사출 성형에 대하여

２．어떤 재료가 사출 성형에 사용 되나?

　사출 성형되는 재료는 일반적으로 입자상의 플라스틱 (열가소성, 열경화성)（범용 플라스틱, 엔지니어링 플라스틱, 슈퍼 엔지니어링 플라스틱）（결정성, 비결정성）（생분해성 플라스틱）입니다만, 왁스, 고무, 액상원료 (수지, 고무), 분말원료(금속,세라믹, 플라스틱 마그네트 등), 점토상 재료（ＢＭＣ）, 금속재료（마그네슘합금, 아연 등） 등 여러 가지가 있다.        

   수지는 단독으로도 사용되지만, 유리섬유, 카본섬유 등을 혼합하여 보강하는 경우가 많다. 착색제를 혼합하여 광범위한 착색이 가능하다. 또한 다재질 성형이나 금속부품등을 인서트하여 복합부품도 만든다.
　가장 많이 사용되는 것은「열가소성 플라스틱」이므로 아래에는 이 경우에 하여 설명한다

３．사출성형의 특징

1. 부정형(입상)의 재료로부터 한공정으로 복잡, 정교하고, 정밀도 높은 부품을 단시간에 완성한다. 생산성이 매우 높은 합리적인 방법이다.
   현재는 위와같은 다양한 재료를 사용할 수 있게 되었고, 또한 금형구조의 복잡, 정교화로 부품의 집약화, 일체화가 진행되고 있어 사출 성형이 아니면 불가능한 부품이 많아지고 있다.
2. １８７２년（메이지４년）에 미국에서 발명되었다. 일본에서는 1937년(쇼와12년)에 독일로부터 수입된 것이 최초의 실용기라고 한다. 본격적인 공급은 쇼와 30년대 부터이다.
3. 사출기에는 횡형과 입형이 있고 횡형이 약 90%를 차지한다. 횡형기에서는 40년 전부터 간단한 성형품은 자동낙하시켜 자동운전을 하고 있다. 최근에는 로봇을 병용하여 복잡한 금형, 성형품도 자동화 되고 있다. 입형, 횡형의 설명참조
4. 입형의 주 용도는 금형 내에 금속부품 등을 넣어 성형하여 수지와 금속을 일체화한 부품을 만들어 내는 「인서트 성형」이다.「인서트 성형의 효용」참조
5. 용융 수지를 금형에 주입하는 대신에 부품 접합부의 틈새에 주입하는「수지 리벳팅」, 「틈새 충전 접합조립」등도 응용되고 있다.
6. 치수１mm이하, 질량０．００００１gr의 마이크로 부속에서부터 전체길이２m이상, 질량 수십kg의 대형 부품까지 광범위한 부품이 만들어 지고 있다.
7. 전사성도 1 마이크로미터 이하의 형상 정밀도가 가능하다.

４．사출 성형의 공정
　사출 성형에서는 성형기라고하는 기계로 재료를 (녹여)흘려, (금형에서) 형태를 만들고, 굳혀서 성형품을 만든다.
　현재의 사출 성형기는 인라인 스크류형이 대부분으로 그 작동은 다음과 같다. 구동 방식은 유압식이 많았지만 최근에는 전동식(서보모터)이 보급되고 있다.
　사출 성형기에 있어 플라스틱 재료(입상)는 로더로 호퍼에 공급된다. 호퍼로부터 바렐 입구에 흘러든 원료는 스크류의 회전으로 바렐 내로 이송된다. 바렐은 외부의 전기 히터로 가열되므로 재료는 히터의 열과 스크류의 회전, 전단 마찰열로 용해 된다.
　용융 재료를 바렐 내로 보내면서 스크류는 후퇴한다. 바렐내의 스크류 끝에 일정량의 용융재료가 저장되면 스크류는 회전을 정지한다.
　금형을 체결한 후 , 스크류를 전진시켜, 수지를 가압하여 금형 내에 주입한다. 스크류 끝에는 역류방지 밸브가 있어, 회전중에는 수지를 앞으로 통과 시키고 가압시에는 후방의 수지 흐름을 멈춘다.
　금형 내에서 수지는, 수지 입구(스풀), 수지 도로(런너), 주입구(게이트)의 순서로 흘러, 성형품 공간(캐비티)로 유입된다. 이때, 캐비티 내의 공기는 개스배출구를 통하여 외부로 배출되어, 공기와 수지가 치환된다.
　금형은 , 수지의 흐름을 촉진하고, 또한 냉각, 과화 되도록 상대적 저온으로 유지된다. 온도는 금형 내에 온수 등을 순환 시키거나, 카트리지 히터 등으로 온도 제어를 한다.
　수지가 캐비티를 채운 후에도 게이트가 고화하기까지 가압을 계속하지 않으면 재료의 점탄성으로 역류하여 성형품에 결함이 생긴다. 이 시간이 필요하여 C/T가 길어지나 사출 성형의 숙명이다.（필요한 보압시간은 수지, 금형온도, 성형품의 뚜께에 따라 다르지만 두께 1mm에 약１－１０초로 두께의 2 제곱으로 증가한다.
　고화후, 금형은 암틀(캐비티측)과 숫틀(코어측)으로 나누어 열리고 일반적으로 코어에 있는 성형품을 꺼낼 때에는 취출기를 사용하여 꺼내고 로봇으로 잡아 소정의 위치로 격납한다.
　자동 운전시 , 반드시 금형의 취출기 측에 성형품이 있도록 하는 것이 중요하다.

５．사출성형조건
　사출 성형은 금형 내에서 형태를 만드므로 금형이 중요한 요소이다. 수지를 금형의 캐비티에 가압 주입하여, 금형 캐비티의 형상, 치수, 표면을 전사하여 형상을 고정하는 공정으로 전사성을 높이는 것을 목표로 한다. 렌즈 등에서는 0.3 마이크로미터의 형상 전사성이 기대된다. ＣＤ디스크 등에서는 전면, 일정한 전사성이 필요하다.

1. 원료의 준비
   　플라스틱 재료는 흡습성이 있으므로 사용전에 건조하여 보온 상태로 공급하지 않으면, 가열시에 수증기로 발포, 은선화 하거나 가수분해한다. 리사이클 재료는 일정 비율로 신재료에 혼합하여 사용한다.
2. 용융 수지를 만드는법(재료를 용융시킴)
   　가능한한 저온에서 균질의 흐르기 쉬운 용융수지를 만드는 것이 중요하다. 일반적으로 사용되는 인라인 스크류의 가소화 장치 에서는 위에 설명한 바와 같이, 재료는 스크류의 회전으로 이송되며 가열되어 자신의 마찰열로 용융된다.
   　이때, 바렐 내벽에 부착된 재료를 스크류의 산이 긁어 내어, 곡에 위치시킨후 홀의 표면을 미끄러져 전진시킨다. 따라서, 스크류의 표면이 평활해야 재료의 공급효율을 제고할 수 있다. 가소화 시간이 길어 지면, 스크류의 표면이 손상되었을 가능성이 높다.
   　스크류 홀부의 길이 L은 직경 Ｄ에 대하여Ｌ／Ｄ　１５－２０으로, 일반적으로 이송부（５／８）, 압축부（１／８）, 계량부（２／８）의 순서로 홀의 깊이가 변화(끝이 얕다)하고 있다. 이송부와 계량부의 홀 단면 면적비(압축비)는 일반적으로 약 2로, 용융에 반하여 용적을 좁힌다. 홀의 형상은 재료의 혼동을 촉진하기 위해 특징을 갖도록 한 것도 있다.
   　또한, 수지 내에 압력(배압이라함)을 발생 시킨다. 배압(스크류의 후퇴를 제한하여 발생한다)은 공기나 개스를 잡아 당기므로,  균질의 수지를 위하여 필요하다.
   　수지는 일반적으로 치크소트로픽 성질이 있어 전단을 가하면 점도가 낮아져 흐르기 쉬어진다.
   
3. 수지를 흐르게 하는 방법
   　균질로 만들어진 수지는 압력, 속도를 시간 또는 위치에 대하여 다양한 제어 프로파일로 금형 안에서 가압하여 흐르게 된다. 압력(사출압력)은 수십에서 수백MPa（수백kgf/cm²）, 주입속도(사출율)은 수십에서 수백cc/sec이다
   　성형품의 외관에는 속도 제어, 치수에는 압력제어의 영향이 크다.
   　수지가 흐르는 과정(특히 게이트부)에서 전단이 가하여 지면, 수지의 온도가 올라가고 점도가 내려가 흐름이 촉진된다.
   　캐비티 내의 수지흐름, 충전은 수지점도, 속도, 캐비티 공간 넓이 등에 따라 「분수흐름」（부풀어 흐름）,「액면상승」,「대면충돌ㆍ퇴적」등의 형태가 된다.
   　일반적으로는 캐비티 표면을 연속적으로 도포하며 충전하는 이미지의「분수흐름」을 시키는 것이 필요하다.
   
4. 형체의 확실성
   　수지의 가압 주입 및 고화중에 금형이 확실히 닫혀 있는 것이 필요하다. 가압력에 밀려 금형이 금형이 열리면 당연히 버가 발생하여 성형품의 치수가 흔들린다.
   　그러나, ＣＤ디스크 등은 전면일관성이 필요하므로 거꾸로 금형을 열고 주입하고 주입후에 가압하여 전사성을 높이고 있다. 이 방법을 사출압축이라 한다.
   
5. 금형의 치수, 강성
   　금형 캐비티(성형품 형상부)는 형상이 반대로 되어 있을 뿐만 아니라, 치수도 성형품의 치수와 같지 않다. 수지가 충전되고 냉각 고화하는 과정에서 수축되는 만큼 또는 변형되는 만큼 보정되어 크게 되어 있다.
   　수축율은 수지의 흐름방향, 흐름과 직교 방향에서 다르고, 또한 형상에 따라 구속 조건으로 변화하고, 또 보강재나 충전재에 따라 변화하므로 매우 어렵다. 이것을 경험적으로 보정하여 캐비티 치수를 결정하는 것이 금형 메이커(본래는 성형 메이커)의 노하우 이다. 수축율은 수지 충전재에서０．１％에서２．３％에 있다. 또한 캐비티는 성형품을 꺼내기 위해 원칙적으로 구배(1도 이상)가 필요하다.
   　금형은 수지의 압력에 변형되지 않는 강성이 필요하다. 일반 강재가 사용되나 강성은 같은 재질이라면 경도가 높은쪽이 낮은 것에 비하여 조금 저하되는 것은 의외이다.
   　냉각효율을 높이기 위하여 동합금, 알미늄합금이 사용되나 강성에 주의할 필요가 있다.
   
6. 금형 게이트의 선택
   　성형품의 형상, 의장 디자인 등으로부터 각종 형상의 게이트가 사용된다.
   　일반적으로 게이트 부근과 떨어진 곳은 가압력의 차이가 있으므로 성형품의 밀도, 전사성에 영향이 있다. 게이트를 복수로 설계하여 흐름이 갈라지면 수지의 합류점(웰드)에 영향이 있다
   
7. 캐비티의 형상（성형품 설계）
   　흐르기 쉬운 형상, 두께가 균일한 형상이 바람직하나, 최근의 복잡, 정교한 성형품은 그것을 무시한 경우가 많다. 그만큼 사출 성형으로 부품을 만드는 매력은 크다. 그 형상이 충전이 가능한지의 판단은 L／Ｔ（흐름 길이／두께)로 판단되나, 재료의 흐름성이나 형상, 두께에 따른 변화, 수십에서 수백에 달한다. 두께의 최소는 １mm정도가 바람직하나, 얇은 용기, 미세부품에서는 ０．３mm이하의 것도 있다.
   　언더컷이 있으면 금형 구조가 복잡해져 금액이 비싸진다. 나사(숫나사, 암나사)의 경우, 회전하여 회전시켜 빼내거나 분할하여 빼내거나 수축코어를 사용한다. 다소의 언더컷이라면 수지에 따라 무리하여 빼내는 것이 가능하다.
   　잘림구조로, 횡 홀을 여는 것도 행하여 진다.
   　수지흐름 끝쪽은 캐비티 내의 공기를 적극적으로 배출하기 위하여 반드시 개스 벤트를 설치한다. 이것은 수지의 충전 스피드를 높여 전사성을 높이기 위하여 필요하다. 이것을 더욱 촉진하여 수지 접합부의 융착을 높이기 위해 캐비티 내를 감압상태（수십torr）로하는 것도 행하여 진다.
   
8. 금형온도
   　금형은 상대적으로 저온관리되어 수지와 열교환하여 고화 시킨다.（열교환 기능）수지의 유동성을 촉진하며, 결정 수지에서는 결정화 관리를 위해 온도를 관리한다.
   　금형 캐비티측（고정형）, 코어측（가동형）을 동일 온도로 관리하는 것이 중요하다. 온도차가 있으면 열팽창 차이로 고착이 발생할 우려가 있다.
   　일반적으로 금형캐비티측(오목부)은 성형품의 볼록부(외측)가 되어 외관에 필요한 부위가 되므로 수지의 유동성을 높이고자 한다. 코어측(금형의 볼록부)은 주위를 수지가 감싸므로 냉각 효율을 높이고자 한다. 동일 온도에서 이것을 실현하기 위해서는 열매체 순환식에서는 유속을 가감하거나 볼록부의 재질을 열전도가 좋은 것으로 바꾼다. 히트 파이프를 사용하는 것이 행하여 진다.
   
9. 성형품 배출 기구
   　성형품을 금형에서 변형 없이 빼는 기구는 핀, 슬리브, 플레이트 등이 사용된다. 속도를 가감하여 왕복 운동을 반복하는 것도 있다. 또 공기압의 도입 등으로 이형을 촉진하는 경우도 있다.
   
10. 안정성, 정상성, 재현성, 기계차이
    　사출성형은 생산품을 자동 생산하는 수단 이므로 , 운전중 성형조건의 무변동이 요구 된다.
    　안정성이라 함은 쇼트간의 변화가 없는 것이다.
    　정상성이라 함은 장시간 운전중(예를 들면, 아침, 점심, 저녁)의 변동이 적은 것이다.
    　재현성이라 함은 로트간이나 작업일에 대하여, 성형 조건의 재현시 변동이 없는 것이다.
    　현재의 성형기는 각종 조건 설정이 디지털화 되어 있어, 설정 재현 차이는 없게 되었다. 그러나 그것으로 성형품의 품질을 재현할 수 있는 것은 아니다. 품질의 재현은 성형품을 보아가며 조건을 미세조정 하여야만 한다. 품질의 재현에는 기계조건의 재현뿐만 아니라 성형 재료 로트간 차이도 크다. 품질 재현을 지원하기 위해 「모니터 장치」도 사용된다.
11. 　현재의 성형기는 아직 기계차가 존재하는 것을 피할 수 없다. 따라서, 동일 모델의 성형기라도 금형을 바꾸면 성형 조건도 바꾸지 않으면 안 되는 것이 많다.
    　공작 기계는 제어하는 치수 좌표가 품질에 직접 관계되므로, 관리하는 만큼 좋은 것에 비하여 성형기는 성형 조건이 많고 품질도 직접 관계되지 않아 간단하지 않다.
    

６．성형품의 결함과 대책
　사출 성형이 재료를 용융하여 흘려 형태를 만들어 굳혀서 금형의 형상을 전사하는 공정이므로 각각의 공정에 결함을 발생시키는 원인이 잠재한다.

７．특수 성형법의 예

1. 액상수지 사출 성형（ＬＩＭ, ＲＩＭ）
   　상온에서 액상의 재료（일반적으로 주제, 경화제 2액）를 정량 혼합하여 성형한다. 금형온도를 상대적으로 고온으로 하여, 금형 내에서 화학변화(중합)시키는 열 경화성 성형이다. 이의 대표적인 재료는 실리콘고무, 에폭시 수지, 폴리 우레탄수지 등이다.
   「ＬＩＭ」「ＲＩＭ」참조
   
2. 개스ㆍ인젝션
   　두께 변화가 큰 성형품으로 캐비티를 채우기 전에 고압 개스(Ｎ２가 많다)를 캐비티 중앙의 미고화 수지에 불어 넣어, 표피를 넓혀 캐비티 형상을 얻는다. 중앙부에 적극적으로 보이드를 설치하여 , 당김(외관불량)을 방지하는 방법이다. 강도를 해치지 않고 재료도 절감된다.
   
3. COㆍ인젝션
   　개스 인젝션의 개스 대신에 수지(일반적으로 리사이클 수지를 저발포 시킴)를 충전한다. 국부적으로 면압이 가해지는 부품에 사용된다.리사이클 재료의 활용, 재료비가 절감된다. 재료의 상용성이 있다면, 이재질 이라도 좋다. 노즐부에서 2대의 사출장치를 시��셜로 전환하여 성형한다.
   
4. 사출압축성형
   　ＣＤ등과 같이 얇고 동일한 두께의 성형품에서 일정한 전사성이 필요한 경우에 유효하다. 전면을 압축하는 대신에 국부적으로 핀 등을 눌러 넣어 그 부분의 전사성을 높이는 방법도 사용된다.
   
5. 다재질, 다색 사출성형
   　키보드의 키는 2색 성형으로, 우선 문자 부분을 성형하고 그후 외형을 성형하는 2도 성형으로 만든다. 그 공정을 연속적으로 행하는 전용기가 사용된다. 한편으로 조화의 꽃잎과 같이 색의 경계가 애매한 2색 성형은 CO 인젝션 과 같은 방법으로 1도 성형한다.
   　경질의 수지와 유연한 에라스토머를 2도 성형으로 융합시킨 부품을 만드는 것도 행하여 진다.
   　도전성 수지와 절연성 수지의 2재질 성형에서 전기 회로를 가진 성형품을 만드는 ＭＩＤ성형도 있다.
   
6. 인젝션 블로우, 다이슬라이드 성형
   　이것은 언더컷이 있어 보통의 금형에서는 이형을 할 수 없는 중공성형품을 만드는 방법으로, 전자는 시험관과 같은 프리폼을 고온 상태에서 다른 형틀로 이동하여 내부에 에어를 불어 넣어 부풀린다. 페트병은 이 방법으로 만든다. 후자는 금형의 코어(중심)를 바꿔 넣어 성형한다.
   
7. 마그네슘의 칙소몰딩
   　스크류 가소화 장치로 Ｍｇ팔레트를 용융 전단시켜 흐르기 쉬운 용융 상태로 만들어 사출 성형하는 방법을 행하게 되었다. 다이캐스트에 비하여 작업환경은 좋으나 가소화 시간이 걸려 생산성이 떨어지는 것은 피할 수 없다.