사출성형기술과 장치의 최신동향

3-3. 가식성형
일반적으로 도장, 인쇄, 메탈라이징 등의 표면 처리는 2차 가공에 의해 이뤄지지만 최근에는 생산성의 향상과 의장성(意匠性), 표면 기능 향상 등의 시장 요구에 대응하기 위해 이를 1성형 공정으로 처리하는 이른바 가식성형기술이 발전하고 있다. 이 성형법은 건식 표면 처리이기 때문에 환경 안전성을 확보할 수 있고, 외관이 다른 제품을 온 디맨드로 가공이 가능하다는 장점이 있어 특히 많은 주목을 받고 있다.
IPF2014에서 성형 시연을 정리해 <표2>에 나타냈다. 특히 도시바기계는 PP로 본체와 뚜껑을 세트로 만든 후, 뚜껑 표면을 플라즈마로 처리하고, 잉크제트 프린터를 이용해 온 데만드 가식을 수행했다. 이어 UV 경화 아크릴 도료로 탑 코트(Top Coat)과정을 거치면서 가식성형을 완료했다.

<표2>가식 성형 실연의 개요

메이커 및 기종	방 법	사용 수지
니혼제작소(日本製鋼所) J450ADS-1400H	MuCell 성형품 표면에 가식 필름을 IMD 성형한다.	ABS
닛세이수지공정(日精樹脂工業) NEX220Ⅲ-50ETN	PP(표피)와 EVOH(코어) 3층 컵에 라벨을 IML 성형한다.	PP EVOH
도시바기계(東芝機械) EC180SX-4A	성형품 표면을 플라즈마 처리한 후 잉크젯 프린터에 의한 온 데만드 가식을 하고 UV 경화 아크릴 도료를 탑 코팅한다.	PP
소딕(ソディック) GL150/SDF400	열가공 가능한 하드코트필름을 압공 성형한 후 사출 성형으로 인서트하여 하드코트 제품을 생산한다.	PC PC필름
니혼제강소(日本製鋼所) J55AD-60H	성형품 표면에 알루미늄 또는 동을 스펙터링하고 UV 하드코트 처리한다.	PC

(출처 : 각 사 자료)

3-4. 고강도·고충격 부재의 복합 강화 성형
자동차나 휴대 단말기에서 금속 재료를 대신하는 경량·고강도 부재에 대응하기 위한 성형 기술 개발도 중요한 이슈이다.
이와 관련해 IPF2014에 전시된 주요 성형법은 <표3>과 같다. 여기서는 절단된 섬유를 사용하는 경우를 ‘불연속 섬유’, 섬유를 집속한 연속 섬유(로빙)를 사용하는 경우를 ‘연속 섬유’라고 표현한다.
불연속 장섬유 재료를 사용하는 사출 성형은 재자동차나 휴대 단말기에서 금속 재료를 대신하는 경량·고강도 부재에 대응하기 위한 성형 기술 개발도 중요한 이슈이다.
이와 관련해 IPF2014에 전시된 주요 성형법은 <표3>과 같다. 여기서는 절단된 섬유를 사용하는 경우를 ‘불연속 섬유’, 섬유를 집속한 연속 섬유(로빙)를 사용하는 경우를 ‘연속 섬유’라고 표현한다.
불연속 장섬유 재료를 사용하는 사출 성형은 재료(펠릿) 단계에서 섬유 길이가 길다 하더라도 가소화 시에 전단력에 의해 섬유가 파쇄되면서 강도와 탄성률, 충격 강도가 저하된다. 따라서 고강도, 고충격 부재 성형에서는 성형 시의 섬유 파쇄를 방지하는 것이 중요하다.

<표3>섬유 강화품의 성형 실연 개요

분류	메이커 및 기종	성형 시연의 개요
불연속 장섬유 강화사출성형	도시바기계(東芝機械) LFormer 550-26BP	단축 스크류 프리플라 사출성형기 가열통의 수지 용융부에 연속 탄소 섬유를 공급하여 장섬유 강화 제품을 성형한다. 단차 엔진 커버 장섬유 펠릿에 대해 50%의 재료 코스트 저감
	소딕(ソディック) GL60(32)	스크류 프리플라 사출성형기로 가소화에 소경스크류를 사용해 장섬유 펠릿의 파쇄가 작다. 성형품 : 단면렌즈(2개) 장섬유 PA66GF 60％
	니혼유키(日本油機) DFFIM	인라인 사출성형기의 가열통 벤트 구멍에 카본 연속 탄소 섬유를 공급해 장섬유 강화품 성형한다. 수지 : CF강화PC
(연속섬유 강화 시트) + (불연속 장섬유 사출 성형)	도시바기계(東芝機械)	연속 탄소 섬유 강화 시트를 가열·연화해 프레스를 부형한 후, 불연속 탄소 강화 펠릿으로 사출 성형. 세로 형체 방식
	니혼제강소(日本製鋼所) JT70RAD-iHCS	연속 탄소 섬유 강화 시트를 가열·연화하고 프레스 부형한 후 불연속 탄소 강화 펠릿으로 사출 성형. 세로 형체 방식
	토요기계금속(東洋機械金'?) ET-80HR	장섬유 전용 스크류(V&D 스크류)를 탑재한 사출 유닛으로 연속 탄소 섬유 강화 시트를 복합 성형한다. 연속 탄소 섬유 강화 PP 시트+불연속 장섬유PP 펠릿 세로 형체 로터리 방식

전시장에서 주식회사 소딕(Sodick)은 섬유 파쇄를 방지한 소경 스크류를 적용해 스크류 프리플라 성형기(Screw Preplasticating Injection Molding Machine)를 시연했다. 재료는 PA66(유리 장섬유 강화 60wt%)를 사용했으며 육각렌치를 성형하는 시연이었다. 도시바기계에서는 실린더 도중 로빙을 용융수지에 공급해 직접 사출 성형하는 시스템을 선보였다. 이 방법 역시 단축 스크류 프리플라식 사출성형기를 사용했으며, 가소화 실린더 도중 용융수지 안에 로빙을 사이드 피드함으로써 장섬유 강화품을 성형하는 방식이다. 주식회사니혼유키(日本油機)는 교토공예섬유대학과 공동 개발한 성형기로 대응했다. 이 역시 같은 방법으로 인라인 사출성형기의 벤트 구멍에서 탄소 섬유 로빙을 공급하는 방식이다.
하지만 이러한 불연속 섬유를 분산시킨 성형법으로는 강도·강성, 충격 강도 등이 금속 부품에 미치지 못하기 때문에 연속 섬유로 강화한 열가소성 수지 시트(오가닉시트, 프리프레그(Prepreg), 세미프레그 등)를 인서트함으로써 복합 강화품을 성형하는 방법도 주목을 받고 있다.
독일에서 개최한 K쇼에 비해 이러한 성형을 선보인 부스의 수는 적었지만서는 IPF2014에서도 니혼제강소, 도시바기계, 토요기계금속 등이 이 방식의 성형을 소개했다.
성형공정의 기본적인 흐름은 아래에 나타낸 것처럼 연속섬유강화 열가소성 수지 시트를 원적외선으로 가열·연화시킨 후, 사출성형과정으로 이동해 형체를 만들고, 불연속섬유 강화 재료를 사출해 복합화하는 공정이다. 제품의 강화는 연속 섬유에서 리브, 보스 등을 통해 보강하고, 접합부는 사출성형부가 담당하는 하이브리드 공법이다.
K쇼에서는 가로 사출·가로 형체 방식의 성형 시스템도 전시되었지만 IPF2014에서는 시트의 인서트성을 고려해 가로 사출·세로 형체 방식의 제품들이 주로 소개됐다.

3-5. 광학부품의 성형기술
자동차의 HUD(Head Up Display)용 투명반사 미러나 LED램프용 두꺼운 렌즈 등과 관련한 시장 니즈를 반영해 시연을 펼친 부스도 IPF2014에서 어렵지 않게 찾아볼 수 있었다.
닛세이수지공업(日精樹脂工業)은 유압 형체를 활용한 저압 성형용 어플리케이션 소프트웨어(N-SAPLI)를 탑재한 하이브리드 성형기를 선보였다. 이 제품을 통해 닛세이수지공업은 HUD용 투명 미러 모델의 성형을 시연했다.
도시바기계에서는 두께 30㎜인 광학렌즈 성형품을 전시했다. 메타크릴 수지를 사용한 트리플 성형법을 통해 두꺼운 렌즈를 성형하는 시연이었다.
그 외에 난부화성(南部化成), 닛토광학(日東光學) 등도 관련 제품을 선보이며 기술력을 증명했다.

<표4>가스 대책 성형 기술

메이커 및 기종	방 법	재료 및 성형품
소딕(ソディック) GL100-VENT	스크류 프리플라의 벤트 성형기로 건조 없이 성형	재료 성형품
토요기기금속(東洋機械金'?) Si-180-6H450D	SAG스크류와 특수 호퍼의 조합으로 건조 없이 성형	PC/ABS 어시스트 그립
닛세이수지공업(日精樹脂工業) NEX110Ⅲ-12EG	스마트 피더와 가스 대책 전용 스크류에 의한 성형	PPS IC 트레이
스미토모중전기공업(住友重機械工業) SE50EV	SL스크류에 의한 성형	PPS (GF50%)
니혼유키(日本油機)	종래 기종에 벤트 실린더(스크류, 히터 식), 원료 공급 장치를 교환 세트하는 것으로 미건조 성형 실현	-

3-6. 가스 대책 성형 기술
도광판, 미세 커넥터, 의료 기구 등의 성형에서는 금형의 고정밀화와 사출 속도의 고속화가 진행되고 있어 성형 시 발생하는 가스에 대한 대책이 시급해졌다. 이를 위한 방법으로는 ▲용융 수지로부터 발생하는 가스 분을 가급적 줄이기 ▲발생 가스를 호퍼 쪽이나 용융 존으로부터 탈기 ▲금형 캐비티 내 가스 및 에어를 형외로 신속히 배출 등을 손꼽을 수 있다.
이 가스 대책들이 불충분하게 되면 성형 상에서는 벤트 구멍이 막히거나 형 표면의 오염이 발생하며, 금형 부식 등의 불량이 일어나기도 한다. 생산된 성형품에는 미충진, 표면 흐림, 치수 불량, 변색, 줄기 탐, 단열 압축 탐 등의 현상이 발생하게 된다.
IPF2014에서는 <표4>와 같은 가스 대책이 소개됐다. 기본적으로는 실린더에 벤트 구멍을 설치해 수분, 가스를 탈기하는 방법과 스크류의 전단열 발생을 억제하는 방법, 진공 호퍼를 사용하는 방법, 그리고 이들을 조합한 방법 등이 있다.

*필자소개
本間精一 혼마 세이이치
혼마기술사사무소 소장

<참고문헌>
(1) 早崎寬朗：プラスチックスエ-ジ、55(2)、p.63（2009）
(2) 井上玲：プラスチックスエ-ジ、58(2)、p.92（2012）

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 사출성형기술과 장치의 최신동향