성형방법의 종류: 사출성형을 중심으로 알아보는 대표 공정 정리

플라스틱 제품을 생산하는 과정에는 다양한 성형방법이 사용됩니다. 현장에서 작업을 하다 보면, 같은 재료라도 어떤 성형방법을 선택하느냐에 따라 품질과 생산성이 크게 달라지는 경우를 자주 경험하게 됩니다.

특히 사출성형을 중심으로 한 금형 공정에서는 성형방법의 특성을 정확히 이해해야 불필요한 시행착오를 줄일 수 있습니다.
이 글에서는 사출성형을 포함해 대표적인 성형방법의 종류와 특징, 적용 기준을 초보자도 이해할 수 있도록 정리해 보겠습니다.

성형방법이 중요한 이유

제품 형상과 품질에 미치는 영향

성형방법은 단순한 생산 공정 선택이 아니라, 제품 형상 구현 가능 범위와 품질 수준을 결정하는 요소입니다.

• 복잡한 형상 구현 가능 여부
• 표면 품질 수준
• 치수 정밀도

따라서 제품 설계 단계에서부터 적합한 성형방법을 고려하는 것이 중요합니다.

생산성과 비용의 차이

성형방법에 따라 생산 속도와 단가 구조가 크게 달라집니다.

• 대량 생산 적합 여부
• 초기 설비 비용
• 유지 관리 비용

경험상, 성형방법 선택 오류는 양산 단계에서 가장 큰 비용 손실로 이어집니다.

대표적인 플라스틱 성형방법의 종류

1. 압축 성형법
압축 성형은 열경화성 플라스틱 수지 성형에 사용되는 성형 방법으로 열경화성 플라스틱 수지는 실온에서 액체지만 가열되면 고화되고, 고화되면 영구적으로 유지한다. 경화는 가교 결합이라고 하는 화학 반응에 의한 것이다. 압축 성형 방법은 플라스틱 수지가 발명된 이래로 사용 되어온 고전적인 성형 방법이다. 일반적으로 열경화성 플라스틱 수지는 페놀 수지, 멜라민 수지, 우레아 수지, 에폭시 수지 등이 있다. 방법에 관해 설명하자면 캐비티와 코어 금형을 준비하고, 캐비티 금형 내에 수지를 넣고 코어 금형을 닫아 금형을 가열하여 플라스틱 수지를 고화시켜 성형품을 성형한다. 코어 금형을 닫을 때 과도한 양의 수지가 파팅면으로 넘쳐 버리는데 이러한 버는 성형 후에 제거된다. 열가소성 재료는 가열되거나 화학 물질에 대한 내성이 요구되는 환경에는 사용할 수 없으므로 열경화성 플라스틱 수지가 이러한 상황에서 사용된다. 성형이 사용되는 예로는 접시, 그릇 등의 식품 기구, 전기 절연 부품, 장식용 버튼 등이 있다. 구조로는 3가지가 있다. 첫 번째, 포지티브 형 금형. 두 번째, 세미 포지티브 타입 금형. 세 번째, 플래쉬 타입 금형. 이 중에서 세미 포지티브 타입 금형이 가장 자주 사용된다.

2. 압출 성형
압출 성형이란 빗물받이, 회백색 배수관 등의 단면 형상이 동일한 플라스틱 성형품을 연속 성형하는 방법이다. 압출 성형은 플라스틱 성형품을 사출성형으로 만드는 것 다음으로 빈번하게 사용되는 방법이다. 사출 성형과 달리, 일단 다이가 준비되면 다이로부터 비교적 많은 양이 생산될 수 있다. 따라서 압출 성형은 제조업 분야에 많이 응용되는 성형 방법이라 할 수 있다. 압출 성형을 수행하기 위해서는 전용 압출 성형기가 필요하며, 성형품의 형상을 얻기 위해서 다이가 필요하다. 압출 성형용 금형은 일반적으로 압출 다이라고 한다. 압출 다이에는 다양한 유형들이 존재하는데 스트레이트 다이, 크로스헤드 다이, 평 다이, 고체용 다이, 필름용 다이, 파이프용 다이, 커버용 다이가 있다. 압출 다이는 스테인리스강, 니켈-크롬강 또는 합금 공구강으로 제작되며 경질 크롬 도금 또는 표면 처리가 되어 있어 부식과 마모를 견딜 수 있다. 또한, 다이의 홀더 부는 S50C 등의 연강으로 구성되어 있다. 다이의 모양과 디자인은 성형품의 품질을 결정하는 매우 중요한 요소이다. 압출 속도와 같은 가공 조건 또한 중요한 요소이다.

 

3. 고온의 캐비티가 필요한 성형 기술
엔지니어링 플라스틱 수지 및 슈퍼 엔지니어링 플라스틱 수지의 경우 캐비티의 표면 온도가 100℃를 초과하는 플라스틱 수지의 유형이 증가하고 있다. 캐비티의 표면 온도가 약 90℃를 초과하면 일반적으로 뜨거운 물을 사용한 온도 제어 방법으로는 온도를 높이기가 어려워진다. 그러므로 일반적으로 2가지 방법을 사용한다.
1) 전기 히터
전기 히터(카트리지 히터)를 사용하는 온도 제어에는 온도 센터와 함께 히터를 사용하여 온도를 일정하게 유지한다. 열용량이 높기 때문에 온도 상승이 빠르다는 장점이 있다. 하지만 히터의 수명이 짧기 때문에 정기적으로 히터를 교체해야 하고 히터 근처의 온도가 높고 히터로부터 멀리 떨어지면 온도가 낮아 균일한 온도 분포를 유지하기 어렵다. 보다 정확한 온도 제어를 수행하려면 형판 사이에 단열재를 배치하는 것이 좋다. 사출기 및 금형 설치 판 또는 금형을 둘러싸는 단열 판을 설치하는 것도 가능하다. 히터를 장착할 때는 설치할 홀과의 공차가 매우 중요하다. 클리어런스가 너무 크면 히터가 무부하 상태가 되므로 수명이 단축된다. 캐비티 표면 온도가 불안정하면 정밀 성형품의 표면 수축 상태, 치수 및 표면 광택이 변동하게 된다. 이를 고려하여 캐비티 표면 온도를 가능한 한 안정화하기 위해 PID 제어 방법을 권장한다. PID 제어는 다음과 같은 제어를 사용하여 온도가 안정화되는데 필요한 시간을 단축할 수 있는 제어 방법이다. 카트리지 히터는 AC 3상 220V 전원 공급 장치를 사용하여 최대 10kW 히터를 사용하고, 가동 측 금형과 고정측 금형에 이를 통합할 수 있으며, PID 제어를 이용하여 캐비티 표면 온도를 안정적으로 제어할 수 있다. PPS 또는 액정 폴리머의 사출성형을 위한 금형의 경우 캐비티 표면 온도를 100℃ 이상으로 유지해야 하므로 기름을 사용하는 온도 제어 또는 카트리지 히터를 사용하는 온도 제어가 필요하다. 시중에서 구매할 수 있는 카트리지 히터로 자주 사용되는 온도 제어 방법은 히트의 전원을 ON/OFF 하여 온도를 제어하는 ON-OFF 제어 방식이다. ON-OFF 제어는 간단한 스위칭 장치로 구성할 수 있기 때문에 컨트롤러의 가격은 비교적 저렴하지만 캐비티 표면 온도의 변화는 크며, 온도를 안정화하는 것이 어렵다는 단점이 있다. 단열 판은 금형의 온도를 안정화하거나 온도를 유지하면서 에너지 절약을 실현하기 위해 매우 중요한 부품이다. 엔지니어링 플라스틱 또는 슈퍼 엔지니어링 플라스틱의 성형에서 필수적으로 사용된다. 일반적으로 단열재를 사용하는 방법은 두 가지이다. 첫 번째, 사출 성형기의 고정 반에 설치하여 사용. 두 번째, 금형 설치 판 뒤쪽에 설치하여 사용.
2) 기름을 이용한 온도 조절
기름을 이용한 온도 제어에 있어서 재순환 펌프로부터 토출된 기름은 형판과 캐비티에 설치된 유로를 통과하여 조인트 호스를 통해 재순환되어 온도가 일정하게 유지된다. 온도가 설정 온도까지 상승하면 비교적 안정된 온도를 유지할 수 있다. 그러나 온도가 상승하는 데에는 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. 또 기름을 작업하는 동안 사람들이 화상을 입을 수 있는 위험이 있고 작업 이후 기름의 처리가 번거롭다는 문제가 있다.

 

4. 트랜스퍼 성형법
트랜스퍼 성형법은 열경화성 플라스틱의 수지 성형법이다. 압축 성형 방법은 금형이 닫히고 압력이 가해질 때 가해지는 압력이 불균일해질 수 있으며, 결과적으로 얇은 핀 또는 금형의 일부가 변형되어 손상된다. 트랜스퍼 성형은 이러한 압축 성형법의 단점을 개선하는 개선책으로서 제안된 성형 방법이다. 성형 중에 생성되는 가스 또는 기포의 포함을 방지하려는 조치 및 다중 캐비티 몰드에서의 러너 밸런싱은 이 성형법에서 중요한 비법이다. 금형 내부로의 플라스틱 주입은 플런저에 의해 수행된다. 따라서 비교적 균일한 압력으로 금형의 내부에 플라스틱을 주입할 수 있다. 금형은 핫 타입 금형, 플런저 타입 금형으로 분류할 수 있다. 트랜스퍼 성형법은 반도체 MPU의 밀봉 또는 전자 부품의 성형에 매우 빈번하게 사용된다.

 

성형방법의 종류와 특징을 이해하는 것은 사출성형과 금형 설계의 기본 중 기본입니다.

제품 형상, 재료 특성, 생산 조건을 종합적으로 고려해 성형방법을 선택한다면 불필요한 비용과 품질 문제를 충분히 예방할 수 있습니다. 이 글에서 정리한 내용을 제품 개발 초기 단계에서 참고해 보시길 바랍니다.