사출 기술과 금형 제작의 원리 (설계방법)

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

구조적 설계 : 리브

비정상적으로 두꺼운 벽은 사출물의 뒤틀림, 수축 등 여러 가지 심각한 결함의 원인입니다. 또 두꺼운 벽은 냉각 시간이 길어 생산성을 낮춥니다. 이러한 상황에서는 구조적인 해법을 강구할 수 있습니다. 위와 같이 서로 연결된 살을 붙여 설계하면, 보다 적은 부피로 동일한 성능을 가진 부품을 만들 수 있습니다. 이러한 살을 리브라고 합니다.

기구 설계 시 유의사항 : 리브

• 하나의 두꺼운 리브보다 여러 개의 얇은 리브를 설치하는 것이 효과적입니다.
• 리브의 방향은 금형 내 수지의 흐름 방향과 같은 방향으로 설치해야 합니다.
• 권장 두께 이상의 리브는 표면의 결함을 야기할 수 있습니다.
• 리브의 권장 두께는 다음과 같습니다.
  맞닿은 벽 두께 x 0.5
• 리브의 권장 높이는 다음과 같습니다.
  맞닿은 벽 두께 x 3

 

필렛

기구 설계 시 유의사항 : 필렛

제품의 모든 벽 두께가 일정하게 설계하는 것이 이상적이기는 하나, 의도에 따라 변화가 필요할 수 있습니다. 이때 외형에 단층이 생기는 것을 방지해 주세요. 단층으로 인해 형성된 날카로운 모서리는 응력을 집중시키며 결함을 야기합니다. 또한, 상대적으로 약한 강도를 가지게 될 확률이 높습니다. 따라서 필렛을 줘 완만한 형상의 변화를 꾀하세요.

 

• 재료의 흐름을 고려하여 부드러운 형상이 필수적입니다.
• 필렛의 권장 길이는 다음과 같습니다
  필렛의 길이 > 벽 두께의 단차 x 3
• 내부 모서리의 권장 필렛 값은 다음과 같습니다.
  필렛 값 < 벽두께 x 0.5
• 외부 모서리의 권장 필렛 값은 다음과 같습니다.
  필렛 값 = 내부 필렛 값 + 벽두께

 

구배 각 설계

기구 설계 시 유의사항 : 구배 각 설계

 

사출된 재료가 굳어 성형이 완료되면 금형이 개방됩니다.

단단하게 굳은 사출물을 이젝터 핀이라 부르는 부품이 튀어나와 금형에서부터 밀어냅니다. 이러한 간단한 과정에서도 심각한 결함이 발생할 수 있기 때문에 주의가 필요합니다. 플라스틱 제품이 금속 금형에 긁혀 발생하는 결함은 사소해 보일 수 있습니다. 하지만 표면의 불량은 상품성을 크게 떨어뜨릴 수 있는 중대한 결함입니다. 이를 방지하기 위하여 제품이 쉽게 빠져나올 수 있도록 금형에 추가적인 각도를 설계하는데, 이것이 구배 각 입니다.

 

• 최소 구배 각은 0.5° 이상이 권장됩니다.
• 권장 구배 각은 2° 이상이 권장됩니다.
• 부품 높이가 50mm 이상일 때, 25mm마다 +1° 구배 각을 추가해 주세요.
• 표면 부식 후가공은 1°~2° 구배 각을 추가해 주세요.
• 리브에도 구배 각이 필요합니다. 단, 최소 권장 벽 두께를 준수하는지 확인이 필요합니다.

 

사출 금형의 언더컷

언더컷이란 금형의 개폐 운동만으로 사출물을 꺼낼 수 없는 형상을 말합니다. 돌출되거나 오목하게 패인 부분이 주된 요인입니다. 언더컷은 추가적인 부품과 설계가 필요합니다. 슬라이드 코어 등의 부품이 추가돼야 하는데 이는 금형의 내구성을 떨어뜨리거나 외관 불량을 일으키는 주된 요인입니다.

또한, 언더컷은 금형의 구조를 복잡하게 만들어 비용을 크게 높입니다. 마지막으로 생산 속도를 저하시키기 때문에 가능하면 언더컷을 피하는 방향으로 설계하는 것이 좋습니다. 설계 프로그램에는 언더컷을 미리 검사할 수 있는 기능이 있습니다. 이를 참고삼아 금형 설계 전문가와 심도 있는 소통을 통해 암초를 피해 가세요. (UG-NX의 Draft Analysis 기능을 사용하면 설계도면 상에서 언더컷을 체크할 수 있습니다.)

언더컷 가공 : 우회 설계

기구 설계 시 유의사항 : 언더컷 가공

부득이하게도 언더컷을 유발하는 형상이 필요한 상황이 발생할 수 있습니다. 이럴 때는 우선 금형의 개폐 운동만으로 제품을 이탈시킬 수 있는 구조를 고려해 보세요.

• 언더컷을 우회하는 설계는 프로젝트의 비용을 획기적으로 낮출 수 있습니다.
• 숙련된 전문가와 협업하여 언더컷을 우회해 보세요.

 

언더컷 가공 : 파팅라인 이동

기구 설계 시 유의사항 : 파팅 라인 이동

상판과 하판이 포개지는 부분을 파팅라인이라고 합니다. 파팅라인은 금형 설계 시 매우 신중하게 결정해야 합니다. 이를 잘 이용하면 언더컷이 생기는 상황을 방지할 수 있습니다.

• 파팅라인의 위치 선정을 통해 외부 표면의 언더컷을 상쇄할 수 있습니다.
• 파팅라인을 이동 할 때 러너시스템을 고려해야 합니다.

 

언더컷 가공 : 강제 밀어내기

기구 설계 시 유의사항 : 강제 밀어내기

 

언더컷이 작거나 탄성 있는 재료로 성형된 부품은 강제 밀어내기 기법을 사용할 수 있습니다. 이는 재료의 특성을 양껏 이용한 영리한 우회방법입니다. 하지만 제약 사항이 많다는 단점이 있습니다.

• 소재가 연질이며 탄성이 좋아야 합니다 (HDPE, PA 등)
• 탄성을 가질 수 있는 형태여야 합니다. (캡 모양 등)
• 리브, 모서리 등 탄성을 떨어뜨리는 구조가 없어야 합니다.
• 언더컷 리드의 각도는 30~40°로 형성되어 있어야 합니다.

 

언더컷 가공 : 슬라이드 코어와 경사 코어

언더컷을 다루는 정공법은 슬라이드 혹은 경사 코어를 이용하여 플라스틱 부품을 꺼내는 방법입니다. 일반적으로 바깥쪽에 형성된 언더컷은 슬라이드 코어로, 안쪽에 형성된 언더컷은 경사 코어로 이탈시킵니다.

• 경사 코어는 금형이 열린 후 밀판이 전진하여 코어를 분할시키고, 언더컷을 가진 플라스틱 부품을 밀어냅니다.
• 금형에 코어의 가동 영역이 필요합니다.
• 코어의 움직임을 고려해 부품에 구배 각도를 추가해야 할 수 있습니다.

 

기능부 디자인

보스

기구 설계 시 유의사항 : 보스

 

부품을 조립하는 가장 일반적인 방법은 나사 체결입니다. 하지만 나사를 결합하기 위한 나사산은 기본적으로 언더컷입니다. 따라서 사출 단계에서 성형하지 않습니다.

인서트는 일종의 너트로, 사출물의 조립부에 삽입되는 나사산입니다. 이 부품은 보스에 단단히 고정되어 플라스틱 부품과 한몸이 됩니다. 이런 조합으로 플라스틱 부품은 금속 재료의 단단한 내구성까지 가질 수 있죠.

• 보스의 외경 : 인서트 외경 x 2
• 보스의 내경 : 나사 코어의 외경과 동일하게 설계해 주세요.
• 일반적으로 보스는 리브와 함께 설계됩니다.
• 보스의 벽 두께는 균일해야 합니다.
• 나사의 머리가 튀어나오지 않도록 입구를 모따기를 해주세요.

 

인서트

기구 설계 시 유의사항 : 인서트

 

인서트는 나사를 견고하게 고정하는 부품입니다. 정밀하게 가공된 부품이기 때문에 표준 규격의 나사를 사용할 수 있는 장점이 있습니다. 또한, 내구성이 뛰어난 금속 재료를 사용하기 때문에 반복적인 분해조립이 가능합니다. 인서트는 열, 초음파를 이용하여 사출물에 삽입시키거나 금형 내 적절한 위치에 배치 후 재료를 사출해 고정합니다.

• 보스는 접시형 홀을 내는 것이 좋습니다.
• 스레드를 표준 나사탭으로 절삭해야 합니다.

 

리브

기구 설계 시 유의사항 : 리브 2

제품의 내충격성 요구사항이 너무 높아 최대 권장 두께의 벽으로 충분치 않을 경우, 리브를 활용해 강한 구조를 설계할 수 있습니다.

• 리브의 두께 : 부품의 벽두께 x 0.5
• 리브의 높이 : ≥ 리브의 두께 x 3
• 리브의 필렛 : ≥ 리브 두께의 1/4
• 구배각도 : 나일론 = 0.5°, ABS & PC = 0.5 ~ 1.5°, 강화 ABS & PC = 1 ~ 3°)
• 리브 간격 : ≥ 리브의 두께 x 4

 

스냅 핏

기구 설계 시 유의사항 : 스냅 핏

가장 간편한 부품 체결 방식으로 조립과 분해가 간편합니다. 또한, 생산품의 조립단가를 낮출 수 있는 장점이 있습니다. 다만 재료의 탄성을 이용하는 만큼 재료의 물성과 구조적 강성을 고려한 설계가 필수적입니다. 내구도 높은 스냅 핏을 설계하기 위해서는 적절한 굴절률과 탄성, 항복 강도를 정확히 계산해야 합니다. 따라서 수많은 시제품이 필요하며 전문가와의 협업이 필수적입니다.

• 언더컷을 방지할 수 있는 구조적 설계가 필요합니다.
• 스냅 핏의 두께 : 부품의 벽 두께 x 0.5
• 스냅 핏의 수직 벽에는 구배각도가 고려되어야 합니다.

 

경첩 (Living Hinge)

기구 설계 시 유의사항 : 리빙 힌지 , 경첩

 

경첩은 부품의 두 부분을 연결하여 구부릴 수 있도록 만든 구조입니다. 재료의 탄성을 이용하여 설계되는 경첩은 일반적으로 플라스틱 병과 같은 용기에 사용됩니다. 탄성을 양껏 활용해야 하는 구조이므로 유연한 재료가 사용됩니다. 생활용품 용도로는 폴리프로필렌(PP)과 폴리에틸렌(PE)이, 그리고 엔지니어링 용도로는 나일론(PA)가 사용됩니다. 스냅 핏과 마찬가지로 탄성, 항복 강도를 정확하게 계산하기 위하여 수많은 시제품 테스트가 필요합니다.

• 경첩의 최소 권장 두께 : 0.2 ~ 0.35mm
• 필렛을 최대한 크게 설계하여 응력을 최소화 하는 게 좋습니다.
• 경첩의 어깨 부분은 부품의 주요 벽 두께와 동일하게 설계하는 게 좋습니다.

 

크러쉬 리브

기구 설계 시 유의사항 : 크러쉬 리브 1

기구 설계 시 유의사항 : 크러쉬 리브 2

 

크러쉬 리브는 사출물 끼리 맞닿아 발생하는 마찰력을 이용한 고정 장치입니다. 삽입되는 사출물을 돌출된 돌기가 강력하게 잡아주기 때문에 견고한 고정력을 얻을 수 있습니다. 크러쉬 리브는 최소한의 공차로 단단하게 조립되어야 하는 결합부를 경제적으로 설계할 수 있습니다. 베어링과 샤프트가 이 방법으로 고정되는 경우가 많습니다.

• 크러쉬 리브와 삽입될 플라스틱 부품이 최소 0.25mm 겹치도록 설계해야 합니다.
• 크러쉬 리브는 2mm의 반지름을 가지도록 설계합니다.
• 크러쉬 리브의 수직 벽에는 구배 각도를 추가하지 않습니다.
• 크러쉬 리브의 수직 벽은 45°로 깎아 설계합니다.

 

양각

제품에 로고나 텍스트, 기호를 추가하는 것은 효과적인 브랜딩 요소입니다. 이러한 세밀한 묘사는 금형에 추가적인 CNC 가공을 필요로 합니다. 따라서 이러한 양각 표현을 위해서는 CNC 가공 프로세스에 맞는 설계를 해야 합니다.

• 높이 0.5mm 이상의 양각(금형 기준으로는 음각)이 권장됩니다.
• 두께가 균일한 텍스트가 권장됩니다.
• 텍스트는 20 Pt 이상의 둥근 글꼴의 사용이 권장됩니다.

 

공차

기구 설계 시 유의사항 : 공차

사출 성형은 일반적으로 ±0.5mm의 공차를 가진 성형물을 생산합니다. 더 엄격한 공차를 요구할 수 있지만, 비용이 크게 상승합니다. 경우에 따라서는 CNC 가공이나 드릴링과 같은 추가적인 가공 단계를 거치는 것이 경제적으로 정밀도를 높이는 방법일 수 있습니다.

 

 

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