사출성형품 휨

왜 배우는가: 휨은 대부분의 사출 성형품에서 치수 불량과 조립 불량을 일으키는 핵심 문제이다. 1교시 용어형과 2~4교시 논술형 모두에서 원인과 대책을 함께 묻는 개념이므로 정의와 원리를 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제133회 2교시 3번, 제130회 2교시 6번, 제120회 2교시 1번, 제112회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

사출성형품의 휨은 금형 안에서 부위별 수축량이 달라 생긴 내부 응력이 이형 후 완화되면서 성형품이 굽거나 비틀리는 변형이다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 쓰고, 본문에서는 아래 키워드를 함께 써서 원인과 결과가 이어지도록 한다.

• 휨: 성형품이 설계 형상과 달리 한쪽으로 굽거나 뒤틀리는 변형이다.
• 차등 수축: 성형품 부위마다 수축량이 달라지는 현상이며 휨의 직접 원인이다.
• 잔류 응력: 성형 후 성형품 내부에 남아 있는 응력이며 이형 후 변형을 일으킨다.
• 배향: 고분자 사슬이 유동 방향으로 정렬된 상태이며 수축 거동을 바꾼다.
• 냉각 속도: 용융 수지가 고화되는 속도이며 부위별 차이가 휨을 만든다.
• 금형온도: 캐비티 표면의 온도이며 양쪽 면의 차이가 굽힘 방향을 정한다.
• 두께 차이: 살 두께가 불균일한 부위에서 냉각 속도가 달라지는 원인이다.
• 수지 종류: 결정성과 비결정성 수지에 따라 성형수축률이 다르다.

2. 개념 풀이

사출성형품 휨은 용융 수지가 금형 안에서 냉각되어 고화되는 과정에서 성형품의 각 부위가 서로 다른 양만큼 수축할 때 생기는 변형이다. 수축이 억제된 부위에는 응력이 쌓이고, 이 응력이 이형 후 풀리면서 성형품 전체가 굽는다. 휨은 외부 하중이 만드는 변형이 아니라 내부 응력이 만드는 변형이므로, 원인을 외력에서 찾으면 답안이 틀린다.

원리는 굽힘 모멘트로 설명한다. 성형품 단면의 한쪽 면이 다른 쪽 면보다 많이 수축하면 두 면 사이에 수축 차이가 생기고, 그 차이가 굽힘 모멘트를 만든다. 한쪽 면의 금형온도가 높으면 그 면은 천천히 냉각되어 수축이 커지고, 결국 뜨거운 쪽이 오목하게 휘게 된다. 두께 방향으로는 수축이 자유롭지만 평면 방향으로는 구속되는 부위에서도 같은 원리가 적용된다. 휨의 방향은 수축이 큰 쪽이 오목해지는 방향으로 정해진다.

핵심 용어 중 차등 수축은 성형품 부위마다 수축량이 달라지는 현상이며 휨을 일으키는 직접 원인이다. 두께, 냉각, 배향이 모두 이 차이를 만든다. 배향은 유동 중 전단응력에 의해 고분자 사슬이 한 방향으로 정렬되는 현상이며, 고온 상태에서 전단이 제거되면 완화되고 전단과 동결이 동시에 일어날 때만 고정된다.

잔류 응력은 성형 후 성형품 내부에 남은 응력이며, 이형 뒤 완화되면서 변형을 일으킨다. 응력이 남는 부위와 완화되는 부위가 다르면 성형품은 한쪽으로 휜다.

수지 종류에 따라 수축 거동도 달라진다. 결정성 수지는 냉각 중 결정화가 진행되어 수축이 크고, 흐름 방향의 직각 방향 수축이 흐름 방향 수축보다 크게 나타난다. 비결정성 수지는 상대적으로 수축이 작으며, 배향이 완화될 때 유동에 평행한 방향으로 더 많이 수축한다. 강화재를 넣은 수지는 섬유가 수축을 억제하므로 비강화 수지보다 성형수축률이 작다.

금형 억제력도 휨을 만든다. 성형품이 금형 안에 있는 동안에는 표면의 평면 방향으로 수축할 수 없고 두께 방향으로만 수축할 수 있다. 이 구속 때문에 표면 평면에 응력이 축적되고, 배출 후 응력이 완화되면서 휨이 생긴다. 금형온도가 높을수록 냉각이 느려 응력 완화 정도가 커지므로, 금형온도는 휨의 크기를 바꾸는 주요 변수이다.

금형 재질도 휨의 원인이다. 열전도율이 다른 재질을 조합하면 양쪽 금형의 온도가 같더라도 열 전달 속도 차이로 수축이 달라지고, 그 결과는 금형온도에 의한 휨과 거의 같은 형태로 나타난다.

3. 등장 배경과 필요성

사출성형은 복잡한 형상을 높은 정밀도로 대량 생산하는 공정이다. 이 공정에서는 제품의 치수 정밀도와 평면도가 조립 성능을 좌우하므로, 휨은 기능과 외관을 떨어뜨리는 대표적인 불량으로 다뤄진다. 특히 조립 기준면이 여러 개인 부품에서는 작은 휨도 결합 불량으로 이어진다.

제품이 얇아지고 형상이 복잡해지면서 휨 문제가 더 자주 나타나게 되었다. 리브, 보스, 두께가 급변하는 부위가 늘어나면 부위마다 냉각 속도가 달라져 차등 수축이 커진다. 벽과 리브가 만나는 부위는 반대편보다 냉각이 느려 수축이 크게 나타나고, 이 불균형이 휨의 원인이 된다.