1. 인서트 몰딩이란?
인서트란 금속, 유리, 목재, 섬유, 종이, 고무 또는 미리 성형된 플라스틱 부품과 같은 재료를 플라스틱에 내장한 것을 말합니다. 금속이 가장 일반적인 인서트 재료입니다. 인서트 성형은 사출 금형 내부에 인서트를 적절한 위치에 고정하는 공정입니다. 그런 다음 플라스틱을 금형에 주입합니다. 금형이 열리면 냉각 및 경화된 플라스틱이 인서트를 감싸면서 나사산이나 전극과 같은 특징을 가진 부품이 만들어집니다.
인서트 성형에서 인서트는 두 가지 방법으로 금형에 배치할 수 있습니다.
1) 수동 배치
이는 사출 성형 사이클 시간을 상당히 증가시키며 소량 생산이나 복잡한 구조의 제품에 적합합니다.
2) 자동 배치
이는 대량 생산에 더 유리하며, 인적 오류를 줄이고 효율성을 높이며 생산 주기를 단축하고 제품 신뢰성을 향상시키는 데 도움이 됩니다.
2. 인서트 몰딩의 장점과 단점 2.1 인서트 몰딩의 장점
1) 플라스틱의 성형성 및 탄성과 금속의 강성, 강도 및 내열성을 결합함으로써 제품 크기와 무게를 줄이면서 견고하고 복잡한 일체형 금속-플라스틱 제품을 제조할 수 있습니다.
2) 플라스틱의 전기 절연성과 금속의 전기 전도성을 결합함으로써 성형 부품은 전기 제품의 기본 기능 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 또한 자기 전도성, 내마모성 및 고정력과 같은 특수 요구 사항도 충족할 수 있습니다.
3) 플라스틱에 금속 삽입물을 추가하면 플라스틱 부품의 강도를 높일 수 있습니다.
4) 인서트 몰딩은 설계 유연성을 높여주고 플라스틱, 금속 및 기타 부품을 결합할 수 있는 새로운 가능성을 열어줍니다.
5) 열 접착, 용접, 리벳팅과 같은 2차 공정을 제거하여 조립 시간과 비용을 잠재적으로 줄일 수 있습니다.
6) 삽입물은 금속에만 국한되지 않으며, 직물, 종이, 전선, 플라스틱, 유리, 목재, 코일, 전기 부품 및 성형 플라스틱 부품도 포함될 수 있습니다.
7) 단단한 성형 부품과 고무 밀봉 시트의 유연한 곡선 부품의 경우, 부품들을 함께 성형하여 일체형 제품으로 만들면 밀봉 링을 배열하는 복잡한 작업을 없애고 후속 자동 조립을 더 쉽게 할 수 있습니다.
8) 용융된 플라스틱은 금속 인서트와 결합되기 때문에 금속 인서트 주변의 간극을 압입 방식보다 더 작게 설계할 수 있어 제품 신뢰성이 향상되고 진동 테스트를 통과할 가능성이 높아집니다.
9) 적절한 플라스틱 재료와 성형 조건을 사용하면 유리, 코일, 전기 부품과 같이 변형이나 손상이 발생하기 쉬운 부품조차도 플라스틱으로 밀봉하고 고정할 수 있습니다.
10) 적절한 금형 설계를 통해 인서트를 플라스틱으로 완전히 캡슐화할 수 있습니다.
11) 수직 사출 성형기를 로봇 및 인서트 배열 장치와 결합하면 대부분의 인서트 성형 작업을 자동화할 수 있습니다.
2.2 인서트 몰딩의 단점
1) 인서트 배치로 인해 금형 구조가 복잡해지고, 성형 주기가 길어지며, 제조 비용이 증가하고, 자동화가 어려워지는 경우가 많습니다.
2) 인서트와 플라스틱의 열팽창 계수가 다르기 때문에 완제품에 잔류 응력이 발생하여 균열이 생길 수 있습니다. 이러한 문제는 특히 너트 인서트를 성형할 때 두드러지게 나타납니다.
3) 삽입물과 플라스틱 사이의 열팽창 차이로 인해 제품이 휘거나 변형될 수도 있습니다.
4) 인서트, 특히 너트 인서트는 잔류 응력을 줄이기 위해 예열 또는 건조가 필요한 경우가 많습니다.
5) 인서트는 금형에 단단히 고정되어야 합니다. 그렇지 않으면 용융된 재료의 충격으로 인해 인서트가 움직이거나 변형될 수 있습니다.
6) 인서트 성형 과정에서 결함이 발생할 경우(예: 불완전한 성형, 인서트 누락 또는 잘못된 인서트 위치 지정) 전체 제품을 폐기해야 할 수 있으며, 이로 인해 상당한 손실이 발생할 수 있습니다.
7) 인서트 몰딩은 제품 재활용 및 폐기를 더욱 어렵게 만듭니다.
3. 인서트 몰딩의 응용 분야
인서트 성형은 자동차, 의료, 전자 및 커넥터와 같은 산업 분야에서 널리 사용됩니다.
4. 인서트 몰딩 설계 지침
인서트 성형을 위한 설계를 할 때는 공정의 특성을 충분히 고려해야 하며, 제조 용이성 설계(DFM) 원칙을 따라야 합니다.
지침에는 다음이 포함됩니다.
1) 삽입재 선택. 구리, 알루미늄, 강철, 경질 이종 플라스틱 부품, 세라믹, 유리 및 플라스틱 모두 삽입재로 사용할 수 있습니다. 황동은 내식성이 뛰어나고 가공이 용이하며 가격이 적당하여 일반적으로 많이 사용됩니다.
2) 형상 삽입. 가능한 한 원형 또는 축대칭 형상을 사용하십시오. 균일한 수축을 촉진하고 국부적인 응력 또는 응력 집중을 방지하기 위해 날카로운 모서리와 예각을 피하십시오.
3) 인서트 자체에 DFM 원칙을 적용하십시오. 금속 인서트는 기계 가공 또는 스탬핑으로 제조되므로 형상이 제조 공정에 적합해야 합니다.
▲ 인서트 자체의 DFM 설계
4) 금형 내 배치 및 위치 조정을 용이하게 하기 위해, 돌출된 인서트 부분(금형 내에 위치하는 부분)은 원통형이어야 합니다. 원형 구멍이 금형 가공에 더 용이하기 때문입니다.
▲ 삽입물의 돌출부 디자인
5) 인서트에는 사출 성형 중 플라스틱 플래싱을 방지하기 위해 밀봉 숄더 또는 이와 유사한 특징이 포함되어야 합니다.
▲ 삽입물 어깨 부분 디자인
6) 삽입물 아래의 플라스틱이 너무 얇아져 외관과 강도에 영향을 미치는 물결 모양의 수축 자국이 생기는 것을 방지하기 위해 삽입물 바닥에서 플라스틱 벽까지의 최소 거리 T는 T > D/6이어야 합니다.
▲ 삽입물과 바닥면 사이의 거리
거리가 너무 가까우면 아래 그림과 같은 설계를 사용할 수 있습니다.
▲ 균일한 벽 두께 유지
7) 금형의 충분한 강도를 유지하기 위해서는 인서트와 제품 측벽 사이의 간격이 너무 작아서는 안 됩니다.
▲ 삽입물과 측벽 사이의 간격
8) 인서트를 보스에 삽입할 때는 보스의 바닥까지 연장되도록 해야 하며(최소 바닥 두께는 유지), 이를 통해 플라스틱 본체와의 견고한 결합 및 충분한 강도를 확보해야 합니다. 인서트의 머리 부분은 둥글게 처리해야 합니다.
▲ 보스에 삽입
9) 작은 원통형 삽입물은 중앙 슬롯이나 표면의 다이아몬드 널링을 이용하여 플라스틱 본체에 고정할 수 있습니다. 널링 홈의 깊이는 1~2mm여야 합니다.
▲ 소형 원통형 삽입물 고정
10) 판형 또는 시트형 삽입물은 구멍이나 창을 이용하여 고정할 수 있습니다. 얇은 삽입물(두께 0.5mm 미만)의 경우, 홈을 내거나 구부리는 것이 좋습니다.
▲ 판형 또는 시트형 삽입물 고정
11) 막대 모양의 삽입물은 끝부분을 평평하게 하거나, 홈을 내거나, 구부리거나, 쪼개거나, 또는 둥근 막대의 중간 부분을 평평하게 하여 고정할 수 있습니다.
▲ 막대형 삽입물(변형된 끝부분) 고정
▲ 튜브형 삽입물 고정(변형된 중간 부분)
12) 스탬핑된 튜브형 인서트의 경우, 스탬핑 과정에서 돌출부를 형성하여 고정력을 향상시킬 수 있습니다.
▲ 스탬핑 처리된 튜브형 인서트 고정(변형된 중간 부분)
13) 커넥터에서 단자 삽입부가 플라스틱에 단단히 고정되도록 하는 것은 제품 설계 엔지니어에게 중요한 고려 사항입니다. 단자 고정력을 크게 향상시키는 일반적인 방법은 다음과 같습니다.
- 플라스틱에 박힌 단자에 구멍을 뚫는다
- 단말기에 불규칙한 형태를 부여합니다.
- 터미널을 구부리다
- 단자에 표면 거칠기 또는 돌출/음각 형상을 추가합니다.
- 플라스틱 벽 두께 증가
▲ 구멍, 불규칙한 단면 및 굴곡이 있는 단자 삽입물
5. 너트 인서트 설계 지침
너트 인서트는 가장 일반적인 인서트 유형 중 하나입니다. 너트 인서트와 그에 맞는 플라스틱 보스는 정확하게 설계되어야 하며, 그렇지 않으면 인발력 부족이나 보스 균열과 같은 품질 문제가 발생할 수 있습니다.
5.1 너트 설치 방법 세 가지
플라스틱 부품에 너트를 박는 방법에는 세 가지가 있습니다.
1) 열처리된 견과류
열접착은 가장 일반적인 설치 방법이며, 일반적으로 열접착기 또는 수동식 납땜 인두를 사용하여 수행됩니다.
2) 인서트 몰드 너트
이 방법은 플라스틱 보스의 구멍 직경을 매우 정밀하게 제어해야 하며, 일반적으로 0.05mm 이내로 제어해야 합니다. 너트는 성형 핀으로 고정되어 사출 금형 내에 위치하므로, 구멍 직경은 사출 성형기의 핀 크기에 맞춰 제어해야 합니다.
3) 초음파 삽입
초음파 진동은 너트와 공작물 사이에 마찰을 일으켜 접합면의 온도를 상승시킵니다. 온도가 공작물의 연화점에 도달하면 너트가 플라스틱 부품에 완전히 고정됩니다. 진동이 멈추면 공작물은 냉각되고 압력 하에서 응고됩니다. 각 방법에는 장단점이 있으며, 이 글에서는 인서트 성형 너트에 대해 중점적으로 다룹니다.
5.2 인서트 너트의 외부 형상
인서트 너트의 외부 형상은 플라스틱 재질과의 강력한 기계적 결합을 위해 특별히 설계되었습니다. 주요 특징으로는 토크 및 인발 저항을 극대화하기 위한 다이아몬드형 또는 직선형 널링이 있습니다. 회전을 방지하기 위해 세로 홈이나 언더컷이 추가되는 경우가 많습니다. 하단의 모따기된 가이드를 통해 금형이나 사전 성형된 구멍에 쉽고 정확하게 삽입할 수 있습니다. 또한, 상단 플랜지 또는 칼라는 삽입 깊이를 제한하고 축 방향 지지력을 제공합니다. 일부 설계에는 용융된 플라스틱이 나사산으로 흘러넘치는 것을 방지하기 위한 밀봉 링이 포함되어 있습니다. 이러한 기하학적 특징들이 결합되어 매우 안정적이고 내구성이 뛰어난 연결을 보장합니다.
5.3 인서트 너트 사양 예시
5.4 플라스틱 보스 디자인 및 너트 선택
1) 너트와 플라스틱 돌출부의 기본 치수
- 치수 d는 너트의 바닥 부분으로, 가이드/위치 지정 부분이라고도 합니다. 삽입 전에 이 부분은 플라스틱 돌출부의 C 부분과 맞물립니다. 따라서 위치 지정을 용이하게 하기 위해 너트 바닥의 치수 d는 플라스틱 돌출부의 내경 C보다 작아야 합니다.
- 치수 D는 너트의 외경이며, 플라스틱 돌출부의 내경 C에 해당합니다. 휴대폰 너트의 경우, 플라스틱 구멍의 직경은 일반적으로 너트의 외경보다 약 0.25~0.3mm 작습니다.
- 치수 L은 너트의 길이이며, 플라스틱 돌출부의 구멍 깊이 Y에 해당합니다. 플라스틱 구멍은 일반적으로 너트 길이보다 0.5~1.0mm 더 깊게 설계되어 남는 플라스틱 부분을 위한 공간을 확보합니다.
- W는 구멍 주변의 플라스틱 벽 두께입니다. 플라스틱 돌출부의 벽 두께는 일반적으로 최소 0.8~1.0mm입니다. 너트 크기가 클수록 벽 두께가 더 두꺼워야 합니다. 아래 매개변수 표를 참조하십시오.
| Thread | 외경 D | 길이 L | 플라스틱 보스 홀 | 플라스틱 벽 두께 W | |
| 직경 C | 깊이 Y | ||||
| M1.2 * 0.25 | 2.3 | 2.0 | 2.0 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| M1.2 * 0.25 | 2.5 | 2.0 | 2.2 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| M1.4 * 0.3 | 2.3 | 1.8 | 2.0 | 2.8 | 0.8 |
| 2.0 | 3.0 | ||||
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| M1.4 * 0.3 | 2.35 | 2.0 | 2.1 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.4 * 0.3 | 2.5 | 2.0 | 2.2 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| M1.4 * 0.3 | 2.7 | 2.0 | 2.3 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| M1.6 * 0.35 | 2.5 | 1.8 | 2.2 | 2.8 | 1.0 |
| 2.0 | 3.0 | ||||
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.6 * 0.35 | 2.7 | 2.0 | 2.3 | 3.0 | 1.0 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.6 * 0.35 | 3.0 | 2.0 | 2.6 | 3.0 | 1.0 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.7 * 0.35 | 3.0 | 2.0 | 2.6 | 3.0 | 1.2 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.8 * 0.35 | 3.0 | 2.0 | 2.6 | 3.0 | 1.2 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
5.5 일반적인 문제 및 해결 방법
1) 플라스틱 보스의 구멍 크기를 정확하게 측정하는 것이 매우 중요합니다. 구멍이 너무 크면 너트가 체결된 후 플라스틱이 제대로 결합되지 않아 토크 및 인발 저항이 부족해집니다. 반대로 구멍이 너무 작으면 플래시(불필요한 플라스틱 찌꺼기)가 발생하거나 균열이 생길 수 있습니다.
2) 너트 치수와 플라스틱 치수가 정확한데도 문제가 지속되면 설계 개선을 고려하십시오.
플라스틱 돌출부가 얕기 때문에 이중 사선 널링 너트를 사용하면 너트 치수를 조정한 후 널링 부분이 짧아질 수 있습니다. 이렇게 되면 너트가 장착되었을 때 플라스틱이 널링에 접촉하는 부분이 너무 적어 토크 및 인발 저항이 부족해집니다. 따라서 일반적으로 플라스틱 돌출부 구멍의 깊이는 최소 2.5mm, 너트 길이는 최소 2.0mm로 하는 것이 좋습니다.
개선 사항: 금형 수정이 어려운 경우, 오른쪽 그림과 같이 너트 널링 패턴을 단일 경사 BS1 패턴으로 변경하는 것을 고려하십시오. 이렇게 하면 널링 단차 높이가 증가하고 널링과 접촉하는 플라스틱 양이 늘어나 토크 및 인발 저항이 향상됩니다.
3) 플라스틱 돌출부의 구멍 주변에 플래싱 또는 균열 발생
왼쪽 그림과 같은 너트 형태를 사용할 경우, 너트가 플라스틱에 박힌 후 A1과 A2 영역은 팽창하는 반면 B 영역은 급격하게 수축합니다. 이로 인해 플라스틱이 제대로 흘러나오지 못하고 너트의 위쪽과 아래쪽 끝부분에 플래시가 발생하여 제품 외관에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.
개선 사항: C 부분을 가이드 및 위치 지정 기능으로 활용하여 너트를 플라스틱 구멍에 단단히 고정함으로써 효율성과 수율을 향상시킵니다. C 부분의 가이드 기능 덕분에 A2 영역에서 일부 플라스틱이 밀려나면서도 A1 영역에는 충분한 양의 플라스틱이 남게 됩니다. 또한, A1 및 A2 영역에는 90°의 포함 각도와 45°의 경사를 가진 사선형 널링이 있습니다. 이 널링들이 만나는 지점은 원주 방향 토크에 저항하는 강력한 연결부를 형성하여 토크 및 인발 저항을 크게 향상시킵니다.
