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벽 두께 설계 시 고려해야 할 4가지 중요한 원칙

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벽 두께가 얇은 플라스틱 부품

플라스틱 제품 벽 두께는 플라스틱 제품 구조 설계에서 자주 논의되고 고려되는 중요한 구조적 특징입니다. 이는 플라스틱 부품의 외벽과 내벽 사이의 두께 값을 나타냅니다. 벽 두께는 제품의 전체 두께를 결정하는 기본 파라미터로, 구조 설계 과정에서 지정되는 경우가 많습니다.

벽 두께 특성의 중요성을 이해하는 것은 금형 설계 및 사출 성형 공정 중 플라스틱 제품의 구조 설계에서 매우 중요하며, 이는 널리 사용되는 사출 성형 방법을 사용하여 플라스틱 제품을 생산하는 데 중요한 역할을 하기 때문입니다.

쉘 부분의 외벽은 외피 역할을 하고 내벽은 구조적 골격 역할을 합니다. 외벽에 표면 처리를 적용하여 다양한 외관 효과를 얻을 수 있습니다. 텐던, 나사 및 버클과 같은 부품 내의 다른 구조물은 강도를 생성하기 위해 연결되며 사출 성형 중에 채워질 수 있습니다. 방열이나 조립과 같은 특별한 요구 사항이 없는 경우, 일반적으로 내벽과 외벽은 충분한 강도를 제공하고 내부 부품을 보호하기 위해 하나의 통합된 전체로 설계됩니다.

For the internal parts, which often serve as bearings or connecting brackets, there are fewer strict requirements for the inner and outer walls. Based on the specific situation of the inner or outer wall, we can create structures such as reinforcements, screws, or buckles. However, in order to facilitate production and manufacturing, the outer wall is generally designed to be as simple as possible. If necessary, we can adjust to the draft angle of the cavity and core or implement designs such as ejector pins in the cavity or buckles in the core.

쉘 부품과 내부 부품 모두에서 벽 두께는 이젝터 핀의 이젝션 표면을 제공하여 금형에서 부품이 원활하게 배출되도록 하는 데 중요한 역할을 합니다.

플라스틱 제품의 벽 두께에 대한 설계 원칙

플라스틱 부품의 구조 설계에서 벽 두께는 설계의 기초가 되는 중요한 파라미터입니다. 선택한 벽 두께에 따라 다른 구조가 만들어집니다. 벽 두께는 플라스틱 부품의 기계적 특성, 성형성, 외관 및 비용에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 벽 두께는 이러한 요소에 따라 신중하게 고려하고 설계해야 합니다.

벽 두께의 의미와 관련하여 특정 값을 가져야 한다고 언급되어 있습니다. 값이 하나만 있으면 부품 전체에 균일한 벽 두께를 나타냅니다. 그러나 값이 여러 개인 경우 벽 두께가 균일하지 않고 부품의 다른 섹션마다 두께가 다르다는 것을 의미합니다. 플라스틱 부품의 최적의 성능과 기능을 보장하기 위해 벽 두께 설계의 원칙을 이해하기 위해 노력해야 합니다.

기계적 성능의 원칙에 기반

As discussed earlier concerning wall thickness, it is crucial for both shell and internal parts to possess sufficient strength. The ability to withstand the release force during molding is a crucial factor to consider. Typically, excessively thin parts are prone to deformation upon ejection. Generally, increasing the wall thickness enhances the part’s strength (with approximately a 33% strength increase for every 10% increase in wall thickness). However, exceeding a certain wall thickness range can result in quality issues like sink marks and porosity, diminishing the part’s strength while increasing its weight.

결과적으로 사출 성형 주기가 길어지고 재료 비용이 높아집니다. 플라스틱 부품을 강화하기 위해 벽 두께를 늘리는 것만으로는 최적의 솔루션이 아닙니다. 대신 리브, 곡선, 주름진 표면 및 보강재와 같은 기하학적 특징을 사용하여 강성을 강화하는 것이 좋습니다.

공간 및 기타 요인으로 인해 다른 접근 방식을 허용하지 않는 상황에서는 주로 적절한 벽 두께를 통해 부품의 강도를 얻을 수 있습니다. 이러한 경우 강도가 중요한 고려 사항인 경우 성형성의 기본 원칙을 준수하면서 기계적 시뮬레이션을 통해 적절한 벽 두께를 결정하는 것이 좋습니다.

사출 성형성 원칙에 기반

실제로 벽 두께는 코어와 캐비티가 형성하는 캐비티의 두께입니다. 벽 두께는 용융된 수지가 캐비티를 채우고 냉각되어 부품을 형성할 때 형성됩니다.

1) 사출 충진 과정에서 용융된 수지는 어떻게 흐르나요?

사출 성형에서 금형 캐비티 내 플라스틱의 흐름을 층류로 추정할 수 있는 경우가 많습니다. 층류란 서로 인접한 액체 층이 혼합이나 난기류를 최소화하면서 부드럽고 질서정연하게 이동하는 것을 말합니다. 유체 역학 원리에 따르면 층류는 전단 응력의 영향을 받아 액체 층이 서로 상대적으로 미끄러질 때 발생합니다. 전단 응력은 재료가 변형되어 작용하는 힘과 평행한 평면을 따라 미끄러지도록 하는 힘으로 접선 응력이라고도 합니다. 층류는 일반적인 근사치이지만, 높은 유속이나 복잡한 형상을 다루는 경우와 같은 특정 경우에는 유동 거동이 층류에서 벗어나 난류 특성을 나타낼 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

러너의 일반 유체와 점성 유체의 흐름 비교
러너의 일반 유체와 점성 유체의 흐름 비교

사출 성형 공정 중에 용융된 수지가 금형 캐비티로 흘러 들어가면 러너 또는 금형 캐비티 벽과 접촉하게 됩니다. 러너 벽 또는 몰드 캐비티 벽에 인접한 용융 수지 층은 냉각을 경험하고 응고되기 시작합니다. 이 응고는 인접한 액체 레진 층에 마찰 저항을 일으킵니다. 따라서 응고 벽에서 가장 멀리 떨어져 있는 용융 수지의 중간 층이 일반적으로 가장 빠른 속도를 나타냅니다. 러너 벽 또는 몰드 캐비티 벽 근처의 층의 속도는 마찰 저항과 응고 과정으로 인해 점차 감소합니다. 이러한 유동 전면의 속도 분포는 사출 성형에서 일반적으로 관찰되며 충진 단계에서 용융 수지의 전반적인 유동 거동에 영향을 미칩니다.

금형 내 레진 흐름 다이어그램
금형 내 레진 흐름 다이어그램

그림에 표시된 것처럼 가운데 층은 유동층이고 바깥쪽 층은 경화층입니다. 경화 층은 용융된 수지가 시간이 지남에 따라 냉각되고 응고되면서 점차 두꺼워집니다. 이렇게 경화층이 두꺼워지면 유동층에 사용할 수 있는 단면적이 줄어들어 금형 캐비티를 채우기가 더 어려워집니다.

이를 효과적으로 보정하려면 사출 압력을 높여 용융된 수지를 금형 캐비티로 밀어 넣고 충진 공정을 완료해야 합니다.

결과적으로 사출 성형 부품의 벽 두께는 사출 공정의 흐름 및 충진 단계에 큰 영향을 미칩니다. 벽 두께가 너무 얇으면 용융된 수지의 흐름과 충진에 방해가 될 수 있으므로 벽 두께가 너무 얇지 않도록 하는 것이 중요합니다. 따라서 성공적인 사출 성형과 적절한 부품 형성을 위해서는 적절한 벽 두께가 필수적입니다.

(2) 플라스틱 용융물의 점도도 유동성에 큰 영향을 미칩니다.

전단 응력과 같은 외부 힘이 유체에 가해질 때 유체의 층은 상대적인 운동을 겪으며 내부 마찰이 발생하는데, 이를 점성이라고 합니다.

동적 점도 또는 점도 계수와 같은 파라미터는 유체에 가해지는 전단 응력과 그에 따른 전단 속도를 고려하여 점도를 정량화할 수 있습니다.

용융 점도는 용융된 플라스틱의 흐름 거동을 반영하는 중요한 특성입니다. 용융물이 나타내는 흐름에 대한 저항을 측정합니다. 점도가 높을수록 저항성이 우수하여 흐름이 더 어려워집니다. 용융 점도는 플라스틱의 분자 구조뿐만 아니라 온도, 압력, 전단 속도 및 첨가제의 존재 여부와 같은 요인에 따라 달라집니다. 이러한 요인들은 사출 성형 시 용융된 플라스틱의 흐름 특성에 영향을 미칠 수 있습니다.

실제 응용 분야에서는 일반적으로 용융 지수를 사용하여 가공 중 플라스틱 재료의 유동성을 특성화합니다. 용융 지수 값이 높을수록 플라스틱 소재의 유동성이 좋아져 금형 캐비티를 쉽게 흐르고 채울 수 있습니다. 반대로 용융 지수 값이 낮으면 유동성이 낮아져 흐름이 더 어려워집니다.

금형 설계 요구 사항에 따라 일반적으로 사용되는 플라스틱의 유동성을 세 가지 일반적인 그룹으로 분류할 수 있습니다:

유동성이 좋습니다: PA(나일론), PE(폴리에틸렌), PS(폴리스티렌), PP(폴리프로필렌), CA(아세트산 셀룰로스), 폴리(4)메틸 펜텐 등의 플라스틱은 사출 성형 공정에서 우수한 유동성을 나타냅니다.

중간 유동성: 폴리스티렌 계열 수지(예: ABS 및 AS), PMMA(폴리메틸메타크릴레이트), POM(폴리옥시메틸렌 또는 아세탈), PPO(폴리페닐렌옥사이드)는 중간 유동성 특성을 가집니다.

유동성 저하: PC(폴리카보네이트), 경질 PVC(폴리염화비닐), PPO(폴리페닐렌옥사이드), PSF(폴리설폰), PASF, 불소 플라스틱과 같은 플라스틱은 가공 시 유동성이 떨어집니다.

이러한 분류는 사출 성형 부품의 복잡성과 요구 사항에 따라 적합한 유동성 특성을 가진 플라스틱을 선택하기 위한 일반적인 지침을 제공합니다.

수지최소 벽 두께소형 플라스틱 제품의 권장 벽 두께중간 플라스틱 제품의 권장 벽 두께대형 플라스틱 제품의 권장 벽 두께
PA0.450.751.62.4~3.2
PE0.61.251.62.4~3.2
PS0.751.251.63.2~5.4
HIPS0.751.251.63.2~5.4
PMMA0.81.52.24~6.5
PVC1.151.61.83.2~5.8
PP0.81.451.752.4~3.2
PC0.951.82.33~4.5
PPO1.21.752.53.5~6.4
EC0.71.251.93.2~4.8
POM0.81.41.63.2~5.4
PSF0.951.82.33~4.5
ABS0.751.523~3.5
통과 불가능한 레진 재료의 벽 두께 권장 값

플라스틱 부품의 벽 두께는 다양한 재료와 제품 폼 팩터의 크기에 따라 선택할 수 있습니다. 범위는 일반적으로 0.6 ~ 6.0mm이며, 일반적인 두께는 일반적으로 1.5 ~ 3.0mm 사이입니다. 다음은 다양한 소재에 대한 권장 벽 두께 값입니다(내부 하중 지지 부품의 벽 두께는 다음 차트에 따라 늘릴 수 있습니다).

3) 흐름 경로 대 두께 비율을 통한 벽 두께 계산

플라스틱의 유량비(L/T)는 벽 두께(T)에 대한 유동 경로 길이(L)의 비율을 의미합니다. 플라스틱 사출 성형에서 유동 거리와 벽 두께 사이의 관계를 나타냅니다.

L/T 비율이 클수록 플라스틱 용융물이 주어진 벽 두께에 대해 금형 캐비티 내에서 더 멀리 흐른다는 것을 나타냅니다. 반대로, 원하는 유동 경로에 대해 L/T 비율이 클수록 벽 두께가 더 얇아집니다. 따라서 플라스틱의 L/T 비율은 플라스틱 제품의 사출 지점 수와 분포, 그리고 달성 가능한 벽 두께에 직접적인 영향을 미칩니다.

재료 온도, 금형 온도, 표면 마감 및 기타 조건 등 다양한 요인이 L/T 비율 계산에 영향을 미칩니다. 제공된 값은 대략적인 범위이며 특정 상황에 따라 달라질 수 있습니다. 이 값은 실질적인 기준값으로 사용되지만 사출 성형 공정의 복잡성과 가변성으로 인해 정확한 계산이 어려울 수 있습니다. 특정 사례에서 벽 두께를 정확하게 결정하려면 이러한 요소를 고려하고 숙련된 전문가의 조언을 구하는 것이 좋습니다.

수지L/T 비율
LDPE270
HDPE230
PE250
PP250
PS210
ABS190
PC90
PA170
POM150
PMMA130
HPVC100
SPVC100
L/T 비율은 고정된 값이 아니며 변동 범위가 있으며, 위 데이터는 참고용입니다.

계산 시작

예를 들어 제품 벽 두께가 2mm, 제품 충전 거리가 200mm, 러너 길이가 100mm, 러너 직경이 5mm인 PC 소재의 플라스틱 부품이 있는 경우 L/T 비율을 계산할 수 있습니다.

L/T(총) = L1/T1(스프 루) + L2/T2(러너) + L3/T3(제품) = 100/5 + 200/2 = 120입니다.

L T 비율의 각 문자의 의미
L T 비율의 각 문자의 의미

이 경우 계산된 L/T 비율은 120으로 PC 소재의 기준값인 90을 초과합니다. 이는 사출 성형 공정에서 적절한 충진을 달성하는 데 어려움이 있을 수 있음을 나타냅니다. 이 문제를 해결하려면 사출 속도와 압력을 높이거나 특수 고성능 사출 성형 장비를 활용하는 방법을 모색해야 할 수 있습니다.

성형성을 개선하기 위해 게이트 위치를 변경하거나 여러 개의 게이트를 사용하여 제품 충진 거리를 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 제품 충진 거리를 100mm로 줄이면 새로운 L/T 비율은 기준값보다 낮은 70이 됩니다. 사출 성형 공정이 더 쉬워집니다.

또는 제품의 벽 두께를 조정하는 것도 L/T 비율에 영향을 줄 수 있습니다. 벽 두께를 3mm로 변경하면 새로운 L/T 비율은 87로 기준값에 가까워져 사출 성형 공정을 성공적으로 실행할 수 있음을 나타냅니다.

외관 원칙에 따라

벽 두께는 특히 다음과 같이 부품의 외관에 영향을 미칩니다.

(1) 벽 두께가 고르지 않은 경우: 싱크 마크, 처짐 등

(2) 벽 두께가 너무 큰 경우: 싱크 마크, 빈 공간 등.

(3) wall thickness is too small: short shot, ejector marks, deflection, etc.

그러나 많은 제품 구조 설계자는 금형 시험 후에야 결함을 발견합니다. 이때는 일반적으로 금형 공장에 의뢰하여 성형 공정 중에 사출 파라미터를 조정하여 문제를 해결합니다. 이 방법은 비교적 빠르고 비용 효율적일 수 있지만, 효과가 보장되는 경우는 드뭅니다. 따라서 설계 단계 전에 철저한 제조 가능성 설계(DFM) 분석을 수행하는 것이 중요합니다. 약 70%의 사출 성형 결함이 구조 및 금형 설계 단계에서 발생합니다. 초기 단계에서 철저한 DFM 분석을 수행하면 잠재적인 문제를 사전에 파악하고 해결하여 제조 결과를 개선하고 시험 단계 이후 수정의 필요성을 최소화할 수 있습니다.

비용 원칙에 따라

사출 성형 공정의 여러 단계 중 냉각 시간은 일반적으로 제품의 전체 성형 주기에 영향을 미치는 가장 길고 중요한 요소입니다.

용융된 플라스틱을 금형 캐비티에 주입한 후에는 금형을 열고 부품을 배출하기 전에 냉각 및 응고에 충분한 시간을 제공해야 합니다. 냉각 시간은 재료 특성, 부품 형상, 벽 두께, 금형 설계 및 냉각 시스템 효율의 영향을 받습니다.

부품의 벽 두께를 필요한 요구 사항 이상으로 늘리면 냉각 시간이 길어질 수 있습니다. 이렇게 길어진 냉각 시간은 성형 주기에 큰 영향을 미쳐 생산성을 저하시키고 부품당 비용을 증가시킬 수 있습니다. 제조업체는 원하는 부품 품질, 사이클 시간 및 생산 효율성을 고려하여 냉각 시간을 최적화하는 것을 목표로 합니다.

설계자와 엔지니어는 부품 기능, 구조적 무결성, 냉각 요구 사항의 균형을 유지하여 냉각 시간을 최소화하는 동시에 원하는 최종 제품의 품질을 보장해야 합니다. 이러한 최적화를 통해 사출 성형 공정의 생산성과 비용 효율성을 개선할 수 있습니다.

요약

위의 사출 성형 부품의 벽 두께 설계 원칙은 기계적 특성, 사출 성형성, 외관 및 비용의 네 가지 측면에서 자세히 설명합니다. 요약하면, 필요한 기계적 특성을 충족하도록 벽 두께를 설계하고, 두께를 최소화하여 가공 성능을 최적화하며, 가능한 경우 균일성을 보장하고, 필요한 경우 부드럽고 점진적인 전환을 통합하는 것이 목표입니다.

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