3-3 금속부품과의 금형 내 접착 성형

금속재료와의 접착으로는 피접착체의 표면 조화(粗化)나 프라이머 처리가 필요하며, 불균형한 접착 강도, 접착제 성분 또는 용제의 환경 안전 대책 등의 과제들이 있다. 최근에는 알루미늄 판, 알루미늄 다이 캐스트, 스틸 등의 금속 부품을 특수 전처리한 후 인서트 성형한 수지와 일체화하는 방법이 개발되고 있다. 지금까지 금속부품과 복합화하는 방법으로는 인서트성형, 아웃서트 성형, 후(後)인서트법 등이 있으나, 이 방법은 다른 방법들과 비교하면 다음과 같은 이점이 있다.

① 수지와 전처리된 금속 부재 성형시, 열과 압력으로 압착하는 것으로 높은 접착 강도와 계면 접착성이 생긴다.
② 고강성, 양방열성, 전자파 실드성 등의 금속재료의 이점과 보스, 리스, 스냅핏 등의 수지 설계 자유성을 조합한 것으로 제품의 성능, 기능을 향상시킨다.
③ 접착부의 내구성과 품질 신뢰성이 향상된다.

주요한 금형 내 접착성형기술의 원리, 응용 예를 <표2>에 표기했다.(3)~(7) 어떠한 방법도 금형 내 접착에 앞서 금속부품의 표면을 화학 처리 또는 레자 처리로 앵커 효과를 부여한 후 금형 내에서 접착하는 방법이다. 표면처리법은 개발회사의 특허나 노하우로만 되어있다. 적용할 플라스틱으로는 PA, PBT, PPS 등의 엔프라가 많다.
이 성형법을 응용함으로써 금속재료의 강도·강성, 방열성, 도전성 등의 특성과 수지 설계의 자유성, 고생산성 등의 특성을 잘 혼합하는 것이 가능, <표2>에 표기한 것과 같이 응용 영역이 널리 퍼져있다.

3-4. 사출성형의 가스대책

가스의 불량을 기피하는 주된 제품으로는 도광판(導光板), DVD 기판, 의료기구 등의 투명 정밀 부품 및 슈퍼 엔프라를 이용한 전기·전자부품이 있다. 전자의 성형으로는 정밀한 주형면 전사성이나 이물, 변색이 없는 제품이 요구된다. 후자의 성형은 고배합 재료가 용이하며 성형 온도는 고온이기 때문에 가스에 기인하는 성형 불량 대책이 필요하다.
성형상으로는 금형의 고정밀화나 사출의 고속화로 가스로 인한 성형 불량이 발생하기 쉬어 이에 대한 대책이 필요하다. 가스 대책이 충분하지 않으면 성형조작상 벤트 구멍 뭉치, 주형 표면의 오염, 금형 부식, 이형 불량 등의 불구합(不具合)이 일어난다. 또, 성형품의 불량현상으로는 미충진, 은장, 표면 흐림, 변색, 탐, 단열압축 그을림, 흑점(탄산물) 등이 발생한다. 가스 대책으로는

① 한계 흡수율 이하로 세밀하게 예비건조
② 용융수지로부터 발생하는 가스를 가급적 줄임
③ 발생가스를 호퍼 또는 용융존에서 탈기
④ 금형 캐비티 내의 가스 및 에어를 금형 외에 빠르게 벤트 배출

등이 필요하다. 이들의 종합적 시점부터 대책을 세워 불량을 미연에 방지해야한다.
예비건조로는, 제습식 건조기나 진공 건조기를 용이하여 건조 온도 및 건조 시간을 세밀하게 관리하고 있다. 수분관리로는 재료중의 수분 함유율을 온라인으로 계측하기도 한다.

가소화공정으로는 여러 대책이 있다. 스크류의 공급 존으로는 에어(산소)가 존재하기 때문에 열산화분해에 의한 가스 발생이나 변색이 일어난다. 공급 존의 질소 가스 치환, 정량공급장치부 호퍼를 용이하여 적량공급 함과 동시에 진공 흡인하는 방식 등이 있다. 그리고 압축 존으로는 전단발열에 따른 열산화분해가 일어나기 쉽고, 변색, 흑점 등의 원인이 된다. 때문에 전단열의 발생을 제어하는 스크류세트도 개발되고 있다. 그 예로, 스미토모중기계공업(주)의 SL스크류, (주)일본제강소의 VP스크류, 토요기계금속(주)의 SAG스크류 등이 있다.

사출공정으로는 캐비티 내에 크고 작은 가스가 들어갈 수밖에 없어, 가스벤트를 하는 것도 중요하다. <표3>에 표시된 가스벤트 장치의 사용과 벤트용 파츠를 금형에 넣는 방법을 이용한다. 예를 들어, 사이토금형제작소(주)의 에코벤트는 지금까지의 벤트 방식과 비교하여 단면적이 약 100배의 개구부를 가지고 있기 때문에 가스 빠짐이 용이하다고 말하고 있다.(8) 원리는 수지의 멜트프론트가 유동말단에 달하는 수지압으로 셔터(판)가 자동적으로 닫혀 개구부(벤트 구멍)로의 유입을 막아주는 기구인 것이다. 런너 단부와 제품부의 말단에 설치하는 것으로 효과적인 가스벤트가 가능하다.

4. 맺음말

사출성형을 에워싸고 있는 사회적 필요는 에너지절약, 자원절약, 환경안전성향상, 환경부하저감 등이 있다. 이들의 요구에 대응하기 위해 <그림2>와 같이 대응 기술의 개발이 이행되고 있다.
한편 플라스틱 재료의 개발로는 바이오플라스틱, 생분해성 플라스틱 등 환경 대응 재료의 개발도 활발하다. 또, 슈퍼 엔프라, 광학용 투명 플라스틱, 나노컴포지트, 도전성 플라스틱 등 고기능 재료의 응용 분야도 함께 확대될 것이라고 예상된다. 이 신소재 특성을 발휘하는 성형 기술의 개발도 필요하다.
마지막으로 자동차, 휴대단말, 정밀 기기 등의 가격 저감을 포함한 엄격한 요구품질에 응해서는 <그림3>에 나타낸 것과 같이 재료, 사출성형기, 금형, 주변기기, 제품평가기술 등을 최적화하여 달성해야한다. 곧, 이후의 성형기술은 <그림3>에 나타낸 요소기술을 패키지로 한 만들기 기술로 진화한다고 생각되어진다.

<참고문헌>

(3) Seiichi Sai/Kunio Mori/Ichirou Kobayashi/Hideyuki Sasaki : The Japan Society of Polymer Processing 2004 pp.9~12
(4) Masami Itabashi : Monthly Magazine ‘Plastics Age’, 58(3), pp.56(2012)
(5) Yasuo Hashimoto : Monthly Magazine ‘Plastics Age’, 56(3), pp.67(2010)
(6) Hideaki Kikuchi : Monthly Magazine ‘Plastics Age’, 57(10), pp.72(2011)
(7) Kazunori Hayasaka : Monthly Magazine ‘Plastics Age’, 58(3), pp.61(2012)
(8) Teruhiko Saitou/Yuukichi Gotou : Monthly Magazine ‘Plastics’, 278(7), pp.55~58(2012)

* 필자 : 혼마기술사사무소 혼마 세이치(本間 精一)