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1 일반총설 고분자성형공정개요및성형원리 류민영 ᆞ 김혜연 1. 서론현재고분자의생산량은한국, 일본은물론세계적으로도철강의생산량보다많다. 인류가지구상에자리잡은후시대를분류할때그당시사용하던소재로분류 ( 신석기, 구석기, 청동기, 철기시대 ) 하는것을보면먼훗날지금의시대를고분자시대라부르지않을까하는상상을하게된다. 이처럼고분자의쓰임이증가함에따라고분자제품을성형하는방법또한중요한역할을하고있다. 고분자성형에서의주안점은경쟁력있는가격으로품질의만족을꾀할수있도록하기위한소재의선택과제품설계, 금형설계그리고성형기계의운전이라고할수있다. 1,2 제품의설계는성형공정과소재에적합하도록이루어져야하기때문에최적의제품을설계하는데있어서고분자성형법을충분히이해하는것이우선적이라하겠다. 금형은고분자성형에있어서요구하는모양을형성시키기위해쓰이는기본적인도구로써제품의형상에직접적인영향을주며이금형설계의어려움때문에제품설계에많은제약을받기도한다. 성형기계의운전조건역시성형에큰영향을미친다. 성형기계는금형이나다이를포함하고있고, 소재를녹이고펌핑하는역할을하며금형을통하여제품이완성되도록한다. 기계의운전조건설정및조작은소재의특성에맞게이루어져야한다. 이러한상황들을종합적으로검토해볼때고분자성형공정에서가장중요한핵심은소재, 금형, 그리고기계의운전즉, 성형조건이라고말할수있다. 고분자성형방법을열거하면사출성형 (injection molding), 압축성형 (compression molding), 이송성형 (transfer molding), 열성형 (thermoforming), 블로우성형 (blow molding), 필름블로잉 (film blowing), 압출성형 (profile extrusion), 카렌더링 (calendering), 섬유방사 (fiber spinning) 그리고발포성형 (expanding molding) 등다양하다. 3 이러한성형공정에서사용하는금형의형태는다양하다. 두개의반쪽금형이닫혀서공간 (cavity) 을만들도록되어있는금형을몰드 (mold) 라부르고, 금형에수지가통과하면서형상을만들도록되어있는금형을일반적으로다이 (die) 라부른다. 또한, 금형을열고두개의반쪽금형사이에수지나미리성형된판재등을넣고반쪽금형을닫으면서특정모양을성형하는데쓰이는금형도다이라칭한다. 이 러한측면에서보면몰드를쓰는공정은사출성형, 이송성형, 블로우성형, 그리고발포성형이다. 재료를통과시키면서성형하는다이를쓰는공정은필름블로잉, 압출성형, 카렌더링, 그리고섬유방사이다. 카렌더링은두롤 (roll) 사이에재료를통과시키면서띠모양의제품을성형하기때문에두롤이금형인다이의역할을한다고보면된다. 특별히섬유방사에쓰이는다이를스피너렛 (spinneret) 이라부른다. 두반쪽금형사이에재료를넣고금형을닫으면서성형하는다이를사용하는공정은압축성형과열성형이다. 사출성형, 필름블로잉, 압출성형, 그리고, 방사성형에쓰이는성형기계는성형하는재료의가소화가필요하기때문에단축스크류 (single screw) 가부착되어있다. 그외의성형기계는이미일정모양으로만들어진반제품을가열하는장치가있어성형이가능하도록온도를높혀준다. 성형이모두끝난후에는제품이일정한모양으로굳어지도록냉각을하게된다. 이러한냉각과정에서용융된수지는수축을하기때문에정밀한성형을하기위해서는이에대한대처가중요하다. 특히, 결정성수지는결정화를이루면서냉각의조건에따라수축 류민영 현재 김혜연 현재 한양대학교기계설계학과 ( 학사 ) KAIST 기계공학과 ( 생산공학전공 ) The Univ. of Akron, Polymer Engineering( 공학박사 ) LG 생산기술연구원주임연구원 삼양사중앙연구소수석연구원 서울산업대학교금형설계학과부교수 서울산업대학교금형설계학과 ( 학사 ) 서울산업대학교대학원 Introduction to Polymer Shaping Processes and Their Principles 서울산업대학교공과대학금형설계학과 (Min-Young Lyu, Department of Die and Mould Engineering, Seoul National University of Technology, 172 Gongreung 2-dong, Nowon-gu, Seoul , Korea) mylyu@snut.ac.kr 서울산업대학교대학원 (Hae-Yeon Kim, Graduate School of Industry, Seoul National University of Technology, 172 Gongreung 2-dong, Nowon-gu, Seoul , Korea) 고분자과학과기술제 20 권 2 호 2009 년 4 월 157

2 에크게편차를보이기때문에세심한주의가필요하다. 본논문에서는고분자성형법중에서가장활용빈도가높은공정인일반사출성형, 특수사출성형, 압출성형, 그리고블로우성형등을위주로원리와개요를설명하고연구동향을고찰하고자한다. 2. 일반사출성형 (Conventional Injection Molding) 2.1 사출성형의원리및공정의구성사출성형기는고분자수지를녹이고펌핑을해주는사출장치 (injection unit) 와상하금형을고정시키고열고닫힘의기능을해주는형체장치 (clamp unit) 로구분되어있다. 그림 1에는일반사출성형기가나타나있다. 사출장치에는실린더가있고실린더에서스크류또는플런저를이용하여파우더 (powder), 그래뉼 (granule), 또는펠렛 (pellet) 상태의고체고분자를녹이면서실린더앞쪽으로이송시키고, 이송이끝나면앞으로이송된고분자용융물을스크류나플런저로밀어실린더끝의노즐을통과시켜금형안으로흘러들어가게한다. 사출장치에서고분자를녹이는방법은그림 2에나타나있는것처럼크게두가지가있는데, 첫번째방법은스크류의회전에의한마찰열과외부의가열장치에의해고분자를녹이는방법으로, 녹은고분 Clamp Unit Injection Unit 그림 1. Conventional injection molding machine consisted of injection unit and clamp unit. 자는스크류의채널을따라앞으로이송되고이송이끝나면스크류의회전이정지하고스크류가플런저역할을하여앞에모인용융고분자를높은압력으로노즐쪽으로밀어낸다. 사출장치에서고분자를녹이는두번째방법은순전히외부의열을이용하여실린더안에서고분자를녹이고플런저를이용하여녹은고분자를노즐쪽으로밀어내면서사출을하는방법이다. 고분자의완전가소화를위해실린더내부의끝부분에는토피도가있어고분자흐름속도가커온도를상승시킨다. 실린더를두개사용하는사출장치도있는데하나의실린더에서는가소화만시키고가소화된수지가다른실린더로이송되면그곳에서는플런저를이용하여사출을한다. 이러한사출장치는다른방법에비해가소화능력이뛰어나다. 형체장치는상하두금형을매달고있으며금형을열고닫는역할을한다. 그리고, 사출시캐비티에높은압력이작용될때금형이열리지않도록큰힘으로두금형을밀착시키는역할을한다. 금형을밀착시키는방법은유압식과기계식인토글식이있다. 사출성형시형체력은매우중요한항목이며이형체력으로사출기를분류하고호칭한다. 사출장치의구동이나형체장치의구동에모터를이용한전동식은유압식에비해에너지소비가작고제어가정밀하다. 사출성형의사이클은수지의가소화, 수지의금형으로의충전, 수지가금형으로충전되면서냉각에의해수축이되는데이를보상하기위한보압, 수지가금형내에서형상이만들어진후꺼내기온도까지기다리는수지의냉각, 그리고제품의취출로구성되어있다. 이러한사이클에서냉각과정이차지하는비중이대략 80% 정도로가장크다. 따라서, 사출성형의사이클시간을단축하기위해서는금형의냉각을효과적으로수행하는것이매우중요하다. 2.2 사출성형용금형사출성형에쓰이는금형은그림 3에나타난바와같이형체장치의고정판에부착되는고정측금형과형체장치의이동판에부착되는가동측금형으로나뉘어져있다. 이두금형에는형상이새겨져있어서로결합하면제품의형상을갖는공간 ( 캐비티 ) 을이루고여기에용융고분자가채워지고, 수지의온도에비해낮은금형의온도에의해용융 그림 2. Difference of injection units in a conventional injection molding machine: screw; plunger types. 그림 3. Injection mold consisted of moving and stationary mold: moving; stationary molds. 158 Polymer Science and Technology Vol. 20, No. 2, April 2009

3 1. Sprue 2. Runner 3. Auxiliary Runner 4. Cold Slug Well 5. Gate 6. Gate Land 7. Product 그림 4. A Injection molded product containing sprue, runner and gate. 수지가굳으면서제품을형성한다. 금형의온도는수지의온도보다는낮지만수지의점도나제품의형상에따라성형이잘이루어지도록설정하는데대략 사이로설정한다. 금형의온도는제품의품질과성형사이클시간에큰영향을미치기때문에적절한설정은매우중요하다. 최근에는외관디자인및품질의중요도가높아짐에따라금형의온도를 120 정도까지높은온도로가열하여표면의품질을향상시키는방법이많이채택되고있다. 금형은단순히고정및이동금형두개의형판으로이루어져있는 2단금형과세개의형판으로이루어져있는 3단금형이있다. 이러한금형들은그부품의형상이유사하여몰드베이스로정형화되어있다. 따라서, 적정한몰드베이스를선정하여여기에코어나캐비티의형상을가공하거나삽입하여금형을완성한다. 용융고분자가금형의캐비티내에들어가는경로는사출장치의노즐에서금형의스프루, 런너그리고게이트를통과하여캐비티로흘러가는순서로이루어져있다. 캐비티내에서수지가굳으면성형품을빼내기위해서금형이열리는데성형품은일반적으로가동측금형에붙어있게된다. 가동측금형에붙어있는성형품은이젝터핀 (ejector pin) 이나스트리퍼플레이트 (stripper plate) 에의해금형으로부터취출된다. 그림 4에는금형에서빠져나온스프루, 런너, 게이트그리고성형품의연결상태가나타나있다. 2.3 사출성형품의특성사출성형공정은고체고분자를용융시킨후고압으로금형에밀어넣은후냉각시켜제품을얻는공정으로써공정중온도변화가크고높은압력이적용된다. 그로이해온도변화가크기때문에체적의변화가수반되어성형품에형상오차가발생하게된다. 즉, 성형품이금형의모양이나치수그대로전사되는것이아니라금형의치수보다작은치수로성형된다. 이와같은현상을성형수축이라한다. 4 그림 5에는성형수축이발생하는이유를온도- 압력-비체적곡선을통해설명하고있다. 온도변화속에서압력변화가동시에작용하기때문에단순히온도변화에따른체적변화만나타나는것이아니라압력에의한패킹의효과도나타나성형수축을어느정도보상한다. 정밀사출성형을위해서는온도-압력-비체적곡선에서제품이어떠한경로를따르게하면서성형을해야할지가큰관건이다. 5 그림 6에는사출성형공정중에거치는경로가나타나있다. 성형공정의조절로도할수있고특별한사출성형기를통하여도온도, 압력그리고비체적의경로를조절할수있다. 일반적으로사출성형품에나타나는성형수축은결정성수지에서는약 1.5 2% 내외, 비결정성수지에서는약 0.5% 내외를보인다. 6 그이유는결정성수지가그림 5에서와같이체적이크게팽창하는용융온도 (T m ) 가있기때문이다. 결정성수지는응고되면서결정화를이루게되는데결정화도 (degree of crystallinity) 의정도는응고되는속도, 즉냉각속도와 그림 5. Schematic explanation of part shrinkage (Δv) occurred in injection molding process: amorphous polymer; crystalline polymer. Specific volume V amb T amb T mold T g T melt Temperature 그림 6. Control of solidifying path in the PVT diagram. 관련이있고, 냉각되는속도는금형의온도에따라결정된다. 따라서, 결정성수지의경우금형의온도조절에따라수축량이변하고이것은제품의정밀도와깊이관련이있어온도조절이매우중요하다. 사출성형품에나타나는또다른외관특징은형상의변형 (deflection, warpage) 이다. 형상의변형은성형품의치수및외관형상의정밀도와관련이있다. 성형중에형성된잔류응력 (residual stress) 이성형이끝난후제품에작용되어시간이지난후에제품을변형시키는것이다. 따라서, 정밀성형을위해서는이러한잔류응력의제어가중요하다. 7 잔류응력의형성은크게두가지로설명되는데흐름에의한잔류응력 (flow-induced residual stress) 과열에의한잔류응력 (thermally induces residual stress) 이다. 그림 7에흐름에의한잔류응력의형성과정이설명되어있다. 흐름에의한잔류응력은고분자용융체가큰압력을받아작은틈새의금형캐비티에흘러들어가면서큰전단응력을받고분자가배향되어형성되는잔류응력이다. 이잔류응력은흐름방향과흐름직각방향과의차이가있어잔류응력이이방성을보인다. 고분자과학과기술제 20 권 2 호 2009 년 4 월 159

4 그림 8에는열에의한잔류응력의형성과정이설명되어있는데높은온도의수지가응고되면서표면층과중앙층의냉각의차이때문에형성되는잔류응력이다. 용융온도이상의온도로금형내로들어온수지는낮은금형온도때문에표면부터응고되기시작한다. 이과정에서초기에는표면층의응고에따라수축을하려고하는데중앙부는아직온도가높아큰체적을유지하려고하는과정에서표면층은인장응력을받고중앙층은압축응력을받는다. 그러나, 시간이지남에따라중앙층의온도도낮아지면서응고되기시작하는데표면층은이미응고가끝나치수가굳어져있어중앙층이수축하는데저항을하게된다. 이과정에서최종적으로중앙부분은인장응력을받고표면부분은압축응력을받게된다. 이렇게형성된두가지의잔류응력이이완되면서성형품을변형시킨다. 잔류응력의형성을줄이기위해서는성형조건의설정이매우중요하다. 일반적으로수지의온도와금형의온도를높게설정하고, 사출속도를빠르게하면잔류응력을줄일수있는데이러한성형조건들은제품의성형성과생산성도관련되어있어서모든요구조건을만족하는최적의조건을찾는것은매우어렵다. 성형품의품질에영향을주는현상들은여러가지가있는데주로표면의품질과관련이있다. 웰드라인 (weld line), 흐름자국 (flow mark), 게이트자국 (gate mark), 젯팅 (jetting), 은줄 (silver streak), 그리고버닝 (buring) 등이표면품질과관련된현상인데, 이러한현상들은성형조건, 제품형상, 금형설계, 그리고소재의용융물성과관련이있다. 미성형 (short shot) 은수지가금형의캐비티속을완전히채우지못한현상인데역시성형조건, 제품설계, 그리고수지의용융물성과관련이있다. 이상에서살펴본바와같이일반적인사출성형에서정밀도에영향을주는여러조건들이복합되어있어고정밀의품질을맞추기는매우어렵다. 따라서, 사출성형의정밀도를높이기위해서는제품의형상설계, 금형설계, 수지의선정, 그리고운전조건이서로조 화가잘이루어지는과정에서최적조건을찾아야한다. 일반사출성형의한계를극복하거나정밀도를향상시키기위해서특수사출성형이활용된다. 3. 특수사출성형 3.1 가스사출성형 (Gas Injection Molding(GIM)) 일반적인사출성형방법이아닌방법중에가스사출성형방법 (GIM, gas injection molding 또는 gas assisted injection molding) 이있다. 일반적인사출성형에서성형품의두께가두꺼울경우, 싱크마크나기공등의성형결함이생기는데이러한결함을극복하기위해서가스사출성형법이사용된다. 8 그림 9에가스사출성형의공정이설명되어있다. 이방법은두께가두꺼운부분의중심에가스를주입하여부분적으로중공부를만들며성형하는방법이다. 따라서, 재료의절감및굽힘관성모우먼트를크게하는장점이있다. 가스사출성형에서는용융수지를금형의캐비티내에완전히채우지않고일부분만을사출하고두께의중앙부분에가스를주입한다. 가스사출금형의제작에서중요한것이가스통로의배치인데가스주입은노즐을통하여주입하는방법과런너나캐비티를통하여주입하는방법으로분류된다. 그림 10은가스주입위치에따른차이를나타낸것이다. 이가스사출에의한제품은중앙이중공부이기때문에두께가얇게성형되어수지의양이적어수축이적으며일반사출에비해금형의치수와일치하는성형품을얻을수있다. 그러나, 공기가용융수지속에파고들어가면서두께가불균일할수있고내부표면이깨끗하지않게성형되는단점을갖고있다. 그림 11 에가스사출에의한성형품이나타나있다. 3.2 물사출성형 (Water Injection Molding(WIM)) 가스사출성형방법과유사한방법으로가스대신물을두께의중심에주입시키는성형방법이다. 9 그림 12에물사출성형공정이나타나있다. 이방법은 2000 년대초반에실제제품에응용되기시작했는데현재는응용사례가증가하고있는상황이다. 그림 7. Schematic drawing of flow-induced residual stress. Melt Injection Packing Gas Injection Completion of Molding 그림 9. Molding procedure in gas injection molding. 그림 8. Schematic drawing of thermally-induced residual stress. 그림 10. Location of gas inlet in gas injection molding. 160 Polymer Science and Technology Vol. 20, No. 2, April 2009

5 먼저고분자수지를금형의캐비티에주입한다. 그리고, 물을주입하는통로를열어물을주입하면두께의중앙층은수지가아직굳지않고용융상태여서물이중앙부를통해용융수지를밀면서흘러들어간다. 밀려온수지는끝의통로를통해빠져나가고내부에차있는물을빼내면성형이완성된다. 물사출성형은가스사출성형과유사하지만가스사출에비해많은장점을가지고있다. 중앙에주입되는물질이물이므로수지의냉각이빨라가스사출성형에비해성형사이클시간이단축된다. 가스사출성형에서는핑거링 (fingering) 현상으로벽두께가불안정하게형성되는데물사출성형에서는벽두께가균일하게형성된다. 또한, 물이닿는내부표면이보다깨끗한장점도있다. 3.3 사출압축성형 (Injection Compression Molding(ICM)) 사출압축성형법 (injection compression molding(icm)) 은사출성형공정과압축공정이복합된성형공정이다. 10 그림 13에공정이나타나있다. 먼저일반사출성형공정에서와같은방법으로일정량의고분자용융체를금형의캐비티내에충전한다. 이때금형은완전히닫혀있지않고약간열려있으며정밀하게계량된고분자용융체는캐비티내를다채우지않고일부분만을채운다. 그다음금형이완전히닫히면서고분자융융체를압축하여캐비티에완전히충전시킨다. 사출압축공정은일반사출공정에비해첫단계의사출시사출압을낮게사출하기때문에성형품의게이트부분에잔류응력이작게형성된다. 그리고, 다음의압축 그림 11. Gas injection molded sample. 단계를통하여수지가캐비티에채워지기때문에캐비티모든영영에서균등한힘을받게되며따라서, 밀도가균일한제품을얻을수있고전체적으로잔류응력이작은성형품을얻을수있다. 투명한제품의경우는복굴절이낮은상태로성형이가능하여우수한광학적특성이요구되는성형품의성형에사용된다. CD나 DVD는사출압축성형법에의해성형되며렌즈처럼고품질의광학적특성이요구되는성형품에도활발히응용되고있다. 11 광학적제품뿐만아니라높은치수품질을요구하는기어나외관제품에도이성형법이사용되고있다. 사출압축성형에서압축운동을하는방법은사출기의클램핑운동을이용하는방법과이젝팅운동을이용하는방법이있는데이를이용하여코어를움직이게하거나전체형판을움직이게하면서압축공정을수행한다. 그림 14는사출압축성형법으로성형된렌즈의복굴절분포를보여주고있다. 3.4 반응사출성형 (Reaction Injection Molding(RIM)) 일반적인사출성형이나가스사출성형은열가소성수지를이용하는데열경화성수지를사출하기위해서는반응사출성형법 (RIM, reaction injection molding) 이사용된다. 열경화성수지는수지가한번만들어지면다시용융되지않기때문에금형내에서합성반응을시키면서제품을성형한다. 12 그림 15에반응사출성형공정이나타나있다. 반응하여고분자가되는화학물질들을따로공급하며금형에들어가기직전에믹싱헤드에서서로섞이도록한후플런저를이용하여섞인물질을밀어금형에들어가게한다. 이렇게함으로써점도가매우낮은액체가금형의캐비티에낮은압력으로채워지며, 금형안에서반응이완성되어열경화성수지의제품을얻게된다. 고분자수지의고화는일반사출성형에서는온도가낮아짐으로써이루어지나반응사출성형에서는반응이끝남으로써이루어진다. 반응사출의경우금형의온도가일반사출성형에서보다높게하여반응을좋게한다. 3.5 분말사출성형 (Powder Injection Molding(PIM)) 분말사출성형은플라스틱사출성형기술의장점과분말야금의장점을결합시킨부품성형기술이다. 플라스틱사출성형기술의큰장점 그림 12. Water injection molding process. 고분자과학과기술제 20 권 2 호 2009 년 4 월 161

6 Melt Initial Injection Stage Compression Stage 그림 13. Injection compression molding process. 그림 14. Birefringence of lens made by injection compression molding. 그림 16. Powder injection molding process. 그림 15. Reaction injection molding process. 인 3차원정밀형상의대량생산성과분말야금기술의큰장점인고융점재료 ( 주로 1,000 이상 ) 의성형성을모두지닌특징을갖고있다. 분말사출성형기술은일반철합금은물론비철합금, 융점이매우높은텅스텐계및몰리브덴계의중합금, 그리고초경재료와복합재료및세라믹재료까지도후가공이거의없이 3차원의원하는형상을일괄적으로성형할수있는매우유용한부품제조기술이다. 13 분말사출성형기술의상용화로인하여, 그동안형상의제한때문에실제적용이배제되었던우수한기계적특성의난가공성재료의적용이매우용이해져높은강도가요구되는기계부품산업에응용되고있다. 또한, 분말사출성형기술은기존분말야금기술과비교할때, 부품내의밀도분포를매우균질하게성형할수있고완성된제품의밀도또한더높은값을획득할수있어자성재료와같은기능성부품의경우성능면에서 도매우우수한제품을성형할수있는장점이있다. 분말사출성형에서특별히금속분말을이용하는성형을금속사출성형 (MIM, metal injection molding) 이라부른다. 그림 16에는분말사출성형공정이나타나있다. 분말사출성형공정은미세한산업재료분말 ( 금속, 세라믹, 초경등고융점분말 ) 과유기결합제를혼합하여플라스틱사출성형기를통해사출성형체를성형한후, 고온에서처리하여원하는정밀부품을제조하는공정으로서혼합물질을제조하는공정 (feedstock 제조 ), 사출성형 (injection molding), 탈지공정 (debinding), 그리고소결 (sintering) 공정등의 4단계로나누어볼수있다. 혼합물질을제조하는공정단계에서는응용부품의원료분말및형상등을고려하여설계제조된고분자결합제 (binder) 를혼합하여사출할수있도록준비하는데, 이과정에서고분자결합제의선택및혼합비등은매우중요하여분말사출성형의핵심기술중의하나이다. 분말사출성형에서사용되는원료분말의크기는일반적으로 μm 정도의것을많이사용한다. 더불어원료분말과결합제의혼합비는최종제품의치수등에영향을주는수축률과관계가있으므로이또한사전에충분한검토가있어야정확한제품을얻을수있다. 사출성형단계는준비된혼합체를사출기를이용하여금형내에충전하여원하는형상으로사출성형체를성형하는과정으로, 사출시가해진열은혼합체중의결합제를용융시켜혼합체에유동성을제공하며가해진압력은혼합체를금형내로충전시킨후냉각되어사출성형체를제조하게된다. 이과정에서고려되어야할인자로는사출압력, 사출속도, 온도, 시간등으로제품의형상및결합제에따라적절한성형조건을이루어야우수한사출체를획득할수있다. 탈지공정단계는원하는형상으로제조된사출체에서최종제품 162 Polymer Science and Technology Vol. 20, No. 2, April 2009

7 에불필요한결합제를용매또는열을이용하여제거하는단계로서제품의형상을유지하면서제거하여야하므로적절한조건이필요하며최종적으로열로태워버린후곧바로예비소결과정까지이루어져제품의형상을유지시키는과정이다. 본과정에소요되는시간은전체생산성에영향을주게되므로, 결합제제거과정시단시간내에사출체에악영향을주지않으면서제거될수있도록초기결합제설계시부터결합제의사용재료및구성비를결정하는것이매우중요하다. 고온소결공정단계는결합제가제거되고예비소결된부품을적정온도로가열및유지시켜분말간의치밀화 (densification) 를통한수축과정을거쳐부품의밀도를높이는동시에최종부품의형상을얻는단계로서일반적으로분말사출성형기술로생산된제품의밀도는이론밀도의 95% 에서 99% 이상을획득할수있다. 이단계에서제품의특성및치수등이결정되므로생산하고자하는제품에따른소결조건즉, 노내부온도, 승온속도, 유지시간, 그리고내부분위기등을정확히결정하는것이매우중요하며, 양산시제품의재현성과관련이크기때문에이소결공정과정이매우중요하다. 3.6 기타특수사출성형방법일반사출성형에서는고분자용융체가금형의캐비티까지들어가게하는통로인스프루와런너, 게이트가존재하는데이는성형후제품에서분리되어버려지게된다. 이러한소비를줄이고또그외의장점을위해사출성형에서스프루와런너부분을성형사이클중냉각을시키지않고용융상태로유지되도록하는런너리스 (runnerless) 금형이있는데이것은핫런너 (hot runner) 가대표적이다. 14 그림 17에핫런너형식의금형이나타나있다. 핫런너를이용한성형은스프루나런너에쓰이는재료의소비를줄일수있을뿐만아니라고속및저압성형을가능하게하고성형사이클시간을단축시키는특징이있다. 그이유는스프루와런너가용융되어있고또한냉각시킬필요가없기때문이다. 그러나, 용융수지가금형안에서머무는시간이길고노즐 ( 핫런너에서게이트를칭함 ) 에서정체가생기면수지의탄화등으로가스가발생되거나변색이되는단점도있다. 따라서, 핫런너에응용되는고분자수지는열안정성이좋은수지로제한되며재료에맞는노즐설계가중요하다. 특히박육성형 (thin-wall molding) 에서는고분자수지가흘러가는통로가좁고수지보다상대적으로온도가매우낮은금형벽면에의해수지가곧바로굳어져흐름이어려운데핫런너방식으로고속사출을하여성형하고있다. 이러한고속사출에서는캐비티에있던공기가밖으로잘빠져나가야하기때문에공기나가스빼기 (air venting 또는 gas venting) 가매우중요하다. 핫런너에사용되는게이트는그림 18에나타나있는것처럼오픈게이트 (open gate) 와밸브게이트 (valve gate) 가있다. 오픈게이트는게이트가항상열려있어용융수지가게이트에도착하면바로캐비티로흘러들어가게되어있다. 밸브게이트는 게이트의열림과닫힘의시간을임의로조절할수있다. 따라서, 벨브게이트는수지가주입되는시간을조절하여흐름의균형 (balance) 을향상시키는데응용된다. 그림 19에는벨브게이트의응용예가나타나있다. 그림 19에서처럼세개의게이트를사용하는데모든게이트가동시에열려용융수지가흘러들어가면수지가만나는웰드라인이형성되게된다. 그러나, 게이트의열림을조절하면웰드라인이없는성형을할수있다. 즉, 처음에 1번게이트는열고나머지두게이트는닫는다. 그러면수지는중앙의 1번게이트에서나와다른두개의게이트쪽으로흘러간다. 수지가다른두게이트위치를흘러간직후에이두게이트즉, 게이트2 와게이트3 을열면수지가흘러나와흐름을몰아가며연속적인충전을하게한다. 이때 1번게이트는닫는다. 이러한충전의경우는게이트를여러개사용하면서웰드라인이없는성형품을얻을수있다. 또한, 각게이트에작용되는압력이낮아지므로성형품에변형이작고잔류응력을낮게조절할수있는장점이있다. 핫런너와벨브게이트가활용되면서새로운금형과성형방법이나타났는데이것이스텍몰드 (stack mold) 이다. 그림 20에스텍몰드의모양이나타나있다. 금형이여러층으로구성되어있고각층사이에서성형이이루어진다. 핫런너가있고벨브게이트를사용하기때문에가능한성형방법이다. 이러한스텍몰드는여러수지를연속적으로사출 (sandwich molding, multi component molding 그리고 over 그림 18. Gate types in the hot runner system. Gate 2 Gate 1 Gate 3 그림 17. Injection mold with the hot runner system. 그림 19. Injection molding with valve gate. 고분자과학과기술제 20 권 2 호 2009 년 4 월 163

8 molding) 을효과적으로수행할수있는방법을제시해준다. 즉, 두종류이상의소재를연속적으로사출하면서여러층을갖는제품을성형하거나, 하나의수지로사출한후다른수지가먼저성형된제품의위에사출하게하는방법이다. 이러한방법은수지의주입이두곳이상이고금형도단순히하나의케비티로구성되어있지않기때문에벨브게이트와스텍몰드를이용하는경우가대부분이다. 일반적으로사출성형품에고광택의표면이요구되거나표면에결함이있게되면후가공즉, 페인팅이나도금을통하여마무리를하는경우가많다. 이렇게후가공을하게되면공정이추가되어생산성이저하된다. 이러한경우에는후가공이없이성형이마무리되도록즉, 고광택의표면을갖도록사출성형을해야하는데금형의온도를약 120 정도로높게올려성형을한다. 그러나, 금형의온도가높아지면수지의냉각시간이길어지게되어전체성형사이클시간이길어진다. 따라서, 길어지는성형사이클시간을줄이기위해어떠한방법으로제품의표면을이루는캐비티표면을신속히가열하고또한급격히냉각하느냐가매우중요하다. 가열방법은스팀으로가열하고차가운물로냉각하는 RHCM(rapid heat cycle molding) 방법, 토치의불꽃으로금형표면 을직접가열하는방법, 고주파가열법, 적외선가열법, 전기히터방법 (E-Mold), 그리고단열법등이있다. 다양한제품의디자인이요구되면서성형품의형상이복잡해짐은물론고품질의표면도요구하고있다. 고품질의표면을위해서위에서설명한금형표면의온도를높여서성형도하지만두가지재료를겹으로사출하여디자인의수려함과기능의향상을꽤하는경우도있다. 이러한목적으로성형하는방법이오버몰딩 (over molding) 또는겹사출이다. 그응용의예로써하나의투명한재료를사출한후그위에특별한색상을갖는재료를사출하여투명한소재를통하여색상이있는재료가보이도록하여눈으로보이는느낌을고급스럽게하는경우가있다. 그림 21은 1차로사출한투명재료위에 2차로검은색의소재를사출한성형품의복굴절패턴을보여주고있다. 두재료가서로시간차이를두고사출되기때문에온도의불균형으로잔류응력이형성되어후변형이문제가되기도한다. 4. 압출성형 (Extrusion Based Shaping) 그림 20. Injection molding with stack mold. 압출성형은동일단면을가진제품즉파이프와봉및필름, 시트, 그리고프레임등을연속적으로성형하는방법으로생산성이높은성형법이다. 압출성형공정의원리는고체고분자가스크류압출기내에서녹으면서스크류채널을따라앞으로진행된후스크류끝에형성된높은압력에의해압출기끝의다이를통하여압출되면서성형되는것이다. 15 일정한단면형상을갖는압출된소재는물, 공기또는롤등의냉각장치에의해냉각고화되어원하는형상및치수로성형된다. 압출기는배럴안에스크류가한개만있는단축압출기와두개이상있는다축압출기가있다. 압출성형기에서는토출량이일정한단축압출기가쓰이며스크류끝에기어펌프등을부착하여다이쪽으로나가는용융수지의토출량을더욱일정하게하고있다. 다축압출기는이축압출기가많이쓰이는데이축압출기는고분자재료의믹싱과컴파운딩 (mixing and compounding) 에주로쓰인다. 그림 22는일반적으로사용되는단축스크류형상을나타내는데이것은고분자재료를호퍼로부터받아스크류에이송시키는공급부 (feed section), 재료를압축과함께가소화시키는압축부 (compression section), 온도를균일하게하며일정량의용융된재료가압출되도록계량하는계량부 (metering section) 로그의역할이구분된다. 공급부, 압축부, 그리고계량부의기능은각각고체이송, 가소화, 그리고가소화된수지의균일화이다. 스크류끝과다이사이에스크린팩 (screen pack) 과브레이커플레이트 (breaker plate) 를끼워서불순물을걸러내며소재의 Turning Memory' 현상을방지한다. 그이유는스크류채널을돌면서진행되는고분자용융체는그의회전영향이남아있어 그림 21. Birefringence pattern of over-molded product: injection molding of the first resin; the final product after injection molding of the second resin. 그림 22. Conventional single screw in a screw extruder. 164 Polymer Science and Technology Vol. 20, No. 2, April 2009

9 다이까지그영향이갈수있으므로이를제거하기위해서이다. 단축스크류에서각구간별스크류의형상및고분자용융수지의거동은다음과같다. 고체고분자를이용하는공급부의스크류채널은다른구간에배해깊이가깊다. 공급되는고분자수지의형태는그래뉼 (granule), 펠렛 (pellet), 그리고파우더 (powder) 형태인데이러한고분자수지는스크류가회전할때배럴내면의마찰력에의해스크류채널을따라돌면서앞으로이송하게된다. 이구간에서이송능력을증가시키기위해서배럴안쪽면의마찰이큰게유리한데, 이를위해배럴안쪽에요철 (groove) 을만들어배럴을제작하는경우도있다. 고체고분자를녹이는압축부는스크류뿌리지름이압축부시작부와끝부분이다른테이퍼로되어있어스크류채널깊이가앞으로진행하면서감소하고있다. 압축부시작점인공급부의채널깊이를압축부가끝나는점인계량부의채널깊이로나눈값을압축비라한다. 고분자수지는이러한형상을갖는압축부를지나면서강하게압축이되고고분자사이그리고고분자와배럴사이의마찰열과배럴에부착된밴드히터에의해고체고분자는녹게된다. 그림 23은고분자수지가용융되어가고있는현상을도식적으로나타내고있는데가장일반적으로공감되는모델이그림의 Tadmor 모델이다. 스크류채널안의고체상태의고분자와용융체가공존하는형상은재료, 스크류형상, 그리고압출기운전조건그림 23. Melting mechanism in a screw channel. <Drag flow> <Pressure flow> 에따라다르게나타날수있다. 압축부를지나면서가소화된고분자용융체는계량부에다다르게되는데계량부의스크류채널깊이는전체스크류영역에서가장낮다. 이계량부에서고분자용융체는균일화가이루어지고높은압력이형성된다. 고분자용융체는계량부를지나스크류끝으로이송되고이때형성된높은압력에의해다이를통하여다이밖으로빠져나간다. 그림 24는스크류채널내에서일어나는드래그흐름 (drag flow), 압력흐름 (pressure flow) 그리고이두흐름들이복합되어스크류채널을따라흘러가는속도분포를나타내고있다. 또한, 스크류채널단면내에서의회전흐름도나타내고있다. 사용하는고분자의녹는양상에따라이에맞는스크류의설계및선택이중요하며스크류직경 (D), 스크류의압축비 ( 공급부스크류채널의깊이 / 계량부스크류채널의깊이 ) 및길이와스크류외경의비 (L/D) 가스크류의디자인에서중요한요소이다. 일반적으로프로파일압출시사용되는다이는고분자재료가다이를빠져나올때보이는다이스웰 (die swell 또는 extrudate swell) 을고려하여그림 25의점선과같은모양으로설계하여실선과같은형상의제품을얻는다. 고분자소재가다이를빠져나오며팽창 (die swell, 또는 extrudate swell) 을하는현상은다이벽에작용하는수직응력, 재료의탄성복원력, 메모리효과, 고분자용융물의엔트로픽탄성 (entropic elasticity of polymer melt) 등으로설명되는데이는점탄성소재 (viscoelastic material) 가갖는탄성특성 (elastic property) 때문이다. 다이스웰의정도는소재가갖고있는탄성특성의크기에의해결정되는데같은소재라하더라도성형조건에따라탄성의영향은다르게표출된다. 성형중에나타나는점탄성의정도를무차원수 (dimensionless number) 로나타내는데이는와이젠버그수 (weissenberg number) 와데보라수 (deborah number) 인데이들값이크면성형중에소재의탄성의성질이크게작용함을의미한다. 주어진성형공정에서전단변형률 (shear rate) 또는전단응력 (shear stress) 이클수록, 온도가낮을수록그리고다이에서소재의이동경로가작을수록즉, 다이의길이가작을수록또는잔류시간이작을수록스웰이증가되기때문에성형조건을고려한다이형상의설계가중요하다. 일반적으로압출에쓰이는고분자의그레이드 (grade) 는사출성형에쓰이는그레이드에비해분자량이높다. 또한, 분지화된구조의그레이드가쓰이는경우가많다. 사출성형에서는낮은점도가중요하지만압출성형에서는용융강도 (melt strength) 가중요하기때문이다. 일반적으로분자량이클수록, 분지화된분자구조의수지가그리고분자량분포가큰수지가용융강도가크다. 고무재료는탄성의성질이매우크기때문에다이스웰이커서정확한형상의압출을어렵게하고있다. 압출성형의연구는주로최적제품의프로파일을예측하기위한연구가주를이루고이를위해수치해석적인연구도많이있다. 압출공정에의한필름이나판재의성형과정은스크류압출기에의해가소화된고분자수지를다이로압출하고, 여러개의압출롤 (role) 상에서냉각하고양귀를트림 (trim) 하여일정의치수로제작된다. 다이 그림 24. Flow in a screw channel: down channel direction; cross channel direction. 그림 25. Die(dot line) and swelled(solid line) profiles of extrudate. 고분자과학과기술제 20 권 2 호 2009 년 4 월 165

10 Manifold Land 그림 27. Direct (extrusion) blow molding process. (c) 그림 26. Die design for extrusion: T die; fishtail die; (c) coathanger die. Injection 에서빠져나온용융고분자가두개의롤사이를지나갈때두롤의입구부에용융고분자가쌓이게되는데이것을멜트뱅크 (melt bank) 라한다. 멜트뱅크가안정된형상을유지해야양품의압출물을얻을수있다. 그림 26에압출용다이의종류가나타나있다. 스크류압출기로부터다이부의중앙으로들어오는용융고분자를폭이넓은다이끝으로균형있게흘러보내는것이매우중요하다. 그림에서는 T형, fishtail 형, coat hanger 형다이를보여주고있는데중앙으로유입된고분자용융체는다이내의매니폴드 (manifold) 를따라다이의횡방향즉, 압출의직각방향으로흘러가면서매니폴드를넘어서랜드 (land) 를통하여다이의종방향, 즉압출방향으로흘러간다. 이렇게랜드를따라흘러나온고분자용융체는다이출구를지나압출된다. 판재의폭방향의품질은다이내에서횡방향흐름균형과관련이되어있어다이내부의형상에크게좌우된다. 그리고, 판재의길이방향의품질은운전조건에많이관련이되어있다. 따라서, 판재압출용다이는치수정밀도보다는다이내에서의고분자용융물의균형있는흐름이설계의주안점이된다. 다이의출구부 (die lip) 는간격 ( 두께 ) 을조절할수있게되어있어하나의다이로여러두께의판재를압출할수있도록설계되어있다. 5. 블로우성형 (Blow Molding) 블로우성형은중공플라스틱제품을만드는공정인데크게세가지방법이있다. 16 즉, 압출블로우 (extrusion blow, 또는 direct blow), 사출블로우 (injection blow) 그리고사출연신블로우성형 (injection stretch blow molding) 등이다. 압출블로우성형은그림 27에보는것처럼압출기를이용하여고분자를녹이고압출기끝에중공파이프모양과같이속이빈모양을형성할수있는다이를부착하여패리슨 (parison) 을만든다. 보통수직으로내려오는패리슨을열려있는블로우금형안으로들어가게한다음금형을닫고패리슨을자른다음옆으로금형을이송한후패리슨안에공기를불어넣는다. 이때또다른금형은패리슨이내려오는곳으로가서다음성형을하게된다. 패리슨이팽창하면서금형벽면에접촉되면서중공제품이형성되고, 낮은금형의온도에의해성형품이냉각되면금형을열고성형품을빼낸다. 패리슨을만드는압출공정에서패리슨이중력에의해처짐현상이발생하여두께가변하는것을보상하거나, 또는패리슨의길이방향으로두께를조절할때는압출다이에있는맨드럴 (mandrel 또는 parison variator) 의위 Blowing 그림 28. Injection blow molding process. 치를압출중에변화시키며조절한다. 이공정에쓰이는고분자는주로 PP, PE, PC 등이쓰이는데용융상태의고분자패리슨이형상을유지하지못하고처지는현상 (sagging) 이없도록용융상태의물성이조절된그레이드 (grade) 가적절하다. 17 이는용융강도 (melt strength) 가큰소재가알맞다. 앞의 2.3 절의압출성형에서설명한압출그레이드의요구조건과유사하다. 압출블로우에서금형안에서성형된병을어느정도까지냉각하는지가제품의강도에영향을미친다. 결정성고분자인경우낮은금형온도의금형속에서냉각을끝내면결정화도가낮아물성이낮고금형안에서냉각시간은짧게하고대기중에서 2차로서냉하면결정화도가높아져강도의향상을기대할수있다. 그러나, 이러한경우총냉각시간이길어지고대기중에서냉각시제품의치수변화가일어날가능성이있다. 그림 28에사출블로우공정이나타나있다. 사출블로우성형은프리폼 (preform, 또는 parison 이라부르기도하는데 parison 은주로압출블로잉에쓰이는튜브모양의형상을말한다 ) 이라불리는중공성형품을사출성형에의해성형하고금형이열린후금형의코어에끼워져있는프리폼을취출하지않고그대로블로우금형속으로이송하고코어금형속에서공기가나와블로우작업을한다. 이러한사출블로우는하나의기계에서사출과블로잉이연속적으로한번에이루어지기때문에 1 단계블로우성형 (one stage blow molding) 이라부르기도한다. 그림 29에는사출연신블로우공정이나타나있다. 18,19 사출연신블로우성형은먼저사출성형에의해프리폼을성형한다. 성형된프리폼을다른장소에있는블로우기계에공급하여블루우성형작업을한다. 따라서, 이사출연신블로우성형을 2 단계블로우성형 (two stage blow molding) 이라일컫는다. 병에담겨질내용물의종류에따라병주입구를결정화처리를한다. 주스나곡류음료는약 90 정도로살균하여주입되기때문에병주입구의고온에서기계적강도가중요하며이를위해병주입구를결정화시킨다. PET 소재에서결정화도의증가에따 166 Polymer Science and Technology Vol. 20, No. 2, April 2009

11 그림 30. Mold for injection stretch molding for carbonated soft drink. 그림 29. Injection stretch blow molding process. 라그의기계적성질이크게향상되기때문이다. 그후프리폼의몸통을가열하여블로우금형안으로이송시킨후금형을닫고블로우준비를한다. 금형안에서블로우바로직전에스트레칭로드를사용하여프리폼을축방향으로스트레치시키면서블로잉하여중공성형품을만든다. 이방법은비교적길이가긴중공품을성형할때프리폼이축방향으로확실히연신되게하는효과가있다. 일반적으로튜브모양의프리폼내에고압의공기가주입되면길이방향보다원주방향 (Hoop 방향 ) 으로연신이더크게일어나기때문에스트레치로드를이용하여축방향으로연신시킨다. 사출블로우성형이나사출스트레치블로우성형은프리폼이사출성형에의해제작되기때문에프리폼의두께분포를정밀하게설계하여성형할수있는장점이있다. 블로우금형은중공품의외곽모양을형성하는데중공품의최종두께분포는정해진외곽즉주어진블로우금형모양과블로우전프리폼의두께분포에의존된다. 블로잉된병은소재의스트레치에의해높은기계적물성을갖는데블로우성형에서는두방향즉, 축방향과원주방향으로연신이일어나물성의증가가있다. 그러나, 이러한물성의증가도소재의기본연신비 (natural draw ratio) 이상으로연신이되어야가능하며그이하의연신에서는강도의증가없이두께만얇아져구조적강도가저하된다. 이렇게기본연신비까지연신시키기위해서는최종병의형상에따른프리폼의두께분포설계가매우중요하다. 병의두께분포는공정상의변수, 즉프리폼가열온도나블로잉압력, 그리고스트레칭로드의스트레칭조건에의해서도좌우된다. 대부분의 PET 병은사출스트레치블로잉법으로제작되는데병의투명도는성형조건과밀접하게관련되어있다. 원래 PET 는결정성플라스틱이기때문에불투명하다. 그래서, 사출성형에의해프리폼을성형할때금형의온도를낮게하여급랭시켜결정화도를아주낮게, 즉약 5% 이하로하여투명한프리폼을얻는다. 그후스트레치블로잉에의해병을성형하는데소재에가해지는변형에의해 PET 는결정을이룬다 (strain-induced crystalline). 성형된 PET병의몸통은실제로약 50% 정도의결정을갖고있음에도불구하고변형에의한결정은그크기가빛의파장보다작기때문에투명하다. 그러나, 성형중프리폼의가열온도가너무높으면열에의한결정이진행되어결정크기가커져투명도가저하된다. 그림 30에는탄산음료용사출연신블로우성형용금형이나타나있다. 탄산음료용 PET 병의바닥면은잘세워질수있도록꽃잎모양 (petaloid) 으로디자인되어있는데내용물의온도가증가되어병의압력이증가하면이부분에서응력집중이심하여크랙이생기는문제 Clearance Valley Width Foot Length 그림 31. Design variables of petaloid bottom and maximum principal stress on the bottom. 가있다. 여기에서크랙의원인이되고있는크레이징 (crazing) 을없애기위해최대주응력 (maximum principle stress) 이최소가되도록적절한형상의꽃잎모양으로디자인하고있다. 그림 31에는꽃잎모양의설계변수와바닥면에집중되고있는최대주응력을보여주고있다. 2000년대초반부터맥주병용 PET 병이미국을중심으로선을보였으며이제는국내에서도맥주병뿐만아니라우유병에도활발히사용되고있다. 맥주병용 PET 병에서가장중요하게요구되는것은가스차단성 (gas barrier property) 이다. 이를위해서성형된 PET 병에프라즈마코팅 (plasma coating) 을하거나다층벽으로병을만든다. 다층벽의병은먼저프리폼을다층벽으로사출성형 (coinjection molding) 한후병으로블로잉하는방법이다. 다층벽으로할때중앙층의재료는가스차단성이높아야하는데이를위해나일론나노복합고분자를사용하기도한다. 프리폼의사출성형시게이트는병의바닥을형성하는위치에있다. 이게이트부위는잔류응력이많이집중되어있어취약할뿐만아니라게이트자국도있고투명도도좋지않다. 따라서, 게이트자국이없는프리폼을성형하기위해사출성형대신압축성형을도입하는경우도있는데향후더많이채택될전망이다. 6. 기타고분자성형공정 6.1 압축성형 (Compression Molding) 압축성형은각종플라스틱성형법중가장역사가오래된열경화성수지성형의대표적인성형법이다. 그림 32와같이분말상태의성형재료를적절한온도로조절되는캐비티안에넣고가열, 가압하여성형한다. 성형재료가캐비티안에서가열되면유연해지고금형의코어가캐비티안의성형재료를가압하여캐비티안을채우게된다. 그리고, 화학반응에의해경화되어제품을형성하게된다. 16,20 열가소성수지도압축성형에응용된다. 사출성형품은항상게이트를 고분자과학과기술제 20 권 2 호 2009 년 4 월 167

12 그림 32. Compression molding process. Cylinder 그림 35. Transfer molding process. Ejector Core Cavity Guide Product Cavity 그림 33. Compression molding of preform for blow molding. 그림 34. Comparison of the birefringence pattern of injection molded and compression molded performs: injection molded perform; compression molded perform. 통하여수지가유입되어성형이이루어지는데게이트부분은잔류응력이크게존재하여취약할뿐만아니라게이트마크와같이표면도좋지않고변색의자국이보이기도한다. 이러한결점이없도록성형을하기위해압축성형을하기도한다. 그림 33은블로우성형에쓰이는프리폼을압축성형으로성형하는과정을나타내고있다. 일정량의고분자용융체를캐비티에넣고펀치또는플런저로눌러프리폼을성형하고있다. 그림 34는사출성형과압축성형으로제작한프리폼바닥부분의복굴절패턴을보여주고있다. 압축성형으로성형된프리폼바닥이잔류응력이작고매우깨끗한상태임을확인할수있다. 6.2 트랜스퍼성형 (Transfer Molding) 트랜스퍼성형은사출성형법과유사하며사용되는재료는주로성형기계에서가소화시키기어려운열경화성수지등을성형한다. 16,21 사출성형과다른점은재료를다른곳에서가소화시킨상태로가져온후금형속으로압입하는것이다. 그림 35는그원리를나타내고있다. 예열시 그림 36. Thermoforming process: vacuum; ram forming. 킨열경화성수지를포트라고부르는재료실에투입한다. 포트에투입된재료를식지않도록가열하고플런저로가압하여스프루, 런너그리고게이트를통해금형의캐비티에들어가게하며금형내에서일정시간동안가열경화시키는방법이다. 트랜스퍼성형은고무성형에많이활용되고있고열경화성수지의활용이확대되면서반도체금형등에응용되고있다. 6.3 열성형 (Thermoforming) 열성형법 (thermoforming) 이란플라스틱판재를가열하여연화시키고여기에외력을가해성형하는방법이다. 16,22 외력의형태에따라진공성형법 (vacuum forming) 과램이나플런저를이용한성형법으로나뉜다. 그림 36에그공정이나타나있다. 진공성형의원리는열가소성판재를가열한다음금형쪽으로이송하거나, 판재를금형위에고정하고 168 Polymer Science and Technology Vol. 20, No. 2, April 2009

13 중요한항목이며재료의내부상태등은성형중에결정되기때문에성형기계의세심한조작이요구된다. 금형은제품의형상을포함하고있기때문에올바른형상이나오기위해서는금형의형상이중요하며금형의구성역시중요하다. 똑같은형상의제품을성형하는금형이라하더라도금형의구성과결합상태, 구동방법은설계자에따라다르게설계된다. 금형설계측면에서는소재의유변학적특성과성형기계의특성에맞는금형이설계되어야성형불량이줄고내구성이있는금형이된다하겠다. 결론적으로소재, 성형기계, 그리고금형기술의조화가최적화된정밀제품을성형할수있다. 그림 37. Film blowing process. 히터로가열해연화시킨후진공으로금형에흡착시켜성형하는것이다. 진공성형의압력은 1기압이하이므로금형은금속, 석고, 목재, 열경화성수지등을사용할수있지만대량생산의경우에는금속을사용한다. 플런저를이용한방법은연화된판재를플런저또는펀치로눌러판재가금형의캐비티에압착되게하여성형하는방법이다. 열성형제품의용도로는성형능률이좋고값싼얇은제품을얻을수있어서종이를대체하는각종 1회용용기, 포장용기, 자동차센터필러와냉장고의내장부품, 가면등의완구, 입체간판등이있다. 6.4 필름블로잉 (Film Blowing) 필름블로잉공정은고분자를압출장치에서녹이며앞으로압출한후압출기끝에서블로잉하고식혀서옆부분이막힌두겹으로된필름을제조하는공정이다. 16,23 이러한필름블로잉즉, 필름제조공정은압출기끝에설치된링다이를사용해용융된튜브를압출하고그속에공기를불어넣어원하는치수로부풀게한다. 그리고, 공기중에서냉각시키며접어서연속적으로옆부분이막힌두겹의필름을만든다. 그림 37에그공정이나타나있다. 이공정에서중요한사항은필름이윗쪽으로불어지면서수지가식는선 (frozen line) 의위치조절과성형공정중에필름이터지지않게하는것이다. 이공정에사용되는수지는용융강도가큰그레이드를사용하여성형성을좋게한다. 7. 맺음말 지금까지고분자가공에서핵심적으로사용되는여러가지방법과성형원리, 그리고특성에대해서알아보았다. 성형재료, 성형기계그리고금형이잘조화되어야만완전한성형이이루어지기때문에이과정은매우복잡하다. 따라서, 성형기술은재료, 성형기계의조작, 그리고제품및금형설계기술의복합기술이라고말할수있다. 성형이주로용융상태에서이루어지기때문에재료측면에서는유변학적성질이중요하다. 유변학적성질중점도가흐름성질을크게좌우하고있으며대부분의고분자용융체는점탄성의특성을갖고있어다이압출등의공정에서는점탄성의특성을충분히고려해야만올바른성형을할수있다. 따라서, 재료적측면에서는유변학적인측면의이해가성형을이해하는데중요한요소라하겠다. 성형기계의조작이나설정은온도, 압력, 시간, 그리고속도의함수로구성되어있다. 이의조절은성형하는재료의특성에맞게조절되어야함은물론금형및제품의형상에따라서도최적화되어야한다. 또한, 성형사이클시간이기계의조작에크게의존되기때문에성형기계의성형조건설정은매우 참고문헌 1. I. Rubin, in Injection Molding, John Wiley & Sons, NY (1972). 2. R. A. Malloy, in Plastic Part Design for Injection Molding, Hanser, NY (1994). 3. J.-F. Agssant, P. Avenas, J.-PH. Sergent, and P. J. Carreau, in Polymer Processing, Hanser, Munich (1991). 4. K. M. B. Jansen, D. J. van Dijk, and E. V. Burgers, Intern. Polym. Process., 13, 99 (1998). 5. J. Greener and R. Wimberger-Friedl, in Presicion Injection Molding, Hanser, Munich (2006). 6. J. P. Braumont, R. Nagel, and R. Sherman, in Successful Injection Molding, Hanser, Munich (2002). 7. A. I. Isayev, Polym. Eng. Sci., 23, 271 (1983). 8. H. Potente and M. Hansen, Intern. Polym. Process., 8, 345 (1993). 9. S.-J. Liu and Y.-S. Chen, Polym. Eng. Sci., 43, 1806 (2003). 10. H.-S. Lee and A. I. Isayev, Inter. J. Prec. Eng. Manufact., 8, 66 (2007). 11. R. Y. Chang, W. Y. Chang, Y. H. Yang, W. L. Yang, and D. C. Hsu, Society of Plastics Engineers, 1, 741 (2001). 12. D. J. Prepelka and J. L. Wharton, J. Cell. Plast., 11, 87 (1975). 13. M. F. Aksit and D. Lee, Inter. J. Powder Metallurgy, 31, 351 (1995). 14. P. Unger, in Hot Runner Yechnology, Hanser, Munich (2006). 15. C. Rauwendaal, in Polymer Extrusion, Hanser, NY (1990). 16. D. H. Morton-Jones, in Polymer Processing, Chapman and Hall, NY (1989). 17. M.-Y. Lyu, J. S. Lee, and Y. Pae, J. Appl. Polym. Sci., 80, 1814 (2001). 18. M.-Y. Lyu and Y. Kim, Intern. Polym. Process., 17, 279 (2002). 19. M.-Y. Lyu and Y. Pae, J. Appl. Polym. Sci., 88, 1145 (2003). 20. D.-K. Kim, H.-Y. Choi, and N. Kim, J. Mater. Process. Tech., 49, 333 (1995). 21. Y. M. Ismail and G. S. Springer, J. Compos. Mater., 31, 954 (1997). 22. M. Mogilevsky, A. Siegmann, and S. Kenig, Polym. Eng. Sci., 39, 322 (1998). 23. S. Kim, Y. Fang, P. G. Lafleur, and P. J. Carreau, Polym. Eng. Sci., 44, 283 (2004). 고분자과학과기술제 20 권 2 호 2009 년 4 월 169