모든 열가소성 플라스틱 수지는 가소화된 후 배럴 노즐을 통과하여 상대적으로 온도가 낮은 금형 캐비티 내부로 주입되며, 이후 냉각 및 고화되는 과정에서 물리적인 체적 및 선수축을 필연적으로 일으킵니다. 이 결과로 인해 금형설계 시 캐비티 및 코어의 가공 치수를 최종 제품 도면 치수보다 수축량만큼 크게 만들어야 양산 시 오차 없는 정밀 제품을 구현할 수 있습니다. 금형과 성형 부품 사이에 존재하는 이 기하학적 치수 차이를 ‘금형 수축’이라 정의합니다.
1. 금형 수축률(Mold Shrinkage)의 정의 및 공학적 연산 공식
금형 수축률(S)과 실제 가공 공구의 진입 기준이 되는 금형 치수(M)는 아래와 같은 수리적 역산 공식에 의해 정밀하게 계산 및 연동됩니다.
금형 수축률 공식: S ＝ (1 － C / M) × 100 (%)
금형 가공 치수 공식: M ＝ C / (1 － S)
금형 가공 치수 공식: M ＝ C / (1 － S)
- S (Mold Shrinkage): 수지의 고유 금형 수축률 (%)
- C (Part Dimension): 성형 제품의 최종 타겟 도면 치수 (mm)
- M (Mold Dimension): 가공되어야 할 금형의 캐비티 및 코어 유효 치수 (mm)
2. 수축률 변동에 영향을 미치는 4대 성형 공정 변수 및 수지별 물성 데이터
플라스틱의 수축률은 유동 선단 내에서 고정된 상수가 아니며, 사출 성형기 내부의 열역학적 공정 조건 변화와 원재료의 분자 고리 구조에 따라 복잡한 가변 거동을 보입니다. 설계자는 다음 4대 변수의 인과관계를 정확히 해독해야 치수 변형 불량을 원천 차단할 수 있습니다.
- 사출 및 보압 압력 (Injection & Packing Pressure): 캐비티 내부로 주입되는 충진 압력과 보압 시스템의 한계 압력이 높을수록, 캐비티 내부의 용용 수지 밀집도가 기계적으로 상승하여 최종 성형 수축률은 역으로 크게 감소하게 됩니다. 만약 보압 전달 시간이 부족하거나 전단 압력이 낮으면 제품 표면이 안으로 함몰되는 면수축(싱크 마크)이나 외각 치수 축소 결함이 발생합니다.
- 금형 온도 및 냉각 속도 (Mold Temperature & Cooling Rate): 온도 제어기(온조기)에 의한 금형 코어의 설정 온도가 높거나 냉각 유로의 배열 한계로 인해 냉각 속도가 느려질 경우, 플라스틱 고분자 사슬들이 안정적인 물리적 격자 구조를 형성할 수 있는 열역학적 시간적 여유가 늘어납니다. 이는 수지의 밀도를 높여 최종 수축률을 대폭 상승시키는 직접적인 원인이 되므로 균일 냉각 라인 설계가 수반되어야 합니다.
- 성형품의 살두께 (Wall Thickness): 제품의 단면 살두께가 두꺼운 부위는 표면에 비해 내부 중심부의 축적 열량이 매우 많아 냉각 속도가 필연적으로 지연됩니다. 이로 인해 분자 사슬의 재정렬 시간이 길어지기 때문에 살두께 구조가 두꺼울수록 국부적 수축률이 급격히 증가하며, 하나의 성형품 내부에 두께 편차가 심할 경우 수축 불균일로 인한 내부 잔류 응력이 누적되어 취출 후 뒤틀림 및 휨 변형이 대량 유발됩니다.
- 원재료의 물성 구조 및 이방성 특성: 아래의 마스터 수지 데이터와 같이 플라스틱은 분자 배열 구조에 따라 결정성 수지와 비결정성(무정형) 수지로 나뉩니다. 결정성 수지는 응고 시 분자들이 매우 조밀한 결정 격자를 형성하므로 비결정성 수지에 비해 기본 성형 수축률 치수가 비약적으로 크게 나타납니다. 또한 유리섬유(Glass Fiber) 등의 보강재가 복합된 수지는 수지가 흘러 들어간 유동 배향 방향의 선수축률이 흐름 직각 방향의 수축률보다 현저히 감소하는 이방성 거동을 보이므로, 게이트 위치 선정 시 충진 패스를 엄격히 연계 계산하여 설계해야 합니다.
③ 주요 플라스틱 수지별 연속사용온도 및 표준 성형 수축률 매트릭스
| 수지 기호 및 명칭 | 물성 구조 분류 | 연속 사용 온도 범위 (180°C 표준 기준 외 일반 환경) | 표준 성형 수축률 범위 (%) | 금형 설계 치수 보정 경향 |
|---|---|---|---|---|
| PE (폴리에틸렌) |
결정성 수지 | 70 ~ 90°C | 1.5 ~ 3.0% | 고수축 (치수 마진 확대) |
| PP (폴리프로필렌) |
결정성 수지 | 100 ~ 110°C | 1.0 ~ 2.5% | 고수축 (뒤틀림 주의) |
| POM (폴리아세탈) |
결정성 수지 | 90 ~ 100°C | 1.5 ~ 2.5% | 고수축 (정밀 공차 관리) |
| PA 66 (Ny-66) (나일론 66) |
결정성 수지 | 100 ~ 120°C | 1.0 ~ 2.0% | 고수축 (흡수 수축 변화 고려) |
| PBT (폴리부틸렌테레프탈레이트) |
결정성 수지 | 120 ~ 140°C | 1.5 ~ 2.0% | 고수축 (유동 배향성 제어) |
| ABS (에이비에스) |
비결정성 (무정형) 수지 | 70 ~ 90°C | 0.4 ~ 0.7% | 저수축 (치수 안정성 우수) |
| PC (폴리카보네이트) |
비결정성 (무정형) 수지 | 110 ~ 130°C | 0.5 ~ 0.8% | 저수축 (고압 사출 크랙 주의) |
| PMMA (아크릴) |
비결정성 (무정형) 수지 | 70 ~ 85°C | 0.2 ~ 0.6% | 최저수축 (광학 변형 제어) |
| PS (GPPS/HIPS) (폴리스티렌) |
비결정성 (무정형) 수지 | 60 ~ 75°C | 0.2 ~ 0.6% | 최저수축 (취성 파손 방지) |
| PVC (폴리염화비닐) |
비결정성 (무정형) 수지 | 50 ~ 70°C | 0.1 ~ 0.5% | 최저수축 (가스 부식 방지 강재 필수) |
3. 정밀 성형품 구현을 위한 공차(Tolerance) 설계 원칙
사출 성형품은 일반 금속 절삭 가공품에 비해 주변 환경에 따른 열팽창률이 높고 사출 공정 조건 변수에 의한 수축 편차가 크므로, 기계적인 치수 공차를 부여할 때 플라스틱 고분자 고유의 성형 가공 한계를 도면에 명확히 반영해야 치수 불합격을 막을 수 있습니다.
| 설계 관리 항목 | 실무적 공차 지정 원칙 및 세부 엔지니어링 지침 |
|---|---|
| 치수 공차 연동 (Dimensional Tolerance) |
성형 제품 도면상에 설정된 크기 치수 공차는 수축률의 가변 범위를 고려하여 연동되어야 합니다. 가공 부서에서 금형 코어를 제작할 때 적용하는 금형 자체의 제조 가공 공차는 성형품 도면 상에 명시된 허용 공차 범위 치수의 30% 이내(배분율 1/3 규격)로 엄격하게 압축하여 부여하고 가공하는 것이 양산 시 부품 간 조립 호환성을 담보하는 절대적 대원칙입니다. |
| 기하 공차 적용 (Geometrical Tolerance) |
용융 수지의 흐름 배향성과 냉각 편차로 인해 발생하는 체적 수축 오차는 단순 길이 치수 공차만으로는 완벽히 통제 및 규제할 수 없습니다. 따라서 제품의 면수축 뒤틀림 수축을 억제하기 위한 평면도(Flatness, ▱) 공차나 원통 결합부의 편심 변형을 규제하는 진원도(Roundness, ◯) 등의 기하공차 항목을 공차 기입 틀(Tolerance Frame) 규격 표준에 맞춰 명밀히 선언함으로써 성형품의 기하학적 정밀도 품질을 최종 완수해야 합니다. |
