금형의 인서트(인서트 블록) 구조는 성형품의 설계를 시작하는 단계에서부터 관계자 전원이 이해하고 있지 않으면 안 된다. 특히 제품 설계자는 인서트의 경계부에서 성형품에 줄무늬가 생긴다는 것을 이해하는 것이 중요하다.

인서트의 원리

사출성형 금형은 원칙적으로 일체로 만든다. 그 이유는 첫 번째로 강성을 확보하기 위해, 두 번째는 열전도성을 확보하기 위해서이다.
사출성형 금형은 금형 내 압력이 40MPa(400kgf/cm²) 정도이다. 그 높은 압력으로 어긋나거나 변형되거나 하지 않기 위해서는 금형 크기를 크게 하여 강성을 확보한다. 또한 사출성형 금형은 금형 내 멜트(유동 용융수지)의 온도가 200℃ 정도이다. 멜트를 빠르게 냉각 고화하기 위해서는 열전도가 좋은 강재를 사용하여 열전도를 확보한다.
금형의 가공에서는 그 정도, 최적의 가공 방법(절삭가공, 연삭가공, 방전가공)을 선택한다. 인서트 구조는 가공법의 선택과 밀접한 관계가 있다. 예를 들면 방전가공은 인서트로 하지 않아도 가공할 수 있지만, 방전가공에 걸리는 가공 시간이 길기 때문에 금형의 납기를 단축하기 위해서는 불리하다.
가공 방법의 선택은 금형 기술자의 기능이다. 금형 제조의 현장에서는 인재의 계획적인 육성이 필요하게 된다. 실제로는 공작기계만으로는 가공할 수 없는 수작업 부분이 많이 생기는 것도 고려해야 한다. 인서트로 하면 다른 재료(담금질강이나 베릴륨동)를 사용하는 것이 가능하다. 또한 인서트마다 별도의 가공 방법을 사용할 수 있다는 이점도 있다.
실제 금형은 대부분이 인서트 구조(그림 1)이다. 금형의 구상도 단계에서 명확하게 한다. 금형에서는 분할하여 인서트로 하지 않으면 할 수 없는 형상이 많다. 예를 들면, 깊은 상자의 바닥면(금형에서는 캐비티 바닥)에 세공이 실시되고 있는 경우가 있다. 캐비티의 바닥은 가공 중에는 보이지 않는다. 보이지 않는 것은 기본적으로 가공할 수 없다. 그러므로 캐비티의 바닥 부분을 별도 피스로 하여 별도로 가공을 하게 된다(그림 2).

▲그림 1.  금형의 구조도 (인서트 구조)

▲그림 2. 캐비티 바닥의 인서트

인서트의 성형품 외관

인서트로 하면, 인서트의 경계는 성형품에 흔적이 생긴다. 금형에서 보아도 모를 정도로 인서트 맞춤했다고 해도 실제로 성형하면 압력으로 움푹 패고 줄무늬가 생긴다. 또한 열전도가 다르면 성형품의 광택에 차이가 나게 된다. 디자인 단계에서는 경계가 없는 도면의 경우에도 인서트로 할 수 없다고 정해져 있는 것은 아니다. 인서트로 하면 금형의 가공이 쉬워져 트러블이 적다. 인서트 구조로 할 수 있는 경우, 가능한 한 인서트로 해야 한다. 그렇기 하기 위해 디자이너와 끈질기게 교섭하는 것이 필요가 있다.
또한 금형에 나이프 에지 등의 약한 부분이 생기지 않도록 하는 것이 중요하다. 나이프 에지를 생기지 않도록 금형의 부분적인 약도를 그려서 확인할 필요가 있다.
금형의 인서트는 인서트 정도뿐만 아니라, 틀(끼우는 틀)이나 받침판(안쪽면을 지탱)의 정도가 매우 중요하다. 특히 안쪽면의 다듬질이 평활하지 않으면 안 된다. 평활하지 않으면 성형 시의 높은 압력으로 가라앉는 경우가 있다.

인서트의 냉각

인서트는 금형의 냉각에 지장이 있다. 인서트의 경계에 공기층이 생겨 냉각하기 어려워지기 때문이다. 이와 같은 경우, 모든 인서트에 냉각수를 통과시키는 설계한다. 또한 인서트의 냉각수 누수 방지는 기계적인 O(오)링으로 실하는 수밖에 없다. 단, 롱 니플로 직접 인서트에 급수하는 구조(그림 3)에서는 그럴 필요가 없고, 구조가 간단하며 냉각 효과가 우수하므로 권장한다.

▲그림 3. 인서트의 응용 사례 (냉각수 구멍)

인서트 구조의 에어벤트(가스빼기) 효과

인서트 구조를 에어벤트(그림 4)에 이용하는 경우가 있다. 파팅 라인의 에어벤트나 녹핀(이젝터)의 에어벤트에서는 효과가 충분하지 않은 경우, 큰 이용 가치가 있다. 단, 녹핀과 같이 성형할 때마다 움직여 청소되는 기능은 없기 때문에 에어벤트 홈은 차례로 막힌다. 금형에 부착하는 성분이 많은 성형 재료에서는 빈번히 청소할 필요가 있다.
에어벤트는 금형 설계에서 설정하는 것이 원칙이지만, 성형하여 추가하는 경우도 많다. 단, 인서트에 의한 에어벤트의 추가는 금형의 개선이 되므로 큰 비용이 발생한다.

▲그림 4. 에어벤트 인서트

인서트의 트러블 방지

성형품 설계의 처음부터 금형의 인서트 구조를 상정해 두면 금형의 가공은 비교적 쉽다. 금형의 가공이 용이하면 금형의 정도, 납기, 가격에 유리하다. 만일 금형의 가공 도중에 인서트 구조로 변경을 하면, 성형품의 품질 및 성형 사이클에 영향이 생겨 금형 제작 비용이 증가한다. 성형품 품질의 영향이 나오는 예로서는 우선 성형품에 인서트의 흔적이 생긴다. 성형품의 외관에 트러블이 생기므로 고객과 교섭하지 않으면 안 된다. 다음으로 인서트의 경계에 공기층이 생기게 되기 때문에 금형의 냉각 효과가 낮아진다. 성형 사이클이 길어지므로 생산 계획 및 원가 계산에 문제가 생긴다.
인서트의 흔적을 해결하기 위해서는 성형품에 단차를 만드는 설계로 하는 것이 좋다. 또한 인서트의 냉각에는 인서트에 냉각수 구멍을 설정하는 설계로 해 두면 좋다. 이들은 금형의 구상도 단계에서 검토를 해야 할 문제이다.
인서트 구조로 함으로써 일체로 만들어진 경우보다도 금형이 커지는 것을 고려할 필요가 있다. 금형 전체의 강도 확보가 매우 중요하므로 작게는 불가능하다. 금형이 커지면 성형기가 커지고, 성형 코스트가 높아지는 것도 이해해 둘 필요가 있다.
실제 금형 설계에서는 최초의 구상도를 쓰는 단계에서 인서트 구조로 할지의 여부를 결정한다. 금형의 설계자는 가공 방법도 숙지하지 있지 않으면 안 된다. 일본의 많은 금형 제조업자는 금형 설계 단계에서 그룹 토의를 하고, 트러블을 미연에 방지하고 있다.

인서트 강재

인서트 강재에 필요한 주된 기능은 3가지가 있으며, 금형 설계 단계에서 충분히 검토하지 않으면 안 된다.
첫 번째는 ‘고강도’라는 것이다. 프리하든강에서는 40HRC 정도이다. 경도가 높은 강재는 버가 나오기 어렵다.
두 번째는 ‘고강성’이라는 것이다. 프리하든강에서는 200GPa 정도이다. 강성이 큰 것이 변형이 적고 버가 잘 나오지 않는다. 또한 파손도 잘 되지 않는다. 한편으로 경도와 강성은 비례하는 것이 아니라는 것을 주의할 필요가 있다.
세 번째는 ‘열전도’이다. 프리하든강에서는 30W/mK 정도이다. 열전도가 좋은 강재는 냉각이 빠르고, 싱크 마크가 잘 생기지 않는다. 또한 성형 사이클을 단축할 수 있다.
또한 금형의 강재는 내충격성을 그다지 필요로 하지 않는다. 사출성형에서는 충격적인 힘은 그다지 가해지지 않기 때문이다. 또한 특수한 성형 이외에는 스테인리스강은 필요 없다. 스테인리스는 가공이 힘들고 또한 열전도성이 낮다.

메인티넌스와 오버홀

메인티넌스와 오버홀은 의미가 다르다. 메인티넌스는 ‘금형을 분해하지 않고 하는 정비’이고, 오버홀은 ‘금형을 분해하여 하는 정비’이다. 고장이 나서 하는 수리와는 다르며, 생산 계획에 포함시켜 계획적으로 한다.
인서트 구조부의 메인티넌스는 인서트에 틈새, 헐거움, 움푹 패임, 상처, 오염이 없는지의 여부로, 성형 현장 및 성형 현장 근처의 메인티넌스 장소에서 실시한다. 인서트의 상황은 금형을 분해하지 않으면 상세하게는 알 수 없으므로 오버홀이 필요하다. 금형 공장으로 옮겨 실시하는 성형 공장도 많지만, 가능한 한 성형 공장에 가까운 장소로 적절한 장소를 설정해야 한다.
금형의 오버홀 시기는 금형마다 결정한다. 보통은 일수(3개월 등)로 결정하지만, 쇼트 수(10만쇼트 등)를 병용
(조건에 달하는 것이 빠른 쪽에 맞춘다)해야만 한다. 폴리아세탈 등 휘발성분이 금형에 부착하기 쉬운 성형 재료에서는 에어벤트가 막히기 쉬우므로 오버홀의 간격을 짧게 한다.

인서트 구조부의 분해

금형은 매우 정밀하게 조립되어 있으므로 금형 기술자가 아니면 분해 순서조차 알 수 없다. 성형 공장에 금형 오버홀 장소를 만드는 경우, 성형 현장에도 금형 기술자, 또는 그에 상당하는 지식을 갖고 있는 인재를 육성, 배치할 필요가 있다. 분해 작업 중에는 금형에 상처가 생기지 않도록 세심한 주의를 필요로 한다. 부드러운 강재는 상처가 생기기 쉬우므로 적정한 공구를 준비한다. 인서트 구조부는 가능한 한 단단한 강재를 사용해야만 한다. 분해했을 때, 재사용할 수 있는 부품과 사용할 수 없는 부품을 명확하게 구분한다. 대다수의 부품은 재사용이 가능하다. 볼트류는 오염을 제거하고 상처가 없는 것을 확인하면 재사용이 가능하지만, O링은 상처가 없어도 재사용해서는 안 된다.

인서트의 세정

인서트는 초음파 세정기를 사용하여 세정한다. 놋쇠 와이어 브러시로 문지르는 부품도 있다. 성형 재료의 휘발 성분인 부착물은 전용 세정제(또는 알콜)를 사용하여 완전히 제거한다. 세정 작업이 종료되면, 면플란넬 등으로 정성껏 닦는다. 이 때 오염, 상처, 헤이즈가 없는 것을 확인한다. 모든 부품에서 안쪽면과 측면에 대해서도 확인한다. 또한 육안으로 충분하지 않은 것이 있으므로 작업장에는 확대경을 상비한다.

인서트의 재연마

모든 부품을 점검하고, 필요한 부분을 다시 연마한다. 연마는 다양한 도구를 필요로 하며, 고도의 기능을 필요로 한다. 연마의 횟수나 시간은 제한해서는 안 된다. 기술자가 납득할 때까지 신중하게 작업한다. 단, 연마작업은 중단하면 작업면이 손상되므로 신속하게 해야 한다.

인서트 구조부의 조립

인서트 구조부는 정밀하게 조립해야 한다. 금형 오버홀 장소는 먼지가 없는 청결한 환경인 것이 중요하다. 실온을 일정하게 하는 것도 중요하다.
조립 작업은 분해 작업과 마찬가지로 상처가 생기지 않도록 세심한 주의를 필요로 한다. 적정한 공구를 준비한다. 금형의 조립에서는 맞춤이 매우 중요하다. 기술자의 기능이 최고로 발휘되는 공정이다.

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양산 성형의 초기에는 전혀 문제가 없었던 금형이 성형 개시 약 1개월 후에 작은 버가 인서트 틈새에 생겨, 성형품의 버 제거를 하지 않으면 안 되게 된 것이다. 성형 불량이 생겨 버린 경우는 성형이 중단되어 많은 시간과 비용이 소요된다. 또한 인서트를 다시 만드는 경우도 많다.
메인티넌스나 오버홀은 성형 불량을 예방하기 위해 반드시 필요한 작업이다.

아오바 타카시 (靑葉 堯)   아오바기술사사무소