현대 산업에서 플라스틱 사출 성형은 매우 중요한 공정으로 자리 잡았습니다. 이 글에서는 사출 성형의 기본부터 고급 기술에 이르기까지, 이 분야의 광범위한 정보를 탐색해보고자 합니다. 이를 통해 사출 성형의 다양한 측면을 이해하고 최신 기술 동향에 대해 알아볼 수 있을 것입니다.
사출 성형의 기본 원리와 과정
사출 성형은 열가소성 플라스틱을 녹여, 고압으로 금형에 주입한 다음 냉각시켜 고체 형태로 만드는 공정입니다. 이 방법은 대량 생산에 적합하며, 제품의 정밀도가 높고, 반복 생산 시 일관된 품질을 유지할 수 있는 장점이 있습니다. 플라스틱 완구, 자동차 부품, 가전 제품 등 일상생활에서 흔히 볼 수 있는 다양한 제품들이 이 공정을 통해 만들어집니다.
사출 성형기의 종류와 기능
사출 성형기는 크게 전동, 유압, 하이브리드 성형기로 나뉩니다. 전동 성형기는 정밀한 제어가 가능하고 에너지 효율이 높은 반면, 유압 성형기는 강력한 압력으로 더 크고 복잡한 제품을 생산할 수 있습니다. 하이브리드 성형기는 이 두 기술의 장점을 결합하여 높은 생산성과 에너지 효율성을 동시에 제공합니다.
사출 성형 (Injection molding)
분말상태의RESIN(플라스틱 소재)에 열을 가하여 가소화 시켜 용융된 자재를 금형 안에 사출하고 냉각하여 제품을 성형하는 방식입니다.
위 그림은 가장 기본적인 사출 성형기의 구조로 사출 기구와 형체 기구에 따라 수평식, 수직식이 존재하며, 그림은 수평식이고 금형은 이동식 형판과 고정식 형판 2단으로 이루어진 2단 금형, 내부 Barrel에 스크류를 사용하는 스크류 방식, 사출 실린더를 유압식으로 표현됐다.
사출 성형의 장점과 단점 분석
사출 성형의 가장 큰 장점은 대량 생산에서의 효율성과 경제성입니다. 또한, 높은 수준의 복잡한 형태와 디자인을 구현할 수 있으며, 재료 낭비가 적습니다. 하지만, 금형 제작 비용이 높고, 제품 디자인 변경이 어렵다는 단점도 있습니다. 이러한 단점을 극복하기 위해 모듈식 금형 디자인과 같은 새로운 기술이 개발되고 있습니다.
최신 사출 성형 기술 동향
최근 사출 성형 기술은 3D 프린팅, 인공 지능, 사물 인터넷의 도입으로 큰 변화를 겪고 있습니다. 3D 프린팅 기술은 복잡한 금형을 빠르고 비용 효율적으로 제작할 수 있게 해줍니다. 인공 지능과 사물 인터넷 기술은 제조 과정의 모니터링과 제어를 향상시켜 생산성을 높이고 품질을 일관되게 유지할 수 있게 도와줍니다.
사출 성형의 불량 유형 파악과 개선 방안
Warp (휨)
보통 크기가 큰 Box 제품에서 발생합니다. 취약한 측면 벽의 중앙부가 내부로 휘는 현상이 발견되며 해결법은 성형 단계에서 코어부 냉각을 더 많이 시켜주거나 금형 설계 시 Warp를 고려하여 바깥쪽으로 볼록하게 설계, 또는 현상이 발생하는 부분에 보강대를 설계하는 방법이 있습니다.
Weld Line(윌더라인)
여러 요인을 원인으로 들 수 있습니다. 사출 성형에서 자주 나오는 불량으로 홀이 있는 제품이나 2개 이상의 게이트를 사용했 을 때 발견되는 현상으로 용융된 2개의 서로 다른 흐름이 만나며 생기는 현상입니다.
해결법으로는 소재의 온도나 금형의 온도를 올리거나, 사출 압력을 올리기, 게이트의 위치나 크기 조절, Gas로 인해 생겼 다면 충분히 가스를 뺄 수 있게 제품의 높이를 다단으로 설계를 바꾸어야 합니다.
유사 현상으로 Melt Line도 존재하지만, Weld Line 보다 하위 단계로 해결법이 비슷합니다.
Zetting(제팅)
Flow mark의 일종으로 수지의 유입속도가 지나지게 빠르거나 탕구에서 게이트까지 거리가 너무 멀게 되면 생기는 현상으로 일반적으로 노즐의 온도를 올려주거나 소재가 게이트를 지날 때 속도를 늦추거나 게이트의 단면을 키우게 되면 해결 됩니다.
Short shoot (미성형)
소재가 금형에 다 채워지지 못한 미 성형 상태를 말합니다. 해결법은 금형과 소재, 노즐의 온도를 올려 소재가 더 쉽게 금형 안으로 유입될 수 있도록 해주거나 사출 압력과 속도를 높여 충진 시켜야 합니다. 금형 내 공기가 빠지지 못해 현상이 발견될 경우 배기구멍을 뚫어주어 수지의 유입속도를 천천히 해주면 해소시킬 수 있습니다. 사출 성형기 자체 노즐이 이물질로 막혀 충진이 불안정할 때 이런 현상이 나올 수 있습니다.
Flash(플래시)
금형의 형합면(파팅면)이나 Ejector 부근으로 소재가 밀려 나온 현상으로 사출 압력이 필요 이상으로 높거나 금형의 강도가 부족하거나 내부 압력이 너무 높을 경우, 소재의 점도가 너무 낮을 경우 발생합니다. 금형의 강도가 부족할 경우 고정판 금형이 휘어지는 원인을 눈으로 발견할 수 있으며, 사출 압력을 낮추거나 소재의 온도, 금형의 온도, 사출 최종 속도를 낮추는 방법으로 해결할 수 있습니다.
Burn(태움)
성형품의 표면에 타버린 흔적이 발생하는 현상으로 타버린 부위에 미 성형과 함께 자주 발생합니다. 캐비티의 마지막 부분에 빠져나가지 못한 공기가 순간적으로 단열 압축을 받아 높은 온도로 가열되면서 타버린 자국이 발생하므로 미 성형 원인도 같이 포함되어 보통 같이 발견할 수 있습니다. 이 경우 이젝터 핀 틈새나 금형의 형합면의 틈으로 가스와 공기를 빼주면 해결됩니다.
GlossDifference(광택 차이)
제품의 광택이 너무 반짝이거나 광택이 나지 않는 경우로 흔히 제품의 두께 차이가 심할 때 자주 발견됩니다. 보통 제품의 유동성이 부족하거나 휘발성의 소재, 금형의 표면이 거칠거나 이물질이 많을 경우 발생됩니다. 사출의 속도를 증가시키거나 금형과 소재의 온도를 증가 금형 표면의 다듬질을 좋게 개선하여 해결할 수 있습니다.
Air Streak/Air Hooks(공기줄)
제품의 게이트 주위나 글자, 두께변화가 심한 부근에서 자주 발생합니다. 금형 충진 중 시간 내에 빠져나가지 못한 공기가 휘말려 소재에 갇힌 현상으로 성형품의 급격한 감압을 가하거나 날카로운 엣지부가 있을 경우 자주 발생합니다.해결법은 날카로운 엣지 부분이 없도록 설계하거나 감압 속도를 감소, 게이트를 이동시켜 해결해야 합니다.
Color Streak(색줄)
소재 성분이 불균일하거나 첨가된 안료의 방향성이 다를 경우 발생한다. 안료나 착색제가 소재에 완전히 용융되지 않아 생기거나 강한 응력이 작용이 유발시킬 수 있습니다. 소재의 충분한 균일성을 얻을 수 있도록 하고 소재가 충분히 높은 전단응력을 허용할 수 있는지 확인하여야 한다.
Silver Streak(실버 스트리크)
성형품의 수지의 흐름 방향으로 나타나는 은색 선 다발로 소재 가소화 시 배압이 부족하여 공기를 흡입한 채 캐비티 내부로 빨려 들어가는 중에 파열되면서 금형 표면에 나타납니다. 해결법은 배압을 높여 공기 흡입을 막아주거나 런너, 게이트, 스프루 단면적을 증가시켜 주고 성형품의 두께가 급격히 변화되지 않도록 제품을 설계하는 방법이 있습니다.
Cold Slug(콜드 슬러그)
게이트 주변부에 흔히 생기며 성형품 전역에 걸쳐 나타날 수 있습니다. 냉각된 소재가 노즐에서 흘러나오며 혜성 꼬리와 같은 자국이 생기고, Weld Line 과 함께 동반할 경우가 많습니다. 소재 사출 후 다음 금형으로 이동할 때 게이트나 노즐에서 소재가 고화될 때 형성되며 노즐의 온도와 단면을 키워줘야 하며 런너 밑에 Cold Slug Well을 설치하여 해결할 수 있습니다.
사출 성형의 환경적 영향과 지속 가능성
플라스틱 사출 성형은 환경에 미치는 영향에 대한 고려도 필요합니다. 재활용 가능한 소재의 사용, 에너지 효율적인 성형기 개발, 제품의 수명 주기 관리 등이 중요한 이슈로 떠오르고 있습니다. 지속 가능한 제조 방법을 모색하는 것은 이 분야에서 피할 수 없는 중요한 과제입니다.
결론
플라스틱 사출 성형과 사출 성형 기술은 계속해서 발전하고 있으며, 이는 제조업의 미래에 중대한 영향을 미칠 것입니다. 기술의 발전은 생산성과 효율성을 높이는 동시에, 환경적 지속 가능성을 향한 새로운 길을 열어줄 것입니다. 이 분야에 대한 지속적인 연구와 혁신이 필요한 이유입니다.
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