서트와 얇은 벽 두께의 경우 한계에 빠르게 도달하게 됩니다. 특히 에폭시 수지 몰딩 컴파운드는 금형 벽에서 즉시 얼지 않고 낮은 압력과 온도(기술용 열경화성 수지의 질량 온도 >240°C, 열경화성 수지의 금형 온도 <180°C 비교)에서 부드러운 가공이 가능하기 때문에 이점이 있습니다.

열 해석, 유변학 및 유체 역학 시뮬레이션이 제품 설계에 이미 도움이 되는 이유

경제적인 공정에서 이러한 이점을 활용하기 위해서는 재료와 금형에 대한 요구 사항이 높습니다. 앞서 언급한 낮은 점도는 특히 뜨거운 금형 벽과 접촉할 때 플래시를 최소화하기 위해 잘 밀폐된 금형이 필요합니다. 이를 위해서는 갇힌 공기가 빠져나가고 버너를 피할 수 있도록 목표 환기 개념이 필요합니다. 공정 엔지니어링 관점에서 보면 재료에는 두 가지 주요 요구 사항이 있습니다. 첫째, 전체 사출 공정 동안 점도가 가능한 한 낮아야 하며, 경우에 따라 캡슐화 공정에서 10초 미만이 소요될 수 있습니다. 점도의 증가와 함께 후속 유지 압력 및 경화 단계는 짧은 경제 주기를 달성하기 위해 가능한 한 빨라야 합니다.

금형 설계 및 재료 선택과 관련하여 이러한 요구 사항을 큰 실험 노력 없이 충족하려면 사전에 금형, 재료 및 공정 최적화를 위한 공정 시뮬레이션을 수행하는 것이 좋습니다. 시중에는 다양한 소프트웨어 솔루션이 있으며, 이들 솔루션은 모두 유동 경화 공정을 사실적으로 시뮬레이션하기 위해 각각의 유변학(반응에 따른 유변학적 거동) 재료 거동에 관한 신뢰할 수 있는 재료 데이터가 필요하다는 공통점이 있습니다. 따라서 화학 반응성(가교/경화 반응)을 분석하고(그림 5) DSC 분석 (시차 주사 열량 측정)을 통해 평가할 수 있습니다. 점도 분석은 회전 레오미터를 사용하여 수행할 수 있습니다(그림 6). 그런 다음 두 측정 방법에서 측정된 재료별 데이터를 수학적 모델로 설명하여 다양한 소프트웨어 패키지를 사용하여 시뮬레이션 성능 최적화 루프를 수행할 수 있습니다. 예를 들어, NETZSCH Kinetics Neo 소프트웨어를 사용하여 다양한 온도 시나리오(금형 온도, 용융 온도)가 경화 거동에 미치는 영향을 계산하여 문제 없는 저압 금형 충전과 후속 고속 냉각 간의 최적의 균형을 달성할 수 있습니다.

이러한 애플리케이션에 필요한 DSC 측정에 대해 자세히 알아보려면 이 시리즈의 다음 포스팅을 읽어보세요.

자세한 내용은 NETZSCH 분석 및 테스트를 참조하세요.

^{*슈바르츠 플라스틱 기술 는 엔지니어링, 공정 기술 및 플라스틱 관련 마케팅에 중점을 둔 플라스틱 산업의 특정 과제에 대한 컨설팅 회사입니다.}