金型의 基礎.

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1 金型의 基礎

2 Content 정의 장점 Working Flow 금형의 구조 Mould Base의 구조와 기능 Core의 구조 및 기능
제품의 구조 및 기능 Mock-Up( 목업 )

3 1.정의 1-1. 일반적인 의미 금형(Die & Mold)은 일반적으로 광의와 협의의 의미로 구분하여 정의한다.
1-1. 일반적인 의미 금형(Die & Mold)은 일반적으로 광의와 협의의 의미로 구분하여 정의한다. 광의의 금형은 재료의 소성, 전연성, 유동성 등의 성질을 이용하여 재료를 가공성형, 제품을 생산하는 도구로 '틀', 또는 '형'이라 할 수 있으며 학술적 의미로도 사용되고 있다. 이에 반하여 협의의 금형은 금속 재료를 사용하여 만들어진 틀(형)을 말한다. 기술적 의미에서 금형이란 동일 규격의 제품을 대량으로 생산하기 위하여 만들어진 모체가 되는 틀을 말한다.

4 1-2. 국제적 정의 우리나라에서 다이(Die)와 몰드(Mold)를 통칭하는 의미로서 금형 즉, 틀을 일본에서는 금형 또는 형, 그리고 중국, 대만, 홍콩, 싱가포르 등 소위 중화 경제권에 속하는 국가에서는 모구(模具)라 일컫고 있고 또 영국을 비롯하여 독일, 프랑스, 미국 등 서방 선진국에서는 Special Tooling이라는 용어를 사용하고 있다. Special Tooling의 의미에서 Die, Mold, Pattern 외에도 Jig & Fixture와 Standard Part를 포함하여 Standard Tooling(절삭공구, 수 공구, 측정공구)과 구별하고 있다. 국제금형협회(ISTMA)에서는 몰드에 대하여 영국식 표기인 Mould로 표기할 것인가, 미국식 표기인 Mold로 표기할 것인가에 대해논쟁이 있었지만 영국식 표기로 통일하기로 하였다.

5 1-3. 사출(Ijection) 금형이란? 사출 금형이란 먼저 금형을 닫은 다음 플라스틱 등의 수지를 녹여 고온과 고압으로 금형 내에 사출 시켜 냉각 후 만들어지는 플라스틱 제품을 얻고자 할 때 쓰는 금형이다. 사출 금형으로 만들어지는 제품의 예는 주위에서 흔히 쓰는 거의 모든 플라스틱 제품들 즉 PET병, 단추, 볼펜 그리고 현재 쓰고 있는 컴퓨터 키보드, 케이스 등등 대량으로 생산되는 모든 형태의 플라스틱 제품들이 기본적으로 위의 작동원리를 이용한 사출금형에 의해서 제작된다.

6 2. 금형 사용 시 장점 2-1. 생산제품, 부품의 치수 정밀도가 높다.
2-2. 제품 규격이 동일하여 호환성이 있고 조립 생산이 쉽다. 2-3. 제품 생산 시 금형을 이용하여 특수 기술이나 숙련기술 없이도 제품을 만들 수 있다. 2-4. 제품의 외관이 깨끗하고 모델의 변경이 쉽다. 2-5. 신제품의 개발 또는 모델의 변경이 쉽다. 2-6. 제품의 생산시간이 단축된다. 2-7. 두께가 얇은 제품의 생산이 가능하고 무게도 줄일 수 있다.

7 3. Working Flow                                                                                                                                                                      

8 4. 금형의 요소  4-1. 기본구조 금형은 Mould Base와 Core 및 기타 요소로 이루어진다.

9 4-2. Mould Base - 금형을 사출기에 설치하여 성형을 할 수 있도록 만든 Tool 4-3. Core - Cavity를 구성하는 요소. ( Upper Core, Lower Core, Slide Core ) 4-4. 기타 요소 - Locate Ring - Ejector Pin - Spring - Return Pin - Stop Pin - Sprue Bush - Guide Pin - Support Pin - 인장봉

10 5. MOULD BASE의 구조와 기능 금형의 구조는 크게 2가지로 나뉜다. 1) 2단 금형 (2 PLATE MOULD)
- 가장 기본적인 구조 - 상측(고정측)과 하측(가동측)으로 이루어진다. 2) 3단 금형 (3 PLATE MOULD) - 2단 금형에서 Runner의 자동 취출 및 Gate의 자동 절단을 위한 구조 - 2단 금형의 상측에 Stripper Plate가 추가된 구조이다.

11 5-1. 2단 금형 ( 2 PLATE MOULD )의 요소 및 기능
Locate Ring - 사출기의 Nozzle이 안착 되어지는 요소 Upper Plate (상고정판) - 고정측을 사출기에 체결 시킬 수 있도록 날개가 있는 부분 Upper Core Plate ( 상원판 ) - Upper Core를 안착 시키는 Plate Lower Core Plate ( 하원판 ) - Lower Core를 안착 시키는 Plate Space Block - Ejector Pin이 움직일 수 있는 공간을 만드는 Block Ejector Plate ( Upper, Lower ) - Ejector Pin을 고정시키는 Plate Lower Plate (하고정판) - 가동측을 사출기에 체결 시킬 수 있도록 날개가 있는 부분

12 1 2 3 4 5 6 7 8 Locate Ring Upper Plate Upper Core Plate
Lower Core Plate 5 Space Block 6 Upper Ejector PLate 7 Lower Ejector Plate 8 Lower Plate

13 9 1 2 3 10 11 4 5 12 6 7 8 Sprue Bush Locate Ring Upper Plate
Upper Core Plate 9 Sprue Bush 10 Upper Core 5 Space Block 8 Lower Plate 4 Lower Core Plate 11 Lower Core 12 Ejector Pin 6 Upper Ejector PLate 7 Lower Ejector Plate

14 5-2. 3단 금형 ( 2 PLATE MOULD )의 요소 및 기능
Locate Ring - 사출기의 Nozzle이 안착 되어지는 요소 상 고정판 - 고정측을 사출기에 체결 시킬 수 있도록 날개가 있는 부분 스트리퍼 Plate - Runner를 자동으로 빠질 수 있도록 넣은 Plate Upper Plate ( 상원판 ) - Upper Core를 안착 시키는 Plate Lower Plate ( 하원판 ) - Lower Core를 안착 시키는 Plate Space Block - Ejector Pin이 움직일 수 있는 공간을 만드는 Block Ejector Plate ( Upper, Lower ) - Ejector Pin을 고정시키는 Plate 하 고정판 - 가동측을 사출기에 체결 시킬 수 있도록 날개가 있는 부분

15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Locate Ring Upper Plate Stripper Plate
Upper Core Plate 5 Lower Core Plate 6 Space Block 7 Upper Ejector PLate 8 Lower Ejector Plate 9 Lower Plate

16 6.Core의 구조 및 기능 6-1. Upper Core - 제품 외관을 결정하는 Tool
- 보통 재질은 NAK80이고, 질화 열처리를 한다. - 가공 순서는 일반적으로 다음과 같다. ① 표면 연마 & 각처리 ② 1차 기계 가공 ( Tap, 냉각 Hole 등 ) ③ 2차 기계 가공 ; 형상면 황삭 ④ 3차 기계 가공 ; 중삭 및 열처리 후 재 연마 ⑤ 4차 기계 가공 ; 정삭용 방전 ⑥ 사상 : 경면 사상 후 습합 확인 ⑦ 금형 조립 - 열처리를 안 한 금형은 수명이 보통 15~20만 Short - 열처리를 한 금형은 수명이 30~40만 Short

17 6-2. Lower Core - 제품의 내부를 결정하는 Tool - 보통 재질은 NAK80이고, 질화 열처리를 한다. - 가공 순서는 일반적으로 다음과 같다. ① 표면 연마 & 각처리 ② 1차 기계 가공 ( Tap, 냉각 Hole 등 ) ③ 2차 기계 가공 ; 형상면 황삭 ④ 3차 기계 가공 ; 중, 정삭 및 열처리 후 재 연마 ⑤ 4차 기계 가공 ; 정삭용 방전 ⑥ 사상 : 경면 사상 후 습합 확인 ⑦ 금형 조립

18 - 제품의 Under Cut을 처리하는 Tool - 보통 재질은 NAK80이고, 질화 열처리를 한다.
6-3. Slide Core - 제품의 Under Cut을 처리하는 Tool - 보통 재질은 NAK80이고, 질화 열처리를 한다. - 가공 순서는 일반적으로 다음과 같다. ① 표면 연마 & 각처리 ② 1차 기계 가공 ( Tap, 냉각 Hole 등 ) ③ 2차 기계 가공 ; 형상면 황삭 ④ 3차 기계 가공 ; 중, 정삭 및 열처리 후 재 연마 ⑤ 4차 기계 가공 ; 정삭용 방전 ⑥ 사상 : 경면 사상 후 습합 확인 ⑦ 금형 조립 ※ Under Cut이란? 성형품을 금형으로부터 빼내기 어렵게 장애를 주는 돌기 혹은 홈 부분

19 7. 제품의 구조 및 기능 - 일반적인 기구 제품은 기본적인 형상과 두께를 가지고 디자인 및 각 부분의 기능적 역할을 한다.
7-1. 형상 - 일정 모양을 가진 디자인을 말한다. - 외관 Design을 기본으로 기능성을 추가한다. 7-2. 구조 - 금형이라는 Tool을 이용하여 형상을 이루기 위해 디자인에 일정 제약을 가지게 되는데, 그로 인해 구조적인 형상을 추가하여 각 Part 간의 조립을 할 수 있도록 하는 것으로 기구적인 설계 요소가 추가된다.

20 7-2-1 제품두께 (WALL THICKNESS)   부품의 기본구조나 외관을 형성하는 기본 벽 두께로서 모든 다른 사항들이 이 부품의 기본구조에 추가된다.
이와 같은 이유에서 기본벽두께는 적절하게 설계되어야 한다. 적절한 기본벽두께 선정은 성공을 좌우한다. 기본 벽 두께가 너무 얇으면 구조적인 파손을 일으킬 수 있고 전지절연 특성이 나빠질 수 있다. 반대로 기본 벽 두께가 부분적이라도 너무 두꺼우면 외관결함과 중량이 초과된 제품을 생산하게 되거나 필요 이상 으로 좋은 부품을 생산하게 된다. 이와 같은 문제점을 없애거나 최소화 시키기 위하여 설계자가 기본벽두께 선정 시 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 Plastic은 그 성형 방법에 따라 기본 벽 두께 범위를 갖고 있다. 사출 성형된 부품의 경우 거의 대부분이 0.5mm~ 4mm까지의 기본벽두께 범위를 갖는다. 일반적으로 실제의 제품 두께는 제품의 전체크기와 관계가 있다. 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 치수 선정 시 설계자는 사용할 특정재료의 흐름특성을 고려하여야 한다. 설계자가 일정한 기본 벽 두께를 유지하는 것이 이상적이나 실제로는 거의 불가능하다. 우측 그림에 벽 단면 변화에 관한 그림들이 나와 있다. 1) 성형 수축율이 적은 재료를 설계 시에는 벽두께 변화량이 기본 벽 두께의 25%를 넘지 말아야 한다. 2) 성형 수축율이 큰 재료 설계 시에는 벽두께 변화량이 기본 벽 두께의 15%를 넘지 말아야 한다. 위의 사항이 적용되지 않았을 경우에 설계자는 여러 단계를 거쳐 점진적으로 두께를 증가(혹은 감소)시켜야 한다. 벽두께는 성형품의 냉각속도에 영향을 주고 불 균일한 두께는 냉각 불 균일의 원인이 되고 성형 시 흐름 문제를 일으켜서 제품이 뒤틀리거나 외관 결함이 생긴다. 또한 예리한 모서리는 응력 집중장치로 작용하여 가끔 조기 파손을 일으킨다. (X) (O)

21 7-2-2 리브 (RIB) Plastic 구조물의 하중에 견디는 능력과 강성을 증가시키기 위하여 Plastic 재료의 물성을 보강하거나
구조물의 단면특성을 보완하는 것이 필요하다. 전체 제품두께를 증가시키지 않고 크게 제품중량을 증가시키지 않으면서 부품의 강성을 증가시키는 한 방법은 Rib를 사용하는 것이다. Rib는 설계자에게 구조물의 원하는 성능을 얻는데 어느 정도의 가능성을 주나 제품의 뒤틀림이나 외관문제점을 일으킬 수 있다. - Rib 설계 방법 1) 주요외관표면에 수축자국을 줄이기 위하여, Rib의 기본두께는 근접한 제품 벽 두께의 60%를 초과하지 말아야 한다. 2) Rib는 최소한 기본 벽 두께의 2배 이상 간격을 띄워야 한다. 3) 금형에서의 취출을 용이하게 하기 위하여 Rib의 각 측면은 최소 0.5°의 구배가 주어져야 한다. 4) 가스가 모이기 쉬운 곳은 적절한 가스빼기를 설치하여야 한다. - SUPPORT RIBS 보조Rib는 모서리나 측벽 또는 보스를 보강하는 방법으로 사용한다. 1) 보조Rib의 기본두께는 부품 벽 두께의 50%∼60%정도이다. 2) 보조Rib 사이의 최소 간격은 부품 벽 두께의 2배이다. 3) 부품 벽에 부착되는 보조Rib의 바닥부 최소길이는 부품 벽 두께의 2배이다. 4) 보조Rib의 끝 부위는 상당히 큰 R들로 연결되어야 한다. 5) 보조Rib는 최소 0.5°의 구배가 주어져야 한다. 6) Boss에 부착된 보조Rib의 바닥길이는 부품 벽 두께의 최소4배이다.

22 7-2-3 보스 ; BOSS 보스는 부품의 기본벽두께로부터 변화된 부위로서 보통 기계적인 조립을 용이하게 하기 위하여 사용된다.
최종 사용 시에 보스는 부품의 다른 부위에는 작용하지 않는 하중을 받는다. 구멍이 있는 보스는 Tapping Screw나 초음파 또는 강제 압입(PRESS-FIT)으로 조립을 하거나 성형 중 인서트를 삽입하여 조립하므로 보스 벽에 과잉의 후프(HOOP)응력이 미친다. 이것은 다음과 같은 추천되는 보스설계원칙을 적용 함으로서 완화시킬 수 있다. 1) 부품의 바닥에 접하는 보스의 벽두께는 부품 벽 두께의 50%내지 60%가 추천된다. 이것은 인서트에 의하여 발생한 응력을 견디는데 필요한 충분한 강도를 유지하지 못할지도 모르나, 강도를 증가시키기 위하여 보스두께를 더 증가키는 경우에는 수축자국과 높은 잔류응력을 일으키게 된다. 2) 보스에 작용되는 외력이 부품 벽에도 작용을 하게 되므로 보스의 바닥에 부품 벽 두께의 최소25%정도의 R을 주어야 한다. 3) 더 이상의 강도는 아래 그림과 같이 이음판(GUSSET PLATE)를 사용 함으로서 얻을 수 있다. 4) 보스에서 근처의 부품 벽까지 Rib를 연결 함으로서 강도를 증가시킬 수 있다. 부수적으로 이것은 성형 시에 가스가 쉽게 빠지게 해준다. 5) 보스 반대면의 수축자국을 최소화하기 위하여 Core Pin의 일부가 제품 벽으로 들어가는 것이 좋다. 성형 시 응력집중을 피하고 재료의 난류흐름을 최소화하기 위하여 Core Pin의 끝에 상당히 큰 R을 주어야 한다.

23 7-2-4 살빼기 ; CORING 사출성형공정에서의 ”살빼기”라는 용어는 부품의 특정 부위의 재료를 줄이거나 제거하기 위하여
금형에 쇠를 용접하는 것을 말한다. 구멍이 있는 부품은 용융수지가 Core 주위를 흐르므로 용융수지의 흐름을 방해한다. 용융수지가 다시 합쳐지는 부위에 웰드라인(WELD LINE) 형성된다. 이 부위는 항상 웰드라인이 없는 부위보다 약하고 외관 품질상 바람직하지 않다. 이 문제점들을 최소화하고 웰드라인 부위를 강하게 하기 위하여 다음 사항들이 추천된다. 1) 2개의 구멍이나 홈의 끝 단 사이의 최소거리는 기본 벽 두께의 2배 이상 되어야 한다. 2) 부품의 끝 단 근처에 구멍이나 홈을 설치할 때 구멍의 끝 단과 부품사이의 최소거리는 기본 벽 두께의 2배 이상 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 3배 이내 이거나 최소단면 두께의 3배 이내 이어야 한다. ② 6mm보다 작은 직경의 구멍은 길이 대 직경의 비를 2로 유지하여야 한다. 관통된 구멍은 금형의 양쪽 편에 지지 받는 긴 코아핀을 사용하는 것이 가능하다. 7-2-5 구배 ; DRAFT ANGLE 금형으로부터 제품 취출을 용이하게 하고 사이클 시간을 줄이기 위하여 부식이 안된 표면의 경우, 내외측벽에 각각 0.25°내지 2°정도의 충분한 구배를 주어야 한다. 금형표면이 아주 잘 사상 된 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). 표면 부식된 특별히 복잡한 성형품에 대하여 10°정도의 큰 구배각이 필요한 경우도 있다.

24 7-2-6 언더컷 ; Under-Cut 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 성형 후 취출 될 수 있다. 이때 부품표면에 취출 자국이 생기는 것을 피하기 위하여 충분한 구배를 주어야 한다.

25 7-2-7 HOOK 체결 HOOK 체결은 특히 Plastic부품 사용 시에 가장 적합한 체결 방법이다
7-2-7 HOOK 체결 HOOK 체결은 특히 Plastic부품 사용 시에 가장 적합한 체결 방법이다. 이 방법은 Plastic 부품 자체에 결합될 수 있는(INTERLOCKING) 형상을 성형 함으로서 다른 부품이 부착될 수 있도록 하는 방법이다. HOOK 체결은 결합부 래치(LATCH)형상에 따라 분해될 수 있게 설계되거나 영구적으로 조립되도록 설계될 수 있다. HOOK 체결은 여러 가지 형태의 설계가 있으나 대부분 다음의 3가지 기본형태로 구분된다. 1) 외팔보형 (CANTILEVER) - 가장 보편적으로 상용된다. - 부품의 기본 벽으로부터 연장된 돌출부 끝 단에 갈고리 모양(HOOK)이나 구슬모양(BEAD)을 설치하여 그와 결합되는 부품이 체결되도록 되어있다. 2) 고리모양 (ANGULAR) 3) 비틀림형 (TORSIONAL) HOOK는 정기적으로 분해되어야 하는 부품에 대하여는 고려하지 말아야 한다. 성공적으로 조립을 하기 위하여는 설계단계에서 다음 사항들이 고려되어야 한다. ① 영구조립이 되는 경우 한번의 변형만이 있으므로, 그와 같은 경우에는 상기 변형율 수준보다 높아질 수 있다. ② 보다 낮은 최대 변형율로 재료감소를 이루기 위하여는 경사진 보를 사용한다. h0 과 h ℓ의 비는 2 : 1이 추천된다. ③ 응력집중을 감소시키기 위하여 보의 바닥에는 최소 0.4h0 의 R이 설치되어야 한다. ④ 조립되는 위치는 제품 벽의 유연성과 연관시켜 고려하여야 한다. 이렇게 함으로서, 외부응력의 감소에 도움이 될 수 있다. ⑤ 수축자국을 피하기 위하여는 h0 는 기본 벽 두께의 60%보다 작아야 한다. ⑥ HOOK의 변형은 Hook길이의 50%보다 적어야 한다.

26 8. Mock-Up Mock-Up 이란 신제품 개발에 필수적인 과정으로 CONCEPT을 충실히 반영한 예측되는
실물과 동일한 제품을 말합니다. 최근의 제품 수명 주기 (Product Life Cycle)가 짧아지고 있음으로 인한 시장의 요구를 정확하게 예측하고 이를 단 기간에 제품화하여 시장에 제공할 수 있도록 하기 위한 목적에 의한 것으로 그 필요성을 정의 할 수 있으며, 용도에 따라 DESIGN MOCK-UP과 WORKING MOCK-UP으로 구분할 수 있습니다. Mock-Up의 제작 방법 ① Resin에 직접 가공 ② R.P. (Rapid Prototype) ; 3D Printer(Scanner) ③ 주형 또는 주물에 의한 방법 ※최근 동향은 R.P.를 이용한 방법이 각광 받고 있습니다.