플라스틱 금형의 구조 및 제작

플라스틱 재료를 가열하여 가소화하고, 금형 내에 강한 사출 압력으로 주입한 후, 냉각고화하여 취출함으로써 요구하는 형상과 치수를 갖춘 제품을 얻는 가공법에 사용되는 금형이다. 치수정밀도는 제품의 형상 및 크기에 따라 틀리지만 성형 후 냉각시 수축에 의해 프레스 부품보다 많이 떨어져서 0.05~0.1mm 이상이 된다.

 

▶ 플라스틱 금형의 종류

플라스틱의 금형은

1. 열경화성 재료를 사용하는 압축 및 이송 금형.

2. 열가소성 재료를 사용하는 압출, 사출금형, 진공성형 금형 등으로 대별할 수 있다.

 

▶ 금형의 구조

 제품 형상의 코어 및 캐비티, 용융 사출 원재료가 충진 될 수 있는 스프루 부싱 및 게이트 런너, 제품을 취출 하는 구조인 이젝팅 장치, 위의 부품을 고정하는 몰드베이스로 구성되어 있다.

 

▶ 금형의 설계 및 제작 프로세스

사출금형은 다음과 같은 프로세스에 의해 제작된다.

1. 제품을 디자인한다.

2. 제품 디자인을 참고하여 사용재료, 상대 부품과의 조립을 위한 구조설계, 치수 공차 및 정밀도, 강도 및 내구성 등을 감안한 기구설계를 하여 제품도를 확정한다.

3. 설계된 제품도를 참고하여 금형을 설계하기 전에 성형 충진, 냉각 등에 관란 컴퓨터 해성(CAE)을 하여 사전에 금형설계구조 및 사출성형에 관한 핵심 DATA를 얻는다. 이 과정에서 제품도의 변경이 필요할 경우 제품도를 수정한다.

4. 금형을 설계한다.

5. 설계된 금형을 참고로 하여 머시닝센터 및 방전가공에서 작업할 수 있도록 CAM 소프트웨어를 이용하여 도형 정의를 한 후 NC 프로그램 DATA를 작성한다.

6. 금형을 제작한다. 참고로 금형제작 순서는 다음과 같다. 

NC DATA를 이용하여 CNC 기계에서 코어 및 캐비티를 가공한다. 기타 부품은 일반 범용기계에서 가공하거나 외부로부터 구매 또는 외주 제작한다. 부품이 완전히 가공되었으면 조립순서에 의해 금형을 조립한다. 조립과정에 상하형 맞춤을 하며 이때 금형 형합용 머신을 활용한다.

7. 제작된 금형을 사출성형기를 이용하여 시험작업을 한 후 치수 및 외관검사를 실시하여 수정사항이 발생할 경우 수정하여 금형을 완료시킨다.

※ 참조

1. CAE (Computer Aided Engineering)

 제품 설계를 할 때 컴퓨터 해석 프로그램을 사용, 제품의 외관 및 치수정밀도와 사출 성형성 등 제품 생산과 품질 관련된 여러 요인(Factor)을 검증된 이론과 축적된 데이터베이스를 활용하여 사전 분석함으로써 문제점을 제거하거나 보완하여 최적의 설계를 가능케 하는 기술이다.

(1) 성형해석의 범위 : 충진 해석(압력, 온도, 속도), 냉각 해석, 휨 해석

(2) 사출성형해석을 위한 CAE 효과 : 원가절감, 품질향상, 납기 단축, 설계, 금형, 성형의 독립부서에서 얻을 정보를 하나의 시스템에서 얻을 수 있다.

2. CAM (Computer Aided Manufacturing)

 컴퓨터를 활용하여 가공에 필요한 데이터(도형 및 가공정보)를 만들고 이 데이터를 CNC 기계에 연결하여 원하는 형상의 제품을 가공하는 방식으로 3차원 자유곡면의 도형을 쉽게 정의하고, 제품의 형상 및 정밀도에 따라 가공방법을 쉽게 결정할 수 있는 전문 소프트웨어들이 많이 개발되어 사용되고 있다.

 

▶ 금형의 제작

프레스 금형과 달리 사출금형은 3차원 자유곡면 형상이 많기 때문에 방전기 가공기술, 머시닝센터 가공기술, 건드릴 머신 가공, CAM 및 NC 프로그램 기술이 핵심기술로 사용된다. 조립공정에서는 형합 머신이 사용되고 금형 표면의 광택을 얻기 위해 래핑 공정이 추가적으로 사용되고 있다. 일반적으로 금형이 대형이기 때문에 금형 정밀도는 프레스 금형보다 낮으나, 커넥터류의 사출금형은 직선 형상이 많이 있고 정밀하기 때문에 프레스 금형에 사용되는 기계를 주로 사용하여 가공하며 금형부품의 정밀도는 프레스 금형의 정밀도에 준한다.

1. 방전가공

가공액 속에서 가공하고자 하는 형상으로 제작된 전극과, 가공하고자 한느 부품에 +,-의 전기를 흐르게 하여 접근시키면 절연이 파괴되어 방전이 된다. 이때 약 5,000도의 고열이 발생되어, 이 고열로 가공하고자 하는 형상을 가공하는 것을 방전가공이라 한다. 일반적으로 원하는 혀상과 같은 모양의 전극을 만들어 방전가공을 하지만, 원하는 형상보다 일정 치수만큼 전극을 적게 만들어 CNC 컨트롤러에 의한 위치제어를 통하여 방전가공을 하기도 한다. 특징으로는

1) 사출금형의 캐비티 부분의 작업에 가장 많이 사용된다.

2) 전극으로는 황동, 흑연 전극 등이 사용되고 있으며 특히 절삭 능력이 좋은 흑연이 대형 사출금형에는 많이 사용되고 있다.

3) 관통되지 않는 부분의 가공에 사용된다.

4) 열처리된 제품도 경도에 관계없이 가공이 가능하다.

5) 전기의 +,-의 접촉에 의한 방전으로 약 5,000도의 고열로 부품을 녹여내는 것이기 때문에 작업하고자 하는 재료가 도체이어야 한다.

2. 머시닝센터 가공

CAM을 이용하여 NC DATA를 작성한 후 기계에 연결하여 원하는 부품을 가공하는 공정이다. 머시닝센터는 자동공구 교환장치(ATC : Auto Tool Change System)가 기계에 부착되어 있어 한꺼번에 많은 공구를 장착할 수 있다. 따라서 적어도 20개 이상의 공구를 ATC에 장치하여 NC DATA에서 지정하는 사용 공구 순서에 따라 공구를 자동 선택하여 작업할 수 있는 기계로서 3차원 자유곡면의 작업을 모델 없이 가공할 수 있는 기계이다. 요즘 기능은 같으나 주축의 회선수가 굉장히 빠른 고속 가공기가 생산되어 더욱더 부품 가공의 속도는 빠르고 정밀도 및 표면 거칠기가 좋은 부품을 생산할 수 있게 되었다.

3. 건드릴 머신 가공

사출금형은 200도 이상의 용융된 사출 원재료를 사용하기 때문에 사출성형 후 제품을 냉각, 고화시키기 위해 금형의 냉각이 필요하다. 이를 위해 금형에 냉각수 구멍을 가공하여야 하나 냉각수 구멍의 길이가 길고 구멍이 크지 않기 때문에 일반 드릴로는 냉각수 구멍을 똑바로 뚫을 수가 없다. 따라서 총신의 구멍을 뚫는 거와 같은 기계를 개발하여 구멍을 가공하고 있다.

4. 래핑 가공

사출성형품의 외관을 아름답게 하기 위해서는 성형품의 외관에 해당되는 금형의 표면이 굉장히 광택이 나고 표면 거칠기가 좋아야 한다. 이를 위해 사포 및 래핑제(Lapping Compound)를 이용하여 금형이 표면을 래핑 하는 가공을 말한다.

5. 형합 머신

금형 최종 조립 시 상하형을 조립하여 상하면면의 접합 여부와 금형 두께를 조정하고, 금형의 원활한 작동이 되는지를 확인하기 위해 실제로 파라핀으로 시험작업을 실시하는 기계이다.

 

▶ 금형의 수명

코어 및 캐비티의 재료 종류 및 열처리 조건, 제품의 형상에 따른 금형 구조에 따라 다르지만 일반적으로 10만 숏(Shot)이 일반적인 금형 수명이나, 제품에 따라 최고 100만 숏까지 수명이 연장될 수도 있다.

 

▶ 금형이 적용분야

 가전제품, 통신기기 제품, 생활용품 등 전체 금형의 70%를 플라스틱 금형이 차지하고 있다. 제품으로는 TV, 전화기, 자동차 부품 등 실생활에 접하고 있는 전부품의 생산에 이용되고 있다.