[스크랩] 사출금형 설계표준-1

< 1 장 사출금형설계 > 1-1 성형품 설계가 금형 설계에 미치는 영향 금형은 요구되는 성형품을 정해진 치수로, 정해진 성형기에서 요구되는 성형 코스트 이내로 성형 하기 위해서 사용되는 것으로 성형품 설계의 양부가 금형 설계의 춤질을 크게 좌우한다. ◇프라스틱 사출 성형품을 설계 시 검토사항 (1) 수 지 사용 수지에 따라 내식(내마모성)의 금형 재질 선정,수지의 유동성,수축율,성형조건,열변형온도 등 (2) 치수품질 성형품이 요구하는 치수 정밀도는 금형 치수에 의하여 직접관 련되므로 정밀도의 요구조건에 따라 금형 치수도 고정밀도로 가공 되어야 한다. (3) 형상품질 변형의 발생 방지에 대해서는 사용수지와 관련시켜 금형 설계를 생각한다. (4) 외관 품질 금형의 다듬질정도는 성형품 외관 품질을 결정하며 게이트(Gate) 절단자국,밀어내기 장치의 자국,파팅 라인(Parting line),기타 인서트(Insert)등에 의한 분할선의 자국, 웰드라인(Weld line)발생 위치 등을 고려한다. (5) 물성 웰드(Weld)가 발생하면 그 부분의 강도가 저하되므로 하중이 작용하는 곳에서 웰드라인이 발생하지 않도록 금형설계시 고려하여야 한다. (6) 형 상 성형품에 언더컷이 있을 경우에는 언더컷 처리방법을 생각하여야 하며 성형품의 편육이 허용되지 않도록 고정측 형판과 가동측 형판의 편심을 금형설계시 고려한다. 1-2. 금형 설계를 고려한 성형품 설계 성형능률이 향상되도록 제작은 간단하게,가격은 낮게 되는 금형을 설계하기 위해서는 성형품 설계까지 소급 검토하여야할 경우가 많다. 1) 파팅 라인(Parting Line) 금형에 충진,고화된 성형품 및 러너 및 게이트를 금형으로부터 이형시키기 위해 고정측 형판과 가동축 형판이 열릴 때 성형품의 어느 위치에서 금형이 열리느냐 하는 것이 결정되어야 한다. 이 열림의 기준선을 파팅 라인이라 한다. 파팅 라인 결정이 성형품의 상품 가치와 금형제작 원가에 큰 형향력을 미치므로 금형 설계시 파팅 라인의 위치나 형상을 잘 고려하여야 한다. ◇ 금형가공이나 제품 다듬질이 가장 경제적으로 되는 위치를 선택하여야 한다. (1) 기본적인 파팅 라인 설계 ① 금형 열림의 방향에 수직인 평면으로 한다. ② 눈에 잘 띄지ㅣ 않는 위치 또는 형상으로 한다. ③ 언터컷을 피할수 있는 곳으로 택한다. ④ 마무리가 잘 될 수 있는 위치 및 형상으로 한다. ⑤ 빼기구배에 관계되지 않는 한 성형품은 한쪽에서만 성형되도록 한다. ⑥ 성형품에 적당한 스프루(sprue),러너(runner),게이트 (gate),오버 후로우(over flow),에어벤트(air vent)등의 배치도 고려되어야 한다. ⑦ 성형품은 가동측 형판에 붙도록 파팅 라인을 정한다.성형품 설계상 성형품이 고정측 형판에 붙어야 할 경우에도 강제로 가동측 형판에 붙도록 설계한다. ◇ 방법은 가동측 형판에 성형부의 빼기구배를 되도록 적게주며, 슬라이드 코어를 이용한다. 2) 성형품 살두께 성형품 살두께는 균일하게 하는 것이 원칙이나 성형품의 구조,형상 또는 성형상의 이유와 경제적인 면에서 두께를 변화시킬 수 있다. (1) 다음의 사항을 고려하여 두계를 결정해야 한다. ① 구조상의 강도 ② 금형으로부터 이형시의 강도 ③ 충격에 대한 힘의 균등한 분산 ④ 인서트의 크랙(Crack)방지 (성형 재료와 금속의 열팽창의 차이에 의한 수축의 크랙) ⑤ 구멍, 창, 인서트에 의해 발생하는 웰드의 보강 ⑥ 살두께 얇은 부분에 생기는 연소현상의 방지 ⑦ 살두께가 두꺼운 부분에 생기는 씽크 마크(Sink mark)의 방지 ⑧ 예리한 모양의 부분또는 살 두께가 얇아 성형 재료의 흐름이 억제되어 생기는 충진 부족의 방지 ◇ 성형품 두께가 t일 때 성형 재료의 충진가능한 거리 L의 값 (L/t와 사출 압력과의 관계) 재 료 명 ( L/t ) 사출압력(kg/㎠) 경질염화비닐 (160 ~ 120) 1200 (140 ~ 100) 900 (110 ~ 70) 700 연질염화비닐 (280 ~ 200) 900 (240 ~ 160) 700 폴리카아보네이트 (150 ~ 120) 1200 (130 ~ 90) 900 폴리아미드 (320 ~ 200) 900 스티롤 (300 ~ 200) 900 폴리에틸렌 (240 ~ 200) 700 폴리프로필렌 (140 ~ 100) 500 재 료 명 (두 께(mm)) 폴리에티렌 (0.9 ~ 4.0) 폴리 프로필렌 (0.6 ~ 3.5) 나 일 론 (0.5 ~ 3.0) Acetal (1.5 ~ 5.0) 스티렌 및 AS (1.0 ~ 4.0) 아 크 릴 (1.5 ~ 5.0) 경질 염화비닐 (1.5 ~ 5.0) 폴리 카보네이트 (1.5 ~ 5.0) 셀루로즈 아세테이트 (1.0 ~ 4.0) A B S (1.5 ~ 4.5) P B T (0.5 ~ 5.0) (2) 살두께 설계 요령 ① 가공생산성과 성형품 물성과의 균형을 취하기 위한 적정 살두께는 1.5~3.5mm 정도로 한다. ② 두께는 가능한 균일하게 하고 가급적이면 연속적인 두께가 되도록 한다. ③ 게이트 부분은 어느정도 두껍게 하고 거리가 멀어짐에 따라 약간 얇게 한다. ④ 부품 기능상 두께에 변화를 주어야 할 때는 그 부분에 코너R(반경)을 가능한 크게 해준다.(R은 최저 0.2m/m) (3) 형상별 살두께 개선 ① 평면이 아닌 경우의 살두께는 균일하도록 한다. ② 서로 다른 살두께를 균일하게 할 수 없을 경우에는 경사로 연결한다. ③ 살두께가 불균일하면 외관 불량을 초래한다. ④ 살두께가 두꺼운 부위는 살빼기를 하여 균일하도록 한다. ⑤ 얇은 살 단면부는 재료의 충진 부족이 되기 쉬우므로 피한다. ⑥ 금형에서 성형품의 수축에 의하여 고정축 코어에 달라 붙는 것을 피하도록 한다. ⑦ 단면이 “T"형으로 연결된 부분은 수축현상이 발생하므로 코어측에 살빼기를 만들어 안전틈새를 주면 좋다. ⑧ 상자 및 용기모양의 성형품은 밑바닥을 두껍게 하고 측벽은 서서히 두께를 감소하도록 한다. ⑨ 균일하게 살두께가 설계되도록 하다. (4) 재료 종류별 사출 성형조건과 살두께의 관계 ① 폴리스티렌의 사출 성형조건과 살두께와의 관계 ② 금형에 대해 직접 정해지는 치수에 대한 공차 및 허용오차 를 초과하면 사출성형품은 통상의 방치조건하에서 2차적인 치수 변화를 일으킨다 ③ 금형에 의하여 직접 정해지지 않는 치수에 대한 공차 및 허용오차 - 변형. 비틀림. 각도 변형 - 사출성형 재료 형상오차 즉,변형 . 비틀림 . 직각부 각변형 일반값으로 나타낼수 없기 때문에 형상에 따라서 달라진다. 허용오차는 제품설계자와 협의에 의한다. 3) 빼기구배 금형에서 성형품을 쉽게빼내기 위해서는 빼기 구배를 가능한 크게 하는 것이 좋으나 성형품의 형상, 성형재료의 종류, 금형의 구조, 금형의 다듬질정도 및 다듬질 방향에 따라 빼기 구배를 다르게 준다. (1) 빼기 구배의 일반적 설계요령 ① 성형품 수직벽의 구배는 일반적인 경우에 1/30 ~ 1/60(2도-1도),실용 최소한도는 1/240(1/4도)의 구배를 주어야 한다. ② 성형품에 무늬가 있는 경우에는 0.25mm에 대해 1도 의 구배를 준다.(부식할때는 최소 3。이상) ③ 유리섬유, 탄산칼륨, 탈크 등을 충전한 성형재료는 성형수출률이 작기 때문에 성형시 이형이 어려우므로 가능한 구배를 크게한다 ④ 스티렌계수지는 통상 2도/25mm이어야 하고, 최소한1。/25mm이어야 한다. ⑤ 리브는 1/2도 정도로 하되 벽에 붙은 세로리브는 1/4。로 한다. ⑥ 씽크마크를 방지 하기 위하여 리브 밑바닥은 벽 살두께의 1/2로 하고 앞끝 두께는 금형제작상 최저 1mm이상으로 하는 것이 좋다. ⑦ 창살의 피치는 3mm이상으로 하고 창살부 전체의 길이가 길수록 빼기 구배를 5도 이상으로 한다. ⑧ 창살높이가 높을때(약 8mm이상)창살은 사다리꼴 모양으로 한다. 예) 직경20m/m, 높은 100m/m에 대한 1。의 빼기 구배를 준다면 표1-3에서 1.75m/m이므로 테이퍼로 표시하면 1.75×2=3.5m/m이므로 테이퍼로 표시하면 0.44×2=0.88m/m가 되므로 지름 20에 대해서 지름 23.5 또는 16.5가 된다.또한1/4。의 빼기 구배에서는 0.44m/m이므로 표시하면 0.44*2=0.88m/m가 되므로 지름 20에 대해서는 20.88 또는 19.12가 된다. (2) 형상에 따른 빼기 구배의 설정요령 ① 상자 또는 덮개 - H가 50m/m까지의 제품에서 : S/H=1/30 ~ 1/35 - H가 100m/m까지의 제품에서 : H=1/60이하 ② 얇은 가죽무늬가 있는 것 S/H=1/5 ~ 1/10 ③ 컵같은 제품은 고정측 형판(컵의 외면측 성형부)보다 가동측 형판(컵의 내면측성형부)에 빼기구배를 약간 많이 주는 것이 좋다. (3) 가죽무늬가 있는 제품의 성형제료 및 빼기 구배 ① 창살 - 창살의 형상치수 및 창살부 전면적의 치수에 따라 빼기 구배를 약간달리 선정하는 것이 좋다. - 창살의 피치가 4mm이하일 때는 구배를 1/10정도로 한다. - 창살부의 C의 치수가 클수록 구배를 많이 주는것이 좋다. - 창살의 높이(H)가 8mm이상,C치수가 큰경우에 구배를 크게 줄수 없다면 케비티 창살의 1/2H이하의 창살을 붙여서 성형품을 가동측 형판에 남도록 한다. - 일반적 구배는 0.5(A-B)/H=1/12 ~ 1/14로한다. ② 리브(Rib) - 리브는 성형품에서 길게 돌출된 부분으로서 성형품의 장식, 보강, 휨방지와 얇은 두께로 강도를 증가시키므로 성형품의 경량화를 기할 수 있다. ⓐ 리브두께와 접촉부의 면적 관계 - 리브두께를 벽두께와 같이한 경우는 리브 접촉부의 단면적이 50%증가하여 수축이 발생한다. - 리브두께를 벽두께의 1/2로 한 경우는 리브 접촉부의 단면적이 20%증가하게 되어 수축이 생기지 않는다. - 리브를 두껍게 하는 것보다는 수를 증가시키는 것이 좋다. - 보강 용도로 사용되는 세로방향 리브의 빼기 구배는 일반적으로 측벽,바닥 두께에 의해서 A, B의 치수가 정해지며 구배는 다음과 같은 식을 적용한다. 0.5(A-B)/H = 1/500 ~ 1/200 - 내측벽, 외측벽에 리브가 있는 경우,A=(0.5 ~ 0.7), B=1.0 ~ 1.8mm로 하고, 씽크 마크가 다소 발생해도 관계가 없는 경우 A=TX(0.8 ~ 1.0), B=1.0 ~ 1.8mm로 한다. ⓑ 바닥리브의 구배 - 보강 용도로 사용되는 바닥부위 리브는 세로방향 리브와 같은 방법으로 설계한다. 0.5(A-B)/H = 1/150 ~ 1/100 A=TX(0.5 ~ 0.7),B=1.0 ~ 1.8mm로하고, 씽크마크가 다소 생겨도 좋을 경우 A=TX(0.8 ~ 1.0),B=1.0 ~ 1.8mm로 한다. (4) 보스의 구배 - 다른 성형품 또는 금속 부품과 조합시키기 위하여 사용한다. ① H는 30mm이하며 셀프 탭핑. 스크류 등의 빼기 구배는 다음과 같다. 0.5(D-D`)/H = 1/30 ~ 1/20 ② 보스의 높이가 30mm 이상이며, 강도를 필요로 하는 경우의 빼기 구배는 다음과 같다. 고정측:0.5(d-d`)=1/50～1/30 가동측:0.5(D-D`)=1/100 ~ 1/50 단, 고정측은 가동측보다 구배를 많이 설정한다. 4) 보강과 변형방지 - 변형은 대부분이 각 부위의 냉각속도 혹은 유동방향에 의한 성형수축율의 이방성에 기인하는 내부응력에 의해 발생한다. (1) 모서리에 `R'을 준다. ① 내부응력은 면과 면이 접촉되는 각진 부분에 집중한다. 집중응력을 분산시키기 위해서는 구식에`R'(Round)을 줌으로써 변형을 감소시킴과 동시에 용융 재료의 흐름이 용이하며 이형에 대하여서도 강도상으로 유리하다. ② R/T가 0.3이하에서는 응력이 급격히 증가하고 0.8이상에서는 그다지 효과가 없다. ③ 내면구석에 살두께의 1/2을 R로 하므로 응력집중을 감소시킬 수 있다.이 경우 구석 살두께는 1/3증가한다. ④ 외측 모서리에도 살두께의 1.5배를 R로 하므로 최적의 결과가 나타난다. ⑤ PS, AS, ABS수지에 대해서는 내면 구석에는 1/4T이상의 R을 주고 외측 모서릴에는 1 1/4T이상의 R을 준다 ⑥ 실제로 부품의 기능상 요구되는 경우 금형의 복잡성 등의 원인으로 이상적인 R을 줄 수 없을 경우에는 최소한 0.3mm이상의 R을 주어야 한다. ⑦ 유리섬유 강화품종의 수지는 빼기 구배 및 케비티면의 모서리 R도 보통 스티렌계 수지보다 크게 한다. (2) 살 붙이기와 형상을 변화시킨다. ① 측벽 및 둘레에 강성을 주는 방법으로써 많이 사용되고 변형에 견디는 강도와 살두께가 다른 부분의 수축율 균일하게 할 수 있으며 용융 재료의 흐름이 나쁜 경우에 흐름이 잘되도록 하기 위하여 사용되기도 한다 (3) 설계 또는 성형에 의한 변형 대책 ① 수축자에 의한 변형은 살두께의 변경, 리브의 설치, 게이트의 위치 변경, 냉각 조정 등으로해결한다. ② 잔류응력에 의한 비틀림 변형은 재료온도와 금형온도를 올리고, 사출압과 사출속도를 감소 시키고 풀림처리를 해야한다. ③ 리브는 성형품의 굽힘 강도를 높이기 위해서는 수지의 흐름 방향에 대해 평행으로 설치해야한다. ④ 리브는 휨이나 치수정도를 높이기 위해서는 수지흐름과 직각으로 설치해야 한다. ⑤ 성형품 강도를 향상시키기 위해서는 금형온도를 낮추고 재료온도는 낮추어야한다.. ⑥ 휨의 치수불량을 제거하기위해서는 금형온도를 낮추고 재료온도를 높인다. ⑦ 성형시 필요 냉각 시간은 성형품 살두께의 제곱에 비례하므로 성형품 설계시 고려해야 한다. ⑧ 금형 구조상 냉각이 균일하게 되도록한다. 5) 보 스(Boss) - 보스는 성형품 구멍의 보강이나 조립시 끼워 맞춤 또는 적당한 높이로 하여 조립축으로도사용한다. (1) 일반적이 보스설계 ① 길고 얇은 보스 및 나사의 보강과 수지의 흐름을 좋게 하기위하여 보스측면에 리브를설치한다. ② 셀프탭핑 * 스크류용 보스의 빼기 구배에 관한치수 ③ 원활한 체결방법과 만족할 만한 나사결합을 위한 설계 ④ 금속 인서어트보스 설계 (2) 보스설계시 유의사항 ① 보스높이가 큰경우에는 가스가 빠지지않거나 충전부족을 일으키기 쉬우므로 피하는 것이 좋다. ② 만약 높게 할 경우에는 보스의 측면에 리브를 붙여서 재료의 흐름을 좋게하고 보강도준다. ③ 살두께가 두터우면 씽크마크의 원인이 되므로 고려되어야한다. ④ 보스 또는 다리는 안쪽에 설치하고, 다리는0.3 ~ 0.5 나오도록 한다. ⑤ 보스 또는 다리의 수가 4개 이상의 경우는 보스의 높이를 맞추기가 어려우므로 3개로한다. 6) 성형품의 구멍 (Hole) - 성형품의 구멍은 게이트의 반대측에 웰드라인이 생겨 강도가 감소되므로 강도상의 문제가 되는경우에는 구멍을 후가공하는 것이 바람직하다. 이형방향의 구멍설계는 금형 구조상 용이하지만, 가로방향의 구멍으 성형하기 위해서는 일반적으로 슬라이드 코어를 설정하여야 하므로 제품의 구조 설계상 허용하는 범위에서 슬라이드 코어를 사용하지 않는 구조로 한다. (1) 구멍 설계의 방법 ① 구멍과 구멍의 중심거리는 구멍직경의 2배 이상으로 한다. ② 구멍주변의 살두께는 두껍게한다. ③ 구멍과 제품 끝과의 거리는 구멍직겨의 3배 이상으로한다. ④ 성형재료의 흐름방향에 직각으로 막힌 구멍에서 가는 핀이 휘어질 염려가 있을 경우, D < 1.5mm 일때. ⑤ 핀으로 제품의 중간에서 맞대는 구멍의 경우 상하구멍이 편심될 우려가 있으므로 어느 한쪽의 구멍을 크게잡는다. ⑥ 다수의 구멍을 성형하는 경우 웰드라인 및 내부응력을 고려하여 재질 및 성형조건에 따른다. ⑥구멍의 깊이는 잔류 두께에 주의하지 않으면 변형을 일으킬 우려가 있고, 너무엷으면 재료가 충진되지 않는 수가있다. ⑧ 접시꼴 나사홈 등의 경우에는 상단부에 0.4 ~ 0.5mm 층을 남기는 것이 좋다.가늘고 긴 구멍을 성형하는 경우에는 긴핀을 피하고 상하양측에서 핀을 세워 구멍중간에서 서로 피하게 한 맞물림이 형성되도록 하여 핀이 부러지거나 굽어지는 것을 피할 필요가 있다. (2) 성형구명의 설계를 그림에서 파팅라인에 수직인 면에 택한 것을 표시한다. - 슬라이드 코어를 사용하여 구멍의 언더컷을 처리하여야 하므로 구멍으로 설계 변 정하므로 슬라이드 코어를 사용하지 않는 간단한 금형구조로 할 수 있다. 7) 성형나사 - 용기의 뚜껑, 보온병의 케이스에서 외측 또는 내측에 나사를 만들어 사용할 경우 미터나사, 위트나사가 표준으로 사용되나 그 외에도 특수한 나사가 있다. 어떤 경우이든 나사를 끼울 때는 느슨하게 되도록 하는 것이 중요하다. (1) 성형나사 설계 방법 ① 실용상 나사산의 3/16 또는 5mm의 32산(0.75mm 피치)이하는 가급적 피한다. ② 길이가 긴 나사는 수축으로 인하여 피치가 틀려지므로 피한다. ③ 성형품 공차가 수축값보다 작은 경우에는 피한다. ④ 나사 끼워 맞추는 직경에 따라 다르나 0.1~0.4mm정도의 틈새를 둘 것. ⑤ 나사에는 반드시 1/15~1/25도의 빼기 구배를 준다. ⑥ 나사의 끝부분은 금형가공이나 수명상 부적당하므로 나사의 중심선에 수직인 면의 끝에서 0.8~1mm인 곳에서 나사가 시작된다. ⑦ 나사산은 피치를 크게하여 상당한 여유를 주고 강도에 유의하도록 한다. 규격나사산을 사용하는 경우에는 보통 나사산을 이용하고 세목나사는 사용하지 않는다. ⑧ 8 mm 이하의 나사는 탭핑(Tapping)을 하든지 금속을 인서트 한다. 8) 인 서 트(Insert) - 나사 또는 채결구멍 등 성형훔 조립시 작용하는 집중하중을 흡수하고 또는 결합할 수 없는 성형품을 조립하기 위해 성형 공정 중에 금속제품을 삽입하는 것을 인서트라 한다. - 일반적으로 금형은 인서트 공정이 있어 성형능률이 떨어지므로 가능한 인서트를 피하며, 셀프탭핑 또는 접착방법으로 하는 것이 바람직하다. (1) 인서트 설계시 유의사항 ① 인서트 물에 로렛트 혹은 언더컷 등을 주어서 인서트가 기계적 구속력을 가져 보충력이 있도록 보완한다. ② 흐름방향에 의하여 윁드, 잔류응력에 의한 휨, 수축률 등에 의하여 국부적인 변화가 일어나는 것을 방지한다. ③ 인서트를 중심으로 축의 중심이 편심 혹은 기울어짐에 주의가 필요하다. ④ 금형구조가 복잡하고 내구성이 떨어지므로 강도 문제상 코어를 열처리 한다. ⑤ 금형의 온도 변화에 주의를 요한다. ⑥ 인서트 물의 변형 및 축간거리 등에 주의를 요한다. (2) 인서트 설계 방법 ① 인서트 밑부분의 성형품 두께가 너무 얇으면 후로우 마크(Flow mark)나, 너무 두터우면 씽크 마크(Sink mark)가 생기므로 밑부분의 두께는 인서트 직경(d)의 1/6 이상의 간격을 유지한다. ② 인서트 부위의 외경(D)는 수지에 따라 다르지만 일반적으로 인서트 물 (직경(d)의 2배 이상으로 한다. ③ 인서트 제품과 플라스틱의 열팽창 차에 의해 인서트 주위의 내부응력이 발생하여 크랙이 생기는 일이 많으므로 안전선도는 5 ~ 6％로 고려해야 한다. ④ 회전을 방지하기 위해 인서트 물 외주에 로렛트를 한다. ⑤ 날카로운 각 부분이 있는 제품은 인서트하지 않는다. ⑥ 볼트나 나사를 인서트하는 경우에는 나사부에 수지가 들어가지 않도록 하고 체결부를 고려하여 성형품 표면보다 1mm정도 나오도록 설계한다. ⑦ 성형시 인서트 제품이 확실히 고정되도록 코어 핀에 단을 주어 눌림 여유를 준다. ⑧ 인서트 보스주위에는 사능한 보강용 리브를 설치한다. 9) 성형로렛트(Rolet) - 라디오, 텔레비전 등의 손잡이 외측에 사용하는 로렛트는 뽑아내는 방향과 평행한 형상을 사용한다. 다이아몬드 현상의 로렛트는 언더컷이 생기므로 특병한 경우가 아니면 사용하지 않는 것이 좋다. (1) 로렛트 설계시 유의사항 ① 로렛트의 피치는 가능한 크게하는 것이 좋다. 피치는 보통 3mm 적어도 1.5mm이상이 좋다. ② 분할면에 평면부를 남기는 것이 후래쉬, 모따기 등을 고려하여 0.8mm이상이 적당하다. 1-3. 사출성형용 수지 1) 수지의 종류 (1) 열 경화성 수지 - 열 경화성 수지는 가열 용융상태에서 중합이 일어나는 동안에 분자의 반응 부분이 긴 분자간의 아교결합을 형성한다. 일반 '중합' 즉, 겅화가 되면 수지는 가열하여도 연화하지 않는다. (2) 열 가소성 수지 - 열 가소성 수지는 긴 분자들로 구성되어 있어, 이 분자들은 각각 다른 분자들과 연결되자 않은 분자군을 가지고 있다. 즉, 가교결합 되어 있지 않으므로 반복해서 가열변화와 냉각 경화를 시킬 수 있다. 2) 성형재료가 금형 설계에 미치는 영향 (1) 결정성 수지 - 일반적으로 수지가 흐름방향으로 크게 배향하기 때문에 흐름방향과 직각방향의 수축률의 차가 크게 되어 성형품의 굽힘, 휨, 뒤틀림이 발생하기 쉽다. 금형온도는 수축률에 미치는 영향이 크기 때문에 금형 온도관리를 충분히 하지 않으면 치수변동이 크다. ① 폴리에틸렌(PE) ⓐ 특 징 - 범용플라스틱으로서 결정성수지 비중 0.94~0.97, 성형수축률 1.5~5% 밀도에 따라 저분자량, 저밀도, 중밀도, 고밀도 폴리에틸렌으로 구분한다. - 결정화도가 커 성형수출이 크기 때문에 변형발생이 쉽다. - 절연성이 좋고 다용도에 적합한 수지이다. - 재료비가 저렴하고, 성형하기 쉽다. ⓑ 금형설계의 요점 - 재료의 충전속도를 빨리 할 수 있는 금형설계(게이트, 런너)를 한다. - 냉각속도를 균일하게 할 수 있는 냉각방식을 채택한다. - 성형기의 종류는 스크류식이 좋다. - 성형 수축율은 흐름방샹 2.5%, 직각방향 2.0% 정도. - 왜곡, 변형의 방지를 고려한 성형품 설계를 한다. ② 폴리프로필렌(PP) ⓐ 특 징 - 성형은 극히 좋다. - 변형, 왜곡, 싱크 등의 불량이 잘 일어난다. - 힌지 특성이 있다. ⓑ 금형설계의 요점 - 힌지가 있는성형품의 경우 충전부족 : 힌지부의 웰드라인 발생등을 방지하는 게이트 설계가 필요하다. - 성형수축율은 0.8% ~ 1.5% 정도. - 싱크, 변형 등을 방지하는 성형품 설계와 다점 게이트를 고려한다. ③ 폴리아미드(나일론 : PA) ⓐ 특 징 - 용융 점도가 낮고 흐름의 특성은 양호 단, 그 때문에 플레시가 되기 쉽다. - 수축율은 안정성이 나쁘다. - 용융온도 이외에서는 굳고, 금형, 스크류 등이 파손될 우려가 있다. ⓑ 금형설계의 요점 - 플래시를 방지하기 위한 정밀금형이 필요. - 공업부품으로서는 금형 온도를 높이고 결정화에 대한 주의가 필요. - 싱크 방지의 성형품 설계를 하여 치수 안정성을 좋게 한다. - 성형수축율은 1.5%~2.5% 정도. ④ 폴리아세탈(POM) ⓐ 특 징 - 흐름이 나쁘고 분해가 쉽다. - 게이트부의 외관불량을 일으키기 쉽다.(후로우 마크) - 싱크, 변형을 일으키기 쉽다. ⓑ 금형설계의 요점 - 러너이 길이를 되도록 짧게 하고 유동저항이 적은 단면형상으로 흐름이 좋게 한다. - 성형기의 종류는 스크류식이 바람직하다. - 성형조건, 특히 실린더 온도(재료온도), 금형 온도의 관리에 주의. - 성형수축율은 2.5% 이하. ⑤ 불소수지(3불화 염화에치렌) ⓐ 특 징 - 용융점도가 극히 높아, 고압성형을 요한다. - 변색이 잘 된다. ⓑ 금형 설계시 유의사항 - 흐름에 적합한 게이트, 러너의 설계를 한다. - 고압 사출성형기가 필요. - 변색방지의 성형조건을 선정한다. - 표면 산화방지의 금형, 재료, 표면처리를 선정한다. - 성형수축률은 0.5% 정도. (2) 비결정성 수지 - 결정성 수지에 비하여 흐름방향과 직각방향의 수축율의 차는 매우 작고, 수축율의 절대치도 작기 때문에 치수정도를 높이는 것은 비교적 쉽다. ① 아크릴로 니트릴 스틸렌(AS) ⓐ 특 징 - 흐름이 좋고 성형성이 양호하며, 성형능률도 좋다. - 크랙발생이 쉽다. - 플래시가 잘 생기지 않는다. - 투명하며 내약품성이 개선되고 내열성도 높아 구조용품에 적합. ⓑ 금형 설계시 유의사항 - 금형으로부터 돌출시 크랙에 주의해서 밀어내는 방식을 잘 선정해야 한다. - 성형품의 빼내기 구배를 1˚ 이상 주도록 하며, 금형에 언더컷이 없도록 주의. - 성형수축률은 0.45%정도. ② 아크릴로 니트릴 부타디엔 스틸렌(ABS) ⓐ 특 징 - 흐름은 좋지 않다. - 성형품의 성능은 안정되어 있다. - 게이트 부분의 표면외관 및 웰드가 눈에 띄기 쉽다. ⓑ 금형 설계시 유의사항 - 흐름에 대한 러너, 게이트의 적절한 것을 선정한다 - 웰드에 대한 데이트 위치의 적절한 것을 선정한다. - 고압성형 떄문에 구배각은 2˚이상 필요. - 성형수축률은 0.35%정도. ③ 폴리 메타크릴(PMMA) ⓐ 특 징 - 일명 "아크릴" 이라고도 하며, 흐름이 나쁘며 충전불량, 플로우 마아크, 압력부족에 의한 싱크가 발생하기 쉬워, 고압성형을 요한다. - 광학적 용도의 경우 투명도가 문제가 되며, 다른 종류의 재료의 혼입, 분해 등에 주의를 요한다. ⓑ 금형 설계시 유의사항 - 고압성형을 요하며, 고압 성형기가 필요. - 드래프트는 가급적 크게 잡는다. - 흐름에 대한 러너, 게이트의 설계가 필요. - 재료 온도, 금형온도의 관리에 주의. - 성형 수축률은 0.35% 정도. ④ 셀룰로오즈 아세테이트 . 부틸레이트 ⓐ 특 징 - 흐름은 좋으며, 성형성도 좋다. - 외관의 촉감은 좋으나, 치수를 정확히 내기가 어렵다. ⓑ 금형 설계시 유의사항 - 재료의 예비 건조를 한다. - 성형수축률은 셀룰로오즈 아세테이트 0.5% 정도, 셀룰로오즈 아세테이트?부틸레이트 0.4% 정도. ⑤ 폴리 카아보네이트(PC) ⓐ 특 징 - 용해점도가 높고, 고압, 고온에서의 성형을 필요로 한다. - 잔류응력에 의한 크라크가 발생하기 쉽다. - 단단하기 때문에 금형을 파손하기 쉽다. - 플래시는 생기기 어렵다. ⓑ 금형 설계시 유의사항 - 성형은 고압, 고온에서의 성형을 필요로 하며, 스크류식이 좋다. - 재료의 예비건조를 충분히 한다. - 유동저항이 적은 게이트, 러너의 설계를 한다. - 살두께를 어느 정도 두껍게 한 성형품 설계를 하고 금속 인서어트의 삽입은 되도록 피한다. 또 드래프트는 2°이상 붙인다. - 성형수축률은 0.6% 정도. ⑥ 폴리 염화비닐(PVC) ⓐ 특 징 - 열안정성이 나쁘고, 성형역과 분해역이 접근해 있다. - 흐름이 좋지 않다. - 외관이 나빠지기 쉽다. - 금형을 부식시킨다. ⓑ 금형 설계시 유의사항 - 재료온도 관리가 중요하며, 스크류식의 성형기가 좋다. - 유동저항이 적은 게이트, 러너의 설계를 한다. - 내식을 대비한 표면처리가 필요. - 성형 수축률은 0.7% 정도. 3) 성형 수축 (1) 성형 수축률 표시방법 ① 성형수축률(S)= 상온의 금형치수(M)-상온의 성형품치수(A) / 상온의 금형치수(M) M = A / 1-S ② 위식에서 수축율은 1보다 매우 작기 때문에 일반적인 경우에는 다음식으로 대용한다. M=Ax(1+S) 예) 호칭치수 200mm 성형수축률 20/100일 때 참계산치와 근사치 의 비교 200÷(1-0.02)-200(1+0.02)=0.816mm로 되어 호칭치수의 0.04%이고 수축률에 대한 오차는 수축률2.04%로써 일반적으로는 실용상 거의 문제가 없으나 정밀성형 금형에서는 참 계산식을 따를 필요가 있다. (2) 성형수축의 발생요인 ① 열적 수축 - 수지 고유의 열팽창에 의해 나타나는 수축이며, 성형품이 금형으로 부터 빠져 나왔을 때의 금형과 수지의 열팽창의 차에 의해 생긴다. ② 경화 및 결정화에 의한 수축 - 열경화성 수지는 가열 경화반응의 진행에 따라 고분자화하므로 체적이 수축된다 - 열가소성 수지는 성형과정에서의 결정화에 따라 체적수축이 발생한다. ③ 탄성회복에 의한 팽창 - 성형 압력에 의해 압축되고 있던 성형품이 성형 압력으로부터 해방될 때 고온의 성형품이면 압축이 되어 있지 않는 상태로 되돌아 가려는 탄성회복이 일어나, 성형품의 체적은 팽창하는 쪽으로 변화되어 열적 수축에 의한 성형수축의 일부를 상쇄하게 된다.탄성회복은 압축성이 큰 수지일수록 그 영향은 크게 나타난다. ④ 분자배향의 완화에의한 수축 - 열가소성수지에 용융 유동상태에 의해 분자배향을 일으켜 유동방향을 일으켜 유동방향으로 수지분자가 늘어지지만 냉각과정에서 배분성이 일부 완화 되어 늘어진 수지분자가 원래 상태로 되돌아 가려는 성질 때문에 수축이 일어난다.결정성 수지는 결정까지도 배향되므로 수축은 더 커진다.분자배향성이 큰수지에서는 그 성형 수축은 유동방향으로는 크게 직각방향으로는 작게 일어난다. (3) 성형수축률의변동요인 ① 케비티내의 수지압 - 성형기 노즐에서 금형의 캐비티까지의 압력손실은 사출압력에 관계없이 일정하므로 성형수축률은 케비티내의 수지압에 의한다. ⓐ 케비티내의 수지압이 높을수록 수축률은 작아진다. ⓑ 수축률의 변화는 비결정성 수지는 직선으로 결정성 수지는 곡선으로 감소된다. ② 수지온도 ⓐ 수지온도가 상승하면 유동성이 좋으므로 금형내의 충전상태가 개선되고, 금형내에서의 냉각시간이 길어지므로 수지는 치밀하게 되어 비점에서는 성형수축률은 작아진다.(결정성 수지) ⓑ 수지온도 상승 으로 열적 팽창이 크게 되어 냉각후의 수축량은 커지게 된다. ⓒ 수지의 종류, 성형압력, 게이트의 치수 제품의 살두께 등에 따라서는 정반대되는 경향을 나타내는 수도 있다. ③ 스류 전진시간(사출시간) 게이트과 고화되지 않는 한 게비티내의 수지를 계속 압축하고 있는 시간으로 스크류가 전진을 계속하면 수축률은 작아지고 제품 중량은 커진다. ④ 금형온도 ⓐ 금형온도가 높아지면 성형수축률은 크게 나타난다. ⓑ 금형온도가 높아지면 수지의 서냉으로 결정화도가 높아져 결정성 수지는 비결정 수지보다 성형수축률이 크게 나타난다 ⑤ 성형품 살두께 ⓐ 결정성 수지는 살두께가 두꺼워짐에 따라 수축은 커진다. ⓑ 비결정성 수지는 살두께에 관계 없는 것(ABS,PC) 살두께가 커짐에 따라 수축률이 커지는 것(PS,AS,PMMA) 살두께가 커짐에 따라 역으로 수축률이 작아지는 것(경질PVC)이 있다. ⑥ 게이트 단면적 - 게이트의 단면적이 클수록 성형수축률은 작아진다. ⑦ 경시적 치수 변화(후 성형수축) ⓐ 내부응력에 의한 치수의 경시적 변화, 형상으 LQUS화(굽힘,뒤틀림)가 일어난다. ⓑ 결정성 수지는 상온상태에서 결정화 진행에 의해 치수가 변한다. ⓒ 흡습에 의해 치수가 변한다. ⑧ 후 성형수축의 안정화 ⓐ 내부응력의 제거와 치수 안정성을 위하여 수지의 열변형 온도보다 약10 이상 낮은 온도에서 어닐링 방법으로 열처리 한다. ⓑ 금형온도가 높고 살두께가 두꿔울수록 후 수축은 커진다. ⓒ 성형수축이 일반적으로 크면 후 수축은 적다. 1-4. 성형품 금형의 치수 정밀도 1) 성형품 치수 오차 발생원인 - 사출성형은 수지, 금형, 성형기 및 성형조건 등의 오인으로 성형품 치수오차가 발생한다. 2) 금형의 보통 치수 공차 - 금형에 직접 관련된 공차는 사출금형의 성혐품과 직접 관련되는 제품 해당 부분의 공차이다. (1) 금형치수 공차는 성형품 치수 공차의 약1/3~1/4로 한다 (2) 상온의 금형치수와 성형품 오차의 관계 A±α 일 때 M = A×(1+S) -------------- ⓐ A+0 일 때 M = (A+ α/2)×(1+S)--------- ⓑ -α A+0 일 때 M =(A- α/2)×(1+S) --------- ⓒ -α A+α 일 때 M=(A+α-β/2)×(1+s) --------- ⓓ A: 성형품 치수 S: 수지의 수축률 M: 금형의 가공치수 α,β: 성형품 공차 단,①계산후 소수점 3자리에서 반올림한다. ②대칭인 경우 소수점 2자리가 홀수이면 공차쪽으로 하여 짝수로 만든다. ③공차 치수는 수리 가능한 방향으로 잡는다. 예) 상온에서 치수가 100mm성형품을 수축률이5/1000인 수지로 성형하고자 할 때 다음 공차 조건에서 금형 가공 치수는? 공차조건 ① ±0.2 ② +0.2 ③ +0 ④+0.2 -0 -0.2 -0.1 ① ⓐ식에서 M = 100×(1+5/1000) = 100.50mm ② ⓑ식에서 M = (100+0.2/2) ×(1+5/1000) =100.60mm ③ ⓒ식에서 M = (100-0.2/2) × (1+5/1000) = 100.40mm ④ ⓓ식에서 M = (100+0.2-0.1/2) ×(1+5/1000) = 100.56 mm 1-5. 사출 성형기 - 사출 성형기는 열가소성 수지를 이용하여 여러 형상의 제품을 성형하는 기계로써 금형의 개폐 및 체결을 하고 수지를 용융해서 고압으로 금형에 충전한다. 1) 사출 성형기의 구성 (1) 사출기구 ① 호퍼(Hopper) - 플라스틱 수지의 공급. 저장하는 용기 ② 재료공급장치(Feeder) - 사출에 필요한 재료를 계량하여 실린더로 보내는 장치 ③ 가열 실린더(Heating cylinder) - 플라스틱 수지를 공급받아 용융 사출하는 부분 ④ 노즐(Nozzele) - 실린더의 선단에 위치하면서 용융수지의 유로이며 스프루 부시와 밀착된다. ⑤ 사출 실린더(Hydraulic injection cylinder) - 스크류 및 플랜저를 전진시키고 사출 압력과 사출 속도를 주는 유압실린더 (2) 형체기구 ① 다이 플레이드(Mold plate) - 금형을 설치하는 플레이드로 고정다이 플레이트와 이동다이 플레이트가 있다. ② 다이 바아(Tie bar) - 다이 플레이트를 지지하고 금형 개폐 동작을 가이드 하는 부분 ③ 형체 실린더(Clamping cylinder) - 이동다이 플레이트에 금형의 개폐동작을 시켜 형체력을 발생시키는 실린더 ④ 밀어내기 장치(Ejector):형개(型開)공정의 끝에 성형품을 밀어내는 장치 (3) 프레임(Frame) - 사출기구,형체기구,유압구동부 등이 조립되어 있는 기기의 골격 부위 (4) 유압 구동부(Hydraulic Power system) - 사출기구나 형체기구를 움직이는 유압 실린더에 압력유를 공구 (5) 전기 제어회로(Electrical Control system) - 형체기구의 동작과 가열 실린더 온도를 제어 2) 사출 성형기의 종류 (1) 사출기구와 형조 기구의 배열에 의한 분류(기계의 형태) - 형체기구에서 금형의 개폐방향, 사출기구에서는 플런저 또는 스크류의 운동방향이 수평식과 수직식으로 분류한다. ① 수평식(Horizontal type) ⓐ 성형의 자동화 및 고속화가 쉽다. ⓑ 금형의 부착, 조정이 용이하다. ⓒ 기계의 높이가 낮아지므로 가열 실린더, 노즐, 원료 공급이나 보구가 용이하다. ② 수직식 ⓐ 인서트를 사용할 때 조립한 인서트의 안정성이 좋아 움직이는 일이 적다. ⓑ 금형의 부착 스페이스가 크고, 중력방향으로 작용하므로 큰 금형을 부착해도 안전하다. ⓒ 2색 성형에 적합하고 설치 면적이 적다. (2) 수지의 가소화와 사출을 하는 방식에 의한 분류(사출방식) ① 플런저식 - 토피토를 내장한 가열 실린더와 사출 플런저로 구성되며, 비교적 작아 값이싸고 고석으로 성형된다. ② 스크류 인라인식 - 스쿠류에 의해 가소화된 재료를 동일한 스크류의 압출 공정에서 사출하는 형식으로 가소화 능력이 크고 혼용이 양호하며 재료의 체류 장소가 적기 때문에 분해하기 쉬운 재료에 적합하다. ③ 프리 플러식 - 가소화하는 것과 사출하는 것이 각각 다른 실린더 속에서 각각 전용으로 이루어지는 형식 ⓐ 플런저 프리플러식 : 플런저식 예비 가소화 장치와 플런저를 가진 사출 실린더의 조합 ⓑ 스크류 프리플러식 : 스크류 예비 가소화 장치와 플런저를 가진 사출 실린더의 조합 3) 사출성형기의 주요 수치 (1) 사출용량(Shot capacity),㎤, g(oz) - 1 쇼트의 최대량을 나타내는 값으로 형체력과 함께 사출성형기의 성능을 대표하는 수치이다. 이것을 두가지의 방법으로 표시한다. ① 사출용적(Shot capacity, Sort volume), ㎤ V = ■ d2 : 사출용적( ㎤) D : 스크류의 지름 (㎝) S : 스트로우크(㎝) ② 사출량(Shot capacity, Sort WEIGHT), : 용융수지의 밀도 (㎏/ ㎤) V : 사출용적( ㎤) : 효율 W : 사출량 S : 스트로크(㎝)= 28.4 (2) 가소화 능력(Plasticating Capacity), ㎏/hr - 가열 실린더(스크류 실린더)가 단위시간 성형 재료를 가소화할 수 있는 능력으로 사출성형기의 성능을 ㎏/hr 단위로 표시한다. (3) 사출압력 (Injsction pressure), ㎏/ ㎤ - 사출플런지 또는 스크류의 끝면에서 수지에 작용하는 단위 면적당의 힘(압력)과 전체힘의 최대값을 말한다. : 실린더의 지름( ㎝) : 유압(㎏/ ㎤) : 플런저 또는 스크류의 지름(㎝) : 사출압력(㎏/ ㎤) : 사출력(ton) (4) 사출률(Injsction rate), ㎤/sec - 노즐에서 사출되는 수지속도를 나타내고 단위시간에 유출하는 최대용적으로 표시한다. D : 플런저 또는 스크류의 지금( ㎝) : 사출속도(㎝/sec) : 사출률(㎤/sec) : 사출량(㎤) : 작동유 유량(㎤/sec) : 유압 실린더의 지름(㎝) (5) 스크류회전과 스크류 구동출력, kw,HP - 스크류의 구동에는 전동기와 유압 모터의 2가지 방법이 사용된다. 각각 출력의 특성이 다르므로 전자는(kw,HP), 후자는 ( )의 단위로 표시하는 것이 적정하다. - 여기서 출력과 토오크와의 관계는 출력(kw) = 토크 x 회전수(rpm) x 1/974 (6) 히터의 용량(Heater Capacity), kw - 가열 실린더와 노즐에 감기는 히터의 전용량을 표시한다. 실린더 부분의 가열에는 가열과 동시에 소정의 온도까지 상온시키는 것, 성형중에 재료를 응용 보온하는 것과 2가지 목적이 있으며 양자를 모두 만족하도록 히터용량이 정해진다. (7) 호퍼의 용량(Hopper Capacity), ℓ,㎏ - 플라스틱 재료가 호퍼에 저장될 때 최대 저장량을 나타낸다. 여기서는 용적( ℓ)과 중량(㎏)의 2가지 단위가 사용된다. - 중량(㎏) = 용적( ℓ) x 비중 (8) 형체력(Mold clamping foece), ton - 금형을 조이는 힘의 최대치를 형체력이라 하며, 성형재료의 충전시 필요한 형체력은 F : 형체력(ton) : 캐비티내의 평균수지압(㎏/ ㎤) A : 캐비티의 투영면적(㎤) (9) 형개방력(Mold open!ing foece), ton - 성형후 성형품을 빼낼 때 금형을 열기위해 작용하는 최대의 힘으로 형체력의 1/10 ~ 1/15이보통이다. (10) 다이 플레이트 치수(Plate size), ㎜ X ㎜ - 수평 및 수직에 있어서 다이 플레이트의 바깥 치수와 타이바의 안쪽 치수로 표시한다. (11) 다이 플레이트 간극(Day light open!ing) 및 형죔 스트로우크(clamping stroke), ㎜ - 다이 플레이트의 최대, 최소 간극은 형죔 램이 전진했을 때와 후진했을 때 고정다이 플레이트와 이동다이 플레이트간의 간극이며, 양치수차는 형조임 스트로우크와 같다.

출처 : 꿈★은 이루어진다

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