플라스틱 제품 설계
기계설계도 제품설계 분야와 공정에 쓰이는 생산기계에 쓰이는 설계가 서로 다른데 이 글에서는 다른 설계분야에서 제품설계로 처음 들어오는(이직 등의 이유로) 설계자들을 위해 가볍게 읽어볼 만한 내용을 적었다.
플라스틱으로 만드는 제품은 대부분 ‘사출성형’으로 이루어지고 금형을 통해서 사출성형을 하다 보니 금형에 대한 기본적인 이해 그리고 고온의 액체 수지(플라스틱)이 식는 과정에서의 변형 특성이 있다.
빼기 구배
플라스틱 제품 설계 경험이 없더라도 금형의 ‘빼기 구배’에 대해서는 한번 쯤 들어본 사람들이 많다.
빼기 구배를 설정하기 위해 설계책, 자료들을 찾아보면 제품의 크기, 재료에 따른 설정 근거에 대한 자료들이 많이 나온다.
그런데 의외로 실무를 하다보니 이론과 실무가 좀 다른점이 있었다.
물론 업계마다 차이는 있겠지만,
설계단계에서 빼기 구배를 정하거나 도면에 규제하는 경우가 많지 않았다.
작동부의 경우는 빼기 구배가 감성품질에 악영향을 끼치기에 오히려 일부 구간에 ‘빼기 구배 넣지 말 것’이라는 지시를 넣는 경우가 많았다.
그럼에도 불구하고 금형에서 빠지는 과정에서 마찰되는 면이 넓은 경우에는 빼기 구배를 지정해주는 것이 좋다. 딱 진짜 빼기 구배 미리 지정하지 않으면 데이터가 줄줄이 꼬이는 부품만 빼기 구배를 지정했다.
금형 개발시에 설계자가 배포한 3D 형상 그대로 금형을 제작하는 게 아니다.
금형업체에 제작을 의뢰하면 금형 설계자가 중요 치수가 들어가지 않은 자리에는 약간씩 수정을 하면서 금형을 제작한다.
정리
- 빼기구배가 들어가야 할 부분이 치수상으로 아주 중요한 부위라면 처음부터 빼기 구배를 넣는다.
- 빼기 구배를 넣지 말아야 할 부분이 있으면 도면상에 그 면을 지정하여 ‘빼기 구배 넣지 말 것’이라고 표기를 하는 게 좋다.
살빼기
욕실 환풍기의 뒷면이다.
대부분 플라스틱 제품의 뒷면에는 저렇게 리브(Rib)가 서있다. 알루미늄 다이캐스팅도 저렇게 눈에 보이지 않는 부분에는 리브가 서있다.
제품 형상 3D 설계 후에 리브를 세우기 보다는 튼튼하고 두껍게 NC가공으로 만드는 제품처럼 3D 모델링을 한 뒤에 불필요한 부분을 삭제(파내기)하는 방법으로 3D 모델링을 한다.
영어권 실무자들은 ‘Rib를 세우다’로 표현을 많이하고 한국, 중국같은 동양권에서는 ‘살빼기'(减料:재료 빼기)라는 말을 더 자주 쓴다.
살빼기를 하는 이유 1 : 재료 절감
두꺼울 수록 좋은 게 아니다. 원하는 성능을 만족하기 위한 딱 그만큼의 두께만 만족하고 나머지는 재료의 투입량을 줄이는 것이 좋다.
살빼기를 하는 이유 2 : 제품의 변형 방지
금속제품 정밀 가공시에는 온도에 따라 금속의 부피가 달라지기 때문에 온도 관리가 중요하다.
마찬가지로 플라스틱도 고온의 액체가 금형 속에서 고체로 굳는 과정이기에 부피 변화가 반드시 일어난다.
식는 과정이기에 부피가 줄어들고 이로 인한 변형을 현업에서는 대부분 ‘수축’이라는 말로 통칭한다.
제품의 한 면은 일정한 두께로 만드는 것이 불필요한 변형을 막는 방법이고 이 일정한 두께를 뽑아내기 위해서 속이 빈 형태로 만들게 된다.
살빼기 주의점 : 변형
변형을 막기 위해 살빼기를 하지만 살빼기로 인한 변형도 있다.
욕실 환풍기의 반대쪽 면이다.
사진에 혹시 세로줄이 보이는가?
세로줄이 생기는 부분은 환풍기 뒷면의 리브가 서 있는 부분이고 이 부분에는 다른 부분보다 재료가 많이 몰려있는 부분이기에 수축이 더 일어나면서 리브의 반대편에 저렇게 리브 모양을 따라 수축하여 선이 보인다.
그리고 저런 제품은 크롬 도금을 할 경우 더욱 더 저 부분이 도드라지게 보인다.
리브 두께를 제품 두께의 1/2이하로 하는 것이 저렇게 반대편에 나타나는 리브 자국을 방지할 수 있고 절대 절대로 제품 외관에 저런 티가 나지 않아야한다면 1/3이하로 하는 것이 바람직하다.
수축률이 적은 재료를 선택하는 것도 한 방법
예를들면 나일론(PA66)대신 ABS를 사용하는 등의 방법도 있다.
금형은 한번에 치수를 모두 만족해서 나오지 않는다.
금형을 수정하는 방법
만약에 제품의 두께를 일부 증가시키고 싶다면 금형을 어떻게 수정할까?
제품의 두께가 늘어나야 하니 금형을 미세하게 더 깎아내면 제품의 두께를 늘일 수 있다.
보통 방전가공을 이용해서 금형을 더 깎아낸다.
그러면 제품의 두께를 일부 감소시키고 싶다면? 제품의 일부 크기를 줄이고 싶다면?
금형을 더 두껍게 늘려야 하는데 이게 시간과 비용이 많이 드는 일이다.
금형에 금속 용접을 해서 금형의 살을 쌓아올려야 하고 이렇게 용접으로 쌓은 것은 치수 정확도가 떨어지기에 다시 방전가공 등으로 살을 깎아내야 한다.
금형 수정 비용이 배로 차이가 나게 된다.
일반적인 초도품의 형태
그래서 처음 나오는 제품들은 그런 금형 수정을 감안해서 제품의 치수가 조금 작게 나오는 경우가 많다. 초도품이 나오면 반드시 치수점검을 하고 여러 부품으로 이루어진 제품의 경우 조립을 해서 조립성 확인도 해야한다.
제품의 치수가 조금 작게 나오기에 여러 부품으로 이루어진 경우 대부분 유격이 많은 제품이 나오게 된다. 가끔 설계자의 실수나 여러 복합적인 이유로 유격이 나야 하는데 조립이 잘 되는 경우가 있다.
초도품이 나오면 치수를 측정해서 도면과 일치되지 않은 치수들을 찾아내 도면대로 수정을 요구하는데 단품 치수만 측정하지 말고 꼭 조립을 해서 확인하자.
가끔 아주 가끔 설계를 잘못했는데 잘못 나온 제품이 운 좋게 조립성이 잘 나오는 경우가 있으니까.
도면대로 금형 수정했다가 도면이 틀려서 또 금형 수정을 하면 비용이 많이 든다. 추가 비용 지출이 생기면 회사 생활이 힘들어진다.