“금형 수정? 웬만하면 하지 마세요”

지난 글에서는 사출의 다섯 단계 중 사출 설계와 금형 설계에 대해 알려드렸습니다.

에이팀벤처스의 온라인 제조 플랫폼, 카파 비교견적이 드리는 제조 팁! 이번에는 사출의 나머지 진행 과정에 대해 좀 더 자세히 알려드릴게요.

3) 금형 제작 – 정밀, 정밀 그리고 또 정밀

금형 설계가 끝나면 금형을 실제로 제작하게 되는데요. 아래 그림을 보시면 금형의 구조를 좀 더 이해하실 수 있을 것입니다.

빨간색으로 표시된 부분이 사출로 제작되는 제품 부분인데요. 금형 설계에 맞춰 아래와 같은 금형을 제작할 때, 제품이 실제로 찍혀 나오는 갈색 부분을 코어라고 하고, 플라스틱이 채워지는 부분을 캐비티라고 합니다.

금형에서 가장 중요한 부분은 코어겠죠. 코어가 서로 똑바르게 맞물려야 하고, 캐비티가 원하는 만큼 정교하게 표현되어야 제품이 불량 없이 잘 나올 것입니다.

코어는 계속 압력에 의해 맞물리는 부위이다보니 쉽게 닳지 않도록 튼튼해야 하고요. 그래서 코어에 금형강을 쓰고, 나머지 부분은 탄소강을 씁니다.

순수한 철은 잘 찌그러지고 강도가 약해서, 순철에 탄소를 넣어 강도를 높인 것을 탄소강이라고 합니다. 여기에 추가로 크롬같은 특정 성분들을 섞으면 스테인리스강같은 특수강(또는 합금강)이 되는 것이고요.

금형강은 마모나 변형, 부식이 잘 안 되도록 가공한 특수강 중의 하나입니다. 그만큼 탄소강보다 비싸겠죠.

금형 설계에 따라 금형강으로 코어를 만들고 나면 후처리가 필요합니다.

수명을 길게 하기 위한 열 처리, 약품 부식 등의 표면 처리, 모서리를 날카롭게 하기 위해 방전가공(Electrical Discharge Machining)을 하기도 합니다. 제품이 나오는 곳이기 때문에 신경써서 가공해야겠죠.

금형 제작 단계에서 중요한 것은 낙장불입, 웬만하면 수정하지 않는 것이 좋습니다.

금형을 수정할수록 품질도 안 좋아지게 됩니다. 사출 설계 및 금형 설계 단계에서 최대한 수정을 마무리하는 것이 좋습니다. 금형 수정 단계에서 좀 더 자세히 설명할게요.

4) 시사출 – 제대로 테스트해보자

시사출은 금형 제작 완료 단계에서 금형의 품질을 검토하고, 고객이 원하는 수준의 제품 품질을 확보하기 위해 하는 작업입니다.

제조 과정에서 T0, T1, T2 이런 말을 많이 듣게 되실텐데요. T0는 금형을 만들고 나서 금형 자체를 시험해보기 위해 뽑아보는 것이고, T1부터 시사출 과정이라고 합니다. 제대로 성형되어 사출되는지 확인하는 것이죠.

즉, 각종 테스트를 해봐야 합니다. 원하는 색이 제대로 나왔는지 컬러 칩과 비교해 보고, 표면, 치수, 내구도, 재질 등을 꼼꼼하게 확인해야 합니다.

요청한 재료를 제대로 썼는지도 보고, 내구도가 중요하다면 충격, 인장 압축 등 다양한 실험을 합니다.

플라스틱은 녹이는 온도, 금형에 주입하는 온도, 주입하는 압력, 주입하는 속도, 다 만든 뒤 식히는 속도 등에 따라 최종 결과물의 품질 차이가 클 수 있습니다.

금형 설계 단계에서 이런 것을 고려해서 금형을 제작했겠지만, 시사출 과정에서 금형과 수지, 성형 조건 등 다양한 변수들에 의해 원하는 만큼의 결과가 나오지 않을 수도 있습니다.

이럴 때 경험이 많은 제조 숙련자의 판단에 의해 금형을 세심하게 수정합니다.

5) 금형 수정 – 시사출 후 개선 작업

금형 수정은 형태를 수정하는 것으로 이해하는 경우가 많습니다. 형태 수정은 대부분 생산을 성급히 진행하면서 비롯되는데 매우 조심해야할 부분입니다.

따라서 개선을 위한 수정으로 이해하는 것이 바람직합니다.

금형 수정은 비용이 많이 들고, 가능/불가능한 지점이 아주 명확해집니다. 원하는 모양으로 수정을 못할 수도 있습니다. 위에서 말한대로 수정할수록 결과물 품질이 낮아지기도 합니다.

이 단계에서 중요한 것은 금형을 제작한 업체의 이야기를 듣는 것입니다.

금형을 오랫동안 만들어온 곳이기 때문에 어떻게 수정하면 비용이 적게 들지, 좀 더 쉬운 수정 방법은 무엇일지를 제안해줄 것입니다.

그것을 설계에 반영해야 시간 낭비를 줄일 수 있습니다.

이제 사출 및 금형 설계에서 왜 그렇게 양산 경험까지 있는 전문가가 설계하는 게 중요한 지 이해가 되실 것입니다.

제품을 만들어 본 하드웨어 스타트업에서 시제품과 제품 생산이 완전히 다른 단계라고 말하는 것은 양산 단계에서 금형 설계와 제작으로 이어지는 과정에 초보자가 통제불가능해 보이는 변수가 많기 때문일 것입니다.

양산은 시제품 단계와 다르게 본격적으로 큰 금액이 들어가고, 시간도 더 많이 들며, 쉽게 수정하기도 어렵습니다.

경험이 풍부한 제조 전문가를 찾는 것이 양산 단계에서 매우 중요한 일입니다.

이렇듯, 제조하기 위해서는 전문가들과의 소통이 필수입니다.
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양산에서 금형 설계가 진짜 중요하다던데, 잘하는 곳이 어디죠?

우리가 알고 있는 플라스틱 제품의 90% 이상은 금형에 의해 만들어집니다.

양산의 압도적인 방식을 차지하고 있는 사출의 핵심은 틀(금형)을 이용한다는 것인데요.
아주 복잡하고 아름다운 형상을 굉장히 빠른 시간 내에 적은 인력과 노력으로 만들어낼 수 있습니다.

하지만 금형을 잘 모르는 사람이 사출물과 금형을 설계한다면, 제작 비용이 끝도 없이 증가할 수 있습니다.

시제품은 아무리 복잡해도 금형에 비해서는 적은 비용으로 쉽게 만들 수 있습니다.
시제품 단계에서는 무엇이 잘못되거나, 형태를 바꿔야 하거나 하더라도 처음부터 다시 설계해도 됩니다.

하지만 금형은 섣부르게 제작했다가 수정하면, 추가 비용이 억 단위가 될 수도 있습니다. 그래서 금형을 설계하고 제작할 때는 매우 신중해야 하고, 전문가가 진행해야 합니다.

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이번에는 하드웨어 스타트업, 제조 초기 기업이 양산을 하게 될 경우, 압도적으로 많이 사용하게 되는 제조 방법 사출에 대해 좀 더 자세하게 알려드리도록 할게요.

제작 외주를 주더라도 전체적인 프로세스와 유의점을 알고 있어야 좀 더 시간과 비용을 줄이는 방향으로 양산을 진행할 수 있을 것입니다.

사출은 크게 다섯 단계로 나눠집니다. 1) 사출(사출물) 설계 –  2) 금형 설계 – 3) 금형 제작 – 4) 시사출 – 5) 금형 수정인데요. 오늘은 사출 설계와 금형 설계를 살펴보겠습니다.

1) 사출 설계 – 금형을 고려한 최종결과물의 설계

사출을 이해하기 쉽게 비유하면, 붕어빵을 생각하면 될 것 같습니다. 붕어빵 모양의 금속 틀 안에 밀가루 반죽을 넣고 팥을 올리고 익히면 붕어빵이 나오는데요.

사출 설계는 붕어빵 모양 자체를 설계하는 것이고, 금형 설계는 붕어빵 틀을 설계하는 것이랍니다.

사출 설계는 최종 제품 구조와 형태, 플라스틱 재질과 관련이 높은데요. 붕어빵으로 예를 들자면 붕어빵을 어느 정도 크기로 해야 사람들의 입에 잘 맞게 들어갈 지, 몸통 두께는 어느 정도로 해야 팥이 터져 나오지 않을지 등을 고려하는 것이죠.

시제품 단계에서 고려했던 요소와 비슷하죠? 최종 금형 설계까지 고려한 완벽한 시제품을 만들었다면 그게 사출물이 될 수도 있습니다만, 그런 경우는 많지 않죠.

플라스틱 재질을 생각해 사출 설계를 해야 한다는 뜻은 플라스틱 종류가 정말 많기 때문에 그렇습니다. 우리가 주변에서 볼 수 있는 플라스틱 종류만 수 백 가지인데요.
잘 찌그러지는 얇은 페트병도 플라스틱이고, CD나 DVD를 만드는 폴리카보네이트도 플라스틱입니다.

플라스틱의 성질이 달라지면, 금형도 달라지게 됩니다. 반죽이 얇고 바삭바삭한 붕어빵을 원할 때와 반죽이 두툼해서 오래 익혀야 하는 붕어빵은 금속 틀의 모양이 달라지겠죠.

사출 설계 단계에서 다시 한번 점검해야 할 것은 최종적으로 제작하고자 하는 물건의 기능과 형태, 그리고 제작 단가까지 고려한 플라스틱 재질의 선택입니다.

위에서 말씀드린대로 금형 단계로 들어서면 수정 비용이 만만치 않기 때문에 사출 설계 단계에서 시장과 소비자까지 생각한 최종 제품의 형태를 결정하는 것이 좋습니다.

2) 금형 설계 – 최종 결과물의 틀 설계

사출 설계가 제품 구조와 관련이 높다면, 금형 설계는 생산 기술과 관련이 높은데요.

붕어빵 100 개를 만드는 틀에 비해 100만 개를 만드는 틀은 더 튼튼하고 오래 가게 제작을 해야겠죠. 또, 붕어빵을 10초 만에 만들어야 하는 틀과, 1분 동안 천천히 구워도 되는 틀은 다를 거예요.

이렇게 금형의 수명(붕어빵 100만개)과 제품의 생산 속도(10초)에 따라 금형 설계와 비용이 달라지는데요. 금형도 찍어내면 찍어낼수록 닳습니다.

마모된 금형을 계속 쓰면 제품의 품질이 떨어지겠죠. 물론 튼튼한 철로 금형을 만들면 수명이 길지만 튼튼한 철은 비쌉니다.

100개 만들고 끝낼 제품을 튼튼한 철로 금형을 만들 필요는 없지만, 10만 개, 100만 개 대량으로 제작해야 하는 제품은 금형이 튼튼해야 할 겁니다.

제품 생산 속도가 빨라지려면 금형 구조가 복잡해집니다.

아래 그림을 보면 좀 더 이해가 잘 되실 거예요. 1번 금형과 2번 금형을 보면 비슷한 모양을 찍어내는 것 같은데 차이를 살펴볼까요?

1번 금형에서는 ㄷ자로 된 모양 사이에 뾰족한 막대기가 붙어 있는 채로 떨어지고, 2번 금형에서는 뾰족한 막대기도 떨어지고 ㄷ 모양 두 개가 각각 떨어지죠.

1번 금형에서 만든 모양은 나중에 사람이나 다른 기계가 가운데 뾰족한 막대도 없애고, 모양을 분리하는 걸 별개로 해줘야 해서 시간이 더 걸릴 거예요.

2번 금형은 생산 속도가 빠른 대신 금형이 3단으로 되어 있네요. 금형에 들어갈 쇠도 더 많이 들고, 금형이 1번에 비해 훨씬 복잡하기 때문에 설계하는 비용도 많이 듭니다.

그래서 제품을 한번에 제작하고 끝나는지 아니면 월에 몇 개 만들어 총 몇 개를 만들지에 대한 계획 수립이 중요합니다.

시장 조사 및 제품 기획 단계에서 향후 생산 계획을 정확히 계산해 놨어야 금형을 설계하고 제작할 때도 제품에 가장 적합한 금형을 만들 수 있습니다.

금형 제작 비용이 비싸지게 되는 경우를 먼저 살펴볼까요?

• 사출물에 구멍이 많다
• 서로 다른 방향으로 구멍이 있다
• 부위별로 두께가 많이 다르다
• 특별한 정밀도가 요구된다
• 제품이 크다

위의 3번 금형을 보시면 구멍이 하나 뚫린 제품을 만드는 모습을 볼 수 있는데요. 1번 금형과 비교해본다면 구멍이 뚫리게 하기 위해 위에서 아래로 내려오는 동작이 하나 더 추가된 것을 알 수 있습니다.

구멍이 많아질수록 금형 설계도 복잡해지지만, 금형 제작 비용도 높아지겠죠.

제품 부위별로 두께가 많이 다를 경우, 녹은 플라스틱을 식힐 때 문제가 복잡해집니다.

붕어빵 반죽이 다 익은 다음에 붕어빵을 뗄 수 있는 것처럼, 금형에 넣은 플라스틱이 충분히 식은 다음에 떼어낼 수 있는데요.

금형 사이에 물길을 설계해 냉각수가 흐르게 해서 플라스틱을 식히는 방식을 사용하는 경우가 많습니다. 빠르게 식혀야 하는 곳은 냉각수가 가까워야 하고, 천천히 식혀야 하는 곳은 냉각수가 멀어야겠죠.

아래 그림에서 최종 제품인 T의 윗부분은 얇고 기둥 부분은 굵은 것을 볼 수 있습니다. 하늘색 원이 냉각수가 다니는 길입니다.

왼쪽 그림에서 b로 표시된 부분이 가장 뜨거운 부위인데요. 전체를 균일하게 식혀서 떼어내야 시간이 적게 걸리니, b를 빠르게 식혀주도록 냉각수가 흐르는 길을 다시 설계해줘야겠죠.

오른쪽 그림처럼 b에 가까운 곳에 물길을 두 곳 더 추가했습니다. 즉, 금형이 복잡해지고 설계 및 제작 비용이 증가한다는 의미죠.

금형 설계 전문가는 주문한 고객이 원하는 형태, 치수, 표면이 제대로 구현될 수 있는 금형을 만드는 사람입니다.

금형 설계 단계에서는 금형을 제작할 때 비용을 줄일 수 있는 전문가의 노하우가 매우 중요합니다.

아주 작은 부분의 설계 변화로 금형 비용을 수백 만원 줄일 수도 있습니다. 제조 경험이 풍부한 금형 설계 전문가를 찾는 것이  중요합니다.

사출의 다섯 단계에서 사출 설계와 금형 설계에 대해 알려드렸는데요. 다음 글에서는 금형 제작, 시사출, 금형 수정에 대한 내용을 설명해 드리겠습니다.

이렇듯, 제조하기 위해서는 전문가들과의 소통이 필수입니다.
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