금형 설계의 핵심 포인트: 사출 성형 품질을 결정하는 설계 기준

금형 설계는 사출 성형 공정의 출발점이자, 전체 품질을 좌우하는 핵심 단계입니다. 현장에서 사출 문제를 분석하다 보면, 실제 원인은 성형 조건이 아니라 금형 설계 단계에서 이미 결정된 경우가 많습니다.

특히 성형품 디자인과 치수는 잘 설계되어 있어도, 금형 구조가 이를 제대로 뒷받침하지 못하면 불량과 수정이 반복될 수밖에 없습니다. 이 글에서는 초보자도 이해할 수 있도록 금형 설계의 기본 개념과 실무에서 반드시 확인해야 할 핵심 포인트를 정리해 보겠습니다.

금형 설계가 중요한 이유

제품 품질과 직결되는 요소

금형은 단순히 성형품을 찍어내는 도구가 아니라, 제품의 형상, 치수, 외관 품질을 그대로 구현하는 기준입니다.

금형 설계가 미흡할 경우 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

• 성형품 변형 및 치수 불안정
• 반복적인 금형 수정
• 생산성 저하 및 납기 지연

경험상, 사출 조건을 아무리 조정해도 해결되지 않는 문제는 대부분 금형 구조에서 원인을 찾게 됩니다.

금형 제작 이후의 수정은 비용 부담이 매우 큽니다. 따라서 금형 설계 단계에서 최대한 많은 문제를 예측하고 반영하는 것이 전체 프로젝트 비용과 일정을 안정적으로 관리하는 핵심입니다.

 

1. 우수한 금형 설계의 조건
첫 번째, 성형품에 필요한 형상과 치수 정도를 줄 수 있는 구조일 것
성형품 디자인의 특색이 살려지고, 또 기능을 충분히 다할 수 있는 치수 정도를 가지는 성형품을 얻을 수 있어야 한다.
두 번째, 성형품의 끝손질 또는 2차 가공이 적을 것
성형품의 끝손질 가공이 불필요하고 또 구멍, 창 혹은 홈 등은 되도록 모두 금형으로서 성형이 되도록 한다.
세 번째, 내구성이 있는 구조일 것
마모, 손상이 적고, 장시간 연속 운전하여도 고장이 일어나지 않아야 한다.
네 번째, 성형 능률이 좋은 금형 구조일 것
짧은 시간에 사출이 될 수 있는 러너 시스템이어야 하고 성형품의 냉각이 빨리 되어야 한다. 또한, 이젝션이 신속하고도 확실해야 하며 러너, 게이트의 제거가 쉬워야 한다.
마지막으로, 제작 기간이 짧고, 제작비가 싼값으로 될 수 있는 구조일 것
위의 여러 조건에 만족하고 더 많이 제작에 있어서는 낭비를 없애고 적은 공정으로서 가공되는 구조인 것이 좋다.

2. 금형 설계의 절차
첫 번째, 부분 수량 및 배열의 결정
사용하는 성형기의 규격을 고려하여 정하여지지 않으면 안 되나, 일반적으로 성형품의 생산 수량이 적을 경우나, 성형품의 크기가 클 때, 또는 정도가 특히 높을 경우에는 부분이 1개 또는 2~4개의 금형이 쓰인다.  생산량이 많을 경우, 또는 생산 비용을 싸게 할 경우는 많은 수의 부분 또는 세트의 금형이 쓰이기도 한다.
두 번째, 분할선(파팅 라인) 및 러너, 게이트의 결정
이것에 의하여 금형의 기본적 구조가 정해짐과 동시에 성형품의 플래시가 나오는 위치, 따라서 성형품의 외관 및 끝손질 공수 등도 정하여지게 된다.
세 번째, 언더컷의 처리 및 이젝션 방법의 결정
성형품에 언더컷 부분이 있을 때, 그것을 어떠한 방법으로 성형하여 금형으로부터 뽑아내느냐에 따라 사이드 코어, 나사 감기 등의 형구조가 정해진다. 이젝션은 일반적으로 이젝터 핀 또는 슬리브 돌출 구조가 채택되나, 성형품에 된 흔적이 나는 것을 싫어할 경우나 살 두께가 얇을 경우 혹은 케이스, 컵 종류 형상의 것에서는 스트리퍼 플레이트 방식이 쓰인다. 또 폴리에틸렌 성형품 등의 경우 공기로 뿜어내는 방식이 쓰이기도 한다.
네 번째, 캐비티와 코어의 재료 및 가공법의 결정
금형의 재료 경도 또는 가공법에 따라서는 끼워넣기, 부시식을 채택할 필요가 생긴다. 또 그럴 때는 끼워넣기 선을 어느 위치 혹은 어느 방향으로 하는가를 결정해야 한다.
마지막으로, 온도 컨트롤 방법의 결정
사출성형에 있어서는 성형품의 냉각 때문에 금형은 적당하게 온도 컨트롤이 이루어져야 한다. 그 때문에 물 또는 냉각액, 공기 등 중에 어느 하나를 어떻게 금형에 흘리는가를 결정한다.

3. 금형 설계의 체크 리스트
품질: 금형의 재료, 경도, 정도, 구조 등 수요가의 명세는 충분히 검토되었는가. 성형품: (1) 싱크, 재료의 흐름, 드래프트, 웰드, 크라크 등 성형품의 외관에 영향을 미치는 사항에 관하여 검토되었는가. (2) 성형품의 기능, 의장 등에 지장이 없는 안의 범위에서 금형가공이 쉽도록 검토되었는가. (3) 성형 재료의 수출률은 정확한가. 성형기: (1) 성형기의 사출량, 사출 압력, 형을 조이는 압력은 충분한가. (2) 지정된 성형기에 금형은 정확하게 설치될 수 있는가. 즉, 장치 나사의 위치, 로케이트링의 지름, 노즐의 반지름, 스프루 구멍의 지름, 이젝터 봉 구멍의 위치, 크기, 형의 크기, 두께, 다른 것도 적당한가. 조립도: (1) 금형의 크기는 낭비 없고, 적절한 내구력을 가지고 있는가. (2) 각 부품의 배치는 적정한가. (3) 부품의 조립 위치가 명시되어 있는가. (4) 필요한 부품이 빠짐없이 기재되어 있는가. (5) 조립도는 적당한 배치로 그려져 있는가. (6) 표제 난, 기타 필요한 명세 난은 기재되어 있는가. 치수: (1) 숫자는 적정한 위치에 명료하고도 착오 없이 기재되어 있는가. (2) 현장에서는 복잡한 계산을 하지 않아도 되도록 되어 있는가. 부품도: (1) 부품 명칭은 적당한가. (2) 지장이 없는 한 표준 부품이 이용되어 있는가. (3) 부품 번호가 명확하게 기재되어 있는가. (4) 개수는 기재되어 있는가. (5) 시판되는 부품이 이용되도록 고려되어 있는가. (6) 필요한 위치의 정도, 끼워넣기 기호가 기재되어 있는가. (7) 사내 제작, 사내 제고, 시판품 구매 등의 구별이 기재되어 있는가. (8) 필요 이상의 정도가 기재되어 있는 것은 없는가. (9) 도금할 경우의 도금 자리는 기재되어 있는가. (10) 필요한 개소의 열처리, 표면처리의 지시가 있는가. (11) 성형품에 있어서 특히 엄격한 정도가 요구되는 개소는 수정이 되도록 고려되어 있는가. (12) 각 부품의 기능에 알맞은 재료가 사용되고 있는가. 도법: (1) 도면에는 불필요한 것이 없고, 필요한 것은 충분히 나타나 있는가. (2) 도면은 현장 작업자에게 보기 쉽게 되어 있는가. 이젝션: (1) 핀, 슬리브의 사용 위치와 수는 적당한가. (2) 성형품에 적당한 돌출 방법이 선택되었는가. 언더컷: (1) 구멍, 기타 언더컷을 빼내는 기구는 적당한가. (2) 그들의 기구는 무리 없고 사고 없이 작동되도록 고려되어 있는가. 파팅 라인: 파팅 라인의 위치는 적당한가.(금형가공, 성형품의 외관, 끝손질, 성형품을 금형의 어느 쪽에 다는가에 따라) 가공에 대한 고려: (1) 조립, 분해가 쉽도록 홈, 빼기 구멍, 공칭 나사 등의 지시가 있는가. (2) 가공, 조립의 기준면은 고려되어 있는가. (3) 적정한 품질로서 싸고 빨리 제작할 수 있도록 충분히 고려되어 있는가. (4) 가공 방법이 검토되고 그에 적응한 구조로 되어 있는가. (5) 가능한 것이어도 극도로 곤란한 것은 쉽게 설계할 수는 없는가. (6) 공작은 가능하며 또한 쉬운가. (7) 맞대어 보기, 조정 여유의 지시는 있는가. (8) 조립에 관해서 주의할 사항이 있으면 기재 되어 있는가. (9) 원 블록으로부터의 깎아내기와 끼워 넣는 방식의 가부가 검토되었는가. (10) 특수 공정인 경우의 공정 지시는 적절한가. (11) 현물 맞추기의 개소는 명시되어 있는가. (12) 조립, 운반, 일반 작업이 편리한 위치에 적정한 크기의 후크 구멍의 지시가 있는가.

 

금형 설계는 사출 성형의 결과를 미리 결정하는 과정이라고 볼 수 있습니다. 기본 구조와 핵심 원칙만 제대로 지켜도 불필요한 수정과 반복 작업을 크게 줄일 수 있습니다. 성형품 디자인과 치수를 충분히 이해한 상태에서 금형 설계를 진행한다면, 품질과 생산성 모두 안정적인 결과를 얻을 수 있을 것입니다.