제조업계에서 다이(die)는 수많은 제품들에게 형태를 부여하는 무명의 영웅입니다. 하지만 모든 다이가 동일하다고 생각하는 것은 큰 오류입니다. 이는 금속 성형에 사용되는 도구와 플라스틱 성형에 사용되는 도구가 서로 다르다는 점과 같으며, 이 둘은 완전히 다른 소재의 특성과 제품 제조 요구사항을 고려해 설계된 별개의 시스템입니다. 엔지니어, 디자이너 및 제조사들은 금속 프레스 다이와 플라스틱 가공 다이의 주요 차이점을 이해하는 것이 중요합니다.
1. 핵심 과제: 소재의 특성
금속 프레스 금형: 이러한 금형은 고체 상태에서 소성 변형이라는 문제에 직면합니다. 금형의 구성 부품 사이에는 금속 시트 또는 코일(예: 강철, 알루미늄, 구리)이 끼워 넣어집니다. 큰 압력(톤수)을 가함으로써 금속이 영구적으로 변형되도록 하여, 금속은 굽혀지고, 늘어나고, 절단되거나 용융되지 않은 상태에서 가능한 형태로 성형됩니다. 이 과정은 금속의 항복 강도를 극복하는 데 초점을 맞추며, 스프링백(금속이 원래 형태를 유지하려는 경향)을 처리해야 합니다.
플라스틱 가공 다이(금형): 이는 용융되거나 크게 부드러워진 상태의 재료와 함께 사용됩니다. 플라스틱 펠릿은 점성이 높은 액체처럼 흐를 수 있을 때까지 녹여집니다. 그런 다음 이 용융물을 압력으로 금형 캐비티에 주입하거나 강제로 밀어 넣습니다. 플라스틱은 금형 내에서 냉각 응고되며 최종 형태를 갖추게 됩니다. 이 과정에서는 유동 역학을 제어하는 것이 어렵기 때문에 캐비티를 완전히 채우는 것, 냉각 과정을 조절하여 결함(예: unken 곳 또는 휨)을 최소화하는 것, 그리고 응고된 부품을 쉽게 이형하는 것이 중요합니다.
2. 금형 설계 및 제작 우선순위
금속 프레스 다이:
●강도 및 마모 저항성: 무엇보다 중요합니다. 금형은 큰 충격과 반복적인 충격, 금속 성형 시 발생하는 마모성 접촉에 견뎌야 합니다. 보통 D2, A2와 같은 공작 도구강이나 초경합금이 사용되며, 일반적으로 록웰 C 경도로 매우 높은 경도로 경화 처리됩니다.
●정밀 클리어런스: 전단 작업에서 과도한 버와/또는 사용 중인 공구의 손상을 방지하기 위해 펀치와 다이 블록 사이에 매우 작은 간격이 존재합니다.
●압력 적용: 설계는 강력한 구조 부품(펀치, 다이 블록, 쇼)을 통해 대규모 톤수를 효율적으로 전달하도록 목표로 합니다.
●종종: 벤딩 또는 단순 절단 모드와 관련된 다양한 형태의 스탬핑 다이의 경우 플라스틱 금형만큼 복잡한 세부 구조를 요구하지 않습니다.
●플라스틱 가공 다이(금형):
●복잡한 캐비티 및 코어: 다이를 통해 설계된 플라스틱 제품의 복잡한 외부(캐비티) 및 내부(코어) 형상을 형성합니다. 복잡도가 매우 높을 수 있습니다.
●냉각 시스템: 냉각제(물 또는 오일) 흐름을 위한 내부 채널 시스템은 필수적입니다. 최적화되고 일관된 냉각은 사이클 시간과 부품 품질에 직접적인 영향을 미칩니다.
●게이트 시스템: 성형품에 용융 플라스틱이 주입되는 금형의 스프루, 러너, 게이트는 사출기 노즐에서 유출된 플라스틱이 캐비티로 흘러 들어가는 경로입니다. 이 부분의 설계는 유동 패턴, 충전 압력 및 부품 외관에 영향을 미칩니다.
● 금형 탈형 장치: 냉각된 성형품을 금형에서 탈형시키면서 제품에 손상이 가지 않도록 핀, 슬리브 또는 리프트를 신중하게 배치합니다.
● 배기: 배기는 용융 플라스틱이 캐비티로 들어갈 때 포획된 공기를 방출하기 위해 작은 채널이나 구멍을 사용하여 태움 현상이나 충전 불량을 방지합니다.
● 재질: 경화 공구강(P20, H13, S7) 또는 다양한 종류의 스테인리스강을 사용할 수 있지만, 표면 마감도와 내식성(특히 특정 플라스틱의 경우) 역시 중요한 요소입니다.
3. 제조 환경
금속 프레스 가공: 일반적으로 기계 프레스 또는 유압 프레스에서 수행됩니다. 이 공정은 보통 매우 빠른 작업 속도를 가지며(분당 수백 개의 부품 제작이 가능함), 기초 부품 제작에 적합합니다. 이는 일반적으로 냉간 공정이지만, 특수 목적의 성형 공정 중에는 가열이 필요한 경우도 있습니다. 마찰과 마모는 윤활유를 사용하여 줄일 수 있습니다.
플라스틱 가공: 플라스틱은 주로 사출 성형기를 사용하여 가공되며, 블로우 성형, 압축 성형 등의 다른 방법도 사용됩니다. 이 공정 자체는 상당한 양의 열을 동반하며, 플라스틱을 용융한 후 금형에서 냉각시키는 과정을 포함합니다. 사이클 시간은 부품 크기와 벽 두께에 따라 몇 초에서 몇 분까지 다양합니다. 냉각 효율성이 사이클 시간에 큰 영향을 미칩니다. 일부 탈형제가 사용되기도 하나, 금속 프레스 가공의 윤활유만큼 보편적이지는 않습니다.
4. 수명 및 마모 메커니즘
금속 프레스 금형: 마모는 주로 금속과 공구강 사이에서 발생하며, 부착 마모(갈링)가 일어날 수 있습니다. 금형의 손상은 날카로움을 잃게 만듭니다. 높은 반복 응력으로 인해 피로 균열이 발생할 수 있습니다. 유지보수에는 날카롭게 재연마하거나 마모된 부위를 교체하거나 인서트를 삽입하는 작업이 포함됩니다. 금형의 수명은 일반적으로 수십만 내지 수백만 번의 가동으로 측정되며, 유지관리 상태에 따라 수명이 크게 달라집니다.
플라스틱 성형 금형(몰드): 발생하는 마모 유형으로는 플라스틱 내의 연마제 충전재, 특정 폴리머나 냉각수로 인한 부식, 그리고 고속 플라스틱 용융으로 인한 침식이 있습니다. 금형 캐비티 표면의 광택 저하에 영향을 받는 외관상 특성은 제품 외형에 영향을 미칩니다. 유지보수에는 표면 연마, 손상 부위 수리, 냉각 라인 및 냉각 벤티지의 막힘 제거가 포함됩니다. 수명은 일반적으로 매우 길며 수십만 내지 수백만 사이클에 달하지만 사용되는 플라스틱 종류와 유지보수 여부에 매우 민감합니다.
왜 구분이 중요한가
금형 설계 철학의 잘못된 형태를 소재에 적용하는 것은 실패를 미리 설정하는 것입니다. 금속에서 프레스 성형을 위해 사용되는 금형에는 플라스틱 성형에 필요한 냉각 라인과 게이트가 포함되어 있지 않습니다. 플라스틱의 인상은 강철을 프레스할 때 발생하는 진동을 견뎌낼 수 없습니다. 이러한 것이 고체 상태의 변형과 용융 가공이라는 기본적인 차이점이며, 냉각 최적화, 신중한 클리어런스, 유동 관리 및 스프링백 관리가 필요합니다. 이러한 점들을 이해해야 다음과 같은 작업을 수행할 수 있습니다.
● 효과적이고 내구성 있는 금형 설계
●제조 공정 최적화
●금형 자체에 적합한 소재 선정
●생산 문제를 효율적으로 해결
●금형 및 부품 비용을 정확하게 추정
금형의 두 가지 다른 유형은 대량 생산에서 필수적인 정밀 기기이지만, 이들의 설계, 제작, 기능은 금속과 플라스틱이 가공을 통해 완제품으로 변하는 과정에서 작용하는 근본적으로 다른 물리 원리에 의해 좌우됩니다. 이는 제조 분야에서 큰 기회를 창출하는 기본적인 차이입니다.