사출 금형 4

제4장 사출 금형의 구조

사출 금형의 구조(Structure of Mold)는 성형품 형상, 재질, 사출성형기의 사양 등을 고려하여 정해지면 그 주요부는 형판 및 캐비티, 유동 및 주입 기구, 이젝팅 기구, 금형온도조절 기구 등으로 이루어지며 형판의 구성에 따라 2매판 사출 금형(2 Plate Mold)과 3매판 사출 금형(3 Plate Mold)으로 구분되는 것이 일반적인 사출 금형의 구조(Structure of Mold)입니다.

1.  사출 금형의 기본 구조

(1) 개요

사출 금형의 구조(Structure of Mold)는 성형품 형상, 재질, 사출성형기의 사양 등의 여러 가지 조건을 고려하여 정해지며 그 주요부는 형판 및 캐비티, 유동 및 주입 기구, 이젝팅 기구, 금형온도조절 기구 등으로 이루어짐.

사출 금형의 구조(Structure of Mold)에 대해서는 2매판 사출 금형(2 Plate Mold)과 3매판 사출 금형(3 Plate Mold)을 구분할 때 차이가 뚜렷하게 나타남.

(2) 사출 금형의 필요조건

성형품에 알맞은 형상과 치수 정밀도를 유지할 수 있는 구조여야 함.

성형능률 및 생산성이 높은 구조여야 함.

성형품의 다듬질 및 후가공이 적어야 함.

고장이 적고 수명이 긴 구조여야 함.

제작 기간이 짧고 제작비가 싼 구조여야 함.

(3 몰드베이스

1) 정의

사출 금형의 구조 중 몰드베이스는 사출 금형의 틀로써 제품을 성형하는 부위인 코어와 캐비티를 감싸고 보호하는 역할을 함.

2) 몰드베이스 사용상의 이점

금형 제작 기간이 단축됨.

금형 부품의 표준화로 호환성이 향상됨.

생산성이 향상됨.

금형 유지 및 보수가  편리함.

표준화된 크기로 보관이 용이함.

금형의 강도가 높아 수명이 연장됨.

(4) 몰드베이스의 종류

1) 2매판 몰베이스

(가) SA형

몰드 베이스의 기본형으로 설치판, 형판, 받침판, 이젝터판, 다리로 구성되어 있음.

형판에 가해지는 사출압력을 견디기 위해 받침판이 설치되어 있고 성형품 취출 시 이젝터 핀을 사용함.

(나) SB형

SA형에서 스트리퍼판이 추가된 구조.

성형품 취출을 이젝터 핀이 아닌 스티리퍼판을 이용하고 취출 시 이젝터 핀으로 하면 성형품에 하중이 많이 걸리거나 투명 제품을 성형할 때 사용함.

(다) SC형

SA형에서 받침판이 없는 구조로 가장 많이 사용되고 있고 코어가 포켓 모양으로 설치되어 있음.

(라) SD형

SA형에서 스트리퍼판이 추가되고  받침판이 없는 구조.

☞ 이외에 특수형으로 형개 시 동작에 의해 스트리퍼판이 돌출되는 방식에 따라 받침판이 있는 것이 SE형, 받침판이 없는 것이 SF형임.

2) 3매판 몰드베이스

(가) D•E 시리즈

ㄱ) 특징

가이드 핀과 서포트 핀이 공존함.

가이드 핀은 고정측과 가동측의 안내와 형판의 중심을 맞추는 역할을 함.

서포트 핀은 고정측 설치판과 고정측 형판 그리고 러너-스트리퍼판의 중량을 지지하고 움직임을 규제함.

ㄴ) 종류

① D 시리즈

러너-스트리퍼판이 있는 구조이고 2매판 몰드 베이스처럼 받침판, 스트리퍼판 유무에 따라 DA형, DB형, DC형, DD형 등으로 나뉨.

② E 시리즈

슬라이드 코어가 설치되어 러너-스트리퍼판이 없는 구조이고 2매판 몰드 베이스처럼 받침판, 스트리퍼판 유무에 따라 EA형, EB형, EC형, ED형으로 나뉨.

(나) F•G  시리즈

ㄱ) 특징

가이드 핀이 없고 서포트 핀만 있음.

냉각 배관 공간을 확보하기 위해서는 형판의 길이가 길어져야 하는데 가이드 핀이 없으면 형판의 길이가 길어지지 않아도 공간 확보가 쉬움.

소형 금형에 많이 사용됨.

ㄴ) 종류

① F 시리즈

러너-스트리퍼판 있는 구조이고 받침판의 유무에 따라 FA형과 FC형, 형개 시 동작에 의해 스트리퍼판이 돌출되는 방식에 따라 받침판과 스트리퍼판이 있는 FE형과 받침판이 없고 스트리퍼판이 있는 FF형으로 나뉨.

② G 시리즈

러너-스트리퍼판이 없는 구조이고 받침판 유무에 따라 GA형, GC형으로 나뉨.

(다) H 시리즈

일반적으로 인장봉과 가이드 핀은 같은 위치에 설치되나 H 시리즈는 인장봉이 가이드 핀 보다 외곽에 설치됨.

카라가 없이 2차 형개 거리는 인장봉에서 제어함.

카라가 있으면 형개 시 가이드 부시와 간섭이 발생하여 형개 거리를 제한함.

러너-스트리퍼판이 있는 구조이고 2매판 몰드 베이스처럼 받침판, 스트리퍼판 유무에 따라 HA형, HB형, HC형, HD형으로 나뉨.

 

2. 2매판 사출 금형(2 Plate Mold)과 3매판 사출 금형(3 Plate Mold)

사출 금형의 구조 중 유동 부분의 구조와 사용 목적에 따라 보통 금형과 특수 금형으로 나뉘고,

다시 보통 금형에는 고정측 형판과 가동측 형판으로 구성된 2매판 사출 금형(2 Plate Mold)과 고정측 형판과 가동측 형판에 러너-스트리퍼판이 추가된 3매판 사출 금형(3 Plate Molde)으로 나뉨.

(1) 2매판 사출 금형(2 Plate Mold)

1) 구조

2매판 사출 금형은 스프루, 러너, 게이트가 캐비티와 동일한 면에 있는 금형을 말하며 파팅 라인에 의해 고정측과 가동측으로 분리되는 가장 일반적인 사출 금형의 구조임.

2매판 사출 금형은 제품과 게이트가 붙어서 취출됨.

2) 특징

구조가 간단하고 조작이 쉬움.

고장요인이 적고 내구성이 뛰어남.

성형 사이클 타임을 빠르게 할 수 있음.

금형의 설계변경이 쉽고 제작비가 저렴함.

게이트의 형상 및 위치를 임의로 결정할 수 있음.

성형품과 게이트를 절단하는 후가공이 필요함

다이렉트 게이트 이외에는 특별한 경우가 아니면 게이트는 성형품의 측면에 위치함.

3) 작동원리

사출성형기의 형체력에 의해 금형이 닫혀 있는 상태에서 용융 재료가 금형의 캐비티로 주입되고 냉각 및 고화가이 이루어지면 사출성형기의 가동측 다이 플레이트가 후진하여 금형이 열림.

이때 금형의 가동측에 성형품과 스프루-러너가 남아 있고 사출성형기의 이젝팅 로드가 전진하여 이젝팅 기구를 작동시켜 성형품과 스프루-러너를 금형 밖으로 밀어내고 나서 사출성형기의 이젝팅 로드가 후퇴하여 이젝팅 기구가 원위치로 되돌아가면 사출성형기의 가동측 다이 플레이트가 전진하여 금형을 닫음.

(2) 3매판 사출 금형(3 Plate Mold)

1) 구조

3매판 사출 금형은 고정측 설치판과 고정측 형판 사이에 러너-스트리퍼판을 한 장 더 설치한 것으로서 러너-스트리퍼판과 고정측 형판 사이에 러너가 있고 고정측 형판과 가동측 형판 사이에 캐비티가 있는 금형을 말함.

2) 특징

핀포인트 게이트를 채택할 수 있음.

형개 시 성형품과 게이트가 자동으로 분리되어 후가공이 필요 없음.

게이트의 위치를 성형품의 중앙에 설치할 수 있음.

성형품과 스프루-러너를 따로따로 꺼내야 함.

형개 스트로크가 큰 사출성형기가 필요함.

구조가 복잡하고 고장요인이 많아 내구성이 떨어짐.

금형 제작비가 비싸고 보수 기간과 비용이 많이 소요됨.

성형 사이클 타임이 길어짐.

3) 작동원리

금형 내로 주입된 용융 재료가 냉각 및 고화되어 금형이 열리면 러너-스트리퍼판과 고정측 형판 사이가 벌어지면서 성형품과 게이트가 분리되고 금형의 가동측 형판에 남아있는 성형품은 이젝팅 기구가 작동하여 금형 밖으로 밀어내면 금형의 러너-스트리퍼 판에 남아있는 스프루-러너는 작업자의 손이나 로봇을 이용하여 빼냄.

성형품이 취출이 완료되면 사출성형기의 이젝팅 로드가 후퇴하여 금형의 이젝팅 기구가 원위치로 되돌아가면 사출성형기의 가동측 다이 플레이트가 전진하여 금형을 닫음.

4) 3매판 사출 금형(3 Plate Mold)을 선택하는 이유

후가공을 생략하기 위해 1개 또는 다수의 핀 게이트를 채택할 때.

중앙에서 사출하거나 게이트 자국이 거의 없어야 하는 성형품일 때.

얇고 넓은 제품을 성형할 때.

사이드 게이트를 채택하거나 균형을 생각하여 러너를 다른 러너 플레이트에 배치할 때.

3. 특수 금형

특수 금형에는 분할 금형, 슬라이드 코어 금형, 나사 금형 등이 있음.

사출성형기의 왕복운동을 이용하여 기어나 경사 핀으로 작동시키는데 유•공압 장치를 금형에 설치하여 작동시키는 경우도 있음.

특수 금형의 특징

① 보통 금형에서 성형할 수 없는 측면에 언더컷 형상 제품을 만들 수 있음.

② 성형 사이클 타임이 길 수도 있음.

③ 금형 제작비가 비싸짐.

④ 구조가 복잡하여 고장이 잦음

⑤ 부속 장치가 필요함.

(1) 분할 금형

1) 개요

금형의 구조설계는 성형품의 형상과 정밀도에 영향을 받음.

분할 금형은 성형품의 외부를 형성하는 캐비티부를 2개 이상으로 분할하는 것을 말함.

2) 필요성

언더컷 등이 있어 분할하지 않으면 제품을 빼내기가 어려운 경우.

가동의 용이성 때문에.

캐비티와 코어의 강도 및 내마모성이 요구되고 높은 정밀도가 필요한 경우.

3) 장점

사용되는 부분에 따라 적절한 강재를 선택할 수 있음.

가공 및 측정의 용이성으로 인해 금형의 가공 정밀도가 향상됨.

부품의 호환성이 높고 보수가 용이함.

빼기구배가 없는 것에 유의해야 함.

4) 단점

부품의 수가 많고 금형 제작비가 높아짐.

분할 부품에 냉각 회로 설치가 어려움.

강도상 문제를 야기할 수도 있음.

조립오차가 발생할 수도 있음.

가스빼기 설치가 쉽지 않음.

5) 분할 시 유의사항

성형품 외관•기능을 손상시키지 않을 것.

연삭 가공이 용이한 위치에서 분할할 것.

극단적인 세분화를 피할 것.

조립 및 분해가 용이하도록 고려할 것.

교환이 용이하도록 분할할 것.

분할점에서 분할선은 전단 윤곽에 직각일 것.

(2) 일체 금형

1) 장점

취급이 용이하고 가공 정밀도를 높일 수 있음.

열처리 변형을 감소시킬 수 있음.

이종 재료를 사용할 수 있고 이용 범위가 넓어지고 있음.

부분 열처리, 부분 도금을 쉽게 할 수 있음.

끼워맞춤면을 가스빼기로 활용할 수 있음.

입자만의 변경으로 유사품의 공통형으로 이용할 수 있음.

2) 단점

강도상 문제가 될 수 있음.

냉각 구멍 및 이젝터 기구 설치에 제약이 따름.

조립오차가 발생될 수 있음.

3) 설치 및 고정방법

(가) 플랜지 고정

인서트의 플랜지면을 이용하여 고정하는 방법으로 형판과 조립면 가공이 간단하고 캐비티와 코어 간의 중심맞춤을 간단하게 할 수 있음.

(나) 볼트 고정

플랜지가 없는 관통 코어의 경우 입자를 형판의 조립면에 끼워맞춤한 후 뒤판에서 볼트로 고정하는 방법으로 대형 금형일 경우에는 가열•팽창하여 열박음을 한 후 용접하는 경우가 있음.

(다) 포켓 끼워맞춤

형판에 입자를 조립할 수  있도록 바닥이 있는 포켓을 가공한 후 입자를 끼워맞춤하는 방법으로 입자는 포켓 안에서 조임볼트로 고정하거나 쐐기로 밀착시켜 고정함.

(3) 슬라이드 코어 금형

1) 개요

언더컷이 있는 성형품은 성형품의 내부나 외부에 돌출된 부분이나 구멍이 있는 경우로 보통 금형의 구조로는 이형이 어렵기 때문에 금형의 이형 방향과 다른 방향으로 작동하는 장치가 필요한데 가장 대표적인 것이 슬라이드 코어 금형임.

2) 언더컷 처리방법

(가) 분할형

형체•형개 운동을 이용하여 분할된 캐비티 전체 또는 일부분을 슬라이딩시켜 언더컷을 처리하는 방법으로서 고정측 또는 가동측 형판 내에서 분할 캐비티가 슬라이딩됨.

분할 캐비티가 닫히면 반대측 형판에 설치된 록킹 블록에 의해 록킹 되고 분할된 캐비티는 경사핀(ANGULAR PIN), 드그래그캠. 스프링 등에 의해 작동됨.

(나) 슬라이드 블록형

분할형은 전체 캐비티를 대칭적으로 이등분으로 분할하는데 비해 슬라이드 블록형은 언더컷 부분 또는 이형 할 때 장애를 받는 부분만을 분할 처리하는 방법이나 일반적으로는 가동측 형판의 측면에 슬라이드 블록을 설치하고 고정측 형판에는 경사핀, 판캠, 공유압 실린더 등에 의해 가동 부분을 작동시킴.

슬라이드 블록형은 다른 금형에 비해 구조가 복잡하므로 내구성을 위해 강도가 크고 구조를 가능한 한 단순화시켜야 하며 작동이 확실하도록 설계해야 함.

(다) 스트리핑 방식

PE, PP와 같이 성형 재료의 탄성이 풍부하고 언더컷 형상이 이형 하기 쉬운 형상을 스트리퍼판이나 밸브 이젝터 등을 이용하여 강제적으로 빼내는 방식임.

내•외측 언더컷에 관계없이 간단하고 효과적으로 언더컷을 처리할 수 있으나 성형품에 탄성변형을 줄 수 있는 공간을 가진 금형 구조가 필요함.

3) 슬라이드 코어 구동방식

(가) 경사핀

ㄱ) 작동방식

형개폐에 따라서 사이드 코어, 사이드 캐비티를 전•후진시키는 방법으로 슬라이드는 가동측에, 경사핀은 고정측에 설치됨.

ㄴ) 경사핀 설계

경사핀의 경사각도는 스트로크의 양이 길어짐에 따라 크게 하지만 보통은 10˚ ~ 25˚ 정도로 제작하며 경사각도가 커지면 형개에 필요한 힘도 커짐.

경사핀과 사이드 코어의 구멍과의 사이에는 0.5 ~ 1mm 정도의 클리어런스를 주고 클리어런스는 경사핀에 작용하는 성형압력을 경감시켜 형개 개시 시점보다 코어의 분할 시점을 지연시킴.

(나) 캠

ㄱ) 도그래그캠

도그래그캠의 단면 치수는 소형 금형에서 13 x 19(mm) 정도로 하고 경사각도는 10˚ 정도로 해서 제작하는 게 좋음.

ㄴ) 판캠

슬라이딩 가이드 홈을 경사캠에 고정하고 이 슬라이딩 홈에 연동해서 분할형을 이동시킴.

슬라이딩 가이드 홈의 경사각도는 40˚ 이하로 해야 함.

작동 시 긁히기 쉽고 신뢰도가 떨어지는 단점이 있음.

(다) 스프링

주로 소형 금형에서 사용되는 방식으로 사이드 코어의 후진에만 스프링의 힘이 사용되고 전진은 록킹부에 의해 행해짐.

(라) 유압•공압 실린더.

ㄱ) 작동방식

분할 캐비티의 작동을 가동측 형판에 설치한 유압 또는 공압 실린더를 이용하는 방법임.

분할 캐비티의 이동 거리가 긴 경우에 채택함.

ㄴ) 특징

작동력 및 작동속도를 임의로 조정할 수 있음.

사출성형기의 구동과 관계없이 작동시킬 수 있음.

금형의 구조는 간단하고 튼튼하여 대형 슬라이드에 이용되나 유압원과 제어장치가 필요함.

사이드 코어 이동량과 작동에 필요한 힘을 크게 할 수 있음.

(4) 나사 금형

1) 개요

나사 성형품을 생산하기 위해서는 나사부의 언더컷 처리를 어떻게 할 것인가가 관건임.

나사의 특성이나 형식, 생산방식 등 매우 많은 요인을 고려하여 금형을 설계해야 함.

나사 성형품의 언더컷 처리는 금형의 어느 한쪽에 회전 또는 회전과 이송 운동을 통해 성형품이 취출되어야 함.

2) 금형설계 시 고려사항

(가) 나사의 종류

나사의 형태가 내측 나사인지, 외측 나사인지를 고려하여 나사산의 형태, 피치, 줄 수 등을 파악할 것.

(나) 생산형태

성형품의 생산이 지그나 공구 등을 사용한 수동 생산인지, 자동 생산인지를 고려할 것.

아울러 동일 성형품에서 나사의 개수를 파악하고 성형품의 빼기 개수를 검토할 것.

(다)나사 성형품의 요구기능

나사부에 파팅 라인이 있어도 문제가 되지 않는지 검토하고 나사의 강도, 사용되는 성형 재료를 고려하여 스트리핑력을 이용한 강제 빼기가 가능한지를 검토할 것.

3) 나사 성형품의 취출

(가) 스트리핑 방식

스트리퍼판을 이용하여 코어에 있는 성형품을 강제적으로 빼내는 방법으로 암나사, 수나사에 관계없이 적용할 수 있음.

나사의 형상은 지름에 비해 높이가 낮고 둥근 나사로써 탄성이 풍부하여 강제 빼기의 변형을 흡수할 수 있어야 함.

(나) 고정 코어 방식

성형품을 취출할 때 나사 코어를 성형품과 함께 금형으로부터 밀어내고 손이나 공구를 사용하여 성형품과 코어를 분리해내는 방법.

수동 방식으로 성형품을 취출하여 작업능률이 나쁘기 때문에 소량생산이나 시험 제작 또는 자동 나사빼기장치를 사용할 수 없는 경우에 사용됨.

(다) 회전 코어 캐비티 방식

동력원인 전기모터와 연결된 기어가 구동하여 코어 또는 캐비티를 회전시켜 나사 성형품을 자동으로 취출하는 방법.

ㄱ) 나사 코어가 회전만 하면서 성형품을 돌출시키는 경우

성형품의 외형에 회전 방지를 할 수 있는 형상이 있어야 하고 나사부의 길이는 캐비티 깊이보다 약간 짧은 것이 좋음.

[출처] 이루스

ㄴ) 나사 코어가 회전하면서 후퇴하는 경우

코어 샤프트에 기어구동을 통해 회전을 주어 나사를 돌출시키고 샤프트를 역회전시켜 원위치로 후퇴시키는 방법.

[출처] 이루스

ㄷ) 캐비티를 회전시키는 경우

게이트를 성형품의 내측에 설치할 경우나 가늘고 긴 나사 코어를 회전시키면 강도상에 문제가 될 경우에 채택함.

(라) 분할 코어 방식

분할 코어를 이용하여 수나사의 성형에 많이 적용하는 방법으로 금형의 구조나 제작이 간단하나 나사부에 분할선이 생기므로 정밀도를 요하지 않는 경우에 사용됨.

(마) 컬랩시블 코어 방식

DME 사가 개발한 방법으로 일종의 슬리브를 콜릿과 같이 슬릿하고 세그먼트로 분할함.

세그먼트는 탄성에 의해 안쪽으로 수축하도록 되어 있는데 안쪽에서 코어핀을 밀어 넣으면 원래의 위치로 되돌아감.

슬리브 외측에 나사산을 가공해서 암나사 성형용으로 사용되며 회전구동장치 없이 나사 성형품을 취출할 수 있고 구조가 간단하여 매우 효율적임.

(5) 스택몰드

1) 개요

스택몰드는 2개의 금형이 서로 마주 보게 겹쳐져 있는 형태로 이루어져 있으며 중첩 금형 또는 양면 사출 금형이라 하며 형개 스트로크보다는 큰 형체력을 필요로 하는 성형품을 생산하기 위한 금형.

1개의 금형에 2개의 파팅 라인을 가지는 금형으로 한쪽 금형의 가동측은 사출성형기의 고정측 다이 플레이트에 다른 한쪽 금형의 가동측은 사출성형기의 가동측 다이 플레이트에 부착됨.

두 금형의 고정측은 두 금형의 가동측 사이에 위치하며 고정측과 러너 시스템은 설치판에 장착되지 않으므로 금형의 수명과 고품질의 제품을 생산하기 위해서는 두 가동측 사이의 균형된 작동과 고정측 의 충분한 지지를 이루어 충격하중을 견디고 캐비티와 코어의 정확한 위치를 지속적으로 유지할 수 있어야 함.

스택몰드는 제작 난이도가 높지만 사출 성형 시 한 번의 사출 공정으로 2배 또는 그 이상의 생산성을 이루어낼 수 있고 설비 투자 및 추가 공간이 필요가 없어 제품 단가 및 생산 시간을 획기적으로 절감할 수 있음.

2)  구조

스택몰드는 체결용 설치판을 향해 마주 보는 2개의 이젝팅 부분과 중앙에 설치되는 유동 시스템으로 구성됨.

스택몰드의 개발 초기에는 반지름 형태의 러너를 사용했으나 요즘은 핫러너 방식을 채택하고 있음.

핫러너는 가열된 주러너에 의해 용융된 재료가 금형의 캐비티에 주입되고 고정측 금형의 이젝팅 기구를 통하여 가소화 장치의 노즐과 연결되어 있음.

금형 중앙에 핫러너가 위치하여 무게가 무겁기 때문에 가이드 포스트로는 지탱하기가 어려워 금형은 타이 바 보다 높거나 낮은 위치에서 안내해야 됨.

3) 이젝팅 기구

스택몰드에 있어서 성형품의 취출 방법에는 링크 기구 방식과 소형 유압실린더 방식이 있음.

링크 기구 방식은 형개폐를 링크 기구에 의해 작동할 경우에 링크 기구와 연결해서 성형품을 취출하는 것으로 토글 링크를 통해 스트리퍼판을 작동시켜서 성형품을 금형에서 꺼냄.

금형의 개폐를 래크와 피니언의 조합에 의하여 작동할 경우에는 스트리퍼판을 피니언에 설치한 크랭크식 링크에 의해 작동시켜 성형품을 취출하기도 하는데 이 경우에는 스트리퍼판의 작동을 원할하게 하기 위해 스트리퍼판 작동용 링크에 스프링을 설치해야 함.

소형 유압 실린더 방식은 성형품의 취출 작동을 형개 행정에 직접적으로 관여하지 않고 행하게 하는 방법으로 소형 유압실린더로는 형개폐 행정의 타이밍에 대해 독립적으로 스트리퍼판 또는 이젝터 기구를 작동시킬 수가 있음.

4) 용도

한 금형에 동일한 캐비티 형상을 가지지 않고 여러 형상을 가지는 캐비티를 배치하여 스택몰드에 적용할 경우에는 금형의 온도관리와 사출 성형 조건 설정의 어려움이 있으나 캡이나 패키징과 같은 얇고 투영면적이 큰 뚜껑 및 용기 형상의 제품을 생산하는데 적합함.

이상으로 사출 금형의 구조 연재를 마치고 다음에는 사출 금형의 주요 부품에 대한 연재를 시작할 예정입니다.