프로토타입 제작에서 대량 생산까지 다양한 압축 성형 가이드

압축 성형은 크고 작은 생산 기업이 다양한 파트 생산에 두루 사용하는 다목적 제조 방법입니다. 거대한 항공기용 파트에서 아기 젖병에 들어가는 노즐처럼 작은 파트까지, 생산할 수 있는 파트는 무척 다양합니다.

이 가이드에서는 압축 성형과 그 장점, 응용 분야를 소개해드리고 프로토타입, 파트 대량 생산, 그 사이의 모든 작업에 해당 공정을 어떻게 사용할지 알려드립니다

압축 성형은 일반적으로 예열된 성형 소재를 일정량 측정(일반적으로 충진재)하여 두 개의 가열된 금형으로 압축하여 원하는 형태로 만드는 제조 공정입니다. 

압축 성형 공정은 다음과 같은 단계를 거쳐 진행됩니다.

1. 금형 제작 - 성형에 필요한 금형은 기계 가공, 다이 캐스팅, 3D 프린팅 등 다양한 방법으로 제작할 수 있습니다. 

2. 장비 설정 - 사용하게 될 장비 또는 장치의 특정 요구 사항에 따라 달라지지만 이 공정에는 금형 세척, 예열, 기타 준비 공정이 포함됩니다.

3. 충전재 준비 - 사용하고자 하는 유형의 소재를 선택하고 적절한 분량을 결정합니다. 충전재가 너무 많으면 여분의 소재가 금형 밖으로 밀려나와 플래시(성형 불량)가 생기므로 수작업으로 잘라내야 합니다.

4. 충진재 장입 - 금형 바닥 중앙에 충진재를 배치합니다.

5. 파트 압축 - 위 금형을 닫고 압력을 가한 뒤 성형이 될 때까지 기다립니다. 압축 공정 중에 열을 가하는 업체도 다수 있으며 이렇게 하면 원료가 부드러워져 생산 속도가 빨라집니다.

6. 파트 분리 - 완성된 성형물을 꺼냅니다.

7. 파트 세척 - 가장자리 주변의 레진 플래시는 수작업으로 잘라내거나 떼어낸 후 파트는 최종 조립 전에 세척해야 합니다.

압축 성형과 사출 성형은 매우 유사하지만 큰 차이점이 한 가지 있습니다. 압축 성형에서는 충진재를 감싼 금형을 닫지만 사출 성형에서는 충진재를 금형 안 공동 안에 주입합니다.

오늘날 제조업체는 압축 성형과 사출 성형을 모두 빈번하게 사용하지만 공정 끝에 얻어지는 파트의 유형은 서로 다릅니다. 사출 성형은 일반적으로 더 복잡한 파트를 제작하기에 좋은 반면 압축 성형은 압출 기능을 사용할 수 없을 만큼 극도로 거대한 기본 형태를 포함하여 디자인이 비교적 단순한 파트를 제작하기에 좋습니다.

사출 성형은 압출 성형보다 사이클 타임이 비교적 짧으므로 파트를 대량 생산해야 할 때 더 빠르고 비용효율적인 사례가 많습니다. 그렇지만 압축 성형은 저압 공정이므로 툴링 비용이 저렴한 사례가 많습니다. 또한, 재료 낭비도 거의 없어서 고가의 소재를 사용할 때 유리합니다. 

대략 사출 성형은 고물량 생산에 적합하고 압축 성형은 일련의 파트를 중소량으로 생산하기에 적합합니다.

압축 성형과 사출 성형의 차이점을 언급했으니 이제 이 제조 공정 고유의 장잠과 한계를 더 깊이 살펴보겠습니다.

단순한 형태의 대체적으로 평평하고 규모가 큰 파트를 생산해야 한다면 압축 성형은 많은 사례에서 가장 비용 효율적인 제조 방법이 될 수 있습니다. 디자인에 곡선과 포켓 형태가 있어도 일부는 제작 가능하지만 극단적인 경사와 깊이 함몰된 굴곡은 압축 성형으로 얻기가 쉽지 않습니다. 가해지는 압력이 작은 탓에 툴링에 들어가는 비용은 감당할만 해도 금형은 일반적으로 뒤틀리거나 교체할 필요 없이 오래 갑니다. 제조업자가 다수의 공동이 있는 금형으로 다수의 파트를 동일 사이클에서 생산하면 압축 성형의 긴 사이클 타임과 관련된 비용을 보충할 수 있습니다.

압축 성형으로 생산되는 파트는 견고하며 흠집이나 니트라인이 없습니다. 압축 성형으로 제작한 파트는 구조적 안정성이 매우 우수합니다. 압축 성형은 복합재로 파트를 제조할 때도 사용하는 방법이며 이는 내구성, 내부식성 파트와 제품을 이 공정으로 쉽게 제작할 수 있음을 의미합니다.

압축 성형은 엔지니어와 제품 개발자들이 사용하기에도 훌륭한 제조 공법입니다. 예를 들어 저가 압축 성형으로 프로토타입을 제조할 수 있습니다. 형태가 단순한 압축 성형 금형은 컴퓨터 보조 설계(CAD) 소프트웨어로 설계하여 3D 프린팅한 후 탁상용 바이스와 다양한 유형의 소재로 성형할 수 있습니다. 이 글 후반에서 다룰 옥소(OXO)의 프로토타입 제작법을 예시로 확인할 수 있습니다.

압축 성형에는 장점이 많이 있지만 제약도 있습니다. 압축 성형으로 경사가 가파르거나 작은 디테일이 있는 복잡한 파트를 제조하려 한다면 잘 되지 않습니다. 사이클 타임은 몇 분이 소요되어 고물량 성형 방법과 비교하면 느립니다. 예를 들어 사출 성형은 사이클 타임이 단 몇 초로 해결되는 경우가 빈번합니다.

압축 성형은 사이클 타임이 길어 작업 시간이 연장되므로 관련된 인건비 또한 비교적 많이 듭니다. 압축 성형으로 제작된 파트는 플래시와 버(burr)를 수작업으로 제거하는 데도 시간이 걸리고 폐기물이 생깁니다. 이런 제약 사항을 제외하면 압축 성형은 여전히 우리가 매일 사용하는 다양한 제품을 생산하는 데 사용할 수 있는 중요한 제조 방법입니다.

압축 성형의 응용 분야는 무궁무진합니다. 다음은 우리가 상호작용하는 무수한 압축 성형 파트와 제품 중 일부입니다.

• 차량 부품 - 대형 부품과 자동차, 트랙터, 기타 차량에 들어가는 패널 다수는 압축 성형으로 제작됩니다. 차량 인테리어에 사용되는 플라스틱 부품뿐만 아니라 엔진 구성품도 압축 성형으로 제작할 수 있습니다.

• 컴퓨터와 게임 장치 - 비디오 게임 컨트롤러, 키패드 외 기타 장치의 구성품을 압축 성형으로 제작할 수 있습니다.

• 주방용품 - 주방용 도구와 조리 기구, 가전 제품 다수에 압축 성형으로 제작된 파트를 사용합니다. 보울, 컵, 접시 외 다수의 식기류, 특히 멜라민으로 제작되는 식기류를 압축 성형으로 제작하는 사례는 빈번합니다.

• 전기 제품 구성품 - 전기 소켓, 스위치, 면판, 계량 장치의 제조에 압축 성형을 종종 사용합니다.

• 의료 기기와 치과용 기기 부품 - 의료 업계에서 사용되는 주사기 마개와 호흡기 마스크같은 플라스틱과 실리콘 부품은 대다수가 압축 성형으로 제작됩니다.

압축 성형으로 제작된 주방 기구.

압축 성형 장비는 거대한 산업용 장비에서 작은 DIY 장비까지 크기면에서 다양합니다. 압축 성형 장비는 장비로 생산된 파트와 매우 흡사하게 장비를 제작한 엔지니어와 디자이너만큼이나 다양합니다. 다음 섹션에서 몇 가지몇 예시를 살펴보겠습니다.

대형 산업용 압축 성형기는 크기가 큰 상업용 파트를 생산하는데 가장 적합한 장비입니다.

유압 리프트 시스템을 이용하면 제조 과정에서 고압을 사용할 수 있고 대형 파트를 균일하게 얻을 수 있으며 작업자가 분리된 제어 패널에서 공정을 감독할 수 있습니다.

비교적 규모가 작은 벤치탑 프레스기는 중소형 파트와 제품을 생산하기에 제격입니다. 벡우드(Beckwood) 벤치탑 프레스는 산업용 대형 프레스기보다 공간을 덜 차지하지만 대량 생산에 잘 맞습니다. 접근 지점이 다양해지면 엔지니어가 생성된 파트에서 플래시를 쉽게 그리고 유연한 방식으로 떼어낼 수 있으며 공간을 덜 차지하게 되면 소규모 창고나 생산 설비에 들여 놓기가 쉽습니다.

혹시나 해서 알려드리지만 압축 성형은 열을 사용하는 방법이 있고 사용하지 않는 방법이 있습니다. 이 점은 압축 성형기 규모와 상관 없이 모두 해당합니다 일부 제조업체는 심지어 냉간 압축 성형기를 사용하면서 금형 안에 장입하기 전에 충진재를 가열하기도 합니다. 완성된 파트의 경화 양상을 제어할 수 있고 특정 시간에 열을 가하여 생산 사이클을 단축할 수 있습니다.

습식 압축 성형기는 레진, 에폭시, 기타 액체 물질과 고체 섬유를 합치는 데 사용합니다.

습식 압축 성형기는 내구성이 좋은 자동차 부품과 구성품 제작에 흔히 사용되는 공정이 되었습니다. BMW 및 기타 대기업에서는 습식 압축 성형기를 자사의 생산 라인에 도입했습니다.

압축 성형은 홈 데코 디자이너와 DIY 작업자에게도 훌륭한 성형 방법입니다. 우레탄 같이 부드러운 소재는 비교적 낮은 압력으로 압축 성형할 수 있고 심지어 복잡한 금형은 3D 프린터와 CAD 소프트웨어로 쉽게 만들 수 있습니다. 규모가 작은 프로젝트에서는 간단히 탁상용 바이스나 레버 시스템으로 압축 성형을 진행할 수 있습니다.

열가소성 플라스틱과 열경화성 플라스틱 모두 압출 성형에 사용할 수 있습니다. 열가소성 플라스틱은 가열하면 부드러워져서 잘 휘어지며 냉각하면 딱딱해지고 여러 번 반복해서 열을 가하고 냉각(또는 재성형)할 수 있습니다.

이와 달리 열경화성 소재에는 열에 노출하면 비가역적으로 경화되는 플라스틱과 기타 중합체가 포함되어 있습니다. 압축 성형 공정을 거친 열가소성 플라스틱의 화학적 형질은 되돌릴 수도 없고, 반복할 수도 없는 형식으로 바뀝니다.

다음은 압축 성형에 흔히 사용되는 소재 중 일부입니다.

• 디알릴프탈산(DAP)

• 에폭시

• 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)

• 멜라민

• 폴리아미드-이미드(PAIs)

• 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK)

• 폴리우레탄(PU)

• 폴리페닐렌 설파이드(PPS)

• 페놀수지(PF)

• 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)

• 실리콘

• 요소포름알데히드(UF)

• 우레탄

압축 성형용 금형 제작 방법에는 사용할 소재, 즉 충진재에 따라 몇 가지 선택지가 있습니다. 핵심은 금형이 압축 공정을 견딜 수 있어야 한다는 점입니다. 따라서 열을 사용한다면 극적인 온도 변화를 처리할 수 있는 금형을 제작해야 합니다. 또한, 금형은 압축을 진행하는 동안 가해지는 압력을 견딜 수 있어야 합니다.

다이 캐스팅은 압축 성형용 금형뿐만 아니라 다른 제조 방법용 금형을 제작할 때도 가장 많이 사용되는 방법입니다. 내구성 있는 금속 파트를 가장 합리적인 가격에 얻을 수 있으므로 아직까지는 최고의 금형 제작 방법입니다. 다이 캐스팅에 사용되는 다이는 흔히 CNC 가공으로 제작되며 이 두 가지 제조 공법을 병행하는 일은 흔히 있습니다.

CNC 가공은 디테일한 표현이 있는 압축 성형용 금형을 제작하기에 가장 좋은 방법입니다. CNC 가공의 컴퓨터화된 구성품을 이용하면 엔지니어가 설계를 더 섬세하게 제어할 수 있지만 공구 제작용으로는 고가일 수 있습니다. 어떤 제조업체는 다이 캐스팅 이후에 CNC 가공을 거쳐 더 비용 효율적인 금형을 생산합니다.

압축 성형용 공구는 3D 프린팅으로도 제작할 수 있습니다. 비교적 크기가 작은 파트를 프로토타이핑 하려면 3D 프린팅으로 금형을 제작하는 편이 가장 저렴하고 신속합니다. CAD 소프트웨어를 이용하면 설계를 빠르게, 여러 차례 반복여 다시 프린팅한 후 테스트할 수 있습니다. 3D 프린팅으로는 일반적으로 비열 응용 분야에 사용되는 압축 금형을 제작합니다.

옥소는 미국에 기반을 두고 아이코닉한 주방 도구를 포함하여 인간공학적인 동시에 실용적인 가정용품을 창조하는 기업입니다. 옥소의 제품 개발자는 형태와 기능 프로토타이핑에 광경화성 수지 조형 방식(SLA) 3D 프린팅을 사용하지만, 개스킷같은 고무 구성품을 프로토타이핑하기에는 하이브리드 방식이 더 효율적입니다.

옥소의 엔지니어는 파트 사이에 방수 씰이 있는 칵테일 쉐이커용 개스킷의 기능을 프로토타이핑해야 했습니다. 사용 가능한 실리콘을 다양하게 테스트하고 난 엔지니어들은 실제 개스켓과 똑같이 작동하는 방수 프로토타입을 제작하기에는 2액형 실리콘 퍼티인 Castaldo Quick-Sil을 압축 성형하는 편이 가장 적합하다는 결론을 얻었습니다. 사실상 압축 성형용 금형의 프로토타입에는 개스킷 제조에 사용된 방법과 금형 디자인이 잘 표현되었습니다.

옥소의 엔지니어는 금형을 제작하는 데 Clear Resin과 Formlabs SLA 3D 프린터를 사용했습니다. 금형을 세척한 후 경화가 끝나면 압축 성형에 사용할 준비를 했습니다. 이형제를 안쪽 표면에 도포했습니다. 다음으로는 실리콘 퍼티를 준비하여 아래쪽 금형에 넣었습니다.

왼쪽: 실리콘 혼합물을 3D 프린팅 금형에 담는 모습. 오른쪽: 탁상 바이스로 금형에 압력을 가하는 모습.

그런 다음 상형(위쪽 금형)을 제자리에 닫으면 엔지니어가 탁상 바이스로 원하는 만큼 압력을 가해 금형을 압축할 수 있었습니다. 파트가 완전히 경화되어 금형에서 떼어내 다듬었습니다. 백서에 수록된 단계별 가이드를 이용하면 목적에 따라 해당 공정을 쉽게 조정할 수 있습니다.

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