사출성형 재료의 성형성: 재료 선택이 품질을 결정하는 이유

사출 성형에서 발생하는 많은 문제는 금형이나 성형 조건보다 사출성형 재료의 성형성을 충분히 이해하지 못한 데서 시작되는 경우가 많습니다. 현장에서 “왜 같은 금형인데 재료만 바꾸면 문제가 생길까?”라는 질문을 자주 접하게 됩니다.
이는 재료마다 고유한 성형 특성과 한계가 있기 때문입니다. 이 글에서는 사출성형에 사용되는 재료의 성형성이 무엇을 의미하는지,
그리고 재료 특성이 실제 성형 품질에 어떤 영향을 미치는지를 실무 관점에서 쉽게 정리해 보겠습니다.

사출성형에서 성형성이란 무엇인가

성형성의 기본 개념

성형성이란 사출 과정에서 재료가 금형 내부를 얼마나 안정적으로 충전·유지·이형할 수 있는지를 나타내는 특성입니다.

성형성이 좋은 재료는 다음과 같은 특징을 가집니다.

• 수지 흐름이 안정적임
• 형상 재현성이 우수함
• 불량 발생 가능성 낮음

반대로 성형성이 낮은 재료는 조건 변화에 민감해 불량 관리가 어려워집니다.

성형성과 품질의 관계

성형성은 단순히 작업 편의성 문제가 아니라 제품 품질과 직결되는 요소입니다.

• 성형성 부족 → 미충전, 웰드라인 증가
• 성형성 불균형 → 변형, 치수 불안정
• 이형성 저하 → 제품 손상

따라서 재료의 성형성 이해는 안정적인 양산을 위한 기본 조건이라고 볼 수 있습니다.

 

1. 성형 재료의 특징 및 성형 금형의 포인트
1) 폴리에틸렌
수축이 커서 왜곡, 변형이 일어나기 쉽다. 냉각 시간이 필요하며, 성형 능률이 그다지 높지 않다. 언더컷이 있는 성형품이 강제적으로 금형으로부터 빠진다. 성형 수축률의 금형 온도 의존성이 크며 안정성이 나쁘다. 성형 금형을 하기 위해서는 재료의 충전 속도를 빨리하는 금형 설계(게이트, 러너)를 해야 하며 냉각 속도를 균일하게 할 수 있는 냉각방식을 채택해야 한다. 성형기의 종류로는 스크류식이 좋고 성형 수축률은 흐름방향 2.5%, 직각 방향 2.0% 정도이다. 또한 왜곡, 변형의 방지를 고려한 성형품 설계를 해야 한다.
2) 폴리아세탈
흐름이 나쁘고 분해가 쉽다. 게이트 부의 외관 불량을 일으키기 쉽다.(플로우 마크) 싱크, 변형을 일으키기 쉽다. 성형 금형을 하기 위해서는 흐름을 좋게 하고 게이트 부의 외관을 좋게 할 수 있는 러너, 게이트의 디자인이 필요하다. 성형기의 종류는 스크류식이 바람직하며 성형 조건, 특히 실린더 온도(재료 온도), 금형 온도의 관리에 주의를 기울여야 한다. 또한 성형 수축률은 2.5% 이하가 되어야 한다.
3) 폴리아마이드(나일론)
용융 점도가 낮고 흐름의 특성은 양호하지만 때문에 플래시가 되기 쉽다. 수축률의 안정성이 나쁘다. 용융온도 이외에서는 굳고, 금형, 스크류 등이 파손될 우려가 있다. 성형 금형을 하기 위해서는 플래시를 방지하기 위한 정밀 금형이 필요하며 공업 부품으로서는 금형 온도를 높이고 결정화에 대한 주의가 필요하다. 싱크 방지의 성형품 설계를 하여 치수 안정성을 좋게 하는 것도 방법이다. 성형 수축률은 1.5%~2.5% 정도이다.
4) ABS
흐름은 좋지 않다. 성형품의 성능은 안정되어 있다. 게이트 부분 표면의 외관 및 웰트가 눈에 띄기 쉽다. 선형 금형을 하기 위해서는 흐름에 대한 러너, 게이트의 적절한 것을 선정해야 하며, 웰드에 대한 게이트 위치를 적절한 것으로 선정해야 한다. 또한 고압 성형으로 인해 드래프트는 2도 이상 필요하며 성형 수축률은 0.5% 정도 필요하다.
5) 불소수지(3불화염화에치렌)
용융 점도가 극히 높아 고압 성형을 요구한다. 변색이 잘 된다. 성형 금형을 하기 위해서는 흐름에 적합한 게이트와 러너의 설계를 해야 하며 고압 사출성형기가 필요하다. 또한 변색 방지의 성형 조건을 선정하고 표면 산화 방지의 금형, 재료, 표면처리를 선정한다. 성형 수축률은 0.5% 정도이다.
6) 폴리프로필렌
성형성이 극히 좋다. 변형, 왜곡, 싱크 등의 사고가 잘 일어난다. 힌지 특성이 있다. 성형 금형을 하기 위해서는 힌지가 있는 성형품 게이트의 디자인에는 주의가 필요하며 싱크, 변형 등을 방지하는 성형품 설계가 필요하다. 성형 수축률은 0.8~1.5% 정도이다.
7) 스타이롤 아크릴 스타이렌(AS)
흐름이 좋고 성형성이 양호하며, 성형 능률도 좋다. 금이 들어가기 쉽다. 플래시가 잘 생기지 않는다. 성형 금형을 하기 위해서는 금형으로부터 돌출 시의 크랙에 주의해서 적절한 노크 아웃 기구를 선정해야 하며, 성형품에 금이 들어가지 않도록 성형품 설계에 주의해야 한다. 특히 드래프트는 1도 이상 붙이며, 금형에 언더컷이 없도록 주의한다. 성형 수축률은 0.45% 정도이다.
8) 아크릴
흐름이 나쁘며 충전 불량, 플로우 마크, 압력 부족에 의한 싱크가 발생하기 쉬워 고압 성형을 필요로 한다. 광학적 용도의 경우 투명도가 문제가 되며, 다른 재료의 혼입, 분해 등에 주의를 요구한다. 성형 금형을 하기 위해서는 고압 성형이 필요하며, 고압 성형기가 필요하다. 드래프트는 될 수 있는 대로 크게 잡아야 한다. 흐름에 대한 러너, 게이트의 설계가 필요하며, 재료 온도, 금형 온도의 관리에 주의가 필요하다. 성형 수축률은 0.35% 정도이다.
9) 폴리카보네이트
용해 점도가 높고 고압, 고온에서의 성형을 필요로 한다. 잔류응력에 의한 금이 발생하기 쉽다. 단단하기 때문에 금형을 파손하기 쉽다. 플래시는 생기기 어렵다. 성형 금형을 하기 위해서는 유동저항이 적은 게이트, 러너의 설계를 해야 하며 살 두께를 어느 정도 두껍게 한 성형품 설계를 하고 금속 인서트의 삽입은 되도록 피한다. 또 드래프트는 2도 이상 붙인다. 재료의 예비 건조를 충분히 해야 하고, 성형은 고압, 고온에서의 성형을 필요로 하고 스크류식이 좋다. 성형 수축률은 0.6% 정도이다.
10) 염화비닐(경질)
열 안정성이 나쁘고, 성형 역과 분해 역이 접근해 있다. 흐름이 좋지 않다. 외관이 나빠지기 쉽다. 금형을 부식시킨다. 성형 금형을 하기 위해서는 재료 온도 관리가 중요하며 스크류식의 성형기가 좋다. 내식을 대비한 표면처리가 필요하고 유동저항이 적은 게이트, 러너의 설계를 해야 한다. 성형 수축률은 0.7% 정도이다.

2. 사출 성형품 성형수축의 요인과 그 관계
1) 성형 조건
재료 온도: 게이트가 작을 때는 실린더 온도를 높이면 수축은 작아지나, 다른 요인에 비교해서 그 영향은 적다. 그러나 이 영향은 결정성 재료에서 볼 수 있는 일로서 비정성 재료로서는 적다. 또 금형 온도가 높으면, 실린더 온도를 높이면 수축이 커질 때가 있다. 이것은 재료의 온도 상승에 따라 금형 온도가 관련해서 상승하여 냉각 속도의 저하가 일어나고 결정화의 증가가 일어나는 것이라고 여겨진다.
사출 압력: 사출 압력을 올리면 수축은 작아진다. 이 변화는 비결정성 재료에서는 직선적으로, 결정성 재료에서는 곡선적으로 일어난다.
금형 온도: 금형 온도를 높게 하면 성형수축은 커진다. 이 영향은 성형품의 살 두께에 영향을 미치는 것이며 살 두께가 얇을수록 그 영향은 크다.
2) 수축차
흐름방향은 일반적으로 직각 방향보다 크다. 실린더 온도를 올리면 수축차는 적어진다. 살 두께가 얇아지면 수축차도 커진다. 수축차에 대해서는 실린더 온도가 가장 기여도가 높다.
3) 성형품 살 두께
살 두께가 두꺼워짐에 따라 수축은 커진다. 플런저 식과 스크류식에서는 후자 쪽이 그 영향을 받기 쉽다.
4) 게이트 크기
게이트의 단면적이 커짐에 따라 성형수축은 작아진다.
5) 경시 변화
일반적으로 경시 변화 10일쯤에서 안정하고 초기의 안정 수축의 순위가 바뀌는 일은 드물다.
6) 어닐링
금형 온도가 높고 살 두께가 두꺼울수록 후 수축은 적다. 성형수축이 일반적으로 크면 후수축은 적다.

 

사출성형 재료의 성형성은 제품 품질과 양산 안정성을 좌우하는 핵심 요소입니다.

재료 특성을 충분히 이해하지 못한 상태에서 조건이나 금형만으로 문제를 해결하려 하면 오히려 시행착오가 반복될 수 있습니다.

이 글에서 정리한 성형성 개념을 기준으로 재료를 선택하고 검토한다면, 보다 안정적인 사출 성형 품질을 확보할 수 있을 것입니다.