3.1 기능을 고려한 제품 설계
이장에서 나온 추천사항은 열가소성 프라스틱으로 부품설계시의 일반적인 지침으로서 사용하도록 하기 위한 것이다.
부품형상, 생산공정 및 각개의 요구조건과 같은 변수들이 어떤 설계형상을 나타내도록 하기 때문에 하기추천사항들이 적용되지 않는 경우도 있다.
1-1 제품두께 WALL THICKNESS
부품의 기본구조나 외관을 형성하는 기본벽두께로서 모든 다른 사항들이 이 부품의 기본구조에 추가된다.
이 책자에서 설명된 거의 모든 항목들이 제품두께에 의해 영향을 받거나 영향을 준다.
이와 같은 이유에서 기본벽두께는 적절하게 설계되어야 한다.
적절한 기본벽두께 선정은 성공을 좌우한다.
기본벽두께가 너무 얇으면 구조적인 파손을 일으킬 수 있고 전지절연 특성이 나빠질 수 있다.
반면에 기본벽두께가 부분적이라도 너무 두꺼우면 외관결함과 중량이 초과된 제품을 생산하게 되거나 필요이상으로 좋은 부품을 생산하게 된다.
이와 같은 문제점을 없애거나 최소화시키기 위하여 설계자가 기본벽두께 선정시 고려하여야 할 사항들을 아래에 설명하였다.
어떤 제품의 경우에는 기하학적인 고려사항, 구조적인 고려사항 및 기능적인 고려사항 때문에 모든 지침을 따를 수 없는 경우도 있지만 모든 열가소성 프라스틱은 그 성형 방법에 따라 기본벽두께 범위를 갖고 있다.
사출 성형된 부품의 경우 거의 대부분이 0.5mm에서 4mm까지의 기본벽두께 범위를 갖는다.
일반적으로 실제의 제품 두께는 제품의 전체크기와 관계있다.
이들 두께 치수의 결정은 최대 또는 최소 성형가능두께로서 선정되어서는 안 된다. 즉 큰 부품의 경우 얇은 두께를 선정하여서는 안되고 작은 부품의 경우는 두꺼운 두께를 선정하여서는 안된다.
기본벽두께 치수선정시 설계자는 사용할 특정재료의 흐름특성을 고려하여야 한다.
소용돌이 형상 시험금형의 흐름특성자료는 여러 가지 사출압력과 벽두께에서 프라스틱 수지가 사출되는 지점으로부터 얼마나 멀리 흘러가는지에 대한 흐름의 기준을 준다.
설계자가 일정한 기본벽두께를 유지하는 것이 이상적이나 실제로는 거의 불가능하다.
그림 30에 벽단면 변화에 관한 그림들이 나와 있다.
사출성형시 화살표 방향으로 수지가 흐른다.
성형수축율이 적은 재료를 설계시에는 벽두께 변화량이 기본벽두께의 25%를 넘지말아야 한다.
성형수축율이 큰 재료 설계시에는 벽두께 변화량이 기본벽두께의 15%를 넘지말아야 한다.
이들 추천된 사항이 적용되지 않았을 경우에 설계자는 여러단계를 거쳐 점진적으로 두께를 증가시켜야 한다.
벽두께는 성형품의 냉각속도에 영향을 주고 불균일한 두께는 냉각 불균일의 원인이 되고 성형시 흐름 문제를 일으켜서 제품이 뒤틀리거나 외관 결함이 생긴다. 또한 예리한 모서리는 응력 집중장치로 작용하여 가끔 조기파손을 일으킨다.
두께변화가 있는 경우 설계자와 금형설계자는 성형시 재료가 두꺼운 부위에서 얇은 부위로 흐르도록 금형을 제작하여야 한다.
이렇게 하므로서 보다 높은 캐비티 압력이 전달되어 수축을 최소화시키고 미성형의 가능성을 줄여준다.
역으로 구조용 발포제품을 사출성형시에는 수지의 흐름이 얇은 부위에서 두꺼운 부위로 흘러가는 것이 좋다.
그렇게 하므로서 용융수지가 흐름끝단을 채우기 위하여 팽창될 때까지 용융수지내에 발포성분을 유지하기가 좋다.
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1-2 리브 RIBBING
프라스틱 구조물의 하중에 견디는 능력과 강성을 증가시키기 위하여 프라스틱재료의 물성을 보강하거나 구조물의 단면특성을 보완하는 것이 필요하다.
전체 제품두께를 증가시키지 않고 크게 제품중량을 증가시키지 않으면서 부품의 강성을 증가시키는 한 방법은 리브를 사용하는 것이다.
리브는 설계자에게 구조물의 원하는 성능을 얻는데 어느 정도의 가능성을 주나 제품의 뒤틀림이나 외관문제점을 일으킬 수 있다.
리브설계를 위하여는 다음과 같은 사항들이 추천된다.
1) 주요외관표면에 수축자국을 줄이기 위하여, 리브의 기본두께는 근접한 제품벽두께의 60%를 초과하지 말아야 한다.
2) 과다한 성형응력이나 충진 및 취출의 문제점을 줄이기 위하여, 리브의 높이는 근접한 제품 벽두께의 3배이하로 하여야 한다.
강도의 증가가 필요할 때는 리브의 높이를 증가시키기 보다는 명시된 비례의 높이를 갖는 리브를 더 추가하는 것이 좋다.
3) 예리한 모서리가 응력집중요소로 작용하기 때문에 리브의 바닥에는 근접한 제품 벽두께의 25%정도의 최소 레이우스(R)가 설치되어야 한다.
근처 제품벽두께의 50%보다 큰 레디우스는 강도상 약간의 증가가 이루어지나 반대 표면에 수축자국을 일으킬 수 있다.
4) 굽힘 하중을 받는 부위가 아래로 내려갈 경우 리브가 가장 효과적이다.
5) 리브는 최소한 기본벽두께의 2배 이상 간격을 띠워야 한다.
6) 금형에서의 취출을 용이하게 하기 위하여 리브의 각 측면은 최소 0.5°의 구배가 주어져야 한다.
7) 가스가 모이기 쉬운곳은 적절한 가스빼기를 설치하여야 한다.
그림 31에 리브설계에 관한 그림이 있다.
1-3 보조리브 또는 가젯 SUPPORT RIBS OR GUSSETS 보조리브는 모서리나 측벽 또는 보스를 보강하는 방법으로 사용한다.
보조리브를 잘 설계하기 위하여 다음과 같은 사항들이 추천된다.
1) 보조리브의 기본두께는 부품벽두께의 50%∼60%정도이다.
2) 보조리브 사이의 최소 간격은 부품벽두께의 두배이다.
3) 부품벽에 부착되는 보조리브의 바닥부 최소길이는 부품벽두께의 2배이다.
4) 보조리브의 끝 부위는 상당히 큰 레이우스(R)들로 연결되어야 한다.
5) 보조리브는 최소 0.5°의 구배가 주어져야 한다.
6) 보스에 부착된 보조리브의 바닥길이는 부품벽두께의 최소4배이다.
그림 32는 보조리브설계에 관한 추천사항이 설명되어 있다.
1-4 응력의 집중 STRESS CONCENTRATION 응력집중은 노치나 기포 또는 구멍들이 있는 부위에 가해진 응력의 증가된 정도를 말한다. 대부분의 경우 이들 부위의 응력은 응력 분포에 관한 단순가정을 기초로 계산된 응력보다 훨씬 더 크다.
전체응력에 대한 집중응력의 증가된 요소는 응력집중요소 K로 표시된다.
여기서 K는 K ＝ 증가된 응력/전체응력 이다.
일반적으로 프라스틱 수지는 노치에 민감하므로, 단면이나 방향에 급격한 변화가 있는 부위는 상당히 큰 덧살(FILLETS)이나 레이우스(R)을 주어야 한다. 그림 33의 그라프로부터 응력집중요소(K)를 찾아내어 중요한 지점에서의 실제응력을 계산하는데 사용한다.
(R/T에서 T는 설계형상에서의 가장 얇은 부위의 벽두께 치수를 말한다.)
1-5 보스 BOSSES 보스는 부품의 기본벽두께로부터 변화된 부위로서 보통 기계적인 조립을 용이하게 하기 위하여 사용된다.
최종사용시에 보스는 부품의 다른 부위에는 작용하지 않는 하중을 받는다.
구멍이 있는 보스는 셀프탭핑 스크류나 초음파 또는 강제압입(PRESS-FIT)으로 조립을 하거나 성형중 인서트를 삽입하여 조립하므로 보스벽에 과잉의 후프(HOOP)응력이 미친다.
이것은 다음과 같은 추천되는 보스설계원칙을 적용하므로서 완화시킬 수 있다.
1) 부품의 바닥에 접하는 보스의 벽두께는 부품벽두께의 50%내지 60%가 추천된다. 이것은 인서트에 의하여 발생한 응력을 견디는데 필요한 충분한 강도를 유지하지 못할지도 모르나, 강도를 증가시키기 위하여 보스두께를 더 증가시키는 경우에는 수축자국과 높은 잔유응력을 일으키게 된다.
이와 같은 이유로 인해 미적(외관)요소와 강도요소 사이에 절충을 하는 것이 필요하다.
그림 34 참조
2) 보스에 작용되는 외력이 부품벽에도 작용을 하게 되므로 보스의 바닥에 부품벽두께의 최소25%정도의 레디우스(R)을 주어야 한다.
3) 더 이상의 강도는 그림 35에서와 같이 이음판(GUSSET PLATE)를 사용하므로서 얻을 수 있다.
4) 보스에서 근처의 부품벽까지 리브를 연결하므로서 강도를 증가시킬 수 있다.
부수적으로 이것은 성형시에 가스가 쉽게 빠지게 해준다.
그림 36에 예가 나와 있다.
5) 보스 반대면의 수축자국을 최소화하기 위하여 코아핀의 일부가 제품벽으로 들어가는 것이 좋다.
성형시 응력집중을 피하고 재료의 난류흐름을 최소화하기 위하여 코아핀의 끝에 상당히 큰 레디우스(R)를 주어야 한다.
-6 살빼기 CORING 사출성형공정에서의 살빼기라는 용어는 부품의 특정 부위의 재료를 줄이거나 제거하기 위하여 금형에 쇠를 용접하는 것을 말한다.
구멍을 형성하는 코아는 원래의 재료 수축을 제한하는 경향이 있어 구멍주위에는 비교적 높은 잔유응력이 생긴다.
응력집중부위를 최소화하기 위하여 예리한 내부모서리가 있는 배기홈(SLOTS)과 같은 불규칙한 형상의 구멍은 피해야 한다.
둥근 구멍은 일반적으로 잔유응력분포가 균일하므로 응력에 보다 덜 민감하다.
구멍이 있는 부품은 용융수지가 코아 주위를 흐르므로 용융수지의 흐름을 방해한다. 용융수지가 다시 합쳐지는 부위에 윌드라인(SELD LINE) 또는 닛드라인(KNIT LINE)이 형성된다.
이 부위는 항상 웰드라인이 없는 부위보다 약하고 외관품질상 바람직하지 않다.
이 문제점들을 최소화하고 웰드라인 부위를 강하게 하기 위하여 다음 사항들이 추천된다.
1) 2개의 구멍이나 홈의 끝단 사이의 최소거리는 기본벽두께의 2배이상 되어야 한다.
2) 부품의 끝단 근처에 구멍이나 홈을 설치할 때 구멍의 끝단과 부품사이의 최소거리는 기본벽두께의 2배이상 되어야 한다.
막힌 구멍은 금형의 한쪽 편에 고정된 코아핀에 의해 형성된다.
이 코아핀의 최대깊이는 사출성형시의 수지흐름에 의한 굽힘하중에 견딜 수 있는 코아핀의 강도에 의해 결정된다.
① 막힌 구멍의 깊이는 그 직경의 3배이내 이거나 최소단면 두께의 3배이내 이어야 한다.
② 6mm보다 작은 직경의 구멍은 길이 대 직경의 비를 2로 유지하여야 한다.
관통된 구멍은 금형의 양쪽편에 지지받는 긴 코아핀을 사용하는 것이 가능하다.
일반적으로 관통된 구멍에 사용되는 코아핀의 전장은 막힌 구멍에 사용되는 코아핀 전장의 2배까지 사용할 수 있다.
또한 유사하지 않은 재료로 된 부품을 구멍을 이용하여 기계적으로 체결을 한다면 재료의 팽창과 수축에 대한 여유공차를 주어야 한다.
추천되는 구멍의 직경은 예상되는 온도변화와 두 재료 사이의 팽창계수차이에 따라 다르나 조립용 핀의 직경보다 약 20%∼40%정도 더 커야 한다.
1-7 구배 DRAFT ANGLE 금형으로부터 제품취출을 용이하게 하고 사이클 시간을 줄이기 위하여 부식이 안된 표면의 경우, 내외측벽에 각각 0.25°내지 2°정도의 충분한 구배를 주어야 한다.
금형표면이 아주 잘 사상된 경우에는 작은 구배각을 사용할 수 있다.
표면부식이 된 측벽의 경우, 부식깊이 0.01mm마다 4°씩 구배를 더 주어야 한다(제품 측벽에 부식을 하여야 할 각각의 경우에 금형부식업체와 협의를 하여야 한다).
표면부식된 특별히 복잡한 성형품에 대하여 10°정도의 큰 구배각이 필요한 경우도 있다.
그림 37은 구배각의 예가 설명되어 있다.
1-8 언더컷 UNDERCUTS 금형은 기계의 형판이 작동하는 방향과 평행한 방향으로 열린다. 복잡한 부품의 경우에 측면 코아나 기계적으로 작동되는 캠 또는 분리되는 코아(LOOSE CORE)의 사용이 필요하다.
부품형상에 따라 약간의 언더컷은 그와 같은 장치가 없이 성형후 취출될 수 있다. 이때 부품표면에 취출자국이 생기는 것을 피하기 위하여 충분한 구배를 주어야 한다.
그림 38에 언더컷에 관한 예가 설명되어 있다.
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