플라스틱 제품의 설계를 위한 순서

  제품 설계에는 기능적, 원재료적인 측면에서 고려되어야 한다.
기능적인 설계요소는 생산과 조립에 관계되고, 원재료의 선정은 최종 사용되어지는 플라스틱의 성능과 관련된다.

1. 원재료의 선정
제품의 설계 시작에서부터 완성하기까지 설계자는 많은 정보가 필요로 하고 각 단계별로 세심한 주의가 필요된다. 설계자는 제품의 용도에 따른 최종 성능 및 요구 조건을 파악해야 한다. 이를 위해서는 플라스틱 메이커에서 제공되는 물리적, 환경적인 특성에 대한 자료를 잘 검토하여 결정한다.

2. 제품 설계의 단계
1)사용조건에 따른 설정
제품의 설계시 최종요구되는 조건에 대해 세심하게 검토하여야 하고, 가능한 플라스틱의 강도를 최대한 이용하여  설계하는 것이 유리하다.

(1)구조적인 요구조건


하중	수지에 작용하는 응력과 제품의 변형을 파악할 수 있다.
하중의 속도	하중이 가해지는 속도의 변화에 따라 각각 다른 특성이 나타나므로 하중이 가해지는 속도의 빠르기를 조사하여야 한다.
하중의 작용기간	초기에 발생된 작은 변형이라도 하중이 지속되는 경우 나중에는 변형이 점점 심해져 사용할 수 없을 정도로 커질 수가 있다.
충격하중	짧은 시간동안 큰 하중이 작용되는 경우 조기에 파손이 일어날 수가 있으므로, 제품에 작용되는 충격하중의 특성을 파악하여야 한다.
진동	진동은 응력과 변형에 변화를 일으킨다. 이 응력과 변형은 적지만 일정하게 반복이 되므로 제품의 파손을 일으킬 수 있다.

 

(2)사용환경


극한 온도	모든 플라스틱은 사용한도 범위를 가지고 있다. 이 범위외에서는 부품이 그 의도된 기능을 적절히 수행할 수 없다. 또한 플라스틱의 물성은 사용한도 온도 범위 내에서도 상당히 변한다.
내화학성	모든 열가소성 플라스틱은 어떤 화학약품들에 의해 영향을 받으므로 부품의 사용환경조건이 설정되어야 한다.
내후성	오랜 기간동안 외부에 노출시 수지의 물성 저하를 가져온다.

 

(3)조립과 2차 가공


조립	대개의 플라스틱 부품은 혼자 사용되는 경우가 거의 없고 완제품을 이루는 수많은 부품중의 하나로 사용된다. 따라서 수리나 재생사용을 위한 분해를 쉽게 하기 위하여 부품을 최적화 시켜야 하고 기계적인 체결이나 용착 및 접착제 접착등이 조립에 사용되는 방법을 초기 설계시 검토하여야 할 필요가 있다.
2차 가공	원하는 제품표면상태를 얻기 위하여 도장이나 인쇄 또는 핫스탬핑 등의 가장 좋은 표면형상을 얻을 수 있는 2차 가공공정도 초기에 검토되어야 한다.

(4)가격한도


☞ 이익을 내면서 판매할 수 있는 부품가의 설정

☞ 연간 수량의 설정

☞ 추정 사이클 시간에 따른 경제적인 성형방법

☞ 선정된 성형 방법에 따른 금형비

☞ 부품의 예상 수명

(5)규정 및 표준에 적합성


구분	약어	규격의 명칭
국제규격	ISO	International Organization for Standardization	국제표준화기구 규격
	IEC	International Electrical Commission	국제전기표준회의 규격
국가규격	JIS	Japan Industrial Standard	일본공업 규격
	ASA	American Standard Association	미국표준협회 규격
	BS	British Standard Institution	영국표준 규격
	CSA	Canadian Standard Association	캐나다표준 규격
	DIN	Deutsche Industrie Norman	독일(공업) 규격
	NF	Association Francaise Normalisation	프랑스규격협회 규격
단체규격	ASTM	American Society for Testing and Material	미국 재료시험협회 규격
	AIEE	American Institute Electrical Engineers	미국 전기학회 규격
	AISI	American Iron and Steel Institute	미국 철강협회
	NEMA	National Electrical Manufactureres`Association	미국 전기공업회 규격
	JEM	Japan Electrical Manufacturers` Association	일본전기 공업회 규격
	FDA	Food And Drug Adiministration	미국 식품의약품국
	UL	Underwriters` Laboratories	미국 손해보험협회

2)예비설계도면의 작성
계획된 부품에 대한 스케치는 어떤 부분이 수정가능한지를 설계자가 결정하는데 도움을 준다. 그러므로 예비 도면 스케치는 고정된 치수와 변경 가능한 치수 모두를 포함하여야 한다.

3)제품 설계에 필요한 플라스틱의 물성 

부품설계에 필요한 기계적 특성	플라스틱의 성능과 관련된 특성
인장강도	경도
굴곡탄성계수	충격강도
피로강도	내화학성
선팽창계수	내후성
마찰계수	신율
열전도율	난연성
밀도	열변형 온도
금형 수축율	전기적 특성

 

3.유동해석(Flow analysis)


사출성형 부품의 성능은 성형조건에 따라 크게 영향을 받기 때문에 각 부품의 사용조건만을 고려하는 것으로는 성공적인 제품을 만드는데 불충분하다. 단순한 형상의 부품은 수지의 흐름에 문제가 없으나 복잡한 형상의 큰 부품은 게이트의 수와 위치, 런너 치수 및 웰드 위치등의 어려운 문제점이 있다. 유동해석과정은 우선 부품의 컴퓨터 모델을 만들고 초기 게이트 위치를 선정한다. 수지가 예상된 형태로 캐비티 내를 흐르는 것을 도식화하여 수치적으로 나타나진다. 동일한 온도와 압력분포가 전 제품에 계산되어 나타나지고 부수적인 웰드라인 위치나 과충진 같은 바람직하지 않은 현상들이 나타나진다. 필요한 경우 성형조건과 게이트 위치등을 연속적으로 변경 시킴으로서 적정흐름 현상을 찾을 수 있다. 이 반복적인 접근 방법에 의하여 실제로 금형을 제작하기 전에 여러 가지 방법으로 분석하여 성형의 어려움을 파악하고 설계 단계에서의 수정을 가능하게 한다.

 

4.응력해석(Stress analysis)

부품의 사용시 재료에 응력을 발생시키는 힘이 작용하게 된다.
과잉 응력에 의하여 일어나는 파손을 방지하기 위하여는 그 응력이 추천되는 설계 한도를 넘비 않는 것이 필수적이다.
유동해석에서와 같이 단순한 형상을 분석시에는 어려움이 별로 나타나지 않고 일반적으로 자주 일러나는 상황에 대해서도 이미 유도된 계산식을 사용하여 해결할 수 있다.
그러나 복잡한 형상의 분석은 위와 같이 할 수 없으므로 유한요소법으로 해결하여야 한다. x, y, z좌표 축으로 형상을 나타내는 부품의 수학적 모델과 수지의 물성을 먼저 입력시킨다.
그후 하중 조건을 입력시키고 난 후 특정 부위에서의 응력과 같은 특정 결과치를 요구한다.
변형에 대한 수치, 비틀림 구조도나 응력 분포도 같은 하항도 조사될 수 있다. 이 방법에 의하여 응력이나 변형이 허용할 수 없을 정도로 높은 부위를 파악할 수 있고 적절하게 변경시킬 수 있다.

이 과정중에 간이 제품을 만들어서 시험을 하므로서 설계자에게 다음과 같은 도움을 줄 수 있다.
(1)부품의 요구조건이 설계한도를 넘지 않는다는 것을 확인하므로 설계의 확신을 갖는다.
(2)제품에 성능에 관한 예비자료를 설정한다.
(3)문제점의 발생 가능한 부위를 파악한다.
(4)예비사용평가를 하고 소비자의 사용평가에 대한 결과를 얻는다.

유익한 결과를 얻기 위해서는 시험시 다음과 같은 관점에 대하여 특별히 주의를 하여야 한다.
√ 부품의 요구조건에 대하여 적적히 분석하여야 한다.
√ 계획된 제품과 유사한 조건에서 시험하여야 한다.
√ 실제적으로 유사한 사용 시험과 보관 시험 조건을 설정하여야 한다.
√ 제품을 출하하기 전에 시험에 필요한 시간과 노력을 투자하여야 한다.

 

편집 : 이엔지폴리머