실리콘 사출 성형기는 어떻게 작동합니까? 완전한 업계 가이드

1. 실리콘 사출 성형기 란 무엇입니까?

실리콘 사출 성형기는 액체 또는 고체 형태의 실리콘 고무를 주입 및 경화 사이클을 통해 정밀한 형태의 부품으로 가공하도록 설계된 특수 산업용 프레스입니다. 온도 관리, 재료 공급 시스템 및 클램핑 요구 사항이 표준 열가소성 사출 성형 장비와 근본적으로 다릅니다.

전 세계 실리콘 고무 시장은 2024년에 약 192억 달러 규모로 평가되었으며 2030년까지 연평균 성장률(CAGR) 6.1%로 성장할 것으로 예상됩니다. 이러한 성장은 의료용 부품, 전기 자동차 씰, 유아 관리 제품 및 웨어러블 전자 제품에 대한 수요 급증에 의해 주도되며, 이들 모두는 모두 의존도가 높습니다. 실리콘 injection molding machines 대량 생산, 정밀 제조를 위한 제품입니다.

두 가지 주요 실리콘 재료가 이 기계에서 처리됩니다.

• 액체 실리콘 고무(LSR): 드럼 형태로 공급되는 2부분 백금 촉매 시스템으로 실온에서 뜨거운 금형에 주입됩니다. 복잡한 고정밀, 대용량 부품에 이상적입니다.
• 고농도 고무(HCR): 기존 고무와 유사하게 가공된 고체 고무 같은 실리콘 화합물로, 종종 트랜스퍼 또는 압축 성형을 사용하지만 사출 장비에도 적용할 수 있습니다.

2. 실리콘 사출 성형 공정의 작동 원리

실리콘 사출 성형 공정은 재료 계량으로 시작하여 부품 배출로 끝나는 정밀한 6단계 사이클을 따릅니다. — 일반적으로 부품 형상 및 벽 두께에 따라 15~120초 내에 완료됩니다.

1단계: 재료 계량 및 혼합

LSR 처리의 경우 기계는 정밀 정량 펌프를 사용하여 별도의 드럼에서 성분 A(기본 중합체)와 성분 B(가교제 및 촉매)를 동일한 양으로 끌어냅니다. 비율은 일반적으로 부피 기준으로 1:1입니다. 정적 또는 동적 믹서는 두 성분이 주입 배럴에 들어가기 전에 균일하게 혼합합니다. 안료 또는 첨가제는 제3 계량 스트림을 통해 이 단계에서 도입될 수 있습니다. 혼합 일관성은 경화 균일성에 직접적인 영향을 미칩니다. A:B 비율의 편차가 2%를 초과하면 불완전한 경화 및 부품 거부가 발생할 수 있습니다.

2단계: 콜드 러너 주입

혼합 LSR은 콜드 러너 시스템을 통해 금형을 향해 이동하는 동안 제어된 저온(일반적으로 섭씨 5~15도)으로 유지됩니다. 이는 재료가 금형 캐비티에 도달하기 전에 조기 가황(스코치라고도 함)을 방지합니다. 사출 장치는 부품의 복잡성과 점도에 따라 5~30MPa 범위의 압력으로 실리콘을 금형 안으로 밀어 넣습니다.

3단계: 금형 충전

실리콘이 가열된 금형 캐비티(일반적으로 섭씨 160~220도)에 들어가면 흐르기 시작하여 형상을 채우게 됩니다. 금형은 공기 배출을 허용하고 미성형을 방지하기 위해 정밀한 통풍구로 설계되었습니다. 핀 게이트, 터널 게이트, 엣지 게이트 등 게이트 설계는 완성된 부품의 재료 흐름과 표면 마감에 영향을 미칩니다.

4단계: 가황(경화)

가황은 액체 실리콘을 탄성 고체로 변형시키는 화학적 가교 반응입니다. 반응 속도는 온도에 따라 다릅니다. 섭씨 180도에서 2mm 벽 섹션은 일반적으로 15~25초 안에 경화됩니다. 두꺼운 부분일수록 비례적으로 더 긴 경화 시간이 필요합니다. 플래시를 방지하고 치수 정확도를 유지하기 위해 금형은 이 단계 전체에서 최대 압력으로 고정된 상태를 유지합니다.

5단계: 금형 개방 및 부품 배출

경화 후 금형이 열리고 부품이 배출됩니다. 일반적으로 이젝터 핀, 진공 흡입 또는 이 둘의 조합을 사용합니다. 실리콘은 본질적으로 유연하기 때문에 단단한 열가소성 부품을 가두는 언더컷에서 탈형할 수 있습니다. 많은 고급 기계는 자동화된 부품 제거를 위해 로봇 팔을 사용하여 샷당 사이클 시간을 3~8초 단축합니다.

6단계: 치료 후(선택 사항)

의료 등급 및 식품 접촉 실리콘 부품은 섭씨 200도의 보조 오븐에서 2~4시간 동안 후처리가 필요한 경우가 많습니다. 이는 잔류 휘발성 화합물(미량 백금 촉매 부산물 포함)을 제거하고 물리적 특성을 안정화시킵니다. 모든 적용 분야에 사후 경화가 필요한 것은 아니지만 규제 대상 산업에서는 표준 관행입니다.

3. 실리콘 사출 성형기의 종류

실리콘 사출 성형기는 주로 클램핑 메커니즘과 처리하는 실리콘 재료의 유형에 따라 분류됩니다. 재료 또는 부품 형상에 대해 잘못된 기계 유형을 선택하면 품질이 저하되고 툴링 투자가 낭비됩니다.

수평 클램핑 기계

가장 일반적인 구성입니다. 금형은 수평으로 열리고 사출 장치는 동일한 축을 따라 정렬됩니다. 수평형 기계는 다중 캐비티 도구, 자동화된 부품 제거 및 컨베이어 시스템과의 통합에 매우 적합합니다. 클램핑력은 모델에 따라 50~1,000톤입니다. 이러한 기계는 자동차 씰, 소비재 부품, 의료용 일회용품의 대량 생산을 주도합니다.

수직 클램핑 기계

수직 기계는 수직 축을 따라 금형을 엽니다. 이는 금속 또는 플라스틱 인서트가 샷 전에 하부 금형 절반에 배치되는 인서트 성형 작업에 선호됩니다. 왜냐하면 중력이 로딩 중에 인서트를 제자리에 고정시키기 때문입니다. 이는 일반적으로 전기 커넥터, 오버몰드 센서 및 다중 재료 구성 요소를 생산하는 데 사용됩니다. 일반적인 클램핑력 범위: 30~400톤.

LSR 전용 주입 장치

전용 LSR 사출 성형 기계는 콜드 러너 시스템과 2성분 정량 펌프를 기계의 사출 장치에 직접 통합합니다. 이 제품은 폐기물이 없고 플래시 없는 정밀 LSR 부품 생산에 최적화되어 있습니다. 일부 모델은 소형 의료용 밸브, 마이크로 씰 및 웨어러블 센서 하우징 제조에 중요한 0.1g의 작은 샷 중량을 지원합니다.

HCR 이송 및 사출 기계

일관성이 높은 고무는 미리 형성된 고무 충전재를 수용할 수 있는 기계에서 가공됩니다. HCR에는 트랜스퍼 성형 프레스가 일반적이며, 플런저를 통해 중앙 포트의 컴파운드를 금형 캐비티로 밀어 넣습니다. 스크류 앤 배럴 공급 시스템을 갖춘 수정된 사출 프레스도 HCR을 처리할 수 있지만, 이 장비는 LSR에 비해 HCR의 점도가 훨씬 높기 때문에 더 높은 기계적 힘이 필요합니다.

4. 주요 구성요소 및 기능

모든 실리콘 사출 성형기는 5가지 기능 하위 시스템으로 구성되며, 각 하위 시스템은 일관성 있고 결함 없는 부품을 생산하는 공정에서 안정적으로 작동해야 합니다.

• 계량 및 혼합 장치: 공급 드럼에서 성분 A와 B를 끌어내고 정확한 부피 비율(일반적으로 1:1)을 유지하며 균질하게 혼합된 재료를 주입 배럴에 전달합니다. 플러스 또는 마이너스 0.5%의 펌프 정확도는 최신 기계의 표준입니다.
• 주입 장치(배럴 및 플런저 또는 나사): 제어된 속도와 압력으로 혼합 실리콘의 정밀한 샷 볼륨을 금형에 전달합니다. LSR 기계는 일반적으로 왕복 나사 대신 플런저형 인젝터를 사용하여 그을림을 유발할 수 있는 열 축적을 방지합니다.
• 콜드 러너 시스템: 사출 장치와 금형 게이트 사이의 재료 온도를 섭씨 15도 미만으로 유지하는 열적으로 격리된 매니폴드 및 러너 네트워크입니다. 콜드 러너는 러너의 재료 낭비를 제거합니다. 이는 열가소성 성형의 핫 러너에 비해 중요한 이점이지만 여기서는 반대입니다.
• 클램핑 유닛: 사출 및 경화 중에 금형에 폐쇄력을 가하고 유지합니다. 클램핑 힘은 모든 캐비티의 전체 투영 영역에 걸쳐 사출 압력을 견딜 수 있을 만큼 충분해야 합니다. 불충분한 클램핑으로 인해 플래시가 발생합니다. 과도한 힘을 가하면 금형이 손상될 수 있습니다.
• 금형 온도 제어 장치(TCU): 전기 히터 또는 오일 순환을 사용하여 금형을 정확하게 정의된 경화 온도(일반적으로 섭씨 160~220도)로 유지합니다. 섭씨 ±2도 내에서 금형 표면 전체의 온도 균일성은 일관된 경화 및 부품 품질에 매우 중요합니다.
• 제어 시스템: 최신 기계는 터치스크린 인터페이스가 있는 PLC 기반 또는 PC 기반 제어 시스템을 사용합니다. 사출 속도, 압력 프로필, 경화 시간, 금형 온도, 펌프 비율 등의 매개변수는 레시피 프로그램에 저장됩니다. 고급 모델은 산업 4.0 규정 준수를 위해 프로세스 데이터 로깅 및 공장 MES(제조 실행 시스템)와의 통합을 제공합니다.

5. 주요 공정 매개변수

5가지 주요 매개변수를 제어하면 안정적이고 반복 가능한 실리콘 사출 성형 공정과 높은 불량률을 생성하는 공정 간의 차이가 정의됩니다. 각 매개변수는 다른 매개변수와 상호 작용하므로 프로세스 개발 중에 신중한 균형 조정이 필요합니다.

• 금형 온도(섭씨 160~220도): 온도가 높을수록 경화가 가속화되지만 얇은 부분에서 재료가 타는 위험이 높아집니다. 온도가 낮을수록 경화 시간이 길어지고 처리량이 감소합니다. 의료 부품의 경우 섭씨 180도가 가장 일반적인 목표입니다.
• 콜드 러너의 재료 온도(섭씨 5~15도): 재료가 캐비티를 채우기 전에 조기 겔화를 방지하는 데 중요합니다. 신속한 경화를 위해 설계된 일부 LSR 제제에는 섭씨 10도 미만의 콜드 러너 온도가 필요합니다.
• 사출 압력(5~30MPa): 재료 점도, 부품 형상 및 공동 수에 따라 결정됩니다. 너무 낮으면 미성형이 발생합니다. 너무 높으면 플래시 및 몰드 마모가 발생합니다.
• 주입 속도: 충전 균일성과 공기 포집 위험의 균형을 맞추도록 제어됩니다. 다단계 사출 프로파일(빠른 초기 충전, 느린 최종 충전)은 형상이 복잡한 부품에 사용됩니다.
• 치료 시간: 부품 벽 두께, 금형 온도 및 LSR 제제 반응성에서 파생됩니다. 경험 법칙: 섭씨 180도에서 벽 두께 0.1mm당 경화 시간은 1초이지만 실제 값은 재료 등급에 따라 다릅니다.

6. LSR 대 HCR: 어떤 재료에 어떤 기계가 필요한지

LSR과 HCR은 모두 실리콘 기반 엘라스토머이지만 점도, 처리 장비, 사이클 시간 및 달성 가능한 부품 복잡성이 근본적으로 다릅니다. 기계에 잘못된 재료를 선택하거나 재료에 맞지 않는 기계를 선택하면 생산성과 품질이 크게 저하됩니다.

• LSR 점도가 약 50~1,000Pa·s(물과 비교하면 0.001Pa·s)이므로 복잡한 다중 캐비티 금형에 주입하기에 충분히 유동성이 있습니다. 이 제품은 빠르게 경화되고 15초의 짧은 사이클 시간을 지원하며 콜드 러너 시스템을 사용할 때 플래시가 거의 또는 전혀 생성되지 않습니다. 의료 기기, 유아용 제품 및 정밀 전자 씰에 선호되는 선택입니다.
• HCR 뻣뻣한 반죽과 비슷한 농도를 가지며 점도가 훨씬 높으며 일반적으로 압축 또는 이송 성형이 필요합니다. 이는 더 높은 압력과 온도에서 처리되며 더 긴 경화 시간(종종 2~10분)이 필요합니다. HCR은 대형 부품, 압출 프로파일 및 고온(섭씨 250도 이상 연속 사용)에서 매우 높은 기계적 강도가 요구되는 응용 분야에 사용됩니다.

7. 실리콘 사출 성형기의 산업 응용

실리콘 사출 성형기는 7개 주요 산업에 사용되며 의료 및 자동차 분야는 가장 높은 생산량과 가장 엄격한 품질 요구 사항을 나타냅니다.

• 의료 및 건강관리: 카테터, 판막막, 주사기 마개, 호흡 마스크, 보청기 이어팁, 이식형 부품. 의료용 LSR은 ISO 10993 생체 적합성 표준을 준수해야 합니다. 생산량은 금형 도구당 연간 수백만 개에 달할 수 있습니다.
• 자동차: 점화 플러그 부츠, 그로밋 씰, 센서 캡슐화, 터보차저 호스, LED 헤드라이트 씰. 실리콘은 섭씨 영하 60도에서 영상 230도까지의 온도에 대한 저항력이 있어 후드 아래 적용 분야에서 대체할 수 없습니다.
• 유아 및 아기 돌보기: 젖꼭지, 젖병 젖꼭지, 치발기 및 먹이 공급구. 이러한 부품은 식품 접촉 규정(FDA 21 CFR 177.2600 또는 EU 규정 10/2011)을 요구하며 안전과 기능을 보장하기 위해 매우 엄격한 치수 공차를 충족해야 합니다.
• 가전제품: 키보드 커버, 스마트워치 밴드, 방수 개스킷, 케이블 오버몰드, 버튼 멤브레인. 가전제품은 기능적 성능과 함께 일관된 색상 매칭과 높은 미적 품질을 요구합니다.
• 산업용 씰링: O-링, 개스킷, 유체 제어용 다이어프램, 내화학성 씰. 산업 응용 분야에서는 높은 기계적 강도와 내열성 때문에 HCR을 선호하는 경우가 많습니다.
• 음식과 음료: 베이킹 틀, 주걱, 얼음 트레이, 병 밀봉. 사출기에서 생산되는 식품 등급 실리콘 부품은 달라붙지 않는 특성, 화학적 불활성 및 오토클레이브 멸균성으로 인해 가치가 높습니다.
• 웨어러블 기술: 연속 혈당 모니터(CGM) 하우징, 피트니스 추적기 스트랩, 생체 인식 센서 인클로저. 이는 가장 빠르게 성장하는 응용 분야 중 하나이며 소형 LSR 성형 기능에 대한 수요를 주도합니다.

8. 올바른 실리콘 사출 성형기를 선택하는 방법

올바른 실리콘 사출 성형기는 재료 유형, 부품 크기 및 사출 중량, 조임력 요구사항, 생산량 및 규제 환경이라는 5가지 핵심 선택 기준에 따라 결정됩니다.

1단계: 재료 정의

애플리케이션에 LSR 또는 HCR이 필요한지 확인하세요. 의료, 전자 제품 또는 유아용품 시장을 목표로 삼고 있다면 거의 항상 LSR이 답입니다. 대형 부품이 필요하거나 섭씨 230도 이상의 극한 온도 저항이 필요한 경우 HCR이 적합할 수 있습니다.

2단계: 필요한 조임력 계산

필요한 조임력(톤)은 모든 캐비티의 투영 면적(제곱센티미터)에 사출 압력(MPa)을 곱하고 10으로 나눈 값과 같습니다. 예를 들어 각 캐비티가 15MPa에서 25cm2로 돌출하는 4캐비티 금형에는 (4 x 25 x 15) / 10 = 150톤의 최소 조임력이 필요합니다. 공정 변화를 고려하여 항상 계산된 최소값보다 최소 15~20% 높은 등급의 기계를 선택하십시오.

3단계: 주사 중량 및 주입량 확인

부품 중량과 러너 중량을 더한 총 샷 중량은 장비 최대 샷 용량의 20~80% 이내여야 합니다. 20% 미만으로 작동하면 샷 볼륨이 일관되지 않습니다. 80% 이상으로 작동하면 채우기가 불완전할 위험이 있습니다. 캐비티당 1g 미만의 마이크로 부품의 경우, 5~50g의 샷 용량을 갖춘 특수 마이크로 성형 기계가 필요합니다.

4단계: 자동화 요구 사항 평가

대량 생산(도구당 연간 부품 500,000개 이상)은 일반적으로 로봇 부품 제거, 자동화된 비전 검사 및 컨베이어 기반 처리 시스템의 통합을 정당화합니다. 주변 자동화와 통신하려면 기계에 적절한 제어 인터페이스(일반적으로 LSR 기계의 경우 EUROMAP 67)가 있어야 합니다. 이러한 인터페이스가 없는 시스템은 나중에 업그레이드하기 어렵습니다.

5단계: 규정 준수 확인

FDA 21 CFR Part 820 또는 ISO 13485 요구 사항에 따라 운영되는 의료 기기 제조업체에는 포괄적인 프로세스 데이터 로깅, 검증된 제어 시스템 및 문서화된 자격 프로토콜(IQ/OQ/PQ)을 갖춘 기계가 필요합니다. 구매하기 전에 기계 제조업체가 필요한 문서 지원을 제공할 수 있는지 확인하십시오.

9. 비교표

다음 표에는 제조업체가 더 빠르고 정보에 기초한 결정을 내리는 데 도움이 되는 주요 차이점이 요약되어 있습니다.

표 1: LSR과 HCR 처리 비교 - 재료 특성, 기계 요구 사항 및 생산 특성의 주요 차이점.

표 2: 구성, 용량 및 적용 적합성을 기준으로 비교한 실리콘 사출 성형 기계 유형.

표 3: 재료 등급 및 생산량 벤치마크를 포함하여 주요 산업 전반의 실리콘 사출 성형에 대한 응용 분야별 요구 사항.

10. 자주 묻는 질문

요약: 실리콘 사출 성형기에 대해 기억해야 할 사항

1. 냉간 주입, 고온 경화: 실리콘 가공은 열가소성 성형의 온도와 반대입니다. 즉, 재료는 차갑게 유지되고 금형은 가열됩니다.
2. LSR은 정밀 애플리케이션을 지배합니다. 의료, 전자 제품 및 유아용품은 빠른 사이클 시간, 플래시 없는 출력 및 생체 적합성을 위해 LSR에 의존합니다.
3. 측정 정확도가 중요합니다. A/B 비율 편차가 2%를 초과하면 불완전한 경화 및 부품 거부가 발생합니다.
4. 클램핑력은 추정이 아니라 계산되어야 합니다. 투영 면적 공식을 사용하고 15~20%의 여백을 추가합니다.
5. 대량 생산에서는 자동화 준비가 중요합니다. 기계는 로봇 통합을 위해 EUROMAP 67 인터페이스를 지원해야 합니다.
6. 의료 생산에는 문서화된 기계가 필요합니다. IQ/OQ/PQ 기능과 전체 데이터 로깅은 규제 대상 애플리케이션에 대해 협상할 수 없습니다.
7. 수직 기계는 인서트 성형에 적합합니다. 중력은 로딩 중에 인서트를 제자리에 고정하므로 수평 구성에 비해 실질적인 이점이 있습니다.