진공 성형 소개

우리가 매일 즐기는 현대의 편의 중에는 진공 성형이 있었기에 가능한 것들이 많습니다. 이 다재다능한 제조 공정이 없었다면 생명을 구하는 의료 기기, 식품 포장, 자동차의 형태가 지금과 아주 달랐을 것입니다. 

진공 성형의 저렴한 비용과 효율성이 어떻게 상업용 제조업체, 독립 장인 및 DIY 작업자 모두에게 훌륭한 옵션이 되는지 알아보세요.

이 가이드에서는 다음을 포함하여 진공 성형을 심층적으로 소개해드리려고 합니다.

• 진공 성형 공정 개요.
• 진공 성형 금형 제작법
• 진공 성형의 장점과 한계
• 진공 성형의 상업적 그리고 독립적 사용
• 진공 성형과 3D 프린팅에 관한 짧은 사례 연구

진공 성형이란 무엇일까요?

진공 성형은 플라스틱 소재의 형태를 잡는 데 사용하는 제조 방법입니다. 진공 성형은 플라스틱 시트를 가열한 다음 주변 공기를 흡입하여 단일 금형에 밀착시키는 공정입니다.

데스크톱 장치에서 생산하는 소형 맞춤형 부품부터 자동화된 산업 장비에서 제조하는 대형 부품에 이르기까지 광범위한 제조 응용 분야에 진공 성형을 사용합니다.

진공 성형, 열 성형, 압력 성형의 차이는 무엇일까요?

열 성형은 플라스틱 시트를 가열하여 유연하게 만든 다음 금형으로 형태나 윤곽을 만들고 오려내어 최종 부품 또는 제품을 완성합니다. 진공 성형과 압력 성형은 가장 흔히 사용되는 열 성형 공정입니다. 진공 성형과 다른 열 성형 공정의 주요 차이점은 부품을 성형하는 데 사용되는 방법과 사용되는 금형의 수와 유형입니다.

진공 성형은 원하는 부품의 형상을 얻기 위해 하나의 금형과 진공 압력을 사용하는 가장 간단한 유형의 플라스틱 열 성형입니다. 식품 또는 전자 제품의 윤곽 포장과 같이 한 면에만 정밀한 성형이 필요한 파트에 이상적입니다. 

금형의 기본 유형은 두 가지로 수금형 또는 양금형(볼록함)와 암금형 또는 음금형(오목함)입니다. 수금형으로는 금형위에 올려진 플라스틱 시트를 완성할 파트의 안쪽 치수에 맞춰 굴곡을 만듭니다. 암금형으로는 금형 안쪽에 열가소성 플라스틱 시트를 놓고 완성할 파트의 바깥쪽 치수에 맞춰 정밀하게 굴곡을 만듭니다.

압력 성형에서는 가열된 플라스틱 시트 주변의 공기를 흡입하여 단일 금형에 밀착시키는 대신 두 금형 사이에서 압착(이에 따른 명칭)합니다. 압력 성형은 외형이 심미적으로 만족스러워 보이고 내부의 정확한 위치에 꼭 들어 맞거나 치수가 정확해야 하는 기기 케이스와 같이 더 정밀한 형태가 양면으로 필요하거나 더 깊은 굴곡(금형 안 쪽으로 더 멀리/깊이 확장해야 함)이 필요한 플라스틱 부품 또는 조각을 제조하기에 이상적입니다.

진공 성형은 어떤 과정으로 진행하나요?

진공 성형 공정은 다음과 같이 단계별로 진행합니다.

1. 클램핑: 열린 프레임에 플라스틱 시트를 놓고 제자리에 고정합니다.
2. 가열: 플라스틱 시트가 적절한 성형 온도에 도달하여 유연해질 때까지 열원으로 연화합니다.
3. 진공: 가열하여 유연해진 플라스틱 시트를 끼운 프레임을 금형 위로 내리놓고 진공을 이용해 금형의 다른 쪽에서 제 위치로 끌어당깁니다. 암형(또는 볼록형) 금형에는 진공이 열가소성 플라스틱 시트를 효과적으로 끌어당겨 적절한 형태로 만들 수 있도록 틈에 작은 구멍을 뚫어야 합니다.
4. 냉각: 금형 바깥쪽/안쪽에서 플라스틱의 형태가 잡히면 냉각해야 합니다. 크기가 비교적 큰 제품의 경우 팬 및/또는 쿨 미스트로 생산 주기 중 이 단계의 속도를 높일 수 있습니다.
5. 분리: 플라스틱이 냉각된 후 금형에서 꺼낸 후 프레임에서 분리할 수 있습니다.
6. 트리밍: 완성된 파트에서 형태를 벗어난 부분을 오려내고 가장자리를 트리밍이나 샌딩으로 부드럽게 만드는 작업이 필요할 수 있습니다.

진공 성형은 가열과 진공 단계가 일반적으로 몇 분 밖에 걸리지 않아 상대적으로 빠른 공정입니다. 그러나 제조할 파트의 크기와 복잡성에 따라 냉각, 트리밍, 금형 제작에 시간이 훨씬 더 오래 걸릴 수 있습니다.

진공 성형의 장점과 단점은 무엇일까요?

다른 제조 방법에 비해 상대적으로 저렴한 비용으로 다양한 설계 유연성을 제공하므로 진공 성형을 선택하는 제조업체, 설계자, 기타 전문가가 많습니다. 다음은 진공 성형의 장점입니다.

가용성

특히 소규모 생산(연간 250~300개 단위)의 경우 진공 성형은 대체로 플라스틱 사출 성형 같은 다른 제조 방법보다 저렴합니다. 진공 성형의 가용성은 주로 저렴한 툴링 및 프로토타이핑 비용에서 기인합니다. 제조할 파트의 표면적과 클램프 프레임의 치수에 따라 사출 성형에는 플라스틱 열성형 또는 진공 성형용 툴링의 두 배에서 세 배 가량의 비용이 들 수 있습니다.

처리 시간

진공 성형은 툴링 작업을 신속하게 진행할 수 있어 종래의 제조 방법보다 처리 시간이 짧습니다. 진공 성형용 도구는 일반적으로 사출 성형용 툴링에 드는 시간의 절반만으로도 생산할 수 있습니다. 금형을 제작하는 데 3D 프린터를 사용한다면 처리 시간은 더 빨라집니다. 생산 공정의 효율성이 증가하므로 진공 성형을 이용하는 기업은 새로운 디자인을 고객에게 더 빨리 선보일 수 있습니다. 

유연성

진공 성형은 설계자와 제조업체가 막대한 오버헤드나 지연 시간 없이 새로운 설계를 테스트하고 프로토타입을 제작할 수 있는 유연성을 제공합니다. 금형은 목재, 알루미늄, 구조용 폼 또는 3D 프린팅 플라스틱으로 만들 수 있으므로 다른 제조 공정에 비해 더 쉽게 변경 및/또는 수정할 수 있습니다.

딕틸(Dick Teal)은 1970년대 말과 80년대 초에 진공 성형으로 존 디어(John Deere) 스노우모빌에 들어가는 부품의 프로토타입을 테스트했습니다. 존 디어 스노모빌: 개발, 생산, 경쟁 그리고 진화, 1971~1983라는 책에서 저자는 "부품 비용는 저렴해지고 제조 툴링에 대한 투자를 줄어 서로 윈윈(win-win)하는 상황이 연출되었습니다."라고 설명합니다.

또한, 진공 성형을 이용하면 설계자가 고객에게 더 많은 색상 옵션과 맞춤화를 제공할 수 있습니다. 이를 통해 많은 기업이 독특한 디자인을 자유롭게 제작하고 치과용 리테이너 같은 맞춤형 제품을 저렴한 가격에 제공할 수 있습니다.

멸균 및 식품 등급 소재 사용

제조업체는 종종 진공 성형을 사용하여 의료 산업용 식품 등급 용기 및 부품을 생산합니다. 이는 멸균 또는 오염 물질 없이 보관할 수 있는 플라스틱을 재료로 사용할 수 있기 떼문입니다. 예를 들어, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 식품 저장 용기를 진공 성형하는 데 자주 사용됩니다.

HDPE는 산성 화합물에 대한 내성이 있어 세척이 필요한 제품 용기를 생산하는 데도 사용할 수 있는 소재입니다. 의료용 플라스틱은 진공 성형을 거쳐 멸균 공정을 견딜 수 있고 엄격한 의료 및/또는 제약 지침을 충족할 수 있는 제품이 됩니다.

진공 성형의 한계

진공 성형에는 많은 이점이 있지만 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 진공 성형은 비교적 얇은 벽과 간단한 형상을 가진 부품의 제작에만 사용할 수 있습니다. 완성된 부품의 벽 두께가 일정하지 않을 수 있으며 굴곡이 크고 오목한 부품은 진공 성형을 사용하여 생산하기 어렵습니다.

또한 진공 성형은 생산 수량이 중소 규모일 때 가장 비용 효율적인 선택인 경우가 많습니다. 대규모 생산 실행에는 다른 플라스틱 제조 공정이 더 저렴할 수 있습니다.

진공 성형의 한계

현대사회에서 진공성형으로 만들어진 제품을 하나라도 손대지 않고 하루 종일 버티는 것은 어려운 일입니다. 이 제조 공정은 다음을 포함하여 산업의 거대한 단면에서 다양한 부품을 생산하는 데 사용됩니다.

자동차 및 운송

제조업체는 자동차, 버스, 보트 및 비행기를 구성하는 여러 부분과 부품을 만드는 데 진공 성형을 사용합니다. 자동차는 범퍼에서 바닥 매트, 심지어 트럭 베드까지 전부 진공 성형으로 제작합니다.

세계에서 가장 규모가 큰 회전식 진공 성형기가 작동하는 모습을 확인해보세요.

진공 성형을 채택한 자동차 회사는 소비자에게 다양한 색상 및 세부 옵션을 제공할 수 있으며 디자이너는 개발 과정에서 새로운 프로토타입을 자유롭게 테스트할 수 있습니다.

산업

제조업체는 많은 산업 상자와 기계용 윤곽 컨테이너를 생산하는 데 진공 성형을 사용하기도 합니다.

진공 성형으로 아크릴 간판이나 채광창을 만드는 방법을 알아보세요.

V진공 성형은 주로 외부에서 사용되는 부품 또는 열원과 접촉 가능성이 있는 부품을 제조하기에 좋은 제조 공정입니다. 산업 제조업체는 난연성 및 UV 저항성 재료를 폭넓게 고를 수 있기 때문입니다. 예를 들어 난연성 UL 94 V-0 폴리염화비닐(PVC)과 UV 필터링 아크릴(PMMA)은 모두 진공 성형할 수 있습니다.

포장 및 디스플레이

해당 제품의 디자인 형태대로 제작된 플라스틱에 포장된 제품을 구매한다면 포장을 진공 성형으로 만들었을 가능성이 높습니다. 면도기, 칫솔, 전자 제품, 메이크업 및 청소 제품은 종종 진공 성형된 포장재에 담아 판매합니다.

이 디스플레이 트레이는 진공 성형을 사용하여 제작되었습니다.(출처)

또한, 마케팅 디스플레이, 판매 시점 정보 관리(POP, point-of-purchase) 디스플레이, 식료품 통로 엔드 캡 고정 장치도 종종 진공 성형으로 제작합니다.

식품 포장

진공 성형은 식품 등급 플라스틱을 사용할 수 있고 살균하기 쉬운 부품을 생산할 수 있으므로 식품 포장에 자주 사용됩니다.

이 화려한 초콜릿은 진공 성형 금형으로 생산했으며 투명한 진공 성형 트레이에 놓여 있습니다. 가이드를 읽고 3D 프린팅으로 맞춤형 초콜릿 몰드를 만드는 방법을 알아보세요.

과일 용기, 플라스틱 달걀 상자, 크래커 트레이는 빈번히 진공 성형으로 제작되는 품목입니다.

Consumer Goods

진공 성형을 사용하여 만든 소비재 목록은 방대합니다. 제조업체는 모두 진공 성형을 사용하여 어린이 장난감, 여행용 액세서리 및 가정 장식을 포함한 제품을 만들 수 있습니다.  

진공 성형을 사용하여 하드 케이스 수하물을 생산하는 방법을 보려면 이 비디오를 시청하십시오

의료 분야

항균성이 필요하거나 오염 물질에 대한 저항성이 필요한 의료 부품 및 구성 요소는 종종 진공 성형을 통해 제조됩니다.

이  진공 성형 트레이는  의료 부품을 고정합니다.

여기에는 의료 포장, 알약이 포장된 제약 트레이, 병원 침대 구성 요소, MRI 및 CT 기계 외장 부품이 포함됩니다.

커스텀 부품 및 특수 효과

진공 성형은 다양한 산업 분야에서 특수 효과를 위한 소품과 같은 맞춤 부품과 독특한 부품을 만드는 데 사용됩니다.

Adam Savage가 진공 성형 작동 방식을 설명하고 맞춤형 소품을 만든 이 비디오를 시청하십시오.

진공 성형기의 종류

진공 성형 기계는 크기, 비용, 복잡성 및 기능이 매우 다양하므로 모든 기술 수준의 독립 설계자, 애호가 및 상업 제조업체가 적합한 제품을 찾을 수 있습니다. 진공 성형 기계는 크기, 비용, 복잡성 및 기능이 매우 다양하므로 모든 기술 수준의 독립 설계자, 애호가 및 상업 제조업체가 적합한 제품을 찾을 수 있습니다.

다음은 사용 가능한 진공 성형기 범위의 몇 가지 예입니다.

산업용 진공 성형 기계의 산업용 진공 성형 기계와 같은 리다트 또는 벨로박, 상업용 애플리케이션 및 대형 부품 제조에 이상적입니다.

산업용 진공 성형 기계의 산업용 진공 성형 기계와 같은 리다트 또는 벨로박 , 상업용 애플리케이션 및 대형 부품 제조에 이상적입니다. 중형 기계는 대형 산업 기계만큼 많은 공간을 차지하지 않고 중소형 부품을 제조할 수 있습니다.

탁상 진공 성형기, 와 같은 마 이쿠 폼박스 표준 진공 청소기를 사용하여 진공을 생성하는 이 제품은 소기업 및 재택 전문가에게 적합합니다.

DIY 진공 성형 기계 또한 작업을 완료할 수 있으며 조립 과정은 어린이와 청소년을 위한 훌륭한 교육 프로젝트가 됩니다. 

진공 성형기를 사용할 때는 항상 제조업체의 지침을 따르고 안전 장비를 착용하고 환기가 잘 되는 곳에서만 기계를 사용하십시오.

진공 성형 재료

다양한 열가소성 수지가 진공 성형 제조와 호환됩니다. 가장 일반적으로 사용되는 플라스틱은 다음과 같습니다.

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

열성형을 위한 금형 제작 방법

설계자와 제조업체는 진공 성형 생산을 위한 툴링을 생산할 수 있는 다양한 옵션을 가지고 있습니다. 유연성은 제조 방법으로서 진공 성형의 주요 이점이며 각 유형의 금형 제조 공정에는 고유한 이점과 한계가 있습니다. 다음은 가장 인기 있는 몇 가지입니다.

3D 프린팅 금형

많은 기업에서 진공 성형용 금형을 만들기 위해 3D 프린팅으로 눈을 돌리고 있습니다. 3D 프린팅은 특히 짧은 실행 시간, 맞춤형 부품 및 프로토타입 디자인에 빠른 처리 시간과 저렴한 가격을 제공하기 때문입니다. 3D 프린팅은 또한 복잡하고 복잡한 몰드를 만들 수 있는 타의 추종을 불허하는 디자인 자유를 제공합니다. 

자세한 내용 읽기 3D 프린팅 진공 성형 금형 제작을 위한 디자인 가이드 또는 백서를 다운로드하여  자세히 알아보십 시오. 3D 프린팅 금형을 사용한 소량의 급속 열성형.

점토 진공 성형 금형 모델링

빠르게 프로토타입을 만들고자 하는 애호가, DIY 작업자, 디자이너는 모델링 점토로 진공 성형용 금형을 만들 수 있습니다. 그러나 모델링 점토로 만든 주형은 몇 번 이상 사용할 가능성이 낮다는 점에 유의해야 합니다. 진공 성형과 관련된 열로 인해 점토 주형이 금이 가고 빠르게 파손될 수 있습니다.

또한 점토 주형을 진공 성형에 사용하기 전에 충분한 시간을 들여 건조하는 것이 중요합니다. 수분이 진공을 방해하거나 진공 성형 장비를 손상시키지 않도록 점토에서 완전히 증발시키거나 점토를 완전히 소성해야 합니다.

목재 진공 성형 금형

나무 주형은 점토 주형보다 훨씬 더 내구성이 좋으며 손상되기 전까지 수백에서 수천 번의 실행을 견딜 수 있습니다. 독립 디자이너와 상업 생산 라인 모두 목재 금형을 사용하여 제품을 만듭니다. 참나무와 같이 더 강한 목재를 선택하면 목재 틀의 수명을 더욱 늘릴 수 있습니다. 목재 금형은 작은 디테일이 거의 없는 두꺼운 금형에 적합합니다.

이러한 유형의 금형의 한계는 진공 성형 공정 중에 약간 팽창 및 수축된다는 점입니다. 결국 이로 인해 나무 틀이 갈라지거나 쪼개지거나 뒤틀릴 수 있습니다. 그러나 목재는 다양한 주형 디자인을 제작하기에 훌륭한 선택이며 몇 가지 간단한 목공 도구를 사용하면 디자인을 쉽게 만들 수 있습니다.

주조 알루미늄 금형

알루미늄 금형은 다른 툴링 옵션보다 더 비싸고 생산하는 데 더 오래 걸립니다(처리 시간은 2주에서 2개월까지 소요될 수 있음). 이 때문에 주조 또는 가공된 알루미늄 몰드는 단기 또는 프로토타입에 자주 사용되지 않지만 대규모 생산에는 자주 사용됩니다. 산업용 진공 성형 기계는 진공 성형에 사용할 수 있는 툴링 옵션 중 가장 긴 수명을 가진 금형 중 하나로 간주되기 때문에 종종 알루미늄 툴링을 통합합니다.

구조용 폼 몰드

구조용 폼 몰드는 비슷한 내구성을 제공하면서 주조 알루미늄 몰드에 대한 비용 효율적인 대안이 될 수 있습니다. 구조용 폼 부품은 주조 알루미늄보다 가볍기 때문에 특정 생산 라인에서 큰 이점이 될 수 있습니다.

사례 연구: 진공 성형 및 3D 프린팅으로 혁신 주도

영국에서 가장 큰 전문 교정 기공소인 애쉬포드 교정 연구소(Ashford Orthodontics)는 3D 프린팅과 진공 성형을 혼합하여 사용하며 치과 기구 제조 분야를 개척하고 있습니다. 이 두 가지 제조 방법을 모두 사용한 덕분에 경쟁업체에 비해 전체 생산 시간을 단축하고 임상의가 더 빠르고 원활한 환자 경험을 제공할 수 있습니다.

애쉬포드 교정 연구소는 정밀하게 조율된 24시간 생산 주기 덕분에 디지털 스캔을 받은 후 48시간 만에 주문한 임상의에게 리테이너 및 기타 장치를 제공할 수 있습니다. 기공소에서 새로 주문을 받으면 디지털 스캔을 검토하고 치과용 CAD 소프트웨어에서 치아 이동을 디자인한 다음 기공소의 강력한 3D 프린터로 전송하여 야간에 프린팅합니다. 다음날 프린팅된 환자 치아의 복제품은 진공 성형용 투명 치아 유지 장치 및 얼라이너용 금형으로 사용됩니다.

애쉬포드 교정 연구소의 테크니션이 진공 성형기를 사용하여 투명 얼라이너를 제작합니다.