[첨단 헬로티]
오츠카 마사히코 (大塚 正彦) 오츠카기술사사무소
수지화 설계의 포인트
1. 수지 부품 설계 시의 포인트
금속 대체 부품을 수지로 제작하는 경우, 기계적 강도, 내열성 등의 물성 향상이 필요하기 때문에 기본적으로는 열가소성수지, 열경화성수지를 유리섬유(GF), 탄소섬유(CF) 등의 강화재로 복합화한 수지를 사용한다. 이들 복합강화수지를 사용함으로써 금속의 대체 부품의 제작이 가능해지는데, 특히 고강도, 고내열이 필요하게 되는 부품은 이들 특성값에 충분히 배려할 필요가 있다.
표 1에 나타냈듯이 부품 개발 프로세스는 금속 부품, 수지 부품에 관계없이 기본적으로 동일하다. 수지 부품 설계 단계의 유의점은 표 1의 ‘설계/시제작/평가’ 프로세스의 ‘각 부문 역할․검토 내용’에 기재하고 있는 사항 및 전후 프로세스 검토 내용을 고려하는 것이다.
수지 부품을 설계할 때의 포인트는 그림 1에 구체적으로 나타냈지만, 살두께의 균일화, 샤프 코너의 저감 등 수지 부품 설계 시의 원칙을 지키는 것이 중요하다(단, 열경화성수지의 BMC는 분자의 가교반응으로 경화하기 때문에 후육, 박육의 공존, 빼기구배 등이 가능).
2. 사례 해설
금속의 수지화에 있어 특히 주의할 필요가 있는 강도면의 검토 예에 대해 사례로 해설한다. 그림 2에 나타낸 평판 형상의 한쪽 끝을 고정하고, 반대측의 끝 점에 집중 하중을 부하시켰을 때의 최대 변형량, 최대 굽힘응력을 산출한 결과를 표 2에 나타냈다.
알루미늄(A7075), PPS(CF 함유 30%)의 2종류 재질에 대해, 판두께 3mm일 때 알루미늄, PPS＋CF30 간의 최대 변형량 8.41mm의 차이를 확인할 수 있다. 알루미늄과 동등하게 하는 경우 PPS＋CF30의 판두께는 4.35mm로 설정할 필요가 있는데, 그 결과 중량은 1.97gf가 증가한다.
중량의 증가분을 적극적으로 작게 하면서 알루미늄과 동등 레벨의 변형량으로 하기 위해 그림 3에 나타낸 보강 리브 폭 치수를 3종류 설정한 경우의 최대 변형량을 최대 굽힘응력 시산값을 표 3에 나타냈다. 리브 폭이 2.7mm일 때, 대개 동등한 변형량이 된다.
그러나 최대 응력값이 크고, 그 이상의 폭 치수로 하면 싱크의 발생 가능성도 있기 때문에 평판 두께의 3mm 증가 검토가 적당하다고 생각한다.
굽힘응력에 관해서는 안전율은 수지 부품의 사용 온도, 하중의 부하 상태에 따라서는 크리프 변형도 있기 때문에 명확한 규정은 없지만, 대개 상온 환경 하에서 정적 하중 부하 시, (인장강도/3～4)≒허용응력으로 가정하는 개념이 있다.
PPS＋CF30의 경우 5.75～7.66kgf/mm2가 되어, 그림 3의 평판부에 발생하는 최대 응력값으로는 파손의 가능성이 크므로 형상 검토가 더욱 필요하다.
실제 부품 설계에서는 프린트 기판 등의 다른 부품의 조립 등이 있기 때문에 모두 보강 리브로 대응하는 것은 곤란한데, 금속 부품의 수지화를 할 때의 설계 개념의 참고가 된다. 이상 상온 환경 하의 시산 결과에 대해 서술했는데, 고온도 영역에서는 수지의 기계적 특성값이 저하하기 때문에 부품의 사용 환경도 고려하는 것이 중요하다.
금형 설계․제작의 포인트
1. 금형 설계 시의 포인트
열가소성강화수지, 열경화성강화수지는 성형 공업이 다르기고 하고, 금형 구조도 다르다. 여기에서는 수지 부품 제작의 메인 공법인 사출성형용 금형의 설계 포인트에 대해 해설한다. 금속 부품을 수지화하는 금형의 설계․제작 시의 검토 내용은 앞에서 말한 수지 부품 설계와 동일하게 기본적으로는 보통의 수지 부품 성형용 금형을 설계․제작할 때와 동등하다.
금형 설계 시에 검토하는 항목을 표 4에 나타냈다. 수지 부품의 설계 시, 강도에 대해 충분히 검토하는데, 금형에서도 동일하다. 금속 부품을 수지화할 때, 수지 부품에는 GF, CF 등을 함유한 복합강화수지를 사용하는 경우가 많다.
이 복합강화수지를 사출성형하는 경우, GF, CF 등을 함유하고 있기 때문에 유동성이 나쁘고 고압, 고속으로 충전할 필요가 있다. 그렇기 때문에 캐비티, 코어 표면은 GF, CF 등으로 마모되는 경우가 많다. 따라서 캐비티, 코어에는 고경도 부재가 필요하다.
표 5에 금속 부품의 수지화용 금형의 캐비티, 코어에 적용 가능한 재질을 나타냈다. 복합강화수지에서 발생하는 가스에 의한 내부식성, 점성강도인 인성이 높아, 고정도화를 실현하기 위해서는 치수 변화가 작은 재료를 선정할 필요가 있다. 이상으로부터 스테인리스강, 열간 다이스강이 비교적 양호하다.
최적의 재질 선정 외에 금형 구조로 캐비티, 코어 이외의 부품 마모․파손 방지 대책을 강구할 필요가 있다. 한 예로서 (1) 게이트부, (2) 미세 관통구멍을 형성하는 부위의 설계 개념에 대해 서술한다.
(1) 게이트부
수지는 스프루→러너→게이트→제품부로 충전되는데, 성형 부품의 디자인 제약, 2차가공의 저감 요구 때문에 핀 게이트, 서브마린 게이트를 채용하는 경우가 많다. 이러한 타입의 게이트인 경우, 게이트부에 수지의 충전에 동반하는 고압이 부하되기 때문에 마모․파손하는 경우가 많다. 따라서 트러블 발생 시의 영향을 최소한으로 하기 위해 상시 게이트부의 예비 부품을 보유할 필요가 있다.
그림 4에 사이드 게이트부 마모 상태의 한 예를 나타냈다. 극소량 생산용 IC 봉지 성형 금형의 캐비티(A7075)에 에폭시수지를 충전했을 때의 마모 상태이다.
접착성이 높고, 무기물 등이 첨가되어 있는 에폭시수지의 이형 대책을 위해 캐비티 표면에 불소 입자 함유 Ni 도금 코팅을 실시했는데, 약 200숏으로 마모가 발생했다. 이와 같은 트러블을 회피하기 위해서도 게이트부는 경도, 내식성, 인성이 높은 재질의 선정이 중요하다.
(2) 미세 관통 사각구멍 형성부
GF를 함유한 PES(CF 함유 30%) 복합강화수지로, 그림 5에 나타낸 미세 관통 사각구멍 수지 부품을 성형하는 경우, 수지를 캐비티, 코어 내에 고속․고압으로 충전할 필요가 있다.
이러한 엄격한 성형 조건 하에서 형부품의 파손을 회피하기 위해서는 그림 6에 나타낸 금형 구조의 검토가 필요하다. 그림 5에 나타낸 미세 관통 사각구멍 부품은 동합금 박판에 작고 둥근 구멍을 가공한 부품의 대체를 가정․시제작한 사례이다.
이상, 금속 부품을 수지화할 때의 금형 설계 상의 포인트에 대해 사례를 기초로 해설했다. 이와 같이 금속의 수지화 부품을 성형할 때의 성형 조건은 매우 과혹해지는 경우가 많고, 금형 부품의 재질 선정, 구조에 관해서는 복합강화수지의 물성, 성형 조건을 고려한 금형 강도 향상이 반드시 필요하다.
2. 금형 제작 시의 포인트
앞에서 특히 금형의 캐비티, 코어 재질의 선정에서 내마모성, 내열성, 인성(점성강도)을 중시할 필요가 있다고 서술하고 이와 같은 사양에 해당하는 재질을 표 5에 기재했는데, 경도는 48～67HRC로 매우 높고 가공 방법이 한정된다.
금형가공의 주류인 절삭가공에서는 머시닝센터 등의 절삭가공기 성능 향상, 고경도재 절삭공구의 개발․실용화에 의해 50HRC 정도의 피삭재가공이 가능한데, 안정되게 고품질 가공이 가능한 경도는 대개 40HRC 정도까지이다. 그 이상의 고경도재인 경우, 형조 방전가공, 와이어 방전가공, 연삭가공의 대응이 된다.
고경도재, 특히 담금질재의 경우, 형상에 따라서는 휨, 변형이 발생하기 때문에 높은 치수 정도가 필요할 때는 응력 제거를 위한 어닐링이 필요하다. 또한 공작기계에 따라서는 가공 정도에 한도가 있기 때문에 금형 설계의 소요 정도를 확보하기 위해 표 6에 나타낸 공작기계별 가공 가능한 정도를 참조해 가공기계를 선정할 필요가 있다.
또한 절삭가공 표면의 면조도 향상, 방전가공 후의 경화층 제거를 위해 연마가 필수가 된다. 한 예로서 그림 7에 고경도재 캐비티, 코어의 가공 순서를 나타냈다.
앞에서 말했듯이 고경도재는 고경도이므로 부품 형상부의 모두를 절삭가공으로 대응하는 것이 곤란하기 때문에 형조 방전가공, 연삭가공 등이 필요하다. 고정도 금속 부품의 수지화 시, 연삭가공에 의한 고정도화가 필요하다.
또한 공작기계의 가공법 제약에 의해 캐비티, 코어 가공을 쉽게 하기 위해 부품 분할할 필요가 있다. 한 예로서 높이 치수 공차 ±0.05mm, 평면도 0.01을 필요로 하는 금형 부품의 분할 사례를 그림 8, 그림 9에 나타냈다.
부품 분할 전 부품 A의 오목 형상부는 ‘절삭가공＋형조 방전가공＋연마’가 되는데, 부품 분할 후 부품 A는 ‘절삭가공＋와이어 방전가공＋연삭가공＋연마’, 부품 B는 ‘절삭가공＋연삭가공＋연마’가 되어 평면부를 고정도로 가공할 수 있다.
이상, 공작기계의 가공 가능 정도, 가공 방법을 근거로 분할 부품의 오목 형상부․외형부 치수의 가공 정도를 μm～수십 μm 레벨로 다듬질해, 금형 조립․조정을 쉽게 하는 동시에, 성형 부품의 고정도화를 실현하는 것이 중요하다.
