사출 금형 2

제2장 플라스틱의 성형법

플라스틱의 성형법 종류를 살펴보면 압축성형, 이송성형, 사출성형, 압출성형, 중공성형 등을 언급할 수 있는데 해당 성형법의 성형 방법과 특징을 확인하고 아울러 스택몰드나 분말사출성형 등과 같은 특수 성형법에 대해서도 살펴 볼 예정입니다.

1. 압축성형

(1) 성형방법

플라스틱의 성형법 중 압축성형은 가장 오랜 된 열경화성 플라스틱의 대표적인 성형법임.

가열한 금형의 캐비티에 분말 상태의 성형 재료를 넣고 유동 상태가 되었을 때 가압한 후 일정 시간을 유지하여 화학반응에 따른 경화현상에 의해 제품을 성형함.

(2) 특징

금형 및 성형기의 구조가 간단하고 제작비가 저렴함.

성형품의 배향이 적고 제품의 휨 등과 같은 변형이 발생할 확률이 적음.

성형시간(경화시간)이 길어서 생산성이 좋지 않음.

사용재료의 제한이 없으나 플래시가 발생됨.

가압력과 경화속도의 불균일에 의해 변형이 발생될 수도 있음.

(3) 금형

1) 평압형 금형(FLASH MOLD)

평압형 금형은 성형 재료가 캐비티를 채운 후 압축되면 상하 맞춤면(파팅 라인)으로 재료가 흘러 빠져나갈 수  있도록 되어 있어 플래시 금형이라고도 함.

접시나 받침대와 같이 깊이가 얇은 제품의 성형에 사용됨.

2) 압입형 금형(POSITIVE MOLD)

압입형 금형은 플런저와 캐비티 사이에 틈새가 거의 없고 플런저에 가한 압력이 그대로 재료에 전달되어 밀도가 높은 성형품을 얻을 수 있으며 재료의 유출도 거의 없음.

깊이가 깊은 성형품, 유동성이 나쁜 재료의 성형에 적합한 금형임.

3) 반압입형 금형(SEMI-POSITIVE MOLD)

반압입형 금형은 평압형과 압입형의 중간 형태로써 평압형처럼 재료가 유출된 후 플런저가 캐비티 안에 들어가게 되면 압입형과 같이 압력이 충분히 가해져 성형이 됨.

2. 이송성형(TRANSFER MOLD)

(1) 성형방법

플라스틱의 성형법 중 이송성형은 입자 또는 분말 상태의 열경화성 플라스틱을 금형 밖에 가소화 실에서 가열•유동 상태를 만든 다음 플런저로 가압하여 스프루와 러너를 통해 캐비티에 주입한 후 금형 내에서 일정 시간을 가열•경화시키는 방법으로 압축성형을 개선한 금형임.

(2) 특징

성형시간이 짧고 능률적임.

균일한 두께와 높은 정밀도의 성형이 가능함.

인서트 성형을 간단히 할 수 있음.

금형 구조가 복잡함.

3. 사출성형(INJECTION MOLD)

(1) 성형방법

플라스틱의 성형법 중 사출성형은 가장 많이 사용되고 있는 성형법으로 사출성형기의 실린더 속에서 가열•유동화시킨 성형 재료를 노즐과 금형의 유동기구를 통하여 캐비티 내에 충전시킨 다음 냉각•고화시켜 성형품을 성형하고 취출하는 방법임.

(2) 특징

정밀하고 복잡한 형상도 비교적 용이하게 성형할 수 있음.

생산성과 열효율이 높음.

후가공이 적고 스크랩 재사용이 가능함.

금형 제작비가 높아 소량생산에는 부적합함.

4. 압출성형(EXTRUDE MOLD)

(1) 성형방법

플라스틱의 성형법 중 압출성형은 실린더 속에서 가열•유동시킨 성형 재료를 다이 구멍을 통하여 연속적으로 튜브, 파이프, 판재, 선재의 피복 등을 성형하는 방법임.

열가소성 플라스틱의 성형에만 사용할 수 있음.

(2) 특징

무인 운전이 가능함.

길이가 긴 제품을 대량생산하는데 적합함.

5. 중공성형(BLOW MOLD)

(1)  압출블로성형

압출블로성형은 압출기를 통해 패리손이라고 하는 튜브를 압출하고 이것에 압축공기를 불어넣어 금형 내에서 팽창시켜 냉각•고화시킨 후 금형을 열어 중공성형된 제품을 취출하는 성형법임.

성형품의 두께가 균일하지 않고 마우스부(입구부)의 정밀도가 떨어짐.

(2) 사출블로성형

사출블로성형은 중공성형과 사출성형을 조합한 것으로 패리손을 사출성형기로 성형한 후 중공 금형에 넣어 압축공기로 팽창시켜 제품을 성형함.

사출성형한 패리손은 나사 부분도 성형이 되기 때문에 병 입구부의 살두께가 균일함.

대부분의 페트병 성형은 사출 블로성형을 사용하고 있음.

6. 진공성형(VACCUM MOLD)

(1) 성형방법

플라스틱의 성형법 중 진공성형은 성형 재료인 플라스틱 시트 또는 필름을 가열하여 연화시킨 후 금형에 삽입하여 진공펌프로 빨아들이면 성형 재료는 얇게 늘어나 금형에 밀착되어 제품이 성형됨.

성형이 완료되면 공기를 이용하여 취출하고 진동 트림기를 이용하여 버를 제거함.

두부를 담을 수 있는 식품용기, 간판 등의 성형에 사용하는 성형법임.

(2) 특징

면적에 비해 얇은 성형품을 만들 수 있음.

성형압력이 낮아 금형 재질을 다양화할 수 있음.

설비 비용이 저렴하고 생산성이 높음.

제품 표면이 깨끗하고 광택이 있음.

제품의 두께를 정밀하게 조정할 수 없음.

소재인 시트를 제조해야 함.

(3) 성형조건

시트는 성형에 적합한 온도로 일정하게 예열해야 함.

진공을 형성하는 진공펌프의 압력을 일정하게 유지해야 함.

금형의 표면과 각진 부분은 매끄럽고 둥글게 가공해야 함.

7. 캘린더성형

(1) 성형방법

캘린더 성형은 혼련 롤 또는 압축기에서 나온 성형 재료를 주철제 롤을 평행하게 설치하여 조립한 캘린던 사이에 가압•통과시키면서 두께가 일정한 시트나 필름을 연속적으로 성형함.

8.  고압성형(HIGH PRESSURE MOLD)

(1) 성형방법

고압성형은 금형과 성형품 간에 치수 차이를 작게 하기 위해 4,000kg/㎠ 이상의 고압을 사용하여 성형하는 방법으로 수축에 의한 성형품의 변형을 억제할 수 있음.

(2) 특징

잔류응력에 의한 강도 저하를 방지하기 위해 고압성형에 적합한 재료를 사용해야 함.

이형성이 좋은 재료를 사용해야 함.

스프루의 취출에 유의하고 이젝터와 리브가 평행하게 작용하도록 해야 함.

형내압의 균일성이 중요함.

9.  고속성형(HIGH CYCLE MOLD)

(1) 성형방법

고압성형이 성형품 전체의 수축량을 적게 하려고 하는 것에 비해 고속성형은 가능한 한 충전시간을 단축하는 것이 목적인 성형법임.

이를 위해 게이트로부터의 거리에 의한 수축량의 차이를 작게 하고 각 캐비티의 충전 완료 시간의 차이를 적게 하는 것이 필요함.

유압과 전자 시스템을 별도로 설치하여 최적 조합을 갖도록 하고 높은 사출률을 갖는 시스템을 갖추어야 함.

(2) 특징

형개폐 동작의 고속화.

사출동작의 고속화.

높은 사출률.

플라스틱의 냉각효율 향상.

성형 후 변형 감소.

10. 벤트성형(VENT TYPE INJECTION MOLD)

(1) 성형방법

벤트성형은 2개의 스테이지(호퍼측: 공급부 – 압축부 – 계량부, 노즐측: 벤트부 – 압축부 – 계량부) 방식이 있으며 2개의 스크루 방식을 채용하고 있고,

제1 스테이지에서 성형 재료를 반용융상태로 하여 스크루 홈이 깊어지는 제2 스테이지로 이송하는 도중에 직압력으로 개구부에서 성형 재료에 포함된 수분, 가스, 또는 휘발성분을 제거해야 함.

사출성형기에서 열가소성 플라스틱을 처리할 때 성형된 부분에서 미세한 구멍이 형성되는 것을 피하기 위해 용융 재료가 사출되는 동안 최소 압력을 유지하는 것이 중요함.

용용 시 사용되는 스크루의 길이가 짧기 때문에 신속하게 성형 재료에 열을 가해 신속하게 이송하고 회전이 상시 가능하도록 속도를 조절하는 기능을 갖추고 있어야 함.

(2) 특징

투명 성형품의 외관을 향상시킴.

플라스틱 건조도의 차를 적게 하여 치수를 안정화시킴.

플라스틱의 변색을 방지함.

플라스틱 건조 공정을 생략.

성형 재료를 보다 완결하고 균일하게 용융•훈련할 수 있음.

가소화능력이 떨어지고 성형 재료를 바꾸는 시간이 오래 걸림.

사출성형기의 가격이 비싸고 고도의 성형기술이 요구됨.

11. 로터리성형(ROTARY MOLD)

1) 성형방법

로터리성형은 복수의 금형을 수직형 사출성형기(다대사출기)의 로터리 테이블에 부착하고 테이블을 회전시키면서 교대로 사용하여 인서트, 성형, 고화, 취출을 동시에 수행하는 것으로 생산성을 높이는 성형법임.

이때 하측 금형만을 복수로 로터리 테이블에 부착한 다음 1개의 상측 금형과 순차적으로 조합하여 성형함.

로터리 성형에서는 형체기구의 평행도 유지 및 균일한 형체력을 확보하는 게 중요함.

(2) 특징

하측 금형은 동일 평면을 회전하여 인서트 작업을 안전하게 시행할 수 있음.

인서트 성형품 취출 작업을 성형 스테이지와는 별개의 위치에서 이루어지므로 능률이 향상됨.

성형 후 금형 내 고화시간이 긴 제품도 복수의 금형을 사용하여 생산할 수 있으므로 생산시간을 단축할 수 있음.

개방 치수가 작아도 쉽게 제품을 취출할 수 있음.

다품종 소량생산 시 금형 교환을 할 필요가 있을 경우에는 해당 금형을 모두 로터리 테이블에 장착한 상태로 필요한 금형을 선택하여 성형하는 것이 가능함.

2 스테이지 로터리 성형기에서는 통상의 성혐품 취출장치에 형체와 사출 유닛을 조합하면 2색 성형도 가능함.

12. 반응사출성형(RIM : REACTION INJECTION MOLD)

1) 성형방법

반응사출성형은 액상인 2액 우레탄 재료를 금형에 넣기 직전에 혼합해서 사출성형하는 것으로 성형품 표면은 단단하고 내부는 발포 성형품과 같은 제품을 성형함.

열경화성 플라스틱을 성형 재료로 사용하므로 열을 가하여도 녹지 않아 촉매와 활성화제의 반응으로 성형품의 경화를 촉진시키고 최후에 성형 재료가 금형 안으로 유입되었을 때 반응을 시작하도록 설정하는데 이때 발열과 압력(3kg/㎠)을 발생시킴.

촉매와 활성화제의 반응 시 열이 발생하므로 성형품의 두께가 4mm인 경우에는 1분, 그 이상인 경우에는 3 ~ 5분의 냉각시간이 필요함.

반응사출성형은 형체보다 형개력이 중요하며 큰 형판에 큰 금형을 부착하므로 금형 중량에 대한 영향을 고려해야 하고 평행도의 확보가 성형품의 정밀도에 큰 영향을 미침.

반응사출성형품은 자동차용 범퍼나 스포일러, 게임기 본체, 골프카 차페, 수상 오토바이 본체, 건축기계 및 농기계의 본체 등에 사용되고 있음.

(2) 특징

성형압력이 극히 작아 형체력(0.5 ~ 5kg/㎠)이 작은 유닛으로 사출성형기 구성이 가능함.

저점도 액상이 주입되므로 유동이 좋아 대형 성형품, 얇은 부품 성형이 용이함.

내충격성이 뛰어나고 튼튼하기 때문에 커버류 생산에 많이 사용됨.

13. 액상사출성형(LIM: LIQUID INJECTION MOLD)

1) 성형방법

액상사출성형은 상온에서 액상의 재료를 정량 혼합하여 성형하는 것으로 금형온도를 상대적으로 고온으로 하여 금형 내에서 화학 변화(중합)를 일으키는 열경화성 플라스틱 성형법임.

사용되는 성형 재료로는 실리콘 고무, 에폭시, 폴리 우레탄 등이며 소형 정밀부품을 생산함.

액상사출성형은 성형 재료가 금형 내부로 주입되는 동안에 열에 의해 기화가 잘 되는 액상물질을 주입하여 기화가 되는 성질을 이용한 것으로 액상물질이 기화가 되면서 발생되는 압력을 이용하여 성형품 내에 중공을 형성하는 사출 기술임.

액상사출성형은 두꺼운 제품을 성형하기 위한 것으로써 외관 품질이 중요하고 디자인이 단순한 구조에 적합함.

(2) 특징

성형압력이 일반 사출의 1/10 ~ 1/100(200kg/㎠) 수준으로 경구조의 기계장치기 가능함.

원료의 점도가 낮아 유동성이 좋기 때문에 두꺼운 제품 성형에 용이함.

성형 재료의 가소화 공정이 생략되어 에너지를 절약할 수 있음.

착색제 등을 첨가할 수 있으며 블렌딩이 용이함.

14. 가스성형

1) 성형방법

가스사출성형은 액상사출성형 외에 두꺼운 제품 성형에 사용되는 성형법이며 일반 사출성형기의 문제점인 성형품 두께나 성형 면적을 가급적 완화하기 위한 취지로 개발됨.

가스사출성형은 두께부에 생기는 기포나 유동 단말에 발생하는 싱크 마크를 방지하기 위해 불활성 가스가 고분자 사출 단계 종료 시 고분자 용융 스트림으로 압력에 따라 주입되는 공정임.

가스보다 먼저 용융된 고분자 코어를 금형에서 충전되지 않은 단면으로 변위를 시키고 체적 수축 효과를 보정하여 사이클의 충전 및 보압 단계를 완료하여 속이 빈 제품을 성형함.

자동차 외장, TV 하우징 성형에 사용되고 있으며 조건 재현성과 웰드 라인, 도장 후 광택 불량 등의 문제점과 가스 주입에 대한 예상의 어려움을 가지고 있으며 CAE 해석 결과를 적극 반영해야 함.

(2) 특징

성형품의 내부응력 감소.

클램핑력이 감소됨.

성형 재료의 25 ~ 30%를 절감할 수 있음.

짧은주기를 형성하는 대규모 두꺼운 벽으로 둘러싸인 성형품을 성형할 수 있음.

제품 표면의 수축 흔적, 변형을 줄일 수 있음.

분사압력이 감소됨.

성형품의 강도와 강성이 강화됨.

생산효율이 증가됨.

제품 통합을 개선하고 구조를 단순화하여 플라스틱 제품에 기능을 부여.

15. 스택몰드(STACK MOLD)

1) 성형방법

접시와 같은 얇은 성형품은 투영 면적에서 형체력에는 여유가 없으나 스트로크에 여유가 너무 많게 되는데 금형의 작동 방향으로 여러 개의 층으로 캐비티를 배열하여 생산성을 높인 성형법을 스택몰드라 함.

스택몰드는 소형이면서 초정밀제품, CD, DVD, 1회용 용기류 등을 생산하는데 사용함.

(2) 특징

기계 설비비가 적게 듦.

성형기의 설치면적이 작음.

형개폐에 관한 에너지를 감소시킴.

생산효율이 매우 높음.

16. 분말사출성형(PIM : POWDER INJECTION MOLD)

1) 성형방법

분말사출성형은 각종 금속 분말재료나 세라믹 분말 재료를 적절한 바인더와 혼합된 분말 혼합제를 사출성형공정을 이용하여 원하는 형상의 제품을 만들고 바인더를 제거하여 소결공정을 거쳐 제품을 만드는 성형법임.

복잡한 형상의 고성능 소결제를 사출성형과 같은 고정밀도로 생산할 수 있음.

성형 재료의 따라 금속사출성형(MIM)과 세라믹사출성형(CIMS)으로 구분됨.

분말사출성형은 절삭, 주조, 다이캐스팅, 분말야금 등 기존 기술로는 제조가 곤란한 경우에 사용함.

(2) 특징

1) 정밀 정형 제품 양산

사출성형과 분말야금 기술의 장점을 융합하여 밀도가 일정하고 복잡한 형상을 정밀 성형품으로 양산이 가능함.

2) 고밀도•고강도 제품 제조

소결성이 뛰어난 미세분말을 원료로 하기 때문에 균일한 밀도의 성형체를 얻을 수 있고 강도 등의 기계적 성질이 우수함.

3) 고정밀도 제품 생산

3축 방향의 소결 수축률이 거의 같아서 비교적 고정밀도를 유지할 수 있음.

(3) 응용분야

고급 시계 밴드 등의 장식품, 사무기기, AV 기기, 전자기기 등의 복잡한 형상의 부품 제조.

고용용재, 난가공재 등의 특수 금속재료를 이용하여 각종 공구, 기능재, 자성재 등을 제조.

(4) 공정

1) 바인더의 선택

바인더는 분말 재료와 혼합되어 유동성을 확보할 수 있게끔하고 복잡한 형상의 제품을 플라스틱 사출성형공정으로 제조할 수 있게 도와주는 역할을 함.

바인더의 양이 많으면 유동성 좋아지나 이후 공정에서 제거하는데 많은 시간이 소요되기 때문에 분말 재료와의 적절한 혼합이 요구됨.

바인더는 PE나 PS를 주결합제로 하고 왁스 계통의 2차 결합제와 오일류 및 각종 공정 조제와 혼합하여 제조함.

바인더는 분말에 대한 결합성 및 혼합성, 성형성 , 탈바인더 특성, 환경친화성 등을 고려하여 선택하는 것이 중요함.

2) 혼합공정

혼합공정은 분말 재료와 바인더를 혼합하여 분말 혼합체를 제조하는 공정이며 혼합기의 선택, 혼합 공정의 결정, 재료를 혼합하는 순서 등을 고려하여 균일한 분말 혼합체를 만들어야 함.

혼합 방법은 배치(BATCH)형과 연속형으로 나뉘며 일반적으로 액체 바인더에 분말을 서서히 혼합하는 배치(BATCH)형이 많이 사용되고 있음.

3) 사출성형공정

플라스틱 사출성형공정과 마찬가지로 가소화 → 충전 → 가압 → 냉각으로 진행되나 제팅이나 웰드 라인 같은 결함이 발생할 가능성이 높아 게이트의 설계가 매우 중요함.

혼합분말의 높은 점성계수로 인하여 사출압력이 높고 형체력이 커야 하고 열전도율도 높기 때문에 사출온도와 금형온도 선택에 주의가 필요함.

4) 탈지공정

분말사출성형 중 가장 많은 시간이 소요되는 공정으로 열분해법과 용해법 등을 이용해서 성형품에서 바인더를 제거함.

열분해법은 가열에 의해 바인더를 증발•분열시키는 방법으로 시간에 따른 탈지로 온도 변화를 적절하게 조절해야 성형품에 기포나 변형이 발생하지 않음.

용해법은 용매를 이용하여 바인더를 용해•탈지하는 방법으로 열분해법에서 발생할 수 있는 결함은 없으나 용매의 선정과 용해된 바인더의 처리에 고심해야 함.

5) 소결공정

소결은 강한 입자 간 결합을 만들고 조직을 치밀하게 만드는데 금속사출성형 소결품은 소결 시 30 ~ 40%의 큰 수축이 발생하므로 성형체의 밀도, 형상 등을 고려한 금형설계가 필요함.

이상으로 플라스틱의 성형법 연재를 마치고 다음에는 플라스틱 사출성형기에 대한 연재를 시작할 예정입니다.