플라스틱 재료의 성형 방법: 몰딩

플라스틱 재료의 성형 방법

플라스틱의 성형 방법에 대해 알아본다. 폴리머 재료를 성형하는 데에는 많은 기술이 사용되는데 폴리머 재료의 성형 방법을 결정하기 위해서는 몇 가지 사항이 고려된다. 재료가 열가소성 혹은 열경화성인가 열가소성일 경우 연화 온도는 얼마인가 재료의 성형 분위기에 대한 안정성은 어떤가 완성품의 형상 및 크기 등이 그 고려사항이다.

 

폴리머 성형 기법과 금속 및 세라믹 성형 기법은 상당히 비슷하다. 대개 폴리머 재료는 고온, 가압하에 성형되고 열가소성 폴리머 재료는 유리 천이 온도보다 높은 온도에서 가압하여 성형된다. 가압력은 모양을 유지할 수 있게 유리 천이 온도 이하로 냉각될 때까지 유지한다. 열가소성 폴리머 재료 사용의 경제적 장점은 재활용이 가능하다는 것이다. 즉, 열가소성 재료의 자투리는 재용융되어서 새로운 모양으로 만들 수 있다.

 

 

열경화성 폴리머 재료를 이용한 부품 제조는 두 단계로 이루어지며 먼저 분자량이 적은 선형 폴리머 재료를 가열해 액상으로 준비한다. 그다음 이 재료를 원하는 모양을 가진 몰드 내에서 최종의 단단하고 딱딱한 제품으로 변화하면 된다. 이 두 번째 단계를 '경화'라고 하며, 경화는 가열 또는 촉매제 첨가와 가압하에서 행해진다. 경화도중에는 화학적 및 구조적 변화가 분자 단위로 발생하며, 가교 결합 또는 망상 구조가 만들어진다. 경화 반응이 끝나면, 열경화성 폴리머 재료는 뜨거운 몰드로부터 제가 가능한데, 이것은 이 재료의 치수 안정성이 우수하기 때문이다. 열경화성은 재활용이 불가하며 용융되지 않는다. 이 재질은 열가소성에 비해 높은 온도에서 사용하는 것이 가능하고, 화학적으로 안정하다.

 

몰딩은 플라스틱 폴리머 재료를 성형함에 있어 가장 일반적으로 사용되는 방법이다. 현재 사용되는 몰딩 기법은 다음 아래와 같다

• 압축 및 전달
• 취입
• 사출
• 압출 몰딩법

이들 기법은 미세한 알갱이 모양이거나 입자상의 플라스틱을 고온에서 압력에 의해 몰드 형상대로 성형되도록 흐르게 하여 채우는 방법이다.

 

플라스틱 성형 방법 - 압출 및 전달 몰딩

압축 몰딩의 경우 완전히 혼합된 폴리머와 필요한 첨가제 적정량이 암수 몰드 사이에 놓이며, 양쪽 몰드가 가열되지만, 이 중 하나만이 움직인다. 몰드를 닫고 열과 압력을 주어 플라스틱 재료가 점도를 갖게 한 다음, 몰드 형태대로 성형한다. 몰딩 전에는 원재료를 혼합해 예비 형성품이라 하는 디스크형으로 상온 압축할 수 있고, 예비 형성품을 가열하게 되면, 몰딩 시간 및 압력을 낮출 수 있다. 그에 따라 다이의 수명을 늘리고 좀 더 균일한 부품을 제조할 수 있다. 이런 몰딩 기법은 열가소성 및 열경화성 폴리머를 제조하는데 이용되지만, 열가소성이 좀 더 많은 비용과 시간이 소모된다.

 

 

압축 몰딩을 개조한 전달 몰딩의 경우에 고체 원료가 가열된 전달실에서 먼저 용융이 되고 용융된 재료가 몰드실로 사출 되면서 압력이 모든 표면에 조금 더 균일하게 분포된다. 이런 몰딩 공법은 열가소성 및 열경화성 폴리머를 제조하는 데 사용할 수 지만 이 공정을 열가소성 재료에 적용시키는 것은 압축 또는 사출 몰딩 공법에 비해 시간이 더 걸리고 가격이 비싸다.

 

사출몰딩

폴리머 재료에서 금속의 다이 캐스팅에 해당하는 사출 몰딩은 열가소성 재료를 성형하는데 많이 이용된다. 작은 알갱이로 만든 내료의 적정량이 호퍼로 공급되고, 플런저를 이용해 실린더 내로 공급이 된 후 이것을 가열실 내로 밀어 넣는데, 여기서 열가소성 재료가 점성 있는 액상으로 용융된다. 그다음 램의 움직임에 따라 용융된 플라스틱이 몰드 안의 공간 속으로 강제로 들어가고 플라스틱이 고체화될 때까지 압력을 유지한다. 마지막으로는 몰드를 열고 제품을 꺼낸 다음 몰드를 닫고 위의 과정을 반복한다. 아마 이 기술의 가장 뛰어난 점은 부품 생산 속도이고 대부분 열가소성 플라스틱은 응고 속도가 매우 빠르므로 이 과정의 사이클 시간이 10~30초로 짧다. 열경화성 폴리머도 사출 몰딩으로 만들 수 있으나 가열된 몰드 내 압력을 가해 경화시키는 과정으로 열가소성 플라스틱에 비해 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. 이런 공정은 반응 사출 몰딩(RIM)으로 불리며, 폴리우레탄과 같은 재질이 쓰인다.

 

압출 몰딩

압출 공정은 점성 있는 열가소성 플라스틱을 한쪽 구멍이 뚫린 다이를 통해 사출 하는 것으로 금속 압출 공정과 유사하다. 분말형 재료를 기계적 스크루가 밀어서 연속적으로 압축하고 용융시켜 점성 있는 액상을 만든다. 압출은 이런 액상을 다이 내 조금 한 구멍을 통해 밀어내어 실시한다. 압출된 부품의 응고는 압출된 부품에 공기를 불어넣어 주거나 물을 분무시켜 촉진시킬 수 있다. 이런 공정은 동일 단면을 갖는 부품을 연속 제조할 때 사용되고 그 예로는 봉, 튜브, 호스관, 판 및 필라멘트 등이 있다.

 

취입 몰딩

취입 몰딩 과정은 유리를 불어서 성형하는 공정과 유사한다. 먼저 폴리머 튜브를 압출한 후 중용융 상태에 있을 때, 이것을 원하는 형상을 가진 몰드 사이에 넣고, 이 튜브 안으로 공기를 송풍 하거나 수증기 압력을 가하면 몰드의 형상대로 내부가 빈 부품이 성형된다. 물론 튜브의 점도, 온도는 매우 조심히 조절되어야 한다.

 

 

주조

금속 및 세라믹 같은 폴리머 재료도 주조 방법으로 제조할 수 있다. 즉, 용융된 폴리머 재료를 몰드에 부은 다음 응고시키는 것으로, 열가소성 및 열경화성 폴리머 재료 모두 응고 방법으로 만들어진다. 열가소성 폴리머의 경우 용융 상태로부터 냉각됨에 따라서 응고가 발생하지만, 열경화성 폴리머는 경화가 항상 고온에서 수행되는 실제 중합 과정 또는 경화 과정의 결과로 발생한다.