기구쟁이 초보를 위한 기구설계 꿀팁
6. 사출성형
플라스틱 사출성형은 복잡한 형상을 빠르게 찍어낼 수 있어서 대량생산에 적합합니다.만약 플라스틱 재질로 무언가를 만들고 싶다면? 그때는 사출성형이라는 것을 해야 합니다. 플라스틱은 외관부터 내부부품까지 다양하게 활용이 되며 색상, 질감 등을 다양하게 줄 수 있어 우리 주변에서도 굉장히 많이 사용됩니다. 사이즈가 큰 커버 부품을 만들 때 사용하는 진공성형이라는 방법도 있지만 여기서는 사출성형을 기준으로 정리하도록 하겠습니다.
정의
플라스틱 사출성형(Plastic injection molding)은 높은 강도가 필요하지 않고 기구적으로 가장 저렴하게 만들고 싶을 때 선택할 수 있는 방법입니다. 사출성형은 재료를 녹여 액체상태로 만든 후 고압으로 금형(금속 재질의 모양틀)에 밀어 넣고 식혀서 굳힌 후 빼내는 과정으로 진행됩니다. 대부분의 플라스틱 제품이 이런 사출성형으로 제작되며 복잡한 형상을 빠르게 찍어낼 수 있어 단가가 매우 저렴합니다. 대신 금형을 제작해야 하기 때문에 금형비용을 상쇄할만한 수량이 되어야 시도해 볼 만합니다.
대상물
주로 사용하는 플라스틱 재료
PC - 주로 많이 사용함. 깨지지 않고 질긴 성질이 있음. 성형성이 좋아 많이 사용함.
그 외에도 ABS, PE, PP, PA, POM 등 다양함
플라스틱 재질은 크게 열을 가해도 유연해지지 않는 열경화성과 열을 가하면 유연해지는 열가소성으로 나뉩니다. 플라스틱 재료는 정말 다양하고 각각마다 특성이 다릅니다. 여기서는 주로 열가소성 중 PC(Poly Carbonate)을 기준으로 정리하도록 하겠습니다.
사출품을 설계할 때 주의사항
금형에는 열선과 냉각수가 지나는 통로, 밀핀 등이 있습니다. 두께는 일정하게 할 것
RIB는 기본 두께의 0.6배
밀핀위치, 파팅라인을 고려한 설계
인서트 너트를 넣을 때에는 최소 살두께 1.5~2mm는 줄 것
RIB 같은 돌출 부분이 있는 부분은 단면적이 커서 수축이 생기기 쉽습니다.사출성형품은 항상 수축과의 싸움이라고 봐도 됩니다. 재료를 녹여 금형에 밀어 넣은 후 식히는 과정에서 성형품의 부피가 약간 작아지게 됩니다. 이때 두께가 일정하지 않으면 두꺼운 부분의 식는 속도가 주변보다 느려서 결국 겉표면이 움푹 들어가거나 자국이 생기는 수축현상이 생기게 됩니다. 이렇게 되면 수축이 일어난 부분의 강도가 약해지거나 치수가 맞지 않거나 외관결함으로 사용하기가 어려워집니다.
수축을 막기 위해 이상적으로는 모든 부분에서 단면을 잘라보았을 때 일정한 두께로 이루어져 있도록 하는 것이 가장 좋습니다. 하지만 현실적으로는 플라스틱 사출품에 강도를 보강하기 위해 형성하는 보강대(RIB)나 나사조립을 위한 기둥(보스) 등이 필요하며 주로 이 부분에서 수축이 발생하게 됩니다. 수축을 최소화하기 위해 RIB의 폭은 기본 두께의 0.6배로 하는 것이 좋습니다. 그리고 보스의 위치는 가능하면 외관면에서 떨어지도록 배치하고 RIB로 이어주는 것이 좋습니다. 또는 수축자국이 보이지 않게 하기 위해 금형의 표면을 약간 오돌토돌하게 샌딩처리를 하거나 사출 후에 도장처리를 하는 방법도 있습니다.
금형에서 완성된 사출품을 꺼낼 때 밀핀이라는 핀으로 사출품을 밀어내어 빼냅니다. 이때 사출품에 밀핀자국이 생기게 되는데요. 그렇기 때문에 밀핀의 위치는 자국이 생겨도 무관한 곳에 배치하는 것이 좋습니다. 주로 부품의 내측면에 배치합니다.
저렴하게 제작하는 방법
금형형상을 단순하게 설계(언더컷이 없도록)
성형품의 구배각을 크게, 모서리는 둥글게 설계
가능하면 금형은 단순한 형상을 사용하는 것이 금형비용을 낮추는데 도움이 됩니다. 만약 금형형상이 복잡하거나 3단 금형을 사용하거나 언더컷형상을 구현하기 위한 구조가 들어가야 한다면 금형비용이 높아질 수밖에 없습니다. 언더컷이 무엇이냐고요? 금형은 보통 고정되어 있는 부분과 움직이는 부분으로 나뉘어있습니다. 움직이는 금형 부분이 위아래 혹은 앞뒤로 움직여서 전체 금형이 결합, 분해가 되는데요. 단순히 상하 혹은 전후로 움직이는 금형구조만으로 구현이 되지 않아 2개 축이상으로 결합분해가 필요한 형상을 언더컷이라고 합니다. 그렇기 때문에 당연히 금형의 구조가 복잡해집니다.
완성된 사출품은 금형에서 빼내는 과정이 필요한데요. 이때 잘 빠지지 않는다면 불량률도 올라가고 빼내는데 시간이 오래 걸려 1 Cycle에 필요한 시간도 증가하게 됩니다. 이는 곧 단가상승으로 이어지게 되죠. 그래서 모든 사출품은 금형에서 잘 빠져나오도록 하기 위해 구배각라는 각도를 주게 됩니다. 가능하면 구배각은 크게 주는 것이 좋지만 구배각이 커질수록 외형에 영향을 주기 때문에 적절한 값을 찾는 것이 좋습니다. 설계자는 가능하면 구배각이 적었으면 하고 사출업체에서는 가능하면 구배각이 컸으면 합니다. 보통 0.5~2도 정도를 줍니다. 물론 형상에 따라 달라지기 때문에 업체와 미팅이 필요합니다. 그리고 가능하면 직각부가 없도록 모서리는 둥글게 형상을 만듭니다. 모서리의 R값이 클수록 금형에서 빼내기가 수월해지기 때문입니다. 보통 R=0.5~1mm 이상을 줘야 합니다.
리드타임
사출은 금형을 제작하는데 대부분의 시간이 걸립니다. 금형의 경우 QDM과 양산금형(일명 본금형)이 있습니다. QDM(Quick Delivery Mold)은 이름에서 알 수 있듯이 금형을 빠르게 제작하여 사출을 만들어 볼 수 있는 금형입니다. QDM은 보통 3000개 이상 찍어내면 치수가 틀어지기 시작하기 때문에 양산금형을 만들기 전에 보다 저렴한 금형비용으로 만들어보거나 3000개 미만이 필요할 경우에 적합합니다.
금형 제작 기간은 QDM은 3~4주, 본금형의 경우 4~8주 정도가 걸립니다. 하지만 금형이 완성되고 나면 정작 사출을 하는 데에는 보통 몇십 초에서 길어야 몇 분 안에 완성되기 때문에 제품 자체는 금방 나온다고 생각하면 됩니다. 그리고 한번 금형을 만들어 놓으면 그다음부터는 세팅시간만 필요하기 때문에 많은 수량도 1~2주 안에 제작이 가능합니다.
