고성능 플라스틱 부품의 재료 및 공정 선택

이 문서는 설계 엔지니어와 이를 지원하는 플라스틱 산업 내 사람들이 중요한 서비스 부품의 성능을 최대화하는 공정 순서와 재료를 선택하는 데 도움을 주기 위한 것입니다.

기계 가공된 플라스틱 부품과 사출 성형된 플라스틱 부품 간의 상대적인 차이에 관해 플라스틱 커뮤니티 내에는 많은 민속학이 존재합니다. 이 지식은 수지 및 모양 생산자가 발표한 데이터시트 값을 감안하면 이해하기 쉽습니다. 수지 데이터시트에 나열된 값은 거의 항상 주요 형상 공급업체에서 발표한 값보다 큽니다( http://bit.ly/datasheetreview ). 그 관찰로 인해 가능한 최고의 부품을 설계하고 제조하는 임무가 산만해지거나 느려지지 않도록 하십시오. 이러한 오해는 생산 지연, 저조한 성능 및/또는 예산 초과 부품 및 최악의 경우 예상치 못한 실패로 이어질 수 있습니다.

부품 설계

모든 디자인의 요소는 다음을 고려해야 합니다.

1. 성능 요건
2. 차원 속성
3. 목표 비용

처음 두 가지는 분명해 보이지만 목표 비용은 종종 간과됩니다… 결국 ” 모든 플라스틱 부품이 금속 대체품을 만드는 데 더 저렴하지 않습니까?” 아니요, 그렇지 않습니다. 많은 고성능 폴리머는 심지어 부피 기준으로도 특수 금속의 비용을 초과합니다. 일반적으로 플라스틱으로의 전환과 관련된 유리한 경제성은 플라스틱 부품을 단조, 주조 또는 표준 형상에서 기계가공하는 대신 최종 크기로 사출 성형하는 것과 관련된 제조 단계의 감소 및 개선된 재료 수율에서 비롯됩니다. 그러나 부품이 사출 성형을 위해 계획된 경우 금형에 필요한 자본이 비용에 포함되어야 합니다. 그 비용은 부품의 수명 동안 예상되는 부피에 포함되어야 합니다.

스톡 형태로 부품을 가공하면 툴링이 필요하지 않으며 첫 번째 부품 납품을 크게 개선할 뿐만 아니라 향상된 정밀도의 성능과 치수 이점을 모두 제공합니다.

재료 선택

새 부품용 수지를 선택할 때는 먼저 부품의 환경 및 적용 요구 사항을 고려해야 합니다. 온도, 화학 물질, 햇빛에 대한 고려 사항은 내마모성, 강도, 투명도 등과 같은 응용 분야 요구 사항과 결합되어 추가 고려 사항을 위해 후보 재료 제품군의 수를 관리 가능한 수로 줄입니다. 구조 부품에 대해 고온 강도와 저온 충격 강도의 균형을 필요로 하는 항공우주 애플리케이션은 설계자를 Torlon PAI로 이끌 수 있습니다. 또는 고온 증기에서 화학적 불활성을 필요로 하는 다운홀 O&G 부품으로 인해 엔지니어는 PEEK를 수지 제품군으로 정착시킬 수 있습니다. PEI, PSU, PPSU, PPS, 아세탈, 폴리카보네이트, 폴리에스터 및 나일론과 같은 용융 가공 가능한 플라스틱은 일반적으로 성능 지향 부품으로 간주됩니다. 몇 가지 핵심 질문에 대한 답변은 일반적으로 목록을 1개 또는 2개의 매우 우수한 재료군으로 줄일 수 있습니다.

• 내 부품은 베어링 및 마모 부품입니까, 아니면 구조 부품입니까?
• 예상 작동 온도 범위는 무엇입니까?
• 외관 요구 사항(투명도, 색상 등)이 있습니까?
• 어떤 특정한 환경적 요인을 고려해야 합니까?
• 필요한 최소 강도 요구 사항은 무엇입니까?
• 내충격성 및/또는 인성이 중요합니까?

업계 전문가와 대화하면 일반적으로 위의 질문에 대한 답변이 포함된 몇 가지 플라스틱 제품군을 가리킬 수 있습니다.

지금은 재료 선택 과정이 까다로울 수 있는 때입니다.

각 재료 제품군은 가공 분야에 더 많은 의미를 지닌 다양한 등급과 점도 유형으로 구성되어 있지만, 용어를 더 잘 이해하면 엔지니어링 도면에 나열된 재료 콜아웃을 일반적으로 소유하는 부품을 설계하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, Solvay는 각각 약간 다른 조성과 약간 다른 점도(분자량)를 가진 8개 이상의 Torlon 등급과 10개 이상의 서로 다른 PEEK 등급을 제공합니다. 일부는 조성이 다르고 일부는 점도가 다릅니다. 유리 및 탄소 섬유, 흑연, PTFE, 오일, 왁스 및 미네랄과 같은 첨가제는 강도 및/또는 내마모성과 같은 특정 특성을 향상시키기 위해 위의 각 기본 수지에 포함됩니다. 이러한 상황은 특정 부품에 대해 수백 가지의 후보 재료가 존재할 수 있음을 의미하는 모든 수지 제품군에 존재합니다.

그렇다면 어떻게 선택하고 언제 최종 학년을 선택합니까?

지금 은 잠정적으로 등급을 선택 하기에 좋은 시기이지만 영구적으로 등급을 선택하여 엔지니어링 도면에 추가하기 전에 프로세스 선택을 고려해야 합니다.

프로세스 선택

일반적으로 부품 크기/모양 및 예상 부피의 조합은 사출 성형 또는 기계 가공이 올바른 변환 경로임을 분명히 나타냅니다.

전환 프로세스 경로가 더 잘 알려지면 공급업체에 의견을 요청할 차례입니다. 가공을 위한 모양으로 사용할 수 있는 재료는 많지만 모든 수지 등급이 모든 크기로 제공되는 것은 아닙니다. 압출된 모양은 거의 항상 최고 분자량 수지에서 생산 되지만 많은 엔지니어는 가공할 부품의 인쇄물에 사출 성형을 위해 설계된 저점도 등급을 참조합니다. 이것은 거의 항상 소싱 및/또는 비용 문제로 이어집니다. Torlon 명명법에서 Torlon 4203L은 사출 성형용으로 지정된 저점도(고유량) 등급의 명칭입니다. 형상 생산에 사용되는 더 높은 점도 등급에는 “L” 표시가 포함되지 않습니다( http://bit.ly/gradedesignation ). 많은 인쇄물에 Torlon 4203L에 대한 참조가 포함되어 있지만 부품은 기계가공하도록 되어 있습니다. 빅트렉스의 PEEK 등급 명명 시스템 중 150 등급은 얇은 벽 부품 사출 성형을 위해 개발된 저점도(고유동) 등급인 반면 450 등급은 압출 형상 및 두꺼운 벽 부품에 더 적합합니다. 가공 부품에 대해 150G에 대한 재료 콜아웃을 다시 추가하면 도면 준수가 불가능해집니다. 아세탈 및 나일론 기반 플라스틱을 비롯한 많은 다른 재료에도 이와 동일한 상황이 존재합니다.

종종 유리 및 탄소 강화 등급은 더 큰 크기와 모양으로 찾기 어렵습니다. 숙련된 사출 성형업체는 선택할 수 있는 점도가 2~3개이므로 금형 캐비티를 가장 잘 채울 등급을 결정하기 전에 부품 단면과 전체 형상을 살펴봅니다. 저점도(고유동) 수지는 도구를 더 빨리 채우지만 마감 부품으로 인성이 낮다는 점을 항상 기억하십시오. 두 가지 요구 사항의 균형을 맞추는 것은 재료 선택의 일부입니다.

사출 성형은 플라스틱 부품을 만드는 매우 빠르고 효율적인 방법 이지만 초기 툴링 비용을 정당화해야 합니다. 오늘날 금형의 범위는 $10,000에서 $100,000 이상입니다. 강화 등급은 섬유 방향으로 인해 가공 문제를 일으킬 수 있지만, 이러한 문제는 금형 흐름과 기계적 특성의 방향성을 예상하는 다년간의 경험을 활용할 수 있는 성형업체와 긴밀히 협력하여 거의 항상 극복할 수 있습니다. 압출된 모양은 툴링이나 NRE 비용이 거의 또는 전혀 없이 부품 방향을 통해 가능한 최고의 강성과 강도를 가능하게 하는 매우 견고한 가공 공정을 가능하게 합니다. 압축 성형된 모양을 사용하면 녹지 않는 특정 플라스틱을 모양으로 만들 수 있습니다. 압축 성형만 가능한 플라스틱의 예로는 PTFE, UHMW 및 거의 모든 열경화성 수지가 있습니다. PEEK 및 PAI와 같은 기타 재료는 압출 및 압축 성형을 통해 처리됩니다. 대부분의 압축 성형 플라스틱의 기계적 강도/강성은 용융 처리된 플라스틱보다 낮지만 가공 중에 치수적으로 더 안정적일 수 있습니다.

모든 모양과 크기가 각 제조업체에서 동일하게 생산되는 것은 아니므로 동일한 등급의 재료 내에서도 다른 강도 및 강성 특성이 나타날 수 있습니다. 기계 기술자 및 형상 제조업체와 긴밀히 협력하는 것은 부품이 최고 수준이고 필요에 따라 성능이 발휘될 수 있도록 하는 가장 신뢰할 수 있는 방법입니다.

부품 수명 동안의 생산 단계에는 기계 가공과 성형이 모두 포함될 수 있습니다 . 많은 부품이 처음에는 부피가 적고 설계가 여전히 유동적일 때 기계가공을 통해 생산되며 나중에 설계가 확정되고 개념이 입증되면 사출 성형으로 전환됩니다. 설계 및 소싱 엔지니어는 모든 생산 경로에 대한 경험이 필요하거나 최소한 폴리머 처리에 대한 광범위한 경험이 있는 공급업체와 협력해야 합니다. 설계 엔지니어는 모든 성능 속성이 동일하게 유지되기를 기대하면서 가공된 플라스틱 부품을 사출 성형 부품으로 변환하는 데 좌절한 경우가 너무 많습니다. 섬유 방향, 부품 인성, 마모율 및 정밀도는 기계 부품과 사출 성형 부품 간에 거의 항상 다릅니다. 사출 성형된 모양이나 부품을 가공하는 경우에도 압출 또는 압축 성형된 모양에서 가공(부품)하는 것과 다른 특성을 얻을 수 있습니다. 프로젝트 시작부터 이러한 차이점을 이해하면 이후 생산 단계에서 예상치 못한 놀라움을 완화하는 데 도움이 됩니다.

부품 및 공정 설계가 시스템 성능에 중요한 고성능 폴리머를 사용하여 설계하려면 모든 의도된 공정 옵션에 대한 전문 지식이 필요합니다. Drake의 자체 압출, 사출 성형 및 기계 가공의 고유한 조합을 통해 경제성과 성능을 모두 염두에 두고 항상 특정 부품에 가장 적합한 공정을 선택할 수 있습니다.

다음 격언을 주의 깊게 기억하여 프로세스와 프로세서를 선택하십시오.
나쁜 프로세스는 없습니다… 그러나 기능 요구 사항에 대해 묻지 않고 이 중요한 정보를 기반으로 재료 및 프로세스 선택에 대한 접근 방식을 수정하지 않는 정보가 없는 프로세서와 엔지니어 가 있습니다.