수지 가공의 기본! 사출 성형에 대해서

플라스틱이라고도 불리는 수지 제품은, 가볍고, 튼튼하고 대량 생산이 하기 쉽기 때문에 일용품이나 전자 기기, 기계의 커버 등, 폭넓은 분야에서 사용되고 있습니다. 이번에는 수지 제품을 만드는 방법으로 잘 행해지고 있는 사출 성형에 대해 소개합니다.

사출 성형이란?

플라스틱 제품을 만드는 것을 “수지 가공” 이라고 합니다. 수지 가공에서는 열가소성 수지라고 불리는 열을 가하면 부드러워지는 수지가 사용됩니다. 펠렛 모양의 재료 수지를 따뜻하게 녹여 금속으로 만든 금형에 흘려 넣습니다. 그러나 녹은 수지는 물 등과 달리 상당히 끈기가 강하고 걸쭉하기 때문에 주사기와 같은 장치로 힘을 주면서 흘려보내야 합니다. 그 때문에 수지의 가공은 「사출 성형」이라고 불리고 있습니다.

수지 제품에서 볼 수 있는 사진과 같은 돌기는 게이트라고 불리는 수지가 사출된 장소의 흔적입니다.

금형은, 타이야키의 형태나 와플 메이커와 같이, 2개로 나누어져 있습니다. 일반적으로 부품의 외관측을 만드는 형을 「캐비티」, 안쪽에 해당하는 금형을 「코어」라고 합니다. 수지 가공에서는, 수지가 곧바로 차가워져 굳어지지 않는 정도로 따뜻하게 한 상하의 금형을 맞추고, 거기에 수지를 사출합니다. 그 후, 몇 초 기다리고, 안쪽의 수지가 차가워지고 굳어졌을 때 맞는 것을 가늠해 금형을 엽니다. 그리고 완성된 수지 제품을 금형 안쪽에서 E핀(이젝터 핀)이라고 불리는 막대로 밀어내고 금형에서 분리합니다.

수지 제품의 뒷면에 자주 보이는 사진과 같은 둥근 자국은 E 핀 자국입니다.

사출 성형 조건

수지 가공의 성형 조건은 수지 부품의 완성을 결정하는 가공의 카나메

사출 성형에서는 녹은 수지를 압력을 가하면서 금형에 흘려 넣습니다. 금형 안에 수지를 채우고, 조금 식히고 수지가 굳어질 무렵 맞음을 예측해, 금형을 열어, 완성된 부품을 꺼냅니다. 그러나 항상 같은 조건에서 같은 방식으로 수지를 채우면 좋지 않습니다. 예를 들어 톱으로 목재를 자를 때도 부드러운 소재라면 너무 강한 힘을 가하지 않아도 자를 수 있습니다. 그러나 단단한 목재의 경우는 확실히 힘을 가해 여러 번 톱을 움직이면서 조금씩 잘라 갈 수밖에 없습니다. 이러한 차이를 “가공 조건”이라고합니다. 수지 가공에서도 사용하는 수지 재료의 종류나 형상에 따라 수지를 흘리는 속도나 충전 압력 등 가공 조건을 바꿀 필요가 있습니다. 적절한 조건을 선택하지 않으면 수지가 금형 안으로 돌아가지 않거나 완성된 수지 부품이 금형에서 벗어나지 않는 등의 불량으로 이어질 수 있습니다. 또, 기능적인 불량이라고까지는 가지 않아도, 표면의 모양이 잘 전사되지 않거나, 냉각시에 발생하는 수지의 오목이 눈에 띄는 등의 외관 불량으로 이어지는 경우도 있습니다. 따라서 사출 성형에 있어서는 프로토타입 단계에서 적절한 성형 조건을 찾는 것이 중요합니다.
수지 가공의 성형 조건은 몇 가지 있습니다만, 대표적인 것을 다음에 소개합니다.

금형에 수지가 흘러 들어가는 상태를 좌우하는 온도와 속도

수지 부품의 수는 수지가 금형으로 흘러 들어갈 때의 상태에 따라서도 변화하며, 이것에는 온도와 속도가 크게 영향을 줍니다. 수지가 금형으로 흘러 들어가는 상태를 결정하는 주된 성형 조건은 아래의 3가지입니다.

• 금형 온도  일반적인 사출 성형의 경우, 금형의 온도는 15℃~90℃의 범위에서 운용됩니다. 금형의 온도가 낮으면 흘러 들어온 수지가 금형에 닿은 부분에서 굳어 갑니다. 그 때문에 얇은 형상 등 수지의 주위가 나쁜 부위가 있는 경우에는 금형의 온도를 높게 설정합니다. 그러나 금형의 온도가 높아지면 수지가 굳어질 때까지의 시간이 길어지거나, 수지에서 발생한 가스에 의해 금형이 부식하는 등의 문제로 이어집니다. 가스 제거용 중첩 등을 넣어 대응할 수있는 경우도 있지만, 역시 온도를 너무 올리지 않는 것이 최선입니다.
• 수지 온도  금형에 흘리는 수지의 온도도 중요합니다. 기본적으로 온도가 높아질수록 수지의 점도가 내려가기 때문에, 금형의 세세한 부분에도 수지가 회전하기 쉬워집니다. 그러나 온도를 너무 올리면, 수지가 변질하거나 냉각되어 경화했을 때와의 체적의 차이가 커져 「히케」라고 불리는 오목의 원인이 되기도 합니다. 또 수지의 점도가 지나치게 내려갔기 때문에, E핀(이젝터 핀)이나 중첩, 형의 접합목 등에도 수지가 흘러 들어가, 버가 될 가능성도 있습니다.
• 충전 속도  이상적인 것은 수지가 들어가기 시작부터 충전이 끝날 때까지 같은 속도로 수지가 충전되는 것입니다만, 실제로는 어려운 경우가 대부분입니다. 수지의 흐름이 지나치게 느리면, 수지가 돌지 못하는 쇼트라고 하는 불량이 발생하거나, 수지가 흐른 흔적이 근육이 되어 보여 버리는 플로우 마크라고 하는 외관 불량으로 연결됩니다. 반대로 수지의 흐름이 너무 빠르면, 그 기세로 금형을 파손해 버리거나, 마찰에 의해 금형의 수명을 짧게 해 버리거나 합니다.

금형을 열 때까지의 상태도 중요. 보압과 냉각

사출 성형에서는, 금형에 수지를 흘려 넣은 후에, 수지가 식어서 굳어지고 나서 금형을 열어 부품을 꺼낼 때까지의 성형 조건도 중요합니다. 이 때의 상태를 결정하는 대표적인 조건은 다음 두 가지입니다.

•  보압 사출 성형에서는 금형에 수지가 충전된 후에도 노즐로부터 압력을 계속 가합니다. 이 압력을 보압이라고합니다. 보압이 낮으면 리브 뒤쪽의 히케가 눈에 띄거나 냉각 시의 수축이 커져 노린 치수가 나오지 않을 수 있습니다. 반대로 보압을 지나치게 높게 하면, 버가 발생하거나 성형한 부품이 금형으로부터 떨어져 없어져 버립니다.
• 냉각 시간  가열된 수지는 드로드로에 녹아 있습니다만, 수지 부품으로서 금형으로부터 꺼내기 위해서는, 수지를 식히고 굳어야 합니다. 이것을 냉각 시간이라고합니다. 냉각 시간이 길어지면 수축이 커지고 치수가 줄어들 수 있습니다. 또한 냉각 시간은 사이클 타임 중에서도 차지하는 비율이 많기 때문에 냉각 시간이 길어지면 사이클 시간도 길어져 결과적으로 제품의 비용이 상승합니다. 반대로 냉각 시간이 너무 짧으면 부품을 E 핀으로 밀어 넣을 때 변형이 발생하는 등의 문제가 발생할 수 있습니다.

사출 성형에서는 만들 수 없는 형상

다양한 형태를 만들 수 있는 사출 성형입니다만, 만들 수 없는 형상도 있습니다. 대표적인 것을 아래에 열거

• 얇은 형상
  너무 얇은 형상은 끈기가 강한 수지가 금형 안으로 들어갈 수 없게되어 버리기 때문에 만들 수 없습니다. 수지의 종류나 형상에 따릅니다만, 두께 1mm 이하가 되면 주의가 필요하다고 생각해도 좋을 것입니다.
• 수직 벽
  사출 성형에서는 완성된 부품을 금형에서 떼어내기 위해 “빼기 구배”가 필요합니다. 따라서 겉보기 수직으로 보이는 입벽에서도, 뿌리를 향해 조금씩 굵어지는 경사 형상으로 되어 있습니다. 빼기 기울기를 고려하지 않는 수직 모양을 만들 수 없습니다.
• 언더컷
  금형은 상하로 열리므로 금형의 움직임을 방해하는 형상은 만들 수 없습니다. 예를 들어 입벽 안쪽에 있는 돌기나 측면에 열린 구멍 등이 이에 해당합니다. 이러한 형상은 언더컷, 통칭 「언더」라고 불려 그대로는 만들 수 없습니다.
• 구석 R이 없는 뾰족한 형상
  수지 성형에 사용하는 금형은 금속의 덩어리를 기계 가공으로 조각하고 거기에 다양한 금형 부품을 추가하여 제작합니다. 금속을 조각하는 공구는 모두 모퉁이에 둥근이 있어, 면과 면이 딱 맞는 직각을 만들 수 없습니다. 그 때문에 사출 성형에서도, 구석 R가 없는 뾰족한 형상은 만들 수 없습니다. 또 수지의 흐름의 관점에서도 뾰족한 형상은 추천되어 있지 않습니다.

불가능을 허용하는 중첩 및 슬라이드

사출 성형에서는 기본적으로 언더컷의 형상을 만들 수 없습니다. 그러나, 부품끼리를 조합하는 것을 생각하면, 역시 측면의 구멍이나 손톱 등이 필요한 케이스도 적지 않습니다. 그 때에 사용하는 것이 「슬라이드」라고 불리는 기구입니다. 슬라이드는 금형의 개폐에 맞추어 가로 또는 대각선으로 움직여 본래라면 만들 수 없었던 형상을 가능하게 합니다.
또 녹은 수지로부터 발생하는 가스를 빼기 위한 가스 빼기 구멍이나, 다른 부분에 비해 세세한 형상을 필요로 하는 장소 등에는 「중첩」이라고 불리는 금형 부품이 사용되는 일이 있습니다. 중첩이란, 금형 안에 끼워넣는 파트를 말해, 금형 가공의 코스트를 낮추거나, 메인터넌스성을 좋게 하거나 하는 등의 효과가 있습니다.

마무리하며

사출 성형은 가장 일반적인 수지 가공 중 하나입니다. 사출 성형의 방법과 특징을 잘 알면 더 나은 수지 부품의 설계 개발로 이어집니다.