주조는 틀에 액상의 수지를 흘려 넣어 경화시켜 제품을 복제하는 방법입니다. 고가의 금형을 사용하지 않고 신속하고 저렴한 비용으로 고품질의 수지 부품을 제조할 수 있기 때문에 많은 설계자에게 선택받고 있습니다. 예를 들면, 개발중의 가전제품의 케이스나 자동차의 내장 부품, 의료기기의 컨셉 모델 등, 소량의 수지 부품의 제작에 적합한 공법입니다.
이번 내용에서는 설계자용으로, 주형의 구조, 장점·단점, 사출 성형·3D 프린트와의 차이를 해설합니다.
목차
주조의 정의
주형이란, 실리콘 등으로 만든 간이한 형에 액상의 수지를 흘려 넣어 경화시켜 제품을 복제하는 가공법입니다. 주로 프로토 타입과 작은 로트 생산에 사용됩니다.
기본 프로세스는 다음과 같습니다.
- 마스터 모델(원형) 제작
- 마스터 모델의 형상을 정밀하게 전사한 실리콘형의 제작
- 실리콘 형 내부 (캐비티)에 수지를 주입하여 경화
진공중에서 작업을 하면 기포의 혼입을 막아 미세한 형상까지 충실히 재현 가능합니다.
금속 금형이 불필요하기 때문에 초기 비용을 억제하고 리드 타임도 단축할 수 있습니다.
주형의 특징과 장점・단점
주형의 특징
주형은 마스터 모델을 전사한 실리콘형으로 수지 제품을 소량 생산하는 공법입니다. 금속을 깎아내고 제작하는 고강성의 금형과는 달리, 탄성이 있는 실리콘을 형재로서 사용하는 점이 최대의 특징입니다.
형의 탄력성에 의해, 금형에서는 슬라이드 기구 등 복잡한 구조를 추가하지 않으면 성형할 수 없는 언더컷 형상(돌기나 움푹 들어간 곳)도, 형 자체를 변형시켜 제품을 꺼내는 「무리 빼기」로 대응할 수 있습니다. 따라서 복잡한 디자인과 일체 성형이 요구되는 부품의 시작에도 적합합니다.
주형의 장점(저비용, 단납기, 복잡한 형상 대응)
주형의 주요 이점은 다음과 같습니다.
- 초기 비용이 싼
실리콘형을 이용하기 때문에 금형 제작비를 억제할 수 있습니다. 소량 프로토 타입의 장애물이 크게 떨어지기 때문에 부담없이 형상과 기능의 검증이 가능합니다.
- 개발 기간의 단축형
제작에서 성형까지의 리드 타임이 매우 짧아 설계 변경에도 신속하게 대응할 수 있습니다. 시행착오를 가속화하여 제품의 완성도 향상에 도움이 됩니다.
- 높은 형상 재현성과 품질
마스터 모델의 미세한 디테일을 충실하게 전사할 수 있어 지문 레벨의 패턴까지 재현할 수 있습니다. 3D 프린트품에 비해 강도가 높은 경향에 있어, 기능 시험에도 견딜 수 있는 품질의 시제품을 제작할 수 있습니다.
주형의 단점(재료 제한·양산 부적·치수 정밀도)
많은 이점이 있는 반면, 주형에는 다음과 같은 단점도 존재합니다.
- 재료 제한
주로 사용되는 재료는 열경화성 우레탄 수지와 에폭시 수지입니다. 사출 성형에 일반적으로 사용되는 ABS나 폴리프로필렌(PP)과 같은 열가소성 수지는 그대로는 사용할 수 없습니다. 물성이 양산품과 완전히 일치하지 않기 때문에 엄격한 강도 시험이나 내구성 평가에는 적합하지 않습니다.
- 대량 생산 비용 높은 생산성
실리콘 금형의 수명은 짧고 일반적으로 하나의 금형으로 20 샷 정도 밖에 성형 할 수 없습니다. 수백 개 이상의 생산이 되면, 형의 재작성이 발생해, 결과적으로 사출 성형보다 비용이 높아지는 경우도 있습니다. 또한 경화에 시간이 걸리기 때문에 하루에 생산 수가 제한됩니다.
- 치수 정밀도의 한계
유연한 실리콘형은 가열시에 약간 팽창·변형하는 경우가 있기 때문에 사출 성형용의 정밀한 금형만큼의 치수 정밀도는 기대할 수 없습니다. 공차가 엄격한 부품에서는 어디까지나 참고 치수로 파악하여 조립시의 조정을 전제로 할 필요가 있습니다.
주형에 적합한 재료와 형상
사용 가능한 수지
주형에서 주로 사용되는 것은, 2 개의 액체를 혼합해 화학 반응으로 경화시키는 「2액 혼합 타입」의 열경화성 수지입니다. 대표적인 재료는 다음과 같습니다.
- 우레탄 수지
가장 널리 사용되는 재료로 물성의 바리에이션이 풍부합니다. 경질 플라스틱에 가까운 것부터 고무와 같은 탄성을 가지는 것까지 있어, 「ABS 라이크」 「PP 라이크」 「엘라스토머 라이크」라고 하는, 양산 재료의 특성과 비슷한 그레이드가 다수 제공되고 있습니다.
- 에폭시 수지
높은 경도나 내약품성이 특징으로, 기계 부품의 시제품 등에 이용됩니다. 투명도가 뛰어난 그레이드도 있어, 렌즈나 라이트 커버 등 광학적인 평가 모델의 제작도 가능합니다.
- 실리콘 고무
유연성과 내열성이 뛰어나 의료기구의 모델 등에 활용됩니다.
적합한 모양과 크기 기준
주형에 적합한 형상이나 사이즈의 기준에 대해 정리합니다.
- 형상
실리콘형의 탄성을 살려, 사출 성형에서는 복잡한 형 구조가 필요한 언더컷 형상에도 비교적 용이하게 대응할 수 있습니다. 미세한 리브와 보스, 복잡한 곡면도 마스터 모델에 따라 충실하게 재현 가능합니다.
그러나, 극단적인 얇은 형상은 수지가 흐르지 않을 가능성이 있기 때문에, 사출 성형과 같은 두께 설계의 세올리를 지키는 것이 무난합니다.
- 사이즈
손바닥 사이즈의 소품부터, 자동차의 범퍼와 같은 수미터급의 대형 부품까지, 폭넓은 사이즈에 대응할 수 있습니다. 제조 사이즈는 공장의 설비(진공 챔버의 크기 등)에 의존하기 때문에, 대형 부품은 사전에 메이커에의 확인이 필요합니다.
주형의 종류
주형은 공정과 재료에 따라 다음과 같은 종류로 분류됩니다.
- 진공주형
가장 일반적인 방법으로 진공조 내에서 감압하면서 수지를 금형에 흘리는 방법입니다. 기포의 혼입을 최소화하여 정밀하고 고품질의 성형품을 얻을 수 있습니다.
- 중력주형(상압주형)
진공설비를 사용하지 않고 중력만으로 수지를 금형에 흘리는 방법입니다. 기포가 남기 쉽지만 단순한 형상이면 대응할 수 있습니다.
- 재료별 분류
사용하는 수지의 이름을 씌워서 「우레탄 주형」 「에폭시 주형」 「실리콘 고무 주형」등이라고 불리는 경우도 있습니다.
주형 가공 공정
진공 주형의 기본 가공 공정은 다음과 같습니다.
- 마스터 모델 제작
3D 프린터와 절삭 가공을 사용하여 제품의 마스터 모델을 제작합니다.
- 실리콘형의 작성
마스터 모델의 주위에 액상의 실리콘 고무 를 흘려 넣어 경화시켜, 마스터의 형상을 전사한 형을 만듭니다.
- 마스터 모델의 추출
경화한 실리콘 블록을 조심스럽게 잘라내고, 내부에서 마스터 모델을 꺼내면, 제품 형상의 중공부(캐비티)를 가지는 실리콘형의 완성입니다.
- 수지의 주입
완성된 실리콘형을 진공 주형기에 세트하고, 진공 환경하에서 2액 혼합의 수지를 캐비티에 흘려 넣습니다. 진공으로 하면, 구석구석까지 수지가 넘어, 기포가 없는 성형이 실현됩니다.
- 경화·탈형
수지를 주입한 형을 가열로(오븐)에 넣고, 완전하게 경화시킨 후, 실리콘형으로부터 성형품을 꺼내, 게이트 컷 등의 마무리를 실시해 완성입니다.
같은 실리콘형을 사용하면, 수지의 주입과 경화·탈형의 공정을 반복해, 필요한 개수의 제품을 복제할 수 있습니다.
다른 가공법과의 차이 | 사출 성형 · 절삭 · 3D 프린트와의 비교
주형과 사출 성형의 차이 | 비용, 정밀도, 양산성의 차이
주형과 사출 성형은 특유한 생산 수량과 비용 구조가 크게 다릅니다. 주요 차이점을 아래 표에 정리했습니다.
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비교 항목 |
주형 |
사출 성형 |
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적합한 수량 |
3 ~ 100 개 정도의 작은 로트 |
수백 ~ 수만 개 이상의 대량 생산 |
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초기 비용(형비) |
매우 낮은 (실리콘 타입) |
매우 높음(금형) |
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1 개당 비용 |
작은 로트에서는 저렴하지만, 양산이 되면 할인 |
대량 생산시 매우 저렴 |
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리드 타임 |
짧은(며칠~ 1주일 정도) |
긴(수주~수개월) |
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치수 정밀도 |
중간 정도(금형이 떨어진다) |
높은 |
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소재 |
열경화성 수지(우레탄 등)가 중심 |
열가소성 수지 전반이 사용 가능 |
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언더컷 대응 |
비교적 용이(형의 탄성을 이용) |
곤란(슬라이드 기구 등이 필요하고 비용 증가) |
주형은 실리콘형을 이용하기 때문에 초기 비용을 억제할 수 있어 소 로트 생산을 원활하게 시작할 수 있는 점이 강점입니다. 사출 성형은 고가의 금형을 필요로 합니다만, 일단 제작하면 저비용으로 고정밀 제품을 대량 생산할 수 있습니다. 수백 개 이상의 양산 단계라면 사출 성형이 유리합니다.
주형과 절삭 가공의 차이 | 프로토 타입 방향 중 하나
둘 다 프로토 타입에서 많이 사용되지만 재료 재현성과 모양 자유도에 차이가 있습니다. 주요 차이점은 다음과 같습니다.
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비교 항목 |
주형 |
절삭 가공 |
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재료·물성 |
양산품과는 다른 「라이크재」 |
양산품과 같은 재료로 제작 가능 |
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형상 자유도 |
높은(중공이나 복잡한 내부 구조도 일체 성형 가능) |
낮음(칼날이 닿는 범위로 제한됨) |
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적합한 수량 |
3-5 개 이상의 여러 개의 프로토타입 |
1 ~ 몇 개의 프로토 타입 |
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비용 구조 |
형을 만들면 2번째 이후는 저렴 |
1개당 비용은 거의 일정 |
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표면 품질 |
마스터 모델에 따라 부드러운 마무리 |
공구에 의한 절삭흔이 남을 수 있음 |
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적절한 평가 |
디자인, 형상, 정합성 확인 |
강도, 내구성 등 물성 평가를 포함한 시험 |
절삭 가공은 양산품과 정확히 같은 재료에서 깎아내기 때문에 강도나 내구성 등 실용 수준의 물성 평가에 적합합니다. 주형은, 일체 성형이 곤란한 복잡한 형상이나 중공 구조를 충실하게 재현할 수 있기 때문에, 디자인이나 끼워맞춤성의 검증에 빠뜨릴 수 없습니다. 특히 여러 개의 프로토 타입에서는 주형이 비용을 줄일 수 있습니다.
주형과 3D 프린트의 차이 | 속도 · 마무리의 차이
주형과 3D 프린트는 모두 프로토 타입 단계에서 활용되는 공법입니다. 주요 차이점을 아래에 정리했습니다.
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비교 항목 |
주형 |
3D 인쇄 |
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리드 타임(초회품) |
3D 프린트보다 시간이 걸린다 (마스터 모델과 타입 필요) |
가장 빠른(수시간~ 1일) |
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리드 타임(여러 개) |
형식으로 복제하기 때문에 총 시간이 짧아지는 경향 |
개수에 비례하여 시간이 걸리는 경향 |
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표면 품질 |
부드럽고 고품질 (마스터 모델 표면 전사) |
적층 흔적이 남아 후처리가 필요한 경우가 많다 |
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강도 |
비교적 높음(우레탄 수지 등) |
조형 방식이나 재료에 의존해, 일반적으로 주형품에 뒤떨어진다 |
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형상 자유도 |
마스터 모델에 의존 |
매우 높음 |
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비용(1개) |
3D 프린트보다 비싼 |
가장 저렴한 |
3D 프린트는 데이터로부터 직접 조형할 수 있으므로 개발 초기의 형상 확인에 최적입니다. 그러나 표면에는 특유의 적층 흔적이 남아 강도도 제한적입니다. 주형은 매끄럽고 아름다운 표면 마무리와 높은 강도를 가지 므로 최종 제품에 가까운 품질에서의 기능 평가나 고객 프레젠테이션에 적합합니다.
일본 최대급 제조업 마켓플레이스
주형 가공의 용도와 도입 판단의 포인트
소량 프로토 타입, 전시 샘플, 마케팅 부품으로 활용
주형은 다음과 같은 용도로 진가를 발휘합니다.
- 제품 개발 단계에서의 시제품
설계한 부품의 형상 확인, 감합(칸고)성의 검증, 조립성의 평가 등에 최적입니다. 전자기기의 케이스나 자동차의 인테리어 패널 등 수십개 정도의 프로토타입이 필요한 경우에 비용과 납기를 억제하면서 품질이 높은 모델을 제작할 수 있습니다. 타공법 에서는 사이즈나 형상에 따라서는 분할·접합의 제작이 되는 경우가 있습니다만, 주형에서는 일체 성형할 수 있어, 시제품의 평가·검증 에 활용하기 쉬운 점이 포인트입니다.
- 전시회・프레젠테이션용 샘플
고객에게 보여주기 위한 외관 모델이나 컨셉 모형을, 양산품에 가까운 보기 좋게 소수 제작하는데 편리합니다. 투명 수지를 사용하면 제품 내부의 구조를 보여주는 컷 모델도 만들 수 있습니다.
- 소량의 최종제품
생산수가 100개 이하로 예상되는 틈새 제품이나 커스텀품에서는 금형을 만들지 않고 주형품을 최종제품으로 판매하는 경우가 있습니다. 시장의 반응을 보고 수요가 확대되면 사출 성형으로 이행하는 유연한 전략도 가능합니다.
- 수리 부품 공급
생산이 종료되어 금형이 파기되어 버린 제품의 보수 부품을 소량만 제작할 때에도 활용됩니다. 금형을 재제작하는 비용을 들이지 않고 필요한 만큼 부품을 공급할 수 있기 때문에 비용 이점이 큰 수법입니다.
주형을 선택해야 할 케이스와 타공법으로의 전환 타이밍
설계자가 주형을 선택해야 하는지 판단하기 위한 포인트는 다음과 같습니다.
- 필요 수량 3 개 ~100개 정도의 범위가, 주형의 자랑으로 하는 영역입니다. 특히 3~5개 이상의 동일한 부품이 필요한 경우 절삭이나 3D 프린트보다 비용 효율이 좋아지는 경향이 있습니다.
- 형상의 복잡성
절삭에서는 분할이 필요한 복잡한 형상이나, 3D 프린트에서는 서포트재의 제거가 곤란한 형상의 경우, 일체 성형할 수 있는 주형을 추천합니다.
- 평가 목적
외관, 디자인, 조작감, 감합성의 확인이 주된 목적이면, 주형품으로 충분한 평가가 가능합니다. 한편, 고부하의 내구 시험이나 엄격한 물성 평가가 필요한 경우는, 재료가 다른 주형품은 적합하지 않습니다. 절삭 가공이나 간이 금형에 의한 사출 성형을 검토합시다.
양산으로의 전환 타이밍은 생산 계획과 비용 분기점이 기준입니다. 처음 로트에서 수백 개 이상의 생산이 필요한 경우, 처음부터 사출 성형용 금형을 제작하는 것이 합리적입니다. 수요 예측이 불확실한 제품에서는 우선 주형으로 시장에 투입하고 수주 상황을 보면서 금형에 대한 투자를 판단하는 전략이 요구된다.
주형 가공의 주의점과 설계·제작의 포인트
양산화를 고려한 형상 설계의 주의
주형으로 프로토타입을 실시해도, 장래의 사출 성형 양산을 시야에 넣는다면, 설계 단계에서 이하에 주의해 주세요.
- 언더컷 형상
주형에서는 「무리 제거」할 수 있는 언더컷도, 양산 금형에서는 슬라이드 기구가 필요하게 되어, 금형 코스트를 밀어 올립니다. 프로토타입 단계부터 언더컷을 피하는 설계(형상 분할이나 변경)를 유의하여 미래의 비용 절감으로 연결해 주십시오.
- 드로우 그라디언트
사출 성형은 제품을 부드럽게 몰드에서 빼내기 위해 수직 벽면에 여러 번 기울기 (빼기 그라디언트)가 필요합니다. 주형에서는 빼기 경사가 없어도 성형할 수 버리기 때문에, 마스터 모델의 설계 시점부터 의식적으로 빼기 경사를 붙여 둡시다.
주형 특유의 형상에 안심하지 않고, 양산시의 제약을 전제로 설계해 주세요.
주형품과 양산품으로 물성이 다른 것에 대한 배려
주형품과 양산품에서는 사용하는 수지의 종류가 다릅니다. 물성차를 이해하지 않고 평가를 하면 심각한 문제를 놓칠 수 있습니다.
- 평가 항목의 분리
주형품으로의 평가는, 형상이나 디자인, 사용성 등에 한정해야 합니다. 강도, 강성, 내열성, 크리프 특성, 내후성 등의 기계적・물리적인 성능 평가는, 양산품과 같은 재료로 만든 시제품(절삭품 등)으로 실시하는 것이 기본입니다.
- 경년 변화
우레탄 수지는 자외선으로 황변하기 쉽고, 고온 환경하에서의 내구성도 사출 성형품에 뒤떨어지는 경우가 있습니다. 주형품을 이용한 장기간의 실증 시험에서는, 재료의 열화가 평가 결과에 영향을 미칠 가능성을 고려해야 한다.
성형품의 내구성
주형품은 어디까지나 단기 사용을 전제로 한 프로토 타입입니다. 기계적인 내구성이 요구되는 부품에서는 한계를 이해해 둡시다.
- 인성(비틀림 강도)
주형으로 사용되는 열경화성 수지는 일반적으로 사출 성형품에 비해 인성이 낮고, 충격에 대해 깨지기 쉬운 경향이 있습니다.
- 크리프 변형
클립이나 스프링과 같이 반복 응력이 가해지는 부품이나 나사로 강하게 체결되는 부품에서는 장시간의 부하에 의해 변형해 버리는 (크리프) 가능성이 있습니다.
상기와 같은 내구성이 요구되는 용도에서는, 프로토타입 단계에서도 주형품의 채용은 피해, 양산 재료로 제작한 프로토 타입으로 평가를 실시해야 합니다.
정확도, 마무리 레벨
주형품의 정밀도나 마무리 레벨도, 설계・제작시에 주의해야 할 포인트입니다.
- 치수 정밀도
주형품의 치수 공차는 사출 성형품만큼 엄격하지 않습니다. 부품 크기에 따라 다르지만 ±0.2~0.3mm 정도의 오차는 발생할 수 있다고 생각해야 합니다. 조립 부품을 설계할 때는 오차를 예상하여 클리어런스(틈)를 충분히 확보해 주십시오.
- 마무리 레벨
주형 제품의 표면 품질은 마스터 모델의 마무리에 완전히 의존합니다. 아름다운 모습이 요구되는 경우, 마스터 모델의 단계에서 적층 흔적이나 절삭 흔적을 퍼티 매립이나 연마로 완전히 제거하고 부드러운 상태로 둡시다. 마스터에게 굳이 배 등의 텍스처를 베풀면 전사할 수 있습니다.
주형 가공의 의뢰는 「meviy 마켓 플레이스」에
메비 마켓 플레이스는 주형에서의 제작에 대응
주형 에 의한 부품 제작 에는 꼭 메비 마켓 플레이스 를 활용해 주십시오.
메비 마켓플레이스 는 제조 파트너로부터 모든 기계 가공 부품을 준비할 수 있는 일본 최대급의 제조업 마켓플레이스입니다. 미스미의 ID 가 있으면 신규 계좌 개설 없이 가공 부품을 준비할 수 있습니다.
주형 가공에서는, 마무리 레벨 의 마무리가 품질의 결정수가 됩니다. 메비 마켓플레이스 의 주형 서비스 에서는 채팅 기능을 사용하여 제조 파트너에게 마무리 레벨을 깔끔하게 맞출 수 있습니다.
제작 사례
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PC용 마우스 | |
| 재질 | 경질 우레탄( ABS 라이크) | |
| 수량 | 20 개 | |
| 사이즈 | X95*Y65*Z40 mm | |
| 공정 | 마스터는 광조형, 마무리 레벨 “광택” | |
| 단가 | 7,800 엔 / 개(실리콘형비 포함) | |
| 배송일 | 7 일째 | |
요약
주형은, 마스터 모델로부터 작성한 실리콘형에 수지를 흘려 넣어, 저비용·단납기로 수지 부품을 복제하는 가공법입니다. 특히 3~100개 정도의 소량 생산에 최적이며 개발 프로토타입이나 샘플 제작으로 효과를 발휘합니다.
사출 성형과는 비용 구조와 뛰어난 생산 수량이 완전히 다르고, 절삭 가공이나 3D 프린트와는 재료 특성이나 품질면에서 보완 관계에 있습니다. 평가 목적이나 필요한 수량에 따라 이러한 공법을 적절히 구분하면 효율적인 제품 개발을 실현할 수 있을 것이다.
설계자는 주형의 장점을 최대한 활용하는 한편, 양산화를 바라본 설계(언더컷이나 빼기 구배에의 배려)나 양산품과의 물성의 차이를 항상 의식할 필요가 있습니다. 이 기사를 참고할 때 주의해야 할 점을 살펴보면, 주형은 제품 개발에 있어서 강력한 툴이 될 것입니다.
일본 최대급 제조업 마켓플레이스
