[첨단 헬로티]

 

플라스틱은 성형 공정을 거쳐 제품 또는 부품으로 가공되므로 동 공정에서 독자의 기술에 의해 부가가치를 높일 수 있다.

사출성형은 동일한 제품을 대량 생산하는데 적합한 가공법으로, 자동차, 전자·전기, 기계, 일용품 등의 제품 또는 부품의 성형에 널리 채용되고 있다. 그러나 기존의 사출성형 기술은 일정 형상·외관의 성형품을 다량 생산하는 데는 적합하지만, 외관, 기능, 성능 등이 다양한 시장 요구에 대응해 고부가가치 제품을 생산하는 데는 한계가 있다. 또한 기존 기술을 기초로 한 다량 생산형 제품의 생산은 인건비가 비교적 저렴한 아시아권으로 시프트하고 있다. 그렇기 때문에 일본으로서는 고부가가치 제품의 기술 개발에 주력함으로써 시장 경쟁력을 강화해야 하는 상황에 있다.

이 글에서는 사출성형의 고부가가치화에 접근하는 기술에 대해 서술한다.

장식 성형 기술

사출성형은 결정된 디자인의 제품을 다량 생산하는 성형법으로, 다양한 디자인 요구에는 인쇄, 도장, 도금 등의 2차 가공에 의해 대응해 왔다. 그러나 2차 가공법에서는 생산성이 좋지 않은 것, 가공 코스트가 소요되는 것, 품질 편차가 큰 것, 환경 안전 대책이 필요한 것 등의 과제가 있다. 그 대응으로서 필름 인서트 성형법, 전사성형법, 인몰드 라벨링 성형법, 인몰드 코팅 성형법, 사출성형품의 진공성형 피복법 등의 성형 동시 장식 기술이 개발되어, 자동차 계기 주변, 휴대단말 하우징, 각종 전자기기, 일용품 등에 채용되고 있다. 표 1에 주된 장식 성형법을 나타냈다.

▲ 표 1. 주된 장식 성형법과 시스템

필름 인서트 성형법은 장식 필름을 금형에 장착한 후, 용융수지를 사출해 필름과 일체화함으로써 장식 제품을 얻은 방법이다. 또한 필름에 메탈릭 핫스탬프 박을 붙인 적층 필름을 3차원 형상으로 진공성형해 불필요한 부분을 트리밍한 후 금형에 장착, 필름 측에 사출성형해 메탈릭 외관 제품을 얻는 방법이기도 하다.

전사성형법은 디자인층 및 접착층을 실시한 장식 필름을 연속적으로 금형에 이송, 사출성형에 의해 금형 내에서 접착층을 통해 디자인층을 성형품 측에 전사한 후, 캐리어 필름을 박리하는 방법이다.

보통 제품에 라벨을 붙이는 것은 별도의 다른 라인에서 자동으로 붙여지고 있는데, 인몰드 라벨링 성형법은 성형 공정에서 라벨을 동시에 부착하는 방법이다. 붙이는 측에 접착층을 가지는 라벨을 이용해 필름 인서트 성형과 동일한 방법으로 성형 동시 라벨링을 한다.

인몰드 코팅 성형법은 수지를 금형 내에 충전한 직후에 캐비티를 조금 열어 틈새에 열경화성 도료를 주입, 금형 내에서 경화시켜 도장성형품을 얻은 공법이다. 전용 도료, 도료주입장치, 전용 금형, 전용 사출성형기 등을 포함한 성형 시스템으로 구성된다. 시스템 개발에서는 용제를 포함하지 않는 전용 도료, 금형 내에서 도료가 새지 않는 금형 설계 기술, 정밀 형열림·형체결 제어기구를 탑재한 성형기 등의 요소 기술이 필요이다.

인라인 메탈라이징 성형법은 성형 공정에서 형 내 또는 금형으로부터 취출 직후에 진공 증착, 스패터링 등의 표면처리를 하는 방법이다.

진공성형법에 의한 피복성형은 미리 사출성형한 성형품을 진공성형장치에 세트, 장식 필름을 진공성형해 성형품의 디자인면에 피복하는 방법이다. 또한 전사 필름을 이용해 진공성형할 때에 성형품 측에 장식층을 전사하는 방법이기도 하다.

형면 전사성형 기술

보통 금형 온도는 수지의 고화 온도(유리 전이 온도 또는 결정화 온도) 이하로 설정되므로 금형 내에 사출된 용융 수지는 캐비티면에 접하면 즉시 고화 온도 이하로 저하하기 때문에 캐비티면을 충분히 전사할 수 없다. 그 결과, 웰드라인, 형면 전사 불량, 표면 광택 저하 등의 불량이 생긴다.

일반적으로 용융 수지는 금형 벽면과 접촉한 직후의 경면 온도 Ti는 식 (1)로 나타낸다.

Ti : 용융 수지와 캐비티 형면이 접했을 때의 경면 온도

ρp, cp, kp : 수지의 밀도, 비열, 열전도율

ρm, cm, km : 금형의 밀도, 비열, 열전도율

Tp0 : 수지 온도 Tm0 : 금형 온도

수지의 에 비교해 강재(금형)의 은 현저하게 크므로 경면 온도 Ti는 금형 온도 Tm0에 지배된다. 그 결과, 용융 수지는 캐비티면과 접한 순간에 고화하게 된다.

대책으로서는 표 2에 나타냈듯이 액티브 형온 제어 시스템과 패시브 형온 제어 시스템이 개발되어 있다.

▲ 표 2. 금형 온도 제어 시스템

전자의 시스템은 금형 온도 Tm0를 고화 온도보다도 높게 하는 방법이다. 구체적으로는 사출 직전에 금형 온도를 고화 온도 이하로 급속 가열하고, 충전 직후에 수냉하는 방법이다.

후자의 시스템은 를 작게 하는 방법이다. 구체적으로는 캐비티 표면에 열전도율이 작은 단열층(밀도도 작음)을 개재시켜, 용융 수지에서 캐비티로 열이동을 억제함으로써 캐비티와 접하는 수지층의 계면 온도를 고온으로 유지하는 방법이다.

이들 성형 시스템에 의해 웰드리스 성형, 피아노블랙과 같은 양호한 광택 성형, 미세한 요철의 정밀 전사성형 등이 가능해진다.

박육·하이사이크 성형 기술

엔지니어링 플라스틱을 중심으로 한 박육 제품의 사례를 표 3에 나타냈다. 이들 사례로부터 알 수 있듯이 살두께는 0.5mm 이하의 제품이 많다. 또한 제품은 휴대단말 기기 파츠 등 다량 생산품이므로 동시에 하이사이클 성형이 요구된다.

▲ 표 3. 박육 제품의 예

그런데 제품 살두께와 냉각 시간의 이론적 관계는 식 (2)로 나타낸다.

t : 냉각 시간     h : 성형품 두께

α : 열확산계수     TM : 성형 온도

TD : 이형 가능한 온도     TW : 금형 온도

식 (2)에서 알수 있듯이 살두께를 얇게 하면 2승의 효과로 냉각 시간을 단축할 수 있으므로 박육화하는 것은 하이사이클 성형으로도 이어진다. 그러나 앞에서 말한 박육 성형품에서는 동시에 엄격한 제품 품질도 요구된다. 예를 들면 LED 도광판에서는 고투명성, 고치수안정성(저휨), 고두께정도, 프리즘 패턴의 양전사성, 저광학변형, 저이물 등이 요구된다. 

박육·하이사이클에 더해 엄격한 품질을 만족시키기 위해서는 성형 재료, 사출성형기 및 주변기기, 설계·금형, 성형 조작 등을 최적화하는 것이 필요하다. 

고품질 하이사이클 성형품에 관계하는 요인을 표 4에 정리해 나타냈다.

▲ 표 4. 고품질 하이사이클 성형품에 관계하는 요인

다음으로 박육·하이사이클화에 있어 성형 기술의 유의점에 대해서 서술한다.

하이사이클화는 고성능 전동식 사출성형기의 개발에 의한 바가 크다. 박육 제품의 하이사이클화에는 사출 속도의 고속화가 반드시 필요하므로 최대 사출 속도(스크류 전진 속도) 1,000~1,200mm/s 능력의 성형기가 사용되고 있다. 동시에 버 발생 방지를 위해 충전 완료 직전에 사출 속도를 슬로다운한 후, 정지하는 정밀 제어도 하고 있다. 또한 AC 서보모터를 독립으로 작동할 수 있으므로 냉각 시간보다 가소화 시간이 긴 때에는 형열림 중에도 복합 동작(동시 동작)으로 가소화를 할 수 있다.

성형품 설계에서는 떼기 수를 늘리면 1개당 성형 시간은 짧아지는데, 캐비티 간의 편차가 생기므로 정밀 부품에서는 떼기 수에는 한도가 있다. 또한 게이트 방식의 선정도 중요하다. 게이트 자동 전단 방식으로서는 핀포인트 게이트, 서브마린 게이트 등이 있는데, 서브마린 게이트는 2장형이므로 형열림 스트로크를 짧게 할 수 있다. 그렇기 때문에 좁은 피치 커넥터, 리튬이온 배터리 케이스 등의 성형에 채용되고 있다. 

금형 설계에서는 쇼트마다 용융수지로부터 들어온 열을 신속하게 금형으로 이동하는 것이 필요하다. 하이사이클화에 동반해 단위 기간에 금형 내로 들어오는 열은 많아지므로 금형온조기의 열매에 신속하게 열이동할 수 있게 온조회로를 적절하게 설계해야 한다.

다재질 성형 기술

다재질 성형은 다색 성형이라고도 부르며, 여러 가지 색상이 다른 플라스틱을 조합시켜 성형하는 것으로, 디자인성을 향상시키는 것이 주된 목적이었다. 그후 여러 가지 성능·기능을 갖는 플라스틱을 복합 성형함으로써 기존 사출성형의 가공 영역을 넓히는 성형법으로서 발전하고 있다. 2색 성형, 2중 성형, 이재질 성형, 멀티 컴포넌트 성형 등으로 불리는 경우도 있다.

단일 재료에 의한 성형품의 성질은 재료의 특성에 따라 일의적으로 결정되는데, 다재질 성형에서는 복수의 재료를 조합시킴으로써 제품에 다양한 외관, 성능, 기능 등을 부여할 수 있다. 

표 5에 다재질 성형품과 용도 예를 나타냈다. 동 표와 같이 이종 플라스틱의 조합으로서는 경질 플라스틱/열가소성 엘라스토머, 경질 플라스틱/발포 플라스틱, 경질 플라스틱/이종 경질 플라스틱, 색상이 다른 동 재질 경질 플라스틱의 조합 등이 있다.

▲ 표 5. 다재질 성형품과 용도 예

동 재질 플라스틱끼리라면 계면 용착성은 좋지만, 이종 플라스틱의 조합에서는 상용성이 좋은 것이 전제가 된다. 이종 플라스틱에서는 PC/PBT, PC/ABS, PC/PMMA, PA6/PA66, PE/폴리올레핀 엘라스토머, PBT/폴리에스테르계 엘라스토머 등과 같이 상용성이 좋은 조합이라면 용이하다. 단, 1차 성형 재료의 성형 온도보다 2차 성형 재료의 성형 온도가 높아지는 성형 순서로 하는 편이 좋다.

다재질 성형에서는 재료의 종류에 따라 복수의 가열 실린더를 가지는 사출성형기를 이용한다.

금형 설계에서는 1차 성형형에서 2차 성형형으로의 1차 성형품 이동 방식이 중요하다. 금형 이동 방식에는 1차 성형품의 이동 방식에 따라 표 6의 방법이 있다.

▲ 표 6. 다재질 성형에서 1차 성형품 이동 방식

1차 성형품을 이동하지 않는 방법으로서는 코어백 방식이 있다. 금형에 가공 코어를 넣고 처음에 코어를 전진시켜 1차 재료를 성형하고, 다음으로 코어를 후퇴시켜 만들어지는 캐비티에 2차 재료를 사출하는 방법이다. 이 방식은 코어의 전진, 후퇴에 따라 2차 성형의 캐비티를 성형해야 하므로 코어 회전 방식에 비해 형상적으로는 제약을 받는다.

1차 성형품을 이동하는 방식에는 여러 가지 방법이 있다. 코어 회전 방식은 가동형에 회전기구를 가지는 구조로, 가동 금형의 코어를 반전시켜 성형한다. 처음에 성형한 1차 성형품을 가동형에 남긴 상태로 2차 성형형으로 회전 이동시켜 형체결, 2차 성형용 캐비티와 1차 성형품과의 간극에 2차 재료를 충전해 1차 성형품과 일체화하는 방법이다.

또한 코어의 회전에는 가동형을 수평 회전하는 방법도 있다. 예를 들면 폴리카보네이트(PC) 자동차 창 유리의 성형에서는 코어형이 수평 회전하는 기구로 되어 있으며, 우선 메인 실린더 측에서 투명재(PC)를 사출 압축성형한 후에 금형을 연다. 다음으로 가동형에 성형품이 붙어 있는 상태로 수평 회전한 후, 형체결해 서브 실린더로부터 흑색 재료(PC)를 사출해 블랙아웃의 2색 성형품을 1공정으로 성형하고 있다. 그 외에 코어 슬라이드 방식이나 로봇으로 1차 성형품을 2차 성형용 캐비티로 이동하는 방법도 있다.

혼마 세이이치 (本間 精一)   혼마기술사사무소

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