사출 기술과 금형 제작의 원리 (특징과 구조)

출처 : 사출 금형 총정리 - 양산을 위한 기구 설계와 사출 성형 (capa.ai)

 

사출 기술과 금형 제작의 원리에 대해 알아보세요.

Industrial injection molding press the manufacture of plastic parts

사출이 무엇인가요?

사출 뜻 : 플라스틱 가공 기법으로, 미리 가공된 틀에 액체 상태의 플라스틱 재료를 주입해 성형하는 공법입니다. 복잡하고 정교한 부품을 몇 초 만에 만들어내는 과정은 경이롭기까지 합니다.

 

금형사출 공법에 관한 보편적인 가이드입니다. 제조 프로젝트는 요구 사항에 따라 다양한 변수가 내포될 수 있습니다. 따라서 제조 시, 전문적인 제조 파트너와의 충분한 상담이 필수입니다.

사출 금형 협력 업체를 찾고 계신가요?

명확한 소통이 성공적인 프로젝트의 지름길입니다.
사출 금형 파트너에게 제조를 의뢰하기 전에 가공 방식과 재료, 기구설계와 사출설계 등에 대해 알아보세요. 그래야 제대로 된 금형 사출 결과물이 나오기 때문입니다.

현재 어느 단계에 계신가요?

사출 성형은 로켓을 쏘아 올리는 행위에 비견할 수 있습니다. 아이디어를 시장이라는 궤도에 진입시키는 일이니까요. 그만큼 복잡하고 어렵습니다. 때로는 비용도 억대 단위로 듭니다. 따라서 현재 프로젝트의 진척도가 어느 단계에 있든, 천천히 시간을 갖고 아래 가이드를 정독하는 것을 추천합니다.

금형 사출의 장점과 단점

장점

대량 생산에 최적화

• 플라스틱 가공 , 양산에 특화된 기술입니다.
• 사출 성형은 부품을 대량으로 생산하기 위한 공법입니다.
• 금형과 시스템 구비가 됐다면 매우 빠르고 저렴하게 생산할 수 있습니다.
• 사출성형은 형태와 크기에 따라 30~90초의 속도로 부품을 생산합니다.
• 작은 부품들은 하나의 금형을 공유할 수 있습니다.
• 알루미늄 금형은 5~10K의 사이클을 견딜 수 있습니다.
• 공구강 금형은 100K의 사이클을 견딜 수 있습니다.

다양한 재료를 제조할 수 있습니다.

• 거의 모든 열가소성 물질을 성형할 수 있습니다.
• 일부 열경화성 물질을 성형할 수 있습니다.
• 용도에 따라 첨가제, 경화제를 혼합하여 재료의 특성을 강화할 수 있습니다.
• 비교적 정확한 공차를 가진 부품을 생산할 수 있습니다.
• 일반적으로 0.5mm 수준의 공차를 가진 부품을 생산합니다.
• 더욱 엄격한 공차를 적용할 경우 0.125mm 수준의 공차를 가진 부품을 생산할 수 있습니다.

완성된 부품을 생산합니다.

• 부가적인 후가공이 필요치 않거나 적습니다.

단점

높은 초기 비용이 요구됩니다.

• 각각의 형상마다 금형을 제작해야 합니다.
• 양산형 금형의 제작 비용은 적게는 수백만 원에서 많게는 수억 원에 달합니다.
• 최소 생산량을 충족해야만 합니다.
• 잘못된 금형 설계는 치명적인 오류를 발생시킬 수 있기 때문에 전문가의 컨설팅이 필요합니다.
• 기구설계 전문가, 사출설계 전문가가 필요합니다.

수정 시 막대한 금액이 요구됩니다.

• 수많은 변수가 고려되어 설계되기 때문에 수정 시 높은 비용이 요구될 수 있습니다.
• 따라서 양산에 앞서 시제품을 제작해보고, 제조성 검증을 해보세요.

긴 리드 타임이 요구됩니다.

• 금형 제작은 일반적으로 4~6주가 소요됩니다.
• 생산에서 배송까지 일반적으로 2~4주가 소요됩니다.
• 따라서 사출 금형의 전체 사이클은 약 6~10주가 소요됩니다.
• 금형의 수정이 필요할 시 추가적인 시간이 소요될 수 있습니다.

 

사출 뜯어보기

사출 장치

industrial injection molding machine

사출 장치는 플라스틱 원료를 녹여 금형으로 주입하는 기능을 담당합니다. 이 장치는 3개의 요소로 구성됩니다. 호퍼, 배럴 그리고 왕복 스크루입니다.

 

아래는 간단히 요약된 금형 사출 프로세스 입니다.

1. 건조된 중합체를 호퍼에 넣고 제품의 스펙에 따라 착색 안료 또는 강화 첨가제를 추가합니다.
2. 원료는 배럴로 공급됨과 동시에 가열되어 혼합됩니다.
3. 액체 상태의 재료가 스크루를 통해 적절한 온도와 압력을 가진 상태로 이송됩니다.
4. 재료가 노즐을 통해 금형으로 가득 주입되어 형상을 갖춥니다.
5. 재료가 응고되면 금형이 열리고, 이젝터 핀이 전진하며 사출물을 이탈시킵니다.
6. 1~5번 과정이 빠르게 반복됩니다.

1 - 6 번의 과정은 형상에 따라 다르지만 대게 30 - 90초 정도의 시간을 소모합니다. 잘 설계된 시스템을 통해 제작된 부품은 후가공 처리도 필요 없습니다.

 

금형

금형 설계와 제작

금형 사출의 꽃은 금형입니다. 금형 하나로 수많은 제품을 복제할 수 있고, 시장에 팔아 큰 이득을 볼 수 있습니다. 하지만 이 꽃은 험준하기로 유명한 '비용의 절벽' 끝자락에 피어있습니다. 금형 생산 비용은 적게는 수백만 원에서 많게는 수억 원에 달합니다. 이런 부담스러운 상황에도 금형 제작에서 만큼은 비용보다 품질이 우선시 되어야 합니다. 역설적이게도 이 방법이 비용을 아끼는 최선의 길이기 때문입니다. 이유는 다음과 같습니다.

1. 금형을 제작하는 데에는 높은 비용과 긴 리드 타임이 요구됩니다.
2. 대량 생산시, 부품의 품질과 금형의 수명이 금형 설계 단계에서 결정됩니다.
3. 문제 발생시, 금형의 수정 비용은 금형을 새로 만드는 것과 마찬가지로 고가입니다.

충분히 고려되지 않은 금형을 기점으로 발생할 수 있는 이슈는 대량생산 단계에서 상당히 큰 리스크로 작용할 수 있습니다. 따라서 제조 지식을 가진 클라이언트와 신뢰할 수 있는 숙련된 전문가가 제대로 소통할 때 성공적인 금형이 설계되고, 문제없이 생산이 진행될 수 있습니다.

금형은 일반적으로 CNC 가공을 통해 제작됩니다. 알루미늄 혹은 공구강을 깎아 금형의 형태를 가공하고 적절한 표면처리 작업을 합니다. 지금 바로 금형을 제작하고자 한다면 CNC 가이드를 확인하고 지식을 습득해 보세요.

 

최근에는 3D 프린팅의 재료가 다양해짐에 따라 3D 프린팅을 이용한 저렴한 금형도 나오고 있습니다.

사출 금형 구조

금형 구조 일러스트

 

일반적으로 캐비티와 코어로 구성된 2단 금형이 선호됩니다. 비교적 설계와 제작이 간단하고 비용이 적은 장점이 있기 때문입니다. 다만 설계에 제약 사항이 있는데, 이는 다음과 같습니다.

1. 상판과 하판에 가공된 음각의 면이 모난 부분 없이 평평해야 합니다.
2. 튀어나오거나 패인 부분이 없어야 합니다.

위의 권장 사항을 충족하지 못할 시, 추가적인 부품이 필요합니다. 한 방향으로 개폐되는 금형의 특성상 복잡한 형상의 사출물을 온전히 이탈시킬 수 없기 때문입니다. 따라서 추가적인 방향으로 힘을 가할 부품이 필요한데, 사이드 액션 코어(혹은 인서트)가 그 역할을 합니다. 사이드 액션 코어는 상단 또는 하단에서 금형 속으로 삽입되는 부품입니다. 이 부품의 움직임을 통해 돌출부 혹은 패인 형태를 가진 부품을 온전히 이탈시킬 수 있습니다. 다만 금형이 복잡해질 수록 비용이 급격히 상승하는 경우가 많고, 이탈 후에 후가공이 필요할 수 있습니다.

금형의 종류 : 2단 금형

금형은 부품 수에 따라 종류가 분류됩니다. 일반적으로 2단 금형, 3단 금형이 있습니다.

2단 금형 작동 원리 일러스트

2단 금형의 구성

• 파팅라인에 의해 러너 시스템(스프루, 러너, 게이트)이 고정 측과 가동 측으로 나뉩니다.
• 고정 측에 고정 측코어, 가동 측에 가동 측코어가 설치되어 있습니다.
• 사이드 게이트 방식이 가장 일반적입니다.

2단 금형의 특징

• 구조가 간단하고 금형 설계비용이 저렴합니다.
• 내구성이 좋으며 사출 사이클이 빠릅니다.
• 게이트의 위치에 따라 추가적인 절단 가공이 필요할 수 있습니다.

금형의 종류 : 3단 금형

3단 금형 작동 원리 일러스트

3단 금형의 구성

• 고정 측 형판과 가동 측 형판 사이에 러너 스트리퍼판이 있습니다.
• 러너 스트리퍼판과 고정 측 형판 안에 러너가 있습니다.
• 고정측 형판과 가동 측 형판 사이에 코어가 위치합니다.

3단 금형의 특징

• 게이트의 위치를 임의로 적용하기 유리합니다.
• 게이트가 자동으로 분리되어 절단 가공처리가 필요 없습니다.
• 성형 사이클이 비교적 깁니다.
• 2단 금형에 비해 비용이 많이 듭니다.
• 구조가 복잡해 내구성이 떨어집니다.

 

러너 시스템

러너 시스템 구조 일러스트

 

러너 시스템의 구조

러너 시스템은 액체 상태의 재료를 캐비티로 주입하는 장치입니다. 이 통로를 통과하는 동안 재료는 일정한 유속과 압력을 유지하도록 설계되어 있습니다. 러너 시스템은 금형 안에 재료를 안정적으로 분배하는 기능을 담당하며 3가지 요소로 구성되어 있습니다.

 

스프루

• 노즐 입구 쪽에 위치해 있는 부품입니다. 사출기 노즐로부터 주입된 재료를 러너로 이송시키는 역할을 합니다.

러너

• 스프루와 게이트를 잇는, 수지가 흐르는 길을 지칭합니다. 여러 개의 러너가 설치될 수 있으며 각각 수지를 이송합니다. 충전이 완료되면 재료의 공급을 끊습니다.

게이트

• 러너의 마지막 부분이며 캐비티의 입구입니다. 제품의 정밀도와 외관의 질에 지대한 영향을 미치는, 러너시스템에서 가장 중요한 부분입니다.

게이트

게이트의 형상과 위치 그리고 개수를 적절히 조절하면 제품 외관의 질과 정밀도가 크게 향상됩니다.
게이트는 표준 게이트와 비표준 게이트, 핫러너 게이트로 분류됩니다. 표준 게이트는 재료를 급속히 경화시켜야할 때 쓰입니다. 이를 위해 캐비티 입구의 단면적을 제한하며, 제한 게이트라는 이름으로 부르기도 합니다. 비표준 게이트는 재료의 응고 속도가 중요하지 않을 때 씁니다.

 

게이트 위치 선정 기준은 다음과 같습니다.

• 부품의 가장 두꺼운 부분에 설치하는 것이 이상적입니다.
• 외관상 눈에 띄지 않는 곳이 좋습니다.
• 웰드라인이 생성되지 않는 곳에 설치하는 것이 좋습니다.
• 가스가 고이는 방향의 반대편에 설치해야 합니다.
• 캐비티의 끝 부분까지 동일하게 충전시킬 수 있는 위치여야 합니다.
• 절단 및 후가공 처리가 간단히 되는 면이 좋습니다.
• 한쪽으로 치우쳐 있지 않은 곳이 좋습니다.
• 기능을 손상시키지 않는 곳에 설치하는 것이 이상적입니다.

게이트의 대표적인 종류는 다음과 같습니다.

사이드 게이트	• 2단 금형에 사용됩니다. • 게이트 치수 변경이 쉬워 범용적으로 사용됩니다. • 대부분의 재료를 사용할 수 있습니다. • 다이렉트 게이트 (비표준 게이트)
다이렉트 게이트	• 2단 금형에 사용됩니다. • 사출 시 압력 손실이 적습니다. • 모든 수지를 사용할 수 있습니다. • 성형 사이클이 긴 단점이 있습니다.
서브마린 게이트	• 주로 2단 금형에 사용됩니다. • 금형이 열리며 게이트가 자동으로 절단됩니다. • 마무리 공정이 필요하지 않습니다. • 게이트 위치에 흔적이 생기는 결점이 있습니다. • 위 결점을 보완하기 위해 추가적인 설계가 가능합니다.
G 게이트	• 주로 2단 금형에 사용됩니다. • 금형이 열리며 게이트가 자동으로 절단됩니다. • 마무리 공정이 필요하지 않습니다. • 게이트의 위치 선정이 비교적 자유롭습니다. • 제품의 외관이 중요할 경우 사용됩니다.
핀 포인트 게이트	• 3단 금형에 사용됩니다. • 금형이 열리며 게이트가 자동으로 절단됩니다. • 마무리 공정이 필요하지 않습니다. • 사출물에 게이트 자국이 거의 보이지 않습니다. • 다점 게이트를 설계하기 쉬워 면적이 큰 사출물을 성형하기 좋습니다.

 

사출 금형 설계 하는법

금형 사출은 시제품이 아닌 최종 제품을 생산하는 제조 공법입니다. 모든 제조 공법이 마찬가지지만 금형 사출을 고려한다면, 신뢰할 수 있는 전문가와 협업하는 것이 프로젝트를 성공적으로 마무리하는 지름길입니다.

 

하지만 '협업'이 아닌 '의존'하는 관계가 되어서는 안 됩니다. 프로의 세계에서 순진함은 용납되지 않으니까요. '금형사출 뜯어보기' 단락을 보셨다면 금형 사출에 무수한 변수가 존재한다는 것을 짐작하셨을 겁니다.
최적의 선택지를 선택하기 위해서는 설계단에서부터 최적화가 이뤄져야합니다. 이는 제품에 대해 제일 잘 아는 클라이언트와 노련한 금형 전문가의 소통을 통해 실현될 수 있습니다.

아래의 금형 설계 지식을 습득하고 프로젝트를 성공적으로 완성하세요.

 

금형 설계의 룰

일정한 벽 두께

기구 설계 시 유의사항 : 사출물 벽 두께

금형 설계 시 불안정한 환경 요소를 배제하지 않으면 생산 단계에서 여러 가지 결함이 발생할 수 있습니다. 사출물의 일정하지 않은 벽 두께는 액체 상태의 재료가 제대로 흐르지 못하도록 막는 대표적인 방해 요소입니다.

• 뒤틀림 방지를 위해 벽 두께를 균일하게 설계해 주세요.
• 두께가 다른 섹션이 필요한 경우 필렛은 필수적입니다.
• 필렛의 너비는 다음과 같습니다.
  (두꺼운 벽의 높이 - 얇은 벽의 높이) x 3
• 재료에 따른 권장 벽 두께를 지켜 설계해주세요.
  (일반적으로 1.2 ~ 3mm의 벽두께가 권장됩니다.)

재질	벽 두께	단위
PP	0.8 ~ 3.8	mm
ABS	1.2 ~ 3.5	mm
PE	0.6 ~ 3.0	mm
PS	1.0 ~ 4.0	mm
PUR	- 2.0 ~ 20.0	mm
PA 6	- 0.8 ~ 3.0	mm
PC	1.0 ~ 4.0	mm
PC- ABS	1.2 ~ 3.5	mm
POM	0.8 ~ 3.0	mm
PEEK	1.0 ~ 3.0	mm
실리콘	1.0 ~ 10.0	mm

 

출처 : 사출 금형 총정리 - 양산을 위한 기구 설계와 사출 성형 (capa.ai)