사출

사출

사출(射出)은 플라스틱 가공 기법으로 합성수지(플라스틱) 원료에 열을 가해 녹인 뒤 액체 상태의 원료를 금형에 주입하고 일정 시간을 거쳐 다시 굳혀 금형의 형상과 같은 원하는 형태의 제품을 생산하는 방식을 의미한다. 사출성형(injection moulding, 射出成型)이라고도 한다. 사출은 주사기와 유사한 원리를 응용하여 성형품을 만드는 방법이다.

개요

사출은 사이클이 짧고 성형 능률이 높아 대량생산이 가능하다. 사출은 광범위한 수지의 성형이 가능하고 자동제어가 가능해 작업 능률이 높으며 현재 대형 성형제품도 만든다. 복잡한 모양, 높은 정밀도 제품을 제작할 수 있으며 우리 생활에 폭넓게 사용되고 있다. 사출은 일상생활용품에서부터 반도체, 자동차, 의료용품 등등 산업 전반적으로 연관되어 있다. 사출은 복잡한 제품의 효율적인 생산이 가능하며 원료 투입에서 성형품의 취득, 운송까지 자동화가 가능하다.

사출은 용도에 따라 착색, 배합된 용융된 수지, 액화된 플라스틱 원료는 사출성형기(Injection molding machine)라고 불리는 기계에서 정해진 압력과 속도로 금형 안에 삽입되어 성형된다. 사출성형기는 호퍼(hopper)라고 하는 칩을 넣는 곳과 원료를 가열하여 녹이는 가열통, 녹인 플라스틱을 밀어내는 스크루, 목적한 형태로 성형하는 금형의 여러 부분으로 이루어져 있다. 우선 칩이 호퍼에서 일정량씩 계량되어 가열통으로 보내진다. 여기에서 스크루로 밀리는 사이에 녹여진다. 녹인 플라스틱은 다음으로 사출 노즐로부터 주형 속으로 사출된다. 주형은 애당초 냉각되어 있으므로 사출된 플라스틱은 곧 고화(固化)되어 자동으로 성형품이 주형으로부터 튀겨져 나온다. 사출성형기는 이 조작을 자동적으로 반복하면서 계속 제품을 만들어 낸다.

과정

사출 장치는 플라스틱 원료를 녹여 금형으로 주입하는 기능을 담당한다. 이 장치는 호퍼, 배럴 그리고 왕복 스크루로 구성되었다. 사출 과정은 다음과 같다

• 건조된 중합체를 호퍼에 넣고 제품의 스펙에 따라 착색 안료 또는 강화 첨가제를 추가한다.
• 원료는 배럴로 공급됨과 동시에 가열되어 혼합된다.
• 액체 상태의 재료가 스크루를 통해 적절한 온도와 압력을 가진 상태로 이송된다.
• 재료가 노즐을 통해 금형으로 가득 주입되어 형상을 만든다.
• 재료가 응고되면 금형이 열리고 이젝터 핀이 전진하며 사출물을 이탈시킨다.

위의 과정이 빠르게 반복되면서 대략 30 - 90초 정도의 시간을 소모한다. 잘 설계된 시스템을 통해 제작된 부품은 후가공 처리도 필요 없다.

역사

최초의 플라스틱은 알렉산더 파크스씨에 의해서 1851년에 영국에서 최초로 발명되었다. 그는 1862년 런던의 국제 전시회에 그가 생산한 파크신이라고 불리는 재료를 공식적으로 선보였다. 섬유소에서 추출한 파크신은 열을 가하여 성형하고 냉각하면 형상을 유지한다. 하지만 이것은 생산하는데 비용이 많이 들고 깨지기 쉽고 가연성이 아주 높았다. 1886년 미국의 발명가 존 웨슬리 하이야트씨가 셀룰로이드라고 명명한 완제품으로 가공될 수 있도록 한 파크스 발명을 개선한 플라스틱 재료를 개발하였다. 그의 형제 아이제이어씨와 함께 하이야트씨는 1872년에 최초의 사출성형기 특허를 냈다. 이 사출기는 오늘날 사용하는 사출기에 비하면 상대적으로 단순하였다. 이것은 가열 실린더를 통해서 금형에 플라스틱을 주입하는 플런저를 사용한 대형의 피하주사바늘처럼 동작했다. 산업이 해를 거듭하면서 목걸이 받침대, 단추, 머리빗과 같은 제품을 생산하면서 서서히 진전되었다.

2차 세계대전이 저비용 대량생산제품에 대한 거대한 요구를 만들었기 때문에 1940년대에 산업이 빠르게 확산되었다. 1946년에 미국의 발명가 제임스 왓슨 헨드리씨가 사출 속도로 정밀제어를 하여 양질의 성형품을 생산하는 최초의 스크류 방식 사출성형기를 제조하였다. 또한 이 사출성형기는 사출전에 안료나 재생 플라스틱을 원재료에 추가하여 완전하게 혼합할 수 있는 사출전에 재료를 혼합할 수 있도록 제작되었다. 오늘날 스크류 방식 사출기가 대다수의 사출성형기를 차지하고 있다. 1970년대에 헨드리씨는 복잡한 제품의 신속한 냉각을 위해서 공동을 허용한 최초의 가스 사출성형공정을 채택했다. 이것은 생산시간과 비용 중량 그리고 낭비를 줄이면서 제조부품의 강도와 마무리뿐만 아니라 디자인의 유연성을 대폭 향상시켰다. 플라스틱 사출성형 산업은 머리빗과 단추부터 자동차, 의료, 항공, 소비재품, 장난감, 패키징과 건축물을 포함한 다양한 산업의 방대한 제품 생산까지 수년에 걸쳐 발전되고 있다.

장점

대량 생산에 최적화

• 플라스틱 가공은 양산에 특화된 기술이다.
• 사출 성형은 부품을 대량으로 생산하기 위한 공법이다.
• 금형과 시스템 구비가 됐다면 매우 빠르고 저렴하게 생산할 수 있다.
• 사출성형은 형태와 크기에 따라 30~90초의 속도로 부품을 생산한다.
• 작은 부품들은 하나의 금형을 공유할 수 있다.
• 알루미늄 금형은 5~10K의 사이클을 견딜 수 있다.
• 공구강 금형은 100K의 사이클을 견딜 수 있다.

다양한 재료

• 거의 모든 열가소성 물질을 성형할 수 있다.
• 일부 열경화성 물질을 성형할 수 있다.
• 용도에 따라 첨가제, 경화제를 혼합하여 재료의 특성을 강화할 수 있다.
• 비교적 정확한 공차를 가진 부품을 생산할 수 있다.
• 일반적으로 0.5mm 수준의 공차를 가진 부품을 생산할 수 있다. 더욱 엄격한 공차를 적용할 경우 0.125mm 수준의 공차를 가진 부품을 생산할 수 있다.

단점

높은 초기 비용

• 각각의 형상마다 금형을 제작해야 한다.
• 양산형 금형의 제작 비용은 적게는 수백만 원에서 많게는 수억 원에 달한다.
• 최소 생산량을 충족해야만 한다.
• 잘못된 금형 설계는 치명적인 오류를 발생시킬 수 있기 때문에 전문가의 컨설팅이 필요하다.
• 기구설계 전문가, 사출 설계 전문가가 필요하다.
• 수정 시 막대한 금액이 요구된다.
• 수많은 변수가 고려되어 설계되기 때문에 수정 시 높은 비용이 요구될 수 있다.

긴 리드 타임

• 금형 제작은 일반적으로 4~6주가 소요된다. 생산에서 배송까지 일반적으로 2~4주가 소요된다. 따라서 사출 금형의 전체 사이클은 약 6~10주가 소요된다.
• 금형의 수정이 필요할 시 추가적인 시간이 소요될 수 있다.

불량 현상

• 미성형(충전부족 shot short) : 성형품의 일부가 부족되는 현상.
• 바리(flush) : 성형품에 여분의 수지가 붙는 현상.
• 싱크마크(sink mark) : 성형품의 표면에 발생하는 오목 현상.
• 웰드라인(weld line) : 용융 수지가 금형 내를 분기해서 흐르다가 합류한 부분에 생기는 가는 선.
• 태움(black spots) : 금형 내의 공기가 압축되어서 고온으로 되어 그 열로 수지가 되는 현상.
• 플로우마크(flow mark) : 성형 재료의 유동 궤적을 나타내는 줄무니가 생기는 현상.
• 광택불량 : 성형품의 표면이 수지 원래의 광택과 다르고 층상에 유백색의 막이 덮임.
• 실버스트리크(silver streak) : 성형품의 표면 또는 표면 가까이에 수지의 흐름 방향으로 발생하는 매우 가는 선의 다발.
• 흑줄(black streak) : 성형품의 내부에 검은 줄 모양으로 되어 나타나는 현상.
• 제팅(jetting) : 게이트에서 캐비티에 분사된 수지가 끈 모양의 형태로 고화해서 성형품의 표면에 꾸불꾸불한 모양으로 나타나는 현상.
• 크레이징과 크랙(crazing & crack) : 성형품 표면에 가는 선 모양의 금이 가거나 균열하는 것.
• 이형 불량 : 금형에서 성형품이 떨어지기 어려운 현상.
• 표층 박리 : 성형품이 운모 모양의 얇은 층으로 되어서 벗겨지는 현상.

재료

• 폴리 프로필렌(PP) : 뛰어난 내화학성을 지니고 있으며 식품 안전 등급 취득이 가능하다. 다만 엔지니어링 용도로는 다소 부적합한 재료이다. 제조 시 재료 특징 투명도가 높고 약간 경질이다. 병, 용기 등을 만드는 데에 많이 사용된다.
• ABS : 높은 내충격성과 뛰어난 인성을 지닌, 저비용 저밀도의 열가소성 수지다. 사출 성형에 가장 보편적으로 사용되는 재료이다. 고온에서의 성형 시 향상된 광택과 내열성을 얻을 수 있다. 저온에서의 성형 시 향상된 내충격성과 강도를 얻을 수 있다.
• 폴리에틸렌(PE) : 충격강도와 내후성이 우수한 경량 열가소성 수지로 실외 사용에 적합한 재료이다. 잡화부터 엔지니어링 용도까지 넓게 쓰이며 각종 용기, 포장용 필름, 섬유, 도료 등에 사용된다. 가볍고 유연한 특징을 가지고 있다.
• 폴리스티렌(PS) : 사출 성형 시 사용할 수 있는 가장 저렴한 플라스틱이다. 식품 안전 등급을 취득할 수 있는 장점이 있다. 다만 취성이 있어 단독으로 사용되기보다는 다른 중합체와 혼합하여 사용된다. 생활용품, 장난감, 전기 절연체, 전자제품 케이싱 등에 사용된다. 가볍고 냄새가 없는 장점이 있다. 탄성 한계치에 도달 시 급작스럽게 깨지는 취성이 있다.
• 폴리우레탄(PU) : 높은 내충격성, 기계적 성질 및 경도가 우수한 열가소성 수지다. 두꺼운 부품을 성형하는 데에 적합한 재료로 탄성 있고 질기며 내화학성을 지닌 소재이다. 신축성이 좋아 고무 대용으로 사용되며 일반적인 페인트, 합성섬유 등에 사용된다. 첨가물을 혼합하여 단단한 톱니바퀴나 파이프 등에도 사용된다.
• 나일론 6(PA 6) : 나일론 6는 견고하며 높은 인장 강도와 탄성 및 광택을 지니고 있다. 자동차, 항공기, 전자 및 전기 제품, 의류, 의약품 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 엔지니어링 열가소성 플라스틱이다. 강한 인성, 마모 저항, 내화학성, 피로 내구성, 윤활성, 내충격성, 강성을 지닌 재료이며 구조적인 사출 제품, 베어링을 제작하는 데에 많이 쓰인다. 폴리에스테르에 비해 생분해성이 열악하다.
• 폴리 카보네이트(PC) : 대표적인 엔지니어링 플라스틱이다. 투명하며 상당한 강도가 필요한 경우 많이 쓰인다. 매우 뛰어난 충격 강도, 내열성, 투명성, 멸균성, 내연성, 내오염성을 지닌 재료이며 사무기기부터 방탄유리, 건축 자재까지 다양한 분야에 사용된다.
• PC + ABS : PC와 ABS의 특성을 결합한 소재이다. ABS의 높은 가공성과 PC의 뛰어난 기계 특성, 내충격성, 내열성이 결합되었다. 두 소재의 뛰어난 특성을 결합한 산업용 소재로 탁월한 내충격성과 내열성을 지니고 있다. 사무기기, 전기 전자, 가전기기 등의 하우징으로 많이 사용된다.
• 폴리옥시메틸렌(POM) : 결정성 열가소성 플라스틱으로 높은 강도와 강성, 낮은 수분 흡수율, 우수한 슬라이딩 및 내마모성을 지닌 재료이다. 정확한 치수를 성형하기 좋으며 가공성이 우수하다. 고강도, 강성 및 인성과 우수한 충격강도, 내마모성, 가공성, 내가수분해성 및 탄력성 그리고 낮은 수분 흡수율을 지니고 있다. 물과 접촉하거나 전기 절연 부품에 사용된다. 식품, 제약 및 의료 분야에 사용된다. 슬라이딩(베어링 부시, 롤러, 슬라이드 레일) 부품으로도 많이 사용된다.
• 폴리에테르에테르케톤(PEEK) : 슈퍼 엔지니어링 플라스틱 수지로 고온 등의 열악한 환경에서 최고의 물성을 유지하는 재료이다. 260도의 고온 저항성, 우수한 자기 윤활성, 내식성, 난연성, 박리 저항성, 내마모성, 방사선 저항성을 지닌 재료로 식품 가공부터 의료, 자동차 및 항공 우주 분야에 넓게 쓰이는 재료이다. 엄격한 공차를 준수하도록 가공할 수 있으며 다양한 장점을 가지고 있기 때문에 금속을 대체할 수 있다.
• 실리콘 고무 ; 우수한 내열성 및 내화학성을 가지며 경도를 조절할 수 있는 열경화성 수지이다. 예술, 스포츠 분야부터 건축, 항공 우주 등 모든 산업 분야에서 사용되고 있다. 뛰어난 내열성, 내한성, 내후성, 내유성, 내약품성, 내열성, 연성을 지니고 있으며 혹독한 조건에서 절연체로도 사용될 수 있다.

참고자료

• 〈사출〉, 《나무위키》
• 〈사출성형〉, 《위키백과》
• 조원동, 〈사출 이란? 사출 성형의 정의와 과정 그리고 사출 구성 요소〉, 《티스토리》, 2021-10-29
• 더비코, 〈플라스틱과 사출성형기의 역사〉, 《네이버 블로그》, 2009-12-01
• 청국장, 〈사출성형이란〉, 《다음 블로그》, 2007-02-17
• CAPA, 〈사출 금형 총정리 - 양산을 위한 기구 설계와 사출 성형〉, 《카파 블로그》, 2021-01-20

같이 보기

• 자동차
• 대량생산
• 기계
• 플라스틱
• 가공
• 원료
• 제품

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