1. 서론

자동차, 휴대단말, 사무기기, 정밀기기 등에 의해 고성능·기능화, 경량화, 소형화, 에너지절감, 안전·환경대응 등이 보다 강화되면서 플라스틱 제품에 대한 품질 요구도 점점 높아지고 있다. 사출성형은 가소화, 사출, 보압, 냉각 공정을 거쳐 성형품을 가공하는 간단한 기술이기는 하지만, 혹독한 시장 요구에 대응하기 위해 종래형 사출성형의 기본적 과제를 극복함과 동시에, 가공 영역을 확대하기 위한 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다.
본문에서는 사출성형기와 금형으로 제품을 만드는 종래형 사출성형을 브레이크스루하는 기술개발에 초점을 맞추어 설명한다.

2. 종래형 사출성형의 과제와 제품 설계상의 제약

2-1. 종래형 사출성형의 과제
사출성형은 생산성이 좋고 형상설계의 자유도가 높아 적용할 수 있는 플라스틱 종류가 많은 우수한 성형법이지만, 최근 다양한 요구 품질(가격 포함)에 응하기에는 원리적으로 아래의 과제들이 있다.

(1) 금형 내 압불균일과 부등속냉각
금형 내에서는 압력 손실이 있기 때문에 게이트 근방과 유동말단에서는 압력차가 발생하며 압은 분균일이 된다. 또한 용융 수지가 금형 내에 들어간 열은 금형의 온도조절회로의 열매(熱媒)에 의해 금형 온도조절기로 열이 이동한다. 곧, 캐비티 면 전체를 균일하게 온도를 조절하는 것에는 한계가 있어 캐비티 안에서는 부분적으로 부등속냉각이 되는 것은 피할 수 없다. 이 2개의 과제가 잔류 변형, 휨, 뒤틀림, 수축 기공, 기포(보이드) 등을 유발하는 원인이 된다.

(2) 웰드라인(Weld Line)
다점 게이트 방식과 유동 장해부가 있는 형태에서는 웰드라인의 발생을 피할 수 없다. 웰드라인은 외관 불량, 강도 저하, 치수 정도 불량, 도장 밀착 불량 등의 원인이 된다.

(3) 저전사성(低轉寫性)
금형 내에 사출된 용융 수지는 캐비티면과 접촉하면 스킨층은 순간적으로 급냉하고, 유리 전이점(비정성수지) 또는 결정화 온도(결정성수지) 이하에 수지 온도는 저하된다. 그렇기 때문에 거울면과 미세 요철이 있는 제품으로 형면을 정밀하게 전사(轉寫)하기에는 한계가 있다.

(4) 가스의 영향
정밀한 금형일수록 파팅의 면 정도는 높아지는 동시에 사출속도의 고속화도 진행되기 때문에 충진 시 가스 빠짐 현상이 나빠진다. 한편, 재료로는 첨가제와 충진제는 고배합으로, 처방도 복잡화 하는 경향이 있어 용융 수지의 가스 발생량도 많아진다. 때문에 가스(에어 포함)에 의한 금형부식, 제품 표면의 불투명 현상, 단열 압축 수지의 탐 현상, 미충진 등의 불량이 발생하기 쉽다.

2-2. 제품 설계상의 제약
사출성형은 설계의 자유도가 높다고는 하지만 제품에 따른 다양한 설계 요구에 대해서는 다음과 같은 제품 설계상의 제약이 있다.

(1) 형상과 두께의 제약
일반적으로 사출성형금형에서 복잡한 중공 형상 제품은 성형하기 곤란하여 단면형상으로 성형 후, 접착 및 용착하는 방법으로 제품을 만들 수밖에 없다. 또한 두꺼운 제품이나 리브 구조의 성형품으로는 수축 기공 또는 기포의 발생은 피할 수 없는 경우가 많다.

(2) 다품종 생산에 부적합
사출성형은 동일 제품을 다량생산하기에 적당한 공법이지만 소비자의 주문에 맞는 디자인의 제품을 다량생산하기에는 부적합하다.

(3) 2차 가공에 따른 생산성 저하 및 품질의 불규칙
사출성형은 생산성이 좋지만 성형 후 접착, 도장, 인쇄 용착 등의 2차 가공을 실행할 경우 가공 공수가 걸리기 때문에 토털로는 생산성이 저하된다. 또한 2차 가공은 자동화가 비교적 어려워 일손에 의한 가공이 많아 품질의 불규칙도 크다.
한편 접착, 도장, 인쇄 등에는 용착계가 많아 환경·안전대책도 과제가 된다.

(4) 저강도·저탄성률
금속재료와 비교하면 플라스틱은 강도·탄성율이 낮다. 지금까지는 경량성, 설계의 자유성, 양가공성에 주목하여 시장을 확대해왔으나, 이후 더 많은 응용 분야를 확대하기 위해서는 강도·탄성률을 비약적으로 향상시킬 공법 개발이 필요하다.

3. 성형기술의 개발

상기의 과제 극복 및 가공 영역을 넓히기 위해 개발된 성형기술과 응용 예를 <표1>에 표시했다. 여러 기술 중에서 최신 주목 기술 몇 가지를 픽업하여 설명한다.

3-1. 컴파운드레스 직접사출성형
소재와 배합제(첨가제, 착색제, 충진재 등)를 컴파운딩하고, 연결하여 직접사출성형한 소위 컴파운드레스 직접사출성형법(이하 직접성형법)이 개발되고 있다. 컴파운딩에 의해 만들어진 성형재료(펠릿)를 가진 종래형 사출성형과 비교하면 직접성형법에는 다음과 같은 이점이 있다.

① 열 이력(熱履歷)이 1회 적어 열분해에 의한 열화가 일어나기 어렵다.
② 섬유 강화 재료로는 가소화 시 섬유 분쇄가 적다. 연속 섬유를 실린더 도중에서 사이드 피드함에 의해 장섬유성형이 가능하다.
③ 컴파운딩 비용이 들지 않기 때문에 재료비 저감으로도 연결된다.
④ 요구에 대응해 배합제의 종류 및 배합률을 바꾸어 성형 가능하다.
⑤ ③에 관련하여 소량 오더 성형의 대응이 용이하다.

해외에서는 이미 크라우스마페이社(독일, Krauss-Maffei)가 IMC라는 성형 시스템을 개발하여 프론트엔드 모듈 캐리어 같은 고강도, 고충돌이 요구되는 자동차 부품에 응용하고 있다.
도시바기계(주)가 개발한 온라인 브랜드 성형기(EC100SX-2AP)는 스크류 프리프라(Screw Pre-plasticization) 방식이지만, 가소화 장치는 단축 스크류를 가지고 있어, 용융 존의 개부구로부터 탄소 섬유 로빙을 사이드 피드하는 방식을 사용하고 있다. 충진률은 로빙의 공급량과 정량 비더의 소재 공급량의 비율에 의해 조정하고 있다. 또한 섬유의 분쇄를 막기 위해 단축 스크류를 채택했다고 한다. 같은 방법으로 탄소 섬유 강화 PA66에서 2륜차 엔진 커버 등의 개발이 진행되고 있다.
(주)소딕플러스테크(Sodick Plustech)는 2축 가소화 장치 탑재 사출 성형장치(PE100)를 개발하고 있다. 이 회사는 스크류 프리프라 사출성형기 개발의 실적은 있지만, 가소화부에 2축 압출장치를 가지고 있어 소재와 배합제를 임의의 비율로 혼합한 것을 호퍼로 일괄 공급해 직접사출성형하고 있다. 2축 스크류의 엘리먼트는 배합제의 종류, 성상(性狀)에 의해 재편성된 설계이다. 응용 예로는 폴리 유산과 패각분(貝殼粉)을 임의의 비율로 혼합하여 육묘(育苗)그릇을 직접 성형한 예를 소개한다.

3-2. 연속 섬유 강화 열가소성 수지 시트와의 복합 사출성형
본 성형법은 꽤 이전부터 유럽에서 개발된 기술이지만, 자동차의 경량화 니즈가 높아짐에 따라 금속을 대신할 경량·고강도부재의 성형법으로 응용되고 있다. 작년 10월에 개최된 K 2013에서도 본 성형법에 의한 성형 실연(實演)이 많이 선보였다고 한다. 국내에서는 도시바기계(주)가 위에 서술한 온라인 브랜드 성형기를 가지고 같은 사양의 성형 시스템을 개발하고 있다.
연속 섬유 강화 열가소성 시트(이하 강화 시트)와 복합 사출 성형에 의해 금속 재료마다 강도·강성을 부여한 경량부재를 성형할 수 있으며 설계의 자유도도 가능하다. <그림1>에 나와 있듯이 강화 시트를 적외선 가열로 연화시킨 후 사출성형기의 금형 내로 이동하여 금형 폐쇄하면 고정형(固定型)과 가동형(可動型)에 의해 바라던 형상에 부형된다. 이후, 용융 수지를 사출하여 리브, 보스 등을 성형, 하나의 성형품을 얻는다. 본 성형법에 사용된 강화 시트는 본드 라미네이트社(Bond-Laminates, 랑세스(Lanxess) 그룹의 회사)의 상품명 TEPEX 라는 시트가 사용되고 있다. 본 시트는 PP, PA, PPS 등의 열가소성 수지를 유리, 카본, 아라미드 등 연속 섬유로 강화한 품종이 있다.
현재, 유럽에서는 사이드빔, 브레이크 페달 등의 자동차 부품의 응용 예가 보고되고 있다.

* 『사출성형기술의 최신동향』 (下)는 다음 호에 계속됩니다.

<참고문헌>
(1) Masamichi Momono : Monthly Magazine ‘Plastics’, 28(4), pp.31~35(2013)
(2) Yuuki Tanaka : Monthly Magazine ‘Plastics’, 28(4), pp.27~30(2013)

* 필자 : 혼마기술사사무소 혼마 세이치(本間 精一)