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플라스틱 성형 길잡이

인서트(Insert) 성형

인서트의 유의사항
제품설계 시 인서트(insert)를 포함시킬 것인가의 결정은 제품강화를 위한 리브(rib)나 두 부위를 부착하기 위한 보스(boss)를 첨가할 것인지를 결정하는 것과 똑 같은 방법으로 시도해야 하며, 세가지 모두 적절히 사용해야 합니다.  

다양한 제품설계에서 리브,보스 또는 인서트의 첨가는 어떤 문제는 해결하지만 다른 문제를 일으킬 수도 있습니다. 예를 들면, 리브는 원하는 강성(stiffness)은 제공하지만 휨(warpage)현상의 원인이 되기도 합니다. 보스는 숫나사를 조이는 적절한 장치로 이용되지만 제품표면에 싱크마크(sink mark)가 발생하기도 합니다. 인서트 성형은 나사홈의 손상없이 여러 번 조립 및 분해는 가능하나 금속주위의 수축과 나사홈의 과도한 플래쉬(flash)는 인서트 주위에 균열을 유발시킵니다.

이런 발생가능한 문제들을 고려하면 ‘인서트 성형은 언제 사용하는가?’라는 질문을 하게 됩니다. 대답은 리브와 보스를 사용하는 경우와 똑같이 기능적으로 필요할 때와 인서트의 추가비용이 개량된 제품성능에 의해 정당화될 때 사용한다는 것입니다. 다음에 금속 인서트를 사용하는 근본적인 4가지 이유가 설명되어 있습니다.

  1. 계속된 응력하에 사용할 수 있고 빈번한 제품분해에 견디는 나사홈을 제공하기 위해
  2. 암나사의 정밀한 허용공차를 만족시키기 위해
  3. 기어에서 샤프트와 같이 두 가지의 큰 하중에 견디는 제품을 접착하는 영구적인 도구를 제공하기 위해
  4. 전기전도성을 부여하기 위해서

인서트의 필요성이 결정되면 프레스(press)나 스냅피팅(snap fitting) 그리고 초음파 인서트 같은 성형방법도 추가하여 인서트를 부착하는 다양한 방법들을 검토해야 합니다. 최종확정은 일반적으로 총생산비용에 의해 결정되기 때문에 위에서 언급한 내용과 함께 아래에 서술한 인서트 성형시 발생 가능한 불유익한 점들을 고려해야 합니다.

  • 인서트는 “부유” 또는 위치에서 이탈하여 금형에 손상을 줄 수도 있습니다.
  • 종종 인서트를 금형에 위치시키기 어려워 성형주기가 길어집니다.
  • 인서트는 필히 예열하여 팽창시켜야 합니다.
  • 불합격된 제품의 인서트는 회수하는데 경제적이어야 합니다.

인서트 성형과 관련된 가장 큰 불평은 성형시의 Hoop stress에 의해 인서트 주위의 플라스틱이 서서히 크래킹을 일으키는 것입니다. 응력의 한계는 사용수지의 응력/변형(stress/s-train)표를 조사하면 알 수 있습니다. Hoop응력을 계산하기 위해서는 인서트를 둘러싸는 수지의 변형이 성형수축과 동일하다고 가정합니다.
성형수축에 수지의 굴곡탄성율을 곱하면 응력을 구할 수 있습니다.
여러분의 이해를 돕기 위하여 나이론 수지와 아세탈 호모폴리머 수지의 수축율을 비교 예를 들었습니다.

구분

성형 수축율

나일론

0.0015mm

아세탈

0.020mm


일반적으로 성형수축율이 낮은 나일론 수지가 높은 성형 수축율을 가지는 아세탈 호모폴리머 수지보다 똑같은 인서트 성형을 요구하는 이유.
높은 수축율을 가지는 아세탈 호모폴리머 수지는 인장강도의 75%인 약 535kg/cm²의 응력에서 항복합니다. 인서트를 둘러싸는 보스 재질의 두께는 이 응력에 견딜 수 있게 충분히 강해야 합니다. 반면에 두께가 커지면 성형수축도 증가합니다. 제품사용시간이 100,000시간이면 535kg/cm²의 응력이 약151kg/cm²으로 감소합니다. 이는 일반적으로 중요하게 부각되지는 않지만 장시간 크리프 테스트 자료(플라스틱 파이프 데이터에서 발췌)에서 100,000시간동안 계속 183kg/cm²의 응력을 가하면 아세탈 호모폴리머 제품은 파괴될 가능성이 있다는 것을 나타냅니다. 제품이 고온에 노출되거나 또는 추가응력 및 가혹한 환경에 접하면 더욱 쉽게 파괴될 것입니다.

이런 장기간 물성시험시 제품의 파괴 가능성 때문에 설계자는 내충격 그레이드의 아세탈수지를 검토해야 합니다. 그때 강인성의 기준, 낮은 마찰계수 및 탄성은 아세탈수지가 특수한적용에 가장 우수한 재질임을 나타냅니다.또한 충격그레이드의 아세탈수지는 높은 신도와 성형수축이 적으며 금속인서트의 날카로운 모서리에 생기는 응력집중에 대해서도 좋은 저항성을 가지고 있습니다.

유리섬유와 미네랄이 강화된 수지는 비강화된 베이스 수지보다 성형수축율이 적어 특수한 용도에 성공적으로 사용되고 있습니다. 강화수지의 낮은 신도는 전형적인 낮은 성형수축(0.05~0.010mm/mm)에 의해 상쇄됩니다.
유리섬유나 미네랄이 많이 첨가된 강화수지의 웰드라인은 비강화수지의 60%정도의 강도를 가지지만 리브(rib)를 보강하여 인서트보스(insert boss)의 지지력을 사실상 증가할수 있습니다.

통상 보스의 직경은 인서트직경의 1.5배가 되어야 하며 보스로 인하여 발생하는 웰드라인(weld line)의 리브는 지지력을 크게 향상시킵니다. 이때 설계자는 금속인서트를 다른 각도에서 고찰하여 비금속인서트로 대체하는 것도 제품의 강성을 유지하는 좋은 예라 하겠습니다.

인서트 성형을 위한 제품설계
설계자가 인서트 성형이 필요한 제품을 설계할 때 아래의 몇 가지 유의사항에 주의하여 주십시오.

  1. 인서트는 날카로운 코너가 없어야 하며 표면을 거칠게 해야 합니다.또한 인서트 둘레에 우툴두툴한 언더컷트가 필요하며 이는 당김강도를 좋게 합니다.
  2. 인서트는 금형캐비티 속에서 적어도 0.406mm는 나와야 합니다.
  3. 인서트 밑부분의 수지두께는 싱크마크의 최소화를 위해 적어도 인서트 직경의 1/6정도는 되어야 합니다.
  4. 다양한 수지의 강인성 그레이드를 검토해야 하며 이러한 그레이드의 수지는 일반 그레이드보다 높은 신도를 가지고 있고 크랙킹에 대한 저항력이 좋습니다.
  5. 최종시험계획은 제품개발의 기준단계에서 문제점을 파악하고 광범위한 온도에서의 노출시험인 온도주기 시험도 실시해야 합니다.

비용적인 견지에서 보면 제품이 특별히 크고 완전 자동화된 인서트 비용은 성형 후 조립공정의 비용과 비슷합니다. 인서트 성형에서 최적비용과 성능을 얻기 위해서는 설계자는 발생가능한 문제점을 인식하는 것이 가장 중요하며 인서트가 필수 불가결한 경우에는 위에서 언급한 정보가 플라스틱과 금속의 물성을 합친 인서트 성형을 성공적으로 완수하는 기준이 될 것입니다. 

발췌 : 듀폰
편집 : 이엔지폴리머