귀사의 맞춤형 제조에 적합한 공정은 무엇일까요? 오버몰딩 대 인서트 몰딩

사출 성형은 제조 공학의 광범위한 분야 중 하나입니다. 적용되는 방법과 기술에 따라, 사출 성형은 최종 제품의 화학적 및 기계적 특성을 개선하고 권장되는 안전 기준을 충족시키기 위한 기술로서 인서트 성형이나 오버몰딩으로 세분화될 수 있습니다. 오버몰딩과 인서트 성형 중 어느 것을 선택할지 결정할 때, 사용자는 최종 제품에 대한 목표와 의도를 정확히 정의해야 합니다. 예를 들어, 당사는 고객을 위해 맞춤형 부품을 생산하는 과정에서 두 가지 일반적인 시나리오에 직면했으며, 오버몰딩을 사용할지 인서트 성형을 사용할지에 대한 결정은 각 사례의 요구 사항에 따라 내려졌습니다.

첫 번째 시나리오에서 우리는 산업용 전기 단자대를 제조해야 하는 과제를 맡았습니다. 이 단자대는 안정적인 전기 전도성을 갖추고, 단자를 확실하게 고정하며, 열과 진동에 견딜 수 있어야 했습니다. 분석 결과, 우리는 오버몰딩 대신 인서트 몰딩 방식을 선택했습니다. 팀은 외관 및 그립감에 대한 요구 사항이 전도성 금속 부품을 플라스틱에 통합해야 하는 기능적 요구 사항보다 우선할 수 없다는 점을 확인했습니다.

두 번째 사례에서는 인서트 성형 방식을 통해 충전식 전동 칫솔용 맞춤형 오버몰딩 하우징을 제조하는 데 고객을 지원했습니다. 이 프로젝트의 핵심 요구 사항은 편안한 그립감, 방수 기능, 그리고 세련된 외관을 제공하는 것이었습니다.

이 두 가지 사례는 오버몰딩과 인서트 몰딩이 모두 사출 성형에서 동등하게 중요한 공정임을 보여줍니다. 하지만 두 공정의 적용 분야는 서로 다릅니다. 이 글에서는 오버몰딩과 인서트 몰딩에 대해 간략히 설명하고, 이 두 제조 공정의 차이점을 살펴보겠습니다.

오버몰딩이란 무엇인가요?

가장 간단히 말해, 오버몰딩은 사출 성형 공정에 적용되는 제조 공정으로, 부품을 두 번째 소재로 감싸거나 덮는 것을 말합니다. 이 두 번째 소재는 일반적으로 고무나 플라스틱입니다. 이를 통해 형성된 결합으로 하나의 일체형 제품이 완성됩니다. 오버몰딩은 제품의 내구성, 그립감, 미관 및 기능성을 향상시킵니다.

오버몰딩에서 기본 구성 요소를 ‘기판’이라고 합니다. 기판은 최종 제품의 구조적 특성을 결정합니다. 따라서 기판 제조에 사용되는 소재를 신중하게 선정하는 것이 매우 중요합니다. 기판 소재의 선택은 용도에 따라 달라집니다. 다음 표에는 다양한 소재와 그 용도가 요약되어 있습니다.

두 번째 재료는 ‘세컨드 샷(second-shot) 재료’라고 불리며, 일반적으로 용융되어 기판 주위에 도포됩니다. 세컨드 샷 재료는 유연성, 내구성, 내화학성 또는 밀봉 성능 등의 이유로 선택됩니다. 아래 표에는 이러한 세컨드 샷 재료 중 일부가 요약되어 있습니다.

오버몰딩은 주로 제품의 기능성을 향상시키는 데 목적이 있습니다. 제조업체들은 오버몰딩을 통해 인체공학적 설계 개선, 진동 차단, 그립감 향상, 소음 저감 및 외관 미관 개선 등의 효과를 얻습니다.

삽입 성형이란 무엇인가요?

삽입 성형은 미리 성형된 부품(금속 또는 기타 소재)을 금형 내부에 배치한 후, 그 주위로 플라스틱을 주입하여 강도가 높고 일체화된 단일 부품을 만드는 첨단 플라스틱 제조 공정입니다. 이 공정을 통해 2차 조립 공정이 필요 없어지며, 제품의 강도를 높이고 높은 정밀도를 보장합니다.

인서트 성형 공정에서는 나사산 인서트, 핀, 부싱, 전기 접점, 금속 샤프트와 같은 부품이 일반적으로 사용됩니다. 용융된 플라스틱이 인서트 주위로 흘러 들어가 견고한 결합을 형성함으로써 내구성과 성능을 향상시킵니다. 이 공법은 자동차, 전기, 전자, 의료 기기, 소비재 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 오버몰딩과 달리, 인서트 성형의 주요 기능은 구조적 보강을 제공하거나 전기 전도성이나 내구성이 뛰어난 금속 나사산과 같은 중요한 비플라스틱 기능을 제품에 직접 통합하는 데 중점을 둡니다. 일반적인 인서트로는 황동 나사산 인서트, 스테인리스강 샤프트, 자석, 전기 접점, 구리 단자, 베어링, 부싱 등이 있습니다.

오버몰딩과 인서트 몰딩의 주요 차이점은 무엇인가요?

오버몰딩과 인서트 몰딩은 모두 여러 재료를 하나의 부품으로 결합하는 방식입니다. 그러나 두 공법은 추구하는 목적이 다르며 생산 공정도 서로 다릅니다. 이러한 공법 간의 차이점을 이해하면 엔지니어링 팀이 생산량, 제품 설계 및 성능 요구 사항에 따라 가장 적합한 공정을 선택하는 데 도움이 될 수 있습니다.  

제조 워크플로우의 차이점

인서트 성형은 단일 사출 성형 공정입니다. 이 공정은 기계 가공, 다이캐스팅 또는 기타 공정을 통해 인서트를 제조하는 것으로 시작됩니다. 때로는 인서트가 동일한 공장에서 제조되지 않고 다른 곳에서 조달되기도 합니다. 인서트를 준비하여 금형에 배치한 후, 그 주위로 용융된 플라스틱을 주입합니다. 최종 제품은 인서트와 플라스틱이 일체화된 형태입니다. 인서트 성형은 2차 조립 공정을 생략함으로써 생산 과정을 간소화합니다.

반면, 반대편 오버몰딩은 대개 2단계 공정이나 특수한 2샷 성형기를 사용합니다. 첫 번째 단계는 기판 생산입니다. 이 경질 기판은 1차 사출 성형 공정을 통해 제조될 수 있습니다. 그 후, 기판은 별도의 금형으로 이송될 수 있으며(이를 ‘픽 앤 플레이스 오버몰딩’이라고 함), 2샷 사출 성형기를 사용하는 경우에는 동일한 기계 내에 남아 두 번째 캐비티로 회전됩니다. 때로는 하나의 금형에 두 개의 서로 다른 캐비티가 설계되기도 합니다. 이 경우, 기판은 회전 플레이트나 인덱싱 시스템을 사용하여 첫 번째 캐비티에서 두 번째 캐비티로 이동됩니다. 그런 다음 두 번째 재료를 용융하여 기판 주위에 주입한 후 냉각시킵니다. 그 결과, 모든 기능적 요구 사항이 통합된 완성된 다중 소재 부품이 배출됩니다. 오버몰딩에는 두 단계의 별도 성형 공정이 필요하기 때문에, 이 공정은 인서트 성형에 비해 복잡합니다.

공정 비교

다음 표는 인서트 성형과 오버몰딩 공정의 차이점을 요약한 것입니다. 인서트 성형은 단일 사출 공정인 반면, 오버몰딩은 2단계 사출 성형 공정입니다.

제조 복잡성의 차이

인서트 성형은 오버몰딩에 비해 생산 공정이 비교적 간단합니다. 이 공정은 인서트가 제대로 고정된 후 단 한 번의 사출만으로도 충분합니다. 결과적으로 사이클 시간이 짧고, 생산 비용이 낮으며, 금형 제작이 덜 복잡합니다. 반면 오버몰딩은 상대적으로 복잡하고 인건비도 더 많이 듭니다. 기판은 2차 사출 금형과 정밀하게 정렬되어야 합니다. 공정의 효율성은 기판과 오버몰드 간의 호환성에 달려 있습니다. 이 공정은 개발 기간이 더 길고 금형 설계가 더 복잡합니다. 그러나 긍정적인 측면으로, 오버몰딩은 기능적 및 미적 측면에서 더 큰 향상 효과를 제공합니다.

재료 선정의 차이점

인서트 성형과 오버몰딩은 소재 조합 면에서 상당한 차이가 있습니다. 인서트 성형의 경우, 일반적으로 플라스틱을 주재료로 사용하여 인서트를 덮습니다. 인서트는 금속, 세라믹 또는 전자 부품과 같은 다양한 재료로 성형될 수 있습니다. 반면, 오버몰딩은 기판과 제2 재료 사이에 서로 다른 재료의 조합을 포함할 수 있습니다.

예를 들어, 다중 소재 설계를 위해 경질 맞춤형 플라스틱 기판을 연질 엘라스토머와 결합하거나, 금속을 엘라스토머와 결합할 수 있습니다. 이러한 조합에서 견고한 화학적 결합을 형성하려면 두 소재의 표면 에너지와 열역학적 특성을 정밀하게 일치시켜야 합니다. ^[1]..

대표적인 적용 분야의 차이점

삽입 성형과 오버몰딩은 모두 각각 특정한 적용 분야를 가지고 있습니다. 다음 표는 이러한 공법의 주요 적용 분야를 보여줍니다.  

삽입 성형은 어떻게 기계적 강도를 향상시키나요?

삽입 성형은 단순한 제조 기술 그 이상입니다. 이 기술을 선택하는 주된 이유는 기계적 및 구조적 강도를 높이기 위함입니다. 플라스틱만으로 제작된 제품은 하중 전달 능력을 충분히 확보할 수 없습니다. 따라서 사출 성형 과정에서 고강도 금속 삽입재를 사용하여 제품을 보강해야 합니다. 이렇게 제작된 제품은 무게는 가벼울지라도 높은 기계적 강도와 내식성을 갖추고 있습니다. 인서트 성형은 폴리머에 가해질 하중을 금속 보강재로 전달합니다. 그 결과, 제품의 구조적 신뢰성이 향상됩니다. 인서트 성형의 기계적 특성은 널링, 언더컷, 관통 구멍, 표면 거칠기 등 다양한 설계 요소를 도입함으로써 향상됩니다.

나사산 가공의 역할

일반적으로 인서트 표면에는 표면 변형 공정을 통해 다이아몬드형, 직선형 또는 나선형 홈 패턴이 가공됩니다. 이러한 거친 표면 질감은 인서트와 용융 폴리머 사이에 미세 기계적 결합을 형성합니다. 사출 과정에서 용융 폴리머는 이 홈 주위로 흐르며 자리 잡습니다. 용융 폴리머가 응고되면 이러한 홈에 단단히 고정되어 인발 강도와 토크 저항성이 크게 향상됩니다.

언더컷의 역할

인서트 성형에서 기계적 특성을 향상시키는 또 다른 방법은 인서트 형상에 역각(reverse-angled) 구조를 설계하는 것입니다. 용융된 폴리머가 이러한 공동을 채워 물리적 잠금 장치를 형성합니다. 그 결과, 특히 진동이 발생하기 쉬운 환경이나 고하중 적용 분야에서 축 방향 또는 회전 방향의 움직임이 방지됩니다. 언더컷 인서트는 주로 산업용 또는 자동차 장비에 사용됩니다.  

스루홀의 역할

관통 구멍은 인서트 내부를 관통하는 개방된 통로입니다. 용융된 플라스틱이 이 구멍을 통해 흐르며 굳어져 견고한 고정 장치를 형성합니다. 이 고정 장치는 인서트와 폴리머 사이의 수직 또는 수평 방향 고정 강도를 높여줍니다. 관통 구멍을 설계할 때는 공극이 발생하지 않도록 유동 해석을 수행해야 합니다.

금속 인서트에 대한 DFM 지침은 무엇인가요?

성형 품질을 확보하려면 인서트를 적절하게 설계해야 합니다. 금속 인서트의 경우, 설계 시 효과적인 널링 권장 사항, 인서트 배치, 이형각 및 게이트 위치를 고려해야 합니다. 널링 권장 사항

노치 가공은 접착제에 비해 더 강력한 기계적 고정력을 제공합니다. 노치 패턴에 따라 적용 분야가 다릅니다. 예를 들어, 하중이 큰 경우에는 다이아몬드 널링을 선택하는 것이 좋습니다. 이 널링의 십자형 패턴은 토크 및 인발 저항력에 필수적인 다방향 기계적 잠금 기능을 제공합니다. 이 널링은 자동차 센서 하우징, 전자 커넥터, 산업용 기계 및 의료 기기 조립체에 적용할 수 있습니다.

또 다른 유형의 널링으로는 동적 하중에 탁월한 성능을 발휘하는 헬리컬 널링이 있습니다. 이 널링은 인서트 주위에 연속적인 나선형 홈이 있어 회전력과 축방향 인발력 모두에 저항합니다. 헬리컬 널링은 높은 피로 내구성을 갖추고 있을 뿐만 아니라 응력 집중을 줄여주므로, 로봇 공학, 전동 공구 및 항공우주 조립 분야에 적용할 수 있습니다. 반복적인 하중과 진동에 노출되는 인서트에는 이러한 널링을 선택할 수 있습니다.

다음 표는 다양한 종류의 널링과 그 용도를 요약한 것입니다.

삽입 위치 지정

인서트의 위치 결정은 접합 품질, 치수 정확도 및 기계적 강도에 영향을 미칩니다. 사출 과정에서 금형 내 인서트가 미세하게 움직이거나 어긋나면 접합이 약해지거나 플래시가 발생하고, 부품 품질이 저하되어 불량품으로 판정될 수 있습니다. 인서트를 올바르게 배치하려면 다음 지침을 따르십시오.

1. 인서트 주변의 벽 두께를 균일하게 유지하십시오.

인서트 주변의 벽 두께를 균일하게 유지하면 용융물의 흐름, 냉각 및 응력 분포가 균일해집니다. 두꺼운 부분은 냉각 속도가 느려 불균일한 수축을 유발하는 반면, 얇은 부분은 충진이 불완전하여 공극과 취약 부위를 초래합니다. 두께 편차를 방지하려면 테이퍼나 필렛을 활용한 점진적인 이행을 적용할 수 있습니다. 대부분의 맞춤형 열가소성 플라스틱의 경우, 권장 벽 두께는 2~4 mm입니다. 또한, 엔지니어는 성형 후 발생하는 반경 방향 응력을 방지하기 위해 금속 인서트와 플라스틱 간의 선형 열팽창 계수(CLTE) 차이를 고려해야 합니다. ^[2].

2. 주입 시 이동을 방지하기 위해 긴 삽입물을 지지하십시오.

가늘거나 긴 인서트는 고속으로 캐비티로 유입되는 용융 폴리머의 강한 힘으로 인해 쉽게 움직일 수 있습니다. 지지대가 없으면 이러한 인서트는 성형 과정에서 기울어지거나 회전하며 진동할 수 있습니다. 이로 인해 플라스틱 도포가 고르지 않게 되어 제품 품질에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 가능하면 인서트의 양쪽 끝을 모두 지지해야 합니다. 중공 인서트의 경우, 코어 핀을 사용하여 안정성을 확보할 수 있습니다.

3. 반복 가능한 배치를 위해 위치 지정 기능이나 전용 네스트를 사용하십시오.

대량 생산의 경우, 반복성은 매우 중요한 설계 요소입니다. 오류를 방지하기 위해서는 이에 각별한 주의를 기울여야 합니다. 따라서 모든 중요한 방향에서 인서트를 고정할 수 있는 위치 결정 특징이 필요합니다. 일반적인 위치 결정 특징으로는 위치 결정 핀, V자형 홈, 정밀 포켓, 그리고 어깨부 등이 있습니다.

4. 대량 생산을 위한 로봇 적재 설계.

때로는 인서트 성형 제품에 대한 수요가 예상 물량의 2배나 3배에 달할 수도 있습니다. 이러한 경우, 엄격한 사이클 타임 제약과 절대적인 배치 일관성이 요구되기 때문에 수동 인서트 적재는 실용적이지 않을 수 있습니다. 일관성을 유지하고, 생산 사이클을 단축하며, 인건비를 절감하기 위해서는 로봇 적재 방식을 도입하는 것이 좋습니다.

비용 비교

다음 표는 인서트 성형과 오버몰딩의 비용을 비교하여 정리한 것입니다.

결론

인서트 성형과 오버몰딩 중 어느 것을 선택할지에 대한 명확한 공식은 없습니다. 두 기술 모두 각기 다른 산업 분야에서 고유한 용도로 사용됩니다. 두 기술 중 하나를 선택할 때는 사용 가능한 제조 옵션이 아니라 제품의 기능에 따라 결정해야 합니다. 구조적 무결성이 가장 중요한 경우에는 인서트 성형을 선택할 수 있습니다. 이는 제품의 장기적인 기계적 내구성을 보장하는 데 도움이 됩니다. 반면, 오버몰딩은 제품의 기능성이 가장 중요한 경우, 특히 진동이 발생하는 환경, 밀봉, 공구 취급 등에서 효과적입니다.

참조

[1] 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

[2] Elsevier B.V. (발행 연도 미상). 열팽창 계수. ScienceDirect Topics. 출처: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/coefficient-of-thermal-expansion