지난 2편에서는 금형의 대분류와 플라스틱 금형의 다양한 성형법에 대해 알아보았습니다. 이번 편에서는 기타 금형 분류인 인발성형 금형과 회전성형 금형을 살펴보고, 특수 사출성형 금형의 종류에 대해 상세히 알아보겠습니다.
특수 사출성형 금형은 성형품의 기능구조 향상과 다양한 표면 장식을 위해 여러 사출성형에 적용됩니다. 일반 사출성형보다 복잡하지만 더 다양한 기능을 가진 제품을 만들 수 있습니다.
인발성형 금형
인발성형 금형은 강화재인 유리섬유에 수지를 함침한 후 일정 형상을 지닌 가열된 몰드를 통과하여 당겨지고 경화시켜 연속 성형하는 방법에서 사용하는 금형입니다. 함침이란 유리섬유에 수지를 충분히 스며들게 하는 것을 말합니다.
인발성형은 막대, 빔, 채널, 튜브와 같이 길이 방향으로 일정한 단면을 가진 제품을 제조하는 연속 성형 방법입니다. 낚싯대, 골프 클럽 샤프트, 텐트 폴대 등이 인발성형으로 만들어집니다.
인발성형의 공정 순서
인발성형의 공정 순서는 다음과 같습니다. 먼저 크릴(Creel)에서 유리섬유를 풀어냅니다. 크릴은 유리섬유 롤을 보관하고 공급하는 장치입니다. 그 다음 예비성형 장치에서 유리섬유에 수지를 함침시킵니다. 가열 다이를 통과하면서 수지가 경화됩니다. 인발기가 성형된 제품을 당겨내고, 마지막으로 절단기가 원하는 길이로 자릅니다.
회전성형 금형
회전성형 금형은 열가소성 재료의 제품 속이 빈 성형품을 만들기 위해 사용하는 방법에서 사용되는 금형입니다. 회전성형은 로토몰딩(Rotational Molding)이라고도 불립니다.
한 개 또는 두 개의 축선 주위를 회전할 수 있는 속이 빈 금형에 재료를 충전하면 금형이 회전되면서 재료가 금형의 전 내면을 고루 붙게 됩니다. 가열된 금형이 재료를 용융시켜 제품을 성형하는 방법입니다.
회전성형의 공정 순서
회전성형의 공정 순서는 다음과 같습니다. 먼저 금형에 분말 형태의 재료를 투입합니다. 그 다음 금형을 가열하면서 회전시킵니다. 재료가 녹으면서 금형 내면에 균일하게 붙습니다. 냉각 회전을 통해 제품을 굳힙니다. 마지막으로 금형을 열고 제품을 취출합니다.
회전성형의 대표적인 제품으로는 대형 물탱크, 카약, 놀이터 장비, 쓰레기통 등이 있습니다. 블로우성형보다 더 큰 제품을 만들 수 있고, 금형 비용이 상대적으로 저렴하다는 장점이 있습니다.
특수 사출성형 금형 종류 개요
특수 사출성형 금형은 일반 사출성형보다 복잡한 공정을 통해 더 다양한 기능의 제품을 만들 수 있게 해줍니다. 대표적인 특수 사출성형 금형으로는 금속 인서트 사출성형 금형과 이색 사출성형 금형이 있습니다.
금속 인서트 사출성형 금형(Insert Molding)
금속 인서트 사출성형 금형은 금속기구류 부품 등을 금형의 내부(코어)에 1차 삽입한 후 제품을 만드는 성형법에서 사용하는 금형입니다. 코어(Core)란 금형에서 제품의 내부 형상을 만드는 부분입니다.
SD 카드, 자동차 키 등 금속 부품이 플라스틱으로 감싸진 제품들이 인서트 성형으로 만들어집니다. 금속의 강도와 플라스틱의 성형 용이성을 결합한 복합 제품을 만들 수 있습니다.
금속 인서트 사출성형기의 종류
수평식 사출성형기
수평식 사출성형기는 형체 장치의 형판 이동 방향과 사출 장치의 스크류 이동 방향이 수평입니다. 일반적으로 기계 조작 시 좌측에 형체 장치, 우측에 사출 장치로 구성됩니다. 가장 일반적인 사출성형기 형태입니다.
수직식 사출성형기
수직식 사출성형기는 형체 장치의 형판 이동 방향과 사출 장치의 스크류 이동 방향이 수직입니다. 일반적으로 사출 장치가 형체 장치의 상부에 배치됩니다.
수직식 사출성형기의 장점은 다음과 같습니다. 인서트 부품을 사용할 때 금형에 안정적으로 쉽게 집어 넣을 수 있습니다. 중력 방향으로 부품을 놓으면 되기 때문입니다. 기계의 설치 면적이 적습니다. 대신 천장이 수평식에 비해 상대적으로 높아야 합니다. 가열 실린더의 온도 소모가 적고 수지의 흐름이 균일합니다.
금속 인서트 사출성형의 특징
금속 인서트 사출성형에는 다양한 특징과 장점이 있습니다. 수지 사용시 성형이 용이합니다. 가소성 등과 금속의 강성, 강도, 내열성 등을 조합하여 부품을 만들 수 있습니다. 수지의 절연성과 금속의 전도성을 조합하여 전기 부품 제품 가공이 용이합니다.
복수의 부품(인서트 부품)을 성형하여 조립함으로써 후공정을 조정할 수 있습니다. 인서트 부품은 금속에 한하지 않고, 다양하게 복합 부품을 만들 수 있습니다. 플라스틱, 세라믹, 유리 등 다양한 재료를 인서트할 수 있습니다.
강체의 성형품이나 부품에 가소성, 탄력성이 있는 고무 Gaskit으로 성형하여 다음 공정의 자동 조립이 용이합니다. 용융수지가 금속 부품을 감싸므로 신뢰성이 높은 복합 부품을 만들 수 있습니다. 수지의 변형 및 파손품을 인서트시키므로 금속과 수지의 봉입 고정이 가능합니다.
인서트 부품을 성형한 후에 소실시켜(Lost 코어) 중공 언더컷이 있는 성형도 가능합니다. Lost 코어란 성형 후에 녹이거나 제거할 수 있는 코어를 말합니다. 이를 통해 일반적인 방법으로는 만들 수 없는 복잡한 내부 형상도 만들 수 있습니다.
이색 사출성형 금형(Two Color Injection Molding)
이색 사출성형 금형은 2개의 사출 장치와 가동판에 회전 기구를 설치한 구조의 사출기 또는 코어나 슬라이드 구조를 이용하여 이중 사출을 가능하게 하여 성형품을 가공하는 성형법에서 사용하는 금형입니다.
키 판, 혹은 외관 제품에서 다른 색상을 요구할 때 많이 사용합니다. 계산기 버튼, 휴대폰 케이스, 자동차 핸들 등 두 가지 이상의 색상이나 재료가 결합된 제품들이 이색 사출성형으로 만들어집니다.
이색 사출성형의 원리
이색 사출성형에서 사출장치 1과 2는 서로 평행하게 작동합니다. 1차 노즐에서 첫 번째 색상의 수지를 사출하고, 2차 노즐에서 두 번째 색상의 수지를 사출합니다.
공정 순서는 다음과 같습니다. 먼저 부품1(반제품)의 사출이 끝난 후 금형이 열리고 테이블이 180도 회전합니다. 그 다음 금형이 닫힌 후 부품 1과 2의 사출이 동시에 끝나고 금형이 열립니다. 완제품 2가 탈형되고 테이블이 180도 회전합니다. 이 과정이 반복됩니다.
이색 사출성형기의 종류
원 스프루 부시 노즐 성형기
원 스프루 부시 노즐 성형기는 노즐 하나에 두 색상의 수지를 투입할 수 있도록 만든 사출성형기입니다. 스프루 부시(Sprue Bush)란 노즐에서 나온 수지가 금형으로 들어가는 입구 부품입니다. 1차 노즐과 2차 노즐이 하나의 스프루 부시를 통해 금형에 연결됩니다.
복수 스프루 부시 노즐 성형기
복수 스프루 부시 노즐 성형기는 두 개 이상의 스프루 부시에 각각 다른 색상의 수지를 투입할 수 있도록 만든 사출성형기입니다. 1차 노즐과 2차 노즐이 각각 별도의 스프루 부시를 통해 금형에 연결됩니다.
이색 사출성형의 장단점
장점
이색 사출성형의 장점은 다음과 같습니다. 비용 절감이 가능합니다. 두 가지 이상의 색상 사용으로 보조 가공비용을 절감할 수 있습니다. 별도의 도장이나 인쇄 공정이 필요 없습니다. 부품 디자인 공간이 확장됩니다. 두 가지 이상 색상을 결합하여 디자인 자유도가 높아집니다.
외관 디자인이 향상됩니다. 이색/이중 사출을 통한 가치감 및 접촉감이 향상됩니다. 예를 들어, 부드러운 재질과 딱딱한 재질을 결합하여 그립감을 개선할 수 있습니다.
단점
이색 사출성형의 단점도 있습니다. 두 종류의 수지 호환성이 어렵습니다. 수지의 화학적 성질이 달라 접착력에 영향을 미치므로 수지와의 상용성에 유의해야 합니다. 수지 간 수축 차이에 한계가 있습니다. 수축 차가 너무 커 결합 강도에 영향을 주며 부품에 휨이 발생할 수 있습니다.
금속 인서트 사출성형과 이중 사출성형 비교
| 구분 | 인서트 방식 | 이중사출 방식 |
|---|---|---|
| 동작 방식 | 1차 사출 후 이송 장치에 의해 2차 사출부에 안착 | 1차 사출 후 고정측 형판 및 코어회전에 의해 2차 사출부에 안착 |
| 사출 원가 | 전체 COST 상승 (C/T증가, 수축 및 단차로 인한 불량) | 전체 COST 절감 (C/T 단축, 외관 품질 불량 감소) |
표에서 C/T는 Cycle Time의 약자로, 제품 하나를 만드는 데 걸리는 시간을 의미합니다. 인서트 방식은 이송 장치를 사용하므로 시간이 더 걸리고, 1차 제품이 식으면서 수축하여 2차 사출 시 단차가 생길 수 있습니다. 반면 이중사출 방식은 코어 회전으로 연속 작업이 가능하여 시간과 비용이 절감됩니다.
이번 편 핵심 정리
이번 글에서는 기타 금형 분류와 특수 사출성형 금형에 대해 살펴보았습니다. 인발성형 금형은 유리섬유에 수지를 함침시켜 연속으로 긴 제품을 만들 때 사용합니다. 회전성형 금형은 금형을 회전시키면서 대형 중공 제품을 만들 때 사용합니다.
금속 인서트 사출성형은 금속 부품을 플라스틱으로 감싸는 복합 제품을 만들 때 사용합니다. 수직식 사출성형기가 인서트 작업에 유리합니다. 이색 사출성형은 두 가지 이상의 색상이나 재료를 결합한 제품을 만들 때 사용합니다.
각 성형법은 제품의 요구사항에 따라 선택되며, 제품의 기능성과 외관을 동시에 고려하여 최적의 성형 방법을 결정해야 합니다.
시리즈 마무리
이 시리즈를 통해 플라스틱 사출성형을 위한 금형에 대해 전반적으로 살펴보았습니다. 1편에서는 금형의 정의와 장점을, 2편에서는 금형의 분류와 다양한 성형법을, 3편에서는 기타 금형과 특수 사출성형 금형에 대해 알아보았습니다.
금형은 현대 제조업의 핵심 도구입니다. 금형에 대한 이해는 플라스틱 제품 설계와 생산에 있어 필수적인 기초 지식입니다. 앞으로 더 깊은 내용을 공부하실 때 이 시리즈가 좋은 기초가 되길 바랍니다.
