사출·사출압축성형

왜 배우는가: 사출압축성형은 얇고 정밀한 제품에서 잔류응력과 치수 편차를 낮추는 공법이라 현장 선택 기준으로 자주 언급된다. 기존 사출성형과 원리를 구분하지 못하면 답안에서 장점과 차이를 설명하기 어렵다.

출제 이력: 제130회 1교시 10번, 제111회 3교시 2번, 제91회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

사출압축성형(ICM)은 금형을 일부 열어 둔 상태에서 수지를 충전한 뒤 금형을 닫아 압축하여 제품을 성형하는 사출성형 공법이다.

• 사출압축성형: 충전과 압축을 한 사이클 안에서 나눠 수행하는 사출성형의 변형 공법이다.
• 틈새 충전: 금형을 완전히 닫기 전에 수지를 캐비티로 흘려 넣는 단계이다.
• 압축 스트로크: 충전이 끝난 뒤 금형을 닫아 캐비티 부피를 줄이는 이동 구간이다.
• 캐비티 내부 압력: 캐비티 전체에 걸리는 수지의 압력으로, 성형품의 치수와 물성을 좌우한다.
• 잔류응력: 성형 후 제품 내부에 남아 휨과 변형의 원인이 되는 응력이다.
• 다수 캐비티 물성 편차: 한 금형의 여러 캐비티에서 만든 성형품의 물성이 서로 달라지는 현상이다.
• 광학 부품: 복굴절과 잔류응력을 낮게 유지해야 하는 렌즈와 도광판 등의 제품군이다.

2. 개념 풀이

사출압축성형(ICM)은 사출성형의 충전 단계와 압축 단계를 분리한 공법이다. 금형은 충전 때 제품 두께보다 큰 틈새를 남겨 두고, 수지를 캐비티에 채운 뒤 형체력으로 금형을 닫아 캐비티 부피를 줄인다. 충전과 압축의 분리가 이 공법을 일반 사출성형과 구분하는 기준이다.

일반 사출성형의 원리는 다음과 같다. 호퍼에서 실린더로 들어간 수지는 가열 히터에 의해 용융되고, 노즐을 거쳐 닫힌 금형에 고압으로 충전된다. 충전된 수지는 냉각되어 고화되고, 금형을 열어 성형품을 취출한다. 사출압축성형은 이 기본 흐름에 압축 단계를 더한 것이다.

사출압축성형의 원리는 수지의 압력 분포에 있다. 일반 사출성형에서는 수지가 게이트에서 멀어질수록 흐름 저항으로 압력이 떨어진다. 보압으로 이를 보상하는 데도 한계가 있어 캐비티 위치마다 상태가 달라진다. 압축 단계에서는 금형 면이 수지 전체를 동시에 누르므로 캐비티 내부 압력이 넓은 면에서 균일하게 걸린다. 압축 단계에서 캐비티 내부 압력이 균일해지는 것이 이 공법의 핵심 원리이다. 이 균일한 압력이 수축과 치수 편차를 줄인다. 압축은 금형이 닫히는 방향으로 일어나며, 틈새를 여는 폭과 압축을 시작하는 시점이 성형품 품질을 좌우하는 주요 조건이다.

틈새 충전은 금형이 완전히 닫히기 전에 수지가 낮은 흐름 저항으로 캐비티에 퍼지는 단계이다. 금형 틈새가 열려 있으므로 충전에 필요한 사출압력이 일반 사출보다 낮아질 수 있다.

압축 스트로크는 충전 후 금형이 닫히며 수지를 밀어 캐비티를 최종 형상으로 채우는 이동 구간이다. 이 구간에서 수지 밀도가 고르게 높아지고 내부 잔류응력이 줄어든다.

3. 등장 배경과 필요성

사출압축성형은 기존 사출성형으로는 품질 요구를 맞추기 어려운 제품이 늘면서 등장한 공법이다. 제품이 얇아지거나 면적이 넓어지면 충전에 필요한 사출압력과 형체력이 커진다. 그 결과 성형품 내부에 잔류응력이 남고, 이후 휨과 치수 변화가 생긴다.

다수 캐비티 금형에서는 게이트와의 거리에 따라 캐비티마다 압력 조건이 달라진다. 같은 금형에서 찍힌 제품끼리도 다수 캐비티 물성 편차가 생기는 이유이다. 학술 연구는 사출압축성형을 다수 캐비티 금형에 적용하면 캐비티 간 물성 편차가 줄어든다고 보고하였다. 이 결과는 사출압축성형이 캐비티마다 균일한 물성을 얻는 방법으로 유효함을 보여 준다.

정밀 제품 수요도 배경이다. 광학 부품과 미세 유체 소자는 표면 정밀도와 복굴절 관리가 중요하다. 2023년 학술 논문은 열가소성 미세 유체 소자의 양산 공법으로 사출성형과 사출압축성형을 비교 분석하였다. 이처럼 사출압축성형은 사출성형을 대체하는 공법이라기보다, 잔류응력과 편차, 정밀도가 품질을 좌우하는 제품에 선택하는 보완 공법으로 이해하는 것이 옳다.

필요성은 세 측면에서 정리된다. 첫째, 잔류응력과 배향을 낮춰 치수 안정성을 확보한다. 둘째, 다수 캐비티 간 물성 균일성을 높인다. 셋째, 충전 압력을 낮춰 사출 설비의 부담을 줄인다.