성형품 디자인의 원칙: 금형 설계 전에 반드시 알아야 할 기본 기준

성형품 디자인은 단순히 제품의 외형을 결정하는 작업이 아닙니다.
실제 현장에서 성형품 설계를 하다 보면, 디자인 단계에서의 작은 선택 하나가 금형 수정, 생산 지연, 불량 발생으로 이어지는 경우를 자주 경험하게 됩니다. 특히 금형 설계와 사출 성형을 함께 고려하지 않은 디자인은 초기에는 문제가 없어 보이지만, 양산 단계에서 예상치 못한 문제를 만들어 냅니다. 이 글에서는 성형품 디자인 시 반드시 고려해야 할 기본 원칙들을 실무 관점에서 정리하고, 초보자도 이해할 수 있도록 설명해 보겠습니다.

성형품 디자인이 중요한 이유

제품 품질에 직접적인 영향

성형품의 두께, 형상, 리브 구조 등은 제품 강도와 외관 품질에 직접적인 영향을 줍니다.
디자인 단계에서 이를 고려하지 않으면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

• 수축 불균형으로 인한 휨 발생
• 표면 싱크(Sink Mark)
• 치수 불량 및 조립 문제

실제로 사출 후 문제를 발견하면, 대부분 디자인 단계로 되돌아가 수정해야 하는 경우가 많습니다.

또한, 금형 제작 이후의 수정은 곧 비용과 시간 손실로 이어집니다. 성형품 디자인 원칙을 초기부터 적용하면 불필요한 금형 수정 횟수를 줄일 수 있고, 전체 프로젝트 일정도 안정적으로 관리할 수 있습니다.

 

1. 파팅 라인
금형에서 성형품을 집어내기 위해서는 금형을 열지 않으면 안 된다. 이 부분에 플래시 또는 플래시 모양의 선이 생긴다. 이 파이팅 라인을 정하는 데는 여러 가지의 주의가 필요하다. 첫 번째, 눈에 잘 띄지 않는 위치, 또는 형상으로 한다. 두 번째, 언더컷이 없는 곳에 한다. 세 번째, 마무리가 잘 될 수 있는 위치에 한다. 마지막으로 게이트의 위치 및 그 형상을 고려한다. 예를 들면 칫솔 자루는 파이팅 라인을 제품 폭이 가장 큰 부분으로 잡으면 성형품이 쉽게 잘 빠진다. 또 금형의 맞춤 자리가 잘 일치해 있으면 끝손질이 매우 쉽다. 참고로 파이팅 라인까지 모양이 들어 있으면 플래시를 떼기가 어려우므로 주의해야 한다.

 

2. 빼내기 구배
금형에서 성형품을 쉽게 뽑아내기 위해서는 드래프트가 필요하다. 이 드래프트는 성형품의 형상, 성형 재료의 종류, 금형의 구조, 표면의 끝손질 정도 및 끝손질 방향 등에 따라서 다르나, 보통의 경우 드래프트는 1/30~1/60(2~10)이 적당하게 여겨지며, 실용 최소한도는 1/120(1/20)로 되어 있다. 드래프트를 잡는 방법에 대한 정확한 수치나 공식 같은 것은 없고 거의가 경험치에 의해서 정해지는 경우가 많다. 드래프트를 많이 붙여도 상관이 없을 때는 가능한 범위까지 최대한 많이 붙이는 것이 좋다.

 

3. 구멍
구멍은 성형품에는 '반드시'라고 할 정도로 잘 쓰이는 것이다. 구멍은 성형품에 웰드를 남기고, 강도를 줄이는 역할을 하는 요인이 되므로 여러 주의해야 할 사항이 있다. 첫 번째, 구멍과 구멍의 피치는 구멍 지름의 2배 이상으로 잡는다. 두 번째, 구멍 주변의 살 두께는 두껍게 한다. 세 번째, 구멍과 제품 끝과의 거리는 구멍 지름의 3배 이상이 바람직하다. 네 번째, 성형 재료의 흐르는 방향에 직각인 막힌 구멍으로서, 1.5Ø이하의 경우 핀이 굽어질 우려가 있으므로, 깊이(L)는 구멍 지름(D)의 2배 이상은 바람직하지 않다. 마지막으로, 핀으로 맞대는 구멍의 경우는 상하 구멍이 쏠릴 우려가 있으므로, 어느 한쪽의 구멍을 크게 잡는다.

 

4. 보스
보스는 구멍의 보강이라든가 조립할 때 끼워 넣기, 또는 적당한 높이로 끼워 붙이기용으로 쓰이고 있다. 보스는 살 두께를 두껍게 하면 싱크 마크의 원인이 된다. 등이 높은 보스는 공기가 괴고 그을림이나 충전 부족을 일으키기 쉬우므로 되도록 피하는 것이 좋다. 만약 높게 해야만 할 때에는 보스의 측면에 리브를 붙여서 재료의 흐름을 잘 되게 한다든가, 보강하는 것이 바람직하다. 보스 또는 자리의 수가 4개 이상의 경우는 보스의 높이를 고르게 맞추기가 어려우나 3개의 경우에는 쉽다.

5. 살 두께
살 두께는 균일하게 하는 것이 원칙이다. 그러나 성형품의 구조, 혹은 성형 상에서 살 두께를 변형시킬 필요가 있으나, 경제적인 면에서도 살 두께를 적당하게 할 필요가 있다. 살두께를 정할 때는 여러 가지 고려해야 할 사항들이 존재한다. 첫 번째, 구조상의 강도 두 번째, 형으로부터 떨어져 나올 때의 강도 세 번째, 충격에 대한 힘의 균등한 분산 네 번째, 매입 쇠붙이의 크라크를 방지한다.(성형 재료와 금속의 열팽창 차에 의한 수축 시의 크라크) 다섯 번째, 구멍, 창, 매입 쇠붙이 부에 생기는 웰드를 보강한다. 여섯 번째, 나이프 에지 모양의 부분 및 박육부의 흐름을 잘하여 충전 부분을 방지한다. 일곱 번째, 살이 얇은 부분에 생기는 연소를 방지한다. 마지막으로, 살이 두꺼운 소위 후육부에 생기는 싱크 마크를 방지한다. 살 두께에 대한 성형 재료의 충전할 수 있는 거리의 값을 몇 가지 적어본다. 폴리에틸렌(0.9~4.0), 폴리프로필렌(0.6~3.5), 폴리아마이드(0.6~3.0), 폴리아세탈(1.5~5.0), 스타이롤 및 AS(1.0~4.0), 아크릴(1.5~5.0), 경질염화비닐(1.5~5.0), 폴리카보네이트(1.5~5.0), 셀룰로스아세테이트(1.0~4.0), A. B. S.(1.5~4.5).

 

6. 보강과 변형 방지
첫 번째, 귀퉁이에 "R"을 붙인다. 내부응력은 면과 면의 접합점인 각부에 집중한다. 변형을 감소시키기 위해서는 귀퉁이에 R을 붙여서, 내부응력을 분산시킴과 동시에 재료의 흐름이 쉽게 하고, 돌출에 대한 강도상으로도 유리하다. 두 번째, 살붙이기와 형상을 변화시킨다. 옆벽 및 둘레에 강성을 붙이는 방법으로써 많이 쓰인다. 이것은 변형에 견디는 강도와 다른 살 두께와의 수축을 균일하게 하기 위해 효과가 있으며, 또 흐름이 나쁠 경우에 보강의 의미만이 아니고 재료의 흐름을 잘하기 위해서도 쓰인다. 마지막으로, 리브를 붙인다. 리브의 효과는 살두께를 두껍게 하지 않고, 강성이나 강도를 가지게 할 수 있다. 또 넓은 평면이 있을 경우 휨을 방지하기 위해서도 쓰인다. 

 

7. 성형 나사
JIS의 미터나사, 위트 나사가 표준으로써 쓰이나, 그 외에도 특수한 나사가 있다. 어떤 경우든 나사를 끼울 때는 느슨하게 하는 것이 중요시한다. 특히 주의해야 할 점이 7가지가 있다. 첫 번째, 나사산은 32 산(약 0.75mm 피치)이라는 될 수 있으면 피한다. 두 번째, 긴 나사는 수축하는 관계상 피치가 틀리게 되므로 피한다. 세 번째, 공차가 수축 값보다 작을 경우는 피한다. 네 번째, 나사를 끼워서 맞추기는 지름에 따라 다르지만, 0.1~0.4mm 정도의 틈새를 만든다. 다섯 번째, 나사에는 반드시 1/15~1/25의 드래프트를 붙인다. 여섯 번째, 얇은 가장자리 만들기와 잘라내기는 금형 공작상으로나 수명상 부적당하다. 마지막으로, 조합 부품의 나사 박기 쪽은 화살표 쪽으로 되게 한다.

 

성형품 디자인의 원칙은 복잡해 보이지만, 기본적인 기준만 지켜도 많은 문제를 예방할 수 있습니다. 특히 균일한 두께, 드래프트 각도, 리브 설계 기준은 금형 설계와 직결되는 핵심 요소입니다. 처음부터 완벽한 설계를 하기는 어렵지만, 이 글에서 정리한 원칙을 하나씩 적용해 나간다면 불필요한 수정과 시행착오를 크게 줄일 수 있을 것입니다.