제 1 장 사출 성형용 plastic
1-1 plastic 개론
plastic의 정의 : 고분자 물질을 주원료로 하여 인공적으로 유용한 형상으로 만든 고체. 단 섬유,고무,도료,접착제 등은 제외한다.
1-1-1 열가소성 plastic과 열경화성 plastic
(1) 열가소성 plastic
상온에서 고체. 열을 가하면 유동체이다. 이 과정을 반복할 수 있는 플라스틱.
범용과 engineering로 분류
1) 범용 plastic
가격 저렴. 성형 용이 (ABS, PS, PE, PP, SAN, PMMA 등)
2) ENGINEERING PLASTIC
기계 부품에 적합한 고성능의 플라스틱, 내열성 100℃ 이상, 인장강도 500kg/cm 이상의 것. --> PC, PA(NYLON), POM, PBT, PPE, PPS 등
결정성과 비결정성의 차이
결정성 : 융해열에 상당하는 열을 발생, 냉각을 충분히..비교적 저온 사출시 수축률도 크고 흐름방향에 의한 수축차도 큼. 결정화 진행전 급냉하면 수축 작아짐.
(2) 열경화성 PLASTIC
일단 고체화 된 것은 재가열해도 유동체로 되지 않는다.
1-1-2 PLASTIC의 일반적 장단점
(1) 장점
가공이 용이. 생산성 우수, 절연성 우수, 착색이 자유로움, 내화학적(내산,내알카리성) 성질 우수. 무독성(식기,식기용품)
(2) 단점
고온에서 사용 어려움, 기계적 강도 부족, 온도변화에 의한 치수 변화 큼, 내후성에 한계, 흠 발생 쉽고, 더러워짐, 연소성 있음.
1-2 사출성형용 Plastic 각론
1-1-1 열가소성 plastic
(1) PS ( Polystyrene)
1)성질
대표적인 비결정성 범용 plastic. 투명하고 강성우수하고 전기적 성질 우수한 비결정성 plastic이다. 반면 취약하고 내열온도 낮으며 내유성이 없다.
-일반용 PS(GPPS) : 취약성 있음. 사출시 과충전 주의.
-내충격성 PS(HPPS) : 취약성 개선. 그러나 반투명이며 내후성 좋지 않음.
2)용도
무독성(식기,식품용기), 투명성 및 강성(완구,문방구류), 내충격성( TV, radio, cabinet)
(2) PE ( Polyethylene)
1)성질
대표적 결정성 Plastic. 반투명, 강인, 전기적 성질, 내약품성, 내한성 등 우수하고 성형도 용이함. 반면 수축률크서 정밀 치수 얻기 힘듬.
2) 용도
-저밀도 PE(LDPE): 유연성을 필요로 하는 용도
-고밀도 PE(HDPE): 강인성을 필요로 하는 용도(일용잡화, 식기, 콘테이너 등)
(3) PP ( Polypropylene)
1) 성질
반투명으로 가벼우며 내열성이 있는 결정성 Plastic.
장점- 굴곡피로에 견디는 강한 성질을 가짐. 성형품 일체형으로 Hinge를 제작가능 (뚜껑,몸체 및 hinge를 일체형으로 성형시켜 뚜껑을 여닫을 수 있게 한 case류)
단점- 사출성형성을 우수하나 성형수축률이 크며, 사출성형품이 휘거나 비틀리기 쉽고 치수가 정밀한 성형품 얻기 힘들다.
(4) ABS (Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)
1)성질
내충격성 PS의 내유성의 부족을 acrylonitrile을 공중합 시킨 plastic이다. 극히 균형이 잡힌 기계적 성질을 가지고 있으며 좋은 광택을 가지고 있다. 결점으로는 polybutadiene을 함유하고 있는 관계로 옥외에서 사용하면 강도의 저하가 현저하고, 특히 오존에 침투된다.
2) 용도
ABS, 특히 고강성 ABS는 고급 범용 plastic이다. 따라서 PS라든가 내충격성 PS가 사용되고 있는 용도중에서 약간의 유지, 가솔린, 윤활유에 접촉되고 있는 경우 또는 PS라든가 PP에서 치수정밀도, sink, 외관에 문제가 있는 경우에 널리 사용된다.
난연제를 첨가한 자기소화성 ABS는 가전제품 등의 전기제품의 하우징 등에 광범위하게 사용된다.
ABS의 중요한 용도 중에 하나는 도금에 바탕재료가 된다. 화학적으로 산화시키면 표면이 미조화면으로 되어 이 면에 금속이 밀착하여 도금층을 이루게 된다.
(5) SAN (Styrene-Acrylonitrile)
1) 성질
PS의 내유성을 개선한 Plastic으로, 투명하고 내유성이 있으며 강성이 큰 비결정성 plastic이다.
2)용도
SAN은 내유성과 투명성을 요하는 용도에 사용. 선풍기의 날개, 배터리케이스 등 일용잡화
(6) PMMA (Polymethyl Methacrylate)
1) 성질
완전투명, 내후성 있음, 강성이 큰 플라스틱, 광선투과율 100% 가까움. 옥외노출시 강도저하율 낮고 변색도 안함. 그러나 작은 응력에도 크래징(crazing)이 발생되기 쉬우며 내열성도 그다지 높지 않다.
2) 용도
투명성 중시하는 용도. 주된 용도는 자동차 미등의 커버, lens 등에 사용되며 고급일용품에도 사용
(7) PVC (Polyvinyl Choride)
1) 성질
경질 PVC(H-PVC)와 연질 PVC(S-PVC)로 나눠짐. 가소제 배합으로 인하여 투명한 제품가능. 난연성 및 내후성 우수한 제품 가능. 연질 PVC는 유연한 Plastic으로 투명하다. 저온에서는 딱딱해지는 결점이 있다. 고온으로 성형 불가. 내식성재료 사용해서 사출해야되기 때문에 가격이 고가.
2) 용도
경질 PVC: 파이프 등의 부품
연질 PVC: 유연성 요하는 용도 즉, 피복, 플러그 등에 사용. PVC만이 아니면 안되는 특수용도 외에는 사용하지 않는 게 좋음.
(8) PC (Polycarbonate)
1) 성질
무색, 투명으로 극히 강인한 비결정성 plastic. 특히 충격강도 큼. 내열성 우수. 내약품성에는 한계 있음. 사출성형시에는 적어도 120℃로 5시간 이상 건조. 또한 유동성은 그다지 좋지 않기 때문에 얇은 벽의 제품이라던가 L/t(길이와 벽두께비)가 큰 제품의 성형은 어려움.
2) 용도
lens, 전등의 cover, relay case, 안전모, 각종 housing류, glass 섬유 강화 PC는 카메라, 정밀공업부품과 난연성의 품종은 가전제품에 널리 사용. 공업용으로도 자동차 분야, 의료기 분야 등 광범위하게 사용됨.
(9) PA (Polyamide, Nylon)
amide 결합(-NH_CO_)으로 규칙적인 연쇄상으로 연결된 선상 Polymer의 총칭이다.
PA는 미국의 du pont사에 의해 합성섬유로 개발되어 나일론 이라는 상품명으로 실용화된 것이다. 나일론 6과 66이 PA 전수요량의 96%차지한다.
1) 나일론 6과 66
대표적인 결정성 plastic으로 내유성, 내열성, 마찰, 마멸, 내충격성의 특성이 우수한 유백색 불투명 plastic이다.
흡습성이 큰 관계로 흡수율에 의한 특성이 변화한다.
사출성형시 용융된 나일론은 그 점도가 극히 낮아 burr 발생이 쉽다.
나일론 6,66은 마찰, 마멸에 대한 성질이 양호하고 강인한 것이기 때문에 기어나 캠 등에 사용되고, 내유성 또한 양호하여 가솔린과 접촉되는 용도에도 이용된다.
2) 나일론 11과 12
나일론 6 및 66의 흡수성의 큰 결점을 개선한 것이다. 다른 물성은 나일론 6 및 66과 유사하나 흡수에 의한 치수변화는 거의 무시될 수 있다.
3) 특수 PA
PA 결합을 가진 비결정성의 투명한 나일론이다. 내유성이 있고 투명을 요하는 용도에 사용된다.
(10) POM (Polyacetal)
polyacetal은 그 화학구조가 polyoxymethylene인 관계로 POM이라는 약호로 부르고 있다.
종류로는 homopolymer와 ethylene oxide와의 copolymer의 2종이 시판되고 있다.
1) 성질
전형적인 결정성 plastic으로 마찰, 마멸특성 우수, 반발탄성 우수. 그러나 결정성 plastic 이므로 성형수축률이 크다. 용제 접착 또는 접착제 접착이 매우 어렵다. 뜨거운 물에서 사용할 수 없다.
(11) PBT (Polybutylene Terephthalate)
1970년 celanese사에 의해 glass 섬유강화형 engineering plastic으로서 상품화된 5대 engineering plastic중 강성, 내열성, 내약품성, 전기특성, 정밀성형성 및 내마멸성의 면에서 최고로 균형잡힌 plastic.
1) 성질 및 특성
① 결정화특성 우수, 빠른 성형시간에도 우수한 표면의 성형품을 얻을 수 있다.
② glass 섬유강화에 의해 강성, 열 변형온도, 내 creep을 향상
③ 전기특성화가 우수하고 난연화가 가능.
④ 흡수성이 적으며 흡수에 의한 물성저하, 치수변화가 무시될 수 있으며 선팽창계수도 작 기 때문에 정밀치수의 성형품을 얻을 수 있다.
⑤ 가솔린, 윤활유 등 각종 약품에 내성이 있다.
⑥ 장기내열, 내산화열화성 양호하고, 120℃~14℃에서 연속사용(10만 시간)이 가능하다.
⑦ 내후성이 우수하다.
2) 용도
전 수요량에 대한 분야별 구성비는 전기, 전자가 약 55%, 자동차가 약 30%, 기타분야가 약 15%로 추정된다.
PBT는 제품의 가공성으로서는 승화인쇄, 각종 기계적 결합법, 용접법, 접착법에 의해 접합이 가능, 후수축으로 치수가 변화하고, warp 발생, 인성저하, 색조변화가 발생하는 것에 주의.
(12) 변성 PPE (Modified Polyphenylene Ether)
변성 PPO (Modified Polyphenylene Oxide)라고도 부르며, 1967년 미국 GE에서 공업화 되어 noryl이라는 상품명으로 불려지고 있다.
비결정성의 열가소성 수지로 성형수축률은 POM이나 PA등의 결정성 수지와 비교하면 작아 치수정밀도를 필요로 하는 용도에 적당하다. 난연성의 요하는 제품에 많이 사용된다.
(13) PET (Polyethylene Terephthalate)
1948년 ICI, 이후 du pont의 양사에 의해 공업화된 이래 그 우수성이 인정되어 현재에는 일반화된 plastic이다.
1) 성질
glass 섬유를 배합하는 것에 의해 충격강도, flexural strength, 인장강도 등의 각종 역학특성이 대폭 향상된다.
2) 용도
약 50%가 전기,전자 분야. 난연성이 필요한 해당분야에서 사용이 활발. 조명기구, 다리미 등의 가정용 전기기구에도 사용되고 자동차분야가 약 30%, 기계분야는 약 10% 정도로 사용.
(14) PPS (Polyphenylene Sulphide)
phenylene기를 유황으로 연결한 구조를 가진 plastic으로 내열성, 치수안정성 및 내약품성이 우수. 강성은 일반적으로 사용되고 있는 열가소성 plastic 중에서 가장 높다.
1-2-2 충진 열가소성 plastic
목적- 열가소성 plastic에 무기물 등을 혼합하여 그 특성을 변화시킨다.
① 강도 및 강성향상
② 성형수축률의 감소
③ 도전성 부여
④ 도금부착성의 향상
⑤ 난연성 향상
⑥ 윤활성 향상
⑦ 전자파 shield성의 부여
(1) 섬유강화 열가소성 plastic (FRTP, Fiber Reinforced Thermoplastics)
열가소성 plastic에 강도가 큰 섬유상 물질인 glass 섬유, 탄소섬유(carbon fiber, or graphite fiber), 티탄산 gallium(Ga) 등을 10~30% 혼합한 플라스틱.
하중변형온도가 상승되고, 강성도 커지며 성형수축률에서도 기본 plastic에 비해 1/2로 된다. 그런 이유로 거의 모든 열가소성 plastic에 glass 섬유등을 혼합한 품종이 시판되고 있다.
(2) 무기물 충전 열가소성 Plastic
PA, PP 등에 무기물, 예를 들면 glass, talc, 운모(mica), 점토, 탄산 gallium 등을 혼합한 것. 강성이 높아져 성형수축률은 작아지며 하중에 의한 처짐온도가 상승하고 경우에 따라서는 용적당의 plastic의 가격도 떨어진다.
(3) 윤활성 향상 열가소성 plastic
베어링, 캠 등에 열가소성 plastic을 사용할 경우, 윤활성과 마찰, 마멸특성이 필요하다. 이를 위해 plastic에 흑연(graphite), 2유화 molybdenum(Mo), silicone oil 등을 혼합하여 만들어지고 있다.
(4) 전도성 plastic과 전자파 shiled용 plastic
전기절연용 재료로 많이 사용. 금속분말, 금속박 또는 도전성이 높은 carbon flake, 탄소섬유 등을 혼입함으로써 가능.
1-2-3 열경화성 Plastic
phenol resin(PF), urea resin(UF), melamine resin(MF), melamine/phenol resin, epoxy resin(EF), silicone resin(SI) 등이 있으며 모두 성형사출 가능. 특별한 사출성형기 필요.
1-4 사출성형용 plastic의 선택
1-4-1 내충격성을 필요로 하는 용도
내충격성의 plastic으로서는 먼저 내충격성 ABS가 선택될 수 있다. 그러나 ABS는 품종에 따라 그 내충격성의 정도가 다름에 주의해야 함. 내충격성용도에 ABS를 지정하는 경우에는 그 충격치를 규정할 필요가 있다(ABS라 지정하면 고유동성 ABS로 되므로 주의해야 한다.).
ABS 이외의 것으로는 PC 및 PA를 들 수 있다. 제일 충격강도가 높은 것은 PC이다.
1-4-2 내열성을 필요로 하는 용도
범용 plastic 중 내열성이 제일 높은 것은 PP이고, 연화점(softening point: plastic에 일정한 하중을 가하고 규정의 온도로 가열할 때 변형을 시작하는 온도)이 120~130℃이다. 일반적으로 내열성의 판정에는 하중에 의한 변형온도가 적용되나 이것은 18.5kg/cm 혹은 4.6kg/cm 의 하중하에서 규정의 변형을 생기게 하는 온도인 것에 주의할 필요 있음.
내열성은 그 용도에 따라 필요한도가 다르나, 100℃ 혹은 그 정도 범위에는 내열성 ABS가 이것보다 약간 높은 120~130℃ 정도의 재료에서는 PC, 변성 PPE(noryl)가 사용된다.
특히 고온을 요하는 경우에는 PBT, PPS, nylon 6, nylon 66 등이 사용된다. 내열성 열가소성 plastic에 glass 섬유 20~30% 혼입한 FRTP는 원래의 plastic 보다 강성이 높기 때문에 당연히 하중변형온도가 상승한다.
1-4-3 치수정밀성과 강성을 필요로 하는 용도
열가소성 plastic 사출성형품의 결점의 하나는 치수정밀성이 나오기 어렵고 강성이 부족한 것이다. 성형수축률이 큰 결정성 plastic은 비결정성 plastic에 비해 훨씬 정밀성 제품을 얻기 어렵다. 이들의 결점을 보완한 것이 glass 섬유강화 열가소성 plastic(FRTP)이다.
FRTP로 시판되고 있는 것으로는 PS, SAN, ABS, PC, PP, PA, POM, PBT, 변성 PPE(noryl)등이 있으며, 거의 모두 plastic에 이른다.
열경화성 plastic에 있어서는 특히 BMC(bulk molding compound; 가늘게 자른 glass 섬유를 충전한 putty상의 불포화 polyester 수지)는 성형수축률이 0이며 강성도 크다.
1-4-4 유연성과 탄성을 필요로 하는 용도
본 용도에는 열가소성 elastomer가 사용된다. 또한 유연성 용도로는 PVC가 사용된다. 그러나, 열가소성 elastomer에는 polystyrene계, polyolefine계, polyurethane계, polyester계, nylon계, 그 밖의 것이 있으나, 모두 고무에 비해 응력, 탄성은 약간 떨어지는 것은 피할 수 없다.
1-4-5 난연성을 필요로 하는 용도
(난연성: 플사스틱 재료가 얼마나 불에 잘 타는지에 대한 정보를 제공하는 물성)
그대로 불연성의 것은 불소수지(flurocarbon resin)이외는 없다. 그러나 자기소화성(불에타지만 불을 떼면 꺼지는 성질)은 PE, ABS, PS, PP, SAN, PC, 변성PPE, PA, PBT, PMMA, phenol, melamine, epoxy 등이 있다. 난연성 plastic의 물성은 원래의 plastic보다 차이가 있음을 주의해야 한다. 즉, 물리적 성질에 있어서도 강도, 내충격성이 낮아지는 것도 많고, 내열성도 하락되는 경우도 있다.
1-4-6 내약품성을 필요로 하는 용도
일반적으로 열가소성 plastic은 강산, 강알카리를 함유해 산, 알카리 및 염기성에 침식되는 일은 거의 없다. 그러나 농질산에 견디는 plastic은 불소수지 외는 없다.
＊ p29 표1.2 주요 plastic의 내약품성 참조
1-4-7 하중을 받는 용도
plastic은 하중을 걸면 변형을 일으키나 그 변형량은 시간에 따라 증대하고, 하중이 크게 되면 장시간 경과 후 파괴되고 만다. 또한 하중을 제거하여도 변형의 회복은 늦고 완전히 원형으로 되돌아오지 않는다. 이것을 creep 현상이라 한다. creep 특성은 온도의존성이 매우 크므로 동일 plastic에서도 그 특성을 달리한다. 그러므로 재료의 선정은 단순히 인장강도 만이 factor가 될 수 없고 creep 강도, 탄성 modulus 등을 고려해야 한다.
1-4-8 마찰, 마멸에 대한 특성을 필요로 하는 용도
본 용도에 우수한 특성을 가진 plastic으로서는 POM, PA, PBT등이 있다. 불소수지는 마찰계수가 매우 작은 재료로 미끄럼에 대해 상당히 우수하나 pV값 및 마멸에 대한 특성은 반드시 우수하지는 않다.
gear, cam, bearing을 일체화한 부품은 POM, PA, PBT가 사용되며, 모두 결정성 plastic 이므로 성형수축률이 커서 정밀치수의 부품제조가 어려운 문제가 있다.
제 2장 Mold 금형
역할: 원하는 형상 및 치수의 성형품을 만들고, 금형안으로 들어온 고온의 용융된 plastic을 냉각시키는 (경우에 따라 가열,보온) 열교환기로서의 역할
2-1 사출성형용 금형의 종류와 기본구조
2-1-1 금형의 종류
＊ p39 표2.1 금형의 종류 참조
(1) 2단 구성 금형 (2-plate형 금형)
parting line에 의해 고정측(cavity)과 가동측(core)으로 분리되는 가장 일반적인 구조의 금형. 특징은 게이트의 종류와 위치를 비교적 임의로 결정할 수 있으며, 형개폐의 스트로크가 짧아 성형사이클이 단축되며, 금형제작비도 저렴하다.
(2) 3단 구성 금형 (3-plate형 금형)
고정측 부착판과 고정측 형판 사이에 runner stripper plate를 설치하고 금형이 열릴 때마다 이 runner stripper plate가 열려 runner를 뺄 수 있도록 한 금형.
특징은 이상적인 gate위치를 설정할 수 있으며, pin point gate의 경우 금형이 열릴 때 gate가 자동절단되고, 그 흔적도 작으며, 또한 multi-cavity로 제작이 가능하다. 그러나 형개폐의 stroke가 길어 성형 cycle이 길고 구조가 복잡하여 금형제작가격이 높다.
(3) 특수 금형
단적으로 표현하긴 곤란하나 특징은 금형이 복잡하고 ejecting에서도 시간이 걸리지만 전용화로 이용되면 그 효과는 크다.
＊ p40~p41 그림 참조
2-1-2 금형의 기본 구성부품
(1) Locate ring (KSB4156)
사출성형기의 nozzle과 금형의 sprue bush와의 적정한 위치를 잡기위한 것.
(2) Sprue Bush (KSB4157)
사출성형기의 nozzle과 접속되는 부분. 빼기구배는 3〬~4〬가 일반적이나 길이가 길 경우는 1〬~2〬로 한다.
(3) Sprue Lock Pin
runner를 sprue bush에서 쉽게 빼낼 수 있도록 하기 위한 것
(4) Runner
용융수지를 sprue bush에서 cavity로 인도하는 유로로서 수지의 종류에 따라 단면형상을 달리한다.
(5) Gate
runner의 종점이자 cavity에 주입되는 용융수지의 흐름을 제어하는 입구이며, 동시에 용융수지가 runner측으로 역류되는 것을 방지하는 역할을 한다. 위치는 성형품의 가장 가까운 곳에 붙이는 것이 원칙.
＊gate의 종류와 특징은 p43 표,그림 참조
금형설계중에서도 runner와 gate의 설계는 매우 섬세한 부분으로, 그 설계의 양부에 따라 성형품의 품질이 좌우된다 해도 과언이 아니다.
(6) 제품의 돌출기구
1) Ejector Pin 돌출 (Pin 돌출)
가장 일반적으로 사용되고 있는 돌출 방법. 돌출위치를 어디에 둘 것인가는 금형설계시 고려되어야 한다. burr의 발생이 쉬운 결점이 있다.
2) Ejector Sleeve 돌출 (sleeve 돌출)
중앙에 구멍이 있는 원형, 성형품, 원형 boss의 ejecting에는 ejector sleeve 돌출 방식이 일반적으로 사용된다.
3) Blade 돌출 (각 Pin 돌출)
폭이 가늘고 깊이가 깊은 rib라든가 격자상의 성형품을 돌출하는데 사용.
4) 압축공기에 의한 돌출
깊이가 깊고, 벽두께가 얇은 제품을 돌출시키는 방식으로 연한 수지라도 변형이라든가 파손을 일으키지 않고 돌출된다.
5) stripper plate
성형품의 전 둘레를 밀어내는 방식으로 돌출력이 강하며, 이형저항이 큰 성형품이라도 확실히 이형되며, 밀어낸 흔적도 눈에 잘 띄지 않는다.
6) 2단 돌출
stripper plate 돌출방식에서 stripper plate 자체내에 제품형상 일부를 넣으면 돌출 후에도 성형품이 stripper plate에 그대로 부착된 상태가 되므로 다시 한번 밀어내지 않으면 안 된다. 이때 돌출 핀 등으로 2단 돌출시켜 제품을 낙하되도록 한다.
7) 이밖에 고정측형판(KSB 4151), 가동측형판(KSB 4151), 받침판(KSB 4151), ejector plate 위 및 아래, guide pin(KSB 4152) 및 guide pin bush(KSB 4155), return pin, guide pin(KSB 4152)등이 있다.
2-1-3 금형의 냉각 및 온도 조절
열가소성 plastic의 경우 plastic이 냉각 고화하지 않으면 안 되므로 금형에 냉각수용 구멍을 뚫고 이곳에 냉각수를 통과시켜 냉각한다.
열경화성 plastic이나 금형온도를 100℃ 이상의 고온으로 유지하고 사출성형해야 하는 열가소성 plastic 금형에서는 금형에 cartridge heater 또는 band heater를 붙여 전열로서 온도조절하여 일정온도를 유지시킨다.
2-1-4 가스 빼기 (Breathing)
가스 빼기불량은 단순히 성형불량으로만 되는 것이 아니고, 엔지니어링 plastic의 경우는 그 수지에 sulfide(황화물)성분이 포함되어 있어 가스 빼기가 부족하면 부식성 가스가 발생해 금형을 부식시킬 위험이 있다.
2-2 금형의 제작
2-2-1 Cavity 수의 결정
생산총수, 생산 로트(lot)가 큰 경우에는 multi-caity가 바람직하다. 그러나 multi-cavity의 경우에는 cavity 자체는 정밀제작 되었어도 sprue에서 cavity에 이르는 거리의 차, gate의 크기의 차 등에 의한 유동저항의 차이가 생기면 각 cavity 제품의 치수의 차가 생길 수 있다. 따라서 높은 정밀도가 요구되는 제품에서는 최대 4cavity 이하로 할 필요가 있다.
2-2-2 금형의 재료
금형재료로서는 현재 KSD3752(기계구조용 탄소강재)의 SM50C, SM55C, KSD3711(크롬 몰리브덴강 강재)의 SCM440 또는 KSD3751(탄소공구강재)의 STC가 사용되고 있다.
금형재료 선정 시 고려사항
① 가공성이 좋을 것
② 구입이 용이할 것
③ 연마가 쉽고, 연마면이 좋을 것
④ 내마모성이 있을 것
⑤ 조직이 균일하고 pin hole이 없을 것
⑥ 용접성이 좋을 것
⑦ 열처리가 용이하고 열처리 후 변형이 없을 것.
2-2-3 금형의 정도
사출성형용 금형의 제조치수는 제품치수에 plastic 제조업자가 지정하는 성형수축률을 감안, 치수를 증가시킨 것이 금형의 치수가 되며, 공차는 제품도면에서 지정공차의 1/2 내지 1/4로 하는 것이 일반이다.
제 3 장 Plastic 제품의 성형법
3-1 성형가공의 개요
plastic 가공은 그 성질이 있는 가소성을 이용한 것으로
① 열가소성 plastic은 가열연화에서 소성가공을 거쳐 냉각경화 한다.
② 열경화성 plastic은 가열연화에서 소성가공을 거쳐 가열경화 한다.
이와 같이 기본적인 공정으로 되어있다.
3-1-2 주요성형법의 각론
(1) 압축성형 (Compression Molding)
성형재료를 금형 cavity에 넣어 형을 닫고 압력과 열을 가해 성형하는 방법.
(2) 이송성형 (Transfer Molding)
열경화성수지의 사출성형이 선구를 이루는 것. 압축성형에서의 가역화과정과 성형공정과를 분리하여 행하는 것이며, 일종의 열경화성 plastic의 사출성형법이라고 말할 수 있다.
트랜스퍼 성형은 페놀수지, 유리아수지, 에폭시수지 등이 있다.
(3) 저압성형
반도체 기술, IC 기술에서는 부품의 방습, 방진 등을 위해 수지에 의한 봉입기술이 필요하게 되었다. 이 봉입가공은 보통 주입성형수지(에폭시수지)로 행하고 있었으나, 최근 이송성형법을 사용하는 저압성형법이 나타나서 양산성이 있는 저압성형이 행하여지게 되었다.
성형조건--> 온도:120~150℃ 또는 그 이하 압력: 2.5~80kg/cm
(4) 블로우 성형 (Blow Molding)
두 장을 합친 사이트상의 성형품 또는 관상성형품을 형속에 넣고 공기를 내부에 불어 넣어 중공품을 만드는 성형법을 블로우 성형 또는 중공성형이라고 하며, 폴리에틸렌의 병 등에 응용되고 있다.
(5) 주형성형(Cast Mold)
유동상태에 있는 수지를 형 또는 면에 흘려 고화시키는 방법이며, 주형수지로서는 열경화성 plastic의 액상 초기 축하물 예를 들면, 페놀수지, 요소수지, 불포화 폴리에스테르 수지 등을 사용.
(6) 적층성형(Laminating)
열경화성 plastic 용액을 기재인 베니어판이나 천 또는 종이에 침투시켜 건조한 것을 중첩시키고 가열,가압하여 판상으로 성형하는 방법을 적층성형이라고 한다.
(7) 압출성형(Extrusion Molding)
압출기(extruder)를 사용하여 압출다이(extrusion die)로부터 가열 연화한 열가역성 plastic을 압출시켜 파이프, 막대기, 시트, 필름, 섬유피복, 전선 등과 같은 제품을 연속적으로 제조하는 방법. 연속적으로 압출가능, 압출다이의 형상에 따라 여러 단면형상의 제품 가능.
(8) 진공성형
1차가공으로 제조된 plastic 시트를 형상에 고정하여 가열 연화시키고 형에 설치한 세공으로부터 진공펌프로 공기를 배출시킴으로써 대기압에서 시트를 형에 밀착시켜 성형하는 방법
(9) 기타성형법
＊p58~p59 그림 참조
3-2 사출 성형법
3-2-1 사출성형의 개요
사출성형은 plastic 성형법의 대표적인 것으로 원재료로부터 여러 형상의 성형품을 직접 얻을 수 있는 점에서 매우 합리적이며, 생산성이 높고, 비교적 높은 정밀도의 제품을 얻을 수 있는 특징을 가지고 있다.
성형사이클,
① 금형의 체결
② 사출
③ 보압
④ 냉각
⑤ 금형의 열림
⑥ 성형품의 돌출
3-2-2 일반 사출성형기의 구조
사출성형기는 형체장치, 사출장치, 구동장치, 전기제어장치의 4가지로 구성
(1) 형체장치 (Mold Clamping System)
금형의 개폐동작을 시키는 것 외에 고압으로 사출되는 용융 plastic에 의해 금형이 열리지 않도록 사출압력 이상으로 강력하게 체결해 주는 역할.
① 유압식(booster ram식이 대표적)
② 기계식(toggle식이 대표적)
③ 복합식(기계/유압식)
＊ p63 그림 참조
(2) 사출 장치
사출성형기에서 가장 중요한 장치로 각사출량을 계량하고 용융계량된 plastic 재료를 확실히 cavity 내로 사출시키는 것이 주된 역할이다.
구조적인 종류는
① plunger 식
② in line screw 식 (가장 일반적)
③ screw preplasticating 방식
④ plunger preplasticating 방식
(3) 구동장치
사출장치나 형체장치를 구동시키는 장치로 유압식, 공기압식, 전동식의 3방식이 있다. 대부분이 유압식이나 기름의 누출 등의 결점이 있음.
(4) 전기제어장치
사출성형기의 전기장치로는 유압 pump용 motor 회로, 가열 cylinder와 금형을 가열하기 위한 Heater 및 온도제어회로, Screw 회전, 사출, 금형개폐를 수행하는 제어회로가 있다.
3-3 Plastic 성형제품의 불량원인과 대책
성형제품의 불량요인
① 성형제품 설계 불량
② 금형 설계 불량
③ 금형가공 제작 불량
④ 성형기계 불량
⑤ 성형기계 운전조건 불량
⑥ 원료수지 선택 불량
⑦ 원료수지 처리, 첨가제 등의 불량
등 크게 7가지로 나눌 수 있다.
우수한 plastic 제품의 성형을 위해서는
① 금형설계, 가공 제작 공정
② 제품 성형 조건
③ 성형 plastic 원료 등
3조건이 서로 유기적으로 잘 조화되어야 좋은 성형품이 생산된다.
3-3-1 성형품의 치수변화
일반적으로 치수 문제는 성형수축의 추정 잘못과 성형 후 발생되는 변형에서 오는 것이다.
(1) 변형의 방지 또는 수정 방법
1) 각종 수축의 주원인
금형온도, 냉각온도, 용융온도, 흐름의 방향성, 두께의 차이, cavity내의 압력, 공기빼기의 부족 등이 있다. 이들 요인 중 하나 또는 이들이 복합으로 작용하여 수축 불균형을 일으킬 수가 있다.
2) 제 1 요인 - 냉각온도
성형품에서 금형으로의 불균일한 열전달이 변형의 중요원인이 된다.
① 성형온도가 높을수록 성형품의 수축은 커진다. 성형품의 한쪽 면이 다른 쪽면보다 뜨거우면 성형품은 천천히 냉각되므로 뜨거운 쪽에서 더 많이 수축될 것이다.
② 열유동로의 특성에 의해 전달할 수 있는 열량을 제한 할 수도 있다. 예를 들면 긴 코어핀의 끝에서 몰드 베이스로는 열을 전달할 기회는 거의 없다. 냉각을 위해 코어를 넣지 않으면 핀직경의 5배만큼 cavity내에 돌출된 핀은 금형의 다른 부분보다 30~60℃ 만큼 더 뜨거워지기가 쉽다. 이것 때문에 변형이 생기거나 달라붙음 또는 이젝션 문제를 일으킬 수도 있다.
③ 금형재료
변형은 금형의 각부에 각기 다른 열전도를 가지는 재료가 사용된 금형에서 나타난다.
3) 제 2의 요인 - 단면의 두께
단면의 두께가 변화되도록 설계한 제품은 그 부분이 독립적으로 수축되지 않는 한 명백히 변형이나 성형응력이 잔류하게 된다. 이것이 변형의 주요인이며 제품을 다시 설계하지 않는 한 해결 방법이 없다.
4) 제 3의 요인 - 흐름의 방향
cavity 충진 과정에서 반쯤 고화된 수지의 외측윤곽을 통하여 수지가 유동되어 점선전단을 일으키고 gate로부터 방출이 막혀 응력을 일으킨다.
5) 제 4요인 - 압력분포
길이가 길고 두께가 얇은 cavity의 압력강하는 gate 부근의 높은 압력을 발생시켜 그 부분의 수축을 줄인다.
6) 제 5요인 - 불균일한 용융온도
용융수지가 차지하는 체적은 온도에 따라 증가한다.(즉, 용융수지의 밀도는 온도가 상승하면 감소한다.)그러므로 냉각에 대한 수축은 용융온도에 따라 달라진다.
7) 정확한 원인의 확인
설계자는 변형문제에 몇 가지 기술을 이용하지만 제일 먼저 검토할 곳은 설계단계이다. 변형문제를 수정하는 것은 통상 어려운 작업이다. 변형문제는 정확한 원인을 알면 90%는 해결된다.
(2) 치수의 측정
성형품의 치수 측정에 있어서 개인오차가 나와 정확한 정밀도를 잡기 어렵다. plastic은 약간의 접촉압력에도 변형되어 올바른 치수를 알 수 없다.
측정오차나 미스는 다음의 원인에도 기인한다.
① 측정기 고체의 차 : 정기적으로 검사한다.
② 개인의 습관에 의한 차 : 훈련하여 일치시킨다.
③ 눈금의 읽음 불량, 기록 미스, 계산 틀림, 부주의
④ 환경, 온도 차 : 고정도의 것을 항온실내에 넣어 수일후 측정한다.
*치수측정의 일반적인 주의사항
① 성형직후는 치수변화가 크므로 규정시간이 경과한 후에 잰다.
② 측정압을 최소한으로 한다.
③ 습기를 흡수하는 것이나 정밀측정은 항온항습실에서 1~2일 방치한 후에 잰다.
④ 도면의 기준선은 성형품에는 없으므로 이를 정하는 방법이 문제가 된다. 기준선이 성형품의 바깥에 있는 것도 있다.
⑤ 구멍의 중심은 구하기 어렵다. 구멍은 굽어 있거나 크기가 출입구와 가운데가 다른 것이 있다.
⑥ 직교하는 기준선을 사용한 투영기에서의 측정은 문제가 되는 경우가 많다.
⑦ PL(Parting Line)면은 일반적으로 순평면이 아니므로 기준면이 되지 않는다. 끝단은 거스러미가 생 기기 쉽다.
⑧ 빼기 테이퍼(taper)가 있다.
⑨ 수지의 흐름방향에 따라 수축이 다르다.
⑩ 모서리의 각 부분은 R이 되기 쉽다.
⑪ 방전 가공면의 치수는 성형품에서는 금형의 오목부를, 금형의 측정에서는 볼록부를 측정하는 것이 된다. 수축률의 계산에 틀리기 쉽다.
⑫ 피측정물의 성형조건과 측정방법을 상세히 기록하고 심플을 일정기간 보관한다.
(3) 치수한계
정밀 금속을 plastic화 하고 싶다. 그렇다면 현재의 기술수준으로 본 금형정도, 성형품정도의 한계는 어떻게 정하는가?
plastic은 연한데도 설계자는 금속과 같은 엄격한 치수를 넣고 있으나, 많은 기능상의 불량은 근거도 없는 엄격한 치수를 넣는 데서부터 발생된다.
(4) 성형품의 내외경 치수정도
구멍이 너무 클 경우에는
① 사출압을 높인다.
② 금형온도를 높인다.
③ 부분적으로 금형온도를 다르게 한다.
④ 금형온도의 불균일을 조사한다.
⑤ gate의 형상을 조사한다.
⑥ 밑핀이 원활하고 균일하게 공랭되어 있는가
⑦ 교정치구를 사용한다.
⑧ 2차압의 절환시점을 조정한다.
⑨ 2차압을 낮게 한다
⑩ 다점 gate로 한다.
⑪ 언더컷이 있는가, 어떤가
⑫ 사이클을 길게 한다. 등의 해결수단이 있다.
3-3-2 성형품의 불량원인과 대책
(1) Short Shot
수지가 성형기의 실린더 안에서 충분히 가열되지 않거나 사출압력과 금형 온도가 매우 낮을 경우, 금형 전체에 수지가 들어가지 않고 고화해서 성형품의 일부가 모자라는 현상. 주원인은,
① 수지의 유동성이 부족하다.
② 금형내압이 부족하다.
③ 성형기의 능력이 부족하다.
④ cabity안의 공기 빠짐이 불량하다.
⑤ 재료공급량이 부적정하다.
⑥ 유동저항이 너무 크다.
등인데 가장 결정적인 요인은 금형의 형상과 수지의 유동성이다.
1) 대책
① 성형기계의 능력 부족
가열시간 연장, screw 회전수의 증가, 배압(back pressure)의 증가, 능력이 큰 기계로의 교체
② 여러개 빼기의 일부가 충전 부족
gate 평형을 수정, 즉 런너지름을 크게 한다.
③ 수지의 유동성이 부족
적절한 수지 선정, 수지온도 향상, 사출압력 증가, 사출속도 증가, 금형온도 증가, 또 성형조건과 성형품의 살두께에 의해서도 좌우된다. 수지의 유동성 척도로는 카달로그 등에 melt flow index(MFI)나 스파이럴 플로우 길이로서 표시되어 있다.
④ 유동저항이 클 때 (충전불량)
노즐, 스프루, 런너, gate의 단면적 넓힘. 길이 단축, gate의 위치 변경, 보조 런너 설치, 사다리꼴 런너 사용, 일부의 두께를 증가하여 보조런너로 사용, cold slut well을 크게 설치, 금형온도 증가
⑤ cavity 내의 배기 불량
공기가 빠질 수 있도록 사출속도 낮춤. 금형내의 공기를 진공펌프로 배기. 공기가 빠질 구멍을 설치. 공기가 빠질 곳을 금형의 구조에 따라 설치 즉 금형의 일부를 코어로 하여 코어의 틈새로 공기가 빠지게 하던가, 파팅면의 일부에 얇은 홈을 내든가 ejector 핀(밀핀)을 설치하여 그 틈새로 공기가 빠지게 한다.
⑥ 형조임력(clamping force) 부족
동일 사출량의 기계라도 형조임력이 부족하여 사출압력으로 가동축이 약간 움직이면 플래시(성형귀)가 발생하여 제품의 중량이 증가하고, 사출량이 부족되어 기계의 능력부족과 같은 부족이 된다.
⑦ 수지의 공급이 불충분
원인은 ①hopper 안에서 수지가 브리징을 일으켜서 실린더에 공급부족 ②screw식 사출성형기는 수지가 실린더내에서 미끄러져 앞으로 이송되지 못할 때가 분말 혹은 부정형인 펠레트는 호퍼에 붙는 경우가 있다.
가끔 성형기계의 능력을 과대평가해서 실패하는 경우도 있음.
⑧ 수지 공급 과잉
특히 플런저식 사출성형기계는 실린더 내에 많은 수지가 들어가면 사출압력, 즉 실린더내의 수지를 미는 압력이 펠레트의 압축에 소비되어 실제 사출성형에 필요한 노즐에서 나오는 수지압력이 감소되어 사출압력 부족 현상이 나타나게 된다.
(2) 금형 상처, 긁힌 상처(Mold Mark)
1) 특징
금형상처는 금형표면의 상처가 제품표면에 나타나는 현상
긁힌 상처는 금형의 역테이퍼 혹은 테이퍼의 부족이 제품과 금형마찰면에 상처가 생기는 현상.
2) 대책
뽑기 테이퍼 충분히 줄 것.
(3) 플래시(Flash) 또는 Burr
금형의 맞춤면, 즉 고정형과 이동형 사이, 슬라이드 부분, insert의 틈새, ejector 핀의 간격 등에 수지가 흘러들어가 제품에 필요 이상의 막인 지느러미가 생기는 현상.
주원인은,
① 금형의 맞춤면, 분할면 등의 불량에 의함.
② 형체력의 부족에 의함.
③ 수지의 용융점도가 너무 낮음.
④ 금형 사이에 이물이 끼어 있음.
2)대책
① 형조임력이 부족
사출압력을 낮추거나 형조임력을 높이는 방법과 유동성이 좋은 수지로 바꾼다.
cavity 내의 압력은 일반적으로 200~400kg/cm 의 값이 취해진다.
② 금형의 밀착이 나쁨
토글식 형조임 기구는 4개 또는 2개의 타이바를 균등하게 조정한다.
슬라이드 코어의 밀어젖힘을 충분하게 한다.
③ 금형의 휨(bending) 변형
④ 수지의 유동성이 좋을 경우
금형온도와 수지온도를 내린다. 이 대책은 일시적인 것으로서 재료의 특성을 저하시키는 경우도 있으므로 주의해야 한다.
⑤ 수지 공급의 과다
플래시의 직접원인은 아니나 싱크마크를 방지하기 위해 수지를 너무 많이 공급하지 말고, 사출기간, 보압(유지압)시간을 증가시켜 성형한다.
⑥ 사출압력 과다
금형의 맞춤면에 이물을 끼우고 형체를 하면 금형이 비틀어져서 틈이 생기고 홈이 생겨 플래시가 나오게 되므로 주의해야 한다.
⑦ 금형 분할면의 이물
금형면을 깨끗이 하고, 금형면의 밀착을 좋게 한다.
(4) 싱크 마크 (Sink Mark)
성형품의 표면에 있는 오목한 부분을 말하며 성형품의 불량 중 가장 많다. 수지의 성형 수축에 의한 것으로 제거가 곤란한 경우가 많다.
금형에 접하는 표면이 빨리 냉각되어 고화, 수축한다. 내부는 냉각이 늦으므로 수축도 늦다. 따라서 빨리 수축하는 쪽으로 재료는 움직이고, 늦게 수축하는 부분은 수지량이 부족해서 기포가 된다. sink mark는 성형품의 냉각이 비교적 늦은 부분으로, 표면이 내부의 기포발생을 없애는 방향으로 끌려서 오목면이 되는 즉, 성형품의 두꺼운 부분에 발생하기 쉽다. 특히 수축이 큰 수지(폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리아세탈 등) 일수록 심하다.
주요 원인은
① 성형품의 살두께가 불균일하다.
② 금형의 냉각이 불균일하거나 불충분하다.
③ 금형내 압력이 부족해서 충분히 압축되지 않는다.
④ 사출속도가 너무 빠르다.
⑤ 재료의 수축이 큰 것 등이다.
2) 유의점
① 수축이 큰 수치는 3mm이하로 가급적 균일하게 설계
② 싱크 마크가 발생하기 쉬운 장소는 냉각을 강력하게 한다.
③ gate와 런너의 단면적을 크게 또는 짧게 하고 사출유지 시간을 길게한다.
④ 재료의 무기물을 첨가하는 것도 개선의 일책
3) 대책
① 압축의 부족
사출압력(보압)이 걸리도록 스프루, 런너, gate 지름을 크게 한다. 수지의 흐름이 너무 좋아서 가입시 플래시 발생시킬 수도 있으니 주의.
② 계량 조정의 불량
screw 식 사출성형기로 성형하면 사출이 끝났을 때, screw의 선단과 노즐 사이에 적당량의 용융수지를 남기는데 이것을 쿠션이라 한다. 큐션량은 규정대로 두고, 사출이 끝난 다음에도 screw가 수 mm에서 10수mm 더 전진하도록 한다.
③ 싱크마크가 이면에 나타남
sink mark가 나타나면 안 되는 면의 반대면을 가온하여 성형한다.
④ 냉각의 불균일
예를 들어, 보스(boss)는 바깥지름이 필요시 중앙에 sink mark 제거용 핀을 설치하고 보스에 강도가 필요할 때 보스 자체를 굵게 하지 말고 보강 리브(rib)로 대체한다.
⑤ 수축량이 큼
수지의 열팽창계수가 크면 sink mark가 발생하기 쉽다. 저온에서 성형하거나 사출압력을 크게 한다. 또 수지에 무기물 충전제, 예를 들어 유리섬유, 석면 등을 혼합하면 싱크마크가 작아진다.
(5) 휨(wrap), 굽힘(Bending) 및 뒤틀림(Twisting)
[특징]
성형품의 변형은 그 형상에 따른 성형수축에 의한 잔류변형, 성형조건에 의한 잔류응력(오버팩, 수지온도, 금형온도, 사출압력 등), 이형시에 발생하는 잔류응력 등으로 변형과 crack이 발생
1) 휨 (wrap)
[대책]
① 상자 모양 성형품의 측벽의 안쪽 휨
안쪽 휨은 코어의 온도가 cavity 온도보다 높을 때에 생긴다. 상자형 성형품의 안쪽 휨일 때는 코어의 냉각이 충분히 되도록 냉각수 홈을 배치해 둔다. 사출성형에서의 냉각이란 용융된 고온의 수지를 유동이 완료된 후 빨리 금형 밖으로 배출하는 것으로서, 냉수와의 열교환이다.
② Rib 쪽과 그 반대쪽으로의 휨
rib는 반드시 휨의 원인이 되는 것은 아니지만 rib의 두께, 높이에 따라 휨이 생긴다.
금형의 냉각에 주의함과 동시에 rib의 살두께, 높이 등의 수정도 필요하다.
③ gate 쪽으로의 휨
다이렉트 gate의 성형품에서 흔히 볼 수 있다.
뒤밀기에 의한 내부변형이 원인이므로 2차 압력을 내리든가 뒤밀기 시간의 단축 또는 병용으로 대처한다.
2) 구부러짐 (bending)
가늘고 긴 통 모양의 성형품에서 흔히 발생한다. 볼펜의 축이나 잉크가 든 심(core)등에 발생한다.
가늘고 긴 코어가 수지의 압력을 견디지 못하고 휘어서 발생.
3) 뒤틀림 (Twisting)
고밀도 폴리에틸렌을 센터 gate로 성형할 때에 가장 많이 발생되는 변형. 이것은 흐름방향의 수축률이 흐름에 직각방향의 수축률보다 클 때에 일어나는 현상이다.
＊ p95 그림 3.43 (성형수축률과 온도의 관계) 참조
4) 외부응력에 의한 성형후 변형
금형내에서 완전하게 냉각후 이형, 보조 수단으로 냉각 외에 냉각 지그 사용하는 변형 고정법도 있다.
(6) 깨짐, 균열(crack), 크레이징(crazing) 및 백화
1) 특징
성형품에 잔류응력에 기인하여 성형품 표면에 가는 선 모양의 금이 가거니 균열되는 것을 말함.
내부응력은 투명한 성형품일 경우 편광광선을 쪼이면 무지개 모양의 줄무늬를 볼 수 있다.
2) 유의점
① 급격한 살두께의 변화, 코너 부분이 날카로운 각, 나사나 재료의 흐름이 갑자기 바꾸는 장소가 있으면 난류를 일으켜 응력이 발생하므로 crazing이 발생한다.
② 금형의 연마가 나쁘거나 흡기구배가 부족하거나 언더컷이 있을 때는 이형하기 어렵다.
③ 유지시간을 길게 해서 sink mark나 기포를 없애려면 gate 부근에 밀도가 높은 부분이 생겨 과도한 잔류응력이 남게 된다.
④ 금속 insert를 할 경우 수지가 수축해서 insert를 조이므로 insert에서는 가능한 한 둥글게 한다. 금속 insert를 가열해서 성형하면 변형은 적어진다.
3) 대책
① 이형불량으로 발생하는 변형
성형할 때 금형의 뽑기 테이퍼가 부족하거나 역테이퍼(reverse-tapered) 또는 연마가 불량하면 제품이 빠지기 힘들어 파손되거나 백화된다.
금형의 연마에 주의를 해야 한다. 또한 taper을 주어야 하고 성형품이 잘 깨지는 부분에 ejector 핀을 설치하여 제품이 구부러지지 않으면서 빠지도록 해야 한다.
② 과잉충전에 의한 변형
성형할 때 sink mark를 막기 위해 금형에 수지를 너무 많이 공급하면 성형품의 내부변형이 커지고 수축량이 적어 깨지기도 쉽다. 이것을 오래 방치하면 내부변형으로 crazing이 나타나기 쉽다.
막기 위해서는 성형 후 성형품을 가열 풀림(annealing)하여 내부변형을 제거하는 것이 좋다.
③ 냉각 불충분에 의한 변형
성형품을 고화가 덜된 상태에서 밀어내면 ejector pin의 주위가 깨어지거나 백화가 생긴다. 이에 대한 대책은 냉각을 충분히 하거나 혹은 금형의 냉각 방법을 개선하는 방법이 있다.
④ insert 주위가 깨지는 변형
insert를 미리 가열하여 가능한 한 수축의 차를 작게 하거나 풀림을 한다.
(7) 웰드 라인 (Weld line : Weld Mark)
1) 특징
용융수지가 금형내를 분기해서 흐르다가 합류한 부분에 생기는 가는 선을 말한다.
weld 부분은 융합이 완전하지 않을 때에 강도가 저하 하므로 설계면에서 반드시 고려해 두어야 한다.
2) 대책
① weld line의 위치 불량
weld line을 gate와 제품의 형상으로도 제거하기 곤란한 경우는 적당한 위치로 옮기거나, gate의 크기를 변동시켜 불균형으로 해주기도 하고, 또는 제품의 두께를 변형시키는 방법도 있다.
② 수지의 흐름이 부족할 때
수지의 흐름이 부족하면 weld line 부분은 수지온도가 낮아지므로 압력이 감소되고 weld line이 커져 성형품의 강도가 저하한다.
유동저항을 내리고 수지온도를 높여 유동성을 증가시킨다. 금형의 온도를 높인다. gate를 확장한다. 수지를 유동성이 좋은 것으로 바꾼다.
③ 공기 또는 휘발분의 유입
가스가 빠지도록 insert 틈새를 이용하여 판을 설치한다.
④ 이형제에 의한 불량
실리콘계 이형제는 이 현상이 많이 나타나는데 weld 부분이 크게 되면 제품이 힘없이 깨진다.
⑤ 착색제
알루미늄박과 파알 착색제가 들어간 펠레트(pellet)로 제품을 성형하면 weld line은 그 착색제의 성질상 뚜렷하게 나타난다. 이 때, weld 부분이 없도록 설계하여 제거한다.
(8) 플로우 마크 (Flow Mark)
1) 특징
금형내에서 수지가 흐른 자국이 gate를 중심으로 얼룩 무늬가 동심원으로 나타나는 현상이다. 최초로 유입한 수지의 냉각이 너무 빠르기 때문이다.
2) 유의점
① 수지온도와 금형온도를 올린다.
② 살두께 변화를 완만하게 한다.
③ 단면적을 넓히고 또한 cold slug(slug well)를 붙인다.
3) 대책
① 수지의 점도가 너무 클 경우
수지의 점도가 너무 클 때에는 수지가 금형면에 접촉 즉시 교환한다. 그렇게 하지 않으면 뒤에서 밀려오는 수지에 밀려 얼룩무늬가 생긴다. 수지에 온도와 금형온도는 올린다.
② 수지온도가 불균일할 때
노즐 온도를 높이고 노즐을 잘 연마한다. 특히 콜드 슬러그 웰(cold slug well)을 크게 하면 그 효과가 클 때가 있다.
③ 금형온도의 부적당
금형의 온도를 높이면 되지만 필연적으로 사이클이 길어진다. 특히 두께가 얇은 부분은 금형면의 온도가 급히 내려가서 고화가 빨라지므로 플로우 마크가 잘 생긴다.
(9) 실버 스트릭 (은줄: Silver Streak)
1) 특징
성형품의 표면 또는 가까이에 수지의 흐름 방향으로 발생하는 매우 가는 선의 다발로 투명재료에서는 은백색의 선으로 흔히 보이는 현상이다. 폴리카보네이트, 폴리염화비닐, AS 수지 등에 흔히 발생한다.
2) 유의점
① 재료를 완전히 건조시키면 된다. 건조는 재료의 연화점 이하에서 하는데 일반적으로 89~85℃에서
3~4시간이 적당하다.
② 실린더 내의 재료가 퍼지는 것은 물론 이종 재료의 혼입에 주의한다. 수지온도를 내리고 금형온도를 올려 윤활제의 사용량을 조절한다.
③ 가스빼기도 충분히 한다.
3) 대책
① 수분 및 휘발분
건조가 불량한 수지로 성형하면 실린더 내에 수분과 휘발분이 기화하여 노즐에서 수지와 함께 나온다. 이 가스와 혼합된 수지가 금형면에 접촉되어 고화될 때 금형과 수지가 완전 밀착이 안되어 수지의 흐름 방향에 은줄, 즉 실버 스트릭이 제품에 나타난다. 이 현상은 쿠션량이 부족할 때 특히 많다.
건조를 충분히 하고 수분과의 부착을 제거해야 한다.
② 수지의 분해
수지에 첨가되는 안전제와 대전방지제 등이 분해하여 가스가 나와서 수분의 건조 불충분으로 생기는 이유와 동일하게 발생. 수지가 분해하지 않게 수지온도를 내리고 성형과 동시에 실린더 내에 체류하는 시간을 짧게 한다.
③ 공기 흡입
screw식 사출성형기는 가끔 공기가 노즐방향으로 빠지면서 가스가 들어간 수지가 나오게 되는데 금형면의 밀착이 나빠 발생하기도 한다. 호퍼밀의 온도를 낮추고, 또한 가열 실린더 뒷부분의 온도를 내리고 screw 회전수를 증가시키고, 배압을 높인다.
④ 수지온도의 저하
금형에 들어가는 수지의 온도가 낮으면 플로우 마크로 나타나는데 금형에 따라 실버스트릭으로 되는 수가 있다.
⑤ 금형면의 수분 및 휘발분
금형면이 수분으로 오염될 때 수지가 기화하여 실버 스트릭을 발생시키고 제품에 흐름이 뒤따르므로 실버스트릭의 결합은 흐름의 불량만 해결하면 동시에 해결된다.
⑥ 수지의 분말
③의 방지조건대로 한다.
⑦ 이종 수지 혼입
서로 용융점이 다른 두 종류의 수지를 혼합 성형하면 층상박리를 일으키는데 경우에 따라 실버스트릭으로 나타난다. 스프루와 실린더를 청소하거나 오염된 펠레트의 사용을 금지해야 한다.
(10) 태움 (Black Spots)
금형내의 공기가 압축과 고온으로 인한 열로 수지가 타는 현상. 에어 벤트를 설치하는 것이 가장 좋은 수단. 이 때는 사출속도를 느리게 하여 공기의 파팅라인을 통한 배기, insert의 틈새, ejector 핀의 틈새, 파팅라인에 설치한 얕은 홈을 만든다.
(11) 검은 줄 (Black Streak)
1) 특징
성형품의 내부에 수지나 수지중의 첨가제 또는 윤활제가 열분해하고 공기가 말려 들어가서 성형품이 검은 줄 모양으로 타서 나타나는 현상이다. 수지나 첨가제의 분해와 태움 및 이물의 혼입이 원인이다.
2) 유의점
① 성형 사이클이 길 때와 성형기의 용량에 비해 성형품이 과소할 때 재료가 과열되어 분해 또는 태움을 일으켜서 생기는 경우가 많으므로 주의하여야 한다.
② 실린더 내부나 스프루에 흠이 있으면 마찰열도 가해져 산화되어 검은 이물이 되고 수지에 섞이면 검음 줄이 되므로 주의하여야 한다.
③ 금형의 공기 배기를 충분히 하고, 사출속도를 낮추고, 수지온도 사출압력을 낮춘다.
④ 윤활제 등의 가연성 휘발분을 함유한 것은 극력 피하거나 사용량을 줄인다.
3) 대책
① 수지의 열분해
수지온도를 내려 성형시 실린더내에 수지가 오래 체류하지 않도록 한다. 성형기를 깨끗이 청소한다. 수지온도에 주의한다.
② 공기의 단열 압축
사출성형용 수지 이외의 미끄럼이 불량한 펠레트를 사용했을 때에만 생기는 현상이다.
③ 가열 실린더의 소손
가열 실린더나 체크 밸브가 타서 못쓰게 되거나 그 틈새에서 타버린 수지가 나와 검은 줄이 생기는 경우
(12) 광택불량(표면흐림)과 가스얼룩
성형품의 표면이 수지 원래의 광택과 다르고 층상에 유백색의 막에 덮혀 안개가 낀 듯한 상태가 되는 현상. 금형의 연마 부족, 윤활제, 이형제의 과다 사용 등이 원인이다.
(13) 색의 얼룩
제품 표면의 색이 균일하지 못하여 얼룩지는 현상. gate 부근은 착색제의 분산불량, 표면전체에 나타나면 열안정성의 불량이다. 표면 또는 웰드부에 색이 얼룩지면 착색제에 의한 것이다.
(14) 기포(Void), 핀 홀(Pin Hole)
성형품의 두꺼운 부분 내부에 생기는 공극을 말한다. 이것은 제품이 고화할 때 외측이 먼저 냉각 고화하여 전체 용적보다 수지의 양이 줄어 용적 부분으로 내부에 진공의 구멍이 생기는 것을 기포라 한다.
(15) 투명도의 불량
1) 특징
첫째, 성형품 표면의 잔 요철과 둘째로는 성형품의 광선 투과율의 저하이다.
2) 대책
① 표면의 잔요철
표면을 평활하게, 금형의 연마, 수지온도, 금형의 온도 상승 및 이형제로 방지
② 수지의 변화에 의한 변형
수지온도를 내린다. 수지체류시간을 짧게 하여 열분해가 생기지 않도록 한다.
(16) 이물 혼입
1) 특징
제품 중에 수지 이외의 이물이 혼입되어 있을 때 나타나는 현상.
(17) insert의 불량
금속 insert를 매입할 때는 여러 가지 불량이 발생한다. 이 때에는 금속 insert 주위의 균열, 금속 insert의 휨, insert 치수허용차를 충분히 검토한다.
(18) 이형 불량
금형에서 성형품이 떨어지기 어려운 현상이며, 스프루나 런너에도 생기는 경우가 있다
원인--> 빼기구배의 부족, 언더컷과 금형의 지나친 냉각, 금형의 연마 불량과 과대한 사출압력이나 충 전과잉 등
(19) 제팅 (Jetting)
1) 특징
gate에서 cavity에 분사된 수지가 끈 모양의 형태로 고화해서 성형품의 표면에 꾸불꾸불한 모양을 나타내는 현상
2) 대책
① gate의 위치를 재료의 두께 방향으로 cavity 벽의 근거리에 닿도록 설치한다.
② 유속을 줄이기 위해 gate의 단면적을 확장, 금형과 노즐의 온도 증가
(20) 취약
1) 특징
성형품의 강도가 본래의 수지강도보다 훨씬 약한 경우
2) 대책
① 수지의 열열화
저온에서 성형할 수 있는 금형으로 하고 스크랩의 혼입을 피한다. 즉 스프루, 런너, gate를 선택하여야 한다.
② 수지의 가수분해
흡습한 수지를 건조하지 않고 고온에서 성형할 때 가수분해를 일으켜 매우 취약한 제품이 되는 경우
③ 수지의 배향에 의한 불량
수지의 흐름방향은 강도가 강하지만 직각방향은 약한 경우. 사출속도 증가, 사출압력 증가
④ Weld mark
weld부는 수지가 완전히 융해하지 못한 부분으로 본래 수지의 강도보다 작아지는 경우.
⑤ 수지의 혼합이 불충분한 경우
플런저식에서 생기기 쉬움. 혼합을 충분히 하고, 완전히 하려면 압출기에 한번 통하고 다시 펠레트화 하면 된다.
⑥ 흡습이 불충분한 경우
나일론과 폴리아미드는 흡습하면 강도가 커진다.
(21) 박리
1) 특징
성형품이 층상으로 겹친 상태가 되어 벗기면 층층으로 벗겨지는 상태. 이종수지의 혼합과 성형조건에 따라 형성 라미네이션 또는 층상박리라고 한다.
2) 대책
① 이종수지의 혼합
폴리스틸렌(PS)과 폴리에틸렌(PE)과 같이 융합될 수 없는 수지를 혼합할 때 생김. 이종수지를 충분히 퍼지하던가 실린더 안을 청소하는 것이 좋다.
② 성형조건의 불량
수지온도가 매우 낮고 금형온도도 매우 낮을 때 성형하면 접촉한 수지가 즉시 고화하여 발생. 수지온도 증가. 금형온도 증가로 해결
제 4 장 사출성형품의 설계 및 2차 가공
4-1 사출성형품의 설계
4-1-1 Parting Line (PL,P/L)
P/L의 결정은 성형품의 설계에서 제일 먼저 고려해야 할 사항. 금형이 분할되었을 때 성형품은 원칙적으로 금형의 가동측형판에 달라붙도록 고려하여 P/L의 위치를 결정하여야 한다.
(1) 가능한 간단히 할 것
P/L이 복잡하면 금형의 고정측형판과 가동측형판이 서로 잘 만나기가 어려워져 성형품에 burr가 발생하기 쉽다. *p119 그림4.1-4.2 참조
(2) 금형이 완전히 만나지 않는 점에 주의할 것.
* p120 그림4.3 참조
4-1-2 Gate
gate 위치는 끝손질이 용이하고 외관상 눈에 잘 띄지 않는 곳에 설정해야 한다. 제품상에서 살두께가 두꺼운 부분에 설정해야 하고, weld line의 방향에 주의, gate 부근이 성형후 뒤틀림 발생에 주의, 제팅(성형품 표면이 꾸불꾸불 선모양)등의 여러상황은 유의해야 함.
(1) 길이가 긴 봉(Shaft)
봉 중앙에 gate를 잡고 성형하면 휨 발생. 봉의 끝단 혹은 끝단 근처에 설치하는 것이 좋음.
(2) 평판 또는 얕은 상자형
중앙부 위에 direct gate 혹은 핀 포인트 gate를 사용해서는 안된다. 수축률의 차이로 현저하게 비틀림 발생.
다점(多占) 핀 포인트 gate 혹은 평판의 한쪽 편에서의 팬 혹은 필름 gate가 좋은나 직진도가 크게 중요시 되지 않을 때는 사이드 gate도 사용되고 있다.
(3) 외관에서의 제약
overlap gate, submarine gate를 사용한다.
4-1-3 Ejection (금형에서 성형품의 돌출)
(1) 돌출위치
제품이 금형과 물림현상이 나올 가능성이 있는 곳, 제품의 금형에서 빠져나오면서 휨 현상이 나타날 가능성이 있는 곳을 예상해 설치해야 함.
(2) 깊이가 깊은 제품의 돌출
* p122 그림 4.10 참조
(3) 탭을 이용한 돌출방법
PMMA 수지 성형품과 같이 외관투명제품에서는 돌출흔적이 면 전체에 없어야 할 필요가 있다.
이와 같은 경우 제품의 외측에 탭(overflow)을 추가해 이것을 이용, pin ejection 방식으로 돌출시키는 방법이 있다.
4-1-4 표면의 조도
plastic 표면의 조도에 대해 일본에서는 JIS K7104의 MR-1~6 등급으로 하여 거울면에서 거친면까지 규정하고 있다.
4-1-5 빼기 구배 (Draft Angle)
요구조건에 따라 다르므로 정확히 1개의 값으로 규정하기는 곤란하고 대개는 경험치로 결정.
제품의 형상이나 기능에 지장이 없다면 가능한 크게 하는 것이 유리하다.
예를 들어, 경사량 1 (도) 일때 이고 H=50mm일 때o
만약 도면상 draft angle 가 1.5%라고 표시되었다면
draft는
(1) 일반적이 빼기구배
일반적인 빼기 구배는 각 측면에 1 가 보통이며, 실용 최소한 도로서 1/120(0.5 ) 정도의 값으로 하는 경우도 있다. 성형품은 이형시 가동측형판에 달라붙도록 하는 것이 필요하다. 따라서 캐비티 측의 빼기 구배는 코어측의 빼기구배보다 크게하는 것이 일반적이다.
성형수축률이 큰 POM이나 PE 등은 구배를 0으로 하기도 한다.
(2) Texture 표면의 빼기구배
(3) 격자의 빼기구배
다음의 경우에는 빼기구배를 변화시키는 것이 좋다.
① 격자의 피치(P)가 4mm 이상이면, 빼기구배는 1/10 정도로 한다.
② 격자부의 치수(C)가 크면 빼기구배는 가능한 크게 하는 것이 좋다.
③ 격자의 높이(H)가 8mm를 넘거나 ②에서 빼기구배가 충분히 크지 않을 때는 그림(B)와 같이 격자부를 확실히 코어측에 남도록 하기 위해 격자깊이의 1/2 이하 깊이의 격자형상으로 하는 것이 필요하다.(그림참조)
(4) 상자형의 빼기구배
그림 4.11에서 H가 50mm까지는 X/H= 1/30 ~ 1/35, H가 100mm 이상은 X/H = 1/60 이하로 한다.
(5) 종 Rib의 빼기구배
보강용으로 많이 사용도고 있는 종 rib에서 그 빼기구배는 일반적으로 측벽, 바닥두께에 의해 A,B의 치수가 정해지나 일반적으로 적용되는 빼기구배는,
표 4.2 일반적인 벽두께 |
재료 |
벽두께 |
ABS PP Nylon POM SAN PMMA PVC PC PE |
1.5~4.5 0.6~3.5 1.5~4.5 1.5~5.0 1.0~4.0 1.5~5.0 1.5~5.0 1.5~5.0 0.9~4.0 |
무엇보다도 먼저 균일한 것이 이상적이다. 벽두께가 변동이
심하면 금형내에서 plastic의 굳는 시간이 부분적으로 변하게 되어 sink mark 및 수축치수가 변하므로 성형품 내부에 잔류응력이 발생하여 외부충격에 대해 취약하게 된다.
벽두께가 두꺼우면 cycle이 지연 되고 성형비용이 높아지므로 5mm이상은 피하고, 최저벽두께는 0.5mm이상으로 한다.
-고려해야 할 점,
① 구조상의 강도
② 이형시의 강도
③ 외부충격에 대한 힘의 균등분산
④ insertion부의 crack 방지
⑤ 구멍, insertion부에 생기는 weld line 발생
⑥ 얇은 벽두께에서 생길 수 있는 burning(제품표면의 변색, 휨, 또는 파괴를 발생시키는 열분해 현상) ⑦ 두꺼운 벽두께에서 생길 수 있는 sink mark
4-1-7 모퉁이(corner)의 R
내부응력은 면과 면이 만나는 코너 부위에 집중한다. 그러므로 코너에는 반드시 R을 주어야 한다.
R/T 가 0.3 이하에서 응력이 급격히 증가한다. 그러나 0.8 이상에서는 집중응력의 제거에는 그다지 효과가 없다. 따라서 권장되는 내측의 R은 으로 한다.
* p127 그림 참조.
4-1-8 Rib
성형품의 보강 및 형상변형 방지 목적으로 많이 사용.
① 빼기구배는 제품돌출시 긁힘 방지를 목적으로 적어도 1 이상으로 한다.
② 근원두께는 벽두께 t의 50~70% 정도로 한정하는 것이 sink를 방지할 수 있다.auk 표면에 약간의 sink가 발생해도 지장이 없을 때는 80~100%로 해도 무방하다.
③ 응력집중을 분산시키기 위해 rib의 근원에는 R을 준다.
그 R은 벽두께의 1/8 ~ 1/4 정도로 한다. R이 지나치게 크면 sink가 발생된다.
④ 높이는 벽두께의 1.5배 이하로 한다. 추가보강을 위해 rib의 높이를 높이는 것보다는 그 수량을 늘리 는 것이 효과적이다. 그 pitch는 벽두께의 4배 이내로 하지 않도록 한다.
⑤ rib 선단의 두께는 금형제작상의 제약 때문에 1.0~1.8mm 정도로 한다.
4-1-9 Boss
Boss는 대부분이 self-tapping screw를 사용하여 다른 성형부품을 고정하기위해 세워진 원형돌기이다.
(1) Boss 설계상의 유의점
① boss의 빼기구배는 외경측 1 , 내경측 1.5 정도로 한다.
② 높이는 빼기구배로 인한 boss 근원 직경이 커짐으로 인한 외관상의 sink를 방지 하고 금형의 고장을 방지하기 위해 20mm 이하로 하는 것이 좋다.
③ 높이가 높은 boss는 보강 및 수지흐름을 좋게 하기 위해 측면에 rib를 추가한다.
④ boss 근윈의 R은 0.5mm 이상, 벽두께의 1/4 이하로 한다.
⑤ boss와 boss와의 간격은 boss직경의 2배 이상으로 하는 것이 바람직하다.
(2) Self-tapping Screw 호칭경과 Boss 치수
screw 호칭경 |
외경 (D) |
내경(d) |
M2 |
4 |
1.7 |
M2.5 |
5 |
2.1 |
M3 |
6 |
2.5 |
M3.5 |
7 |
3 |
M4 |
7 |
3.3 |
4-1-10 Hole
구멍이 있으면 그 주변에 weld line의 발생이 쉬워 강도가 저하되고 외관상에 결함이 되므로 다음 사항에 주의한다.
weld line의 방지를 위하여 구멍직경의 2배이상으로 하도록 한다.
(2) 구멍 주변
구멍주변의 weld line 방지를 위해 주변의 살을 두껍게 하는 것이 좋다.
(3) 구멍과 제품 끝단과의 거리
끝면과 구멍과의 거리는 구멍직경의 3배 이상으로 하는 것이 좋다.
(4) 막힌 구멍
수지의 흐름 방향의 압력으로 인해 금형의 핀이 구부러지기 쉽다. 막힌 구멍의 깊이는 직경의 4배 이상이 되지 않도록 한다. * 그림4.24 참조
(5) 깊은 관통구멍
직경의 5배 이상의 경우 금형의 반대측에 pin supporter를 설치하면 핀의 휨을 방지 할 수 있다. 그 이상의 깊이는 금형의 양측에 핀을 세워 핀의 휨을 방지한다. 이 경우 양측을 동일한 직경으로 하면 편심의 우려가 있기 때문에 한쪽이 다른 쪽보다 0.5mm 이상 크게 하도록 한다. 구멍의 깊이가 그 직경의 8배 이상이 되면 핀의 휨을 피할 수 없다. *그림4.25 참조
4-1-11 상자형 제품
(1) 측벽
상자형 제품의 측벽은 직선상으로 하면 휨이 발생되기 쉽다. 방지를 위해 테두리 부분에 보강용 형상을 준다. *그림4.26 참조
(2) 바닥 부분
* p132 그림4-27~28 참조
4-1-12 Undercut
제품의 측벽에 구멍이 있다던가, 내부 또는 외부 측면에 돌기 부분이 있어 성형기의 형개방향 운동만으로는 성형품을 빼낼 수 없는 경우를 undercut라 하며 undercut가 있으면 금형에 angular pin 또는 side core(slide core)를 설치하지 않으면 금형에서 제품을 뺄 수가 없다.
(1) Undercut의 제거
* p132 undercut의 제거 참조
(2) 강제 돌출
plastic 중에서 탄성이 큰 POM, PE, PP등에서는 극히 작은 undercut는 재료의 탄성을 이용하여 금형에서 강제 돌출시킬 수 있다. 그러나 돌출시 변형되는 것이 필요하게 되므로 돌출력을 높이기 위해 sleeve ejection 혹은 stripper ejection 방식으로 하지 않으면 안 되는 경우가 많다.
(3) 분할금형에 의한 외부 Undercut 처리
분할된 cavity 전체 혹은 일부분을 성형기에서 금형의 형개(型開)운동을 기계적, 공기압 또는 유압으로 sliding 시킴으로써 undercut를 처리하는 방법이다. 분할금형의 이동은 보통 경사핀(angular pin)을 사용하나 , ejector plate 혹은 경사 캠(angular cam)을 사용하는 경우도 있다.
(4) 슬라이드 코어(또는 사이트 코어)에 의한 외부 Undercut 처리
사이드 코어 방식은 성형품의 외측에 undercut가 있는 경우에 사용할 수 있는 방법. 슬라이드 코어는 undercut 부분만 부분분할하는 방식이다. 일반적으로는 가동측 형판에 설치하고 고정측형판에 경사된 또는 경사캠을 설치해 유압 또는 공기 실린더로 이동시킨다.
(5) 내부에 Undercut가 있는 제품
1) 경사돌출핀 작동방식
* p135 참조
2)분할 코어 작동방식
* p135 참조
3) Collapsible Core 방식
* p135 참조
4-1-13 나사
사출성형으로 수나사 및 암나사의 성형이 가능하다. 나사를 성형사출시컴으로써 별도의 기계가공이 필요 없게 되므로 비용면에서 유리하다. 설계과정에서의 제약은
① 매우 가는 나사는 성형이 어렵다.
피치가 0.3 이하의 나사는 성형수축관계로 불완전 나사산이 되기 쉬우므로 가능한 피한다.
② 길이가 긴 나사는 주의를 요한다.
(1) 수나사
수나사의 나사부에 약간의 파팅 라인이 생겨도 무방할 경우에는 분할금형을 사용한다. 수나사 설계시 금형 및 제품에 sharp edge를 피하기 위해 나사의 선단 및 근원에 평활부를 두어야 한다.
* p137 그림4.43 참조
(2) 암나사
암나사에는 나사빼기 장치가 필요하기 때문에 수나사에 비해 제작이 훨씬 곤란하다.
4-1-14 문자 조각
양각 또는 음각 문자를 넣을 수도 있다. 문자의 끝이 각진 것보다는 둥근 것이 가공이 쉽다.
(1) 양각문자
양각문자는 금형에 직접 조각하므로써 용이하다. 목적상 지장이 없다면 양각문자로 함이 금형제작상 용이하다.
(2) 음각문자
양각문자의 성형보다는 어렵다. 문자만 남겨놓고 주변을 깎던가 방전가공을 행하고 있다.
(3) 문자의 착색
silk screen 인쇄, hot stamping, 제품에 음각문자를 만들고 여기에 도료를 충진시키는 방법 등이 있다.
가는 음각문자라면 깊이 0.2mm, 폭 0.2mm 이상 되지 않도록 해야 한다.
4-1-15 Inserting
insert를 금형에 넣는 조작은 특별기구를 사용하는 것을 제외하고는 손으로 집어넣어야 하므로 성형의 무인화가 불가능 해지고 성형 cycle도 길게 된다. 그러므로 insert를 넣어 성형하는 것은 필요불가결한 경우에만 사용한다.
따라서 일반적으로 insert를 성형시에 삽입하지 않고, 성형품에 pilot hole을 뚫고 insert를 그 hole에 압입 또는 초음파로 삽입하는 2차 가공방식을 취하는 경우가 많다.
가능한 한 원형 insert를 사용하는 것이 좋다.
(1) Insert의 고정현상
가장 일반적인 것은 insert 외주에 knurling 하는 방법이다. 원주 양측을 커트하는 방법, 원주에 홈을 내는 방법, plate형 metal일 경우는 구멍 뚫는 방법 등이 있다. * p139 그림4.45 참조
(2) 금형에서의 Insert 고정
수지의 유입을 방지하기 위해서는 insert의 직경은 금형의 직경보다 0.02mm 이내로 작게 한다.
* p138~139 참조
4-1-16 금형에서의 제약
성형물에서 집중응력을 분산시키고 수지의 흐름을 좋게 하기 위해 sharp edge를 피해야 된다.
(1) 금형의 Sharp-Edge를 피한다.
금형에서 sharp edge가 되는 것을 피하기 위해서는 나사의 선단 및 근원에 평활부를 두어야 한다.
* p140 그림4.49 참조
(2) 가는 형상을 피한다.
가는 형상은 공구가 가늘어야 되므로 공구가 부러지기 쉬우며, 깊은 경우에는 방전가공으로 처리해야 한다. 따라서 별도의 코어를 사용해야 하므로 금형 제작비가 높아진다.
(3) 좌우 비대칭의 형상은 피한다.
금형제작시 조각이 어려워서 수작업으로 한다든지 방전가공을 하지 않으면 어렵다.
(4) 경사 Boss 및 경사 Hole은 피한다.
경사 Boss 및 hole은 side core를 사용하면 성형이 안 되는 것은 아니나 금형에 slide 기구가 들어가므로 금형구조가 복잡하게 되므로 P/L에 직각이 되도록 노력한다. 후가공으로 하는 편이 좋을 수도 있다.
4-1-17 Snap Fit
plastic은 탄성을 가지고 있으므로 snap fit를 이용하여 조립하는 것이 가능하다. 복구되는 성질이 있는 POM과 같은 것이 특히 적합하다. * p141~142 그림과 책 참조
4-1-18 Outsert 성형
금속 등의 단단한 재질의 base 상에 부분적인 여러 가지 부품을 plastic 사출성형시키는 방법이다.
이 방법의 목적은 plastic 각 부품을 독립시킴으로써 plastic 각 부품의 자체는 성형 수축률에 의해 수축되지만 각 부품 간에는 성형수축률이 작용하지 않고 온도 변화에 대해서도 base의 선팽창계수에만 관련되므로 부품간의 거리를 정확히 유지시킬 수 있게 된다.
4-1-19 강도에 대한 설계
plastic 성형품의 강도계산에 있어서는 금속재료의 강도계산식에 plastic의 인장강도, 탄성률 등을 그대로 대입해서는 안 되고 먼저 제품이 필요로 하는 수명을 정하지 않으면 안된다. 다음에 그 시간에 있어서 creep 강도, creep 왜곡 및 겉보기 탄성 modulus를 구하고, 이 값을 금속강도 계산식의 강도, 왜곡 및 탄성 modulus 값을 대입하여 강도 계산을 한다. 또한, plastic은 금속에 비해 강도는 온도 의존성이 크므로 creep 강도 등의 값은 사용온도일 때의 것을 취하지 않으면 안된다.
creep 강도, creep 왜곡 및 겉보기 탄성 modulus의 값은 신뢰도가 낮으므로 금속의 경우에 비해 안전율을 크게 해야 한다.
4-2 성형품의 2차 가공
4-2-1 Annealing
사출성형법은 낮은 온도에 금형 중에 높은 온도의 가소화된 plastic을 고압으로 밀어 넣어 성형하는 방법이므로 필연적으로 제품에는 내부응력이 남게 된다. 특히 gate 부근에서 응력이 제일 크게 된다.
내부응력은 annealing을 함으로써 제거될 수 있다.
annealing은 공기 중 또는 수중에서 plastic 성형물을 가열시키는 방법으로 하고 있다.
annealing의 온도는 그 성형품이 가열에 의해 연화점(softening point)보다 5~10 c 낮은 점에서 하면 좋다.
4-2-2 기계 가공
plastic 성형품의 기계가공은 금속 및 목재용 기계에서 가능하나 열가소성 plastic에서는 지나치게 빠르게 바이트를 동작시키면 마찰열로 용착하는 점에 주의해야 함. 따라서 공랭과 수랭을 겸용하면 유효함.
punching에 의한 타발법도 많이 이용되나, 깨지기 쉬운 일반용 PS, PMMA 수지 등은 가열 후 타발하는 것이 좋고, 그 외 plastic은 용이하게 타발된다.
4-2-3 조립
(1) Insert의 압입
성형품에 pilot hole만 성형시키고, 그 hole에 insert를 성형물에 압입시키고 machine screw등을 이용하여 다른 부품을 고정하는 방법
(2) Screw에 의한 조립
조립에서는 screw가 가장 많이 사용되고 있는 방법이다. 보통 작은 screw에 대해서는 성형품에 나사를 내지 않고 boss에 pilot hole을 뚫고 self tapping screw를 사용하는 경우가 대부분이다.
이 방법은 insert를 삽입하고 machine screw를 사용하는 고정방법보다 체결강도가 크지 않음에 주의.
1) Self Tapping Screw의 신뢰성
성형품을 self tapping screw로 반복하여 죄고 풀 때 통상의 죄고 푸는 반복횟수에는 풀림 torque의 변동은 거의 없었으며 나사의 파괴 등도 발생되지 않는 것이 확인되었다.
온습도에 의해 풀림 torque는 저하하여도 그 후의 진동 등에 의한 풀림 torque는 저하하지 않아 실용상 충분한 체결력을 가지고 있음이 확인되었다.
2) Self Tapping Screw의 종류와 특징
종래에는 pan head type 2종(KSB1032)이 많이 사용 되었으나, 현재에는 tap tite screw라는 상품명으로 명명된 self tapping screw가 일반적으로 사용되고 있다. tap tite screw는 미국의 continental screw社에서 개발되어 fastner 공업계에 신제품에 하나로 평가되고 있다.
Tap Tite Screw의 특징
① 나사의 접속률이 높아 큰 체결력을 얻을 수 있다.
② 진동에 대한 풀림 방지 효과가 크다.
③ 풀림 torque가 크고 tap over 현상이 적다.
tap tite screw의 형상과 용도-->* p147 표4.5 참조
(3) 초음파 용착 (Ultrasonic Welding)
1) 원리
18Hz~20kHz 이상의 가청범위를 넘는 주파수음을 초음파라고 부르며, 그 원리는 전기신호는 기계적 진동으로 변환되고, 그 진동 주파수와 진동 진폭에 압력을 가함으로써 용착부에 분자간 마찰열이 발생해 용융, 용착시키는 것이다.
2) 장치
① Power Supply : 60Hz의 전기신호를 20kHz의 전기신호로 변환시킨다.
② Converter : 20kHz의 전기신호를 20kHz의 기계적 진동으로 변화시킨다.
③ Booster : converter와 horn을 접속시킨다.
④ Horn : converter에서의 진동은 horn에 의해 확대되고 용착되는 부품에 초음파 진동을 전달한다.
⑤ Jig : 용착되는 2개의 부품을 적절하게 고정시킨다.
3) 특징
screw를 사용하여 조립할 경우 다수개가 필요하고 작업성이 좋지 않을 때 screw용 boss를 세울 만한 space가 없을 경우, 다시는 분해할 필요가 없을 때 사용한다.
용착부에만 국부발열을 일으켜 사이클이 짧다(보통 1초 이하). burr도 생기지 않는다. 균일하게 작업이 된다. 강도는 모재에 가깝다. 외관이 깨끗하다. 가격도 저렴하고 자동화가 쉽다. 또한 같은 장치에서 호른을 교환함으로써 용착뿐 아니라 inserting 작업, staking, spot welding 등도 가능하다.
4) 적합 재료
초음파 용착은 열가소성 plastic에 한하며, 그 중에서도 비결정성이 일반적으로 양호하다.
5) 접합부 설계
*inserting 과 swaging 및 Spot welding은 p151~152 참조
(4) 용제 및 접착제에 의한 접착
열가소성 수지에서 PE, PP, POM 등을 제외하고는 거의 모든 수지가 용제에 녹는다. 그 용제에 녹는 것을 이용하여 접착하는 방법이 용제접착이다. 용제접착에는 용제를 그대로 이용하여 접착하는 방법과 용제에 plastic을 녹인 dope cement를 이용하는 방법도 있다.
결점으로는 접착부에 응력이 남기 때문에 crazing이 발생되기 쉽다.
일반적인 접착에는 합성 고무계 접착제가 사용, 강력한 접착에는 epoxy계 접착제가 사용된다. 에폭시계는 고화하는데 시간이 걸리나 고화 전후에서 용적이 변화하지 않기 때문에 기밀성을 유지할 수 있고 접착 강도가 높다.
4-2-4 Plastic에서의 인쇄 및 도금
(1) Plastic에의 인쇄
silk screen 인쇄법, hot stamp 법이 많이 이용.
(2) Plastic에의 도금
플라스틱의 성질 개선과 장식 목적으로 널리 사용. 개선되는 성질은,
①금속적인 느낌을 준다.
②기계적 강도 증가
③내열성 개선
④내약품성, 내수성 개선
⑤전도성을 부여
1) 전기도금
플라스틱은 전기 불량도체이고 표면이 거친면이 아니므로 그대로는 전기도금이 되질 않는다. 표면에 요철을 주는 화학 etching(부식)과 화학도금(일반적으로 동도금)을 실시한 후 전기도금을 한다.
도금의 소재--> , PC, PP, POM, ABS(도금으로서 가장 좋은 수지)
2) 진공 증착
아연, 알루미늄과 같은 저비점의 금속을 정도의 진공 속에 가열, 증발시켜 플라스틱 표면에 부착시키는 방법.
3) 침투 인쇄
가열에 의해 승화된 염료를 plastic 중에 침투시키는 인쇄법. 표면에서 10μm 정도의 깊이로 착색시키는 방법이다. 특히 내마멸성, 내용제성이 우수해 3000만회의 마멸시험에서도 견딘다. 적합 수지로는 내열성 있는 PBT가 최적이며 PET가 그 다음이다.
주응용분야는 computer keyboard이다.
제 5 장 사출성형품의 허용공차
5-1 개요
plastic 사출성형품의 치수의 공차는 불가피하다. 한 제품의 총 공차를 정하는 데는 제품 제작상의 치수공차(제작공차) 외에도 관리 및 환경(온도 및 습도)에 따른 치수의 변경을 고려해야 한다.
치수편차를 일으키는 원인,
① 사출 성형시
- 성형재료의 불균일
_ 성형기의 조정 및 금형온도
② 금형상태
- 금형치수의 제작공차
- 금형의 마멸
-가동되는 금형(코어)의 위치편차에 의한 치수편차 등
제 6 장 Plastic 제품의 Prototype 제작
6-1 mock-up의 제작
사용재료는 ABS판, PMMA판, PVC 봉 등
한 모델 전화기(Handset 포함)의 mock-up 제작 소요기간은 7일~10일 정도이다.
6-2 Soft-mold의 제작
prototype의 제작은 기술검토 및 외관디자인 검토용으로 제작 되는 것이나, 고객 제출용 또는 시험 검증용으로 10여대에서 수십대가 필요할 때가 있다. 이 비용을 절감하기 위해 수량이 많을 때에는 soft_mold 방법으로 prototype을 제작하게 된다. 제작방법은 원형(master)을 그대로 copy하는 방식을 취하므로 반드시 원형으로 쓰일 mock-up이 필요하다.
성형사출에서 금형에 해당하는 형은 대개는 silicon rubber로 제작된다.
한 개의 silicon rubber 형에서 20~25개 정도의 제품을 제작할 수 있으며, 그 이상의 제품이 필요할 경우는 형을 더 제작해야 한다.
제작비용을 mock-up 제작비와 비교하면 mock-up을 비용을 100이라할 때, 형가격은 95-115수준이고, 제품가는 20정도이다.
Soft_mold는 제작비용을 대폭 절감할 수 잇는 것이 최대 장점이고, 이음부가 없어 강도도 높다. 그러나 치수정밀도에 있어서는 주형시 수축 등이 발생하여 mock-up에 비해 떨어지며 제작시간은 mock-up에 비해 2배정도 소요된다.
제 7 장 제품설계
7-1 수지특성을 고려한 제품설계
7-1-1 성형품의 조립과 형합
제품의 형합지정은 일반적으로 끼워맞춤측은 (-)공차, 반대측은(+)공차를 지정하는 경우가 많다. 그 경우 clearance(C)를 정하는 데 있어 제품의 기능, 외관이 중요시되기 때문에 실제의 금형제작정도, 성형조건 등의 산포폭은 대단히 작은 것이 요구된다. 그러나 성형품의 치수는 가능한 여유를 부여해야만 하므로 수지특성의 수축성형조건 등에 의해 형합이 너무 헐겁다든지 꽉끼어서 들어가지 않는 경우도 생긴다.
7-1-2 Hinge의 설계
hinge 설계에 있어 기본적인 사항
① hinge 두께는 소형에서는 얇게 하는 편이 좋고, 대형 hinge에서는 두껍게 하는 편이 좋으나 0.5mm 이상에서는 hinge 효과가 나오기 힘들다.
② hinge 두께는 절대로 살두께에 불균일이 있어서는 안 된다.
③ 성형시에는 수지를 hinge의 한 방향으로부터 흘리고 또한 금형 취출직후에 수회 hinge를 굽힌다.
7-1-3 설계예
전자 tester를 내장한 polysulphone(PSU) 제품의 case를 나타냈다.
* p168~171 참조.
7-2 금형제작에서 본 제품 설계
7-2-1 Parting Line과 형분할
* p172~173 참조
7-2-1 Rib 형상의 설계
* p174 참조
7-2-2 Eject 방법과 외관
깊은 boss나 rib가 많이 있는 제품에서는 상당수의 밀핀(ejector pin)을 형에 설계하지 않으면 이형시에 백화현상이나 균열이 생기기 쉽다. 그러나 적당한 eject 장소가 제한되어 있기에 eject balance는 상당히 잡기가 어렵다.
깊은 보스의 가장 좋은 eject방법은 그 면을 직접 eject하는 sleeve eject이다.
p178 그림7.18 참조
7-2-3 Undercut
* p176 책 참조
7-3 설계요점 예
* p176~182 책 참조
제 8 장 Engineering Plastic의 제품 설계
8-1 Engineering Plastic의 종류 (美 GE사)
GE Plastic은 제품 설계자들에게 성형성이 좋고 높은 성능의 engineering plastic 수지들을 제공하여준다.
GE plastic의 engineering plastic 수지들의 설계이점은,
① 여러 부품의 기능을 통합시킴으로써 부품수를 감소시킨다.
② 성형과 동시에 조립이 가능한 특성이 있다.
③ 도장이나 다른 후공정이 거의 불필요하다.
④ 제품 중량에 대한 강도의 비가 높다.
⑤ 내화학성이 있고 내충격성이 높다.
또한 외관제품에 사용 시 고광택의 제품을 성형할 수 있으며 무광 또는 표면부식무늬의 제품도 설계할 수 있다.
-제품 설계자들은 단순히 기존의 부품을 plastic으로 대체시키는 것을 생각할 뿐 아니라 plastic으로 생각하고 plastic 고유의 장점을 충분히 이용하는 방법을 배워야 할 필요가 있다.
한 번 더 생각하고 재설계를 시도함으로써 기존의 금속 조립품들을 치수적으로 안정되고, 충격강도, 전기적 특성 및 내화학성 등의 우수한 물성을 갖는 engineering plastic으로 부품수를 반정도 줄인 채 자동으로 조립을 하면서 생산할 수도 있다.
8-1-1 Lexan (폴리카보네이드)
비스페놀 A(bisphenol A)로부터 만들어진 lexan은 탄산에스테르(exter carbonate)를 갖고 있다.
(1) Lexan의 특징
① 내creep성을 포함한 우수한 기계적 특성이 있다.
② 투명성이 우수하다.
③ 미국식품 규정(FDA)에 맞도록 개발된 식품용 그레이드가 있다.
④ 열가소성 수지 중에 가장 높은 충격강도를 갖고 있다.
⑤ 치수 정밀도와 치수안전성이 우수하다.
(2) Lexan의 종류
* p184~185 표 참조
8-4 구조설계계산 (Structural Design Calculations)
* 책 참조(꼭 볼 것)
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