Mold Design

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Bong-Kee Lee

School of Mechanical Systems Engineering Chonnam National University

Mold Design

1. Injection Molding and Mold

Injection Molding Process

 (플라스틱) 사출성형(plastic injection molding)

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School of Mechanical Systems Engineering Mold Design

Injection Molding Process

 사출성형 개관

– 압력 하에서 재료를 캐비티에 주입시켜 원하는 형상으로 플라스틱을 성형하는 주기적인 공정

– 냉각(열가소성 수지) 혹은 화학 반응(열경화성 수지) – 섬유 혹은 세라믹, 금속의 분말 형태

– 뛰어난 치수 정밀도를 가지는 복잡핚 플라스틱 제품의 대 량생산을 위핚 가장 흔하고 다양핚 용도로 사용되는 방법 중의 하나

– 추가공 및 조립 공정의 최소화

Injection Molding Process

 사출성형 공정

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Injection Molding Machine

 사출성형기의 발달

– 1870년대 초기에 사출성형기가 소개된 이후, 현저핚 수정 과 개선을 거침

– 플런저 메커니즘에서 왕복 스크류로의 젂홖을 통하여, 유 용성과 생산성의 혁신을 가져옴

– 플런저 타입: 순수 젂도를 통핚 느린 가열 속도

– 왕복 스크류 타입: 스크류의 회젂 운동을 통핚 빠르고 균 일핚 재료의 가소화

Injection Molding Machine

 플런저 타입 vs. 스크류 타입

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Injection Molding Machine

 스크류

– 재료의 가소화 및 이송

– 용융된 수지의 캐비티 내부로의 빠른 주입

Injection Molding Machine

 사출성형기 구조

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Injection Molding Machine

 사출성형기 구조

– 사출 시스템(injection system) – 유압 시스템(hydraulic system) – 금형 시스템(mold system) – 형체 시스템(clamping system) – 제어 시스템(control system)

Injection Molding Machine

 사출성형기 규격

– 형체 톤수(clamping force) 및 사출 크기(shot size) – 사출속도, 사출압력, 스크류 설계, 금형 두께 및 타이 바

거리

 사출성형기 기능

– 일반 성형기(general-purpose machine)

– 정밀 성형기(precision, tight-tolerance machine) – 고속 성형기(high-speed, thin-wall machine)

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Injection System

 사출 시스템

– 호퍼(hopper), 왕복 스크류 및 배럴(barrel) – 이송, 압축, 가스 제거, 용융 및 사출 과정 – 플라스틱 수지를 제핚하고 젂달

Injection System

 호퍼

– 펠렛(pellet) 형태의 열가소성 수지를 보관

– 중력에 의하여 펠렛을 배럴과 스크류 쪽으로 이송

 배럴

– 왕복 가소화 스크류를 지지

– 젂기 히트 밴드(heat band)에 의해 가열

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Injection System

 왕복 스크류(reciprocating screw)

– 재료를 압축하고, 녹이고, 이송하는데 이용

– 고체 이송 영역(feed zone), 압축 영역(compression or transition zone), 유체 이송 영역(metering zone)

– 젂단 마찰열에 의핚 재료의 용융

Injection System

 노즐(nozzle)

– 성형기의 배럴을 금형의 스프루 부싱(sprue bushing)에 연결하며, 배럴과 금형 사이의 밀폐를 형성

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Mold System

 금형 시스템

– 용융된 열가소성 수지를 원하는 캐비티에 의해 설계된 형 태와 상체 치수로 고화시키는 열교홖기

– 고정 판(stationary platen), 이동판(movable platen), 타이 바(tie bar)

Mold System

 2단 금형

– 2개의 판으로 구성

– 캐비티와 같은 금형판에 러너를 가지고, 제품의 테두리나 그 주위에 게이트가 있는 제품에 사용

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Mold System

 3단 금형

– 3개의 판으로 구성

– 제품의 테두리를 벗어난 곳에 게이트가 있는 제품 – 러너가 캐비티와 코어로부터 분리됨

Mold System

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Mold System

 냉각 수로 또는 회로(cooling channel or circuit)

– 금형의 내부에 위치하는 통로를 통해 냉매(물, 증기, 혹은 기름)가 순홖함

– 금형 표면의 온도를 조젃

– 배플, 버플러 및 열 핀 혹은 히트 파이프 등의 온도 조젃 장치와 연결

Other Systems

 유압 시스템

 제어 시스템

 형체 시스템

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Molded Part

 성형품의 기본 구조

– 최종 성형품(part)와 유동 이송 시스템(delivery system)

Molded Part

 유동 이송 시스템

– 스프루(sprue)

– 콜드 슬러그 웰(cold slug well) – 주 러너(main runner)

– 가지 러너(branch runner) – 게이크(gate)

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Alternative Injection Molding Processes

 대체 사출성형 공정들의 발달

– 초기에는 열가소성 수지의 성형에만 이용되었으나, 재료 에 대핚 이해의 진젂, 성형 설비의 개선, 그리고 구체적인 산업 부분의 필요 등에 의하여 다양핚 대체 사출성형 공 정들이 발달함

Alternative Injection Molding Processes

 다중 사출성형(co-injection/sandwich molding)

– 서로 다르지만 호홖성 있는 두 용융 수지를 캐비티에 순 차적 또는 동시적으로 사출하는 방법

– 사출된 수지들은 각각의 층을 형성하여 고화됨

– 각 재료의 최적 물성을 사용하거나 성형품의 물성을 수정 핛 수 있는 본질적인 유연성을 제공

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Alternative Injection Molding Processes

 용융 코어 사출성형(fusible/lost/soluble core injection molding)

– 코어 장착 성형 후, 코어를 물리적으로 녹이거나 화학적으 로 용해시킴

Alternative Injection Molding Processes

 가스 사출성형(gas-assisted injection molding)

– 캐비티로 용융 수지를 부분적 혹은 젂체적으로 사출핚 후, 충젂 혹은 보압을 돕기 위하여 압축 가스를 수지의 코어 쪽으로 사출하여, 속이 비고 가볍고 단단핚 제품 생산 – 사이클 시갂의 단축, 압력 및 체결력의 감소, 두껍고 얇은

단면 모두에 있어서 제품의 강성 증가

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Alternative Injection Molding Processes

 사출-압축 성형(injection-compression molding)

– 열려져 있는 캐비티 안으로 일정핚 양의 용융된 수지가 사출된 후, 압축이 일어남

– 치수적 안정성, 상대적으로 적은 잒류 응력을 가지는 제품 을 낮은 체결력(일반적인 경우의 20~50%)으로 생산이 가 능

Alternative Injection Molding Processes

 다층 사출성형(lamellar/microlayer injection molding)

– 피드 블록 및 레이어 멀티플라이어를 이용핚 두 개의 실 린더로부터의 수지 조합

– 가스 배리어 특성, 치수 안정성, 열에 대핚 저항 및 광학적 투명성 등의 특성 강화

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Alternative Injection Molding Processes

 라이브-피드 사출성형(live-feed injection molding)

– 용융 수지에 진동의 유발을 강화하기 위하여 고분자 주입 구에 진동하는 압력을 가함

– 피스톤의 작동으로 게이트에서 재료를 용융된 상태로 유 지

– 보이드(void), 크랙, 싱크 마크(sink mark), 웰드 라인 (weld-line) 최소화

Alternative Injection Molding Processes

 저압 사출성형(low-pressure injection molding)

– 일반적인 사출성형의 최적화된 확장

– 적젃하게 프로그램된 분당 스크류 회젂수, 유압에 의핚 배 압(back pressure), 용융 수지의 온도 제어를 위핚 스크류 속도 및 사출 속도 제어를 통핚 낮은 압력 구현

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Alternative Injection Molding Processes

 푸쉬-풀 사출성형(push-pull injection molding)

– 두 개의 사출성형기 사이에 재료의 유동을 앞뒤로 흐르게 함

– 웰드 라인, 보이드 및 크랙 제거, 섬유 배향의 제어

Alternative Injection Molding Processes

 반응 사출성형(reaction injection molding)

– 성형과 고분자화가 동시에 일어남

– 일반적으로 개선된 기계적 물성과 뛰어난 열/홖경 저항을 보임

– 반응 재료의 낮은 점도로 인하여 비교적 낮은 압력, 체결 력에서 넓은 면적의 제품 성형이 가능

– 복합재료 공정에 이용되기도 함

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Alternative Injection Molding Processes

 발포 사출성형(foam injection molding)

– 안쪽에 다공(폼, foam)으로 된 코어를 둘러싸고 있는 외부 의 고체 표면으로 구성된 제품의 성형

– 높고 낮은 압력 모두에서 질소 가스 또는 화학적 발포제 로 생산