이번 글은 제품 디자인에서 가장 많이 사용되는 플라스틱 사출에 대해서 알아보려고 합니다.
1. 플라스틱의 정의 및 종류
플라스틱(Plastic)은 고분자 화합물입니다. 대부분 탄소와 수소의 단위체(Monomer)의 공유결합으로 수많은 분자들이 결합되는 소재입니다. 열을 가했을 때의 반응에 따라서 열가소성 플라스틱(고열에 녹음)과 열경화성 플라스틱(단단해지거나 타버림)으로 나뉩니다.
| 열가소성 플라스틱 | 열경화성 플라스틱 | |
| 원어 | thermoplastic resin | thermosetting resin |
| 특징 | 성형 후, 열을 가하면 다시 형태가 변형됨 (녹음, 유동성을 가짐) |
성형 후, 열을 가해도 형태가 변하지 않음 (타버림, 경화됨) |
| 종류 | 폴리에틸렌(PE), 폴리스티렌(PS), ABS, 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리아세탈(POM), 폴리염화비닐(PVC), 나일론, 폴리카프로락톤(PCL), 폴리비닐알코올(PVA), 중합젖산(PLA), 아크릴(Acrylic resin), 폴리에스테르(PET), 셀룰로이드, 테플론 | 베이클라이트, 에폭시, 멜라민 수지, 아미노 수지, 페놀 수지 |
열가소성 플라스틱으로는 폴리에틸렌(PE), 폴리스티렌(PS), ABS 등이 있다고 합니다. 열경화성 플라스틱으로는 에폭시, 멜라민, 페놀 수지 등이 존재합니다.
2. 플라스틱 사출 성형의 정의
사출(Injection)은 열과 압력을 가하여 녹은 플라스틱 원재료(Resin)을 금형(Mold)에 주입시킨 후 경화 및 고화시켜 결과물을 얻는 성형 방법을 의미합니다. 금형 안으로 플라스틱 레진을 주입하는 과정을 사출이라고 합니다. 사출은 대량 생산에 적합합니다. 이는, 성형 사이클이 짧고 효율적이고, 간단한 방식의 성형방식이며, 다양한 종류의 원재료가 활용가능하기 때문입니다.
사출 성형기는 프레스라고도 불립니다. 프레스는 소재 호퍼, 사출 랩 또는 나사형 플런저 및 가열 장치로 구성됩니다. 프레스는 기계가 가할 수 있는 압력의 크기인 톤수로 평가됩니다. 5톤 미만에서 6,000톤까지 다양할 수 있지만, 높은 톤수는 잘 사용되지 않습니다.
사출은 충전 -> 사출 -> 보압 -> 냉각 -> 이형의 5단계로 구성됩니다. 각 단계는 다음과 같이 진행됩니다.
1) 충전: 플라스틱 원재료를 녹여, 실린더 안으로 채워넣는 과정을 의미합니다.
2) 사출: 실린더를 밀어 넣어 금형 안을 녹은 플라스틱으로 채워넣습니다.
3) 보압: 금형에 압력을 보충하여, 플라스틱이 금형에 충분히 채워지도록 합니다.
4) 냉각: 고온의 플라스틱을 냉각시켜 금형에서 뺄 수 있도록 경화합니다.
5) 이형: 플라스틱 사출물을 금형에서 빼냅니다.
3. 플라스틱 사출 성형의 어려움
3-1. 응력
사출은 플라스틱 원재료(레진, resin)가 압출기의 열과 압력으로 인해 분자 결합이 끊어져 금형으로 들어가게끔 녹게합니다. 이로 인해, 플라스틱 레진이 사출기(프레스)의 압력으로 금형의 모든 피처, 크랙 및 틈을 채우게 됩니다. 여기서 날카로운 코너나 급격한 전환은 플라스틱 분자의 형성을 어렵게 합니다.
응력 문제는 뒤틀림, 싱크 마크, 크랙, 조기 실패 및 기타 성형 문제를 초래할 수 있습니다. 사출 성형은 응력 감소를 최대로 고려하는 방향으로 파트가 설계되어야 합니다. 이를 위해, 피처 간에 원활한 전환을 추가하기 위해 원형과 필렛 형상을 고려해볼 수 있습니다.
3-2. 다른 두께
파트의 적절한 벽 두께를 설정하는 것은 중요합니다. 원리상 벽 두께는 얇을수록 소재 사용량과 냉각 시간이 줄어들어 효율적으로 비용을 절감할 수 있습니다. 사출 성형의 벽 두께는 일반적으로 2-4mm입니다만, 얇은 벽 사출 성형은 0.5mm도 가능합니다. 각 플라스틱 수지의 적절한 벽 두께는 다음과 같습니다.
참고 자료
1. 네이버 블로그, SP 열처리
https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=sp_ht&logNo=220737203001
플라스틱 가공법 사출성형(사출금형)
플라스틱 사출금형 가공법 사출성형 Injection Molding 1. 사출성형 정의 가열에 의해 녹은 플라스틱 재...
blog.naver.com
2. 3D Systems
https://ko.3dsystems.com/quickparts/learning-center/injection-molding-basics
사출 성형 설계의 기본 | 3D Systems
사출 성형 부품 설계의 몇 가지 기본 규칙을 따르면 부품을 보다 쉽게 제작 및 조립할 수 있을 뿐 아니라 일반적으로 사용 시 더 튼튼합니다.
ko.3dsystems.com
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