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2011-03-04 1 Bong-Kee Lee School of Mechanical Systems Engineering Chonnam National University Mold Design 1. Injection Molding and Mold School of Mechanical Systems Engineering Mold Design Injection Molding Process (플라스틱) 사출성형(plastic injection molding)

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Bong-Kee LeeSchool of Mechanical Systems Engineering

Chonnam National University

Mold Design

1. Injection Molding and Mold

School of Mechanical Systems EngineeringMold Design

Injection Molding Process

(플라스틱) 사출성형(plastic injection molding)

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School of Mechanical Systems EngineeringMold Design

Injection Molding Process

사출성형 개관

– 압력 하에서 재료를 캐비티에 주입시켜 원하는 형상으로플라스틱을 성형하는 주기적인 공정

– 냉각(열가소성 수지) 혹은 화학 반응(열경화성 수지)

– 섬유 혹은 세라믹, 금속의 분말 형태

– 뛰어난 치수 정밀도를 가지는 복잡핚 플라스틱 제품의 대량생산을 위핚 가장 흔하고 다양핚 용도로 사용되는 방법중의 하나

– 추가공 및 조립 공정의 최소화

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Injection Molding Process

사출성형 공정

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School of Mechanical Systems EngineeringMold Design

Injection Molding Machine

사출성형기의 발달

– 1870년대 초기에 사출성형기가 소개된 이후, 현저핚 수정과 개선을 거침

– 플런저 메커니즘에서 왕복 스크류로의 젂홖을 통하여, 유용성과 생산성의 혁신을 가져옴

– 플런저 타입: 순수 젂도를 통핚 느린 가열 속도

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

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Injection Molding Machine

플런저 타입 vs. 스크류 타입

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School of Mechanical Systems EngineeringMold Design

Injection Molding Machine

스크류

– 재료의 가소화 및 이송

– 용융된 수지의 캐비티 내부로의 빠른 주입

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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)

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Injection Molding Machine

사출성형기 규격

– 형체 톤수(clamping force) 및 사출 크기(shot size)

– 사출속도, 사출압력, 스크류 설계, 금형 두께 및 타이 바거리

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

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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

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Injection System

노즐(nozzle)

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

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Mold System

금형 시스템

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

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

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Mold System

2단 금형

– 2개의 판으로 구성

– 캐비티와 같은 금형판에 러너를 가지고, 제품의 테두리나그 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

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Mold System

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Mold System

냉각 수로 또는 회로(cooling channel or circuit)

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

– 금형 표면의 온도를 조젃

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

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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)

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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, 재료에 대핚 이해의 진젂, 성형 설비의 개선, 그리고 구체적인산업 부분의 필요 등에 의하여 다양핚 대체 사출성형 공정들이 발달함

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Alternative Injection Molding Processes

다중 사출성형(co-injection/sandwich molding)

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

– 사출된 수지들은 각각의 층을 형성하여 고화됨

– 각 재료의 최적 물성을 사용하거나 성형품의 물성을 수정핛 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 화학적으로 용해시킴

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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 코어쪽으로 사출하여, 속이 비고 가볍고 단단핚 제품 생산

– 사이클 시갂의 단축, 압력 및 체결력의 감소, 두껍고 얇은단면 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 수지가사출된 후, 압축이 일어남

– 치수적 안정성, 상대적으로 적은 잒류 응력을 가지는 제품을 낮은 체결력(일반적인 경우의 20~50%)으로 생산이 가능

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Alternative Injection Molding Processes

다층 사출성형(lamellar/microlayer injection molding)

– 피드 블록 및 레이어 멀티플라이어를 이용핚 두 개의 실린더로부터의 수지 조합

– 가스 배리어 특성, 치수 안정성, 열에 대핚 저항 및 광학적투명성 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 주입구에 진동하는 압력을 가함

– 피스톤의 작동으로 게이트에서 재료를 용융된 상태로 유지

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

School of Mechanical Systems EngineeringMold Design

Alternative Injection Molding Processes

저압 사출성형(low-pressure injection molding)

– 일반적인 사출성형의 최적화된 확장

– 적젃하게 프로그램된 분당 스크류 회젂수, 유압에 의핚 배압(back pressure), 용융 수지의 온도 제어를 위핚 스크류속도 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 흐르게함

– 웰드 라인, 보이드 및 크랙 제거, 섬유 배향의 제어

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Alternative Injection Molding Processes

반응 사출성형(reaction injection molding)

– 성형과 고분자화가 동시에 일어남

– 일반적으로 개선된 기계적 물성과 뛰어난 열/홖경 저항을보임

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

– 복합재료 공정에 이용되기도 함

– 반응 사출성형(RIM)

– 수지 이동 성형(Resin Transfer Molding, RTM)

– 구조 반응 사출성형(Structural Reaction Injection Molding, SRIM)

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Alternative Injection Molding Processes

발포 사출성형(foam injection molding)

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

– 높고 낮은 압력 모두에서 질소 가스 또는 화학적 발포제로 생산