오버몰딩과 인서트 몰딩: 프로로타입 제작에서 생산까지

오버몰딩과 인서트 몰딩은 서로 뒤섞여 사용되는 경향이 있습니다. 당연히 두 프로세스 모두 사출 성형의 한 유형이며 구조적으로 유사한 파트를 제작하는 데 사용합니다. 그러나 자세히 살펴보면 인서트 몰딩과 오버몰딩이 실제로는 상당히 다르고 제각기 고유한 장점이 있다는 것을 알 수 있습니다. 

임베디드 전자 제품부터 일상적인 도구를 잡기 쉽게 만드는 것까지 오버몰딩과 인서트 몰딩의 이점은 무궁무진하지만 이런 이점을 이용하려면 이들 제조 방법을 고유하게 만드는 요소를 이해해야 합니다.

계속 읽어보세요.

• 오버몰딩 및 인서트 몰딩의 기본 사항

• 사용할 시기에 따라 제조 방법을 결정하는 방법

• 오버몰딩과 인서트 몰딩을 사용하는 일반적인 사례

• 프로토타입 제작에 이들 프로세스를 사용하는 방법

• 3D 프린팅 금형을 이용한 인서트 몰딩 프로토타입 제작법

오버몰딩은 두 개 이상의 구성 요소가 있고 하나의 요소 위에 또 다른 하나를 성형하는 다단계 사출 성형 공정입니다. 오버몰딩은 2단계 공정이기 때문에 때때로 2샷 성형이라고도 합니다.

먼저 기본 구성품(기판이라고도 함)을 성형하고 경화시킵니다. 오버몰딩 기판은 종종 플라스틱으로 만듭니다. 그런 다음 첫 번째 레이어 바로 위에 두 번째 레이어를 성형하여 단단한 조각 하나로 만듭니다. 일반적으로 고무 손잡이가 있는 플라스틱 부품을 제조하는 데 오버몰딩을 사용합니다. 예를 들어 칫솔을 오버몰딩하는 공정은 플라스틱 손잡이용 베이스 레이어 제작과 칫솔을 잡을 때 덜 미끄러지게 만드는 고무 레이어 제작의 2단계로 구성됩니다.

오버몰딩에는 다음과 같은 다양한 재료를 사용할 수 있습니다.

• ABS(아크릴로나이트릴 부타디엔 스타이렌)

• HDPE(고밀도 폴리에틸렌)

• PEEK(폴리에테르 에테르 케톤)

• 나일론(폴리아미드)

• PC(폴리카보네이트)

• PE(폴리에틸렌)

• PEI(폴리에테르이미드)

• PBTR(폴리부틸렌 테레프탈레이트)

• PMMA(아크릴)

• POM (폴리옥시메틸렌)

• PP(폴리프로필렌)

• SI(실리콘)

• TPE(열가소성 엘라스토머)

• TPU(열가소성 플라스틱 폴리우레탄)

• TPR(열가소성 고무)

오버몰딩은 장점은 많은 공정입니다. 재료 및/또는 색상이 다양하여 비교적 간단하게 제품을 제조할 수 있습니다. 또한 오버몰딩은 파트를 완전히 다른 금형이나 기계로 옮겨서 진행하는 다른 제조 방법보다 필요 인력이 더 적으므로 비용도 적게 듭니다. 오버몰딩 공정에서는 하나의 파트 바로 위에 새로운 파트를 제조하므로 제품 조립의 필요성은 줄어들고 전체적으로 더 강하고 내구성 있는 디자인을 제작할 수 있는 공정입니다.

종종 대규모 생산 실행 및/또는 다채롭고 다층적인 디자인의 제품에 가장 적합한 제조 방법으로 오버몰딩을 사용할 수 있지만 여기에는 알아야 할 제한 사항이 몇 가지 있습니다. 사출 성형과 유사하게도 오버몰딩에는 초기 비용이 과도하게 많이 듭니다. 금속으로 공구를 제조하고 수정하는 데는 시간과 비용이 많이 들고 2샷 사출 성형기는 섬세하게 조정하기가 복잡합니다. 즉, 이러한 비용을 분산하려면 파트를 대량으로 생산해야 합니다. 

전문가 팁:오버몰딩에 3D 프린팅 파트 또는 금형을 이용하면 프로토타이핑 단계에서 시간과 비용을 많이 절약할 수 있습니다.

인서트 몰딩은 보조 파트를 기판 위에 성형하는 또 다른 형태의 사출 성형입니다. 인서트 몰딩과 오버몰딩 간의 차별화 요소는 인서트 몰딩이 기존 기판(베이스 또는 내부 부품) 위에 수행하는 공정이라는 점입니다. 조립식 부품(완전히 다른 시설에서 생산되거나 다른 회사에서 조달되는 경우가 많음)을 금형에 삽입한 다음 그 주위에 2차 레이어를 성형합니다.

인서트 몰딩은 금속 스크루드라이버에 플라스틱 손잡이를 덧붙이는 것과 같이 금속 위에 플라스틱 층을 추가하는 데 자주 사용됩니다. 또한 인서트 몰딩을 사용하여 절연 파이프, 배선 및 기타 유사한 제품을 제조하거나 전자 장치를 플라스틱에 내장할 수 있습니다.

이전 섹션에서 오버몰딩에 대해 나열된 동일한 (열)플라스틱을 사용하여 인서트 몰딩에서 외부 또는 상단 레이어를 형성할 수 있습니다.

조립이 필요하지 않은 강력한 부품을 제작하는 데 사용한다는 점은 오버몰딩과 인서트 몰딩이 같지만 인서트 몰딩을 사용하면 더 다양한 재료를 사용하여 이 작업을 수행할 수 있습니다. 예를 들어 컴퓨터 칩이나 전선을 플라스틱 외피로 감싸 보호할 수 있습니다. 아마도 인서트 몰딩의 가장 인상적인 이점은 생명을 구하는 의료 기기 및 임플란트용 플라스틱 하우징(멸균 가능)을 만드는 데 사용할 수 있다는 점일 것입니다.

그렇지만 인서트 몰딩에는 오버몰딩의 한계점과 유사한 제한 사항이 없습니다. 테스트 실행에 3D 프린터를 사용하지 않는다면 프로토타이핑이 어려울 수 있습니다. 최종 제품을 형성하기 위해 기판을 금형 내에 매달아야 하는 경우가 많으르모 공구도 아주 정밀하게 형태를 갖추어야 합니다.

이 표를 지침으로 프로젝트에 가장 적합한 제조 프로세스를 결정하세요.

개척자들이 지속적으로 제조 방법을 개선하고 있으므로 이들 규칙에는 예외가 있을 수 있지만 위의 체크리스트는 어떤 프로세스를 사용해야 하는지 결정하는 데 훌륭한 출발점입니다. 이 두 가지 제조 방법을 함께 사용할 수도 있습니다.

제조업체는 오버몰딩과 인서트 몰딩으로 광범위한 산업 분야의 제품을 생산합니다. 다음은 이러한 프로세스 중 하나 또는 조합을 통해 일반적으로 제작되는 제품의 몇 가지 예입니다.

집 주변을 둘러보면 다양한 색상으로 구성되어 하나의 단단한 조각을 이룬 플라스틱 물체를 꽤 여러 개 발견할 수 있습니다. 장담하건대, 이러한 제품 중 다수를 오버몰딩으로 제조했을 것입니다. 볼링 핀과 어린 이 게임용 말에서 보관통과 플라스틱 용기에 이르기까지 모든 것을 만드는 데 이토록 인기 만발인 제조 공정을 사용합니다.

칫솔, 휴대폰 케이스 및 USB 드라이브 생산에는 일반적으로 오버몰딩 및/또는 인서트 몰딩을 사용합니다. 발받침 스툴이나 파티오 의자와 같은 투톤 플라스틱 가구를 다양하게 제작하는 데는 오버몰딩을 사용합니다. GPS 장치 및 내비게이션 장치용 플라스틱 하우징은 종종 오버몰딩과 인서트 몰딩으로 제조합니다.

금속과 플라스틱 또는 고무 재료의 조합으로 구성된 전기 센서, 기어, 패스너 및 기타 자동차 부품은 일반적으로 인서트 몰딩으로 제조합니다. 오버몰딩은 도어 및 대시 패널, 핸들, 노브 및 다양한 제어기 같이 견고한 투톤의 내부 구성 요소를 만드는 데 사용합니다. 어떤 모터와 배터리는 인서트 성형 공정을 거치기도 합니다.

의료 산업이 인서트 성형 및 오버몰딩 부품에 크게 의존하는 이유는 플라스틱이 전기와 컴퓨터 구성품보다 살균하기 쉽기 때문입니다. 제세동기, 의료용 케이블 및 배선은 인서트 몰딩으로 플라스틱으로 감싸 깨지기 쉬운 내부 구성 요소를 보호하고 완성된 장치를 사용할 때 쉽게 청소할 수 있도록 만드는 경우가 많습니다.

신체 내부에 이식하도록 설계된 심박 조율기 같은 의료 기기는 일반적으로 인서트 성형을 제조 방법으로 사용합니다. 제조 시설에서는 내시경 및 대장 내시경을 수행하는 데 사용되는 것과 같은 내부 이미징에 사용되는 다양한 카메라 장비를 생산할 목적으로 인서트 몰딩을 사용하기도 합니다.

인서트 몰딩을 거쳐 고무 외피로 감싼 전선은 더 안전해지며 경우에 따라 내후성도 갖습니다. 제조업체는 휴대폰 및 컴퓨터 충전기와 같은 제품을 소비자에게 더 안전하게 만들기 위해 배선 부품을 고무로 코팅하는 경우가 많습니다. 때로는 여러 개의 와이어를 한 층의 고무로 감싸고, 다른 경우에는 와이어를 분리하여 파란색과 빨간색과 같이 대비되는 색상으로 구분합니다.

화장품 포장을 더욱 매력적으로 만드는 데 오버몰딩 및 인서트 몰딩을 사용하는 것은 당연한 일입니다. 디자이너가 독특한 표면 질감과 다양한 색상으로 맞춤형 포장을 만들 수 있기 때문입니다. 콤팩트, 메이크업 브러쉬 및 향수병과 같은 제품은 모두 오버몰딩 및/또는 인서트 몰딩을 사용하여 제조할 수 있습니다.

프로토타이핑은 제품 개발 프로세스에서 중요한 부분을 차지합니다. 제품 설계자와 엔지니어는 컨셉을 테스트하고 이전에 사용한 적이 없었던 설계 요소의 문제를 해결해야 합니다. 그러나 프로토타입 제작에는 비용이 급격하게 상승할 수 있다는 어두운 이면이 있습니다. 또한 외부 출처에 의존하여 구성품을 생산하는 경우에도 시간이 많이 소요될 수 있습니다.

세계 최고의 혁신가 중 일부는 오버몰딩 및 인서트 몰딩 같은 제조 공정을 3D 프린팅과 결합하여 프로토타입 제작의 이러한 문제를 극복하고 있습니다.

Google ATAP(Advanced Technology and Projects) 연구소의 디자이너들은 3D 프린팅과 인서트 금형의 조합을 통해 10만 달러 이상의 비용을 절감하고 테스트 주기를 3주에서 단 3일로 단축했습니다. Google ATAP 팀은 테스트용 부품을 3D 프린팅하면 공급업체로부터 배송받아야 하는 값비싼 전자 부품을 사용할 때보다 시간과 비용을 절약할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 하지만, 이는 기업에서 다른 제조 방법과 함께 3D 프린팅을 사용하는 다양한 방법 중 하나일 뿐입니다.

브루클린에 본사를 둔 신생 기업인 데임 프로덕츠(Dame Products)는 건강 및 웰빙 산업용 제품을 디자인합니다. 그들은 고객의 베타 프로토타입용 내부 하드웨어를 캡슐화하는 데 실리콘 인서트 몰딩을 사용합니다. 데임 프로덕츠는 자사의 제품군을 정교한 인체 공학적 형태를 피부에 안전하고 색상 또한 발랄한 실리콘층으로 완전히 감싸 제작합니다.

엔지니어들이 3~4개의 SLA 3D 프린팅 금형을 교대로 사용하여 하루에 수십 개의 인서트 몰딩과 오버몰딩으로 제작할 장치의 프로토타입을 만듭니다. 하나의 프로토타입에서 실리콘 고무가 경화되는 동안 다음 프로토타입에서는 실리콘 고무를 금형에서 떼어내 다음 충전을 위해 준비할 수 있습니다. 이형된 프로토타입의 마무리와 세척은 동시에 진행합니다. 프로토타입 하드웨어가 회사로 돌아오면 베타 장치는 표백을 거치고 얇은 실리콘 층은 제거되며 내부 하드웨어는 새로운 베타 프로토타입에 재사용됩니다.

다음 안내 지침서를 사용하여 하드웨어를 실리콘으로 감쌀 수 있습니다. 예를 들어 3D 프린팅과 인서트 몰딩을 조합해서 사용하려고 합니다.

 1. Formlabs Clear Resin로 멀티파트 금형 프린팅: 50μm 층 높이로 프린팅하는 것이 좋습니다. 중요한 내부 표면에 서포트 흔적이 없도록 파트의 방향을 맞춥니다.

2. 금형 세척, 경화, 서포트 제거: 파트가 끈적이지 않을 때까지 IPA로 철저히 세척합니다. Clear Resin은 60˚C에서 15분 동안 경화하시도록 권장합니다. 금형 외부를 광택 처리하면 투명도가 높은 마감 처리에 도움이 됩니다.

3. 인서트 몰딩 시작 최소 한 시간 전 실리콘 준비: 주사기로 에폭시 카트리지 시스템의 각 면을 한 액(A 액 또는 B 액)으로 채워 액체를 옮깁니다. 똑바로 서서 최소 1시간 또는 최대 하루 동안 실리콘이 부드럽게 가스를 제거하도록 하십시오. 똑바로 서서 최소 1시간 또는 최대 하루 동안 실리콘이 부드럽게 가스를 제거하도록 하십시오.

4. 이형제 도포(선택 사항): 작은 페인트 브러시로 금형의 내부 표면에 바셀린을 아주 얇게 바릅니다. 이 실리콘 오버몰딩 기술은 이형제 없이도 진행할 수 있습니다.

5. 내부 하드웨어 방향 지정: 금형의 정렬 핀은 하드웨어의 위치를 지정하는 데 도움이 됩니다.

6. 금형 밀봉 및 수작업 압축: 금형 외부에서 하드웨어의 배치와 정렬을 확인하세요. 하드웨어가 정렬되지 않은 경우 5단계와 6단계를 반복합니다.

7. 금형 고정: "끌어당기는 방향" 또는 금형의 주요 분할선에 수직 방향으로 클램핑한 후 시작합니다. 클램핑으로 인해 내부 하드웨어가 이동할 수 있으므로 정렬을 다시 확인하는 것이 좋습니다. 클램핑 전에 덕트 테이프로 가장자리를 밀봉하면 RTV 몰드 제작에서 발생하는 재료 누출 및 플래싱을 줄이는 데 도움이 됩니다.

8. 에폭시 건 조립: 카트리지를 건에 넣고 혼합 노즐을 조입니다. 이 단계에서는 노즐 팁에서 약간의 액체를 짜내어 적절하게 혼합되고 있는지 확인하는 것이 좋습니다.

9. 금형에 실리콘 주입: 혼합 노즐의 끝을 금형 개구부에 삽입하고 방아쇠를 부드럽게 쥐십시오. 실리콘이 금형을 통해 흐르는 것을 관찰하고 금형이 가득 차 실리콘이 모든 벤트 구멍에서 빠져 나올 때까지 계속 펌핑합니다. 멈춘 후에도 실리콘이 금형 속으로 계속 가라앉는다면 기포가 가라앉거나 재료가 분할선에 스며들기 때문입니다. 처음 채운 후 몇 번 더 해야 할 수도 있습니다. 충전 후 진동 장치(예: 핸드헬드 샌더)를 금형 표면에 대면 기포를 더 원활하게 배출할 수 있습니다.

10. 실리콘 경화 시까지 대기:권장 경화 시간은 사용한 실리콘의 지침을 확인하십시오. 이때 트리밍 작업을 하면 좋습니다.

11. 프로토타입 이형: 먼저 금형 외부에서 삐져나온 실리콘을 모두 잘라냅니다. 그런 다음 Formlabs 주걱 또는 스크루 드라이버로 금형을 들어 올립니다. 금형의 통풍구에 생긴 얇은 실리콘 실에 유의합니다. 시간을 들여 이것들을 따로 다듬어 금형에 남아 하드웨어에서 실리콘을 잡아당기지 않도록 만드세요. 물체를 완전히 떼어내기 전에 플래싱 부분을 잘라내는 것도 도움이 될 수 있습니다.

12 프로토타입 다듬기, 마무리, 청소: Formlabs 플러시 커터 또는 날카로운 칼날로 다듬어야 할 플래싱이 항상 있게 마련입니다. 기포 때문에 표면에 빈 곳이 생기는 경우 액체 실리콘 패치를 붙인 후 페인트를 칠하여 경화할 수 있습니다. 프로토타입은 베타 테스터가 처리하기 전에 산업별 지침을 사용하여 세척해야 합니다.

금형은 여러 번 재사용할 수 있지만 종이 클립이나 드릴 비트와 같은 날카로운 물체를 사용하여 통풍구를 청소해야 할 수도 있습니다.

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