금형 캐비티의 역할과 설계 기준: 제품 품질을 결정하는 핵심 구조

금형을 구성하는 여러 요소 중에서 **캐비티(Cavity)**는 제품 형상을 직접 만들어 내는 가장 중요한 부품입니다. 캐비티의 설계와 가공 상태에 따라 제품의 외관, 치수 정밀도, 성형 안정성이 크게 달라집니다. 이 글에서는 금형 설계의 핵심 구성 요소인 캐비티의 개념, 역할, 설계 기준을 기초부터 실무 관점까지 정리해 보겠습니다.

금형 캐비티란 무엇인가

캐비티의 정의

캐비티란 금형 내부에서 제품의 외형(외측 형상)을 형성하는 공간 또는 부품을 의미합니다. 일반적으로 고정측 금형에 배치되며 코어와 함께 제품 형상을 완성합니다.

 

1. 금형의 캐비티 수
플라스틱 사출 성형에서 하나의 금형을 사용하여 한 번에 성형할 수 있는 제품의 수를 캐비티 개수라고 한다. 캐비티의 수는 1개에서 최대 216개까지 가능하다. 캐비티 수가 많아지면 한 번의 성형으로 성형되는 제품의 수가 많아지므로 제품당 생산 비용을 줄일 수 있다. 그러나 다른 캐비티의 성형품 치수, 중량, 외관 등의 품질 변동이 커지는 경향이 있으므로 주의해야 한다. 장단점을 종합적으로 분석하여 캐비티의 수를 많이 할지 적게 할지 결정해야 한다. 일반적으로 캐비티의 종류에 따라 캐비티의 수가 정해진다.
1) 대형 성형품-기본적으로 하나의 캐비티
캐비티가 크기 대문에 두 개 이상의 캐비티는 물리적으로 어렵다.
2) 신제품 금형-1개의 공동
시장에서 신상품의 판매를 예측할 수 없으므로 처음에는 캐비티가 하나인 금형을 사용하여 생산되며 판매량이 많아지면 캐비티 수가 증가한 금형으로 더 큰 수요를 맞출 수 있도록 준비한다.
3) 전자 부품, 정밀 부품-2 또는 4개의 캐비티
성형품의 품질 변동을 고려하여 캐비티의 수를 줄여야 한다.
4) 자동차, 가정용 전기 제품 등 중소형 성형품-약 4~8개의 캐비티
총생산량과 품질 변동 사이의 관계를 고려해 볼 때, 캐비티의 수는 경험상 위험을 낮추는 것으로 밝혀졌다.
5) 식품 용기, 기타-24~64개 이상의 캐비티
수백만 개 이상의 생산량을 예측할 수 있기 때문에 캐비티 수를 크게 하여 생산 원가를 절감한다.

 

2. 좌우 비대칭 캐비티의 편심 방지
캐비티의 배치가 스프루에 대해 좌우 비대칭인 경우에 캐비티의 모양에 따라 용융 수지를 충전할 때 시프트가 발생할 수 있다. 캐비티 블록과 코어 블록의 상대적인 위치에 의해 성형품의 치수가 변하거나 버가 발생하는 등의 문제가 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해서는 테이퍼 블록을 캐비티의 방향과 반대 방향으로 배치함으로써 위치 이동을 방지할 수 있다. 단일 캐비티 금형 또는 테스트 금형의 경우에는 성형품의 형상에 집중하는 대신 먼 곳에서 다른 관점으로 금형의 전체 구조를 살펴보고 여기에 제시된 힌트를 기억해야 한다. 하나의 부품에만 주의를 기울이지 않고 전체를 볼 수 있는 유연성을 가진다면 균형 잡힌 설계를 할 수 있다.

 

3. 캐비티의 외부 치수 결정을 위한 절차
캐비티의 외부 치수(고정 측 형판의 포켓)는 대부분 현재와 비슷한 과거 금형의 치수가 참조로 사용되거나 경험과 직관으로 결정된다. 외부 치수를 결정하는 올바른 절차가 알려져 있다면 플라스틱의 압력으로 인해 금형이 파손될 위험을 피할 수 있으며, 불필요하게 강하고 큰 금형을 준비하는 데 낭비되는 것을 방지할 수 있다. 치수를 결정하는 정확한 절차는 2단계로 이루어져 있다.
1) 1단계: 최소 벽 두께 계산
캐비티는 강재 블록 내부를 오목한 모양으로 조각하여 형성된다. 조각된 형상과 강재의 외부 형상 사이의 살의 두께가 일정한 두께를 갖지 않으면 사출 압력으로 인해 금형이 파손되거나 크게 변형될 수 있다. 재료 강도 분야의 방정식을 적용하여 이론적으로 계산하여 권장되는 두껫값을 얻을 수 있다. 사용되는 방정식에 따라 다르기 때문에 적절한 식을 선택해야 한다. 데이터는 성형 조건 및 강재의 종류 등을 고려하여 결정된다. 또한 전문가는 나쁜 조건과 좋은 조건 등의 여러 조건을 가정하여 계산하고 그 계산의 결과를 비교한다. 이론에 기초한 최소 살 두께는 계산으로 얻어진 살의 두께의 값에 대한 안전 여유를 고려하여 결정된다.
2) 2단계: 캐비티
계산으로 얻어진 살의 두께의 값을 이용하여 캐비티의 크기를 결정하면 캐비티를 형판에 고정할 때 충분한 크기의 플랜지가 확보되지 못할 수 있거나 나사 구멍을 드릴 작업하기에 충분한 공간을 확보하지 못할 경우가 가끔 발생할 수도 있다. 이 경우 치수 중 하나가 배치될 수 있도록 치수를 결정해야 하며 최종 캐비티 치수는 정수를 사용해야 한다.

 

4. 캐비티 치수 결정 방법
성형 수축률을 사용하여 캐비티 치수를 결정한다. 우선 성형 수축률을 구한다. 다음은 성형품의 치수를 결정한다. 그 이후 캐비티 치수를 계산한다. 이론적으로 캐비티의 목표 치수는 22.11mm이다. 또한 시험 제작 후 성형기 작동과 금형 수정을 고려하여 계산된 22.11mm 치수에서 약간의 조정이 이루어진다. 현재 기계로 22.11mm 너비의 금형 부품 가공이 당연히 가능하지만 0.01mm 단위로 지정되어 있고 기계 가공 비용이 많이 들기 때문에 가능한 경우 0.01mm 부분을 짝수로 반올림한다. 따라서 22.11은 22.10 또는 22.12로 수정한다. 가능한 한 정확하게 가공하려면 22.11로 남겨둘 수 있다. 최종적으로 계산된 치수가 금형의 캐비티 상에 있을 때, 코어 치수의 조정은 캐비티의 경우보다 한 번 더 이루어진다. 캐비티의 경우에 치수를 약간 작게 하여 나중에 금형을 수정할 수 있다. 이 경우 22.10을 22.08 또는 22.12를 22.08로 보정한다. 금형은 코어에서 약간 큰 치수로 준비한다. 이 경우에는 22.10이 22.12로 22.12가 22.14로 보정된다. 이러한 조정은 경험에 근거하여 금형이 수정될 필요가 없다고 판단되는 경우 필요하지 않다. 캐비티 치수 결정 방법에 대한 적용한 대표적인 예가 있다. 치수 공차가 단면 공차 값일 경우(+- 공차 값이 아닌 경우)이다. 성형품의 치수가 22인 경우 캐비티의 치수는 22.11이라는 결과가 나온다. 이러한 결과에 따라서 캐비티를 준비하면 성형물의 치수 변동 확률은 +방향뿐만 아니라 -방향에서도 동일하기 때문에 수축이 커지면 예측한 것보다 측면 허용 오차가 초과할 위험이 있다. 또한 수축이 예측보다 작아지면 +측의 공차를 초과할 우려가 있다. 이러한 관점에서 단면 공차의 경우 수축 계산이 공차 폭의 중심에 기준을 두어야 한다.

 

금형 캐비티는 제품 품질을 직접적으로 결정하는 금형의 핵심 부품입니다. 수축률, 이형각, 소재, 가공 상태를 종합적으로 고려해 캐비티를 설계한다면 외관·치수·수명 측면에서 안정적인 성형이 가능합니다. 이 글에서 정리한 캐비티 설계 기준은 금형 설계 전반의 기본 원칙으로 활용할 수 있습니다.