플라스틱이라고도 불리는 수지 제품은 가볍고 튼튼하며 대량 생산이 용이해 일상용품, 전자기기, 기계 커버 등 다양한 분야에서 사용됩니다. 이번에는 수지 제품을 만드는 방법 중 흔히 사용되는 사출 성형에 대해 소개합니다.
목차
사출 성형의 정의
사출성형이란, 가열해 녹인 재료를 정밀한 금형 안에 고압으로 주입하고 냉각·경화시켜 복잡한 형태의 제품을 고속으로 대량 생산하는 공법입니다.
일반적인 방법은 ABS 수지나 폴리프로필렌 등을 이용한 플라스틱 사출 성형이며, 기본 원리는 금속 분말을 이용한 MIM(금속 분말 사출 성형)이나 세라믹 분말을 이용한 CIM(세라믹 사출 성형)에도 적용됩니다. 한 번 금형을 제작하면 동일한 품질의 제품을 저렴하게 재현할 수 있다는 점이 특징입니다.
사출 성형의 기본 공정
사출 성형은 소재를 불문하고, 이하의 4 공정으로 진행합니다.
- 가소화: 펠릿 형태의 재료를 가열 실린더에서 녹여 가소화한다
- 사출·충전 : 가소화된 재료를 닫힌 금형 안에 고압으로 사출·충전한다
- 냉각·경화: 금형 내부에서 재료를 냉각시켜 정해진 형태로 경화시킨다
- 탈형: 금형을 열어 성형품을 꺼낸다
이 사이클을 빠르게 반복함으로써 대량 생산을 가능하게 합니다. 금속(MIM)이나 세라믹(CIM)의 경우, 이후 추가적인 탈지와 소결이라는 후공정이 필요합니다.
사출 성형의 장점과 단점
우수한 공법인 사출 성형을 활용하려면 장점과 단점을 이해하고 있어야 합니다.
- 장점
〇 복잡한 형상의 양산성: 정밀 금형 사용으로 높은 치수 정밀도로 대량 생산 가능
〇 비용 효율성: 한 번 금형을 제작하면 이후 제품 단가를 낮게 유지할 수 있어 양산 시 비용 효율이 높다
〇 마감 공정 감소: 매끄러운 표면을 얻을 수 있어 마감 작업이 적게 든다 - 단점
〇 고액 초기 투자: 금형 제작에 막대한 비용과 기간이 소요된다
〇 설계 변경의 어려움: 금형 완성 후 대규모 설계 변경은 어려움
사출 성형 조건
온도
사출 성형에서의 온도는 재료를 적절히 용융시켜 제품 품질을 안정시키기 위한 기본적인 조건입니다.
- 실린더 온도
〇 수지를 녹이기 위한 히터 온도
〇 일반적으로 200~300℃ 정도이며, 재료에 따라 적절한 온도는 다르다
〇 너무 낮으면 미용융으로 인한 충전 부족, 너무 높으면 수지의 열분해를 일으킨다 - 금형 온도(15℃~90℃)
〇 성형품의 냉각 속도를 제어하여 외관 및 치수 정밀도에 영향을 미친다
〇 결정성 수지는 온도가 결정화 정도를 좌우하므로, 기계적 특성을 결정한다 - 노즐 온도
〇 실린더에서 금형으로 들어가는 주입구의 온도
〇 재료의 실 끌림 및 콧물 현상(드롤링) 방지를 위해 실린더 온도보다 약간 낮게 설정한다.
압력
사출 성형에서 압력은 용융된 재료를 금형 구석구석까지 전달하여 정밀한 형상을 구현하기 위한 중요한 조건입니다.
- 사출 압력(1차 압력)
〇 용융 수지를 금형 캐비티 내부에 충전하기 위한 압력
〇 일반적으로 50~200MPa 정도가 기준
〇 낮으면 쇼트샷이나 용접 불량, 높으면 버리와 형판 파손의 원인이 된다
〇 제품 형태와 수지 특성에 맞는 적정 압력 설정이 중요 - 보압력(2차 압력)
〇 수지의 수축을 보완하기 위해, 충전 후 게이트가 굳을 때까지 가하는 압력
〇 발사 압력을 50~80% 정도로 설정해 틈새와 보이드 방지에 효과가 있다
〇 필요 이상으로 높은 압력 유지가 과충전이나 내부 응력의 원인이 된다
- 등압
〇 스크류 후퇴 시 가해지는 압력
〇 수지의 혼합성을 높여 공기와 수분을 제거한다
〇 적절한 등압 설정으로 균일한 용융 상태를 얻을 수 있다
〇 너무 높으면 온도 상승과 유리 섬유의 열화를 초래한다
시간
사출 성형에서 시간은 제품 품질과 생산성 모두에 직결되는 조건입니다.
- 사출 시간
〇 수지를 금형에 충전하는 데 걸리는 시간
〇 사출 속도 및 제품 형상에 따라 변동됨
〇 너무 짧으면 가스 혼입, 너무 길면 충전 부족의 원인이 됨
- 보압 시간
〇 게이트가 고화될 때까지 보압을 유지하는 시간으로, 일반적으로 5~30초 정도로 설정
〇 보압 시간이 너무 길면 사이클 타임 증가로 이어짐
- 냉각 시간
〇 제품을 취출할 수 있을 정도로 충분히 고화되는 시간
〇 제품 두께, 수지 종류, 금형 온도에 따라 달라짐
〇 냉각 부족 시 변형 및 파손(깨짐) 발생의 원인이 됨
- 사이클 시간
○ 1샷(1사이클)에 소요되는 전체 시간
○ 사출, 보압, 냉각 외에 금형 개폐, 제품 취출 시간 등을 포함
〇 단축하면 생산성이 향상되지만, 부적절한 시간 설정은 불량 발생을 초래함
속도
사출 성형에서 속도 제어는 제품의 외관 품질과 내부 구조에 큰 영향을 미칩니다.
- 사출 속도
○ 스크류 전진 속도
〇 수지 충전 패턴 및 제품 외관·강도에 영향을 줌
〇 속도가 빠르면 공기 혼입 및 번(burn mark) 발생, 느리면 쇼트샷(충전 부족)의 원인이 됨
〇 제품 형상에 맞춘 다단 사출 속도 프로파일 설정이 요구됨
- 스크류 회전수
〇 수지 가소화 능력에 영향을 주며, 일반적으로 50~120 rpm 정도가 기준
〇 회전이 느리면 가소화 부족, 빠르면 전단열 발생 및 유리섬유 열화(손상)를 유발함
기타
온도·압력·속도 외에도 사출 성형 품질을 좌우하는 중요한 조건이 있습니다.
- 형체력(클램프력)
〇 사출 시 금형을 닫아 유지하기 위한 힘
〇 부족하면 플래시(버리) 발생 원인이 되고, 과도하면 금형 변형 및 에어벤트(가스 배출 홈) 압궤 우려가 있음
〇 제품의 투영 면적과 사출 압력을 기준으로 적정 톤수 설정이 중요함
- 계량 스트로크
〇 스크류 후퇴 거리로, 1샷당 수지 투입량을 결정함
〇 기준으로 스크류 직경의 약 1D 전후가 이상적
〇 과도한 계량은 수지 체류(데드 레진) 발생, 부족하면 사출 안정성에 악영향을 줌 - 에어 벤트 (가스 배출)
〇 금형 내 공기 및 가스를 배출하는 통로로, 충전 불량 및 번(burn) 발생을 방지하는 역할
〇 파팅 라인 등에 두께 0.02mm 이하의 홈을 가공하여 공기 배출 경로를 확보함
〇 벤트가 불충분하면 쇼트샷 및 웰드라인 불량의 원인이 됨
사출 성형이 사용되는 재료
열가소성 수지
가열하면 녹아 부드러워지고, 냉각하면 굳는 특성을 가진 수지입니다. 다시 가열하면 녹아 재활용성이 뛰어납니다.
- 공정
재료(펠릿)를 가열 실린더에서 녹인 뒤 금형에 사출해 냉각·경화시키는 간단한 공정입니다.
- 용도·장점
가전제품 케이스, 자동차 실내 부품, 식품 용기, 잡화 등 모든 분야에서 활용되고 있습니다. 가격이 저렴하고 성형 주기가 빨라 대량 생산에 최적입니다.
- 주의점
내열성 및 기계적 강도는 뒤에서 언급할 다른 재료에 비해 떨어집니다. 수지마다 흡습성·내약품성 등 특성이 크게 다르기 때문에, 사용 환경에 맞는 재료 선택이 중요합니다.
【대표적인 열가소성 수지】
- ABS 수지
〇 강성, 내충격성, 가공성의 균형이 우수한 소재
〇 우수한 광택을 활용하여 가전 제품 외장, 잡화 등에 널리 사용됨
〇 도장 및 도금이 용이하나, 내약품성은 주의가 필요함 - 폴리에틸렌
〇 가볍고 유연하며 저렴한 범용 수지
〇 내약품성이 우수하고, 폴리탱크·포장 필름 등 밀도에 따라 용도가 다양함
〇 내열성이 낮고 접착 및 도장은 어려움 - 폴리프로필렌
〇 플라스틱 중 가장 경량인 소재
〇 내약품성이 우수하고 반복 굽힘에 강한 힌지 특성을 가짐
〇 자동차 부품, 식품 용기, 의료 기기 등에 사용되나 도장 및 접착은 어려움
- 폴리스티렌
〇 높은 투명성, 강성, 우수한 치수 안정성이 특징인 저가 수지
〇 CD 케이스, 식품 트레이 등에 사용됨
〇 충격에 매우 약하고 취성이 커 낙하 충격이 있는 제품에는 부적합 - 폴리아미드, 나일론
〇 「나일론」으로 알려진 고기계적 강도 및 내마모성을 가진 소재
〇 자가 윤활 특성으로 기어 등 슬라이딩 부품에 적합
〇 흡습에 의해 치수 및 강도가 변하기 쉬워 설계 시 고려가 필요함 - 폴리카보네이트
〇 플라스틱 중 최고 수준의 내충격성을 가지며 투명성·내열성도 우수함
〇 안전성이 요구되는 헬멧, 스마트폰 하우징 등에 사용됨
〇 약품에 의한 응력 균열 및 표면 스크래치가 발생하기 쉬운 점이 과제 - 아크릴
〇 유리를 능가하는 투명성과 우수한 내후성이 특징
〇 야외에서도 열화가 적어 자동차 테일램프, 간판 등에 사용됨
〇 충격에 약하고 취성이 있으며, 알코올 등 약품에 의해 크랙이 발생할 수 있어 주의 - 기타 고기능 수지(엔지니어링 플라스틱 등)
〇 고성능을 가진 엔지니어링 플라스틱
〇 내마모성이 우수한 POM, 고내열·고내약품성의 PEEK 등
〇 정밀 기계 부품, 항공·우주 분야에서 금속 대체 소재로도 활용됨
열경화성 수지
초기 가열 시 화학 반응(가교 반응)을 일으켜 경화되며, 재가열해도 녹지 않는 수지입니다.
- 공정
금형 내부에서 재료를 가열하고 화학 반응으로 경화시킵니다. 한 번 경화되면 원래 상태로 돌아가지 않기 때문에 성형 사이클이 열가소성 수지보다 길어집니다.
- 용도·장점
높은 내열성, 기계적 강도, 전기 절연성을 가지고 있어 자동차 엔진 주변 부품이나 고전압을 다루는 전기 부품, 식기 등에 사용되는 수지입니다.
- 주의점
재활용이 어려운 점에 유의하자. 또한 경화에 시간이 오래 걸리기 때문에 생산성이 떨어집니다. 단단하면서도 부서지기 쉬운 성질을 가진 것이 많아 충격에 약할 때도 있습니다.
금속: MIM(금속 사출 성형)
금속의 미세한 분말을 수지 바인더(결합재)와 혼합하여 사출 성형하는 기술입니다.
- 공정
금속 분말과 바인더를 압력과 열을 가하면서 반죽해, 수지 재료와 같은 펠릿 형태로 만든 것을 사출 성형한다(성형된 것을 그린체라고 한다). 그 후, 성형품에서 바인더를 제거(탈지)하고 고온으로 가열해 금속 분말끼리 결합시킵니다.
- 용도·장점
절삭 가공으로는 어려운 미세하고 복잡한 형상의 금속 부품을 높은 정밀도로 대량 생산할 수 있습니다. 스마트폰 카메라 부품이나 의료용 정밀 기기 등에 사용됩니다.
- 주의점
소결 공정에서 약 15~20% 정도의 치수 수축이 발생하므로, 금형 설계 단계에서 수축률을 정밀하게 반영해야 합니다. 공정이 많아 제품이 완성될 때까지의 리드 타임이 길어지는 경향이 있습니다.
세라믹: CIM (세라믹 사출 성형)
세라믹의 미세한 분말을 사용해 MIM과 거의 동일한 공정으로 제조하는 기술입니다.
- 공정
세라믹 분말과 바인더를 섞은 재료를 사출 성형 → 탈지 → 소결하여 완성합니다.
- 용도·장
금속보다 높은 경도와 내열성, 내마모성, 전기 절연성이 요구되는 부품에 사용됩니다. 반도체 제조 장비 부품, 엔진 단열 부품, 생체 친화성이 높은 의료용 임플란트 등이 대표적인 예입니다.
- 주의점
재료가 매우 단단하고 부서지기 쉬워 충격에 약하고, 깨지기 쉬운 것이 가장 큰 과제입니다. 또한 MIM보다도 소결 시 치수 관리가 어려워 고도의 노하우가 요구됩니다. 금형도 초경합금 등으로 제작해야 하며, 비용이 가장 높아집니다.
