사출성형은 고체 상태의 플라스틱 원료(pellet)를 가열하여 사출성형기 용융시킨 다음 강한 압력으로 노즐을 통과시킨 후 금형에 주입하여 원하는 형상을 만드는 가공법이다. 사출금형은 용융수지가 냉각을 거쳐 고화되면서 발생하는 수축 변화량을 감안해서 제작해야 한다. 성형품 크기가 작아지는 정도는 수축율로 표기하며 다음과 같이 계산한다.
수축율과 금형크기
S = (M-P)/M = 1-(P/M)
S : 수축율
M : 상온에서의 금형 치수
P : 상온에서의 성형품 치수
위 식에서 수축율을 적용한 금형 치수를 계산할 수 있다.
M = P/(1-S)
식의 우변에 (1+S)/(1+S)를 곱하면
M = {P/(1-S)}X{(1+S)/(1+S)} = {PX(1+S)}/(1-S)2
수축율 S는 매우 작은 값이고 (1-S)2은 1에 수렴하므로 1로 보아도 무방하다. 따라서 수축율을 반영한 금형 치수는 아래와 같다.
수축율과 금형설계
금형설계는 위 산술식에 근거하여 캐드(CAD) 프로그램에서 제품도면 및 모델링 데이터에 스케일(Scale) 기능을 적용한다. 수축율(S) 크기는 적용 수지마다 다르며 대개의 경우 금형제작을 의뢰하는 고객이 정한다. 금형제작사양서를 보면 수축율을 기입하는 칸에 0.005 또는 5/1000와 같은 기록을 볼 수 있다. 간혹 1.005라고 적혀 있는 경우도 있는데 (1+0.005)를 의미하는 것이므로 주의가 필요하다. 3D 모델링에서 원점을 기준삼아 체적 전반에 동일한 수축율을 적용하지만, 제품 특성상 방향에 따라 수축 정도가 다를 것으로 예상된다면 X,Y,Z축 방향의 수축율을 다른 크기로 설정하는 경우도 있다.
수축율과 성형조건
성형조건과 금형제작 상태는 수축 크기에 영향을 미친다. 캐비티 내에서 수지에 작용하는 압력(보압)이 크고 보압 유지시간이 길면 수축율은 작아진다. 냉각시간이 길면 금형 안에서 수지가 충분히 고화하기 때문에 성형수축율이 작아진다. 섬유강화수지는 수축율을 감소시키고, 큰 게이트 단면적도 수축율을 작게 한다. 반면에 제품 살두께가 두꺼우면 냉각효과가 떨어져 수츅율이 커진다. 이 외에 미세한 수축을 일으키는 요인에는 사출성형품이 지니고 있는 내부응력, 성형중 일어나는 용융수지의 결정화 정도, 온도, 습도 등이 있다.