금형 수축율과 공차

열가소성 플라스틱 제품 양산 시 품질 확보와 생산성 극대화를 위해 설계 단계에서 반드시 고려해야 할 금형 수축, 공차, 체결 구조 및 자동화 지침을 다룹니다.

2-1 금형수축율 (MOLD SHRINKAGE)

모든 열가소성 플라스틱은 가소화(Melting)된 후에 금형 내부에서 냉각 및 고화가 진행되면서 부피 수축이 발생합니다. 이 수축 현상으로 인해 금형 설계 시 캐비티(Cavity) 및 코어(Core)의 치수를 최종 제품의 목표 치수보다 크게 설계해야 합니다.

금형과 최종 성형품 사이에 존재하는 치수 차이를 금형 수축이라 하며, 금형수축율은 아래 공식을 통해 계산됩니다.

• S (Mold Shrinkage): 금형수축율 (%)
• C (Part Dimension): 최종 부품 치수 (mm)
• M (Mold Dimension): 금형 치수 (mm)

수축율 변동 요인 및 재료별 특성

금형수축율은 고정된 값이 아니며, 제품의 형상(두께)과 성형 조건(사출 압력, 냉각 시간 등)에 따라 유동적으로 변합니다. 예를 들어, 두께가 얇은 부품은 냉각이 빨라 두꺼운 부품보다 수축이 적게 일어나는 경향이 있습니다.

제품 설계 시에는 수지의 분자 구조적 특성인 비결정성 수지와 결정성 수지의 차이를 명확히 이해해야 합니다.

• 결정성 수지 (Crystalline Polymers): 분자가 규칙적으로 배열되어 비결정성 수지보다 수축율이 훨씬 큽니다. 특히 사출 방향에 따라 성질이 달라지는 이방성(Anisotropic)을 가집니다.
  • 유리섬유(GF) 등의 보강재가 없는 경우: 수지의 흐름(사출) 방향의 수축율이 항상 가장 큽니다.
  • 유리섬유가 보강된 경우: 섬유가 흐름 방향으로 배향되므로, 오히려 흐름 방향의 수축율이 흐름 반대(직각) 방향보다 작아집니다.
• 비결정성 수지 (Amorphous Polymers): 분자 배열이 불규칙하며 등방성(Isotropic) 특성을 가집니다. 수지의 흐름 방향과 흐름 반대 방향의 수축율이 거의 동일하여 변형 예측이 비교적 용이합니다.

2-2 공차 (Tolerances)

금형의 정밀도 가공 조건 및 사출 성형 조건(온도, 압력 변동) 등의 변수로 인해, 실제 생산된 플라스틱 부품의 치수는 도면의 기본 치수와 완벽히 일치하기 어렵고 약간의 오차가 발생합니다. 이를 제어하기 위해 설계 단계에서 허용 공차 한도를 명확히 명시해야 합니다.

공차 범위를 너무 타이트하게 설정하면 금형 제작 비용과 불량률 증가로 인한 부품 단가가 급상승하므로, 제품의 기능성을 해치지 않는 선에서 적정 공차(합리적 공차)를 선정하는 것이 매우 중요합니다.

표 읽는 법 안내:
* A (성형과 관련 없는 치수): 금형의 파팅라인이나 가동부와 관계없이 하나의 금형 블록 내에서 결정되는 치수입니다.
* B (성형과 관련된 치수): 금형의 가동측·고정측 분할면, 코어의 움직임, 슬라이드 코어 등에 의해 성형 조건의 영향을 직접 받는 치수입니다.

표 9. 일반 공차 및 치수공차 변화표

소형~중형 부품 공차 범위 (공칭치수 0 ~ 70 mm)