금형 제작법: 전문가용 금형 제작 가이드

청동기 시대에 이르러 금형이 도입되자 선조들의 어설펐던 제조 공정이 진일보했습니다. 이후로도 사출성형, 열성형, 주조 같은 첨단 제조 공정을 사용하는 제조업자들은 우리를 둘러싼 플라스틱, 실리콘, 고무, 복합재와 금속 파트 제조에 대체로 금형에 의존해온 터라 금형 제작 기술은 계속 발전하고 있습니다.

이들 공정을 이용하여 특정 생산 요구 사항을 충족하는 데 관심이 있는 제작자라면 제조 전문 업체뿐만 아니라 취미 사용자까지도 금형 제작 공정, 금형 활용법, 최적화된 사용법을 이해해야 합니다. 

이 종합 가이드에서는 금형을 제작하려고 할 때 알아야 할 자세한 정보를 제공해드리려고 합니다. 다양한 금형 제작 공정에 관한 인사이트, 최고의 금형 제작 기술, 공정 최적화에 필요한 장비, 3D 프린팅의 역할을 들여다보고 금형 제작 프로젝트에서 실패하는 일이 없도록 각 공정의 단계와 무료 심층 콘텐츠 링크로 안내해드리겠습니다.

세상에는 고정용 도구, 구조, 프레임을 설계하여 가단성 소재의 모양 성형 과정을 수반하는 제조 공정이 다양하게 존재하며 여기에 쓰이는 고정용 도구, 구조, 프레임을 금형이라고 합니다. 구조적인 측면에서 금형은 제조자가 생산하려는 최종 디자인에 따라 설계한 오목한 형태(음형) 또는 볼록한 형태(양형)를 띠고 있습니다. 

금형의 역할은 다양한 제조 공정에서 핵심적이며 금형 제작의 주 목적은 주어진 디자인을 일관성 있게 복제하여 재생산하는 데 있습니다. 금형은 금속, 플라스틱, 세라믹, 목재, 발포폼 등을 소재로 제작합니다. 금형 제작 도구로 설계와 개발이 끝나면 금형을 금형 장비에 끼워넣고 열가소성 플라스틱 같은 원료를 부어넣거나 주변을 감싸 형태를 만듭니다. 굳으면 금형의 패턴이 소재에 각인되어 최종 제품의 형태가 완성됩니다.

그러면 금형으로는 어떤 것을 만들 수 있을까요? 프로토타입에서 복잡한 최종 사용 파트까지 모든 것을 제작할 수 있습니다. 자동차용 파트, 소비재, 패키지, 주얼리와 의료 장비 등을 제작하는 데 금형 제작 기술을 사용합니다. 사실 금형 기술로 제작된지 않은 구성품이 하나도 없는 기능성 제품은 찾아보기 힘듭니다.

금형 제작이 핵심을 이루는 제조 공정은 다양합니다. 품목을 대량 생산하는 데 필요한 청사진 역할을 금형이 하기 때문입니다. 다음은 금형이 필요한 제조 공정들입니다. 

• 사출 성형은 열가소성 레진, 실리콘 또는 고무 파트의 생산에 광범위하게 사용되는 제조 공정 중 하나입니다. 비용 효율적이며 반복이 극도로 쉬워 일련의 대량 생산에 사용되는 고품질 파트를 쉽게 수급할 수 있습니다. 이 공정에서는 사출 성형기 안에 개발을 끝낸 금형을 삽입한 후 열가소성 플라스틱에 열을 가하거나 액상 원료를 금형 안에 부어넣습니다. 재료가 굳으면 최종 파트를 성형기에서 꺼내고 이 과정을 빠르게 반복합니다.

• 열성형은 열을 가한 플라스틱 시트를 금형에 맞춰 특정한 형태로 만드는 공정입니다. 금형은 열성형 장비로 완제품을 개발할 때 패턴 역할을 합니다. 열성형 공정에 따라 가열된 가단성 소재를 금형 위로 당기거나 금형 위에 두고 누르거나 진공의 힘으로 압착하여 형태를 만듭니다. 열성형은 패키지 제작에 흔히 사용되는 방법이지만 내구성이 필요한 최종 사용 파트의 제작에 사용하기도 합니다.

• 주조는 용융된 금속이나 기타 액상 소재로 금형을 채우는 작업을 수반합니다. 용융된 재료가 금형 안에서 식으면서 원하는 제품의 형상으로 굳어집니다. 주조는 흔히 금속 제품 제조에 쓰는 공정이지만 실리콘과 플라스틱 파트 제작에도 사용합니다.

• 압축 성형은 일반적으로 정량의 예열한 성형 소재를 두 개의 가열된 금형으로 압축하여 원하는 형태로 만드는 제조 공정입니다.  압축 성형은 흔히 파트의 디자인이 단순하고 생산 물량이 중소규모 시리즈일 때 사출 성형의 대안으로 고려하는 공정입니다.

• 블로우 성형은 불기법을 사용한 유리 성형과 유사한 기술입니다. 가열된 튜브 형태의 재료(일반적으로 플라스틱이나 유리)에 블로우 성형기로 공기를 불어 넣어 부풀려 금형에 고착되게 하는 방법입니다. 공기를 주입하면 내부 압력 때문에 플라스틱이 팽창하여 금형 형태와 같은 형태로 성형된 결과물을 얻을 수 있습니다. 블로우 성형은 일반적으로 병 처럼 속이 빈 제품을 제조할 때 사용합니다. 

• 복합재 라미네이팅은 탄소 섬유, 유리 섬유, 캐블라 등의 고성능 재료를 금형 위에 올려 습식 레이업, 프리프레그 라미네이팅, 레진 트랜스퍼 성형 같은 방법으로 복합재 어셈블리를 만드는 과정을 수반합니다.

금형에는 다양한 유형이 있어 위에 강조한 제조 공정에서 툴링 솔루션으로 사용할 수 있습니다. 예를 들어 알루미늄 주조에는 사형 주형, 세라믹 주형, 쉘 주형 등 약 7가지 유형이 있습니다. 여기서는 다양한 금형의 유형을 간단히 다음과 같이 분류합니다 

• 일체식 금형은 가장 간단한 유형이며 성형할 물체의 모든 부분에서 표면이 균일합니다. 표면이 평평하고 단일한 금형 디자인 또는 물체는 일체식 또는 단일형 금형으로 반복 생산할 수 있습니다. 일체식 금형은 CAD 모델로 제작할 수도 있지만 대체로 물리적인 마스터 금형으로 개발합니다. 

• 분할식 금형으로 접근하면 더 복잡한 디자인의 금형을 만들 수 있습니다. 분할식 금형은 두 개의 분리된 파트가 분리선에서 만나 최종 제품을 생산하는 금형으로 정의합니다. 생산된 파트는 각각 모델 디자인 또는 마스터 모델에서 양쪽 파트에 지정된 서로 다른 형상을 반영합니다. 분할식 금형을 제작할 때도 마찬가지로 마스터 금형이나 CAD 모델로 금형의 양쪽 부분을 모두 개발합니다.

• 다수 부분품 금형은 일체식 또는 분할식 금형의 개발 공정에 비해 형상이 복잡한 금형을 제작하기에 좋은 선택지입니다. 다수 부분품 금형은 모델의 여러 면이나 형체를 다양하게 설명합니다. 모델의 다양한 부분 형체를 재구성한 다수의 파트가 모여 완성된 금형을 이룹니다. 

• 다수 캐비티 금형에는 동일한 파트 형상의 캐비티(동공)가 두 개 이상 있어 생산 주기당 여러 개의 파트를 한 번에 제조하여 생산성을 높일 수 있습니다.

다양한 금형의 유형을 분류할 때 필요한 중요한 특징 중에는 개발한 금형의 재사용 빈도가 있습니다. 재사용 빈도는 제작자가 의도한 금형의 재사용 횟수입니다. 재사용 빈도에 따라 금형을 나누면 다음과 같습니다.

• 일회용 금형 또는 수용성 희생틀: 단일 개체를 재생산하는 데 사용하며 한 번 사용하면 금형 분리 과정에서 파괴됩니다. 일회용 금형은 일반적으로 모래, 클레이, 실리콘, 왁스, 플라스틱으로 제작합니다.

• 재사용 금형 또는 영구 금형: 명칭에서 알 수 있 듯 소량에서 대량 생산 실행까지 반복 주기에 재사용할 수 있습니다. 소량 생산(때때로 소프트 몰드로 지칭)일 때는 실리콘, 발포폼, 목재, 플라스틱, 알루미늄 같은 연질 금속으로 재사용 금형을 제작할 수 있습니다. 물량이 클 때는 마모가 없고 내구성이 있는 금형(주로 하드 몰드로 지칭)이 필요하므로 대개 철강 같은 초경합금으로 제작합니다. 

주어진 응용 분야에 가장 꼭 맞는 금형 제작 방법은 무엇일까요? 최적의 금형 제작법은 원하는 최종 파트의 재료, 의도하는 제조 공정, 모델의 기하학적 형상, 생산 수량 같은 몇 가지 중요한 인자에 따라 달라집니다.  

제조 프로젝트에 가장 적합한 기술을 선택하는 방법을 다음 단계에서 간단하게 단계별로 소개합니다. 

제조 마스터 플랜은 프로젝트에서 예상되는 사항, 개발 일정 및 사용 가능한 예산에 대한 명확한 세부 정보를 생성하는 데 도움이 될 수 있습니다. 맞춤형 파트를 제작할 계획인지 아니면 동일한 품목을 수천 개 대량 생산할 계획인지에 따라 다음 단계에서 어떤 옵션을 선택할지 결정합니다. 개발 기준은 프로젝트에 따라 다를 수 있지만 일반적으로 부품의 디자인, 크기, 재료, 품질, 필요한 공차, 일정, 필요한 생산량, 비용 제약 등이 포함됩니다. 

초기 제품 개발 단계라면 이런 기준은 주로 제품 요구 문서(PRD)에서 찾을 수 있고 자재명세서(BOM)에는 제품을 생산하는 데 필요한 부품, 품목, 어셈블리, 기타 재료 목록이 모두 있습니다.

특정 파트를 생산할 때 최적의 제조 공정은 대부분 개발 기준에 따라 달라집니다. 어떤 경우에는 주어진 디자인을 구현하기 위해 여러 가지 생산 공정을 함께 사용할 수 있습니다. 경험상, 나머지 개발 기준은 충족하고 가장 저렴하게 필요한 품질을 갖춘 파트를 생산할 수 있는 프로세스를 선택합니다. 결정을 내리는 데 가장 중요한 기준은 소재 선택과 제조 물량일 것입니다.

플라스틱 파트를 생산하려고 한다면 당사의 플라스틱 제조 공정 가이드를 참고하실 수 있습니다.

요구 사항에 꼭 맞는 제조 공정을 결정했다면 공정에 대한 금형의 적합 여부도 기준에 따라 크게 달라집니다. 정확한 비중은 제조 공정에 따라 달라지겠지만 금형 제작 기술을 선택할 때 가장 중요하게 고려해야 할 사항은 다음과 같습니다.

• 파트 설계: 가능한 한 설계는 단순하게 하고 주어진 생산 공정의 설계 규정에 맞춰 가장 저렴한 비용으로 제조할 수 있는 기술을 선택해야 합니다. 디자인이 단순한 금형은 수작업으로 제작해도 충분할 수 있지만, 복잡한 디자인에는 3D 프린터나 CNC 가공과 같은 디지털 제조 도구와 파트 여러 개로 구성된 금형이 필요한 경우가 많습니다. 

• 생산 물량: 물량이 큰 생산 실행의 경우 내구성이 커서 몇 번 반복해서 사용해도 마모 없이 모형을 복제할 수 있는 금형이 필요합니다. 그렇지만 그런 도구는 비용과 리드 타임이 많이 듭니다. 일회성 파트를 소량으로 일괄 생산하려고 한다면 수용성 희생틀이나 소프트 금형 같이 빠르게 제작할 수 있는 저렴한 금형을 사용하는 편이 더 효율적일 수 있습니다.

• 품질: 공차가 엄격할수록 디지털 제조 도구 같이 더 정밀한 금형과 공구를 제작해야 하며, 생산 주기를 여러 번 거치는 동안 일관성 있는 품질을 얻으려면 금형과 공구의 내구성은 더 우수해야 합니다.

• 일정: 복잡한 금속 금형을 제작하는 데는 서비스 제공업체를 통해 수개월이 걸리는 경우가 많습니다. 작업 일정이 짧다면, 3D 프린팅 신속 툴링 같이 리드 타임을 단축할 수 있는 대안을 찾아보세요.

• 소재: 융점이 높거나 마모성이 강한 소재는 내구성이 뛰어나고 성능 저하 없이 필요한 양의 부품을 제작할 수 있는 금형이 필요합니다.