사출 성형품의 설계는 단순히 외관 형상을 창조하는 디자인 단계를 넘어, 금형의 구조적 복잡성과 사출 성형 공정 중 발생하는 수지의 물리적 거동을 완벽하게 통제해야 하는 고도의 엔지니어링 영역입니다. 제품 설계의 미세한 차이에 따라 금형 제작 원가(Cost)가 수배 이상 변동하고, 양산 시 싱크 마크, 휨, 충진 불량 등의 치명적인 결함이 결정됩니다. 본 편람에서는 금형 설계 및 가공성을 극대화하기 위한 성형품 설계 핵심 요령과 파팅라인(Parting Line) 설정 원칙을 상세히 다룹니다.
1. 파팅라인(Parting Line)의 공학적 정의와 7대 위치 선정 원칙
파팅라인(P.L)이란 성형 완료 후 제품을 금형에서 취출할 때, 금형의 가동측(하형)판을 고정측(상형)판으로부터 분리하여 열고 성형품을 빼내는 기계적 분할 자국을 의미합니다. 장시간 금형 사용 시 분할면이 마모되어 사출 용액이 흘러나오면 거스러미(플래시, Flash or Burr)가 발생하므로, 설계 초기 단계부터 치밀한 위치 선정이 요구됩니다.
① 파팅라인 설정을 위한 설계자 필수 지침
- 외관 은폐의 원칙: 파팅라인은 제품의 기능 및 외관상 사용자의 눈에 가장 잘 띄지 않는 모서리나 단차부 형상 위치에 설정하는 것을 대원칙으로 합니다.
- 후가공 사상성 고려: 불가피하게 플래시(거스러미)가 발생하더라도 성형품의 후가공 마무리 잘라내기 작업이 가장 용이한 청소 가능 위치를 택합니다.
- 유동 시스템과의 연계: 용융 수지의 충진 유동 방향을 고려하여 게이트(Gate)의 위치, 형상 및 파팅라인 간의 유기적인 압력 밸런스를 계산해야 합니다.
- 금형 가공의 용이성: NC 절삭이나 방전 가공 시 분할 형판의 가공 평면이 평평하고 단순해지도록 파팅 위치를 결정합니다.
- 언더컷(Undercut)의 원천 배제: 제품이 금형 열림 방향으로 이형될 때 기계적 간섭을 받지 않도록 언더컷이 생기지 않는 분할면을 선택해야 합니다.
- 계단식 파팅라인의 틈새 제어: 파팅라인을 동일 평면상에 놓지 않고 제품 구조상 각도를 변경하여 2단 평면으로 설계하면 언더컷을 회피하여 금형을 단순화할 수 있습니다. 다만, 이 경우 캐비티와 코어를 틈새 없이 완벽하게 접촉시키는 정밀 가공이 매우 어려워지므로 밀착도가 떨어질 경우 발생하는 거스러미를 다듬질하기 쉬운 위치로 P.L을 조율해야 합니다.
- 널어링/엠보 무늬 구간의 단차 설계: 미끄럼 방지 널어링(너링)이나 부식 무늬가 파팅라인 면까지 그대로 이어지면 플래시 발생 시 제거가 불가능에 가깝습니다. 따라서 무늬가 끝나는 파팅라인 바로 윗부분에 미세한 단(Step)을 주는 단차 설계를 적용하여 거스러미 제거 공정을 최적화합니다.
2. 제품 살두께(Wall Thickness) 산정 기준과 유동비(L/t) 연산 법칙
성형품의 살두께는 제품의 강도와 절연성 등 기능적 요인뿐만 아니라 냉각 속도와 직결되는 사출 원가 절감의 핵심 인자입니다. 조건이 허용하는 한 살두께는 가급적 최소한(일반적으로 1~5mm 범위 내)으로 균일하게 설계하는 것이 재료 절약 및 냉각 시간 단축에 절대적으로 유리합니다.
① 유동비(L/t)와 성형성 제어 메커니즘
용융 수지의 최대 유동 거리(L)와 성형품 살두께(t)의 비를 유동비(L/t)라고 정의합니다. 수지의 두께가 얇을수록 온도가 낮은 금형 표면과 접촉 시 냉각 속도가 급격히 빨라져 흐름성이 극도로 나빠지고 분자 배향이 증가합니다. 따라서 캐비티 말단까지 미성형 없이 수지를 완전 충진시키려면 계산된 유동비가 원재료 플라스틱 메이커에서 추천하는 임계 유동비 값 이하가 되도록 살두께를 두껍게 보정하거나 게이트(Gate)의 소요 개수를 늘려 흐름 거리(L)를 단축시켜야 합니다.
② 살두께 균일 설계 및 점진적 변화 법칙
한 부품 내부에서 살두께가 불균일하면 냉각 속도의 편차로 인해 응력 집중, 싱크 마크, 휨 변형이 대량 발생합니다. 살두께의 변화율은 최대 20% 이내로 제한해야 하며, 구조상 두께 차이가 불가피한 경우에는 다음과 같은 점진적 연결 공식을 적용합니다.
| 형상 구조 분류 | 살두께 상세 연결 및 설계 원칙 | 기대 효과 및 제어 결함 |
|---|---|---|
| 서로 다른 살두께 연결 | 급격한 단차를 배제하고 경사면(Taper)을 적용하여 서서히 완만하게 연결 구조를 형성합니다. | 유동 압력 손실 최소화 및 외관 불량 방지 |
| 게이트 배치의 방향성 | 반드시 살두께가 두꺼운 영역 측에 게이트를 배치하여, 유동이 두꺼운 쪽에서 얇은 쪽으로 흐르도록 유도합니다. | 보압 전달 극대화 및 싱크 마크(면수축) 감소 |
| 상자 및 용기형 바닥 처리 | 상자 모양 제품은 충진 압력이 집중되는 밑바닥면을 다소 두껍게 하고, 측벽면은 상단으로 갈수록 서서히 두께가 감소되도록 구배 제안을 적용합니다. | 사출 충진 유동성 확보 및 이형성 향상 |
3. 이형 변형 방지를 위한 테이퍼 및 빼기 구배(Draft Angle) 표준
사출 후 수지가 냉각 수축하면서 고정측 또는 가동측 코어 장벽에 단단히 밀착됩니다. 이를 기계적 긁힘이나 변형 없이 원활하게 취출하려면 파팅면에 수직인 모든 제품 표면에 빼기 구배를 설계해야 합니다. 구배가 부족하면 이젝터 핀 자국에 의한 백화, 뒤틀림, 크랙 균열 불량이 발생합니다.
① 제품 형상별 빼기 구배 가이드 규격
- 일반적인 빼기 구배 표준 사양: 통상적으로 1/30 ~ 1/60 (약 1° ~ 2°)를 표준으로 적용하며, 정밀 성형품의 기능적 제약이 있을 때의 실용 최소 한계는 1/120 (약 0.5°)로 제한합니다. 구배가 극도로 작을 때는 코어 표면 거칠기를 거울면(Lap 가공) 수준으로 극소화하고 다듬질 가공 방향 역시 반드시 제품 취출 빼기 방향과 일치시켜야 합니다.
- 줄무늬/가죽 부식 패턴 적용 시: 표면에 줄무늬나 가죽 질감의 부식 문양이 가공되는 제품의 경우, 마찰 저항이 급증하므로 최소 4° 이상의 큰 빼기 구배를 확보해야 피막 긁힘을 방지할 수 있습니다.
- 상자 및 커버(H가 50mm 기준)의 내외측 구배 배분: 높이(H)가 50mm 이하일 때는 외측 구배를 1° 이상, 내측 구배를 1.5° 이상으로 주며, 높이가 50mm를 초과하는 대형 깊은 상자의 경우에는 내외측 구배 모두 최소 1.5° 이상으로 대폭 증대시켜 설계합니다.
4. 응력 집중 제어 코너 R 및 보강 리브(Rib) 설계 공식
제품의 예리하게 각진 모서리는 사출 압력 전달을 방해하고 내부 잔류 응력을 집중시켜 균일 균열 및 크랙의 주원인이 됩니다. 또한 리브 설계 시 두께 배율 공식을 어기면 외관에 치명적인 싱크 마크가 발생합니다.
① 응력집중계수와 모서리 R의 황금 비율 (R/T = 1/2)
실험 공학적 데이터에 따르면 제품 두께(T)와 내측 코너 반경(R)의 비인 R/T 값이 0.25 이하로 떨어질 때 응력집중계수는 2를 돌파하며 급격히 증대되어 파손 리스크가 2배 이상 상승합니다. 반면 R/T가 0.75 이상이 되면 완만해집니다. 따라서 변형 방지와 사출 유동성 확보를 위한 모서리 R의 가장 이상적인 기준 공식은 내측 모서리 R = T/2 (두께의 0.5배), 외측 직각부 코너 R = 1.5T를 유지하여 전 구간 살두께가 균일하게 선회하도록 설계하는 것입니다.
② 싱크 마크를 방지하는 리브(Rib) 설계 공식 표준
살두께를 무작정 두껍게 하는 것보다 미세한 보강 리브를 여러 개 촘촘하게 배치하는 것이 냉각 사이클 타임 단축 and 싱크 마크 억제 측면에서 백분 유리합니다.
- 리브 근본 두께 공식 (S): 리브 하단 접촉부의 살두께가 두꺼워지면 배면 수축(싱크 마크)이 백프로 발생하므로, 리브의 기초 두께 S는 기본 제품 살두께(T)의 50% ~ 70% (S = 0.5T ~ 0.7T) 범위 내로 얇게 설계하는 것이 대원칙입니다. 기계가공 제약 시 최대 한도는 0.9T 이하입니다.
- 리브 높이 (H) 및 구배 제한: 리브의 최대 높이는 제품 살두께 기준 H = 1.5T ~ 3T 범위가 안정적이며, 이형을 위한 리브 자체 빼기 구배 테이퍼는 수지 특성에 따라 0.5° ~ 5° 범위를 적용합니다 (범용 ABS/PC: 0.5°~1.5°, 유리섬유 강화 수지: 1°~3°).
- 리브 상단 윗면 두께 (B): 금형 방전 및 가공 깊이를 고려하여 리브의 최상단 최외각 두께 B는 최소 1.0mm ~ 1.8mm 이상이 확보되도록 테이퍼를 역산해야 가공이 가능합니다. 리브 바닥 접합부 코너 R은 응력 집중 방지를 위해 R = 리브두께/4 정도를 부여합니다.
5. 체결용 보스(Boss) 및 정밀 구멍(Hole)의 치수 공차 설계 지침
① 셀프 태핑 및 금속 인서트용 보스(Boss) 설계
나사 체결 기둥 역할을 하는 보스는 사출 압력을 다이렉트로 받는 부위이므로 외경과 안지름의 비례 배분이 엄격해야 크랙을 막을 수 있습니다.
- 보스의 기본 외경 공식: 충분한 보스 조립 강도를 유지하기 위한 보스의 외경 치수는 보스 내경(나사 지름)의 최소 2배 이상으로 대대적으로 작도해야 합니다.
- 싱크 마크 차단 벽면 두께: 보스 내부 가공 시 밑면 싱크 마크를 방지하기 위해 보스의 순수 살두께 역시 주벽 두께의 0.5T ~ 0.7T 수준으로 얇게 깎아내고, 사방에 강력한 4개 이하의 보강 리브를 십자 형태로 배치하여 지지 기둥 강도를 유지시킵니다. 보스의 최대 높이는 지름의 2배 이하로 제한하며, 빼기 구배는 2° 이하로 설계합니다.
② 구멍(Hole) 설계 시 피치 및 가장자리 거리 기준
사출 제품에 천공되는 구멍은 용융 수지의 흐름을 분기시켜 구멍 후면에 강도가 30~40% 저하되는 웰드 라인을 강제 발생시키므로 구조적 배열 기준을 준수해야 합니다.
- 구멍 간 최소 피치 거리: 인접한 구멍과 구멍 사이의 중심 거리는 최소 구멍 직경(지름)의 2배 이상 유격을 두어야 웰드 라인 간섭에 의한 파손을 막을 수 있습니다.
- 가장자리(Edge)와의 안전 거리: 구멍에 외부 기계적 조립 하중이 작용할 때 가장자리 벽면과의 이격 거리는 구멍 지름의 3배 이상, 하중이 작용하지 않는 일반 부위는 최소 1.5배 이상의 거리를 필히 유지해야 외곽 터짐 현상을 방지합니다.
- 코어 핀 상하 맞물림 관통 설계: 가늘고 깊은 관통 구멍 성형 시 단독 롱 코어 핀을 쓰면 사출 압력에 의해 핀이 휘거나 부러집니다. 따라서 상하 금형 양측에서 분할 핀을 세워 중간에서 맞물리도록 설계하되, 한쪽 코어 핀 지름(D)을 반대쪽(d)보다 D ≥ d + 0.5mm 이상 크게 설계하여 편심에 의한 단차 오차를 물리적으로 흡수 방지합니다.
