이제 열가소성 엘라스토머(TPE) 오버몰딩을 시작해야 할 때입니다. TPE는 전통적으로 고무를 대체하는 데 사용되어 왔지만 새로운 소비자 시장 트렌드로 인해 비즈니스 세계에서 오버몰딩 아이디어가 현실화되었습니다. 인체공학적 촉감과 터치, 그립감, 외관, 충격 보호, 진동 차단, 단열성 향상에 대한 소비자 시장의 수요와 트렌드는 점점 더 커지고 있습니다. 소비자 제품 디자이너들은 까다로운 최종 사용 환경에서 보기 좋고 촉감이 좋으며 잘 작동하는 솔루션을 개발함으로써 소재 제조업체가 충족해야 할 표준을 정립하고 있습니다.

이 글에서는 TPE 오버몰딩 기술에 대해 전반적으로 살펴보고, 이 트렌드를 위한 디자인 솔루션을 만드는 데 사용할 수 있는 소재 그룹에 대해 설명합니다. 경질 소재의 경우 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리스티렌(PS), 고충격 폴리스티렌(HIPS), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PETG), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리에스터(PET, PBT) 및 폴리아미드(나일론 6, 나일론 66) 같은 반결정 극성 플라스틱이 그 예가 될 수 있습니다. 소재를 혼합하고 조합하는 새로운 기술을 통해 이러한 다양한 기질에 오버몰딩할 수 있는 제품을 만들 수 있게 되었습니다.

단단한 표면에 오버몰딩된 TPE의 경우 많은 것들이 매우 중요합니다. 첫 번째이자 가장 중요한 것은 단단한 베이스와 함께 사용할 TPE의 유형을 선택하는 것입니다. 또한 오버몰딩 공정(인서트 또는 2K 몰딩 등), 기계 유형, 공정 조건, 재료 준비 방법, 부품 디자인 및 금형 설계도 중요합니다. 고유한 소재 기술, 새로운 부품 및 도구 설계, 오버몰딩 기술의 개선은 디자이너가 끊임없이 증가하는 소비자의 편안함, 미관, 부가가치에 대한 요구를 충족할 수 있도록 적극적인 마인드를 유지하게 합니다.

TPE 오버몰딩 기술

TPE 오버몰딩 사출 성형은 한 재료(오버몰드)를 다른 재료(서브스트레이트) 위에 올려놓는 방식입니다. 오버몰딩된 소재는 최종 사용 환경에서 오래 지속되고 잘 작동하는 방식으로 기판에 달라붙어야 합니다. 오버몰딩을 사용하면 TPE를 단단한 소재에 부착하기 위해 접착제와 프라이머를 사용할 필요가 없습니다. 오버몰딩 기술은 디자이너에게 더 많은 자유를 주고, 생산 비용을 낮추며, 더 쉽게 제품을 만들 수 있게 해줍니다. 다중 재료 몰딩과 인서트 몰딩은 오버몰딩을 수행하는 두 가지 주요 방법입니다.

두 가지 이상의 재료를 사용한 사출 성형은 멀티컬러 또는 투샷 사출 성형이라고도 합니다. 그림 1은 사용되는 도구의 종류를 보여줍니다. 여기에는 두 개 이상의 사출 유닛이 있습니다. 사출기 암은 서로 평행하거나 서로 직각이 되도록 설정할 수 있습니다. 금형에는 두 세트의 구멍이 있습니다. 한 세트는 기본 재료를 성형하고 다른 세트는 피복 재료를 성형합니다.

투샷 몰딩 공정에는 두 단계가 있습니다. 첫 번째 단계는 첫 번째 배럴이 기판의 구멍 세트를 채우는 것입니다. 소재가 식으면 금형이 열리고 소재가 금형에서 나오지 않고 움직일 수 있는 면이 180° 회전합니다. 그런 다음 금형을 닫고 오버몰드 재료를 두 번째 배럴에 주입합니다. 금형의 후반부는 가만히 있는 쪽에서 채워집니다. 부품의 양쪽에서 오버몰드 재료를 성형해야 하는 경우 금형이 회전하지 않고 두 세트의 구멍 사이로 부품을 이동할 수 있습니다.

로터리 압반 기계와 로터리 다이 기계 비교: 프레스의 두 번째 부분에 있는 회전 플래튼은 때때로 기계에 내장되어 회전합니다. 로터리 플래튼을 네 번 별도로 사용할 때는 일반적으로 그 위에 장착된 몰드 하프가 사용됩니다. 회전이 도구 자체에 내장되어 있고 몰드 하프가 두 개만 있고 몰드 구멍이 네 세트인 경우도 있습니다.

이동: 코어 공정의 툴에는 유압 또는 공기로 구동되는 움직이는 부품이 있습니다. 첫 번째 피착재가 사출되고 냉각 시간이 주어지면 금형 섹션이 뒤로 당겨져 TPE 오버몰드 소재를 위한 공간이 만들어집니다. 그런 다음 대부분 인서트가 뒤로 당겨질 때 보이는 구멍의 측면에서 TPE를 주입합니다. 이 방법은 더 빠른 사이클 시간, 더 많은 캐비테이션 및 더 나은 기계 성능을 제공합니다. 유일한 문제는 일정한 두께의 TPE만 사용할 수 있다는 것입니다.

인서트 몰딩-인서트 오버몰딩

인서트 몰딩은 오버몰딩의 한 유형으로, 인서트 몰딩 시 이미 성형된 단단한 플라스틱 기판 또는 금속 부품을 로봇이나 사람이 구멍에 넣습니다(그림 2). '오버몰드'라고 하는 두 번째 재료는 인서트의 한쪽 또는 전체 주위에 다른 방식으로 배치됩니다. 인서트 몰딩에는 표준 사출 성형 도구가 사용됩니다.

회전 또는 이동? 테이블 몰딩: 수평 사출 장치 또는 로봇을 사용하여 첫 번째 위치의 두 번째 캐비티에 기판을 성형하거나 인서트를 넣습니다. 테이블이 다음 스테이션으로 이동하거나 회전하면 다른 수평 또는 수직 사출 유닛이 TPE를 넣는 데 사용됩니다. 핫 스프 루를 사용하거나 러너를 분할 라인에 놓을 수 있습니다. 회전 장치의 테이블을 세 번째로 돌리면 완성된 두 부분으로 된 부품이 배출되는 "오프로드" 스테이션으로 보내집니다.

TPE 오버몰딩 공정

어떤 공정과 금형 디자인을 사용할지는 선택한 재료, 인건비, 사용 가능한 도구와 기계, 대량 생산의 경제성에 따라 달라집니다. 인서트가 열가소성 플라스틱이 아닌 경우 인서트 몰딩을 사용해야 합니다. 소량의 플라스틱 또는 금속 기판만 필요한 경우, 현지 인건비가 저렴하고 도구 비용을 낮게 유지해야 하는 경우에는 수작업으로 배치해야 합니다. 작업량이 많은 경우에는 셔틀 도구를 사용할 수 있습니다. 로봇으로 배치된 인서트와 회전 테이블 도구는 작업량이 비용을 정당화할 수 있을 때 사용할 수 있습니다. 많은 부품을 제작해야 하거나 거주 지역의 인건비가 높은 경우 플라스틱 소재에는 두 대의 재료 성형기가 가장 적합합니다. 가장 많은 생산량과 가장 멋진 외관의 부품을 만들려면 밸브 게이트가 있는 핫 러너 시스템이 가장 좋습니다.

오버몰딩 부품 설계 고려 사항

오버몰딩 디자인에는 다양한 부분이 있으며, 이 백서에서는 몇 가지 일반적인 사항에 대해 설명합니다.

소재와 관련하여 접착 가능한 TPE는 일반 TPE보다 더 엄격한 규칙이 적용됩니다. 부품을 제작할 때도 마찬가지입니다. 두 부분으로 구성된 부품을 설계할 때는 서로 다른 두 가지 연성 소재가 어떻게 수축할지 고려해야 하는데, 이는 한 부분으로 구성된 부품을 설계하는 것과는 다릅니다. 둘 다 사용되는 소재의 특징에 따라 맞춤화해야 하는 자체 게이트 및 러너 시스템이 있습니다.

최상의 사이클 시간을 얻으려면 베이스와 오버몰드의 얇은 벽이 가능한 한 균일해야 합니다. 대부분의 오버몰딩 상황에서는 두께가 1mm에서 3mm 사이인 벽이 잘 결합됩니다. 부품에 두꺼운 영역이 필요한 경우 부품이 너무 많이 수축되지 않도록 코어를 제거하여 사이클 시간과 무게를 줄여야 합니다. 백필 및 가스 트랩과 같은 흐름 문제를 방지하려면 벽 두께를 천천히 변경해야 합니다. 날카로운 모서리에 원(최소 0.5mm)을 추가하면 해당 영역의 응력을 낮추는 데 도움이 될 수 있습니다. 깊고 어두운 포켓이나 열 수 없는 리브는 피해야 합니다. 롱 드로우 샷은 3~5도 정도의 드래프트가 있어야 공이 잘 빠져나갈 수 있습니다. 오버몰드 컴파운드로 깊은 언더컷을 만들 수 있지만, 금형이 열릴 때 사전 코어를 사용하고 부품에 날카로운 모서리가 없으며 엘라스토머가 금형에서 나올 때 구부러지도록 허용하는 경우에만 가능합니다.

대부분의 TPE 제품은 성형 시 흐름 방향으로 상당히 많이 수축하지만 교차 흐름 방향으로 성형할 때는 그다지 많이 수축하지 않습니다. 이로 인해 부품을 공구에서 꺼낸 후 오버몰딩된 소재가 피착재보다 더 많이 수축할 수 있습니다. 그러면 일반적으로 오버몰딩 재료의 흐름 방향으로 기판 부품이 휘어지거나 컵 모양이 될 수 있습니다. 기판이 오버몰드보다 얇거나 강성이 낮은 기판 소재를 사용하는 부품에서는 특히 이러한 문제가 발생합니다. 부품은 길고 얇아야 합니다. 이는 더 높은 모듈러스를 가진 기본 재료를 사용하고 기판에 보강 리브를 추가하여 부분적으로 해결할 수 있습니다. 또한 더 얇은 코팅과 경도가 낮은 오버몰드 등급을 사용하는 것도 도움이 됩니다. 게이트를 이동하여 TPE의 흐름 패턴을 변경하는 것도 도움이 될 수 있습니다.

최소 6.3mm 두께의 성형판(ASTM D2240)에서 찌그러지는 것에 대한 소재의 저항력인 쇼어 경도는 TPE 소재를 측정하는 데 사용됩니다. 경도가 낮은 제품은 같은 두께라도 외부에서 더 부드럽게 느껴집니다. 그러나 오버몰딩은 일반적으로 TPE의 얇은 피부에서만 이루어지기 때문에 아래의 단단한 베이스가 부드러운 느낌에 영향을 미칩니다. 이를 경도 테스트에 넣으면 피부가 부드럽더라도 움푹 들어간 부분이 작으면 더 단단하다는 것을 알 수 있습니다. 고무 오버몰드가 부품의 양쪽(A와 B)에 있는 경우 금형 섹션 사이를 이동할 수 있는 두 개의 재료 금형을 사용해야 하며, 단순한 부품의 일부 또는 전체 측면에 매끄러운 층을 만들려면 움직이는 코어가 있는 두 개의 재료 금형을 사용해야 합니다. 엘라스토머와 기판의 벽 두께에 따라 출력 속도가 매우 높을 수 있습니다.

TPE가 엔지니어링 열가소성 플라스틱을 고수하는 방법

단단한 엔지니어링 플라스틱과 부드러운 고무가 서로 얼마나 잘 달라붙는지는 여러 가지 요인에 따라 달라질 수 있습니다. 두 소재 간의 구체적인 관계를 구축하려면 두 소재의 표면 에너지가 동일해야 합니다. TPE의 표면에 달라붙는 힘은 또 다른 중요한 요소입니다. TPE와 피착재 사이에서 특정 반응이 일어나려면 서로 매우 밀착되어 있어야 하고 표면이 젖어 있어야 합니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 TPE의 신학화 방식에 따라 습윤 방식이 결정됩니다. 오버몰딩 소재는 점도가 높지 않습니다. 또한 전단에 민감하고 전단 얇아짐 현상을 보입니다.

아래 그림은 유속이 높을 때 점도가 범위의 하단에 가깝다는 것을 보여줍니다. 이는 오버몰딩에서 흔히 발생하는 벽이 얇은 영역에 TPE가 들어가서 채우는 데 도움이 됩니다.

TPE의 화학적 특성과 산업용 플라스틱의 종류는 젖음성에 큰 영향을 미칩니다. 접착 품질뿐만 아니라 엘라스토머의 확산 및 점탄성 특성도 중요한 역할을 합니다. TPE와 딱딱한 피착재가 만나는 지점은 접착 강도와 실패 유형 모두에 매우 중요하며, 이는 응집성(C) 또는 접착성(A) 중 하나일 수 있습니다. 강한 결합의 징후를 찾을 때는 일반적으로 응집력이 가장 좋은 방법이라고 생각됩니다. 그러나 결합 강도가 중간 정도에 불과한 약한 TPE는 연결이 강한 것처럼 보일 수 있습니다. 접착제가 실패하더라도 좋은 결합이 존재하는 경우도 있습니다. 딱딱한 기판과 부드러운 열가소성 엘라스토머가 서로 붙는 데 도움이 되는 세 가지 유형의 공정이 접촉부에 있습니다. 아래 그림에서 확인할 수 있습니다.

디자인은 기계적 연결을 가능하게 하는 요소입니다. 두 표면 사이에 실제 연결이 이루어지지는 않지만 이 경우 모든 TPE가 작동합니다. 두 번째 방법은 기판과 오버몰딩 TPE 소재가 화학적으로 호환되기 때문에 작동합니다. 화학적 호환성은 표면 에너지에 기반하며, 이는 피착재와 TPE가 얼마나 잘 접착되는지와 관련이 있습니다. 성형 방법과 온도가 적절하면 베이스와 오버몰드의 분자가 섞이는 곳에 계면이 형성될 수 있습니다. 폴리에틸렌을 베이스로 하여 성형된 스티렌계 TPE 또는 올레핀계 TPE로 인터페이스를 만들 수 있습니다. 세 번째 방법은 TPE에 내장할 수 있습니다. 본딩 공정은 TPE 그룹과 경질 기질 사이의 특정 극성 상호 작용 또는 화학 반응으로 구성됩니다.

"90도 박리 테스트"를 통해 TPE와 산업용 플라스틱 사이의 결합 강도를 확인할 수 있습니다. 당사는 플라스틱에 대한 ASTM D903 방법을 변경하여 부드러운 TPE가 단단한 열가소성 플라스틱에 얼마나 잘 붙는지 테스트했습니다. 테스트에는 TPE 스킨 인서트가 몰딩된 몰드 베이스가 사용됩니다. Instron 인장 시험기는 베이스에 직각으로 1인치 너비의 TPE 스트립을 자르고 당기는 데 사용됩니다. 고무가 당겨지는 동안 90도 각도가 동일하게 유지되도록 휠에 고정되어 있습니다. 접착 강도는 엘라스토머를 베이스에서 잡아당기는 힘으로 알 수 있습니다. 이 힘은 보통 2인치 이상입니다. 접착 실패(A) 또는 응집 실패(C)로 인해 실패하는지 여부에 따라 두 그룹으로 나뉩니다. 접착 실패는 소재에 TPE 잔여물이 남아 있지 않음을 의미합니다. 제시된 수치는 접착력에 대한 세 가지 다른 연구의 평균입니다. 고객이 특정 수준의 접착력을 원하기 때문에 12 pli보다 높은 접착력 수치가 충분하다고 판단했습니다.

오늘날, 특히 부드러운 촉감이 필요한 시장 제품의 경우 딱딱한 소재에 TPE를 오버몰딩하는 것에 대한 관심이 매우 높습니다. 새로운 TPE가 점점 더 많은 피착재에 오버몰딩되고 있습니다. 이를 통해 디자이너는 더 많은 디자인 자유를 누리고 '미투' 카피품이 가득한 시장에서 돋보이는 제품을 만들 수 있습니다.

TPE는 매장에서의 판매에 도움이 되기 때문에 매우 유명합니다. 오늘날 사람들은 매장에서 다양한 제품을 선택할 수 있으며, 제품을 만드는 회사들은 자사 제품을 돋보이게 만들고 싶어합니다. TPE를 사용한 제품을 선택해야 하는 이유는 여러 가지가 있습니다. 오버몰딩 새로운 색상, 질감, 패턴, 편안함 등 표면을 개선할 수 있습니다. 많은 사람들은 딱딱한 플라스틱 느낌보다 '따뜻한' 부드러운 촉감을 더 좋아합니다. 그리고 고무처럼 보이고 느껴지는 물건이 더 가치 있다고 생각하는 경우가 많습니다. 사람들은 인체 공학과 관절 과사용 부상의 증가에 대해 더 많이 알게 되면서 자신의 몸에 더 잘 맞고 진동을 줄여주는 제품을 찾는 데 더 현명해졌습니다. 오버몰딩 TPE는 촉감이나 사용성 외에도 다른 용도로도 유용할 수 있습니다. 젖은 곳에서 안전하고 강력한 그립감 제공, 방수 개스킷 및 씰, 충격으로부터 보호하고 조기 파손을 방지하기 위한 몰딩된 '범퍼', 진동 감소 등이 그 예입니다.