사출성형 수축률

왜 배우는가: 사출성형품의 치수 정밀도는 수축률을 미리 예측해 금형을 보정하는 능력에 달려 있다. 수축 변동 요인은 시험에서 반복해 묻는 주제이므로 정의와 원리를 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제129회 1교시 7번, 제121회 4교시 5번, 제103회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

사출성형 수축률은 금형 치수와 성형품 치수의 차이를 금형 치수로 나눈 백분율이다.

사출성형 수축률은 용융 수지가 금형 안에서 냉각되어 고화되는 동안 부피가 줄어들어, 성형품 치수가 금형 치수보다 작아지는 정도를 수치로 나타낸 값이다. 답안 첫 줄에는 이 정의를 그대로 쓰고, 수축이 생기는 원인과 변동 요인을 이어서 설명한다. 이 값은 금형 설계의 출발점이며, 목표 제품 치수를 얻으려면 금형 치수를 수축률만큼 키워서 가공해야 한다.

• 성형수축: 성형품이 금형에서 꺼내진 뒤 상온에서 치수가 줄어드는 현상 전체를 가리킨다.
• 성형수축률: 금형 치수와 성형품 치수의 차이를 금형 치수로 나눈 백분율이다.
• 수축 여유: 목표 제품 치수에 수축률만큼의 값을 더해 금형 치수를 정하는 보정값이다.
• 결정성 수지: 분자가 규칙적으로 배열되어 결정 영역을 만드는 수지로, 수축이 상대적으로 크다.
• 비결정성 수지: 분자 배열이 불규칙하여 결정 영역이 거의 없는 수지로, 수축이 상대적으로 작다.
• 보압: 충전 후 금형 안의 수지를 압력으로 눌러 줄어든 부피를 보충하는 단계이다.
• 후수축: 성형품을 금형에서 꺼낸 뒤 시간이 지나면서 추가로 일어나는 수축이다.
• 이방성 수축: 수지 분자가 유동 방향으로 배향되어 방향에 따라 수축량이 달라지는 현상이다.

2. 개념 풀이

사출성형 수축률은 금형 캐비티 치수에 대한 성형품 치수 감소량의 비율이다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$S = (L_m - L_p) ÷ L_m × 100$

여기서 S는 성형수축률(%), L_m은 상온에서 측정한 금형 치수(mm), L_p는 같은 조건에서 측정한 성형품 치수(mm)이다. 분모를 금형 치수로 두므로 수축률은 금형을 기준으로 한 비율이며, 측정 시점과 상온 조건을 맞추지 않으면 같은 제품이라도 값이 달라진다. 성형 직후 측정한 값은 후수축분이 빠져 있어 시간이 지난 뒤 측정한 값보다 작게 나온다.

원리를 보면, 가열되어 용융된 수지는 분자 사슬이 비교적 자유롭게 움직이는 상태로 금형에 충전된다. 금형에 닿은 뒤 냉각되면 분자 운동이 줄어들고 분자 사이 간격이 좁아지면서 부피가 감소하는데, 이 감소분이 수축이다. 금형 벽에 닿은 표층은 먼저 굳고 중심부는 늦게 굳기 때문에, 두께 방향의 수축은 냉각 시간차에 따라 다르게 나타난다. 같은 수지라도 두께가 두꺼운 부위는 중심까지 식는 시간이 길어 수축이 크게 나타난다.

보압은 이 부피 감소를 보충하는 단계이다. 보압이 충분하면 금형 안으로 수지가 추가로 공급되어 수축량이 줄고, 보압이 부족하면 체적 감소분이 채워지지 않아 치수가 작아지고 싱크 마크가 생긴다. 따라서 수축률은 재료의 고유 특성과 보압·냉각 조건이 합쳐진 결과로 보아야 한다.

결정성 수지는 냉각 중 분자가 규칙적으로 배열되며 결정 영역이 생기므로, 같은 조건에서 비결정성 수지보다 수축이 크다. 결정화도가 높을수록 분자 밀도가 높아져 부피 변화도 커진다. 반면 비결정성 수지는 분자 배열이 불규칙하여 수축이 상대적으로 작고 치수 안정성이 좋다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

• 성형수축률: 상온에서 금형 치수와 성형품 치수의 차이를 금형 치수로 나눈 백분율이다. 수지 재료와 성형 조건에 따라 값이 달라진다.
• 후수축: 성형품을 꺼낸 뒤 상온에서 시간이 지나며 추가로 일어나는 수축이다. 성형 직후 측정값과 차이가 나므로 측정 시점을 함께 적는다.
• 이방성 수축: 수지가 유동 방향으로 배향되어 유동 방향과 직각 방향의 수축량이 서로 다르게 나타나는 현상이다. 섬유로 강화한 수지에서 특히 두드러진다.
• 결정화도: 수지 전체에서 분자가 규칙적으로 배열된 결정 영역이 차지하는 비율이다. 결정화도가 높을수록 수축이 커진다.

3. 등장 배경과 필요성

사출성형은 열가소성 수지를 금형에 충전해 복잡한 형상의 제품을 대량으로 만드는 공법이다. 제품의 조립과 기능은 치수 정밀도에 좌우되므로, 수축을 예측하지 않은 금형으로는 완성품 치수를 목표에 맞추기 어렵다. 금형 설계 단계에서 수축률을 반영해 치수를 보정해야 하는 이유가 여기에 있다.

엔지니어링 플라스틱처럼 강도와 내열성이 높은 수지가 널리 쓰이면서 수축 관리의 중요성도 커졌다. 같은 금형이라도 재료가 바뀌면 수축률이 달라지므로, 재료별 수축 특성을 알아야 금형 치수를 정확히 정할 수 있다. 재료별 차이가 생기는 분자 구조상의 이유는 2절에서 설명한 분자 배열 원리로 이해한다.