금형 설계의 기본 개념과 절차: 안정적인 사출 성형을 위한 설계 기준

금형 설계는 사출 성형 공정의 출발점이자 제품 품질을 결정하는 가장 중요한 단계입니다. 아무리 좋은 재료와 사출기를 사용하더라도 금형 설계가 부적절하면 불량, 반복 수정, 생산성 저하를 피할 수 없습니다. 이 글에서는 앞선 글들에서 다룬 개별 요소들을 하나로 정리하여, 금형 설계의 전체 흐름과 핵심 사고방식을 기초부터 차분하게 정리해 보겠습니다.

 

1. 금형 설계의 개념
금형 설계는 금형 아이디어를 실현하는 성형품이 원하는 규격 내에 있고 비용이 요구 한도 내에 있도록 하는 작업이다. 설계 요소를 7가지 정도로 분류할 수 있다.
1) 강도 설계
캐비티 및 코어 변형, 파손과 몰드베이스 변형 등.
2) 안전 설계
후크 볼트 강도를 조사, 형 개폐 방지 구조 등의 조사.
3) 기능적 디자인
성형품의 치수 유지, 러너 및 게이트 구조 조사 및 취출 방법 조사.
4) 형상 디자인
3차원 형상 설계, 외관 품질 조사 및 형상 변경 등의 조사.
5) 유지 보수 설계
유지 보수 부품 구조 조사, 예비 부품 조사, 반복성 조사, 해체 및 조립의 용이성 조사.
6) 열 관련 설계
금형에 대한 열 수축률 조사, 온도 조절 수단 조사, 성형품 냉각 능력 조사
7) 비용설계
금형 비용 조사, 성형품 가격 조사, 표준 부품 등의 조사
이렇게 금형 설계는 단순히 성형품의 형상을 만드는 것이 아니고 상기 관점에서 여러 가지를 연구하는 것이 중요하다.

 

2. 금형 설계의 강도 이론
금형은 플라스틱 성형을 위한 정밀 기계이지만 기능을 유지하려면 적절한 강도를 가져야 한다. 또한, 금형의 설치 작업을 수행하거나 제거할 때 중량 부하가 작용하기 때문에 금형이 변형되거나 손상되는 것과 같은 갑작스러운 문제로 인해 인체에 상해를 주는 사고가 발생하지 않도록 충분한 강도를 가져야 한다. 이를 위해서는 단순히 경험이나 직감에 기초한 강도를 확보하는 것만으로는 충분하지 않으며, 재료 역학에 기반한 강도 계산을 사용하여 금형 설계를 수행하는 것이 중요하다. 플라스틱 사출 금형의 설계에는 재료 역학에 기초하여 3가지의 실험 데이터를 활용할 필요가 있다.
1) 동적 강도 시험
충격 시험(샤르피 충격 시험, 아이조드 충격 시험), 피로 시험
2) 정적 강도 시험
압축 시험, 좌굴 시험, 비틀림 시험, 인장 시험, 굽힘 시험, 전단 시험
3) 산업용 시험
크리프 시험, 마모 시험 등
계산 결과는 엔지니어의 윤리를 엄격히 준수해야 하며, 좋은 의도를 바탕으로 의사 결정을 내릴 필요가 있다. 또한 기술적으로 확립된 경험 식은 재료 강도와 관련된 계산에 사용되어야 하며, 계산 결과와 관련하여 안전율을 사용해야 한다. 금형 사고 예방 및 안전 확보는 설계 엔지니어의 판단에 의존하기 때문에 비용 절감을 위해 디자인에 너무 많은 무게가 주어지지 않도록 항상 자신에게 엄격해야 하고 이러한 사항들은 금형 설계 엔지니어가 항상 기억해야 한다.

 

3. 금형 강도의 증가
플라스틱 금형은 용융 수지의 충전 시에 고압의 내부 압력이 가해지고 금형 클램핑 시에 높은 압축 응력을 받게 된다. 금형이 커지면 자중으로 굽힘 응력을 받을 수도 있다. 금형이 자중에 의한 외부 응력이나 응력으로 인해 변형되거나 파손되지 않도록 하기 위해서 금형의 강성을 강화할 필요가 있다. 여기서 강성이란 하중을 받는 변형에 대한 저항이다. 종 탄성계수 E와 재료의 횡 탄성계수 G는 강성에 영향을 미친다. E 또는 G의 값이 큰 재료는 높은 강성이라고 말할 수 있다. 즉, 굴곡이나 뒤틀림에 대한 강한 저항력을 나타낸다. 보다 이해하기 쉽게 말하면 소재는 구부리기 어렵고 매우 작은 처짐을 가지고 있다. 더 자세히 설명하면 강도는 굽힘 강도 또는 비틀림 강도가 될 수 있다. 굽힘 강도는 플라스틱 사출 금형의 경우 특히 중요하다. 굽힘 강도는 굽힘 하중에 의한 굽힘 저항을 나타낸다. 일반적으로 굽힘 강도는 E, I로 표시된다. 굽힘 강도를 높이기 위해서 제품 E나 I값을 크게 할 필요가 있다. 즉, 종 탄성계수(E)의 값이 큰 재료를 선택하는 동시에 단면(I)의 단면 2차 모멘트를 크게 하는 단면 형상을 선택함으로써 굽힘 강성을 높게 할 수 있다. 구조체가 높은 굽힘 감성을 가지면 휨이 작아지거나 굽힘 변형으로 인한 파손에도 견딜 수 있다.

 

4. 금형 설계 및 제조의 장단점
플라스틱 사출 금형 설계 및 제조에서 표준화는 다른 기계 설계 및 제조 분야보다 상대적으로 빠르게 확산된다고 할 수 있다. 미스미는 이 문제에서 중요한 역할을 담당했으며 양적 비교를 통해 설계 및 제조의 표준화 장단점을 알아보고자 한다.
1) 금형 설계 및 제조의 장점
유지 보수 시의 호환성이 향상된다. 표준 부품을 사용하여 교체 부품의 사양을 통일할 수 있으므로 상호 호환성이 탁월하다. 가공 시간 단축, 다듬질 및 조정 시간의 단축이 가능하다. 이 때문에 부품 준비 시간이 단축되고 생산 원가도 절감된다. 설계 시간을 단축할 수 있다. 이 때문에 설계 전달 시간이 단축되고 설계 비용조차 줄어들게 된다. 수출의 경우 유지 보수가 쉽다. 금형을 수출할 때 동일한 표준 부품을 현지에서 조달할 수 있다면 신속하게 유지 보수를 수행할 수 있다. 기계나 장비 수를 늘릴 필요가 없다. 구매에 의존할 수 있기 때문에 회사 내의 기계나 장비 수를 늘릴 필요가 없다. 따라서 고정비용을 늘릴 필요가 없다. 주문 관리 비용을 줄일 수 있다. 주문 관련 회계의 추가 작업 부담이 제거되고 결과적으로 비용을 절감할 수 있다.
2) 금형 설계 및 제조의 단점
회사 내의 기본 구성 요소 생산 기술이 하락할 수 있다. 새로 입사한 설계자에게 기본 지식이나 금형 설계를 전수하는 것이 어려워질 가능성이 있다.
이러한 단점을 보완하기 위해 회사 내에서 설계 세미나를 수행하거나 수리를 위해 부품을 회사 내에서 생산하는 회사들이 있다. 장단점, 손실과 이득을 고려할 때 금형의 설계와 제조의 표준화가 더 진전되었다고 할 수 있다.

 

5. 금형의 초기 비용 구조
금형의 가치는 품질, 납품, 원가의 3가지 요소에 의해 결정된다. 이 중 비용은 초기 비용과 운영 비용으로 구성된다. 또 초기 비용은 원가 구성 요소로 구성되는 것이 일반적이다. 초기 비용에는 원재료비, 금형 설계 비용, 가공 비용, 표준 구성 요소 구매 비용, 측정 비용, 다듬질 및 조립 비용, 몰드베이스 구매 비용, 표면 처리 비용, 문제 해결 비용, 세금, 포장과 운송 비용, 시험 운전 비용 등이 있다.

 

금형 설계는 단일 기술이 아니라 여러 요소를 종합적으로 판단하는 과정입니다. 제품 형상, 재료 특성, 생산 조건을 하나의 흐름으로 이해하고 설계한다면 불량과 수정 비용을 크게 줄일 수 있습니다. 이 글에서 정리한 금형 설계의 기본 개념과 절차는 앞으로 어떤 제품을 설계하더라도 반복 적용할 수 있는 기준이 될 것입니다.