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사출성형이란 플라스틱 제품을 원하는 모양으로 만들기 위해 용융된 플라스틱을 금형에 주입하고 냉각시키는 공정입니다.
사출성형은 다양한 종류의 플라스틱 제품을 대량으로 생산할 수 있는 장점이 있습니다.
하지만 사출성형을 잘 수행하기 위해서는 사출성형의 기본공정 및 적절한 성형 조건을 설정해야 합니다.
이 글에서는 사출성형 기본공정 및 일반조건에 대해 알아보겠습니다.
1. 사출성형 기본공정
사출성형의 기본공정은 다음과 같이 6단계로 구성됩니다.
수지 가소화 (Plastication)
수지 가소화란 원료로 사용되는 펠릿 형태의 수지를 사출기의 실린더 안에서 가열하여 용융시키는 과정입니다.
이 때, 스크류가 회전하면서 수지를 앞으로 밀어내고, 뒤쪽에는 수지를 보관하는 공간이 생깁니다.
이 공간을 샷포켓이라고 합니다.
샷포켓에 저장된 수지의 양은 성형 품의 크기와 두께에 따라 달라집니다.
형체 (Mold Closing)
형체란(형닫기) 금형을 닫고, 금형 내부의 공기를 배출하는 과정입니다.
금형은 고정형과 움직이는 형으로 구성되어 있으며, 움직이는 형은 사출기의 토글 또는 유압식 장치에 의해 닫히고 열립니다.
금형이 닫히면 금형 내부의 공기는 벤트라는 작은 구멍을 통해 배출됩니다.
금형의 닫힘력은 성형 품의 크기와 두께, 사출압력에 따라 달라집니다.
여기에서 형체력이란 말이 사용되는데 형체력은 사출기의 용량을 표시하는 말입니다.
충전 (Filling)
충진이란 용융된 수지를 금형 내부의 성형 공간으로 주입하는 과정입니다.
사출장치가 전진하여 노즐이 스프루 (Sprue Bush)에 접촉되어 있는 상태에서 유압 장치에 의해 Screw가 피스톤역할을 하여 전진하면서
Screw앞쪽에 쌓인 용융 수지를 금형의 캐비티 (Cavity)에 충전 시킨다. 충전은 Sprue, Runner, Gate, Cavity순으로 이루어 집니다.
보압 (Packing, and then Holding)
보압이란 성형 공간에 수지가 완전히 채워지면, 추가적인 압력을 가해 수축률을 최소화하고, 수지의 밀도와 강도를 높이는 과정입니다.
충전 후 수지는 온도가 내려가면서 Cavity 안에서 수축이 이루어지는데 보압으로 이 수축량을 채워 줍니다.
냉각 (Cooling)
냉각이란 성형 공간에 주입된 수지가 냉각되어 고체화되는 과정입니다.
게이트가 고화된 이후 압력을 제거하고 수지가 적정한 기계적 물성을 가지는 온도까지 냉각되며,
실제로 수지의 냉각은 충전과 함께 시작하지만 보압력이 제거되는 때부터 냉각 과정이라고 부릅니다.
수지에서 냉각관을 흐르는 냉각수로 열전달이 일어나며 제품이 냉각되며, 냉각 과정이 전체 사출 과정 중
가장 긴 시간을 차지합니다. 그리고 냉각 과정과 동시에 계량(가소화) 과정이 시작됩니다.
이형 및 취출 (Mold Opening & Ejecting)
이형 및 취출이란 성형된 플라스틱 제품을 금형에서 분리하고, 제품을 취출하는 과정입니다.
금형이 열리면 이젝터 핀이 작동하여 성형 품을 밀어내고, 로봇이나 수동으로 제품을 취출합니다.
이 때, 성형 품의 표면이 금형에 달라붙거나, 성형 품이 금형에 남아있지 않도록 주의해야 합니다.
2. 사출성형 일반조건
사출성형의 일반조건이란 사출성형을 수행하기 위해 필요한 수지와 금형, 사출기의 조건을 말합니다.
사출성형의 일반조건은 성형 품의 품질과 성능에 큰 영향을 미칩니다.
사출성형의 일반조건은 다음과 같습니다.
수지의 종류
사출성형에 사용되는 수지는 열가소성 수지와 열경화성 수지로 구분할 수 있습니다.
열가소성 수지는 가열하면 녹고, 냉각하면 굳는 성질을 가지고 있으며, 반복적으로 성형이 가능합니다.
열경화성 수지는 가열하면 화학반응이 일어나서 고체화되고, 다시 가열해도 원상복귀되지 않는 성질을 가지고 있습니다.
수지의 종류에 따라 가공성, 물성, 내구성, 가격 등이 달라집니다.
수지의 종류를 선택할 때는 성형 품의 용도, 환경, 요구사항 등을 고려해야 합니다.
수지의 온도
수지의 온도란 수지를 가열하여 용융상태로 만드는 온도를 말합니다.
용융온도를 올리면 흐름길이는 늘어 나며, 유동성이 좋아집니다.
그러나 용융온도를 과도하게 올리면 물성이 떨어지므로 주의 해야 합니다.
수지온도가 너무 높으면 수지는 열분해될 수 있습니다. 특히 POM, PVC등이 그렇습니다.
구체적인 수지 및 금형온도에 대한 추천치는 수지공급업체에 따른다. 즉 MADS 및 MILL SHEET를 참조 해야 합니다.
금형의 온도
금형의 온도는 금형을 가열하거나 냉각하는 장치에 의해 조절되는 온도를 말합니다.
금형온도는 제품의 냉각에 중요한 영향을 미칩니다. 균일한 금형온도는 제품의 휨 방지에 효과가 있으며,
일반적으로 냉각수 라인을 통하여 금형온도가 조절되고, 물 혹은 오일을 사용 하며 금형온도보다 냉각수
온도를 10~20도 정도 일반적으로 낮게 설정하며, 금형온도가 40~50도 그 이상이면 단열판을 사용 합니다.
사출압력
사출압력이란 수지를 금형 내부의 성형 공간으로 주입하는 데 필요한 압력을 말합니다.
설정된 사출 속도로 스크류가 이동할 수 있도록 하는 힘을 제공해야 하며,
고압의 경우 : 금형 변형, 플래시, 잔류응력
저압의 경우 : 미성형, 싱크 마크 발생
금형열림 스트로크는 코어 높이, 제품 높이 및 여유공간으로 이루어집니다.
사출압력은 성형 품의 품질과 성능에 큰 영향을 미치므로, 사출압력의 변화를 실시간으로 모니터링하고, 필요한 경우에는 조절해야 합니다.
사출속도
사출속도란 수지를 금형 내부의 성형 공간으로 주입하는 속도를 말합니다.
대부분의 엔지니어링 수지에 대하여 사출속도는 제품설계 및 공정의 기술적, 그리고 경제적인 이유를 허용하는 한 가장 빠르게 조정하며,
수지가 게이트와 같은 제한된 영역을 지나가는 사출 시작시에는 느린 사출속도로써 난류유동 및 제팅을 방지하기 위하여 필요합니다.
사출속도는 사출 마지막으로 가면서 스트로크의 마직막에서 플래시가 발생하는 것을 피하고
분리된 유동 뒤에 균일한 웰드라인의 형성을 향상시키기 위해 다시 한번 느려져야 한다.
일반적으로 4단 사출은 아래와 같이 진행 합니다.
처음 빠르게(런너까지)-2차:느리게(게이트) – 3차:빠르게(형상에 따라 달라짐)-4차:마지막 느리게(플래시 방지)
보압시간
용융수지의 선단이 캐비티의 말단부에 닿은 이후 냉각이 빨라지며 재료의 수축으로 발생한 내부 공간에 수지를 하며,
압력을 유지하면서 필요한 수지를 공급, 보압시간은 게이트가 고화되어 더 이상 압력이 전달되지 않을 때 까지의 시간이며,
보압의 크기는 수지의 특성에 따라 결정됩니다.
원하는 수축률을 얻을 수 있는 압력을 선정 수지의 온도가 높으면 보압도 증가합니다.
보압 과정 중 스크류는 압력을 유지할 수 있도록 압력을 제어해야 합니다.
냉각시간
냉각시간이란 성형 공간에 주입된 수지가 냉각되어 고체화되는 시간을 말합니다.
냉각시간은 수지의 종류와 성형 품의 크기, 형상, 두께에 따라 달라집니다. 냉각시간이 너무 짧으면 성형 품의 수축률이 증가하거나,
성형 품의 강도가 낮아지거나, 성형 품의 표면이 거칠거나, 성형 품의 치수 안정성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있습니다.
반대로 냉각시간이 너무 길면 성형 품의 냉각 시간이 길어지거나, 금형이 손상되거나, 성형 품의 변형이 발생하는 문제가 발생할 수 있습니다.
따라서 적절한 냉각시간을 설정하고 관리하는 것이 중요합니다.
마치며…
이상으로 사출성형의 기본공정과 일반조건에 대해 알아보았습니다.
사출성형은 플라스틱 제품을 만드는 가장 대표적인 방법이지만, 각 공정과 조건에 따라 성형 품의 품질과 성능이 달라질 수 있습니다.
따라서 사출성형의 기본원리와 공정을 이해하고, 적절한 성형 조건을 설정하고 관리하는 것이 중요합니다.
저는 개인적으로 자동차 제품을 만드는 사출 회사에 20년 정도 일을 하였습니다. 그래서 사출 제품의 중요성을 누구보다 중요하다는 것을 알고 있습니다. 항상 최적의 사출 성형 표준에 준해서 제품을 사출 생산 해야 문제가 없다는 것을 알고 있기에 표준과 기본을 중요시 하고 있습니다. 이점 꼭 잊지 말고 사출성형을 하셨으면 합니다.
행복하세요!