금형설계 성형가공 이란?

성형가공 이란? 

 

 플라스틱(plastic)은 우리의 일상생활과 많은 관련을 가지고 있으며, 범용 잡화에서부터 정밀기계 부품에 이르기까지 매우 광범위하게 사용되고 있다. 플라시틱 재료가 성형품이 될 때까지의 과정을 보면 플라스틱 재료->사출성형기->사출금형-> 성형품-> 후가공과 같다. 성형가공은 구조와 사용 목적에 따라 여러 가지 분류 방법이 있으나 일반적으로 다음과 같다.

 

1. 압축금형(compression mold) : 평압형 금형(flash mold), 압입형 금형(semi-positive mold), 반압입형 금형

2. 이송금형(transfer mold) : 포트 트랜스퍼 금형(pot transfer mold), 플런저 트랜스퍼 금형(plunger transfer mold)

3. 압출금형(extruding mold)

4. 취입성형금형(blow mold)

5. 진공성형금형(drape mold)

6. 사출성형금형(injection mold)

7. 적층성형금형

8. 캘린더성형금형

 

압축성형금형

 

압축성형 가공 방법은 열경화성 플라스틱의 분말상 재료를 금형의 캐비티에 넣고, 위로부터 누를 수 있는 형을 닫은 다음, 가열 가압하면 용융상태에 수지 유동성에 의해 캐비티의 구석까지 충전된다. 이를 냉각 후 형을 열고 성형품을 꺼낸다. 종류는 플래시 금형, 포지티브 금형, 세미포지티브 금형으로 분류할 수 있다.

1) 플래시 금형(Flash mold) - 평압형 금형
금형을 가열 가압하면 용융수지 재료가 캐비티를 충분히 채우고 여분의 재료가 파팅라인으로 넘쳐 밀려나게 되는 형식의 금형을 플래시 금형 또는 평압형 금형이라고 한다. 이 금형은 접시와 같이 깊이가 얕은 제품에 적용된다.
2) 포지티브 금형(Positive mold) - 압입형 금형
플런저와 캐비티벽 사이의 틈이 적기 때문에 플런저에 작용하는 압력이 용융 수지재료에 그대로 전달되는 형식으로 일명 압입형 금형이라고 하는데, 이 금형은 재료의 계량이 정확하지 않아 균일한 성형품을 얻을 수 없다. 플런저와 캐비티의 간격은 금형 크기와 정형 재료에 따라 0.004mm~0.2mm까지 준다.

3) 세미 포지티브 금형(Semi-positive mold) - 반압입형 금형 금형이 혼합되기 위해 시작할때 용융수지 재료의 여분량이 넘쳐흐르다가 플런저가 캐비티 안에 들어가게 되면서 플런저와 캐비티의 틈이 매우 적어 용융수지가 넘쳐흐르지 못하고 충분한 압력이 작용하므로 고농도 제품이 성형 가공되고 있다. 이 부분은 플래시 금형과 포지티브 금형의 장점을 살린 형식으로 일명 반압입형 금형이라고 한다.
4) 압축성형의 특징
첫 번째, 금형의 구조 및 성형기가 간단하여 제작 비용이 저렴하다 두 번째, 사용하는 성형 수지에 제약이 없다. 세 번째, 경화 시간이 오래 걸리고, 성형 조작이 전 자동이 안되기 때문에 성형 능률이 떨어진다. 마지막으로, 금형의 구조상 플래시(Flash)가 발생하여 후가공 시간이 필요하다.

 

이송성형금형

 

트랜스퍼 성형이라고도 하며, 열경화성 플라스틱의 품질과 성형 능률 향상을 위한 성형 방법으로 압축성형 방법과 다른 것은 수지 재료를 캐비티에 넣은 상태에서 가열 가압하는 것이 아니고, 별도로 마련된 실린더에서 수지를 용융시켜 플런저나 유압실린더의 작용 압력에 의해 밀폐된 금형 내에 다음과 같은 유로를 통하여 압입 성형가공 되고 있다.

 

1) 용융수지 유입과정
실린더(플런저)->스프루(sprue)->러너(runner)->게이트(gate)->캐비티(cavity)에 유입 충전되는 형식으로 포트식과 플런저식이 있다. 포트식은 이송금형으로 하여 일반적으로 압축 성형 프레스를 사용하여 행하는 방식이며, 플런저식은 보조램(플런저)을 갖춘 트랜스퍼성형기를 사용하여 성형하는 방식이다.
2) 이송성형의 특성
첫 번째는 닫힌 금형에 충진하기 때문에 치수 정밀도가 좋고, 변형이 작으며 두 번째는, 금형의 청소가 불필요하기 때문에 성형 능률이 높다. 세 번째로는, 충진된 재료가 런너 및 게이트를 통과할 때 마찰에 의해 발열되어 경화시간이 짧다. 네 번째로는 다 캐비티(multi-cavity)생산이 가능하다. 마지막으로 압축성형에 비해 금형 및 성형기에 비용이 많이 들다.

금형설계 성형가공

압출성형금형

 

압출성형금형은 열가소성 플라스틱을 가열 실린더에서 가열하여 가소화시켜 스크류에 의하여 소요형상을 한 단면(다이스)으로 연속적으로 압출시키며 냉각시켜 성형 가공한다. 

예로는 T모양, I모양, L모양, ㄷ모양, 파이프 모양 등 일정한 단면 형상으로 응용범위는 좁으나 성형은 연속적이며 능률적이다.

 

취입성형금형

 

취입성형금형은 블로 성형금형이라고도 하며 사출성형 방법에 따라 파라손을 성형한 다음 블로 금형으로 둘러싸서 성형하는 방법이다. 먼저 네크 금형을 닫고 이어서 코어와 캐비티 금형을 형합하고 수지를 사출하여 파라손을 성형한 다음 파라손을 블로 금형에 옮겨 공기를 불어 넣으면서 가열하므로 용융화되는 재료가 팽창되면서 성형 가공된다.

취입성형금형의 종류로는 압출 블로 성형과 사출 블로 성형이 있는데, 압출 블로 성형은 압출 성형과 블로 성형의 조합이고 사출 블로 성형은 사출 성형과 블로 성형을 조합한 것이다. 

 

진공성형금형

 

진공성형금형은 열가속성 폴라스틱 시트(sheet) 또는 필름을 오목형, 볼록형의 한쪽에만 공기압을 이용하여 성형하는 방법이므로  시트나 필름을 금형 형상 위에 밀착시켜 가열하면서 형상 하부에 있는 흡입구멍으로부터 공기를 흡입시키면 시트나 필름은 금형 형상 모양으로 흡입 밀착되어 성형된다. 진공성형의 특성은 첫 번째로, 금형 구조가 간단하여 설비비가 저렴하고 조작이 간단하다. 두 번째로, 제품의 크기의 범위가 넓다. 세 번째는, 재료 손실(Loss)이 크다. 네 번째로는 금형의 상형이 없어 형상 구멍을 1회에 가공할 수 없어 후가공이 필요하다.

 

사출성형금형

 

사출성형금형은 열가소성 플라스틱의 성질(경화시키기 위해 용융 상태로 가열하였다가 냉각시키더라도 그 구조상 물리적 변화만 생김)을 이용하여 실린더 안에서 가열된 재료가 녹게 되면 플런저가 그 용해된 재료를 노즐을 통하여 고압으로 압입하면 용융수지는 스프루, 러너, 게이트를 지나서 캐비티부에 충전되고, 냉각된 금형에 의해서 냉각 고화되므로 성형이 가능하다. 사출 플런저가 후퇴하고 금형이 파팅 라인을 따라 열리면 성형품이 금형으로부터 떨어지도록 이젝터 기구를 작동시킬 수 있다. 사출성형의 특성은 첫 번째로 생산성이 높다. 두 번째로, 자유로운 형상을 쉽게 만들 수 있다. 세 번째로 성형품에 다른 재료를 Insert 하여 가공할 수 있다. 네 번째로 마무리 작업이 프레스보다 적다. 다섯번째로, 성형 사출기 및 부대설비가 비싸다. 여섯번째로, 정밀도가 프레스 제품보다 떨어진다. 일곱번째로, 사출 조건이 까다롭고 환경 변화의 영향을 많이 받는다. 여덟번째로, 타금형에 비하여 3차원 형상의 것이 많으므로 가공이 어렵다. 아홉번째로, 전사성이 좋아서 금형 표면의 다듬질 그대로 반전되어 제품의 외관면이 되므로 표면 거칠기가 좋아진다. 열 번째로, 일용 잡화뿐만 아니라 대부분의 성형품이 그대로 제품이 된다. 열한번째로, 형체력, 사출압력 모두 고압이 걸리므로 내압 강도가 중요하다. 마지막으로, 용융수지는 고화할 때 수축하므로 재료마다 다른 수축률을 고려하여 형치수를 결정하여야 한다.

 

사출성형의 5단계 기본동작이 있는데, 제 1단계(가소화 단계) 잘 건조한 수지를 성형기의 호퍼에 넣어 가열 실린더 안으로 일정량만큼 보내 용융시킨다. 제 2단계(유동단계) 용융된 수지는 플런저에 의하여 노즐을 거쳐 스프루 안으로 분사시켜 밀착된 금형 안의 캐비티 속을 채우게 된다. 제 3단계(냉각 단계) 용융된 재료는 상대적으로 차가운 금형 안으로 냉각되어 고체 상태로 굳어지는 것이다. 제 4단계(이젝팅단계) 위의 단계 과정이 끝나면 플런저가 후퇴하고 금형이 파팅라인(parting line)을 따라 열리면 스프루 록 핀(sprue lock pin)은 스프루를 잡아당겨 스프루 부시로부터 빠져나오게 한다. 이 때 이젝터 핀(ejecter pin)은 금형으로부터 성형품을 밀어내어 떨어지게 한다. 제 5단계(성형재료 공급단계) 금형이 열려 있는 동안 재료는 실린더에 공급되고 그 과정이 끝나면 금형이 닫힌다. 

 

이러한 가소화단계->유동단계->냉각단계->이젝팅단계->성형재료 공급단계를 거치는 공정을 1사이클이라고 한다.