플라스틱 제조 공정 가이드

전문 3D 프린터를 이용하면 완전한 물리적 파트가 형성될 때까지 소재를 한 층씩 쌓아 올리는 방법으로 CAD 모델을 3차원 파트로 직접 생성할 수 있습니다.

1. 프린팅 준비: 소프트웨어로 프린터의 빌드 볼륨 내에서 모델의 방향을 지정 및 배치하고, (필요한 경우) 서포트 구조를 추가하여 모델을 지지하고 레이어로 분할합니다.
2. 프린팅: 프린팅 프로세스는 3D 프린팅 기술 방식에 따라 달라집니다. 융합 증착 모델링 방식(FDM)은 플라스틱 필라멘트를 녹이고 광경화성 수지 조형 방식(SLA)은 액체 레진을 경화하며 선택적 레이저 소결 방식(SLS)은 플라스틱 분말을 융합합니다.
3. 후처리: 프린팅이 완료되면 프린터에서 파트를 꺼낸 후 잔여 분말을 제거하거나 세척하고 (기술에 따라 다르짐지만) 후경화하여 (해당되는 경우) 서포트 구조를 제거합니다.

3D 프린터는 새로운 디자인을 위한 툴링과 최소 준비 시간이 필요하지 않으므로 기존 제조 공정과 비교했을 때 3D 프린터의 맞춤형 파트 생산 비용은 무시해도 될 정도입니다.

3D 프린팅 프로세스는 일반적으로 대량 생산에 사용되는 제조 프로세스보다 느리고 노동 집약적입니다.

그러나 3D 프린팅 기술이 향상됨에 따라 파트 단가가 지속적으로 낮아져 중소 규모 응용 분야의 폭이 넓어졌습니다.

플라스틱 제조 공정에는 대부분 값비싼 산업용 기계, 전용 시설 및 숙련된 작업자가 필요하지만 3D 프린팅을 사용하는 회사는 플라스틱 파트를 쉽게 제작하고 사내에서 빠르게 프로토타입을 제작할 수 있습니다.

플라스틱 파트 제작용 소형 데스크톱 또는 벤치톱 3D 프린팅 시스템은 저렴하고 공간이 거의 필요하지 않으며 특별한 기술이 필요하지 않으므로 전문 엔지니어, 설계자, 제조업체가 며칠에서 몇 주까지 걸리던 반복 및 생산 주기를 며칠 단 몇 시간으로 단축할 수 있습니다.

시중에는 다양한 유형의 3D 프린터와 3D 프린팅 기술이 있으며 기술에 따라 사용 가능한 소재가 다릅니다.

CNC 가공에는 밀링기, 선반, 기타 컴퓨터로 제어하는 절삭 공정이 포함됩니다. 이러한 프로세스는 단단한 블록형, 바형, 막대형 금속 또는 플라스틱에서 시작하여 절단, 보링, 드릴링, 연삭을 통해 소재를 제거하여 모양을 만들어 나갑니다.

대부분의 다른 플라스틱 제조 공정과 달리 CNC 가공은 회전 도구와 고정 파트(밀링) 또는 고정 도구(선반)가 있는 회전하는 파트로 소재를 제거하는 절삭 공정입니다.

1. 작업 준비: CNC 장비에는 (CAD에서 CAM으로) 공구 경로를 생성하고 검증하는 중간 단계가 필요합니다. 작업자는 공구 경로에서 절삭 도구가 이동하는 위치, 속도, 도구의 변경을 제어합니다.
2. 기계가공: 공구 경로를 주어진 절삭 프로세스가 시작되는 기계로 전송합니다. 최종 제품에 원하는 형태에 따라 도구 헤드가 새 영역에 도달할 수 있도록 공작물의 위치를 새로 설정해야 할 수 있습니다.
3. 후처리: 제조 후 파트를 세척하여 이물질을 제거한 후 트리밍합니다.

기계 가공은 엄격한 공차와 성형하기 어려운 형상으로 구성된 플라스틱 파트를 소량으로 제작하는 응용 분야에 이용하기에 좋습니다. 일반적인 응용 분야로는 풀리, 기어, 부싱과 같은 부품의 프로토타이핑과 최종 사용 파트가 있습니다.

CNC 가공은 준비 비용이 낮거나 중간 정도이며 다양한 소재로 짧은 리드 타임을 거쳐 고품질 플라스틱 파트를 생산할 수 있습니다.

기계 가공 공정에는 3D 프린팅보다 파트 형상 제한이 더 많습니다. 기계 가공을 사용하면 파트가 복잡할수록 파트 단가가 증가합니다. 여러 파트 면에 언더컷, 패스스루, 피처가 있으면 모두 파트 비용 증가로 이어집니다.

기계 가공 공정에는 도구가 접근할 여유 공간이 필요하며 곡선형 내부 채널 같은 특정 형상은 기존의 절삭 방법으로 생산하기 어렵거나 불가능합니다.

약간의 난이도 차이가 있지만 경질 플라스틱은 대부분 기계로 가공할 수 있습니다. 더 부드러운 열경화성 플라스틱은 기계 가공 중에 파트를 지지하기 위해 특수 도구가 필요하며 충전 플라스틱은 연마성이 있어 절삭 공구 수명을 단축시킬 수 있습니다.

다음은 흔히 가공되는 플라스틱의 일부입니다.

• 아크릴(PMMA)
• 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)
• 폴리아미드 나일론(PA)
• 폴리락트산(PLA)
• 폴리카보네이트(PC)
• 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK)
• 폴리에틸렌(PE)
• 폴리프로필렌(PP)
• 폴리염화비닐(PVC)
• 폴리카보네이트(PC)
• 폴리스티렌(PS)
• 폴리옥시메틸렌(POM)

폴리머 주조에서는 반응성 액체 레진 또는 고무로 금형을 채워 화학 반응을 일으켜 응고시킵니다. 주조에 사용되는 일반적인 폴리머에는 폴리우레탄, 에폭시, 실리콘, 아크릴 등이 있습니다.

1. 금형 준비: 금형을 쉽게 이형(금형과 분리)하기 위해 이형제로 코팅하며며 소재는 종종 특정 온도로 예열합니다.
2. 주조: 합성 수지를 경화제와 혼합하여 금형에 붓거나 주입하여 금형의 캐비티(금형 사이 빈 공간)를 채웁니다.
3. 경화: 주물이 응고될 때까지 금형 안에서 경화합니다(금형에 열을 가하면 특정 폴리머의 경화 시간을 가속할 수 있음).
4. 이형: 금형을 열고 경화된 파트를 꺼냅니다.
5. 트리밍: 플래시(상하 금형 사이에 생기는 틈), 탕구(주물을 금형에 부어 넣는 통로, 스프루), 이음새와 같은 주조에서 생기는 결함을 자르거나 샌딩 처리합니다.

라텍스 고무 또는 실온 가황(RTV) 실리콘 고무로 만든 유연한 금형은 하드 툴링과 비교할 때 저렴하지만 우레탄, 에폭시, 폴리에스테르, 아크릴의 화학 반응으로 인해 금형 표면 품질이 저하되기 때문에 제한된 수(약 25~100개)의 주물만 생산할 수 있습니다.

RTV 실리콘 금형은 가장 미세한 디테일도 재현할 수 있어 고품질 주조 파트를 생산할 수 있습니다. 광경화성 수지 조형 방식 3D 프린팅은 CAD 설계를 직접 마스터 금형으로 제작하는 데 흔히 사용하는 방법으로, 이렇게 된 데는 고해상도와 미세 형상 생성 능력이 어느 정도 영향을 미쳤습니다.

폴리머 주조는 상대적으로 저렴하고 초기 투자 비용이 거의 없지만 주조용 열경화성 폴리머는 일반적으로 열가소성 폴리머보다 비싸고 주조 파트 성형은 노동 집약적입니다. 주조 파트는 약간의 수작업으로 하나씩 후처리를 해야 해서 사출 성형과 같은 자동화된 생산 방법에 비해 파트당 최종 단가가 높습니다.

폴리머 주조는 일반적으로 프로토타이핑, 단기 생산, 특정 치과 및 주얼리 응용 분야에 사용됩니다.

• 폴리우레탄 레진
• 에폭시
• 폴리에테르
• 폴리에스테르
• 아크릴
• 실리콘

회전 성형(로토몰딩이라고도 함)은 속이 빈 금형을 열가소성 레진 분말로 채운 후 가열하고 두 축을 중심으로 회전시켜 주로 크고 속이 빈 물체를 생산하는 공정입니다. 열경화성 플라스틱을 회전 성형하는 공정도 사용할 수 있지만 그다지 일반적이지 않습니다.

1. 충전: 플라스틱 분말을 금형 캐비티에 넣은 다음 금형의 나머지 부분을 연결하여 캐비티를 닫습니다.
2. 가열: 플라스틱 분말이 녹아 금형의 벽에 달라붙을 때까지 금형을 가열하며, 플라스틱을 균일하게 코팅하기 위해 금형을 두 개의 수직 축을 따라 회전시킵니다.
3. 냉각: 금형이 완전히 응고되기 전에 파트의 표피가 처지거나 붕괴되지 않도록 금형을 냉각하는 동안 계속 금형을 움직입니다.
4. 파트 회수: 파트를 금형에서 분리하여 플래싱이 있다면 제거합니다.

회전 성형은 금형 형태로 만드는 데 압력이 아닌 원심력을 사용하기 때문에 다른 성형 기술보다 비용이 적게 듭니다. 금형은 조립, CNC 기계 가공, 주조, 에폭시나 알루미늄 성형 등의 방법으로 제작할 수 있으며, 특히 대형 파트의 경우 다른 성형 공정을 위해 공구를 제작하는 것보다는 훨씬 빠르고 저렴한 비용으로 제작할 수 있습니다.

회전 성형을 이용하면 벽 두께가 거의 균일한 파트를 제작할 수 있습니다. 툴링 및 프로세스 준비가 끝나면 파트 크기를 고려할 때 파트 단가가 아주 저렴합니다. 금속 나사산, 내부 파이프, 구조물을 미리 제작하여 금형에 추가하는 것도 가능합니다.

이러한 요인으로 인해 회전 성형은 단기 생산용으로 제일 적절하며 블로우 성형의 대안으로 소량 생산에 사용하는 편이 적절합니다. 일반적인 회전 성형 제품에는 탱크, 부표, 대형 컨테이너, 장난감, 헬멧 및 카누 선체가 포함됩니다.

회전 성형에는 몇 가지 설계 제약이 있으며 완제품의 공차가 정확하지 않습니다. 전체 금형을 가열 및 냉각해야 하므로 이 공정은 사이클 시간이 길고 상당히 노동 집약적이어서 제작할 양이 많아지면 효율성이 제한됩니다.

회전 성형에 가장 많이 사용되는 소재는 폴리에틸렌(PE)으로, 응용 분야의 80%에서 사용되며 가장 큰 이유는 실온에서 분말로 쉽게 분쇄할 수 있기 때문입니다.

다음은 회전 성형에 일반적으로 사용되는 플라스틱 중 일부입니다.

• 폴리에틸렌
• 폴리프로필렌
• 폴리염화비닐
• 나일론
• 폴리카보네이트

진공 성형 또는 열 성형은 일반적으로 금형으로 플라스틱을 가열하여 성형하는 제조 방법입니다. 진공 성형 장비는 저비용 데스크톱 장치에서 자동화된 산업 장비에 이르기까지 크기와 복잡성이 다양합니다. 산업용 진공 성형의 일반적인 공정은 다음과 같이 단계별로 설명합니다.

1. 클램핑: 플라스틱 시트를 프레임에 고정합니다.
2. 가열: 시트와 프레임을 발열체 가까이로 옮겨 플라스틱을 부드럽고 유연하게 만듭니다.
3. 흡기:
 프레임을 하강시켜 플라스틱이 금형 위에서 늘어나는 동안 진공을 활성화하어 플라스틱과 금형 사이에서 공기를 모두 빨아들이면 파트의 모양이 잡히게 됩니다.

진공 성형에 쓰이는 툴링 비용은 다른 성형 기술의 툴링 비용보다 저렴한데 이는 필요한 힘과 압력이 낮은 데서 기인합니다. 금형은 목재, 석고 또는 레진 3D 프린팅으로 제작되어 단기 생산 및 맞춤형 파트 생산이 가능합니다. 대량으로 생산하려는 제조업체는 내구성이 더 뛰어난 금속 공구를 사용합니다.

사용 가능한 광범위한 열성형 및 진공 성형 기계와 고급 자동화 가능성을 고려할 때 열성형은 맞춤형 제품 또는 프로토타입에서 대량 생산에 이르는 모든 응용 분야에 이상적입니다. 그러나 이 프로세스는 디자인적 자유가 제한적이어서 상대적으로 얇은 벽과 간단한 형상을 가진 파트를 제조하는 데만 사용할 수 있습니다.

흔히 진공 성형으로 제작되는 파트에는 제품 포장, 샤워 트레이, 자동차 도어 라이너, 보트 선체 및 치과 교정기와 같은 맞춤형 제품 등이 있습니다.

열가소성 레진이라면 대부분 열성형에 사용할 수 있어 소재 선택에 유연성이 있습니다.

다음은 열성형에 일반적으로 사용되는 플라스틱 중 일부입니다.

• 아크릴(PMMA)
• 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)
• 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG)
• 폴리스티렌(PS)
• 폴리카보네이트(PC)
• 폴리프로필렌(PP)
• 폴리에틸렌(PE)
• 폴리염화비닐(PVC)

사출 성형(IM)은 용융된 열가소성 레진을 금형에 주입하여 진행합니다. 플라스틱 파트의 대량 생산에 가장 널리 사용되는 공정입니다.

1. 금형 준비: 파트에 인서트가 있는 경우 수동으로나 로봇 방식으로 삽입됩니다. 금형은 유압 프레스로 닫습니다.
2. 플라스틱 압출: 작은 플라스틱 알갱이가 녹으면 가열한 챔버를 통해 스크류로 압출합니다.
3. 성형: 녹은 플라스틱을 금형에 주입합니다.
4. 냉각 및 분리: 파트는 기계적으로 또는 압축 공기로 배출할 수 있을 만큼 단단해질 때까지 금형에서 냉각됩니다.
5. 후처리: 탕구, 탕도(러너), 플래시(있다면)는 종종 금형을 개방할 때 자동으로 파트에서 떨어져 나갑니다.

사출 성형용 금형은 매우 복잡하며 고품질 파트를 생산하려면 엄격한 공차로 제작해야 합니다. 사출 성형에 사용되는 고온과 압력 때문에 이러한 금형은 경화 강철과 같은 금속으로 가공해야 합니다. 비교적 무른 알루미늄 금형은 저렴하지만 더 빨리 마모되므로 일반적으로 중간 물량 생산 실행에 사용됩니다.

사출 성형은 매우 복잡한 파트를 생산하는 데 사용할 수 있지만 특정 형상은 비용을 크게 증가시킵니다. 제조 특화 설계(DFM) 지침을 따르면 툴링 비용을 관리할 수 있습니다. 사출 성형용으로 새로운 금형을 제작하려면 몇 달이 걸릴 수 있으며 비용은 5자리 또는 6자리 수에 달할 수 있습니다.

초기 비용이 많이 들고 생산을 서서히 늘릴 수 있지만 대량 물량 응용 분야에 사출 성형만큼 적합한 것은 없습니다. 공구를 제작하여 작동하면 사이클 시간은 몇 초밖에 걸리지 않으며 수백만 개의 고품질 파트를 다른 모든 제조 공정 비용의 일부만으로 생산할 수 있습니다.

사출 성형에는 거의 모든 유형의 열가소성 레진을 사용할 수 있습니다. 유사한 방법으로 알려진 반응 사출 성형(RIM)이 열경화성 플라스틱으로 파트를 제조하는 데 사용됩니다.

다음은 사출 성형에 일반적으로 사용되는 플라스틱 중 일부입니다.

• 아크릴(PMMA)
• 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)
• 폴리아미드(PA)
• 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG)
• 폴리스티렌(PS)
• 폴리카보네이트(PC)
• 폴리프로필렌(PP)
• 폴리에틸렌(PE)
• 폴리염화비닐(PVC)

압출 성형은 다이를 통해 플라스틱을 밀어서 진행합니다. 최종 파트의 단면이 다이의 모양과 같게 성형됩니다.

1. 플라스틱 압축: 가열된 플라스틱을 나사로 밀어 가열된 챔버를 통과시킵니다.
2. 성형: 다이를 통과한 플라스틱의 형태가 파트의 최종 모양으로 형성됩니다.
3. 냉각: 압출된 플라스틱을 냉각합니다.
4. 냉각 및 스풀: 연속된 형태를 스풀링하거나 적당한 길이로 절단합니다.

압출 기계는 덜 복잡하고 높은 수준의 기계 정확도를 요구하지 않으므로 CNC 또는 사출 성형과 같은 다른 산업용 장비에 비해 상대적으로 저렴합니다. 모양이 단순하여 금형 비용도 사출 성형용 금형의 일부에 불과하므로 금형 비용도 저렴합니다.

사출 성형과 마찬가지로 압출 성형은 거의 연속 공정이므로 압출 파트의 가격이 매우 낮습니다.

압출로 제작할 수 있는 형태와 형상은 T자형 단면, I자형 단면, L자형 단면, U자형 단면, 사각형이나 원형단면 등 연속적인 프로파일을 가진 제품으로 제한됩니다. 일반적인 응용 분야에는 파이프, 호스, 빨대 및 창틀 몰딩이 포함됩니다.

다음을 포함하여 거의 모든 유형의 열가소성 플라스틱을 압출할 수 있습니다.

• 아크릴(PMMA)
• 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)
• 폴리아미드(PA)
• 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG)
• 폴리스티렌(PS)
• 폴리카보네이트(PC)
• 폴리프로필렌(PP)
• 폴리에틸렌(PE)
• 폴리염화비닐(PVC)

블로우 성형은 금형 내부에서 가열된 플라스틱 튜브를 원하는 모양이 형성될 때까지 팽창시켜 속이 빈 플라스틱 파트를 만드는 데 사용되는 제조 기술입니다.

1. 금형 준비: 녹인 작은 플라스틱 알갱이을 패리슨 또는 프리폼(블로우 성형 하위 유형에 따라 다름)이라고 하는 속이 빈 튜브 형태로 만듭니다.
2. 성형: 패리슨을 금형에 고정하고 금형 내부의 형태가 될 때까지 압축 공기를 불어넣습니다.
3. 냉각 및 분리: 파트를 꺼낼 수 있을 만큼 단단해질 때까지 금형에서 식힙니다.

블로우 성형은 사출 성형보다 훨씬 낮은 압력에서 작동하므로 툴링 비용을 절감할 수 있습니다. 사출 성형 및 압출과 마찬가지로 블로우 성형은 완전 자동화가 가능한 연속 공정으로 생산 속도는 신속하고 단위 비용은 저렴합니다.

블로우 성형은 속이 빈 플라스틱 제품을 대규모로 만드는 데 사용되는 가장 일반적인 공정입니다. 일반적인 응용 분야에는 병, 장난감, 자동차 파트, 산업 파트 및 포장 등이 있습니다.

다양한 열가소성 플라스틱 소재로 블로우 성형을 수행할 수 있으며 가장 일반적인 소재는 다음과 같습니다.

• 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)
• 폴리프로필렌(PP)
• 폴리염화비닐(PVC)
• 폴리스티렌(PS)
• 폴리카보네이트(PC)
• 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)