앞의 서론에서 언급한 바가 있는 In-Mold Type PAB Door는 에어백 전개 시 전개 성능이 최우선적으로 확보되어야 하는 기능성 부품임과 동시에 조수석 탑승자가 차량 탑승 시 제일 먼저 시야에서 확인되는 외관 부품이므로 외관 감성 품질 역시 엄격히 요구되는 부품이다. 그러나 실제 In-Mold Type PAB Door는 에어백 전개를 용이하게 하는 Seam Line을 후가공 없이 금형 내의 코어 형상으로 처리하게 됨에 따라, 두꺼운 기본 두께 단면과 얇은 Seam Line 두께 단면의 체적 편차에 의해 나타나는 싱크마크를 수반하게 된다. 이와 같은 싱크마크는 여러가지 원인이 복합되어 나타나지만 주요인은 성형 후 냉각에 의해 발생하는 플라스틱 소재 특유의 각 부위별 수축편차에 기인한다. Fig. 2는 In-Mold Type PAB Door 싱크 마크 발생과정을 나타내고 있다. Seam Line 부의 얇은 단면(a)은 두꺼운 기본 두께 단면(b) 대비 빠르게 고화된다. 이 때 빠른 고화와 동시에 수축현상이 발생하게 되고, 상대적으로 고화 진행 정도가 늦은 두꺼운 기본단면의 일부 체적을 당기게 된다. 그 결과 Seam Line 단면 수축에 의해 체적을 잃은 해당 두꺼운 기본 두께 단면은 Fig. 2에서와 같이 Table 표면에 꺼짐 현상으로 나타나게 된다. 이와 같은 꺼짐 현상은 정량적으로는 작은 수치이지만 미려한 플라스틱 외관제품에서는 치명적인 외관불량으로 나타난다. 이와 같은 싱크 마크를 제거하기 위하여 Seam Line 단면을 변경하거나, 제품의 체적 수축을 보상하기 위한 게이트 위치나 보압 조건을 변경 하는 등 여러 가지 개선 방안을 적용할 수 있다.^3,5-8 그러나 이와 같은 시도로 제품 외관의 실제 싱크 마크의 Table 표출 정도는 개선될 수 있으나, 근본적인 대책이 되지는 못한다.

Fig. 2 
The cause of sink marks at PAB door seam line

본 연구에서 Seam Line의 싱크마크를 제거하기 위해 적용한 뮤셀공법은 미국 MIT/Trexel(社)가 원천특허를 가지고 있는 플라스틱 원소재 초미세 발포 공법으로써, 성형품 내부에 균일한 크기의 초미세 기포(통상 10-600 μm의 크기)를 만들기 위하여 발포 원소재(Foaming Material)내에 고밀도의 기포 핵을 생성시키는 방식을 쓰고 있다. Fig. 3은 성형품 내부에 뮤셀 기포를 생성시키기 위한 단계를 나타내고 있다.^1,9

Fig. 3 
The process of ultrastructural Mucell method

Fig. 3에서 보는 것과 같이 사출 이전 계량단계에서 고온 고압의 초임계유체 상태의 질소나 이산화탄소를 사출기 배럴 내에 주입하여, Mucell 스크루 계량 중 Mixing Zone에서 용융 플라스틱과 초임계유체를 단일 액상체로 혼합시킨다. 그 이후 사출공정 시금형 내부의 급격한 감압(ΔP)으로 인해 초임계 상태의 수백만 개의 발포 핵이 동시에 초미세 뮤셀 기포로 성형품 내부에 형성된다. 이 때 금형 내부에 형성된 기포는 생성과 동시에 발포압을 발생시켜 보압 공정 없이 부품을 성형 완료시키게 되는데, 이 뮤셀공정에서의 발포압을 이용하여, 본 연구에서는 PAB Door의 Seam Line에 발생하는 고질적 싱크마크를 근원적으로 해결하고자 한다. Fig. 4에서는 뮤셀 발포에 의해 싱크마크를 해결하고자 하는 방안을 도식화하였고, Fig. 5에서는 뮤셀 발포가 진행된 플라스틱 제품의 조직을 나타내고 있다.^4,10

Fig. 4 
Sink mark improvement by Mucell bubble

Fig. 5 
Modeled tissue applied by Mucell method

일반적으로 플라스틱 성형품에 뮤셀 공법을 적용할 경우, 앞에서 언급한 외관품질의 향상과 더불어 보압공정 삭제에 의한 생산성 향상, 발포성형에 의한 중량감소 등의 추가적인 장점이 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 이와는 반대로 발포성형 특성 상 제품 내부 조직 밀도가 감소함에 따라 일반 성형품 대비 기계성 물성은 감소하게 되는 단점도 가지고 있다. 그러므로 뮤셀공정 진행 시에는 압력 및 초임계 유체 주입량을 변수로 하여 뮤셀 기포의 발포 정도, 즉 성형품 조직밀도를 제어하는 과정이 반드시 수반되어야 한다. PAB Door 부품은 싱크마크 개선을 통한 외관품질과 더불어 에어백 전개 시 전개압력을 견딜 수 있는 기계적 물성이 반드시 필요한 부품이므로, 실제 뮤셀 시제품 제작 전 뮤셀공법에 의한 기계적 물성변화는 반드시 선검토하여야 하였다. Table 2은 본 연구에서 평가 소재로 선정한 GS Caltex (社)의 국산화 TPO RT35D에 대해 일반성형과 뮤셀성형을 통해 획득한 테스트 시편의 물성을 비교한 결과이다. Table 2에서 보는 것과 같이 굴곡 강도, 굴곡 탄성율, 충격 강도, 열변형 온도 항목은 기존의 일반 성형품 대비 동등 수준으로 나타났지만, 인장 강도 및 신율에 있어서는 기존 성형품 대비 약 13% 정도의 물성 저하가 나타났다. 비록 뮤셀제품의 인장강도 및 신율 항목은 기존의 예상과 같이 일반 성형품 대비 물성 저하되었지만, 열변형 온도 및 충격강도(-30^oC)와 같은 열적 특성 항목에서는 일반성형품 대비 비교적 안정된 결과를 나타내었다.

뮤셀공법을 적용하여 외관품질을 확보한 시제품에 대해 슈트 융착 및 도장공정 까지 진행하여, 에어백 전개 시험과 원소재 신뢰성 평가을 실시하였다. 평가항목은 ES84500-13, MS210-05 및 MS300-54를 기준으로 선정하였다. 해당 항목에 대한 시험 결과는 Table 3에 정리하였다.

Table 3에서 보는 것과 같이 MS 평가항목 중 내열 싸이클 항목을 제외한 모든 항목에서 성능을 확보할 수 있었다. 문제로 나타났던 내열 싸이클의 국부적인 단차 불량은 해당부위에 추후 보강구조 추가한다면 개선 가능할 것으로 판단된다.

에어백 전개시험 항목은 수차례 PAB Door 보강 구조 변경 후 전개 성능을 확보할 수 있었다. 전개 시험 초기 문제점은 역시 뮤셀 발포로 인한 제품의 강성부족이었다. 부족한 강성는 제품 배면에 Fig. 7과 같은 파열 방지용 보강 리브를 설치하여 확보할 수 있었다. Fig. 7에서 보면 제품 배면의 보강 리브의 두께(4 mm)가 제품 기본두께(3.5 mm)보다도 두껍게 설계되어 있는 것을 확인 할 수 있다. 일반적으로 플라스틱 제품의 리브/보스의 두께 설계 기준은 기본 제품 두께의 50-60% 이내로 설계하는 것이 일반적이다.^2,11-15 그러므로 Fig. 7과 같은 리브 설계는 싱크마크로 인한 외관품질 저하로 일반사출성형에서는 불가능한 제품 구조이지만, 뮤셀사출성형에서는 싱크마크에 대한 고려가 필요없으므로 플라스틱 제품의 보스 및 리브와 같은 보강 구조물에 대한 설계 자유도에 제약이 없음을 확인할 수 있었다.

Fig. 7 
The design of reinforcement rib on ‘Mucell modeling’