주조의 정의, 가공 방법, 구조·특성에서 사출 성형과의 차이까지 해설

주조는 틀에 액체 수지를 부어 굳힌 뒤 제품을 복제하는 방법입니다. 고가의 금형을 사용하지 않고도 신속하고 낮은 비용으로 고품질의 수지 부품을 제조할 수 있어 많은 설계자에게 선택받고 있습니다. 예를 들어, 개발 중인 가전제품의 케이스, 자동차 내장 부품, 의료기기의 컨셉 모델 등 소량의 수지 부품 제작에 적합한 공법입니다.

이번 내용은 설계자를 대상으로, 주조의 원리와 장·단점, 사출 성형·3D 프린트와의 차이점을 설명합니다.

주조의 정의

주조란 실리콘 등으로 만든 간이 틀에 액체 수지를 부어 굳힌 뒤 제품을 복제하는 가공 방법입니다. 주로 시제품이나 소량 생산에 사용됩니다.

기본적인 절차는 다음과 같습니다.

• 마스터 모델(원형) 제작
• 마스터 모델의 형상을 정밀하게 전사한 실리콘 몰드 제작
• 실리콘 몰드 내부(캐비티)에 수지를 주입하고 경화

진공 상태에서 작업하면 기포 혼입을 방지하고, 미세한 형태까지도 충실히 재현할 수 있습니다.

금속 금형이 필요 없기 때문에 초기 비용을 절감하고 리드 타임도 단축할 수 있습니다.

주조의 특징과 장점・단점

주조의 특징

주조는 마스터 모델을 전사한 실리콘 몰드로, 수지 제품을 소량 생산하는 공법입니다. 금속을 절삭해 제작하는 고강성 금형과는 달리, 탄성이 있는 실리콘을 금형 재료로 사용한다는 점이 가장 큰 특징입니다.

금형의 탄성에 따라, 금형에서는 슬라이드 메커니즘 등 복잡한 구조를 추가하지 않으면 성형이 불가능한 언더컷 형상(돌출부나 움푹 들어간 부분)도, 금형 자체를 변형시켜 제품을 꺼내는 억지로 빼내는 방식으로 대응할 수 있습니다. 따라서 복잡한 디자인이나 일체 성형이 요구되는 부품의 시제품 제작에도 적합합니다.

주조의 장점

주형의 주요 점은 다음과 같습니다.

• 초기 비용이 싼
  실리콘 몰드를 사용하기 때문에 금형 제작 비용을 절감할 수 있습니다. 소량 시제품 제작의 장벽이 크게 낮아져, 부담 없이 형태와 기능을 검증할 수 있습니다.

• 개발 기간의 단축
  금형 제작부터 성형까지 소요 시간이 매우 짧아 설계 변경에도 신속히 대응할 수 있습니다. 시행착오를 가속화할 수 있어 제품 완성도 향상에 도움이 됩니다.

• 높은 형상 재현성과 품질
  마스터 모델의 섬세한 디테일을 충실히 전사할 수 있어 지문 수준의 무늬까지 재현할 수 있습니다. 3D 프린트 제품에 비해 강도가 높은 편이며, 기능 시험에도 견딜 수 있는 품질의 시제품을 제작할 수 있습니다.
  

주조의 단점

많은 장점이 있는 반면, 주조에는 다음과 같은 단점도 존재합니다. 

• 재료 제한
  주로 사용되는 재료는 열경화성 우레탄 수지와 에폭시 수지입니다. 사출 성형에 일반적으로 사용되는 ABS나 폴리프로필렌(PP) 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 몰드의 수명은 짧아 일반적으로 하나의 몰드로 약 20회 정도만 성형할 수 있습니다. 수백 개 이상을 생산하게 되면 금형을 다시 만들어야 하는 경우가 생기고, 결과적으로 사출 성형보다 비용이 더 많이 들 수도 있습니다. 또한 경화에 시간이 오래 걸리기 때문에 하루 생산량도 제한됩니다.

• 치수 정밀도의 한계
  유연한 실리콘 몰드는 가열 시 약간 팽창·변형될 수 있어, 사출 성형용 정밀 금형만큼의 치수 정밀도는 기대하기 어렵습니다. 공차가 엄격한 부품에서는 이를 참고 치수로만 보고, 조립 시 조정을 전제로 해야 합니다.

주조에 적합한 재료와 형상

사용 가능한 수지

주조에 주로 사용되는 것은 두 가지 액체를 혼합해 화학 반응으로 경화시키는 「이액 혼합 타입」의 열경화성 수지입니다. 대표적인 재료는 아래에 제시합니다.

• 우레탄 수지
  가장 널리 사용되는 재료로, 물성의 변형이 풍부합니다. 경질 플라스틱에 가까운 것부터 고무와 같은 탄성을 가진 것까지 다양하며, 「ABS 라이크」, 「PP 라이크」, 「엘라스토머 라이크」 등 양산 재료의 특성을 흉내 낸 등급이 다수 제공됩니다.

• 에폭시 수지
  높은 경도와 내약품성이 특징이며, 기계 부품 시제품 제작 등에 사용됩니다. 투명도가 뛰어난 등급도 있어 렌즈나 라이트 커버와 같은 광학적 평가 모델 제작도 가능합니다.

• 실리콘 고무
  유연성과 내열성이 뛰어나 의료 기구 모델 등에 활용됩니다.

적합한 형태와 크기 기준

주에 적합한 형태와 크기의 기준을 정리합니다.

• 형상
  실리콘 금형의 탄성을 활용해 사출 성형 시 복잡한 금형 구조가 필요한 언더컷 형태에도 비교적 쉽게 대응할 수 있습니다. 섬세한 리브와 보스, 복잡한 곡면도 마스터 모델에 따라 충실히 재현할 수 있습니다.
  다만, 극단적인 얇은 형태는 수지가 완전히 흐르지 않을 가능성이 있으므로, 사출 성형과 동일한 두께 설계 원칙을 지키는 것이 안전합니다.

• 사이즈
  손바닥 크기의 소품부터 자동차 범퍼처럼 수미터 급의 대형 부품까지, 다양한 크기에 대응할 수 있습니다. 제조 크기는 공장 설비(진공 챔버 크기 등)에 따라 달라지므로, 대형 부품은 사전에 제조사에 확인해야 합니다.

주조의 종류

주조는 제조 과정과 재료에 따라 다음과 같은 종류로 구분됩니다.

• 진공 주조
  가장 일반적인 방법으로, 진공 용조 안에서 감압하면서 수지를 틀에 부어 넣는 방식입니다. 기포가 섞이는 것을 최소화해 정밀하고 고품질의 성형품을 얻을 수 있습니다.

• 중력 주조(상압 주조)
  진공 설비를 사용하지 않고, 중력만으로 수지를 틀에 부어 넣는 방법입니다. 기포가 남기 쉬운 제품이지만, 단순한 형태라면 대응할 수 있습니다.

• 재료별 분류
  사용되는 수지의 이름을 따서 「우레탄 주조」, 「에폭시 주조」, 「실리콘 고무 주조」 등으로 부르기도 합니다.
  

주조 가공 공정

진공 주조의 기본 가공 과정은 다음과 같습니다.

1. 마스터 모델 제작
   3D 프린터와 절삭 가공을 이용해 제품의 마스터 모델을 제작합니다.
   
   
2. 실리콘형의 작성
   마스터 주변에 액상 실리콘을 붓고 경화시켜, 마스터 형상을 복제한 실리콘 몰드를 만듭니다.
   
3. 마스터 모델의 추출
   경화된 실리콘 블록을 조심히 자르고 그 안에서 마스터 모델을 꺼내면, 제품 형태의 중공부(캐비티)를 가진 실리콘 몰드가 완성됩니다.
   
4. 수지의 주입
   완성된 실리콘 몰드를 진공 사출기에 넣고, 진공 상태에서 2액 혼합 수지를 캐비티에 주입합니다. 진공 상태로 만들면 구석구석까지 수지가 스며들어 기포 없는 성형이 가능합니다.
   
5. 경화·탈형
   수지를 주입한 금형을 가열로(오븐)에 넣어 완전히 경화시킨 뒤, 실리콘 금형에서 성형품을 꺼내 게이트 컷 등 마무리를 하여 완성합니다.
   
   

같은 실리콘 몰드를 사용하면, 수지 주입과 경화·탈형 과정을 반복하여 필요한 수량만큼 제품을 복제할 수 있습니다.

다른 가공법과의 차이

주조와 ​​사출 성형의 차이 

주조와 사출 성형은, 강점으로 하는 생산량과 비용 구조가 크게 다릅니다. 주요 차이점을 아래 표에 정리했습니다.

주형은 실리콘 몰드를 사용해 초기 비용을 절감할 수 있으며, 소량 생산을 원활히 시작할 수 있다는 점이 강점입니다. 사출 성형은 고가의 금형이 필요하지만, 한 번 제작하면 저비용으로 고정밀 제품을 대량 생산할 수 있습니다. 수백 개 이상의 대량 생산 단계라면 사출 성형이 더 유리합니다.

주조와 ​​절삭 가공의 차이 

모두 시제품으로 많이 사용되지만, 재료의 재현성 및 형태 자유도에 차이가 있습니다. 주요 차이점은 다음과 같습니다.

절삭 가공은 양산품과 전혀 동일한 재료를 깎아내기 때문에 강도와 내구성 등 실용 수준의 물성 평가에 적합합니다. 주형은 일체 성형이 어려운 복잡한 형태나 중공 구조를 충실히 재현할 수 있어 디자인 및 결합성 검증에 필수적입니다. 특히 여러 개를 시제품으로 만들 때는 주입 성형이 비용을 절감할 수 있습니다.

주조와 ​​3D 프린트의 차이

주조와 ​​3D 프린트는 모두 프로토 타입 단계에서 활용되는 공법입니다. 주요 차이점을 아래에 정리했습니다.

3D 프린트는 데이터를 직접 출력할 수 있어 개발 초기 형태 확인에 최적입니다. 다만, 표면에 특유의 적층 자국이 남아 강도도 제한적입니다. 주조는 매끄럽고 아름다운 표면 마감과 높은 강도를 가지고 있어, 최종 제품에 가까운 품질의 기능 평가나 고객 프레젠테이션에 적합합니다.

주조 가공의 용도와 도입 판단의 포인트

소량 시제품, 전시 샘플, 마케팅 부품으로 활용 

주조는 다음과 같은 용도로 진가를 발휘합니다. 

• 제품 개발 단계에서의 시제품
  ​​설계한 부품의 형상 확인, 맞물림성 검증, 조립성 평가 등에 최적입니다. 전자기기의 케이스나 자동차 실내 패널 등 수십 개 정도의 시제품이 필요할 경우, 비용과 납기를 절감하면서도 품질 높은 모델을 제작할 수 있습니다. 다른 공법에서는 크기나 형태에 따라 분할·접합 제작이 필요할 수 있지만, 주입 성형은 일체 성형이 가능해 시제품의 평가·검증에 활용하기 쉽다는 점이 핵심입니다.

• 전시회・프레젠테이션용 샘플
  고객에게 보여줄 외관 모델이나 컨셉 목업을 양산품에 가까운 외관으로 소량 제작할 때 편리합니다. 투명 수지를 사용하면 제품 내부 구조를 보여주는 컷 모델도 만들 수 있습니다.

• 소량의 최종제품
  생산 수량이 100개 이하로 예상되는 틈새시장 제품이나 커스텀 제품에서는 금형을 만들지 않고 주조품을 최종 제품으로 판매하는 경우가 있습니다. 시장의 반응을 살펴 수요가 확대되면 사출 성형으로 전환하는 유연한 전략도 가능합니다.

• 수리 부품 공급
  생산이 종료되어 금형이 폐기된 제품의 보수 부품을 소량만 제작할 때에도 활용됩니다. 금형을 재제작하는 비용을 들이지 않고 필요한 만큼 부품을 공급할 수 있어 비용 효율이 큰 방법입니다.
  

주조를 선택해야 할 경우와 다른 공법으로 전환할 시점

설계자가 주조를 선택해야 하는지 판단하기 위한 포인트는 다음과 같습니다. 

• 필요 수량
  3개에서 100개 정도가 주입 성형이 강점인 분야입니다. 특히 3~5개 이상의 동일 부품이 필요할 경우, 절삭이나 3D 프린트보다 비용 효율이 높아지는 경향이 있습니다.

• 형상의 복잡성
  절삭에서는 분할이 필요한 복잡한 형상이나, 3D 프린트에서 서포트 재료 제거가 어려운 경우, 일체 성형이 가능한 주입 성형을 권장합니다.

• 평가 목적
  외관, 디자인, 조작감, 결합성 확인이 주요 목적이라면, 주입 주조품만으로도 충분히 평가할 수 있습니다. 반면, 고부하 내구 시험이나 정밀한 물성 평가가 필요한 경우에는 재료가 다른 주조품이 부적합합니다. 절삭 가공이나 간이 금형을 이용한 사출 성형을 검토해 보자.

양산으로 전환하는 시점은 생산 계획과 비용 분기점을 기준으로 합니다. 첫 번째 로트부터 수백 개 이상의 생산이 필요할 경우, 처음부터 사출 성형용 금형을 제작하는 것이 합리적입니다. 수요 예측이 불확실한 제품은 먼저 주로 시장에 투입하고, 주문 상황을 보면서 금형에 대한 투자를 판단하는 전략이 필요합니다.

주조 가공의 주의점과 설계·제작의 포인트 

양산화를 대비한 형태 설계 시 주의사항 

주조로 시제품을 만들 경우에도, 향후 사출 성형 대량 생산을 고려한다면 설계 단계에서 다음 사항을 유의해 주세요.

• 언더컷 형상
  주형에서는 무리하게 빼는 것이 가능한 언더컷도, 양산 금형에서는 슬라이드 메커니즘이 필요해 금형 비용을 높입니다. 시제품 단계부터 언더컷을 피하는 설계(형상의 분할 및 변경)를 신경 써서, 향후 비용 절감에 연결해 주세요.

• 탈형 경사각
  사출 성형에서는 제품을 금형에서 부드럽게 뽑아내기 위해 수직 벽면에 몇 차례의 기울기(뽑아내는 경사)가 필요합니다. 주조에서는 절삭 경사가 없어도 성형이 가능하므로, 마스터 모델 설계 단계부터 의도적으로 절삭 경사를 적용해 두자.

주조 고유의 형태에 안심하지 말고, 양산 시의 제약을 전제로 설계해 주세요. 

주품과 양산품의 물성이 다른 것에 대한 배려 

주조품과 양산품은 사용되는 수지 종류가 다릅니다. 물성 차이를 이해하지 못한 채 평가하면 심각한 문제를 놓칠 수 있습니다.

• 평가 항목의 분리
  주조품에 대한 평가는 형태·디자인·사용 편의성 등으로 한정해야 합니다. 강도·강성·내열성·크리프 특성·내후성 등 기계적·물리적 성능 평가는 양산품과 동일한 재료로 만든 시제품(절삭품 등)으로 수행하는 것이 기본입니다.

• 경년 변화
  우레탄 수지는 자외선에 의해 황변하기 쉬우며, 고온 환경에서의 내구성도 사출 성형품에 비해 떨어질 수 있습니다. 주형품을 이용한 장기 실증 시험에서는 재료의 열화가 평가 결과에 영향을 미칠 가능성을 고려해야 합니다.

성형품의 내구성 

주조품은 단기 사용을 전제로 한 프로토 타입입니다. 기계적인 내구성이 요구되는 부품에서는 그 한계를 이해해 두자.

• 인성(비틀림 강도)
  주조에 사용되는 열경화성 수지는 일반적으로 사출 성형품에 비해 인성이 낮아 충격에 쉽게 파손되는 경향이 있습니다.

• 크리프 변형
  클립이나 스프링처럼 반복적인 응력이 가해지는 부품이나, 나사로 강하게 체결되는 부품은 장시간 하중에 의해 변형될 가능성이 있습니다.

위와 같이 내구성이 요구되는 용도에서는 시제품 단계라도 주조품을 사용하지 말고, 양산 재료로 만든 시제품으로 평가해야 합니다.

정확도, 마감 레벨 

주조품의 정밀도와 마감 수준도 설계·제작 시 주의해야 할 포인트입니다. 

• 치수 정밀도
  주조품의 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 고려해 여유 공간(틈새)을 충분히 확보해 주세요.

• 마감 레벨
  주조품의 표면 품질은 마스터 모델의 마감 상태에 완전히 의존합니다. 외관 품질이 중요한 경우, 마스터 모델 단계에서 적층 흔적이나 절삭 흔적을 퍼티 처리 및 연마로 완전히 제거하여 매끄러운 상태로 만들어 두어야 합니다. 마스터에 의도적으로 샌드 텍스처를 적용하면 해당 텍스처를 전사할 수 있습니다.

정리 

주조는 마스터 모델에서 만든 실리콘 몰드에 수지를 부어, 저비용·단기간에 수지 부품을 복제하는 가공 방법입니다. 특히 3~100개 정도의 소량 생산에 최적이며, 개발 시제품이나 샘플 제작에서 효과를 발휘합니다.

사출 성형은 비용 구조와 생산량이 전혀 다르며, 절삭 가공이나 3D 프린트와는 재료 특성 및 품질 면에서 보완 관계에 있습니다. 평가 목적이나 필요 수량에 따라 이러한 공법을 적절히 구분해서 사용하면 효율적인 제품 개발이 가능할 것입니다.

설계자는 주조의 장점을 최대한 활용하는 한편, 양산을 염두에 둔 설계(언더컷 및 절삭 경사에 대한 배려)와 양산품과의 물성 차이를 항상 인식해야 합니다. 이 글을 참고해 주의할 점을 파악한다면, 주입 성형은 제품 개발에 강력한 도구가 될 것입니다.