MOULD and DIE

CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)는 탄소섬유강화 플라스틱으로 항공기에 대량으로 적용되기 시작한 이후 자동차를 비롯한 수송기계 분야에 활발히 적용되고 있다. CFRP의 강도와 탄성은 각각 철강의 6배, 3배이다. 내마찰, 내마모, 치수안정성이 뛰어난 특성을 가지고 있다. 전기자동차의 대중화와 에너지 효율 차원에서 경량화가 키워드이지만 CFRP의 확대 적용을 어렵게 만드는 요인은 높은 재료 가격과 성형의 어려움으로 인한 제조비용이다. CFRP는 열경화성과 열가소성으로 나누어진다. 열경화성 CFRP는 에폭시 수지(열경화성 수지)를 탄소섬유에 침투시킨 재료이다. 과거에는 가열하여 경화하는 시간이 길었지만 3분 정도로 단축시킨 속(速)경화수지가 개발되었다. 열가소성 CFRP는 사출성형의 가열과 냉각에 의해 쉽게 형상을 만들 수 있는 장점이 있다. 열경화성의 모재 수지는 에폭시 수지가 대부분이지만, 열가소성 CFRP에 사용되는 모재 수지는 종류가 많아 모재 수지 특성이 성능에 미치는 영향이 크다. CFRP에 이용되는 열가소성 수지는 PP, PA, PPS, PEEK 등이다. 오토클래이브(Autoclave) 는오래 전부터 항공기 분야에서 널리 사용하던 성형 방식이다. 탄소섬유 프리프레그(Prepreg)를 오토클레이브 내부에 넣어 고온 고압으로 성형한다. 비행기 동체 등 큰 규모의 부품 제조에 사용되고 있다. 수지이송성형(RTM. Resin Transfer Molding) 은 열경화성 CFRP의 대표 성형 방법이다. 1차로 탄소섬유 소재를 원하는 형상으로 프레스해서 예비 성형품 형태를 만든다. 예비 성형품은 아직 수지가 함침되지 않은 드라이 상태인데 1차 성형에서의 형태를 유지하기 위해 섬유 사이는 열가소성 수지의 가느다란 실로 연결되어 있다. 2차로 이 형태를 별도의 프레스로 이동시켜 에폭시 수지를 주입하고 압력을 가해 경화시킨다. 단섬유 사출성형 은 탄소섬유와 열가소성 수...

사출성형에서 용융수지의 흐름 단면을 보면 금형면에 닿는 부위와 중심 부위의 속도차가 있음을 알 수 있다. 금형면 온도는 캐비티 중심부보다 낮기 때문에 흐름성이 저하되어 분수 유동 현상이 발생한다. 금형면에서는 마찰과 냉각의 영향으로 유동 속도가 더디고 일정 온도 이하가 되면 유동이 멈추면서 고화층을 형성한다. 캐비티 중심부는 빈 공간이긴 하지만 고화층 때문에 흐름 영역이 좁고, 차가운 공기의 저항으로 인해 유동성이 떨어지면서 용융수지가 바깥으로 밀려 나가는 현상을 보인다. 이 모습이 물을 내뿜는 분수와 비슷해서 용융수지 흐름을 설명할 때 분수유동이라고 부른다. 사출금형 캐비티 유동단면 velocity-유동속도, shear rate-전단속도, shear stress-전단응력 분수유동과 관련해서 사출성형에서만 나타나는 특징 중 하나는 충진 순서이다. 최초로 주입된 용융수지가 캐비티 깊은 곳으로 뻗어나가지 못하고 입구가 좁은 게이트 주변에서 고화되기 시작한다. 오히려 나중에 들어간 수지가 게이트로부터 멀리 떨어진 캐비티 끝 부분을 채워 나간다. 나중에 들어온 수지일수록 캐비티 말단을 향해 흘러가는 것이다. 일반적인 유체의 경우 먼저 들어가면 앞으로 전진하고 다음에 들어오는 유체가 뒤를 채운다. 하지만 사출성형에서는 플라스틱의 유동특성 변수가 작용하므로 반대이다. 유동정체현상(Hesitation effect)은 살두께가 불균일한 성형품에서 용융수지가 두꺼운 영역으로 먼저 이동하고 얇은 두께에서는 흐름이 정지되어 있는 상태를 말한다. 얇은 구간은 유동단면이 협소하여 빨리 고화되면서 미성형이 발생한다. 살두께가 다른 성형품에서 가느다란 리브(rib)가 존재하는 경우 서로 다른 방향의 사이드 게이트라 하더라도 게이트 부근의 리브에서 유동이 멈춰 미성형이 유발한다. 리브의 유동정체현상은 러너와 게이트 시스템을 변경해서 해소할 수 있다. 3단금형 핀포인트 게이트 또는 핫러너 밸브게이트를 채택하고 위치를 조정하여 리브 영역 충진이 ...

CSS 로케이트링(Locate ring) 은 사출금형 고정측 설치판에 부착하며 설치판 바닥에서 약간 돌출되어 있다. 금형을 설치할 때 사출성형기 고정측 부착판 정중앙에 관통되어 있는 구멍에 로케이트링을 끼워 위치를 맞춘다. 사출성형기 노즐과의 중심맞춤 작업이 수월하도록 모서리를 15°~30°의 각도면으로 만드는 것이 좋다. 사출성형기 노즐과 금형의 스프루부시 중심이 일치하도록 위치 제어 역할을 담당한다. 로케이트링은 사출성형기마다 규격이 다르므로 금형사양서를 확인하고 맞는 크기로 제작해야 한다. 일반적으로 Ø100, Ø120, Ø150을 많이 사용하는데 틈새를 적용해서 외경을 Ø99.8, Ø119.8, Ø149.8로 제작하는 것이 좋다. 스프루부시(Sprue bush) 는 사출성형기 노즐에서 흘러나온 수지를 금형 캐비티로 운반하는 첫 관문이다. 스프루는 최초의 유로이며 성형면까지 직접 연결되거나 러너로 이어진다. 다이렉트 게이트 형식의 2단금형은 스프루가 제품면에 직접 연결되고, 3단금형은 수평러너와 수직러너 조합의 긴 유로와 게이트를 거쳐 용융수지가 캐비티로 진입한다. 고화된 스프루가 잘 빠져나오도록 스프루부시 내부의 원뿔 벽면을 빼기 방향으로 래핑해야 한다. 원뿔형태 유로의 체적이 크므로 고화가 잘 되도록 주변에 냉각을 설치한다. 스프루부시 머리 바닥에 가공되어 있는 구(球) 형상은 사출성형기 노즐 외경과 밀착시켜 수지가 새는 것을 방지해야 한다. 이를 위해 스프루부시의 구(球) 형상은 사출성형기 노즐 외경보다 1㎜ 크게 하고, 스프루 부시의 유로 시작 직경 또한 사출성형기 노즐 중앙에 뚫려 있는 구멍보다 1㎜ 크게 한다. 사출성형기 노즐과 맞닿은 스프루부시의 구(球) 부위는 마모 방지를 위해 화염열처리를 해서 경도를 끌어올린다. 로케이트링(왼쪽)과 스프루부싱(오른쪽) 로케이트링과 스프루부싱 조립

수송기기 산업에서 경량화는 오래 전부터 거론되는 핵심 주제이다. 가벼운 무게만을 목적으로 삼아서 플라스틱으로 차량의 모든 부품을 대체할 수는 없기 때문에 금속과 수지를 결합한 이종(異種) 소재 부품 개발이 두각을 나타내고 있다. 금속과 플라스틱은 기존의 방식에 의해 나사, 접착 본드, 테이프 등으로 접합할 수 있다. 기존의 이 방식들은 늘어나는 공정과 후속 공정간의 부품 이동시간, 반제품 및 재공품 증가, 접합 작업시간을 증가시키므로 일체화 성형을 위한 새로운 기술이 필요하다. 금속과 수지를 하나의 공정에서 결합시키기 위해 금속 표면처리 기술과 사출성형 기술 융합이 가능하다. 이 방법은 금속 표면에 미세 요철 구조를 만들고 이 금속을 금형에 삽입한 후 사출된 용융수지가 요철 구간을 감싸도록 하는 것이다. 금속표면의 미세한 요철은 충진된 수지가 떨어지지 않도록 앵커 역할을 수행한다. 사출성형은 용융수지가 금속 인서트 표면의 나노 또는 미크론 크기의 요철 부위를 차고 들어가도록 충진시킨다. 아래 그림에서 (a)는 화학 에칭으로 금속 표면에 요철 형상을 가공한 확대 단면이고, (b)는 용융수지가 성형되는 과정이다. 나노크기로 표면처리된 금속에 사출성형이 이루어지는 과정 금속표면처리 원천특허는 일본이 보유하고 있으며 오래 전부터 NMT(Nano Molding Technology)라는 명칭으로 기술 상용화를 시도했다. 아래 사진은 NMT의 화학 에칭 기법으로 알루미늄 표면에 미세한 요철을 생성시킨 전자현미경 확대사진이다. 왼쪽은 표면처리 전, 가운데는 표면처리 후, 오른쪽은 수지와 결합되어 있는 인서트 사출성형품의 단면 확대 사진이다.(위 연한 색이 수지, 아래 진한 색이 알루미늄) 요철의 크기는 nm이다. 표면처리한 알루미늄(Al5052)와 사출성형에 의한 결합체 확대단면 현재 실용화 분야는 MP3 및 스마트폰 케이스와 ECU(Electronic Control Unit)가 있다. 대만의 HTC사에서 최초로 NMT 기술...

금형 재료는 성형 특성과 성형품의 요구 품질, 금형수명 등 여러 조건을 고려하여 선정한다. 프리하든강은 기계가공 후에 열처리를 하지 않고 그대로 사용한다. 절삭가공 한계 근처 경도(HRC33~40)를 갖도록 조질 처리한 강재가 이에 속한다. 플라스틱 금형에 사용하는 프리하든강에는 HP1A, HP4A, HP4MA가 대표적이며 NAK80, PX5, P20 등도 해당된다. 금형수명을 연장시키기 위한 목적으로 가공 후 열처리를 하여 경도를 높이는 표면개질을 하는데 이러한 방식을 열처리 금형이라 한다. STAVAX 재질의 열처리 금형은 주로 대규모 양산이 필요한 소형 정밀부품에 사용하고 있다. 열처리 단계에서 변형이 발생하므로 밀링·드릴 가공→NC 황삭→열처리→평면 연마→NC 정삭 순으로 작업이 이루어진다. 플라스틱 금형강 종류 종류 경도(HRC) 구분 장점 용도  SM45C 6~22  기계구조용  탄소강  몰드베이스판재  일반금형부품  HP1A  HP4A  HP4MA 13~17 24~31 29~33  프리하든강  기계가공성  자동차범퍼  그릴  OA기기  CENA-1 40  프리하든강  경면가공성  내식성  TV BEZEL  TV REAR COVER  고품위 가전제품 외관  NAK80 38~42  프리하든강  석출경화형  경면가공성  내마모성  생활가전  화장품용기  STAVAX 45~54  스테인리스강  열처리금형  경면가공성  내식성  내마모성  광학부품  렌즈  도...

PVT 곡선은 압력, 부피, 온도에 따른 수지의 거동을 표현한 그래프이다. P는 압력(Pressure), V는 부피(Volume), T는 온도(Temperature)를 의미한다. 아래 그림에서 X축은 온도이고 Y축은 부피이다. 왼쪽은 결정성 수지이고 부피가 급격하게 변하는 지점이 용융온도(Tm)이다. 오른쪽은 비결정성 수지이고 기울기가 변하는 지점이 유리전이온도(Tg)이다. 그림 안의 화살표는 밑으로 갈수록 압력이 더 큰 상태임을 나타내는데, 동일 온도에서 압력이 높을수록 부피변화가 더 작은 것을 알 수 있다. 사출성형과 연관지어 분석해 보면 큰 사출압 조건에서 부피 변화량이 적고 이는 수축이 작게 일어난다는 것을 의미한다. PVT 곡선은 온도 하강에 따른 부피 변화에 있어서 결정성 수지가 비결정성 수지보다 훨씬 큰 것을 보여주고 있다. 비결정성 수지는 완만한 부피 상승을 일으키지만 결정성 수지는 특정 온도에 도달하게 되면 부피 팽창이 가파르다. 이것은 고화되어 온도가 내려갈 때 결정성 수지의 수축이 비결정성 수지보다 커서 치수정밀도가 떨어진다는 것을 의미하며 냉각 배치에 주의를 기울여야 한다. 결정성 수지와 비결정성 수지의 PVT곡선 결정성 수지는 상온에서 규칙적인 결정을 보이고 있다가 용융온도(Tm)에 도달하면 불규칙해지면서 급격한 부피 팽창을 하고 다시 상온으로 돌아오면 커다란 수축이 일어난다. 결정 구조를 바꾸는 부피 변화는 큰 열량을 필요로 하는데 이는 사출성형기의 가소화 능력이 충분해야 함을 나타낸다. 반대로 온도가 낮아지면 많은 양의 열을 방출하기 때문에 금형 냉각을 강화해야 한다. 부피가 증가하면 분자간의 거리가 늘어나고 움직임이 활발해진다. 이는 결정성 수지가 유동성이 좋은 것을 뜻하며 금형 파팅면으로 플래시 발생 가능성을 높인다. 반대로 비결정성 수지는 결정성 수지에 비해 상대적으로 흐름이 나빠 같은 사출 조건에서 미성형이 생길 수 있다. 하지만 치수 면에서는 수축이 덜 일어나 결정성 수지보다 안...

사출성형조건의 5대 요소는 속도, 압력, 위치, 시간, 온도이다. 이 중 속도, 압력, 위치를 2단계 이상으로 조건 설정해서 수지를 금형에 주입시키는 방법을 다단 사출이라 한다. 성형품 특성을 고려하지 않고 한가지 속도와 압력으로 사출을 하면 살두께와 단면적 편차에 따라 충진 상태가 불안정해진다. 다단사출의 목적은 불량이 나타날 수 있는 구간을 구분한 후 구간별로 속도와 압력을 조정하는 것이다. 다단사출은 최소 2단계에서 최대 10단계까지 설정할 수 있다. 사출 단계에서는 전체 체적의 95%~98%를 충진시키고 이 시점에서 보압절환점(V/P 절환점)으로 넘어간다. 아래는 3단 금형의 사이드 게이트 구조에서의 4단사출과 보압 적용 예이다.  다단사출공정 구분 충진영역 관리대상 사출속도 1단계  스프루, 러너  해당없음 중속 2단계  게이트 통과직후 최소구간  게이트마크. 제팅 저속 3단계  캐비티 대부분  제품면적의 80%~90%  플로우마크  웰드라인 고속 4단계  캐비티말단  제품면적의 95%~98%  가스탄화 저속 보압공정 구분 관리대상 압력크기 1단계  플래시 중속 2단계  수축. 치수안정성 저속 3단계  과충진, 변형, 잔류응력 고속 사출이 마무리되면 용융수지의 냉각이 시작되면서 수축이 발생하기 시작하는데 수축량을 보상하기 위해 보압을 사용한다. 다단사출과 적정한 크기의 보압은 불량 현상을 충진흐름과 특성에 맞게 구분한 후 성형품질 확보에 적합한 속도와 압력 조건을 단계별로 차등...

레이놀즈 수(Reynolds number)는 유체의 흐름 성격을 판단하는 기준으로 사용하는 숫자이다. 층류는 유체의 규칙적인 흐름이고 난류는 무질서하고 비정상적인 변화를 수반하는 흐름이다. 레이놀즈 수가 4000 이상이면 난류로 구분한다. 냉각수의 유속, 온도, 유량 등은 사출성형품의 품질을 좌우하는 요소이다. 레이놀즈 수를 사출금형에서 응용하기 위해 다음과 같이 정의할 수 있다. 레이놀즈 수 = (냉각수 속도 X 냉각구멍 직경) / 동점성 계수 냉각수의 유속이 느리면 층류 유동을 하며 금형과 열전도가 이루어진다. 반대로 유속이 빠르면 난류 거동이 되어 열전도와 대류가 동시에 일어나기 때문에 금형과의 열교환이 층류보다 활발하다. 사출금형의 냉각은 냉각수와 금형 사이에 열전달이 활발히 일어나는 난류 흐름이어야 한다. 냉각수 온도와 금형온도 편차는 성형품의 변형 불량을 유발시킨다. 열전도와 대류를 포함하는 난류 냉각은 활발한 열교환으로 냉각온도조절기에서 설정한 온도와 실제의 금형온도 편차를 감소시키는 효과를 발휘한다. 한 번 가공한 냉각 구멍은 변경과 수정이 어렵기 때문에 레이놀즈 수를 증가시키기 위해서는 냉각수 속도를 빠르게 해야 할 필요가 있다. 일반적으로 레이놀즈 수가 증가할수록 성형품의 변형량은 점차 감소하는 추세를 나타낸다. 냉각구멍이 크고 냉각수 속도가 빠르면 변형 발생을 억제시키는 것이다. 하지만 4000 이상의 레이놀즈 수를 확보한 상태에서 냉각수 속도를 더욱 증가시키더라도(레이놀즈 수를 더 크게 하더라도) 금형 온도는 기대한만큼 낮아지지 않는다. 금형온도를 낮추지 못하는 유속의 증가는 에너지만 소비할 뿐이다. 참고 열전도 - 열에너지가 물질의 이동을 수반하지 않고 접촉만으로 이동하는 특성 대류 - 유체의 움직임에 의해 열이 전달되는 특성

CAE(Computer Aided Engineering)는 컴퓨터 이용 공학의 약어이다. CAE는 CAD로 작성한 형상 정보를 이용하여 모델의 성능을 컴퓨터로 시뮬레이션하는 것이다. 대상물을 무수히 많고 작은 도형으로 쪼개는 유한요소법과 미분방정식을 이용하여 해석한다. 사출성형 분야의 CAE 소프트웨어는 Mold flow, Moldex3D, CAPA 등이 대표적이다. 성형품 제작을 위해 실제로 금형을 만들어 사출해 보기 전에 유동해석 결과를 토대로 성형조건의 적합성을 찾고 성형품의 특성을 미리 예측한다. 해석 결과가 제시한 부적합 요소를 수정 반영한 후 금형제작을 개시하는 순서로 진행하면 개발기간단축, 제작비용절감 등의 목표를 이룰 수 있다. 유동해석은 사출금형 제작 전에 반드시 거쳐야 할 필수 선행단계로 자리매김하고 있다. 아래는 사출성형 유동해석으로 분석할 수 있는 항목이다.  유동해석 항목 취득정보 설명 활용 충진 해석   유동패턴  시간에 따른 유동선단의 흐름상태 파악  게이트 수량과 위치결정  러너와 게이트크기 결정  웰드라인 위치조절  에어벤트 설치, 유동밸런스 확보  미성형방지, 배향파악   압력분포  시간에 따른 용융수지의 압력상태 파악   온도분포  시간에 따른 용융수지의 온도분포 파악   웰드라인  유동선단이 서로 만나는 경계선 파악 냉각 해석   온도분포  금형표면 온도분포 파악  냉각시간 최소화  냉각구배 최소화  냉각채널효율 검증  잔류열응력 최소화   온도차이  캐비티표면과 코아표면의 온도차이 파악 ...

사출성형은 자동화로 구현할 요소가 많다. 금형장착, 원료공급, 제품꺼내기 등 여러 부분에서 자동화 개념을 도입할 수 있다. 주변기기는 자동화를 포함해서 성형조건 설정을 지원하는 설비가 있는데 비용절감, 생산성향상, 품질향상에 많은 기능을 지원한다. ​ 호퍼로더 호퍼로더는 사출성형기 호퍼로 원료를 자동 공급하는 장치이다. 호퍼로더를 사용하면 원료이송 효율 향상과 작업인력에 의한 추락사고 방지, 원료 투입시 발생하는 분진 억제 등의 효과가 있다. 수송관을 통해 원료를 호퍼까지 이동시키는 방법에는 흡입식, 압송식, 코일스크루식이 있다. ​ 호퍼드라이어 수분을 내포하고 있는 원료로 성형하면 성형품 외관에 은줄, 탄 자국, 기포 등의 불량을 야기시킨다. 또한 수지의 가수분해가 일어나 강도가 저하된다. 호퍼드라이어는 호퍼 내에서 원료를 건조시키고 흡습을 방지하는 역할을 한다. 열풍 건조식과 탈습 건조식이 있다. ​ 분쇄기 재활용이 가능한 스프루, 러너, 불량 성형품을 부숴 작은 입자로 만드는 장치이다. 분쇄 크기는 호퍼로더의 수송관을 통과할 수 있어야 한다. 분쇄기에서 나온 재생원료를 호퍼로 자동 이송하면 비용과 시간을 절감할 수 있다. 재생원료는 성형품질을 희생시키지 않는 범위에서 사용한다. ​ 계량혼합장치 원재료와 안료, 재생재료를 일정한 비율로 균일하게 혼합해 주는 장치이다. 혼합시간과 혼합비율을 정확하게 제어하여 원료를 골고루 배합시켜 준다. ​ 금형온도조절기 냉각수를 이용하여 사출성형중인 금형을 지정한 온도로 일정하게 유지해 주는 장치이다. 수지 흐름은 금형온도에 매우 민감하게 반응한다. 올바른 금형온도 설정과 유지는 불량율을 낮추고 성형품 외관 상태를 깔끔하게 해 수율을 안정화시킨다. 온조기는 냉각수를 이용하므로 100℃ 미만에서 사용하고, 온유기는 기름을 사용하므로 200℃까지 가능하다. 금형의 고정측과 가동측의 온도를 별개로 관리하며 유량 조절을 통해 온도를 제어하기도 한다. 필요에 따라 고광택 영역 또는 넓은 성형면이 있는 슬라이드코아의 ...