플라스틱 재료의 종류와 사출 성형 — 열가소성·열경화성 수지·FRP·압축·트랜스퍼·적층·사출 성형 | 기계공작법 11.1-1
기계공작법Chapter 11 기타 가공 › Section 01
11.1-1 플라스틱 재료의 종류와 사출 성형
11장 기타 가공의 첫 편으로 금속을 대신하는 고분자 재료인 플라스틱. 열에 대한 반응으로 두 수지를 가르고 금형에 넣어 굳히는 네 성형법을 정리.
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01플라스틱의 분류교재 226p
- 10장까지 금속의 가공·측정·공차를 봄 — 11장 기타 가공은 플라스틱 성형·분말 야금·적층 가공. 플라스틱은 수많은 분자가 결합한 고분자 물질로 기계·전자 산업에서 금속을 대신하는 재료.
- 원료는 주로 석유나 천연가스이며 옥수수 전분·사탕수수 같은 식물 원료도 있음. 성형성을 높이려고 가소제·착색제를 넣고 주로 알갱이(펠릿, pellet) 형태로 가공해 성형 재료로 사용.
- 열을 가했을 때의 반응에 따라 두 수지로 구분. 어떤 성형법을 쓸 수 있는지가 이 구분에서 갈림.
1열가소성 수지
주로 선 모양의 분자 구조. 가열하면 녹아 유동성을 갖고 냉각하면 굳어 다시 성형할 수 있으나, 반복 가열하면 열화로 물성 저하. 폴리에틸렌·폴리염화비닐·폴리스티렌·아크릴 수지.
2열경화성 수지
경화제를 넣거나 열과 압력을 가하면 그물망(망상) 구조로 결합해 단단히 경화. 한 번 경화 반응이 끝나면 다시 가열해도 녹지 않음. 페놀·멜라민·에폭시 수지.
02기계적 성질과 강화 플라스틱교재 226p
- 가소성이 뛰어나 복잡한 형상의 성형과 절삭·접합 같은 후가공이 쉬움. 가볍고 절연성이 우수하며 산·알칼리·기름에 견디는 내식성, 재료에 따라 투명성과 자유로운 착색도 가능.
- 금속에 비해 강도와 내열성이 낮고 자외선이나 외기에 오래 노출되면 변색·강도 저하 같은 노화가 쉬움. 플라스틱의 충격 시험은 2.4 에서 본 대로 아이조드 시험도 함께 사용.
- 강화 플라스틱(FRP, fiber reinforced plastics)은 가벼움과 성형성을 유지하며 약한 충격 강도와 낮은 내열성을 보완한 복합 재료. 수지 기지(matrix)에 뼈대 역할의 보강재(fiber)를 넣어 기계적 강도를 크게 높이며 자동차·항공기 부품, 스포츠 용품, 선박 구조물에 사용.
- 기지는 주로 폴리에스터·에폭시 같은 열경화성 수지이며 나일론·폴리카보네이트 같은 열가소성 수지도 사용. 보강재 섬유에 따라 GFRP(유리섬유)·CFRP(탄소섬유)·AFRP(아라미드 섬유)로 나누고 AFRP는 KFRP로도 부름. 보론 섬유도 보강재.
03성형 공정의 세 단계교재 227p
- 가소화는 열이나 용제로 유동성을 부여, 충전·성형은 유동 상태의 수지를 금형에 채워 형태를 잡음, 경화는 수지를 굳힘.
- 원료의 형태와 제품의 형상에 따라 성형법을 골라 사용. 이 편은 금형에 넣어 굳히는 압축·트랜스퍼·적층·사출 성형 넷.
04압축 성형과 트랜스퍼 성형교재 227p
- 압축 성형은 분말이나 펠릿 수지를 금형에 넣고 가열한 상태에서 압력을 가해 찍어내는 가장 기본적인 성형법.
- 트랜스퍼 성형은 압축 성형에서 갈라져 나온 방법. 가열실에서 미리 녹인 수지를 플런저로 밀어 닫힌 금형으로 옮겨 넣으며(transfer), 금형을 닫은 채 채우므로 인서트 부품이나 얇은 부분이 있는 형상을 정밀하게 제작.
- 둘 다 주로 열경화성 수지용. 금형 안에 직접 넣고 누르는가, 다른 방에서 녹여 보내는가의 차이.
| 압축 성형 | 금형 | 제품을 꺼내는 때 |
|---|---|---|
| 열경화성 수지 | 식히지 않음 | 화학 반응으로 굳은 뒤 가열 상태 그대로 |
| 열가소성 수지 | 반드시 냉각 | 완전히 굳힌 뒤 압력 제거 |
금형을 식히는가의 구분
- 열경화성 수지는 계속 가열하면 화학 반응으로 굳으므로 금형을 식히지 않고 꺼냄. 열가소성 수지는 식어야 굳으므로 냉각 뒤에 압력을 없앰.
- 압축 성형은 주로 열경화성 수지용이지만 열가소성 수지에도 사용. 「압축 성형은 열경화성 전용」으로 단정하지 않음.
05적층 성형교재 227p
- 얇은 플라스틱 시트·종이·직물·매트를 여러 겹 쌓은 뒤 가열·가압해 하나의 단단한 몸체로 결합.
- 압력에 따라 저압(0~50 kgf/cm²)·중압(50~100 kgf/cm²)·고압(100~300 kgf/cm²) 적층으로 구분. 페놀수지·멜라민수지 같은 축합형 수지에 주로 적용하며 유리섬유 매트를 보강재로 쓰는 FRP 성형에도 널리 사용.
06사출 성형교재 228p
- 펠릿 수지를 호퍼(hopper)로 공급받아 가열 실린더에서 녹인 뒤 높은 압력으로 금형에 쏘아 넣어 냉각. 성형 사이클이 짧아 열가소성 수지 제품 대량 생산의 핵심 공법.
- 플런저 형은 녹은 수지를 왕복하는 플런저(피스톤)로 밀어 넣으며 보통 250 ℃ 부근, 500~1,500기압으로 사출. 스크루 형은 회전하는 스크루가 수지를 밀며 녹인 뒤 피스톤처럼 전진해 사출하며 오늘날 대부분 이 방식.
- 열경화성 수지에도 적용 가능. 실린더 안에서 조기에 경화하지 않도록 온도를 조절하고 가열된 금형 안에서 경화.
- 금형에 넣어 굳히는 성형법 넷을 봄 — 다음 편은 밀어내고 불어서 만드는 압출·블로우 성형과 FRP 성형법.
이 절의 핵심 정리
- 열가소성 수지는 열에 녹아 다시 성형할 수 있고 열경화성 수지는 한 번 굳으면 다시 녹지 않는다.
- 강화 플라스틱은 수지 기지에 보강재를 넣은 복합 재료이며 섬유에 따라 GFRP·CFRP·AFRP로 나눈다.
- 압축 성형에서 열경화성 수지는 금형을 식히지 않고, 열가소성 수지는 금형을 냉각한 뒤 꺼낸다.
- 트랜스퍼 성형은 가열실에서 녹인 수지를 닫힌 금형으로 옮겨 넣어 인서트 부품을 정밀하게 만든다.
- 사출 성형은 녹인 수지를 높은 압력으로 금형에 쏘아 넣는 열가소성 수지 대량 생산의 핵심 공법이다.
강의 자료11.1-1 플라스틱 재료의 종류와 사출 성형
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1. 7.4-2 나사 가공용 공구와 보링 머신 (표지)
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