[제조 지식] 사출성형 vs 압출, 제품 양산시 누구를 선택할까?

얼핏 보기에 압출과 사출 성형은 매우 유사한 제조 공정 같습니다. 실제로 두 공정 모두 기계를 통해 용융(鎔融)된 재료를 이용해 원하는 형태의 제품(부품)을 비교적 싼 비용으로 대량 생산해 냅니다. 두 공정 모두 부품 생산량이 많아질수록 비용이 낮아지는, 양산에 적합한 제조 방식이죠. 하지만 사출 성형과 압출은 이름에서도 나타나듯 세부적으로 들여다 보면 적지 않은 차이점이 존재합니다.  

오늘은 얼핏 보면 비슷한 사출 성형(Injection Molding)압출(Extrusion)에 대해 다뤄보겠습니다. 두 공정의 유사점과 차이점을 비롯해 제조 공정 상의 장단점, 비용 및 응용 분야를 살펴봄으로써 각각의 공정이 어떤 제품을 생산할 때 적합한 지 알아보겠습니다. 

 

일반적인 사출 성형 공정을 통해 생산한 플라스틱 병 뚜껑(좌)과 압출 공정을 통해 생산한 기다란 막대(우). [출처: 셔터스톡]

 

사출성형: 플라스틱 재료를 저렴하게 대량 생산

사출 성형은 플라스틱 제품을 경제적인 비용으로 대량 생산할 수 있는 가장 대표적인 제조 방법입니다.

사출 성형 공정을 구체적으로 살펴보면 먼저 플라스틱 재료(수지)를 고열로 녹인 다음 ‘금형’에 주입합니다. 냉각된 제품을 금형에서 꺼낸 뒤, 표면 마감 등 후공정을 거쳐 복잡한 3차원 형상을 만듭니다.

이상의 동일한 공정을 수백 또는 수천 번 빠르게 반복함으로써 금형 제작 비용을 상각하고 제품 생산 비용을 절감할 수 있습니다. 각 부품에 동일한 금형 도구가 반복 사용될 뿐만 아니라 플라스틱 성형 재료인 ‘펠릿’이 매우 저렴하기 때문에 사출 성형은 일관된 품질의 저렴한 부품을 생산하는 데 적합합니다. 

 

장점 

  • 동일한 재료를 사용한 3D 프린팅과 같은 여타 공정과 비교해 품질이 우수한 편입니다.
  • 사출 성형에 사용되는 금형은 CNC 가공을 통해 높은 수준의 정밀도 공차를 보장하며 작고 복잡한 부품을 동일한 퀄리티로 양산할  있습니다.
  • 3D 프린팅  CNC 가공에 비해 재료나 색상광택  질감 등의 측면에서 다양한 선택지 제공합니다.
  • 전용 금형만 있다면생산 주기가 30 이하인 부품 수천 개를 매우 빠르게 생산  있습니다.
  • 사출 성형은 매우 빠르게 발전하는 기술이기 때문에 시간이 지남에 따라 장점이 더욱 커질 전망입니다.

단점

  • 금속 부품을 대량 생산할 수 있는 금속 사출 성형 기술이 존재하지만, 아직까지 대체로 플라스틱 부품을 만드는 경우에 국한돼 사용됩니다.
  • 본격적인 제품 생산에 앞서 금형을 제작하는 데에 상당한 시간이 소요됩니다. 이는 제품 생산의 리드 타임(더 알아보기)을 증가시키기 때문에 프로토타입(시제품) 생산이나 소량 제작에 있어서는 3D 프린팅이나 QDM(더 알아보기)에 비해 불리합니다. 
  • 환경에 대한 경각심이 높아지면서 플라스틱 제품을 대량 생산하는 사출성형에 대해서도 비판적인 목소리가 나오고 있습니다. 전력 사용량도 상당히 많습니다.
  • 주문량이 금형 제작 비용을 상쇄하고 남을 만큼 충분하지 않다면 비용 부담이 큽니다. 초창기 스타트업이나 중소량의 제품을 생산하는 업체에 다소 부담되는 선택지일 수 있습니다.

 

압출 공정: 플라스틱은 물론 금속도 커버 

압출 공정은 고온의 재료를 금형에 주입해 형태를 만든다는 점에서 사출 성형 방식과 비슷하지만, 형태가 일정하고 길이가 제품을 만드는 효율적입니다

압출기를 통과한 재료는 압출기 끝 부분에 장착된 다이(Die)를 통과하면서 복잡한 교차-단면, 외부 모양 및 내부 빈 공간이 있는 막대 모형의 성형물을 만듭니다(하단의 사진 참고). 금형의 모양이 사출성형 제품의 형태를 결정하듯이, 압출 공정에서는 다이의 모양에 따라 제품의 형태가 결정됩니다. 

종종 30미터에서 300미터 길이에 이르는 복잡한 모양의 긴 막대는 일반적으로 띠톱으로 자르거나 모양을 변형하는 등 후공정을 통해 형태를 수정하거나 다른 생산 공정에 배치할 수 있습니다.

 

압출(Extrusion)을 통해 생산한 막대. [출처: 셔터스톡]

장점

  • 압출 공정의 재료로는 플라스틱은 물론, 금속도 두루 사용됩니다. 금속 재료의 경우 알루미늄이 가장 일반적(약 80% 차지)이며 플라스틱 재료로는 폴리프로필렌이 가장 일반적으로 사용됩니다. 
  • 열간 압출냉간 압출, 마찰 압출 등 다양한 유형의 압출 방식을 통해 고유한 특성의 제품을 생산해낼 수있습니다. 
  • 금속 압출의 경우 CNC 가공과 같은 다른 금속 공정보다 훨씬 저렴합니다.

단점

  • 정교하게 제작된 금형을 통해 형태가 결정되는 플라스틱 사출 성형만큼 정교한 제품을 생산하기는 어렵습니다. 
  • 사출 성형과 마찬가지로 플라스틱과 금속 제품을 생산하는 과정이 환경 측면에서 높은 비용이 발생합니다. 
  • 다른 제조 방법, 특히 사출 성형과 비교할 때 재료의 선택지가 훨씬 적습니다.

사출 성형과 압출 공정의 장단점을 정리하면 아래와 같습니다. 각각의 장단점을 숙지한 뒤 자신에게 맞는 제조 공정을 선택하는 것이 유리합니다. 

 

 사출 성형압출
장점– 비교적 정밀도가 높고 품질이 좋은 편.
– 재료나 색상, 광택 및 질감 등의 측면에서 다양한 선택지 제공.
– 빠른 생산.
– 잠재력이 높은 기술.
– 재료 접근성이 높음.
– 다양한 압출 방법을 사용할 수 있음.
– 비용이 훨씬 저렴함.
단점– 주로 플라스틱을 원료로 생산. 금속 생산에는 한계. 
– 금형 제작 시간을 포함하면 제작 기간이 다소 긴 편.
– 환경 비용이 높음.
– 초기 비용이 높음.
– 정교함 부족. 
– 환경 비용이 높음.
– 재료 범위가 제한됨.

 

비싼 금형 비용 VS 높은 단가  

사출 성형과 압출, 두 공정은 더 낮은 비용으로 부품을 대량 생산할 수 있다는 점에서 유사합니다. 단, 두 공정의 비용 동인이 다르다는 점을 유의해야 합니다.

사출 성형은 금형 초기 제작 비용이 높지만, 제품 양산 과정에서 초기 비용을 빠르게 회수할 수 있습니다.

이에 비해 압출 공정의 금형 비용은 사출 성형보다 80%에서 90% 저렴하여 초기에는 비용이 덜 들지만, 개당 생산 비용이 사출 성형보다 약간 더 높은 편입니다. 

비용은 중요한 요소입니다. [출처: 셔터스톡]

 

각각에 적합한 산업군은? 

사출 성형과 압출은 각기 다른 특성에 맞게, 주로 사용되는 산업 영역도 조금씩 다릅니다. 

플라스틱 사출 성형은 우리 일상생활에서 가장 쉽게 찾아볼 수 있는 가공 방식입니다. 항공우주, 의료 기기, 소비재, 에너지, 전자, 자동차, 로봇 및 장난감 산업 등 광범위한 영역에 적합합니다.

이에 비해 압출은 역시 항공우주 및 자동차 산업에서 사용되지만 특정 분야에 국한돼 사용됩니다. 이 외에도 사다리, 비계, 컨베이어, 공정 제어, 농업, 건축, 골조 및 광업에 두루 사용됩니다. 플라스틱 압출의 경우 ‘파이프, 판재, 필름 및 와이어 커버링’과 같은 제품을 만드는 데 유용합니다. 

 

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