플라스틱 제품을 제조하는 사출 성형은 뿌리산업에 속합니다. 국가뿌리산업진흥센터 법률 제2조 1항에 따르면 뿌리산업은 “주조(鑄造), 금형(金型), 소성가공(塑性加工), 용접, 표면처리, 열처리 등 공정기술을 활용해 사업을 영위하는 업종으로서 대통령령으로 정하는 업종”입니다. 국가 운영의 근간이 되는 산업을 총칭하기도 합니다.
플라스틱 제조의 핵심은 사출성형
오늘날 사출 성형 산업은 가스 보조 성형 사출, 구조적 발포 성형 및 이중사출과 같은 특수 형태 사출 성형의 응용과 새로운 고급 소프트웨어의 활용을 통해 보다 가볍고 복잡한 제품 형상을 구현해 내고 있습니다. 플라스틱 사출업체들도 각 분야별로 전문성을 보유한 업체들이 많아지고 있습니다.
가스 보조 성형 사출과 구조적 발포 성형 등 특수 형태의 사출 성형 기술의 역사는 짧지 않지만 최근 들어 응용 범위를 확장해가며 다시금 조명 받고 있습니다. 오늘은 플라스틱 제조에 사용되는 다양한 사출성형 기술에 대해 알아보겠습니다.
가스 성형 사출? 구조적 발포 성형? 사출 성형 어디까지…
사출 성형 기술 4가지에 대해 알아보고, 이 기술들이 사출 성형 제조 업계에 미치는 영향을 정리해 보겠습니다.
① 가스 보조(Gas-assisted) 사출성형
복잡한 금형 모형 내부를 채우는 것은 어렵습니다. 제작자가 아무리 실력이 좋고 경험이 풍부해도 ‘복잡한 금형’에서 결함을 피하기는 쉽지 않습니다. 이런 가운데 한 가지 새로운 대안이 있는데요. 바로 가스를 사용하는 사출 성형 공정입니다.
가스 보조 사출 성형은 복잡한 금형 내부에 주입된 용융된 수지 재료를 가압(가스의 압력)을 이용해 고르게 퍼지게 합니다. 금형에 플라스틱 수지를 주입하고, 수지가 굳기 전에 별도로 설계된 노즐을 통해 가스(일반적으로 질소 또는 이산화탄소)를 투입합니다. 가스 압력(Gas pressure)이 금형 내부 수지를 벽면으로 밀어내고 공동(Cavity)을 형성합니다.
가스를 주입하는 단계를 고려해야 해서 가스 사출 성형의 경우 금형 내부 공간의 약 70%만을 수지로 채웁니다. 이런 점이 일반 사출 성형과의 차이입니다.
가스 보조 사출 성형은 다음과 같은 이점이 있습니다.
• 재료 및 비용 절약: 부품을 생산하는 데 필요한 재료의 양이 줄어들어 재료 낭비를 줄이고 비용도 절약할 수 있습니다.
• 표면 조도 향상: 일정하고 균일한 가스 압력은 부품이 불균질하게 수축되는 것을 방지합니다. 표면의 플로우 라인(flow line)이나 싱크 마크(sink mark) 등도 감소시킵니다. 가스가 수지를 압축하기 때문에 뒤틀림 및 싱크 마크를 줄입니다.
• 강도 및 강성 향상: 압력이 가해진 가스의 주입으로 인해 액화 수지가 조밀하게 응고되고 부품 벽이 더 단단해집니다.
• 세부적인 질감 구현: 가스 압력은 액화 상태의 수지를 벽면으로 밀어내 금형의 표면을 정확하게 복제하게 만듭니다. 블로우 사출을 통해 굴곡진 페트병의 표면을 쉽게 구현해 내는 것을 생각해 보면 됩니다.
이처럼 가스 보조 사출 성형은 세부적인 질감과 뛰어난 외관을 만드는 데 최적화돼 있습니다. 가볍고 복잡한 부품에 대한 수요가 증가하고 있어 해당 기술 활용 범위는 더욱 늘어날 전망입니다.
② 구조적 발포 성형(Structural foam molding)
산업계 전반에 ‘경량화’ 바람이 불면서 많은 금속 부품들이 플라스틱으로 대체되고 있습니다. 가볍다는 이점 외에도 플라스틱 부품은 제조 비용이 저렴하고 부식에서 자유롭습니다. 또한 금속 부품과 유사한 열역학적, 기계적 특성을 갖고 있습니다. 구조적 발포 성형은 이러한 플라스틱 부품 생산을 용이하게 하는 기술입니다.
구조적 발포 사출 성형 공정은 수지 폴리머가 녹을 때 생성되는 불활성 가스(일반적으로 질소)를 표준 사출 성형 도구(또는 다이)에 주입하는 기술입니다. 이 과정에서 발포제(비활성 기체)가 활성화돼 플라스틱 수지를 금형 내부(캐비티 포켓)에 균일하게 밀어 넣습니다. 부품이 냉각되면 금형에 면하는 표면에 단단한 피부(skin)가 형성됩니다. 몰드 내부에서 일어난 발포 작용은 성형 직후의 수축을 감소시킵니다.
가스 사출 성형과 마찬가지로 스펀지와 유사한 저밀도 ‘발포 코어’는 부품의 전체 무게를 가볍게 만들어줍니다. 고밀도 ‘발포 스킨’은 부품의 강성과 강도를 유지하는 데 도움을 줍니다. 따라서 구조적 발포 성형은 일반적인 사출 성형이 만들어낼 수 없는 부품 형상을 제작해낼 수 있습니다.
구조적 발포 성형의 또 다른 장점은 비용적 측면입니다. 구조적 발포 성형에 사용되는 복합 재료인 발포 플라스틱(Foamed Plastics)은 합성수지에 가스를 조밀하게 분산시킨 다공질(혹은 폼, foam) 형태의 성형물입니다. 밀도가 낮기 때문에 저압성형이 가능합니다. 또한 강성도 대비 무게 비율이 좋기 때문에 목재나 금속 등 다양한 재료를 활용해 제조를 진행할 수 있습니다.
③ 이중 사출(Overmolding, Double Injection)
이중사출은 두 가지의 재료로 하나의 제품을 만드는 제조 방식입니다. 칫솔을 보면 쉽게 이해가 될 겁니다. 칫솔 손잡이는 보통 말랑한 고무와 딱딱한 플라스틱이 결합돼 있습니다. 서로 다른 색깔과 질감을 가진 고무와 플라스틱이 단단하게 붙어있는 형태입니다.
이중 사출은 다음 세 단계를 거칩니다.
• 금속이나 플라스틱 수지 등의 재료로 베이스 부품을 만듭니다.
• 이중사출 툴링과 베이스 부품을 이중사출 기기에 체결합니다.
• 열가소성 탄력고무(엘라스토머) 또는 액체 실리콘 고무(LSR, Liquid silicone rubber)와 같은 재료를 주입해 이중사출 부분을 형성합니다.
이중사출은 여러 재료를 단일 부품 안에서 매끄럽게 결합하는 독특한 사출 성형 공정입니다. 일반적으로 단일 샷(삽입 성형) 또는 이중 샷(다중 샷 성형)을 활용해 얇고 유연한 고무 같은 열가소성 엘라스토머(TPE) 외부 층 또는 기타 재료로 덮인 단단한 플라스틱 제품을 만듭니다.
일부 재료는 이중사출 과정에서 화학적으로 자동 결합하지만, 일부 재료가 분리되지 않고 결합 상태를 유지하도록 만들기 위해서는 기계적인 장치를 필요로 하기도 합니다.
장점은 무엇일까요. 이중사출은 가스 사출 성형이나 구조적 발포 성형과 같은 이유에서 생산 비용을 절감할 수 있습니다. 금속 부품을 플라스틱으로 대체할 수 있기 때문입니다. 이렇게 생산된 결과물은 유사한 금속 구조물에 비해 충격 및 진동 측면에서 강합니다. 내구성이 좋고 수명도 깁니다. 이중사출은 알록달록한 색상의 칫솔이나 전동 공구의 손잡이 등 다종다양한 생필품 생산에 활용될 수 있습니다.
④ 사출 성형용 소프트웨어
소프트웨어의 발전은 사출 성형 공정의 거의 모든 영역과 상호작용하며 시너지 효과를 냅니다.
- 설계자와 제조업체는 금형이 채워지는 방식을 예측하고, 하중이 가해질 때 제품이 어떤 방식으로 변화할지 예측할 수 있습니다. 금형 플로우(금형 내부 주입된 재료의 흐름) 시뮬레이션 및 금형 구조 분석 소프트웨어 덕분입니다.
- 소프트웨어 발전은 엔지니어의 가스 사출 성형, 구조적 발포 성형 및 제품 설계에도 도움이 됩니다.
- 로봇-피커(로봇 암, Robot Arm), 사물 인터넷(IoT) 장치 등 금형에 부품을 부착하거나 사출물을 취출하는 등 노동 집약적인 공정이 자동화되고 있습니다.
부품, 제품 또는 구성 요소의 설계를 최적화해 보다 저렴하고 쉽게 생성하는 제조 방법인 ‘DFM(Design for Manufacturing)’은 플라스틱 사출 제품 개발 및 제작 공정에도 도움이 됩니다. DFM을 새로운 소프트웨어와 함께 사용하면 제조업체는 ‘기계 가동 중지 시간, 리드 타임, 프로토타이핑 비용 및 툴링 비용’을 줄일 수 있습니다. 이 모든 개선 사항들은 사출 공정을 최적화하고 수익을 극대화합니다.
플라스틱 사출 성형 시장 규모는 수십억 달러에 달합니다. 가스 성형 사출, 구조적 발포체 성형 및 이중사출과 같은 특수 형태의 사출 성형과 새로운 고급 소프트웨어는 그 적용 범위를 점차 넓혀가고 있습니다. 앞으로도 사출 성형 업계 변화의 주요한 동인이 될 것으로 보입니다.