PEEK 성형 시 고려해야 할 다섯 가지 요소
PEEK (Polyetheretherketone, 폴리에테르에테르케톤)는 항공우주, 자동차, 에너지, 산업, 전자, 의료 분야 등 까다로운 환경에서 다양한 용도에 널리 사용되는 첨단 고성능 열가소성 폴리머다.
반결정성 폴리머인 PEEK는 뛰어난 기계적 특성, 내열성, 내화학성을 제공한다.
PEEK 폴리머 사출 성형은 어렵게 여겨질 수도 있으나, 다른 고성능 열가소성 소재와 유사하게 성형이 가능하며, 몇 가지 고유한 가공 요건을 이해하면 일반적으로 발생할 수 있는 문제를 예방할 수 있다. 결함 없는 높은 품질의 PEEK 폴리머 기반 부품 제조를 통해 고성능 폴리머의 우수한 성능을 최대한 활용할 수 있다.
PEEK 폴리머의 가능성을 최대한 활용하기 위해서는 사출 성형 과정의 모든 부분을 세심하게 조정하고 최적화해야 한다. 특히 이번 글에서는PEEK 사출 성형 시 고려해야 할 다섯 가지 요소를 다루며, 이를 통해 결함을 방지하고 반복 작업을 줄이며 고성능 소재에 대한 이해도를 높일 수 있을 것으로 생각한다.
[1] 장비: 표준 사출 성형기 사용
첫 번째는 PEEK 폴리머 성형에 사용하는 장비다. PEEK 폴리머는 대부분의 주요 장비 업체에서 공급하는 표준 사출 성형 기계로 성형할 수 있다. PEEK 폴리머 등급에 따라 사출 성형 배럴의 가공 온도는 대략 350~400°C 범위 내에 있게 된다.
이는 대부분의 표준 사출 성형기에서 실린더 히터만으로 별도 조정이나 개조 없이 달성할 수 있다. 조정이 필요하다면 주로 히터 밴드나 열전대(써모커플)/컨트롤러일 가능성이 높다. 가장 안정적으로 가공을 지원하는 세라믹 히터 밴드 사용을 권장한다. 또한 배럴 블랭킷을 사용하면 열 절연과 에너지 비용 절감 효과를 기대할 수 있다.
범용 스크류는 효과적으로 사용할 수 있다. 단, 구리나 구리 합금은 용융물과 접촉하지 않도록 해야 한다. 모든 금속 부품은 걸림 현상 방지를 위해 표면을 매끄럽고 고광택으로 마감 처리해야 한다.
[2] PEEK 폴리머 건조의 중요성
PEEK 폴리머는 일반적으로 건조된 상태로 공급되나, 대기 중 수분을 흡수할 수 있다. 빅트렉스는 데이터시트와 함께 빅트렉스 사출 성형 가이드를 통해 건조 방법에 대한 가이드라인을 제공하고 있다. 간략히 설명하면, 150-160°C의 순환식 오븐에서 트레이에 올려 2~3시간 건조하거나 밤새 건조하는 방법을 권장한다. 자세한 내용은 빅트렉스 성형 가이드에서 확인할 수 있다.
이를 통해 잔류 수분 함량을 0.02% 미만으로 줄이는 것을 목표로 한다. 제습기나 건조제 제습기 등을 사용할 수도 있으며, 이 경우 노점/이슬점(dew point)이나 포화온도를 -40°C로 유지할 수 있어야 한다.
[3] 청결이 핵심
청결은 매우 중요하다. 항상 청결을 유지해야 한다. PEEK를 성형할 때는 오염을 철저히 방지해야 한다. PEEK의 성형 온도에서는 대부분의 다른 폴리머가 분해되기 때문에, 건조 오븐, 호퍼, 사출 성형기, 러너 및 부품을 담는 모든 용기를 깨끗하게 관리해야 한다.
성형을 시작하기 전에는 스크류를 분리하고, 배럴과 스크류를 꼼꼼하게 세척하고 브러시로 청소해야 한다. 또한 호퍼 내부에 걸림(hang up)이 없는지 점검해야 한다.
재가공(regrind)은 오염의 주요 원인이 될 수 있다. 따라서 PEEK 소재 전용 장비를 사용하는 것을 권장한다. 성형 과정에서 오염물이 발생하면 최종 부품에 검은 점(black spec)으로 나타날 수 있다.
[4] 가능한 한 큰 게이트 사용
PEEK 폴리머는 큰 게이트에서 사출 성형이 보다 용이해진다. 게이트 크기는 부품의 부피, 캐비티 수, 부품 형상에 따라 달라진다. 반결정성(semi-crystalline) PEEK 폴리머는 비결정성(amorphous) 열가소성 소재에 비해 수축률이 상당히 높은 편이다.
또한 높은 가공 온도에서 주변 온도로 냉각될 때, 상대적으로 낮은 가공 온도에서 냉각시키는 것보다 더욱 많은 수축이 일어난다. 가능한 큰 게이트를 사용하면 부품을 완전히 채울 수 있다.
빅트렉스에서는 부품의 최대 단면 두께의 2/3을 기준으로 하는 ‘2/3 규칙’을 따른다. PEEK 폴리머 등급에 따라 달라질 수 있다. 비보강 PEEK 폴리머에는 최소 1mm, 컴파운드의 경우 2mm의 게이트 크기가 필요하다. 가장 일반적으로 탭 게이트, 사이드 게이트, 탭 게이트가 사용된다. 매우 얇은 벽이나 작은 부품의 경우 터널 게이트를 고려할 수 있으나, 더 큰 부품 성형 시 냉각 중 동결 현상이 발생할 수 있다.
[5] 온도 제어
금형의 온도 제어는 매우 중요하다. 금형 온도는 반결정성 부품을 제조하고, PEEK의 고유한 성능을 최대한 활용하기 위해 필수적이다. 이와 관련하여 빅트렉스 수석 과학자인 존 그래스메더(John Grasmeder) 박사는 폴리머 결정화도에서 금형 온도의 중요성을 살펴본 바 있다. 다음은 금형 온도 제어가 제대로 이루어지지 않아 사출 성형이 실패한 사례들이다.
시편은 이러한 차이를 명확하게 보여주기 위한 예시다. (위) 반결정성 PEEK – 성형이 잘됐을 때, (아래) 결정성 PEEK - 금형 온도가 너무 낮았을 때.
결정 영역과 비결정 영역이 나타난 성형 부품.
진한 갈색은 비결정성(amorphous), 베이지색은 반결정성(semi-crystalline) PEEK 폴리머를 보여준다.
PEEK 폴리머 및 PEEK 컴파운드를 성공적으로 성형하려면 금형 온도를 170~200°C 범위로 유지해야 한다. 성형하는 PEEK 등급에 따라 적절한 온도를 설정해야 하며, 과도한 냉각(quench cooling)을 방지해 비결정 상태로 전이되지 않도록 해야 한다.
특히 설정 온도만이 아니라 실제 금형 표면 온도를 이 범위 내로 유지하는 것이 중요하다. 소형 부품에는 전기 히터를, 대형 부품이나 크고 깊은 코어가 있는 금형에는 절연 유로를 갖춘 오일 히터를 사용하는 것을 권장한다. 또한, 금형과 프레스 플래튼(platen) 사이에 절연 보드를 설치하고, 금형 주변을 열 절연재로 포장해 전체 금형에 균일한 온도가 분포하도록 할 수 있다.
요약하면, 성공적인 PEEK 성형을 위해 고려해야 하는 다섯 가지 요소는 다음과 같다.
- 표준 사출 성형 장비 사용: PEEK 성형에는 대부분의 표준 사출 성형 장비를 사용할 수 있다.
- 철저한 건조: 성형 전 PEEK 폴리머를 충분히 건조해 수분 함량을 최소화해야 한다.
- 청결 유지: 공정 전반에서 오염을 방지해 성형 품질 저하를 예방해야 한다.
- 큰 게이트 사용: 부품을 완전히 채우고 수축을 최소화하기 위해 가능한 큰 게이트를 설계해야 한다.
- 금형 온도 제어: 반결정성 부품 제조를 위해 금형 표면 온도를 적절히 유지해야 한다.
빅트렉스는 글로벌 기술 지원팀을 통해 사출 성형 관련 문의에 대해 지원하고 있다. 빅트렉스 홈페이지에서 사출 성형 가이드와 데이터시트를 통해 자세한 내용을 확인할 수 있으며, 웹사이트 내 다양한 채널을 통해 문의할 수 있다.
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저자 소개
캐린 버거(Carin Burger)는 지난 17년간 빅트렉스에서 근무해 온 소재 과학자다. 연구 개발(R&D)과 기술 서비스 분야에서 풍부한 경험을 보유하고 있으며, 현재는 EMEA 지역 기술 서비스 팀의 일원으로 고객과 긴밀히 협력하며 설계, 가공 및 제조 전반에 걸친 기술 지원과 문제 해결을 담당하고 있다.
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