사출 성형은 일관된 품질로 대량의 파트를 제작하는 데 사용되는 인기 있는 제조 공정입니다. 이 공정은 최종 파트 모양의 금형 캐비티에 녹은 플라스틱을 주입하는 것을 포함하며, 금형은 일반적으로 금속으로 만들어집니다. 이 공정에 익숙한 사람이라면 누구나 알다시피, 전통적인 금형 제작 방법은 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 듭니다. 소량 생산이나 맞춤형 파트에는 그만한 가치가 없습니다. 여기에 3D 프린팅 금형이 등장합니다: 저량 생산과 프로토타이핑에 이상적인 더 저렴하고 빠른 대안입니다.
파트 형상, 소재 선택, 게이트 위치, 냉각 채널을 고려하여 CAD 소프트웨어에서 금형 설계를 시작하세요. 사출 압력을 견딜 수 있는 내열성, 강성 소재를 선택하고, 더 매끄러운 마감을 위해 서포트 접촉을 최소화하도록 금형을 설계하세요. 에어 벤트 추가는 트랩된 공기 같은 결함을 방지하고, 냉각 채널은 생산 속도를 높입니다.
설계가 완료되면 3D 프린팅의 표준 포맷인 STL 파일로 내보냅니다. 기타 지원 파일 형식으로는 FBX, OBJ, 3MF, PLY, G-Code, X3G, AMF 등이 있습니다.
STL 파일을 3D 프린팅 소프트웨어로 가져와 비용, 강도, 표면 마감을 기준으로 출력 방식을 선택하세요. FDM(Fused Deposition Modeling)은 비용 효율적이지만 샌딩이나 화학적 평활화가 필요할 수 있습니다. 더 매끄럽고 고해상도 금형에는 SLA/DLP(입체조형술/디지털 라이트 프로세싱)가 최적이며, 머티리얼 제팅은 정교한 디테일의 다중 소재/컬러 금형을 만들 수 있습니다. 좋은 표면 품질의 강한 금형에는 SLS(선택적 레이저 소결) 공정으로 나일론을 사용할 수 있습니다.
출력 후 금형은 사출 성형 중 지지를 위해 금속 금형 베이스에 고정되어야 합니다. 이는 알루미늄 프레임의 금형 인서트로 수행할 수 있으며, 더 정밀하고 휨 같은 결함을 줄이며 균일한 압력 분포를 보장합니다. 또는 프레임이 필요 없는 완전 3D 프린팅 금형도 가능합니다. 다만 더 많은 소재가 필요해 비용과 휨 위험이 모두 증가합니다.
금형이 금속 프레임에 장착되면 사출 성형 공정을 시작할 준비가 됩니다. 사출 성형 공정 동안 금형은 클램핑되어 닫히고, 녹은 소재가 스프루 부싱을 통해 금형으로 주입됩니다. 액체는 금형 캐비티를 채우고 생산할 파트의 형태를 취합니다. 소재가 냉각되고 고체화되면 금형이 열리고 파트가 제거됩니다.
금형은 녹은 플라스틱을 최종 제품으로 성형하며, 제품은 금형 캐비티의 모양과 마감을 취합니다. 이 금형을 3D 프린팅으로 제작하는 것은 게임 체인저였습니다. CNC 가공과 달리 3D 프린팅은 전문 전문 지식이 필요하지 않아 인건비를 줄입니다. 사용되는 소재(일반적으로 플라스틱)는 알루미늄이나 강철보다 훨씬 저렴하며, 전체 비용은 전통적 금형보다 최대 90%까지 낮출 수 있습니다. 전통적 금형은 제작에 몇 주 또는 몇 달(네, 몇 달!)이 걸리지만, 가장 복잡한 3D 프린팅 금형도 며칠 만에 준비될 수 있습니다. 이는 양산으로 확대하기 전에 필요한 변경 사항을 빠르고 쉽게 적용할 수 있음을 의미합니다. 3D 프린팅 금형은 수명이 짧지만, 소재에 따라 최대 10,000개 파트까지 생산할 수 있습니다.
3D 프린팅 금형은 최대 164cm³까지의 컴포넌트에 가장 적합합니다(금속 금형은 훨씬 더 큰 파트를 수용할 수 있어 이 라운드에서 승리). 금속 금형이 우수한 또 다른 영역은 내구성입니다. 3D 프린팅 금형은 사출 성형의 높은 온도와 압력 하에서 어려움을 겪습니다. 또한 냉각 중 수축과 휨에 취약하여, 타이트한 공차 파트에는 특히 골칫거리입니다. 일반적으로 폴리머는 금속보다 열전도율이 낮아 3D 프린팅 금형은 사출 성형 공정을 느리게 만듭니다(금형 제작은 의심할 여지 없이 훨씬 빠르지만). 기본적으로 고정밀, 대량 제조에는 금속 금형을 고수하는 것이 좋습니다.
3D 프린팅 금형은 전통적 제조 방식으로 만든 금형에 비해 여러 장점을 제공합니다:
사출 성형용 3D 프린팅 플라스틱 금형에는 몇 가지 단점도 있습니다:
금형은 사출 성형 공정의 핵심 구성 요소입니다. 녹은 플라스틱 소재를 원하는 형태로 성형하는 역할을 하므로, 사출 성형 제품의 최종 품질을 결정하는 중요한 요소입니다. 금형은 제품의 형상, 표면 마감, 치수 정확도를 정의하므로 원하는 사양을 달성하는 데 필수적인 요소입니다.
금형의 설계와 구조는 또한 사출 성형 공정의 효율성과 생산성에 중요한 역할을 합니다. 잘 설계되고 적절히 제작된 금형은 생산 속도를 높이고, 소재 낭비를 줄이며, 완제품의 결함 위험을 최소화할 수 있습니다. 반면 잘못 설계되거나 제작된 금형은 생산 지연, 소재 낭비 증가, 생산 비용 증가를 초래할 수 있습니다.
3D 프린팅 금형은 여러 이유로 전통적 금속 금형보다 저렴합니다. 첫째, 열가소성 수지 및 광중합체 같은 3D 프린팅용 소재는 강철이나 알루미늄 같은 전통적 금형 제작 소재보다 저렴합니다. 둘째, 3D 프린팅 공정은 일반적으로 CNC 가공이나 주조 같은 전통적 금형 제작 공정보다 빠르며, 전체 제작 시간과 비용을 줄입니다. 셋째, 3D 프린팅은 구매 및 유지보수 비용이 많이 드는 전문 툴링과 장비의 필요성을 없애줍니다. 마지막으로, 3D 프린팅은 전통적 금형 제작 방식으로는 어렵거나 불가능한 복잡한 형상 제작을 가능하게 하여, 비용이 많이 드는 2차 작업의 필요성을 줄여줍니다.
사출 성형 공정의 성공은 3D 프린팅 금형의 품질에 크게 좌우되므로, 금형을 만들 때 몇 가지 사항을 염두에 두어야 합니다. 첫째, 금형 소재는 휨이나 녹음 없이 높은 온도와 압력을 견딜 수 있어야 하므로 신중하게 선택하세요. 금형 설계도 마찬가지로 중요합니다. 균일한 벽 두께는 휨과 결함을 방지하고, 날카로운 모서리를 피하면 응력 지점을 줄여 내구성을 향상시킵니다. 게이트 위치는 적절한 소재 흐름을 보장하도록 최적화되어야 하며, 러너 시스템은 플래시(금형에서 빠져나가는 과도한 소재)를 방지하기 위해 포함되어야 합니다. 클램핑 힘과 사출 압력 조정 같은 조정이 결과를 더욱 개선할 수 있습니다.
표면 품질도 중요한 고려 사항입니다. 3D 프린팅 금형은 알루미늄이나 강철 금형보다 거친 표면을 가지는 경향이 있습니다. 이는 최종 제품의 질감에 영향을 줄 수 있으며, 더 매끄러운 마감을 위해 후처리가 필요할 수 있습니다. 고품질 표면이 필요한 파트에는 금속 금형이 더 나은 선택입니다. 표면 마감을 다듬으면 거칠기를 최소화하고 파트 품질을 향상시킵니다. 마지막으로 1.5°~2°의 드래프트 각도는 파트 이젝트를 쉽게 하고 성형품 손상을 방지하여 금형 수명과 제품 품질 모두를 개선합니다. 본격 생산 전, 금형을 철저히 테스트하고 검증하여 설계 결함이나 약점을 찾아 생산 진행 전 조정이 가능하도록 해야 합니다. 만들고자 하는 파트 규모에 맞는 금형을 선택해야 합니다.
사출 성형에는 다양한 기술이 있습니다. 그중 일부는 아래 섹션에서 나열하고 논의합니다:
플라스틱으로 두꺼운 사출 성형 파트를 생산할 때의 과제는 냉각되면서 휠 수 있다는 점입니다. 가스 보조 사출 성형은 플라스틱 소재로 채워진 사출 금형에 가스(보통 질소)를 주입하여 이 문제를 해결합니다. 이렇게 하면 금형 외부의 플라스틱은 매끄럽고 마감된 상태를 유지하면서 내부는 다공성 또는 중공이 됩니다. 이는 냉각 공정 중 파트 변형을 방지하고 소재 사용량을 줄여 파트 비용을 절감합니다. 두꺼운 벽과 복잡한 형상의 파트 제작, 소재 사용량 및 사이클 타임 감소, 파트 품질 개선에 사용됩니다. 이 공정은 다른 사출 성형 기술보다 더 비쌀 수 있습니다.
특수 소재 배합의 사용은 성형 능력을 향상시킵니다. 사출 성형 회사는 다양한 첨가제, 충전제, 특수 소재를 사용하여 전기 전도성, 생체 적합성, 난연성 등 고유한 특성을 가진 맞춤형 파트를 만들 수 있습니다.
금속 사출 성형(MIM)은 분말 금속과 바인더 소재의 조합을 사출 피드스톡으로 사용합니다. 혼합물은 바인더의 녹는점 이상으로 가열되어 압력 하에 금형으로 흐르게 됩니다. 바인더가 냉각되면 '그린' 파트가 이젝트됩니다. 바인더 소재는 소결되어 제거되고, 나머지 금속은 적절한 온도에서 소결되어 최종 형태를 갖춥니다. 이 기술은 플라스틱 사출 성형보다 비용이 더 많이 들며 일반적으로 특수 애플리케이션에 사용됩니다. 예를 들어, 금속 사출 성형은 휴대폰 산업에서 전자 부품을 무선 또는 마이크로파 간섭으로부터 차폐하는 데 사용됩니다.
3D 프린팅은 사출 성형 기술이 아닙니다. 특정 열가소성 수지나 금속을 프린트 베드에 층층이 적층하여 직접 파트를 만드는 방법입니다. 3D 프린팅이 사출 성형 기술에서 중요한 이유는 3D 프린팅으로 동일한 파트의 복수 생산에 사용되는 사출 금형을 제작할 수 있기 때문입니다. 또한 3D 프린팅으로 플라스틱이나 금속 사출 금형을 제작할 수 있습니다. 다만 현재 플라스틱 3D 프린팅 금형이 금속 3D 프린팅 금형보다 더 일반적입니다.
열경화성 플라스틱 사출 성형은 가장 일반적으로 사용되는 사출 성형 방법입니다. 액체 실리콘 고무와 적절한 촉매를 뜨거운 금형에 주입하면 금형 내 파트 형상이 벌커나이즈되거나 고정됩니다. 이러한 소재는 공정을 통해 녹여 재활용할 수 없습니다. 그러나 높은 온도나 화학 물질에 견디는 파트가 필요한 경우, 의료 기기나 자동차 부품처럼 액체 실리콘 사출 성형을 사용해야 할 수 있습니다.
이 유형의 사출 성형은 일반적으로 1mm보다 얇은 벽을 가진 플라스틱 파트를 만드는 것을 포함합니다. 박벽 성형은 최소한의 소재 사용으로 경량, 대량 파트를 생산하는 데 사용됩니다. 시험 기구, 전자제품, 용기, 튜브, 기타 인클로저 등 다양한 분야에 적용됩니다. 얇은 벽 형상이 결함 없이 적용 조건을 견딜 수 있도록 하기 위해, 박벽 성형을 수행하는 플라스틱 사출 성형업체는 파트 설계, 금형 설계, 공정의 모든 측면을 세심하게 고려해야 합니다.
꼭 그렇지는 않습니다. 3D 프린팅 금형은 프로토타이핑과 소량 생산에 훌륭하지만, 높은 정밀도, 극한의 내구성, 대량 출력이 필요한 모든 사출 성형 방식에 적합하지는 않습니다. 플라스틱 3D 프린팅 금형은 특정 사출 성형 공정에 사용되는 높은 압력과 온도를 항상 견딜 수 있는 것은 아닙니다. 금속 3D 프린팅 금형은 더 강하지만, 여전히 전통적 가공 강철 금형에 비해 한계가 있습니다.
3D 프린팅 금형은 더 빨리 열화되어 대량 제조에 덜 이상적입니다. 일부 사출 성형 기술은 3D 프린팅이 항상 달성할 수 없는 초매끄럽거나 복잡한 금형 표면을 요구합니다. 3D 프린팅 금형이 특정 애플리케이션에 잘 작동하지만, 가스 보조 성형, 금속 사출 성형(MIM), 고온 열가소성 수지 같은 공정에는 전통적 금형이 더 나은 선택입니다.
3D 프린팅 금형의 표면 마감과 정확도를 개선하기 위해 많은 제조업체가 샌딩과 폴리싱 같은 후처리 기술을 수행하여 표면을 매끄럽게 합니다. 인쇄된 금형에 보호용 세라믹 코팅을 사용하여 열화 문제를 줄이는 동시에 더 매끄러운 마감을 얻을 수도 있습니다.
안타깝게도 불가능합니다. PLA(폴리락트산)는 3D 프린팅용으로 인기 있는 열가소성 소재지만, ABS, 폴리카보네이트, 나일론 같은 소재에 비해 상대적으로 낮은 녹는 온도를 가집니다. PLA는 부서지기 쉽고 사출 성형에 필요한 충격 강도가 부족하여 높은 응력 하에서 균열이 생기기 쉽습니다. 또한 높은 온도에서 분해되어 유독 가스를 방출할 수 있어, 사출 성형의 고온 고압 환경에서는 안전하지 않습니다.
네, 사출 성형용 금형을 3D 프린팅하는 것은 가능합니다. 3D 프린팅 기술로 금형 제작이 더 쉽고 저렴해졌습니다. 하지만 3D 프린팅 금형이 모든 유형의 사출 성형 프로젝트에 적합하지 않을 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 특히 대량 생산이나 고정밀, 고강도 금형이 필요한 프로젝트에는 부적합할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 3D 프린팅 금형은 저량 또는 프로토타입 생산에 비용 효율적이고 효율적인 옵션이 될 수 있습니다.
아니요. 일반적으로 사출 성형용 3D 프린팅 금형은 전통적 금형보다 저렴합니다. 전통적 금형 비용은 사용되는 소재, 설계 복잡성, 제조 공정으로 인해 보통 높습니다. 반면 3D 프린팅 기술은 전통적 금형 제조에 수반되는 비싸고 시간 많이 드는 공정 일부를 없애 금형 제작 비용을 크게 낮췄습니다.
3D 프린팅 금형 비용은 금형 크기와 복잡성, 사용된 프린팅 기술, 프린팅 소재 같은 요인에 따라 달라질 수 있습니다. 예를 들어 고급 3D 프린팅 기계와 소재를 사용하면 3D 프린팅 금형 비용이 증가할 수 있습니다.
작성자: Kat de Naoum
Kat de Naoum은 20년 이상의 경력을 가진 영국 출신 작가, 저자, 편집자, 콘텐츠 전문가입니다. 다양한 제조 및 기술 조직을 위한 글쓰기 경험이 있으며 엔지니어링 세계를 사랑합니다. 글쓰기 외에도 거의 10년간 패럴리걸로 일했으며, 그중 7년은 선박 금융 분야였습니다. 다수의 인쇄 및 온라인 출판물에 기고했습니다. 킹스턴 대학교에서 영문학 및 철학 학사, 창작학 석사를 취득했습니다.
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