사출 성형 툴 표면 처리 선택 가이드

사출 성형 공정은 상당히 복잡합니다. 여러 부품이 협력하여 플라스틱 제품을 생산하지만, 그중에서도 금형은 용융 플라스틱을 주입하여 원하는 고정 형상을 만드는 곳으로 가장 눈에 띕니다. 금형은 사출 성형에서 가장 중요한 기능 부품 중 하나이자 가장 비싼 부품이기도 합니다. 금형 손상은 상당한 재정적 부담을 의미하지만, 적절한 금형 처리로 이를 예방할 수 있습니다. 여기서는 사출 성형 툴 표면 처리 방법을 개괄합니다.

사출 금형 처리가 중요한 이유

가장 쉬운 답은 '비용 절감'입니다. 금형 비용을 고려하면 당연합니다. 단일 금형 비용이 수억 원에 달할 수 있으며, 이는 구매 비용만 해당합니다. 이 비용은 피할 수 있고 피해야 하며, 사출 성형 툴 표면 처리가 그 한 방법입니다.

금형은 일반적으로 경화강으로 만들어져 약하지 않습니다. 그러나 고온 고압에서 용융 수지를 주입하는 공정은 결국 사출 금형에 악영향을 미칩니다. 오늘날 사용되는 많은 열가소성 재료는 마모성이 있어 수많은 사출 사이클 후 금형 표면에 마모와 마찰을 일으킵니다. 또한 지속적인 사용으로 인한 부식과 피로의 위험도 있습니다.

최종 결과는 보통 성형 툴 손상이지만, 부식, 마찰, 마모, 연마의 영향을 받은 금형이 생산하는 작업 품질은 일반적으로 요구 수준보다 낮습니다. 적절한 금형 처리 없이 금형 흐름도 저하될 수 있습니다. 이 모든 것이 고객 이탈을 초래할 수 있으며, 금형을 교체한 후에도 고객을 되찾기는 보통 어렵습니다. 이는 사출 성형업자가 금형 처리와 다양한 금형 마감 도구에 대해 교육받아야 하는 이유를 더욱 강조합니다.

플라스틱 사출 금형 툴 표면 처리 유형

강철은 단단합니다. 하지만 고온 고압의 용융 수지에 장시간 노출되어 마모와 손상으로부터 사출 금형을 보호하기에 충분히 단단할까요? 그렇지 않습니다. 다양한 표면 처리가 필요한 추가 보호를 제공합니다. 몇 가지를 간단히 살펴보겠습니다.

도금(Plating)

도금은 금형 마모, 손상, 연마에 대한 가장 일반적인 해결책 중 하나입니다. 도금에는 전해 도금과 무전해 도금 두 가지 주요 형태가 있으며, 차이는 전류 유무에 있습니다. 전해 도금은 전류가 필요하지만 무전해 도금은 필요하지 않습니다.

크롬 도금과 무전해 니켈 도금이 금형에 가장 일반적인 두 가지 도금 형태입니다. 크롬 도금은 금형에 얇은 크롬 층을 전기 도금하는 방식입니다. 크롬 도금의 결과물은 크롬입니다. 니켈 도금과 달리 크롬 도금은 금형 캐비티에 들어가는 컨포멀 양극이 필요합니다. 즉, 크롬 도금은 특히 복잡한 금형의 경우 더 많은 시간이 소요되며, 이는 더 높은 비용을 의미할 수 있습니다. 또 다른 단점은 너무 오래 크롬 도금하면 복잡한 금형에서 균일한 도금을 방해할 수 있다는 것입니다. 크롬 도금된 금형 표면 질감은 더 단단하여 녹에 더 강합니다. 크롬 도금은 보통 매끄럽고 매우 기능적입니다.

무전해 니켈 도금은 모든 사출 금형 표면 처리 중 가장 다재다능한 방법 중 하나입니다. 무전해 도금은 전류 대신 화학 반응에 의존합니다. 부식, 윤활 문제, 마모, 심지어 화학적 공격에 대한 보호 기능을 제공합니다. 이 도금 방식은 양극이 필요하지 않아 크롬 도금보다 더 균일한 도금이 가능합니다. 블랙 니켈은 가장 잘 알려진 무전해 니켈 도금 중 하나입니다.

크롬이든 니켈이든 도금이 보장하는 한 가지는 내구성입니다. 도금 처리를 한 금형은 제품 품질을 저하시키지 않고 더 많은 사출 사이클을 견딜 수 있습니다.

질화(Nitriding)

질화는 열화학적 확산 공정입니다. 침탄과 함께 이 금형 처리 방식은 가장 일반적인 열처리 관행입니다. 이 공정은 금형 표면의 상 구조 변화 없이 저온에서 질소 원자가 금형 표면으로 확산되도록 합니다. 상 변화가 없다는 것은 금형 강철의 최소한의 왜곡을 의미합니다.

이온 질화, 팩 질화, 염욕 질화, 가스 질화 등 다양한 형태의 질화가 있으며, 모두 금형 표면 질감과 성능 향상을 목적으로 합니다.

이 공정에서는 금형 부품을 925~985°F(약 496~529°C)의 활성 질소에 노출시킵니다. 강철의 최소 왜곡을 위해 적절한 온도 제어가 질화 공정에서 매우 중요합니다. 또한 질화 처리를 하는 사출 금형 부품은 최종 가공 전에 일반적으로 응력 제거 처리를 하여 크기 변화를 최소화합니다.

시간이 지남에 따라 질화 공정은 전통적인 가스 질화 기술에서 컴퓨터로 질화 파라미터를 제어하는 더 정밀한 질화로 개발 및 개선되었습니다.

질화는 단단한 금형 케이스를 형성하지만, 부드럽게 유지해야 하는 부품은 질화 공정에서 마스킹할 수 있습니다. 단단한 금형 케이스는 마모와 연마에 강합니다.

침탄(Carburizing)

열을 필요로 하는 또 다른 금형 처리 관행은 침탄입니다. 이 공정은 질화와 유사합니다. 주요 차이점은 질화에서 질소 원자가 확산되는 반면, 침탄에서는 가공 중인 사출 금형 부품 표면에 탄소 원자가 확산된다는 점입니다.

침탄은 내마모성과 인성이 뛰어난 금형을 만듭니다. 이 공정은 사출 금형 부품을 피트 퍼니스에서 가열한 후 침탄 가스를 주입하여 금형 표면으로 확산시키는 것을 포함합니다.

질화와 마찬가지로 가스 침탄, 진공 침탄, 펄스 플라즈마 침탄, 고온 침탄 등 다양한 형태의 침탄 공정이 있습니다.

침탄은 대형 기어 및 베어링과 같이 더 무겁고 하중이 큰 금형 부품에 질화보다 더 나은 사출 성형 툴 표면 처리입니다. 질화와 달리 침탄은 사후 열처리가 필요합니다. 이는 침탄이 현저히 더 높은 온도에서 발생하기 때문입니다.

PVD 코팅

PVD는 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition)의 약자입니다. 박막 코팅으로도 알려진 이 금형 처리 유형은 고체 재료(소스라고 함)를 진공 상태에서 기화시켜 금형 부품 표면에 증착시키는 공정입니다. 소스는 일반적으로 세라믹 또는 금속 막대입니다.

가장 일반적인 PVD 코팅 공정은 증발법과 스퍼터링법입니다. 증발법은 캐소딕 아크 또는 전자빔 소스를 사용합니다. 반면 스퍼터링은 자기 증강 소스를 사용합니다.

이 공정의 원리는 에너지적으로 양전하를 띤 이온이 금형 부품을 폭격하여 고밀도 금형 표면을 형성하는 것입니다. 소스 재료는 플라즈마 상태로 스퍼터링되어 금형 표면과 강한 결합을 형성하며 얇은 접착층을 만듭니다.

폭격 중 진공 챔버에 산소, 질소 같은 반응성 가스를 주입하여 화합물 코팅 조성을 만들 수도 있습니다.

PVD 코팅은 금형 강도를 향상시킵니다. 형성된 층이 매우 얇아 금형 부품의 최종 치수에 미치는 영향이 적습니다. PVD 사출 성형 툴 표면 처리는 오늘날 업계에서 가장 허용되는 방법 중 하나지만, 이 공정이 수반하는 매우 높은 온도를 견딜 수 있는 재료에만 사용할 수 있습니다. 또한 숨겨진 부분이 많은 매우 복잡한 금형에는 적합하지 않습니다.

PVD 코팅은 전반적인 성능 향상에 중점을 두는지(기능성), 심미성 개선에 중점을 두는지(장식성)에 따라 기능성 또는 장식성이 될 수 있습니다. 질화 티타늄(TiN)은 기능성 PVD 코팅의 예이며, Zr 기반 필름은 장식성 PVD 코팅의 예입니다.

CVD 코팅

CVD는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition)의 약자입니다. 이 코팅의 원리는 PVD와 유사하지만, 주요 차이점은 CVD 코팅에서 금형을 코팅하는 박막을 생성하기 위해 화학 반응을 사용한다는 점입니다.

CVD 코팅 공정은 보통 CVD 반응기에서 수행됩니다. PVD 코팅의 문제점 중 하나가 높은 공정 온도인데, CVD 코팅은 더 높은 온도(약 1925°F, 1050°C)에서 수행됩니다. 이는 당연히 고온을 견딜 수 있는 부품으로 금형 처리를 제한합니다.

이 코팅 공정에서 형성되는 박막은 반응기 내 기체 상과 뜨거운 금형 표면 간의 반응으로 생성됩니다.

PVD와 마찬가지로 CVD 코팅은 마모와 연마에 강한 단단한 금형을 보장합니다. 형성된 필름도 매우 얇아 보통 나노미터 범위이며, 금형의 최종 치수가 크게 변경되지 않도록 합니다.

CVD 코팅은 특히 슬라이딩이 많은 금형 부품에 유용합니다. 그러나 이 공정이 가스 의존적이기 때문에 일부 영역을 마스킹하기 어렵거나 불가능할 수 있습니다.

이러한 많은 공정은 쾌속 툴링 시 적절히 고려됩니다. 최고의 쾌속 툴링 서비스는 RapidDirect에서 찾을 수 있습니다.

금형 처리 시 고려 사항

다양한 금형 마감 도구를 적용하기 전에 고려해야 할 몇 가지 요소가 있습니다.

1. 금형 처리 공정을 거치는 금형 부품 또는 파트의 유형을 잘 검토해야 합니다. 단순히 아무 금형 마감 도구나 선택하지 말고, 금형 부품의 내열성을 고려해야 합니다. 각 공정마다 금형 표면에 미치는 열 영향이 다르기 때문입니다. 또한 최종 치수 변경에 대해 감당할 수 있는 여유도 고려해야 합니다. 일부 금형 부품은 극도로 얇은 필름이 필요한 반면, 다른 부품은 상대적으로 두꺼운 코팅을 견딜 수 있습니다.
2. 금형 처리 가격도 중요한 고려 요소입니다. 최고의 공정은 보통 비용이 더 많이 들지만, 사출 금형이 간헐적으로만 사용되는 경우 더 저렴한 옵션을 선택하는 것이 더 경제적일 수 있습니다.
3. 공정과 금형의 호환성도 확인해야 합니다. 예를 들어 일부 공정은 마스킹이 가능하지만 다른 공정은 불가능합니다. 금형 처리에 일부 금형 부품 마스킹이 필수적이라면 마스킹이 가능한 공정을 선택해야 합니다. 동일한 원칙이 코팅 균일성에도 적용됩니다.

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