사출 성형 설계의 기본

사출 성형에는 수천수만 가지의 다양한 소재를 사용할 수 있습니다. 모든 열가소성(예: nylon, 폴리에틸렌, 폴리스티렌) 및 일부 탄성체를 포함한 대부분의 폴리머를 사용할 수 있습니다. 소재는 최종 부품에 요구되는 강도와 기능을 바탕으로 선택하지만 각 소재마다 고려해야 할 성형 매개변수가 서로 다릅니다. 합금이나 기존에 개발된 소재의 혼합물을 섞은 사용 가능한 소재란 제품 설계자가 다양한 소재 중에서 딱 맞는 물성을 지닌 소재를 선택할 수 있음을 의미합니다.

프레스라고도 하는 사출 성형기는 소재 호퍼, 사출 램 또는 나사형 플런저 및 가열 장치로 구성됩니다. 금형은 성형기의 가압판, 즉 스프루 오리피스를 통해 플라스틱을 금형에 사출하는 위치에 고정됩니다. 프레스는 기계가 가할 수 있는 형체력의 양을 계산하는 톤수로 평가됩니다. 이 힘은 사출성형 공정 동안 금형의 닫힌 상태를 유지합니다. 톤수는 5톤 미만에서 6,000톤까지 다양할 수 있지만 높은 톤수 프레스는 잘 사용되지 않습니다. 필요한 총 형체력은 성형되는 맞춤 파트의 투영 면적에 의해 결정됩니다. 이 투영 면적은 투영 면적의 제곱인치당 2~8톤의 형체력을 곱한 것입니다. 경험상 대부분의 제품에 4 또는 5톤/인치를 사용할 수 있습니다. 플라스틱 소재가 매우 딱딱할 경우 금형을 채워 넣는 데 높은 사출압이 필요하므로 금형을 닫힌 상태로 유지하려면 클램프 톤수가 증가합니다. 필요한 힘은 사용 소재와 파트 크기에 의해 결정되기도 하며, 대형 플라스틱 파트에 더 큰 형체력이 필요합니다.

금형이나 다이는 성형 시 플라스틱 파트를 생산하는 데 사용하는 공구를 말합니다. 전통적으로 사출 성형은 제조 비용이 비싸 수천 개의 파트를 생산하는 대용량 생산 분야에만 사용되었습니다. 금형은 일반적으로 경화강, 프리하든강, 알루미늄 및/또는 베릴륨 구리 합금으로 만듭니다. 금형 제작 소재의 선택은 주로 경제적 요소를 따릅니다. 강철 금형은 대개 제작 비용이 많이 들지만 수명 기간이 길어 마모 전에 생산한 파트 수가 높은 초기 비용을 상쇄합니다. 프리하든강 금형은 내마모성이 낮아 소량 생산 요구나 대형 파트에 주로 사용됩니다. 프리하든강의 경도는 일반적으로 록웰 경도 C 스케일의 38~45로 측정됩니다. 경화강 금형은 기계 가공 후 열처리하여 우수한 내마모성과 수명 주기를 갖습니다. 일반적인 경도 범위는 50~60 록웰 C(HRC)입니다.

알루미늄 금형은 강철 금형보다 비용이 매우 저렴하며, QC-7 및 QC-10 항공기 알루미늄과 같은 높은 등급 알루미늄을 사용해 현대식 컴퓨터 장비로 기계 가공하면 수십만 개의 파트 성형을 경제적으로 수행할 수 있습니다. 알루미늄 금형은 또한 우수한 열 방출로 인해 신속한 작업 완료와 빠른 사이클을 제공합니다. 아울러 내마모성을 위해 섬유 유리 보강재로 코팅할 수도 있습니다. 베릴륨 구리는 빠른 열 제거가 필요한 금형 부위나 전단열이 가장 많이 생성되는 부위에 사용됩니다.

사출 성형 시 입상 플라스틱은 중력에 의해 호퍼에서 가열 배럴 안으로 들어갑니다. 나사형 플런저에 의해 입제가 천천히 밀려 들어가면서 플라스틱은 배럴이라는 가열 챔버로 들어가 녹게 됩니다. 플런저가 앞으로 이동함에 따라 녹은 플라스틱은 금형 스프루 부싱 뒷편에 있는 노즐을 거쳐 게이트와 러너 시스템을 통해 금형 캐비티로 들어가게 됩니다. 금형은 설정된 온도로 유지되어 금형이 채워지는 즉시 플라스틱이 굳어지게 됩니다.

플라스틱 파트의 사출 성형 중 발생하는 이벤트의 시퀀스를 사출 성형 사이클이라 합니다. 금형이 닫히면 사이클이 시작되어 금형 캐비티 안으로 폴리머가 잇따라 주입됩니다. 캐비티가 채워지면 보압이 유지되어 소재 수축을 보상합니다. 다음 단계에서는 스크류가 돌며 스크류 앞으로 다음 샷을 주입합니다. 이렇게 하면 다음 샷을 준비하는 동안 스크류가 밀려납니다. 파트가 충분히 식으면 금형을 열어 파트를 꺼냅니다.

• 이중 사출(샌드위치) 성형
• 가용(손실, 수용) 코어 사출 성형
• 가스 사출 성형
• 성형내 장식 및 성형내 적층
• 사출 압축 성형
• 액체 실리콘 고무의 사출 성형
• 인서트 및 아웃서트 성형
• 라멜라 (다층) 사출 성형
• 저압 사출 성형
• 미세 사출 성형
• 초미세 성형
• 동시 사출 성형(오버몰딩)
• 복수 라이브피드 사출 성형
• 분말 사출 성형
• 푸시풀 사출 성형
• 반응 사출 성형
• 레진이송성형(RTM)
• Rheomolding 성형
• 구조적 폼 사출 성형
• 구조적 반응 사출 성형
• 얇은 벽 성형
• 진동가스 사출 성형
• 물 사출 성형
• 고무 사출

모든 사출 성형 플라스틱 파트의 주적은 응력입니다. (긴 분자종이 포함된)플라스틱 레진이 성형 준비 중에 녹으면 압출기의 열과 마찰력으로 인해 분자 결합이 일시적으로 끊어져 분자가 금형 안으로 흘러가도록 합니다. 압력을 통해 레진이 금형 안으로 강제로 들어가 금형의 모든 피처, 크랙 및 틈을 채웁니다. 분자는 각 피처를 통과하는 동안 섞이고 돌려지고 비틀려져 파트 모양이 만들어집니다. 세게 돌리거나 날카로운 코너는 넉넉한 반경으로 부드럽게 돌릴 때보다 분자에 더 큰 응력이 가해집니다. 한 피처에서 다른 피처로의 갑작스러운 전환은 분자의 충진 및 형성 또한 어렵게 합니다.

소재가 식고 분자 결합이 레진을 경직형으로 다시 연결하면 이러한 응력이 실제로 파트 안에 갇히게 됩니다. 파트 응력은 뒤틀림, 싱크 마크, 크랙, 조기 실패 및 기타 문제를 초래할 수 있습니다.

사출 성형 파트에는 어느 정도의 응력이 예상되지만 응력 감소를 최대로 고려하는 방향으로 파트를 설계해야 합니다. 이를 실현할 수 있는 몇 가지 방법에는 피처 간에 원활한 전환을 추가하고 가능한 고응력 영역에 원형과 필렛을 추가하는 것입니다.

각 사출 금형 설계에는 금형의 캐비티 안으로 녹은 플라스틱을 주입할 수 있는 게이트나 개구부가 있어야 합니다. 게이트 유형, 설계 및 위치는 파트 패킹, 게이트 제거 또는 흔적, 파트의 미적 외양, 파트 크기 및 뒤틀림 같은 영향을 파트에 미칠 수 있습니다.

게이트 유형
사출 성형에 사용할 수 있는 게이트에는 수동 트림형과 자동 트림형의 두 가지 유형이 있습니다.

수동 트림형 게이트

이러한 유형의 게이트의 경우 작업자는 각 사이클 후에 파트를 러너에서 분리해야 합니다. 수동 트림형 게이트를 선택하는 이유에는 여러 가지가 있습니다.

• 게이트는 기계를 사용해 자동으로 자르기에 너무 크므로
• PVC 같이 전단에 민감한 소재는 높은 전단력에 노출될 수 없으므로
• 동시 흐름 분배가 요구되는 특정 설계의 흐름 분배가 전면 전반에 나타나므로

자동 트림형 게이트

이러한 유형의 게이트는 도구에 피처를 통합하여 파트 사출을 위해 도구를 열때 게이트를 깨거나 부러뜨립니다. 자동 트림형 게이트를 선택하는 이유에는 다음의 여러 가지가 있습니다.

• 보조 작업으로 게이트 제거를 방지하기 위해, 비용 절감
• 모든 파트에 대해 일관된 사이클 시간을 유지하기 위해
• 파트에 게이트 흉터를 최소화하기 위해

응용 분야에 맞는 올바른 게이트 유형을 선택할 때 고려해야 할 가장 큰 요소는 게이트 설계입니다. 파트의 크기와 모양에 따라 사용할 수 있는 게이트 설계에는 여러 가지가 있습니다. 가장 많이 사용하는 게이트 설계에는 다음의 네 가지가 있습니다.

가장자리 게이트 가 가장 일반적인 게이트 설계입니다. 이름이 말해주듯이, 이 게이트는 부품 가장자리에 위치하며 편평한 부품에 가장 적합합니다. 가장자리 게이트는 중간 수준이거나 두꺼운 단면에 이상적이며 멀티캐비티 이중 판 도구에서 사용합니다. 이 게이트는 파팅 라인에 흠집을 남깁니다.

 서브 게이트 는 목록에 있는 게이트 중 유일한 자동 트리밍 게이트입니다. 이 게이트를 자동으로 트리밍하려면 이젝터 핀이 있어야 합니다. 서브 게이트는 상당히 흔한 게이트이며 바나나 게이트, 터널 게이트, 스마일리 게이트 같은 다양한 변종이 존재합니다. 서브 게이트를 이용하면 게이트를 파팅 라인에서 멀리 떨어뜨려 유연성을 확보함으로써, 게이트를 부품의 최적 위치에 배치할 수 있습니다. 이 게이트는 부품에 핀 크기의 흠집을 남깁니다.

핫 팁 게이트 는 모든 핫 러너 게이트 중 가장 흔한 게이트입니다. 핫 팁 게이트는 일반적으로 파팅 라인이 아닌 부품 상단에 위치하며, 균일한 흐름을 요구하는 둥근 형태나 원뿔 형태에 이상적입니다. 이 게이트는 부품 표면에 작은 상승형 너브를 남깁니다. 핫 팁 게이트는 반드시 핫 러너 성형 시스템과 함께 사용합니다. 따라서 콜드 러너 시스템과는 달리 플라스틱은 가열된 노즐을 통해 금형으로 사출된 다음 금형 안에서 냉각되어 적절한 두께와 형태를 갖게 됩니다.

 다이렉트 또는 탕구 게이트 는 체계적인 충전을 요구하는 대형 원통형 부품의 단일 캐비티 금형에 사용하는 수동 트리밍 게이트입니다. 다이렉트 게이트는 가장 간단한 설계 방법이며 비용이 저렴하고 유지관리 요구사항이 적습니다. 다이렉트 게이트 부품은 대체로 응력을 적게 받으며 높은 강도를 제공합니다. 이 게이트는 부품의 접촉 지점에 큰 흠집을 남깁니다.

게이트 위치에서 발생하는 문제를 방지하기 위해 올바른 게이트 위치에 관한 몇 가지 지침은 다음과 같습니다.

• 부품 패킹을 허용하고 공간 및 싱크를 최소화하기 위해 게이트를 단면의 최심에 배치합니다.
• 코어와 핀으로부터 먼 곳에 게이트를 배치해 흐름 경로에 있는 장애물을 최소화합니다.
• 파트 기능이나 미학에 영향을 미치지 않는 영역에 게이트의 응력이 존재하도록 합니다.
  • 수축률이 높은 플라스틱을 사용할 때, 게이트에 높은 수준의 금형 내 응력이 존재한다면 부품이 게이트 근처에서 수축해 '게이트 주름'이 발생합니다.
• 손쉬운 수동 또는 자동 디게이팅을 허용하도록 합니다.
• 성형 플로우마크를 방지하기 위해 게이트는 흐름 경로 길이를 최소화해야 합니다.
• 경우에 따라 파트를 적절히 채우려면 보조 게이트를 추가해야 할 수 있습니다.
• 얇은 벽 부품에 충진 문제가 발생할 경우 흐름 채널을 추가하거나 벽 두께를 조절해 흐름을 수정합니다.

성형되는 플라스틱의 유형과 부품 크기에 따라 게이트의 크기와 모양이 달라집니다. 대형 부품의 성형 시간을 단축하려면 레진의 더 큰 흐름을 공급하기 위해 큰 게이트가 필요합니다. 소형 게이트가 보기에는 더 좋지만 성형에 더 많은 시간이 소요되거나 제대로 충진하려면 압력이 증가해야 할 수 있습니다.

금형에서 떼어내기 전 사출 성형 파트를 제조 온도에서 냉각시켜 분리 시 모양이 유지되도록 합니다. 결함을 방지하려면 성형 공정의 파트 냉각 단계 중에 압력, 속도 및 플라스틱 점도 변화가 최소화되어야 합니다. 이 기간 중에는 몇몇 애스팩트가 벽 두께보다 더 중요합니다. 이러한 기능이 비용, 생산 속도 및 최종 파트의 품질에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

적절한 벽 두께:

파트의 적절한 벽 두께를 선택하는 것은 제조 비용과 생산 속도에 엄청난 영향을 미칠 수 있습니다. 벽 두께에 제한은 없지만 대개 가능한 한 얇은 벽을 선택하는 것을 목표로 합니다. 얇은 벽은 소재 사용량을 줄여 비용을 낮추고 냉각 시간을 줄여 사이클 시간을 단축합니다.

부품의 크기와 기하형상, 구조적 요구사항, 레진의 흐름 작용에 따라 사용할 수 있는 최소 벽 두께입니다. 사출 성형한 부품의 벽 두께는 일반적으로 2mm~4mm(0.080인치 ~0.160인치)입니다. 얇은 벽 사출 성형은 두께가 0.5mm(0.020인치)에 불과한 벽을 만들 수 있습니다. 아래 표는 일반적인 사출 성형 레진에 권장되는 벽 두께를 보여줍니다.

균일한 벽 두께:

두꺼운 섹션은 얇은 섹션보다 더디게 냉각됩니다. 냉각 공정 동안 벽 두께가 일정하지 않으면 두꺼운 벽이 고형화되는 동안 얇은 벽은 먼저 냉각됩니다. 두꺼운 섹션이 식으면서 이미 단단해진 얇은 섹션 주변이 수축하게 됩니다. 이로 인해 두 섹션이 만나는 지점에서 뒤틀림, 꼬임 또는 균열이 발생합니다. 이러한 문제를 방지하기 위해 파트 전체의 벽 두께를 완전히 균일하게 설계하도록 노력하십시오. 균일한 벽이 불가능할 경우에는 두께가 가능한 한 점진적으로 변화하도록 해야 합니다. 벽 두께 변화는 높은 형성물 수축 플라스틱에서 10%를 넘지 않아야 합니다. 두께 전이는 3에서 1 순서로 점진적으로 이루어져야 합니다. 이러한 점진적 전이가 응력 집중과 갑작스런 냉각차를 방지합니다.

뜨거운 납물이 사출 금형 안으로 유입될 때 두꺼운 소재는 급속 냉각 플라스틱의 외부 표면에 의해 단열처리되기 때문에 두꺼운 섹션은 파트의 다른 섹션만큼 빠르게 냉각되지 않습니다. 내부 중심이 식는 동안 이는 이미 냉각된 외피와는 다른 속도로 수축합니다. 이 냉각 속도의 차이로 인해 두꺼운 섹션이 안쪽으로 당겨져 파트의 바깥쪽 표면에 싱크 마크가 생기거나 심하면 파트가 완전히 휘게 됩니다. 보기에 좋지 않은 것 외에 마크는 파트에 내재된 부과 응력을 나타내기도 합니다. 싱크가 발생하는 눈에 덜 띄는 다른 영역에는 리브, 보스 및 모서리가 포함됩니다. 이는 피처나 파트 자체가 너무 두껍지 않기 때문에 종종 간과되지만 이들의 교차 부분이 문제가 될 수 있습니다.

싱크 마크를 방지하는 한 방법으로는 파트의 솔리드 섹션을 코어 아웃해 두꺼운 영역을 줄이는 것입니다. 솔리드 파트의 강도가 요구되는 경우 코어 아웃 영역 안에 교차 해치 리브 패턴을 사용해 강도를 높이고 싱크를 방지해 보세요. 경험상, 모든 보스와 로케이팅/지원 리브가 공칭 벽 두께의 60% 이내가 되도록 해야 합니다. 또한 텍스처링을 사용하면 작은 싱크 마크를 숨길 수 있습니다.

텍스처링은 금형 표면에 패턴을 적용하는 데 사용하는 공정입니다. 이 공정을 사용하면 파트의 최종 외관을 만드는 데 유연성을 부여할 수 있습니다. 텍스처링은 제품 개발 전체의 필수 부분으로, 원하는 결과를 얻으려면 설계 공정 중에 반드시 고려해야 합니다. 텍스처링은 설계의 기능적 요소(예: 그립감 향상)가 될 수 있을 뿐만 아니라, 결함이 있거나 자주 취급되는 부품을 감추기 위한 전략이 될 수도 있습니다. 또한 마찰에 의한 파트의 마모를 줄이는 데 텍스처를 사용할 수도 있습니다.

사출 성형 파트에 사용 가능한 다양한 텍스처는 다음과 같습니다.

• 내추럴/이국적
• 매트 피니쉬
• 다중 광택 패턴
• 퓨전
• 그래픽
• 가죽의 잔주름/피혁
• 나무결, 슬레이트 및 조약돌
• 기하형상 및 리넨
• 새로운 모양을 만들기 위한 레이어드 텍스처
• 이미지나 로고의 통합 패턴

텍스처를 부품에 적용할 때, 이러한 서피스 변화를 수용하도록 CAD 도면을 수정해야 합니다. 텍스처가 금형 입구와 직각 또는 특정 각도를 이루는 서피스에 있다면, 구배를 바꾸지 않아도 됩니다. 하지만 텍스처가 금형 입구와 평행한 서피스에 있다면, 구배를 늘려 부품 사출 과정에서 발생할 수 있는 긁힘 및 끌림 흔적을 방지해야 합니다. 텍스처는 성형한 부품에 저마다 다른 영향을 줍니다. 텍스처 설계의 권장 사항은 구배 각도 1.5도를 텍스처 마감 깊이 0.001인치마다 적용하는 것입니다.

분할선은 반쪽 금형 두 개가 만나는, 부품의 구분선입니다. 이 라인은 실제로는 부품을 통과하는 파팅 '평면'을 표시합니다. 단순한 부품에서는 이 평면도 단순하고 편평한 표면이지만, 대부분의 경우 이 평면은 다양한 피처 주위의 부품 경계선을 따라감으로써 부품의 외부 '그림자'를 형성하는 복잡한 형태가 됩니다. 파팅 라인은 금형의 두 조각이 만나는 곳에서 형성되기도 합니다. 사이드 액션 핀, 공구 삽입물과 셧오프 등이 여기에 해당합니다. 파팅 라인은 방지할 수 없으며, 모든 부품에는 파팅 라인이 존재합니다. 부품을 설계할 때는 녹은 소재가 항상 분할선 쪽으로 흐른다는 사실을 명심해야 합니다. 위치가 변한 공기가 빠져나가는, 즉 배출되기 가장 좋은 곳이기 때문입니다.

사출 성형은 생산 문제가 따르는 복잡한 기술입니다. 이러한 문제는 금형의 결함이나 종종 파트 처리(성형)에 의해 발생할 수 있습니다.

사출 성형 파트의 설계 시 이러한 요소를 염두에 두고, 초기에 문제를 예방하는 것이 생산 진행 과정에서 설계를 변경하는 것보다 훨씬 쉽다는 점을 기억하시기 바랍니다.