- 정밀 사출성형기와 성형조건 -

1. 초정밀 사출성형기

현재 가소화 장치에 스크류를 사용한 사출성형기의 원형은 1958년 하노버 전시회에 출품된 독일의 Anker Verg사(Anker Verg는 당시의 명칭으로 현재의 Mannesmann Demag Kunststofftechnik Wiehe GmbH)가 발표한 인라인 스크류식이다. 이전의 사출성형기는 가소화 장치가 매우 단순한 플랜저식이었다.
가소화장치에 스크류식이 사용된 이유는 성형재료의 플라스틱 금형 내부 유동성이 스크류 혼련에 의한 전단 영향으로 매우 유동성이 좋다고 인정되어 성형품의 형상 전사가 우수해져 복잡하고 미세한 형태를 안정되게 성형할 수 있게 되었기 때문이다. 이후 스크류는 다양한 시험 가공을 거쳐 발전하게 되었다.
따라서 정밀 성형은 원래 정밀 가공을 위해 발전된 것으로 현대의 IT 수요를 충족시키고 종래에 축적된 기술이 단숨에 개화 시기를 맞이한 느낌이다. IT혁명이라고 하는 것처럼 정보기술은 끊임없이 발전하는 미래 기술이다.
이 정보기술의 키워드인 디지털화, 모바일화, 멀티미디어는 구체적으로 컴퓨터 분야(하우징, 도광판)를 비롯하여 정보단말기(휴대폰, 노트북컴퓨터), 인터넷(서버, 브라우저)과 각종 정밀 커넥터류, 공학렌즈, DVD, CD 등의 정보매체, 엔클로저 등이다.

2. 스크류 설계

스크류에 의한 재료 혼련 효과가 인식되면서 수도미터기어, 비구면 렌즈, 카메라, 가전제품의 플라스틱화가 빠른 속도로 진행되었다. 또 플라스틱이 아니면 생각할 수 없었던 콤팩트 카세트 허브, 1회용 주사기 등이 출현하여 종래의 상품 체계를 바꾸어 우리 생활에도 플라스틱 제품이 다양하게 공급되고 있다.
공업제품은 정밀도에서는 새로운 기술로 환영을 받았지만 한편에서는 정밀도를 요구하지는 않지만 외관과 디자인, 저가격이 중요시되는 잡화류가 대량으로 출현하여 생활 환경을 변모시켰다.
각종 일용품 문구, 용기류, 의류용 단추, 식품 용기 등의 소모품은 사출성형 가공의 높은 생산성이 기여하는 분야이다.
여기에서 업계는 공업제품과 잡화의 2가지 흐름으로 분류되어 사출성형기도 각 기능에 맞추어 발전했다.
사출성형기에 의한 성형을 크게 분류하면 다음의 2가지로 분류된다. 시판되는 사출성형기는 계획 생산으로 불특정 다수의 유저가 대상인데 대부분 범용 성형기의 성향을 갖고 있으며 이 2가지 흐름에 대응하고 있다. 그러나 이 2가지 흐름을 완전하게 커버하는 폭이 넓지않아 한쪽으로 치우치게 된다.
또 이러한 표준형 사출성형기로는 대응할 수 없는 성형 제품도 출현하여 장치를 전용화한 제품도 있다.
동일하게 보이는 사출성형기도 이상의 3종류로 분류할 수 있으며 사용자는 자사 제품에 적합한 성형기를 구입하는 것이 중요하다.
사출성형기에 결정적인 영향을 미치는 것이 스크류의 성격이다. 공업부품 성형에 요구되는 재료의 혼련에 따른 양호한 유동성과 잡화성형에 요구되는 고속성형에 필요한 가소화 능력이다. 이 요인은 양립하기 어려운 것으로 동일 스크류에 두가지 능력을 요구하는 것은 불가능하다. 어느쪽에 무게를 두는가에 따라 사출성형기 성격을 결정하는 중요한 요인이 된다. 이 성격을 설명하면 홈이 얕은 타입은 혼련은 좋지만 가소화 능력이 떨어지고 홈이 깊은 것은 혼련은 좋지않지만 가소화 능력이 우수하다.

(1) 사출속도, 사출률
 사출성형기 구조의 대부분을 차지하는 인라인 스크류식에서는 스크류가 사출램의 역할을 수행하기 때문에 사출속도가 사출성형기의 중요한 기능 평가 수치로 취급된다(단위는 mm/s이며, 표준적으로는 형체력 150톤 정도의 사출성형기에서는 200∼300mm/s가 많은데 이 중에서도 2,000mm/s를 넘는 것도 출현했다). 성형품의 두께는 경량화와 원가 대책을 위해 점차 얇아지고 있는 경향에 대한 기능을 자랑하기 위해 수치를 카탈로그에 기재하고 있는데 이 수치는 단위 시간내에 사출할 수 있는 사출량(사출률 cc/h 또는 cc/min, cc/s)을 표시한다. 사출률로 표현되는 스크류의 사출속도에 관한 기능은 박육성형이나 사출성형에서 사출성형기 기능과 깊은 관계가 있다.
여기에서 사출성형 프로세스의 문제점 2∼3가지를 설명한다.
금형을 사용하는 소성 가공에서는 압축성형이나 판금 프레스 가공에서도 금형 사이에 사전에 피가공물(재료)을 세트하는 방법을 선택하고 있는데 사출성형은 금형이 닫힌 후에 재료가 금형에 사출된다.
금형 내부에 사출된 재료의 용융 플라스틱은 금형에서 냉각되어 고화하면서 금형에 충진되기 때문에 시간이 경과함에 따라 유동성을 잃어 성형 면적에 한계가 발생한다. 따라서 고화한 성형품은 크기와 관계없이 내부에 응력이 남게된다.
이 현상은 사출성형의 숙명적인 문제로 성형품 내부에 반드시 응력이 동결된 것처럼 잔류한다. 이 상태는 통상 품질에 큰 영향은 없지만 경우에 따라 성형품의 파손, 이형 후 변형과 같은 불량으로 연결된다. 충전시간이 길면 나쁜 영향을 미치기 때문에 이론적으로는 사출시간이 짧은 것이 좋다.
또 한가지 문제는 닫힌 금형 내부의 재료 흐름은 유동에 따라 분자가 배향하기 때문에 잔류응력에 의한 수축문제와 함께 유동 방향과 유동 직각 방향으로 물성차, 수축차가 발생하며 또 유동 방향에 따라 전사성 불량이 발생하는 경우도 있다.
다른 한가지는 인라인 스크류형에서 볼 수 있는 스크류 선단부에 설치된 역류 방지링 마모에 따른 관리에 주의해야 한다[그림 1].

(2) 고혼련과 고출력 사출
정밀 성형에 사용되는 플라스틱 재료의 대부분은 엔지니어링 플라스틱으로 용융 후의 유동성이 나쁜 것이 많다. 성형 제품의 크기는 비교적 소형으로 형체력 150톤 이하의 사출성형기를 사용한다. 성형품은 외관보다 치수 정밀도 확보에 중점을 두어 치수 공차의 폭이 좁아 가능하면 쇼트간 불량이 발생하지 않는 것이 요구된다.
따라서 정밀 성형에는 금형 캐비티 형상을 정밀하게 전사할 수 있는 혼련이 좋은 유동성과 가소화 스크류가 요구된다. 금형 충전 시간을 단축하기 위해 사출률도 높은 것이 좋다.

(3) 가소화 능력과 성형사이클 시간

생활용품을 성형하는데는 일반적으로 치수 정밀도보다는 외관성과 성형사이클 시간 단축이 요점이 된다.
성형 사이클 시간은 성형 원가의 가장 큰 요인이기 때문이다. 따라서 금형 온도는 가능하면 낮게 설정하고 [그림 2]의 Ⅰ과 같이 금형 냉각시간에 가소화를 완료시킬 필요가 있다. 가소화 능력이 부족하면 가소화 시간이 걸리고 성형사이클 시간이 낭비된다. 가장 표준적인 동작으로 전유압 구동 소형사출성형기의 대부분은 이 절차로 성형된다.
[그림 2]의 Ⅱ는 전유압 구동식의 중소형 사출성형기에서 발생하는 낭비 시간이다. 이 요구에 대응하는 스크류는 혼련보다 가소화 능력에 중점을 둔 것이 요구된다. 금형의 냉각시간 중에는 기계적 동작은 없기 때문에 사출성형은 다음 사이클을 위해 가소화(스크류 회전)에 들어간다. 유압구동에서는 동작의 복합은 통상 중복되지 않으므로 스크류 회전이 종료되고 형개하게 되는데 금형 냉각이 양호하고 성형품 두께가 얇아 냉각시간이 짧은 경우 그림과 같이 낭비시간이 발생한다. 여기에서는 가소화 능력과 금형냉각 능력의 경쟁이 발생한다.
[그림 2]의 Ⅲ은 동력원을 2계통으로 하여 스크류 회전과 형개를 복합시킨 사례로 박육성형품의 고속 사출성형시 상기의 낭비 시간이 생기는 것을 방지하기 위해 스크류 회전중에 형개 동작을 복합시키는 경우가 있다. 이때 어큐믈레이터에 축적한 에너지와 펌프 동작의 2가지 동력원이 활용된다. 고속 사출성형기에서 자주 볼 수 있는 시퀀스이다.
[그림 2]의 Ⅳ는 AC서보전동기 구동 사출성형기 사례로 전동기 구동 사출성형기의 한가지 효과이다. 이 형식은 여러 대의 전동기를 사용하는 경우에만 그림과 같이 중복할 수 있기 때문에 이론적으로는 이 결합 부분에서 성형 사이클 시간이 단축된다. 다만 형체와 사출, 형개와 돌출(이젝터)의 중복을 반복할 수는 없다.  

[그림 3]은 스크류 형상과 성격을 설명한 것이다. 그림은 표준 스크류로 가소화 능력 충전(d2)은 크게하고 압축비는 작게하여 이송부 길이는 여열효과를 위해 길게하면 스크류장이 길어지고 혼련 충전(d2)은 작게하고 혼련비는 크게 설정하는 것이 보통이다. 이 스크류는 가장 일반적인 플라이트 스크류인 L/D는 통상 15∼25이며 압축비(d1/d2)는 1.5∼3.0, P(피치)는 D(직경)과 같게하는 것이 많다. 이 수치의 선정 방법으로 스크류의 성격이 결정된다.
[그림 4], [그림 5]는 최근에 많이 사용되는 스파이럴 배리어 스크류이다. 가소화를 완전하게 하여 품질 확보를 의도한 것이다.

3. 고정밀 사출성형을 위한 금형

플라스틱 성형가공에 있어서 금형의 중요성은 재론할 필요가 없지만 신제품을 제조할 경우 금형설계 제작은 납기와 가격, 품질과의 타협의 결과인 경우가 많다.
금형제작도중에 제품설계의 변경, 단기납기를 위해서 진보적 설계가미의 곤란성을 극복하면서 고객이 만족하는 금형을 제공하는 것이 금형제작자의 의미이다. 정밀성형 금형에 있어서는 대충적인 타협을 한 금형은 사용에 있어 견디지 못하는 경우가 많다. 여기서는 본래의 정밀성형에 필요한 금형특성을 생각한다.

정밀성형의 개념은 단지 치수공차의 범위가 작은 세밀한 성형품만을 지칭하는 것은 아니고 대형성형품의 변형이나 성형품 크기에 대한 공차비율에서 소형성형품 이상의 상대정밀도가 요구되는 성형품에 관해서도 생각해야 한다.
또 정밀의 개념은 성형품의 잔류내부응력, 광학적 특성, 그리고 금형이나 그 주변에서 발생하는 미세한 분진이나 금속가루, 성형재료 본래의 물성유지 등 장기간에 걸쳐 금형성능 유지의 특성이 필요하다.

(1) 금형의 기계적 정밀도
금형의 기계적 정밀도는 설계, 금형재료, 열처리 등을 포함한 가공법에 의해 결정된다.
금형의 강성은 성형기의 플라텐 강성을 충분히 고려하여 설계할 필요가 있다. 저장몰드 등으로 사출측의 성형품이 수㎛ 두껍게 되는 것을 경험한다. 이 현상은 고정측 플라텐 변형이 원인이 된다고 생각되지만 이 수치를 제로로 한다는 것은 어려우며, 어느 수치로 타협하는가 또는 금형으로 보정을 하게 된다.
금형판의 평면도 가공은 어렵다. 정밀도가 높은 평면 연삭판으로 가공을 해도 좋은 평면도는 용이하게 얻어지지 않는다. 가공자의 숙련도가 크게 영향한다. 성형기로 형체하면 적은 정도로 구부러진 금형판은 평탄하게 되지만 금형판에 가공되고 있는 구멍 등은 직각도가 어긋나게 된다.
금형판에 많은 부품을 조압할 경우 즉 「끼여 맞춤」이 문제가 된다.
끼어맞추기는 연약해서 숏트마다 부품이 이동할 위험이 있다. 구멍과 부품의 면은 거칠은 조립으로 분해할때마다 변화한다.
이들 치합부의 면은 연삭가공을 하여 조립으로 작업에 의해 면 거칠기가 변화함에 따라 정밀도의 변화를 방지하여야 한다. 이들 부품을 열처리하여 높은 경도로 하는 것은 이런 정밀도를 유지하기 위해서도 필요하다. 높은 정밀도가 요구되는 금형에서는 기어 맞추는 간격을 제로로 하기 위해 냉각끼우기가 행해진다.
드라이아이스 등을 사용하기 위해 조립해서 분해 조작이 번잡하지만 정밀도를 유지하는데도 이상적인 수법이다. 단, 부식이 발생하면 분해가 불가능함으로 내식성의 금형재료를 사용하여야 한다.
모든 정밀도는 측정에 의해 보증된다. 금형제작자의 정밀도 관리는 비용이 드는 사항이지만 필히 취급하지 않으면 않된다.

1) 멀티캐비티의 정밀도
다수개 취출 금형으로 성형 했을 경우, 캐비티간의 여러 정밀도의 편차는 성형자의 머리를 어지럽게 하는 문제중 하나이다. 할수 없이 1개 취출 금형으로 고집하는 성형자도 있다. 다수개 취출 정밀도를 확보하기 위해서 해결해야 할 점이 많게 된다. 일반으로 캐비티외 정밀도에는 충분히 고려하지만 게이트, 런너, 스프루, 런너로크핀 등의 치수 정밀도나 면거칠기의 고려는 부족한 경향이다. 특히 성형기에 취부했을때 상하 온도분포의 균일화는 어려운 문제로 온도조절회로 설계는 중요하다. 핫런너를 채용할 경우에도 유로길이의 균일화와 함께 런너 상하 균일화는 대단히 중요하다.

2) 금형의 변형과 온도제어
정밀기능 부품이외 성형품으로 문방구나 가정용품 등으로 직접 사람손에 접촉하는 물건의 파팅라인의 정밀도는 중요하다. 사람손의 감각은 대단히 예민하여 30㎛ 정도의 파팅라인의 어긋남은 불쾌한 감촉이 된다.
파팅면이 복잡하여 슬라이드 코어가 있을 경우의 파팅라인 가공은 정적으로 완전히 맞아 있어도 형체력으로 변형이 생겨 맞춤 어긋남이 발생한다. 이때문에 최종 조정은 숙련공의 손에 맡끼는 경우가 많다.
성형 사이클간에 금형은 형체, 수지압, 형개 등의 영향으로 변형이 발생한다. 특히 슬라이드 코어가 있는 금형에서는 로킹블록의 변형은 크다. 로킹블록의 변형은 삭제되지 않는 요소이므로 이 변형이 성형품 정밀도에 어떤 영향을 미치는 가를 충분히 예상할 필요가 있다.
CAE는 로킹블록의 변형과 균일한 형체력 발생의 결정, 그리고 수지압에 의한 금형의 변형 해석에 유효한 공구가 된다.
형체시에 발생하는 변형은 복잡한 파팅면이 있는 금형에 많다. 원인은 파팅면의 장소에 의한 접촉압력의 차이나 경사면의 접촉에서 발생하는 분력에 의한 것으로 설계나 가공정밀도에 문제가 있다.
금형온도 제어는 만족한 상태에서 행해지는 일은 적다. 온도제어용 유체의 회로나 히터 설치장소는 이젝트 장치나 삽입물(인서트 블록) 등의 간섭을 피하기 위해 이상적인 장소에 설치되지 않는 일이 많다. 또 금형내부와 외면과의 온도차나 상하의 온도차는 수정할 수 없는 경우가 많다.
기술적으로는 개발의 여지가 있지만 금형의 국부적인 온도제어 방법을 더욱 적극적으로 채용하여야 한다.
금형의 온도제어나 핫런너에 사용되는 히터성능은 1개마다 발열량의 오차와 함께 1개의 히터장소에 의한 발열량의 균일화가 중요하다.
히터 한개마다 온도 센서를 취부하여 제어해도 온도를 국부적으로 제어할 수는 없다. 다시 히터를 금형에 장치하는데는 열전도성 유체를 히터 표면에 도포한 구멍이나 홈에 취부하는 방법 또는 알미늄 합금에 주물로 넣은 블록상으로하여 금형판에 취부하는 방법 등 많이 있으나 장소에 따라 전달계수의 편차도 있어 온도오차의 가능성은 크다.
핫런너블록에 히터를 직접 삽입한 방식은 이런 결점을 개선하고 있다고 생각된다.

3) CAD·CAM·CAE 기능
금형재료의 종류가 많으며 일반 경면가공용의 재질이 안정되어 왔으므로 금형재료의 선택이 용이해졌다. 열처리에 관해서는 1개 또는 2개의 금형부품을 많은 일반 부품과 함께 열처리하는 경우가 많음으로 변형이나 경시변화의 문제가 발생하고 있다.
서브미크론미터의 치수를 장기간에 걸쳐 유지하는 금형에 있어서는 그 부품만을 단독으로 열처리를 하고 있는 공장도 있다. 특히 서브제로 처리에 있어서는 처리방법과 경시변화의 데이터를 실험적으로 수집하면서 실제 처리를 하고 있다.

한편 공작기계와 절삭용 칼날의 개선은 담근질입강(경도 55~60HRc)의 절삭가공을 가능하게 하고 있다. 종래 절삭 가공후 열처리하여 변형할 염려가 있는 형상에 관해서는 열처리후 절삭가공이 늘고 있다.
단, 담근질입강의 가공에 관해서는 연삭가공 쪽이 정밀도는 높으므로 미크론메타의 오다가공에 관해서는 가능한 연삭가공이 유리하다.
이제까지 기술한 바와 같이 정밀도 높은 금형을 제작하는데는 광범위한 기술적 검토가 필요하다. 경쟁이 심한 단기납기 금형제작에는 컴퓨터의 지원이 반드시 필요하게 되었다. 수지흐름만이 아니고 금형온도 분포나 변형까지 가미한 금형설계가 필요해졌다.
금형의 정밀도나 미크론메타에서 서브미크론메타로 향상되면 가공하는 장비도 고도가 되어 일견 숙련공이 불요인 것처럼 착각하게 된다. 그러나 현단계에서는 숙련공의 기여도가 아주 크다. 단순한 편명가공, 구멍가공에 있어서도 높은 정밀도가 요구되는 것만의 피가공물의 취부방법이나 저석의 절단부의 미크론미터 단위의 오차는 용이하게 발생한다.

(2) 정밀사출 성형과 금형설계
최근 일반으로 정밀성형품이라고 부르고 있는 것에는 수많은 것이 있지만 AV기기, OA기기 분야에서는 특히 그 예가 많다. 이들 분야에 있어서 정밀성형에는 비교적 소형의 것이 많이 있다. 대부분이 전기·전자 등의 핵심부품으로 사용되는 것이 주류를 이루고 있으며, DVD를 위시한 레이저디스크, 비접촉식 IC카드, 렌즈, 치차 등의 정밀광학기기 용도를 들 수 있다.
이들 중 전자에 관해서는 초얇은 두께 성형이 포인트이지만 후자에 관해서는 치수적 정밀도와 병행한 형상적·정밀도가 중요하다. 또 레이저디스크나 렌즈는 투명도, 복굴절율의 광학적 기능이 중요시된다.
이처럼 한마디로 정밀성형품이라해도 제품종류에 따라 요구되는 ‘정밀’에는 치수정밀도, 형상정밀도, 기능성 등의 요인이 있다. 따라서 정밀성형품 금형으로서는 단지 치수정밀뿐만 아니라 형상정밀도, 기능성 등의 요구도 병행해서 만족시키는 금형이어야 한다.
이하 정밀성형품 생산용 금형으로서 설계상 중요 포인트를 전기의 관점에서 총괄적으로 기술코져 한다.

1) 정밀성형용 금형설계의 키포인트
정밀 성형품을 만들기 위한 금형에 요구되는 요인은 수많이 있으나 설계상 중요한 키포인트를 살펴본다면 대략 다음과 같다.