"고효율"과 "안정성" 사이의 균형을 달성하는 방법: 24캐비티 PET 프리폼 금형

—특정 브랜드의 1.5L 미네랄 워터 프리폼 대량 생산 프로젝트 보고서

지난달, 당사는 중국 동부 지역의 대규모 음료 포장 기업에 24캐비티 PET 프리폼 금형을 납품하였으며, 당사의 고속 사출 성형기와 함께 공급하였습니다. 현재 해당 금형은 하루 100만 개 이상의 프리폼을 안정적으로 대량 생산하고 있습니다. 본 프로젝트는 전형적인 사례로, 발생했던 문제점 및 그 해결 과정은 토론을 위해 공유할 가치가 있습니다.

I. 핵심 고객 니즈: 단순히 "다중 캐비티"가 아니라, "모든 캐비티가 동일해야 함"

고객의 니즈는 매우 명확했습니다:

1. 극도의 효율성: 성수기 동안 1.5L 생수병에 대한 엄청난 수요를 충족하기 위해 금형당 생산량을 증대시켜야 합니다.

2. 절대적인 안정성: 24캐비티 구조에서 무게, 크기, 결정도 등의 미세한 편차라도 블로우 성형 공정의 수율 저하 및 온라인 검사 시 빈번한 경보 발생을 초래하며, 이는 생산 라인에서 용납될 수 없습니다.

3. 비용 통제 가능성: 앞서 언급한 두 가지 요구사항을 충족시키는 동시에 유지보수가 용이해야 하며, 금형 수명 또한 장기적으로 확보되어야 합니다.

즉, 고객이 원하는 것은 단순히 24개의 캐비티가 "작동하는 것"이 아니라, 24개의 "동일한" 캐비티가 "동기화되고 안정적으로 작동하는 것"이었습니다.

II. 당사의 솔루션: 모든 세부 사항에서 "균형" 실현

24캐비티로 인해 발생하는 전형적인 과제—즉, 유동 거리 차이가 크고 열 분포가 불균일한 문제—에 직면하여, 당사는 금형 팀과 협력하여 몇 가지 핵심 설계 결정을 최종 확정하였습니다:

1. 핫 러너 시스템: 선택 및 배치가 생명선입니다

• "다중 포인트 밸브 핀 + 핫 노즐 동시 개방" 시스템을 채택했습니다. 이는 매우 중요한 결정이었습니다. 단일 포인트 밸브 핀 방식에 비해 용융 수지가 모든 캐비티에 동일한 압력과 온도로 동시에 충전되도록 보장하여, 충전 순서 차이로 인한 불균일성을 근본적으로 줄입니다.

• 계층적·구역별 정밀 온도 제어. 핫 러너 플레이트를 독립적인 온도 제어 구역으로 분할함으로써, 메인 인렛에서 거리가 먼 상대적으로 유동 저항이 큰 러너(‘약한’ 러너)에 대해 온도 보정을 제공하여 각 노즐 끝단에서 일관된 용융 상태를 유지합니다.

2. 냉각 시스템: '콘포멀 냉각(Conformal Cooling)' 및 효율적인 배치

• 냉각은 프리폼 금형의 핵심입니다. 우리는 고열전도성 소재로 제작된 금형 코어를 사용하고, 각 프리폼이 신속하고 균일하게 냉각될 수 있도록 내부 나선형 난류 냉각 채널을 설계했습니다. 불균일한 냉각은 프리폼의 수축률 및 결정도 차이를 직접 초래합니다.

• 금형 유동 해석을 통해 워터 채널 배치를 반복적으로 최적화하여, 24개 캐비티 간 냉각 효율 편차를 5% 이내로 제어하였습니다.

3. 금형 구조 및 정밀도: 강성과 미세 조정의 보장

• 초고강성의 대형 금형 플레이트 설계. 24개 캐비티에 의해 발생하는 막대한 사출 압력은 금형 플레이트에 매우 높은 변형 저항성을 요구하며, 이는 장기적인 안정성을 확보하기 위한 기반입니다.

• 주요 부품(예: 금형 코어 및 캐비티)은 수입 고경도 강재로 제작되었으며, 모두 온도 제어 환경 하에서 정밀 가공되어 캐비티 일관성을 보장합니다.

• 간단한 미세 조정 메커니즘이 확보되어 있습니다. 시험 성형 단계에서 개별 핫런너의 셰임을 미세 조정함으로써 충진 균형을 맞출 수 있으며, 이는 다공(multi-cavity) 금형의 최종 교정에 매우 중요합니다.

III. 사출 성형기와의 협업: "좋은 말도 좋은 안장이 필요하다" 금형 설계가 아무리 훌륭하더라도, 결국 기계 위에서 작동해야 합니다. 당사의 고속 사출 성형기는 결정적인 역할을 수행했습니다:

• 극도로 높은 사출 속도 및 응답성: PET 용융물이 최적의 상태로 신속하게 충진되도록 보장하여 전단 과열 또는 조기 냉각으로 인한 재료 열화 및 불균일한 성능을 방지합니다.

• 안정적인 폐루프 제어: 기계가 사출 압력 및 보압을 정밀하게 제어함으로써 금형 내 미세한 차이를 상쇄하는 최후의 방어선이 되며, 각 금형에 대한 공정 파라미터를 좁고 최적의 범위 내에서 엄격히 관리할 수 있도록 합니다.

• 빠른 사이클 타임: 고효율 냉각 몰드와 결합하여 몰드 개폐 시간 및 탈형 시간을 극한까지 최적화함으로써, 안정적인 사이클 타임을 11초 미만으로 달성하여 24캐비티의 효율성 이점을 충분히 발휘함.

IV. 프로젝트 결과 및 고객 가치 3주간의 시험 성형 및 공정 파라미터 최적화 후, 프로젝트는 목표를 달성함:

• 생산 효율성: 사이클 타임이 10.8초로 안정화되었으며, 이론상 일일 생산 능력은 110만 개 이상의 프리폼을 초과하여 고객 요구사항을 완전히 충족함.

• 제품 일관성: 임의 캐비티에서 무작위로 선별된 프리폼의 중량 허용오차가 ±0.15g 이내로 안정적으로 유지되었고, 입구 크기 및 결정도 또한 모든 규격을 충족함.

• 생산 안정성: 72시간 연속 생산 검증 결과, 몰드 관련 문제로 인한 가동 중단 또는 품질 변동이 발생하지 않았으며, 블로우 성형 생산 라인의 수율은 99.7%를 상회함.

V. 배운 점 및 성찰 이 프로젝트는 다시 한번 ‘다중캐비티 몰드(multi-cavity mold) 분야에서의 경쟁은 ‘양(quantity)’이 아니라 ‘균일성(uniformity)’에 있다’는 원칙을 입증하였다. 이는 핫러너(hot runner) 선정, 냉각 설계, 가공 정밀도, 사출 성형 공정에 이르기까지 전반적인 체계적 통합 역량을 시험한다. 어느 한 단계라도 약점이 존재한다면, 그 약점은 24라는 숫자만큼 기하급수적으로 확대될 것이다.

우리에게 있어 성공적인 납품은 결코 종착점이 아니다. 이 몰드는 현재 당사의 원격 모니터링 시스템에 통합되어 있으며, 지속적이고 안정적인 운용이야말로 우리와 고객사 간 공동 창출 가치의 진정한 실현이다.