플라스틱 오버몰딩 공정에 대한 종합 가이드

플라스틱 오버몰딩은 부품의 마감 품질을 높이기 위해 사출 성형 업계에서 널리 사용됩니다. 이를 통해 제조업체는 제품의 안전성, 편의성 및 효율성을 확보할 수 있습니다. 예를 들어, 주방용품이나 휴대용 공구는 그립감을 향상시키도록 설계됩니다. 엔지니어들은 공구 사용 시 미끄러짐을 방지하기 위해 손잡이에 특정 패턴을 추가하기 위해 플라스틱 오버몰딩을 적용합니다. 오버몰딩은 인서트 성형과 유사하며, 둘 다 사출 성형 공정을 사용하기 때문입니다. 그러나 기존의 인서트 성형이 주로 금속 표면 주위에 플라스틱이나 고무를 부착하는 방식인 반면, 맞춤형 비표준 제조 분야의 오버몰딩은 더 광범위한 범주에 속합니다. 여기에는 2단계 사출 성형과 픽 앤 플레이스(pick-and-place) 방식이 모두 포함되며, 이를 통해 미리 성형된 경질 플라스틱 기판 위에 유연한 재료를 부착합니다.

어떤 사람들은 오버몰딩이 제품의 외관을 바꿀 수 있다는 이유만으로 이를 표면 마감 공정으로 간주하기도 합니다. 하지만 이러한 견해는 정확하지 않습니다. 오버몰딩은 사실 다중 소재 사출 성형 공정입니다. 오버몰딩 층이 밀봉 및 미적 이점을 제공하기는 하지만, 이는 부품 성형의 핵심 단계이지, 본체가 이미 생산된 후에 적용되는 “있으면 좋은” 마무리 작업이 아닙니다.

이 가이드에서는 오버몰딩 공정을 살펴보고, 그 과정에 포함된 단계들을 설명합니다.

오버몰딩은 얼마나 중요한가?

오버몰딩 공정에서는 기판을 2차 소재로 부분적으로 덮거나 감싸서 성형합니다. 대부분의 경우, 오버몰딩에 사용되는 기판은 고무나 열가소성 수지이며, 이를 통해 하나의 일체형 제품이 만들어집니다. 제조 분야에서는 오버몰딩이 다양한 용도로 활용되고 있습니다.

인체공학과 미학

많은 맞춤형 플라스틱 제품은 구조적 강도를 확보하기 위해 나일론, ABS, PC와 같은 경질 엔지니어링 열가소성 수지로 제조됩니다. 그러나 이러한 단단한 표면은 장시간 사용할 경우 사용자에게 불편함을 주거나 그립감이 떨어질 수 있습니다. 오버몰딩 공정을 통해 이러한 제품에 엘라스토머 층을 추가하면, 사용 중 사용자의 손에 가해지는 압력을 고르게 분산시킬 수 있습니다. 오버몰딩은 기기의 손잡이에 홈을 만들어 사용자의 손에서 미끄러지는 것을 방지합니다. 이는 작업장에서 사용하는 망치의 경우 매우 중요한 안전 고려 사항입니다.

전동 공구를 사용할 때, 플라스틱 오버몰딩은 충격과 진동을 완화하여 인체공학적 안전을 도모합니다. 오버몰딩에 사용되는 일부 소재(예: 연질 엘라스토머)는 작동 중에 발생하는 진동을 흡수합니다. 경질 플라스틱에 비해 특수 엘라스토머 오버몰딩은 고주파 진동을 20~30%까지 줄일 수 있으며, 이는 산업 현장에서 작업자의 손-팔 진동 증후군(HAVS) 위험을 최소화하는 데 결정적인 역할을 하는 상당한 감쇠 효과입니다. ^[1].

오버몰딩의 역할은 안전성을 넘어 성형 제품에 미적 요소를 더하는 데까지 이릅니다. 이 공정에서는 금형에 서로 다른 색상의 층을 입힐 수 있습니다. 이러한 색상 층은 이후 완성된 제품으로 전이됩니다. 예를 들어, 치수가 비슷한 펜치도 다양한 색상으로 출시될 수 있습니다. 이러한 색상 차이는 제조된 플라스틱 성형 제품의 마케팅 전략을 결정하는 요소가 될 수 있습니다.

방수 및 밀봉 용도

오버몰딩은 전자 부품, 스위치, 인클로저 인터페이스 및 커넥터 주변에 방수 밀봉을 형성하는 데 도움이 됩니다. 이 공정은 엘라스토머를 기판에 영구적으로 접합하여 모든 복잡한 형상에 밀착되는 연속적인 차단막을 형성합니다. 이러한 연속적인 밀봉의 장점은 추가 조립이 필요한 기존 개스킷 및 O-링의 한계를 해결해 줍니다. 오버몰딩은 특히 비, 습기, 세정 화학 물질에 노출되는 제품의 신뢰성을 높여줍니다. 맞춤형 제조업체인 First Mold는 오버몰딩을 신뢰할 수 있는 수단으로 활용하여, 방수 및 방진에 관한 엄격한 IEC 60529 표준을 준수하는 더 높은 침투 방지 등급(IP 등급, 예: IP67 또는 IP68)을 달성함으로써, 가혹한 환경에서도 장기적인 신뢰성을 보장합니다. ^[2].

 아래 표는 밀봉 문제를 해결하기 위한 오버몰딩의 주요 적용 사례를 요약한 것입니다:

인건비

사출 성형을 전문으로 하는 대부분의 엔지니어링 기업들은 ‘인더스트리 4.0’ 원칙에 부합하기 위한 전략의 일환으로 제조 공정을 최적화하고자 합니다. 이 목표를 달성하기 위한 전략 중 하나는 기존의 제조 조립 방식을 오버몰딩으로 대체하는 것입니다. 여러 부품과 기능을 단일 성형 부품에 통합함으로써 수작업이 크게 줄어듭니다. 결과적으로 제조업체는 생산 일관성을 확보하고 높은 종합 설비 효율(OEE)을 달성하게 됩니다.

오버몰딩은 조립과 같은 기존 공법에 비해 금형 비용이 상대적으로 높지만, 운영 비용은 상대적으로 낮습니다. 예를 들어, 전동 공구의 제조 과정을 살펴보겠습니다. 기존 제조 방식을 사용할 경우, 단순한 전동 공구 하나를 생산하기 위해 일련의 제조 공정이 필요하지만, 오버몰딩을 활용하면 이 과정을 간소화할 수 있습니다.

기존의 무선 드릴 조립 공정에서는 별도로 사출 성형된 하우징, 별도의 고무 그립, 접착제 도포, 수동 위치 조정, 경화 시간, 그리고 검사가 필요했습니다. 이러한 모든 공정은 더 많은 시간과 인건비가 소요됩니다.

오버몰딩 공정을 통해 이러한 작업 과정을 간소화함으로써, 필요한 작업자 수를 줄이고, 생산 주기를 단축하며, 재공 재고를 감소시키고, 치수 일관성을 향상시켰습니다.

오버몰딩의 제조 공정은 무엇인가요?

오버몰딩은 설계 단계부터 성형품 배출 단계에 이르기까지 여러 단계를 거치는 공정입니다.

1. 디자인

오버몰딩의 설계 단계는 최종 제품의 기능적, 미적, 제조적 요구 사항을 결정짓는 중요한 단계입니다. 일반적으로 이 단계에서 싱크 마크, 뒤틀림, 박리 등의 잠재적 결함을 제거하기 위한 핵심적인 결정이 내려집니다. 설계실에서는 몰드 플로우 분석(Mold Flow Analysis), CAD, CAE 등 다양한 소프트웨어를 활용하여 공정 매개변수를 최적화하고 최종 제품의 특성을 예측합니다. 설계 과정에는 소재 호환성, 접착 메커니즘, 벽 두께, 게이트 위치, 이형각, 수축률 등 여러 측면이 포함됩니다.

재료 호환성

기판과 접착할 적합한 오버몰드 소재를 선택하는 것은 매우 중요한 설계 접근 방식입니다. 오버몰드 소재는 화학적 접착, 기계적 맞물림, 분자 확산, 표면 에너지 인력 등 다양한 방식으로 기판과 접착될 수 있습니다. 재료 간 호환성이 우수할수록 접착력이 강화되고, 박리 현상을 방지하며, 오버몰드가 기판에서 분리되지 않도록 보장합니다. 다음 표는 기판 재료와 호환되는 다양한 오버몰드 재료를 요약한 것입니다.

벽 두께

오버몰딩 공정에서는 일관된 재료 흐름, 치수 안정성 및 균일한 냉각을 보장하기 위해 균일한 벽 두께를 설계합니다. 이는 결함을 최소화하는 데 도움이 됩니다.  또한, 균일한 벽 두께를 통해 공극을 방지하고, 사이클 시간을 단축하며, 뒤틀림을 최소화할 수 있습니다. 냉각 속도가 느려지는 것을 방지하기 위해 벽 두께가 지나치게 두꺼워서는 안 됩니다. 반면, 벽 두께가 너무 얇으면 충진 불량이나 사출 부족 현상이 발생할 수 있습니다. 다음 표는 다양한 소재에 대한 권장 벽 두께를 요약한 것입니다.

게이트 위치

균형 잡힌 충진과 효과적인 결함 방지를 위해서는 게이트를 적절하게 배치해야 합니다. 게이트를 적절하게 배치하면 용접선을 최소화하고, 잔류 응력을 낮추며, 필요한 사출 압력을 줄일 수 있습니다. 일반적인 게이트 위치로는 아래 그림에 표시된 바와 같이 에지 게이트, 팬 게이트, 서브마린 게이트 등이 있습니다.

수축

모든 열가소성 플라스틱은 냉각 과정에서 수축합니다. 설계 단계에서 엔지니어들은 요구되거나 예상되는 수축률을 바탕으로 금형 캐비티의 크기를 여유 있게 설정하여 이러한 수축을 보정합니다. 이러한 추정치는 다음 공식을 바탕으로 이루어집니다:

S = (L_m – L_p) * 100%/L_m

Where

S= 수축률 (%)

Lm = 금형 캐비티 치수

Lp= 최종 부품 치수

그러나 오버몰딩의 경우, 경질 기판이 2차 재료의 자연스러운 수축을 물리적으로 제한하기 때문에 수축이 억제되는 현상이 발생합니다. 따라서 엔지니어들은 캐비티의 크기를 정확하게 산정하고 뒤틀림을 방지하기 위해 이 공식과 함께 금형 유동 해석을 자주 활용해야 합니다.

2. 기판 제조

설계 검토를 마친 후, 팀은 2차 재료를 오버몰딩할 베이스 부품의 제조에 착수합니다. 이 기판은 최종 제품의 구조적, 치수적, 기능적 특성을 제공하는 제품의 골격입니다. 기판 제조에 사용되는 재료는 용도에 따라 선정됩니다. 이는 기판이 열가소성 수지, 금속 또는 복합 재료로 제작될 수 있음을 의미합니다. 기판 제조를 위해 CNC 가공, 사출 성형, 적층 제조, 다이캐스팅, 스탬핑 등 다양한 공정이 선택됩니다. 선택된 공정은 충분한 기계적 강도, 정밀한 치수, 그리고 접착에 적합한 표면을 갖춘 기판을 보장해야 합니다.

플라스틱 기판은 일반적으로 다음 단계를 거쳐 사출 성형 방식으로 제조됩니다:

1. 플라스틱 펠릿
2. 재료 건조
3. 통 안에서 녹아내리다
4. 금형 내 주입
5. 포장 및 보관
6. 냉각
7. 배출
8. 완성된 기판

높은 열전도율, 기계적 강도 및 내마모성이 요구되는 경우 금속 기판을 선택합니다. 이러한 기판은 일반적으로 CNC 가공, 단조, 다이캐스팅, 금속 스탬핑 또는 금속 사출 성형을 통해 제조됩니다. 그러나 제작이 완료된 후, 엔지니어들은 이러한 기판에 표면 마감, 디버링, 화학 세정 또는 샌드블라스팅과 같은 2차 공정을 적용합니다.

3. 표면 처리

기판과 오버몰딩 재료 간의 접착력은 기판의 상태에 따라 달라집니다. 따라서 오버몰딩 공정의 효율성을 높이기 위해서는 두 재료의 표면을 적절히 전처리해야 합니다. 표면 처리가 제대로 이루어지지 않은 경우, 오염 물질이 존재하거나 산화가 발생하며, 표면 에너지가 낮고, 표면이 지나치게 매끄러워 접착력이 저하될 수 있습니다. 이로 인해 부품의 박리, 층간 분리 및 부품의 조기 고장이 발생할 수 있습니다.

오버몰딩을 진행하기 전에 표면을 전처리하는 데에는 몇 가지 이유가 있습니다. 첫째, 먼지, 기름, 산화물, 이형제 등의 오염 물질을 제거하기 위함입니다. 이러한 오염 물질은 기판과 오버몰딩 재료 간의 접착력에 영향을 미칠 수 있습니다. 둘째, 전처리를 통해 재료의 표면 에너지가 증가합니다. 우리는 이 표면 에너지를 표면 습윤성이라고 부릅니다. 셋째, 표면 처리는 기판과 오버몰딩 재료 간의 기계적 결합력을 향상시킵니다.

표면 전처리는 장기적인 접착 강도가 중요한 응용 분야에서 필수적인 요건입니다. 이러한 응용 분야로는 항공우주 부품, 자동차 센서, 방수 전자기기, 전기 커넥터 등이 있습니다. 표면 처리를 할 때 적용할 수 있는 다양한 방법이 있습니다. 그중 널리 사용되는 방법은 플라즈마 처리입니다. 이 방법에서는 플라즈마 방전을 통해 고에너지 이온과 전자를 생성함으로써 표면을 세정하고 표면 에너지를 높입니다.

그 밖의 방법으로는 코로나 처리, 화염 처리, 화학 식각, 레이저 텍스처링 등이 있습니다.

4. 인서트 삽입

이 단계에서 제조된 기판 또는 인서트는 오버몰딩 재료를 사출하기 전에 2차 사출 금형에 정확하게 배치됩니다. 최종 제품의 품질을 최상으로 유지하려면 기판을 최대한 정밀하게 삽입해야 합니다. 인서트를 잘못 장착하면 오버몰딩 재료의 정렬 불량이 발생하여 플래시가 생기거나 접착 불량이 발생할 수 있습니다. 오버몰딩 과정에서 발생하는 불량품의 대부분은 인서트의 위치가 부정확하기 때문입니다. 이러한 오류를 방지하기 위해 대부분의 제조업체는 자동화 핸들링 시스템을 선호합니다. 

5. 2차 주입

이 단계에서는 오버몰딩 공정을 정의합니다. TPE, TPU 또는 기타 엔지니어링 열가소성 수지와 같은 용융 폴리머를 금형 캐비티에 주입하여, 제자리에 배치된 기판 주위로 흐르게 합니다. 이 재료들이 기판과 접촉하면서 화학적 또는 기계적으로 결합됩니다. 이 단계에서는 가공 매개변수를 정밀하게 제어해야 하는데, 이는 최종 제품의 전반적인 품질을 좌우하기 때문입니다.

이 공정은 가열된 배럴에 폴리머 펠릿을 투입하는 것으로 시작됩니다. 배럴 내부에는 펠릿을 앞으로 이송하는 회전하는 스크류가 있습니다. 펠릿이 앞으로 밀려나가는 동안 히터 밴드에 의해 용융 온도가 상승하며, 스크류와 폴리머 사이의 마찰이 폴리머의 용융을 돕습니다. 이를 통해 균일한 용융 폴리머가 생성됩니다. 용융된 폴리머는 사출에 충분한 양이 축적될 때까지 스크류 앞쪽에 계속 쌓입니다.

왕복 나사가 계속 전진함에 따라, 축적된 용융 폴리머를 노즐, 스프루, 러너 시스템, 게이트를 거쳐 금형 캐비티 안으로 밀어 넣습니다. 캐비티 내에서 용융 재료는 기판 주위로 흐르며, 이를 통해 접합 및 고형화가 이루어집니다. 용융 재료가 기판 주위에서 고형화되면, 이를 냉각시킵니다. 그 후, 이젝터 핀이 완제품을 배출합니다. 다음 표는 가공 매개변수를 요약한 것입니다.

참고: 정확한 용융 온도는 접합되는 폴리머 등급에 따라 달라집니다. 2차 사출 용융 온도를 해당 소재의 열처리 범위 내에서 엄격히 유지하는 것은, 밑에 있는 맞춤형 기판을 녹이거나 열화시키지 않으면서 응집력 있는 화학적 결합을 달성하는 데 매우 중요합니다. ^[3].

결론

오버몰딩은 서로 다른 재료를 결합하여 제품의 기능성, 내구성, 인체공학적 설계 및 미적 요소를 향상시킴으로써 제조상의 과제에 대한 다용도 솔루션을 제공합니다. 제품의 그립감이나 “촉감’을 높이고 소비자의 마음을 사로잡는 세련된 외관을 연출하기 위해 제품에 부드러운 질감을 더하고자 하는 제조업체라면 오버몰딩을 도입하기에 가장 적합한 대상입니다. 여러 층의 소재와 색상이 통합된 단일의 견고한 부품이 필요한 경우, 오버몰딩이 이상적인 솔루션입니다.

참조

[1] Bernard, B. P., Nelson, N., Estill, C. F., & Fine, L. (1998). NIOSH의 수부-팔 진동 증후군 검토: 경계가 필수적이다. 직업 및 환경 의학 저널, 40(9), 780-785. 미국 질병통제예방센터(CDC) 스택스. 출처: https://stacks.cdc.gov/view/cdc/196388

[2] 국제전기기술위원회. (2013). IEC 60529:1989+AMD1:1999+AMD2:2013 CSV 통합판: 외피가 제공하는 보호 등급 (IP 코드). 출처: https://webstore.iec.ch/publication/2452

[3] Awaja, F., Gilbert, M., Kelly, G., Fox, B., & Pigram, P. J. (2009). 고분자의 접착. 고분자 과학의 진전, 34(9), 948-968. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2009.04.007