사출성형 비용은 어떻게 산정할까요?

짧게 답해보면 플라스틱 사출 금형에는 사출 금형을 3D 프린팅으로 소량 제작하는 $100 내외의 비용에서 초대물량 생산에 사용되는 복잡한 다공성 스틸 금형 제작에 드는 $100,000 이상의 비용까지 비용의 폭이 넓으며, 이는 대체로 사출 성형 비용에서 가장 중요한 부분을 차지하는 고정 진입 비용을 의미합니다. 그러나, 이런 비용이 수백 또는 수천의 파트로 분산되는 까닭에 사출성형 공정은 플라스틱 파트를 대량 생산할 때나 경제적인 방법이 될 수 있습니다.

이 가이드에서는 총 사출성형 비용을 구성하는 다양한 요소를 광범위하게 분석했습니다.

사출성형은 플라스틱 제조를 선도하는 공정 중 하나입니다. 허용 오차가 적어서 동일한 파트를 대량 생산하는 데 널리 사용됩니다. 비용 효율적이며 반복이 극도로 쉬워 일련의 대량 생산에 사용되는 고품질 파트를 쉽게 수급할 수 있습니다.

용융된 소재를 금형 안에 주입하는 데 높은 열과 압력이 수반되는 빠르고 집중적인 공정입니다. 용융 소재는 제조 프로젝트의 범위에 따라 달라집니다. 가장 대중적인 재료는 ABS, PS, PE, PC, PP, TPU 등의 여러 열가소성 플라스틱이지만 금속과 세라믹도 사출성형할 수 있습니다. 금형의 구성 요소에는 용융 재료를 수용하는 공동(cavity)이 있으며 금형은 부품의 최종 형상을 세밀하게 반영하도록 설계합니다.

일반적으로 사출성형 비용의 주요 원가 동인은 금형 비용이며, 이 비용은 툴링 비용으로도 알려져 있습니다. 금형의 설계와 제작에 드는 비용은 생산 수량, 파트 설계의 복잡성, 금형 소재, 금형 제작 공정에 따라 달라집니다.

단순한 소량 3D 프린팅 금형에는 비용이 $100 정도로 적게 드는가 하면 대량 생산에 사용되는 복잡한 금형의 설계와 제작에는 $100,000에 달하는 비용이 들기도 합니다. 고정 진입 비용은 상당하지만, 사출성형은 열가소성 플라스틱 소재 가격이 저렴하여 변동비가 적게 들고 작업 주기가 짧으며 자동화와 규모의 경제 덕분에 인건비가 점진적으로 줄어 드는 공정입니다. 이는 생산 변동비는 적게 들고 공정은 점점 효율적으로 발전하여 생산량이 늘어날수록 비용이 수백 또는 수천의 파트에 분산됨에 따라 파트당 비용이 줄어든다는 의미입니다.

이 동영상에서 당사는 3D 프린팅 금형을 사용한 사출성형 공정 단계를 안내하기 위해 사출 성형 서비스 제공업체 멀티플러스와 협력했습니다.

사출성형과 관련된 서로 다른 비용 유형을 이해하려면 공정을 심도 있게 분석해야 합니다.

사출성형에 사용되는 특수 목적 장비는 그 범위가 기업이 인하우스용으로 사용 가능한 비교적 크기가 작은 데스크톱용 사출성형기부터 서비스 공급 업체, 계약 제조 업체, 대규모 제조 업체에서 사용하는 거대한 산업용 사출 성형 기계에 이를 수 있습니다.

사출성형으로 파트를 소량 생산하기에는 비교적 규모가 작은 데스크톱 사출 성형 기계와 3D 프린팅 금형을 사용하는 방법이 가장 비용 효율적입니다. 사출성형에 익숙하지 않고 한정된 투자 비용으로 테스트를 고려하고 있다면, Holipress 또는 Galomb Model-B100과 같은 벤치탑 수동 사출성형기를 사용하는 것도 좋은 옵션이 될 수 있습니다. 데스크톱 시스템인 Micromolder 또는 유압 시스템 Babyplast 10/12와 같이 자동화된 소형 사출성형기는 소형 파트를 대량 생산하는 데 사용할 수 있는 좋은 대안입니다.

대형 산업용 사출성형기의 가격은 $50,000에서 $200,000 이상에 이릅니다. 이들 기기에는 한층 엄격한 시설 요구 사항이 있고 작동, 유지 관리, 모니터링에는 숙련된 노동력도 필요합니다. 결과적으로 사출성형이 핵심 역량이 아닌 한, 기업은 대부분 서비스 제공업체와 외주 제조업체에 대량 생산을 아웃소싱하며, 이 경우 장비 비용은 서비스 비용에 포함됩니다.

도입부에서 언급했듯 금형 비용 또는 툴링 비용은 일반적으로 사출 성형의 주요 원가 동인입니다.

대부분 다음 세 가지 방법으로 사출 성형용 금형을 제작합니다.

• CNC 가공: CNC 기계는 고정밀 수준의 알루미늄 및 스테인리스 스틸 금형을 제조하는 데 가장 일반적으로 사용하는 도구입니다. CNC 가공은 회전 공구와 고정구로 소재를 깎아 내는 공정입니다. 기계 가공을 이용하면 공동(cavity) 디자인이 극도로 복잡한 금형을 생산할 수 있으나 여기에는 다양한 공구를 바꿔가며 사용해야 해서 공정이 늦어질 수 있고 이는 복잡도에 따라 비용이 증가함을 의미합니다. CNC 기계는 숙련된 인력과 전용 공간이 필요한 산업용 공구이며 이는 금형 생산을 서비스 공급 업체에 아웃소싱하는 기업이 많다는 의미입니다.

• 방전 가공(EDM): EDM 방법은 표준 기계 가공 방법으로 손쉽게 재생산할 수 없는 극도로 복잡한 금형 디자인을 제작하는 데 일반적으로 사용합니다. EDM 공정은 원하는 형태의 금형을 제작하는 데 공작물 전극과 가공 전극을 사용하는 작업을 수반합니다. 가공 전극과 공작물 전극은 절연성 유체로 분리되어 전류 방전을 일으키는 전압에 노출됩니다. 방전된 전류가 공작물 전극을 최종 금형의 형태대로 성형합니다. EDM 공정은 고도로 정확하며 일반적으로 추가적인 후처리가 필요하지 않습니다. CNC 기계 가공과 유사하게 EDM 공정은 많은 기업에서 기계 공장에 아웃소싱하는 산업 공정이기도 합니다.

• 3D 프린팅: 3D 프린팅은 사출 금형을 빠르고 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 강력한 솔루션입니다. 이 방법에는 많은 장비가 필요하지 않고, 3D 프린팅을 진행하는 동안 CNC 시간은 절약하고 숙련된 운영자에게는 다른 고부가가치 작업을 맡길 수 있습니다. 제조업체가 인하우스 3D 프린팅의 속도와 유연성을 활용하면 데스크톱 및 산업용 성형기 모두에서 사용할 수 있는 금형을 제작할 수 있습니다. 나아가 대량 생산용 하드 툴링에 투자하기 전에 설계를 반복하고 최종 사용 재료를 테스트하는 능력은 제품 개발에 득이 될 수 있습니다. 광경화 수지 조형 방식(SLA) 3D 프린팅 기술은 사출 성형 과정에서 탁월한 선택지가 될 수 있습니다. 특징적으로 표면 마감은 매끄럽고 정밀도 수준이 높아 금형 그대로 최종 파트를 성형할 수 있고 파트와 금형의 분리 또한 용이합니다. 광경화 수지 조형 방식으로 제작된 3D 프린트물은 화학 결합으로 이루어져 완전히 조밀하고 등방성이 있습니다. Formlabs의 제품 같은 데스크탑 SLA 프린터의 가격은 $5,000 미만에서 시작하고 구현, 작동, 유지 작업이 쉬워 이음새 없이 사출 성형 워크플로에 통합할 수 있습니다.

더 복잡한 금형을 개발하려면 기술 전문성이 필요합니다. 결과적으로 기업은 사출 성형 공정에서 금형 설계와 제작 같은 특정 부분을 빈번하게 아웃소싱합니다.

사출 성형 장비와 도구를 갖춘 기업이 기술적 노하우 또한 이용할 수 있다면 인하우스 금형 제작이 가장 저렴한 선택사항이 될 수 있습니다. 사출 성형에 필요한 도구가 아직 마련되지 않았다면 외주 제작을 통해 금형 개발에 관련된 비용을 절감할 수 있습니다.

간단한 소량 3D 프린팅 금형이라면 (SLA) 레진 3D 프린터로 $100 정도에 생산할 수 있습니다. 대략 1,000~5,000 단위의 중량 생산용 알루미늄 금형은 $2,000에서 $5,000까지의 비용으로 제작할 수 있습니다. 약 10000 단위가 넘는 대량 생산용으로 기하학적 형상이 더 복잡한 금형을 준비하려면 금형에 드는 비용은 $5,000에서 $100,000에 이릅니다.

최종 파트의 요구 사항에 따라 ABS, PS, PE, PC, PP, TPU를 비롯한 다양한 플라스틱을 사출 성형에 사용할 수 있습니다.

금형용 소재의 구매 비용은 선택한 소재에 따라 달라집니다. 열가소성 프라스틱 펠릿은 대략 kg당 $1에서 $5입니다.

소재 비용은 모델의 디자인, 선택한 소재, 사출 성형 공정을 실행하는 데 사용한 소재의 양으로 정의합니다.

사출 성형과 관련된 장비는 일반적으로 자동 조절되며 작업 완료 과정을 자동화에 의존합니다. CNC 기계, EDM 기계, 산업용 3D 프린터는 CAD의 사양에 따라 금형을 생산합니다. 사출 성형기 또한 자동화에 의지하여 재료를 금형안에 사출하고 산업용 IM 기계는 자체적으로 완제품을 냉각하고 배출합니다.

인건비 구성:

• 설치/구성 비용: 설치에 드는 인건비는 금형과 완제품을 생산하는 데 사용한 장비를 구성하는 데 걸린 시간에 중점을 둔 비용입니다.

• 수리 비용: 수리와 유지 관리 작업에는 결함이 있는 부품의 교체와 유지 관리 과정의 공구 사용이 포함됩니다. 

• 모니터링 비용: 자동화에 의존하고 있지만 장비 작동자는 사출 성형 공정의 진행 상황을 모니터링해야 합니다. 공정 중에 발생하는 작업자의 임금을 사출 성형에 드는 비용의 합계에 더합니다. 

인하우스 생산의 경우 이런 비용을 인건비로 계산합니다. 기업에서 사출 성형을 아웃소싱하면 서비스 제공업체의 인건비와 마크업을 서비스 비용에 추가합니다.

사출 성형의 비용 역학을 더 쉽게 이해할 수 있도록 다음 표에 전자 기기용 소형 인클로저 같은 가상의 플라스틱 품목의 사출 성형과 관련된 비용을 표시했습니다.

^{* 이 예시에서 장비 비용은 다수의 프로젝트에 분산되므로 생산비 산출에 포함하지 않았습니다. 데스크톱 사출성형기와 SLA 3D 프린터를 구매하는 기업은 $10,000 미만의 비용으로 사출 성형을 시작할 수 있습니다.}

표에 보이는 세 가지 시나리오로 생산 물량에 따라 생산 비용이 가장 적게 드는 생산 방법과 금형 유형을 알 수 있습니다.

일반적으로 사출 성형은 물량이 클 때 가장 효율적이며 그 이유는 비용이 수천 개의 파트로 분산되기 때문입니다. 그러나 소량 사출 성형에 파트당 비용이 약간 더 든다 해도 다른 제조 방법과 비교하면 여전히 소량 생산이 훨씬 더 경제적입니다.

중량 생산에는 기존의 스틸 금형 보다 비용은 저렴해도 수천 회의 사출을 견딜 정도로 내구성이 뛰어난 기계 가공 알루미늄 금형이 더 효율적입니다. 소량 사출 성형은 대개 3D 프린팅 금형을 함께 사용할 때만 합리적입니다. 예시에서 알루미늄 금형으로 100개의 파트를 생산하려고 한다면 그 비용은 각 파트당 $30인데 반해 기존 스틸 금형은 각 파트당 $200임을 의미합니다.

사출 성형용 툴링에는 비용이 아주 많이 들고 이런 비용은 변수의 수와 설계의 복잡성에 따라 달라집니다. 사출 성형용 금형은 일반적으로 알루미늄이나 툴 스틸을 CNC 기계로 가공하거나 EDM 기계로 가공하여 작업물의 형태로 만들거나 3D 프린팅해서 제작합니다. 기계 가공 또는 프린팅한 파트는 이후 원하는 기준에 도달하기 위해 마감 처리합니다. 마감 처리한 금형은 파트에 필요한 표면 형태, 주입된 재료가 흘러들어가도록 안내하는 러너 시스템, 금형을 신속하게 냉각시키는 냉각 채널 같은 피처로 구성됩니다.

중요하게 유의할 점은 사출 성형 공정은 대부분 냉각 과정을 거친다는 사실입니다. 금형이 빨리 냉각될수록 사출 재료는 더 빨리 응고되고 반복 가능한 생산 주기는 짧아집니다. 따라서 냉각 채널의 역할은 특히 대량 생산에서 아주 중요하고 금형 설계에 반드시 포함해야 합니다. 3D 프린팅 금형으로 소량 생산할 경우에는 압축 공기를 이용한 수동 냉각이 하나의 선택 사항이 될 수 있습니다.

사출 성형 공정에 영향을 미치고 사출 금형 비용에 직접 관련된 다른 변수로 다음과 같은 것들이 있습니다.

• 파트 크기: 금형으로 만들 품목 또는 파트가 클수록, 이를 수용할 금형이 커집니다. 파트의 크기가 클수록 생산 주기를 완료하는 데 드는 사출 소재가 더 많이 필요합니다. 금형 디자인이 클수록 디자인은 같지만 더 작은 치수로 제작하는 것보다 비용이 늘어납니다.

• 파트 설계: 설계가 복잡하고 기하학적 형태가 정교한 파트의 프로젝트를 실행하려면 복잡한 금형이 필요합니다. 금형 설계에는 대개 A 면과 B 면의 2가지 측면이 있습니다. 외관면으로도 알려진 A 면은 일반적으로 사용자에게 보이는 면입니다. A 면은 매끄럽고 미학적으로 만족스러울 것으로 예상할 수 있습니다. B 면에는 파트를 사용할 수 있게 해주는 숨겨진 구조가 있습니다. B 면에는 리브, 보스 등이 포함되어 있고 마감이 대체로 A 면보다 훨씬 거칠거칠합니다. 복잡한 A 면과 B 면이 있는 금형 디자인은 간단한 금형에 비해 일반적으로 제작 비용이 더 많이 듭니다. 언더컷이 특징인 복잡한 디자인 또한 측면에 슬라이딩 동작과 코어가 필요할 수 있어 금형 비용이 늘어납니다.

• 생산 물량: 사출 성형으로 생산할 품목의 수는 금형을 만들 때 사용할 생산 기술과 재료의 품질을 결정합니다. 물량이 적은 프로젝트는 3D 프린팅 또는 저급 기계 가공으로 제작된 알루미늄 금형으로 진행할 수 있지만 생산 물량이 크면 고급 스틸 금형이 필요하거나 심지어 다수의 금형으로 생산 품목의 품질에 영향을 주는 마모가 생기지 않도록 공정을 관리해야 할 수 있습니다. 이런 점이 금형 비용에 영향을 끼치지만 대량의 금형으로 늘어난 비용은 당연히 늘어난 파트의 수량에 분산되어 파트당 비용은 일반적으로 줄어듭니다.

• 파트의 부피와 공동(cavities): 파트의 부피는 금형에 있는 공동의 크기를 의미합니다. 공동이 많을수록 또는 공동의 부피가 클수록 금형의 가압 시간이 길어집니다. 가압 시간이 늘어나면 생산 공정이 느려지고 비용 증가로 이어집니다. 

온라인 사출 성형 비용 산정기를 사용해보거나 사출 성형 서비스 공급 업체에서 견적을 받아보면 벤치마크를 얻어 특정한 파트의 사출 성형 비용을 산정해보는 데 도움이 됩니다.

다음은 계산 과정에 도움을 얻을 수 있는 사출 성형 비용 산정기 옵션입니다.

• CustomPart

• ICOMold

• 3D Hubs

• Protolabs

금형 비용 비교표도 같은 목적으로 사용할 수 있습니다. 사출 성형 서비스 제공업체는 비용 비교표를 사용해 잠재 고객에게 대략적인 공정 추정치를 제공합니다.  

금형에 드는 비용은 크게 복잡도와 생산에 소요되는 시간으로 결정됩니다. 사출 성형 제조 원칙에 따른 설계를 고수하여 파트 비용을 절감하는 편이 좋습니다.

다음 디자인 가이드라인을 적용하면 금형 생산에 드는 비용을 절약할 수 있습니다.

• 사출 성형 프로젝트를 시작하기 전에 CAD 모델을 평가하여 타당성을 확인합니다. 가파른 각도, 언더컷, 기타 복잡한 기하학적 형상 같이 병목 현상이 생길 가능성이 있는 부분을 제거합니다.

• 금형의 설계를 평가하여 필요 없는 부분을 제거합니다. 금형 크기를 줄이면 모델 개발에 사용되는 재료의 양을 줄일 수 있습니다. 

• 금형의 B 면 설계를 단순하게 만들어주는 코어 캐비티 접근 방식을 적용합니다. 코어 캐비티 접근 방식은 벽면 캐비티를 금형 바닥으로 내려보내는 작업을 수반하므로 가파른 구배 각도를 성형할 필요성을 줄여주는 한편 표면 마감은 개선할 수 있습니다.

• 하나의 범용 금형을 사용해 유사한 결과를 얻을 수 있다면 자가 결합 파트를 사용하여 금형을 여러 개 제작할 필요성이 줄어듭니다. 

사출 성형은 툴링 비용이 많이 들어 전통적으로 대량 생산용 제조 공정으로만 고려해왔지만 3D 프린팅을 활용하여 사출용 금형을 제작하면 고품질의 반복 작업이 가능한 금형을 얻어 프로토타핑과 소량 생산에 사용할 수 있습니다.

3D 프린팅 사출 금형을 벤치톱 기계 및 산업용 기계와 함께 사용하여 수백에서 수천의 기능적 프로토타입, 제품 개발을 가속할 파트를 효율적이며 경제적으로 생산하고 비용과 리드 타임은 줄이며 더 나은 제품을 시장에 출시해 보세요.