폴리우레탄 캐스팅 마스터하기: 우수한 프로토타입을 위한 설계 인사이트

3ERP의 폴리우레탄 캐스팅 서비스를 사용하면 사출 성형보다 훨씬 낮은 비용으로 소량의 플라스틱 부품을 제작할 수 있습니다. 이 고품질 프로토타입은 훌륭한 표면 마감을 제공하며, 대량 생산용 사출 부품으로 이어지는 경로가 될 수 있습니다.

하지만 많은 제품 설계자가 폴리우레탄 캐스팅에 익숙하지 않습니다. 이 공정은 마스터 패턴 제작과 플라스틱 캐스팅 자체 모두에 고유한 설계 고려사항이 필요하기 때문입니다. 폴리우레탄 캐스트 부품 설계는 사출 성형 부품 설계와 다르므로, 설계자는 CAD 설계를 시작하기 전에 공정을 숙지해야 합니다.

이 글에서는 폴리우레탄 캐스팅 설계 방법에 대한 정보를 제공합니다. 피처 설계 조언, 일반적인 폴리우레탄 캐스팅 공차, 폴리우레탄 캐스팅 설계와 사출 성형 설계의 차이점을 다룹니다.

폴리우레탄 캐스팅이란?

진공 캐스팅이라고도 하는 폴리우레탄 캐스팅은 최대 25개까지 배치 생산에 적합한 프로토타이핑 및 소량 생산 기술입니다. 우레탄 캐스팅은 이 공정의 또 다른 용어입니다.

폴리우레탄 캐스팅 공정은 세 가지 주요 단계로 구성됩니다: 마스터 제작, 실리콘 몰드 제작, 캐스팅 제작.

1. 마스터: CNC 가공이나 SLA 3D 프린팅 같은 공정을 사용해 설계자가 부품의 양성 마스터 패턴을 만듭니다. 또는 40°C(실리콘 경화 단계)의 온도를 견딜 수 있는 사실상 모든 고체 재료로 만든 기존 부품을 패턴으로 사용할 수 있습니다.
2. 몰드: 주조 상자를 액체 실리콘으로 절반 채우고 패턴을 중앙에 둡니다. 실리콘을 오븐에서 저온으로 16시간 경화시켜 고체화하면 몰드의 첫 번째 절반이 됩니다. 그런 다음 주조 상자의 나머지 절반을 액체 실리콘으로 채우고 경화시켜 두 번째 절반을 만듭니다. 몰드 절반을 분리하고 패턴을 향후 사용을 위해 보관합니다.
3. 캐스팅: 유연한 실리콘 몰드에 폴리우레탄 캐스팅 수지를 채우면 몰드 내에서 고체화되어 원래 마스터와 동일한 단단한 형태를 갖춥니다. 실리콘 몰드는 교체가 필요하기 전까지 약 25회 사용할 수 있습니다.

폴리우레탄 캐스팅은 실리콘 몰드 제작 비용이 금형 도구에 비해 매우 저렴하기 때문에 가치 있는 제조 기술입니다. 약 25회 캐스팅까지만 지속되지만, 이는 보통 소형 플라스틱 부품 프로토타이핑에 충분합니다.

폴리우레탄 수지 캐스팅은 강한 기능성 부품을 만들지는 못하지만, 우수한 표면 마감, 다양한 색상 및 투명도 구현, 소량 생산 시 높은 경제성이라는 독보적인 강점이 있습니다.

마스터 패턴 제작

폴리우레탄 캐스팅 설계 시 제품 설계자가 가장 먼저 고려해야 할 것은 마스터 패턴입니다. 주조 패턴 제작에 흔히 쓰이는 기술로는 3D 프린팅(SLA, PolyJet 등)과 CNC 가공이 있습니다. 수작업 조각 같은 전통적인 패턴 제작 기법도 사용할 수 있지만 비용이 더 많이 듭니다.

3D 프린팅이나 CNC 가공 같은 디지털 제조 공정을 사용할 때, 설계자는 패턴 제작 공정 그리고 캐스팅이라는 두 가지 개별 공정의 설계 제약을 동시에 고려해야 합니다. 다만 이 글은 효과적인 3D 프린팅이나 CNC 가공보다는 효과적인 캐스팅으로 이어지는 설계 팁에 주로 초점을 맞춥니다.

폴리우레탄 마스터 패턴에 3D 프린팅을 사용할 때의 장점:

• 더 높은 기하학적 자유도
• CNC 가공보다 빠른 제작 속도

마스터 패턴에 CNC 가공을 사용할 때의 장점:

• 3D 프린팅보다 엄격한 공차
• 표면 후가공이 덜 필요함
• 3D 프린팅 패턴보다 긴 수명

공차 및 치수

폴리우레탄 캐스트 부품을 설계할 때 표준 공차와 최소/최대 치수를 인지해야 하는데, 이는 사출 성형과는 다릅니다.

하지만 폴리우레탄 캐스팅을 향후 사출 성형 부품을 위한 프로토타이핑 기술로 사용하는 경우, 드래프트 앵글 등을 적용해 사출 성형도 가능한 설계를 만드는 것이 합리적일 수 있습니다.

• 공차: 3ERP는 100mm 미만 치수에서 ±0.3mm의 하한으로 ±0.3% 정확도로 폴리우레탄 부품을 제작할 수 있습니다.
• 수축: 두꺼운 부품은 성형 공정 중 온도 변화로 인한 수축에 더 취약합니다. 설계자는 약 +0.15%의 수축률을 계획해야 합니다.
• 부품 크기: 폴리우레탄 캐스트 부품은 최대 1900 x 900 x 750mm 치수와 최대 10리터 부피까지 가능합니다.

벽 두께

폴리우레탄 캐스팅 최소 벽 두께는 0.75mm로 적절한 몰드 충진에 충분하지만, 1.5mm 이상이 최상의 결과를 냅니다. 0.75mm보다 얇은 벽이 필요한 경우 문의하여 설계를 논의하세요.

사출 성형과 마찬가지로 일관된 벽 두께가 더 나은 결과를 가져옵니다. 온도 유도 변형 가능성을 줄여주기 때문입니다. 하지만 벽 두께 변화가 사출 성형만큼 치명적이지는 않습니다.

드래프트

폴리우레탄 캐스팅의 장점 중 하나는 실리콘 몰드의 유연성입니다. 몰드가 유연하기 때문에 사출 성형처럼 이젝터 핀 없이도 완성된 폴리우레탄 부품을 몰드에서 쉽게 분리할 수 있습니다. 따라서 드래프트(쉬운 이젝션을 위한 테이퍼진 측면)는 사출 성형과 달리 필수적이지 않습니다.

하지만 최대 5°의 작은 드래프트 앵글은 실리콘 몰드 수명을 약간 연장할 수 있으므로, 완벽하게 직선적인 측면이 필요하지 않은 중량 생산 런에서는 드래프트가 유리할 수 있습니다. 이는 또한 폴리우레탄 캐스팅 설계를 사출 성형(생산 확대)에 더 적합하게 만듭니다.

라운드(필렛)

폴리우레탄 부품 설계 시 날카로운 내부 모서리는 피하여 부품의 강도와 안정성을 극대화해야 합니다. 반경 3mm의 필렛을 내부 모서리에 추가할 것을 권장합니다.

CNC 가공으로 마스터 패턴을 제작하는 것이 폴리우레탄 캐스트 부품에 필렛을 추가하는 데 이상적입니다. CNC 절삭 공구가 원통형이라 포켓 가공 시 자연스럽게 둥근 내부 모서리를 만들기 때문입니다.

리브

벽 두께를 늘리지 않고 폴리우레탄 캐스팅 부품에 강성을 더하려면 리브를 적용하면 됩니다. 리브는 관성 모멘트를 증가시킵니다. 일반적으로 하나의 긴 리브보다 여러 개의 짧은 리브를 사용하는 것이 좋으며, 부품이 휘어질 수 있는 부분에 맞춰 리브를 적절히 방향을 정하는 것이 중요합니다.

리브는 큰 코너 반경을 가져야 하며, 수축과 싱크 마크를 피하기 위해 벽 두께의 60% 미만 두께여야 합니다. 각 리브의 높이는 파손을 방지하기 위해 두께의 3배 미만이어야 합니다.

보스

캐스트 폴리우레탄 부품에는 패스너나 나사 인서트를 수용하는 작은 돌출부인 보스를 만들 수 있습니다. 이 보스는 거셋이나 연결 리브로 지지할 수 있습니다.

싱크 마크를 방지하기 위해 보스의 벽 두께는 부품 벽 두께의 60% 미만이어야 합니다(리브와 동일). 보스의 밑면 반경은 부품 벽 두께의 최소 25% 이상이어야 합니다.

나사 및 홀

폴리우레탄 캐스팅은 관통 홀과 나사를 수용할 수 있으며, 이는 마스터 패턴에 추가하기보다 인서트를 사용하는 것이 가장 좋습니다. 다만 이러한 복잡한 피처는 프로젝트 비용을 증가시킬 수 있으며 프로토타입에는 불필요할 수 있습니다.

관통 홀의 경우 다월 로드를 실리콘 몰드에 배치할 수 있습니다. 나사의 경우 금속 나사 인서트를 인서트 몰딩 방식으로 적용하는 것이 최선입니다.

조인트

폴리우레탄 캐스팅은 탱그루브 조인트가 있는 다중 구성품 부품을 제작하는 데 사용할 수 있습니다. 구성품 사이의 조인트에 작은 리빌 갭을 포함해야 합니다.

표면 피처

텍스트와 로고 같은 표면 피처를 폴리우레탄 캐스트 부품에 적용할 수 있습니다. 일반적으로 이러한 피처, 특히 음각(인그레이빙) 형태는 3D 프린팅 마스터 패턴보다 CNC 가공 마스터 패턴으로 추가하는 것이 훨씬 쉽습니다.

최상의 결과를 위해 문자 및 숫자는 최소 1.3mm 이상 간격을 두어야 합니다.