[첨단 헬로티]

이재질을 적재적소에 조합해, 제품의 고기능화를 비롯해 디자인성의 향상이나 조립 공수를 절감하는 등 새로운 가치를 창출하는 멀티 머티어리얼이라고 불리는 기술이 자동차 업계를 중심으로 각 제조업에서 주목받고 있다. 멀티 머티어리얼이란 알루미늄, 티탄, 마그네슘, CFRP 등이 각각 가지는 특성을 활용해 병용하는 개념이라고 하는데, 생산성 향상에 의한 제조 코스트 저감도 중요한 과제이고 양자를 동시에 달성하는 것이 요구되는 기술이다.

멀티 머티어리얼에서 중요해는 것은 재료의 접합 기술로, 금속-금속 접합을 비롯해 금속-수지, 수지-수지 등의 이종 재료 접합 기술의 확립이 필요해진다. 이종 재료의 마찰 교반 접합(이하 FSW) 및 멀티 머티어리얼에 관련된 문헌 수를 보면, 2000년 경부터 FSW에 관한 문헌은 증가 경향에 있고, 2013년를 경계로 멀티 머티어리얼 관련도 동일하게 급증하고 있는 것으로부터 최근의 높은 주목도를 엿볼 수 있다.

멀티 머티어리얼화 검토에서는 수지-금속의 접합강도 향상을 위한 문헌 수가 많고, 금속 재료 표면에 여러 가지 처리에 의한 접합강도에 대한 영향이 검토되고 있다. 또한 수지-금속 이종 재료의 특성평가시험 방법의 국제 표준화가 제안되어, 2015년에 ISO 19095 시리즈로서 규격이 발행됐다. 이것에 의해 접합 부분의 강도나 내구성을 적절하게 평가하기 위한 방법이 표준화되고, 멀티 머티어리얼의 실용화를 위한 대응이 한층 더 가속화될 것으로 예상된다. 

사출성형의 기술 동향

1. 다색·이재질 성형

성형가공 업계의 멀티 머티어리얼 기술로서 다색·이재질 성형이나 금속 부품 등의 인서트 성형이 대표적인 가공법으로서 알려져 있다. 이들은 경량화보다도 오히려 고기능화나 생산성 향상 등 제품의 고부가가치화를 목적으로 하고 있다. 이재질 성형으로서 이용되는 사출성형기는 그림 1에 나타낸 2색·이재질 성형기로 대표되며, 여러 가지 분야의 제품에 사용되고 있다. 예를 들면 일용잡화품에서 전자기기 부품, 자동차 부품 등 다양하다. 최근 제품의 방수 기능이나 질감 향상을 위해 실리콘이나 엘라스토머 등의 고무계 재료와의 이재질 성형도  증가하는 경향이다.

▲ 그림 1. 2색·이재질 성형기 ‘Si-230-6RW’와 성형품

2색·이재질 성형기는 범용의 성형기와 동일하게 전동 서보모터 구동식이 주류로 되어 있다. 그렇기 때문에 각 축의 위치 제어 성능을 비롯해 회전 테이블의 회전·정지 정도가 향상됨으로써 정밀 성형 대응이 가능하고, 각 동작을 고속화함으로써 생산성 향상에도 기여하고 있다. 또한 동사 독자의 기술인 서보나사 빼기장치를 조합함으로써 그림 2에 나타낸 나사 구조를 가지는 성형품의 다색·이재질 성형이 가능해진다. 보통의 나사빼기장치는 금형에 기어드모터를 장착하기 때문에 기본적으로는 회전 테이블에 장착해 회전시키는 것이 구조상 곤란하다.

▲ 그림 2. 서보 나사빼기장치에 의한 2색 성형품

또한 그림 3에 나타낸 서브 사출 유닛과의 조합에 의한 다색 성형기의 검토도 증가하고 있다. 이것은 기계의 양 사이드, 혹은 상부에서 금형으로 사출 충전을 함으로써 다색·이재질 성형이 가능한 성형기이다. 특징은 전용기화된 2색·이재질 성형기에 대해 범용 성형기에 복수의 서브 사출 유닛을 배치해 조합함으로써 다색·이재질 성형이 가능한 점에 있다.

▲ 그림 3. 서브 사출 유닛이 있는 T형 다색·이재질 사출성형기

서브 사출 유닛은 메인 사출 유닛보다 작아지는 것이 일반적인데, 부분적으로 다색화하는 경우에는 사외제의 소형 서브 사출 유닛을 금형에 장착해 하는 것도 가능하다.

2. 하이브리드 성형

사출성형에서 경량화 요구에 대응하기 위해 유리섬유나 탄소섬유로 대표되는 열가소성섬유 강화 복합 재료(이하 FRTP)를 이용한 검토가 이루어지고 있다. FRTP 사출성형의 과제는 SMC나 RTM 성형에 비해 섬유의 보강 효과가 낮은 것이다. 이것은 성형품 중의 잔존 섬유 길이가 짧은 것이나 수지유동에 의한 섬유 배향에 기인하는 것으로 알려져 있다. 지금까지 사출성형에서 FRTP의 기계적 특성 개선은 가소화장치의 개선에 의한 검토가 주였다. 동사에서도 전용의 스크류를 연구 개발해 판매하고 있는데, 사출성형에서 기계적 특성 개선에는 한도가 있었다. 

이 과제에 대해 연속 섬유로 구성되는 열가소성 프리프레그 시트와 사출성형을 조합시킨 멀티 머티어리얼화가 검토되고 있다. 그 대표적이 성형가공법으로서 프리프레그 시트의 프레스 성형과 사출성형의 2가지 성형 공정을 동시에 하는 하이브리드 성형이 주목받고 있다.

동사가 개발한 하이브리드 성형 시스템은 그림 4에 나타냈듯이 성형기 내에서 프리프레그 시트를 예비 가열하는 것을 특징으로 하고 있다. 이 시스템에 의해 시트를 금형 내에서 예비 가열, 프레스 성형으로 시트를 부형시킨 후에 사출성형을 하여 3차원 형상의 성형체를 얻을 수 있다. 즉 이 공법은 사출성형 단독으로는 얻을 수 없는 기계적 특성을, 연속 섬유로 강화된 프리프레그 시트와의 조합에 의해 보완하는 일종의 이재질 성형으로, 비강도·비강성의 향상을 목적으로 한 멀티 머티어리얼 기술이다.

▲ 그림 4. 하이브리드 사출성형 시스템

3. 사출발포 성형을 조합시킨 이재질 성형

수지 재료를 발포시킴으로써 얻을 수 있는 발포수지는 부품의 경량성을 비롯해 내충격성이나 방진·방음성, 단열성, 절연성 등에 대해 우수한 특성을 발휘하기 때문에 여러 가지 분야에서 이용되고 있다. 멀티 머티어리얼화의 관점에서는 부품의 고기능화에 대해 발포수지와의 조합에 의한 이재질 성형이 유효하다고 생각된다. 발포성형은 화학발포법과 물리발포법으로 크게 나누어지며, 환경부하나 리사이클성의 관점에서는 물리발포 성형이 적합하다. 그러나 물리발포를 하는 경우에는 특별한 가소화장치가 필요하기 때문에 앞에서 말한 성형가공기를 이용한 성형은 실제로는 실시가 곤란하다. 따라서 물리발포 성형을 조합시킨 멀티 머티어리얼의 검토에서는 범용기를 이용한 물리발포장치가 필요하다.

동사에서는 혼합 프로세스를 베이스로 독자의 개념을 더한 물리발포장치를 개발, IPF 2017에 참고 출품했다. 출품 시에는 그림 5에 나타낸 세로 형체결-세로 형사출의 사출성형기를 이용해 경량화 요구에 대한 솔루션을, CFRTP의 프리프레그 시트와 물리발포 성형을 조합시킨 성형 실연을 함으로써 홍보했다. 혼합 프로세스는 범용기를 베이스로 전용 노즐 부품으로 교환하기만 하는 간소한 장치 구성이기 때문에 세로 형성형기를 비롯해 2색 성형기나 서브 사출 유닛에도 용이하게 탑재가 가능하다.

▲ 그림 5. 이재질 발포성형

멀티 머티어리얼화를 지원하는 가소화 기술

1. 특수 스크류 ‘초고혼련 스크류’, ‘V&D 스크류’

멀티 머티어리얼의 검토에서 스크류 가소화 기술은 중요하다. 다색성형에서는 착색 재료의 코스트 절감을 위해 희석을  고배율화하는 경향이 있으며, 색분산성이 높은 스크류 형상이 요구된다. 또한 경량화 요구에 대해 이용되는 장섬유수지에 관해서는 가소화 중의 섬유 절손과 섬유 분산성 향상이 요구된다. 이들 요구에 대해 동사에서는 ‘초고혼련 스크류’와 ‘V&D 스크류’를 개발해 시판하고 있다.

초고혼련 스크류는 70배 배치에도 대응하는 성능을 가지며, 저온·저배압 설정에서도 충분한 혼련 상태가 얻어진다. 또한 V&D 스크류는 장섬유수지를 대상으로 섬유 절손의 억제와 섬유 분산성 향상을 양립시키는 특수 스크류이다.

2. 가스 탈기 시스템 ‘SAG＋αⅡ’

사출성형에서 성형 불량의 반 이상은 가소화 중에 발생하는 가스가 직접적 또는 간접적으로 영향을 미치고 있다는 것이 알려져 있다. 또한 이들 가스는 성형 불량뿐만 아니라 금형의 오염이나 부식의 요인이 되기도 하기 때문에 생산성에 대한 영향이 크고, 성형 현장에서는 중대한 과제로 되어 있다.

이들 과제에 대해 동사에서는 그림 6에 나타낸 SAG＋αⅡ 시스템을 개발해 시판하고 있다. SAG＋αⅡ는 가스 발생 억제에 효과를 나타내는 SAG 스크류에 진공 호퍼를 조합시킨 시스템으로, 기존 기술과는 다른 개념의 진공 가스 탈기 시스템이다.

▲ 그림 6. SAG＋αⅡ 시스템의 개요와 효과 사례

3. 수지점도 자동 조정 프로그램 ‘meltcon’

수지의 용융점도는 사출 시의 유동성을 좌우하기 때문에 성형 품질의 관점에서 관리되야야 할 중요한 특성이다. 특히 다색·이재질 성형에서는 복수의 수지를 조합해 일체화하는 것이기 때문에 계면 접합 상태의 신뢰성을 확보하기 위해서도 범용의 성형 이상으로 수지점도를 관리할 필요가 있다.

수지점도 자동 조정 프로그램 ‘meltcon’은 사출성형기를 이용해 일정 속도로 용융 수지를  사출했을 때의 부하압력으로부터 외관 점도를 산출, 양품 성형 시의 용융점도를 성형기에 기억 관리시킬 수 있다. 그리고 기억시킨 점도값에 대해, 재료 로트 변경 등에 의해 수지점도가 변화했을 때에 실린더 온도를 자동으로 변화시켜 기억한 수지점도로 조정한다.

수지점도의 관리는 재료 로트 변경 시뿐만 아니라, 생산 중의 수지 건조 상태와 분쇄 재료나 리사이클 재료의 상태, 그리고 각종 첨가제의 혼합 비율 감시에도 적용할 수 있기 때문에 제품의 품질 관리에 유용한 기능이라고 생각한다.

☆

멀티 머티어리얼화의 요구에 대해, 동사에서 대응해 온 기술의 일부를 소개했다. 각 기술은 적지않게 성형가공 업계에 공헌할 수 있는 기술이라고 생각하고 있으며, 이 글의 내용이 참고가 되길 바란다.

이노우에 아키라 (井上 玲)   東洋기계금속(주)

본 기사는 일본 일간공업신문사가 발행하는 『형기술』지와의 저작권 협정에 의거하여 제공받은 자료입니다.