맞춤형 실리콘 고무 몰드가 프로토타이핑 및 소량 생산을 어떻게 가속화하는가

빠른 프로토타이핑과 수요 기반 제조에 대한 수요 증가

2020년 이후 실리콘 고무 몰드에 대한 수요가 약 43% 증가했으며, 이는 기업들이 오래된 철강 공구 방식에서 벗어나 더 빠른 개발 주기를 추구하고 있기 때문이다. 작년 테크나비오(Technavio)의 보고서에 따르면, 2027년까지 글로벌 급속 프로토타이핑 시장이 약 23억 달러 성장할 것으로 예측된다. 흥미로운 점은 실리콘 몰딩이 의료기기 제조 및 자동차 부품 생산과 같은 다양한 분야에서 작동 가능한 프로토타입을 제작하는 데 있어 선호되는 방법으로 계속 자리 잡고 있다는 것이다. 출시 시간이 매우 중요한 오늘날에는 실리콘 몰딩이 제공하는 유연성이 매우 합리적이다.

실리콘 몰딩이 개발 주기를 단축하는 방법

실리콘 고무 몰드는 CNC 가공이나 사출 성형 공구에 비해 리드타임을 65~80% 단축하여 복잡한 형상을 당일 몰드 제작이 가능하게 한다. 주요 장점은 다음과 같다.

• 상온 경화 열 왜곡 위험을 제거함
• 유연한 탈형 별도의 몰드 세그먼트 없이 언더컷 구현 가능
• 재사용 가능한 몰드 재료 선택에 따라 50~5,000 사이클까지 지원

2024년 제조 효율성 보고서에 따르면 실리콘 몰드를 사용하는 제조업체들은 소량 생산 시 평균 22일의 시장 출시 시간을 단축했다.

사례 연구: RTV-2 액상 실리콘을 사용해 48시간 만에 제작된 자동차 센서 하우징

최근 한 티어-1 공급업체가 RTV-2 액상 실리콘 고무 몰드를 활용하여 내열성 자동차 센서 하우징(벽 두께 0.2mm)을 이틀 만에 생산하였으며, 기존 방식 대비 90% 빠른 속도였다. 해당 공정은 다음 결과를 달성함:

이 접근 방식은 2차 마감 공정을 완전히 제거하면서 ±0.15mm의 허용오차를 유지하여 프로토타이핑과 중간 규모 생산 사이의 갭을 해소하는 데 있어 전략적인 몰드 재료 선택의 중요성을 입증했다.

실리콘 압축 성형 공정에서 사이클 타임 최적화

실리콘 성형에서의 사이클 타임과 생산 효율 이해

실리콘 압축 성형 분야에서 사이클 타임(cycle time)이란 재료를 몰드에 투입하여 완성된 부품을 최종적으로 꺼낼 때까지 소요되는 시간을 의미합니다. 오늘날 의료기기 제조와 같은 산업 분야에서는 한 번에 50개에서 500개 정도의 부품을 여유 있게 생산해야 하기 때문에 이 과정을 더 빠르게 만드는 것이 매우 중요합니다. 대부분의 작업에서 사이클 타임은 대체로 총 2분에서 15분 사이에서 변동됩니다. 정확한 시간은 부품의 형상과 사용하는 가황(큐어링) 방식에 크게 좌우됩니다. 예를 들어 두께가 약 5mm인 단순한 실리콘 개스킷은 보통 150도에서 약 3분 정도면 빠르게 경화됩니다. 그러나 부품이 더 두꺼운 경우에는 탈형이 가능해지기까지 훨씬 더 긴 대기 시간이 필요합니다.

경화 시간과 조건에 영향을 미치는 주요 요인들

재료의 경화 속도는 재료의 두께, 몰드 내 열 전달 효율, 사용된 백금 및 주석 촉매의 균형 등 여러 요인에 의해 영향을 받습니다. 다양한 산업 보고서에 따르면, 제조업체가 몰드의 형태를 적절히 설계하고 재료 두께를 정확히 관리할 경우, 기존 기술 대비 생산 사이클을 최대 3분의 2까지 단축할 수 있습니다. 그러나 약 1밀리미터 이하의 매우 얇은 부품의 경우 문제가 발생합니다. 이러한 부품은 제조 과정에서 가해지는 압력이 재료 내부의 화학 반응과 정확히 일치하지 않으면 완전히 경화되지 않는 경향이 있습니다. 최근 이 주제에 관한 연구들에서 확인된 바에 따르면, 이는 실리콘 몰딩 업체들이 효율성을 높이려 할 때 여전히 큰 어려움으로 남아 있습니다.

빠른 경화 사이클과 치수 정확성의 균형 맞추기

경화 과정을 지나치게 가속화할 경우, 재료가 고르지 않게 수축하기 때문에 부품이 휘는 실질적인 위험이 있습니다. 예를 들어 표준 100mm 자동차 씰의 경우 경화 시간에서 겨우 30초를 줄이는 것이 사소해 보일 수 있지만 실제로는 치수 오차가 약 0.2mm 증가하게 되며, 이는 ISO 3302-1이 허용 가능한 범위로 간주하는 값을 초과합니다. 다행히 최신 프레스 기술은 이러한 문제를 해결할 방법을 찾아냈습니다. 이러한 첨단 시스템은 재료가 경화되는 동안 10~25MPa 사이의 압력을 조절하여 제조업체가 생산 사이클을 90초와 같이 빠르게 운용하더라도 ±0.05mm 이내의 엄격한 공차를 유지할 수 있게 해줍니다. 이러한 정밀한 제어는 정밀도가 가장 중요한 자동차 응용 분야에서 품질 관리에 결정적인 차이를 만듭니다.

일관된 경화를 보장하기 위한 온도 제어의 모범 사례

생산 환경에서 열 관리를 정확하게 하는 것은 매우 중요합니다. 표면 전체에 걸쳐 약 1도 섭씨의 균일도를 유지하는 다중 영역 가열 플래튼을 사용할 경우, 정밀한 몰드 설계에서 경화 과정을 크게 늦출 수 있는 성가신 냉각 지점을 제거하는 데 도움이 됩니다. 액상 실리콘 고무(LSR)의 경우를 예로 들면, 재료의 원활한 흐름을 보장하고 초기 경화 문제를 피하기 위해 약 45초 이내에 온도를 약 80도에서 180도 섭씨까지 점진적으로 상승시켜야 합니다. 대부분의 압축 성형 업체들이 경험을 통해 발견한 바에 따르면, 기존의 열전대에만 의존하는 방식 대신 실시간 적외선 모니터링으로 전환하면 폐기되는 자재를 거의 18퍼센트 줄일 수 있습니다. 이것은 이론적인 모델보다는 실제 작업 현장의 결과를 살펴볼 때 타당성을 갖습니다.

재료 선택: 백금 경화형과 주석 경화형 실리콘의 몰드 성능 비교

백금 경화형 및 주석 경화형 실리콘 재료의 비교 분석

내열성 측면에서 백금 경화 실리콘은 120도 섭씨에서도 0.1% 미만의 수축률을 보이며, 마모가 나타나기 전에 100회 이상 사용할 수 있을 정도로 뛰어난 성능을 발휘합니다. 반면 주석 경화 제품은 그다지 좋지 않은데, 일반적으로 0.3~0.5% 정도 수축하며 단 20~30회 사용 후에는 분해되기 시작합니다. 이러한 큰 차이의 원인은 각 재료의 경화 방식에 있습니다. 백금 경화는 촉매 작용 기반의 과정을 사용하는 반면, 주석 경화는 적절한 경화를 위해 수분이 필요로 합니다. 지난해 폴리머 공학 저널에 발표된 연구에 따르면, 백금 몰드를 사용하는 제조업체들은 후속 작업 없이도 표면 복제 정밀도가 매우 일관되므로 생산 시간이 거의 40% 단축되었다고 보고했습니다.

금형 수명, 표면 마감 및 부품 품질에 미치는 영향

플래티넘 경화 공정은 찢어짐에 강한 비다공성 몰드를 생성하며, 50회 이상의 주조 동안 ±0.15mm 이내의 치수 정확도를 유지합니다. 주석(틴) 경화 재료는 15회 사이클 후 미세 균열이 발생하여 플래시가 증가하고 부품 일관성이 저하됩니다. 자동차 제조사들은 연료 인젝터 씰과 같은 정밀 부품 제작 시 플래티넘 시스템을 사용하면 표면 결함이 92% 적게 발생한다고 보고합니다.

비용 대비 효율: 고가의 플래티넘 실리콘을 사용하는 것이 전반적인 사이클 시간을 단축하는 이유

플래티넘 재료는 확실히 더 높은 가격대를 형성하며, 처음 보기에는 대체재보다 약 60~80% 정도 비쌉니다. 그러나 전체적인 관점에서 살펴보면 이러한 재료는 수명이 약 3배 더 길고 탈형 시간을 약 4분의 1 정도 단축합니다. 이로 인해 500~1,000유닛 사이의 중간 규모 생산 시 부품당 비용이 거의 절반으로 줄어듭니다. 올해 초 발표된 최근 산업 조사에 따르면, 의료 분야 제조업체들은 불량품으로 인한 폐기물 감소 덕분에 투자 회수가 예상보다 빠르게 이루어졌으며, 때로는 단 8주 만에도 투자비를 회수했습니다. 소규모 프로토타입 제작의 경우 많은 상황에서 주석 경화 방식이 여전히 충분히 잘 작동합니다. 그러나 대규모 양산 라인을 운영하는 기업들은 플래티넘의 화학 저항성과 정밀한 사양 유지 능력이 품질 관리 및 장기적 신뢰성 측면에서 큰 차이를 만든다고 평가합니다.

가동 중단 시간을 최소화하기 위한 효율적인 몰드 설계 및 준비 기술

실리콘 몰드 생산 시간을 단축하기 위한 설계 전략

실리콘 고무 몰드 설계를 진행할 때, 일반적으로 첫 번째 단계는 부품 탈형이 어려운 복잡한 언더컷이나 얇은 벽 구조가 없도록 형상을 단순화하는 것입니다. 많은 제조업체들이 요즘은 모듈식 접근 방식을 선호하는데, 이 방식은 다양한 제품을 만들 때 표준 부품들을 빠르게 교체할 수 있어 조정 시간을 크게 절약할 수 있습니다. 개별 제품마다 처음부터 모든 것을 새로 제작하는 것과 비교하면 훨씬 효율적입니다. 대부분의 전문가들은 현재 유동 시뮬레이션 기능이 우수한 CAD 소프트웨어 사용을 권장하고 있습니다. 이러한 도구들은 실제 생산을 시작하기 훨씬 이전에 공기 포집이나 불균일한 재료 분포와 같은 잠재적 문제를 사전에 발견하는 데 도움을 줍니다. 초기 단계에서 문제를 조기에 파악함으로써 기업들은 비용이 많이 드는 반복 시험과 오류 과정을 피하면서도 전체 생산 로트 동안 일반적으로 ±0.15밀리미터 이내의 엄격한 치수 사양을 유지할 수 있습니다.

캐스팅 전 적절한 몰드 준비 및 표면 청소

작업을 위해 몰드를 준비하는 과정은 먼저 용매를 사용하여 표면의 이물질을 제거하는 청소 작업으로 시작됩니다. 그 다음 일반적으로 80~120 그릿 범위에서 연마 분사 처리를 하는데, 이를 통해 몰드에 일관된 질감 패턴을 부여합니다. 이렇게 하면 재료의 접착력이 향상되면서도 나중에 몰드에서 쉽게 분리할 수 있습니다. 백금 경화 실리콘을 사용할 경우 추가로 고려해야 할 단계가 있습니다. 약 5~7마이크론 두께의 프라이머를 도포하면 접착이 확실히 이루어지며, 복잡한 형상의 몰드에서 모서리 부분 등 어려운 위치에서 조기 경화되는 현상을 방지할 수 있습니다. 이러한 전체 절차를 따르는 제조업체들은 소규모 생산 시 약 40% 정도 주조 결함이 감소하는 효과를 보고합니다. 초기에 시간을 투자하는 것이 장기적으로 큰 성과로 이어진다는 점에서 매우 합리적인 과정입니다.

빠르고 손상 없는 탈형을 위한 이형제의 효과적 사용

PTFE 스프레이 및 기타 실리콘계가 아닌 이형제는 몰드와 그 내부에 성형되는 물체 사이에 필요한 장벽을 형성하는 데 매우 효과적입니다. 에어브러시 시스템을 통해 수직 벽면이나 접근이 어려운 모서리 같은 까다로운 부위에 적절히 도포할 경우, 이러한 이형제는 과도하게 쌓이지 않아 부품의 최종 치수에 영향을 주지 않습니다. 자동차 산업에서는 이러한 방법으로 상당히 좋은 결과를 얻고 있습니다. 공장에서는 반영구적 코팅과 정확한 스프레이 각도 설정을 함께 사용했을 때 생산 속도가 약 20~25% 향상된 것으로 보고하고 있습니다. 센서 하우징처럼 미세한 불균일성이라도 나중에 큰 문제를 일으킬 수 있는 복잡한 부품의 경우, 0.1mm 미만의 극도로 얇은 층을 정확히 구현하는 것이 매우 중요합니다.

정밀도 확보: 맞춤형 실리콘 몰드에서 허용오차 및 수축률 관리

맞춤형 실리콘 고무 몰드는 설계 의도와 재료 특성을 조화시키기 위해 세심한 엔지니어링이 필요합니다. 실리콘의 유연성이 복잡한 형상을 가능하게 하지만, 경화 과정에서 발생하는 고유의 수축률(배합에 따라 평균 0.1%~0.5%)은 능동적인 보정 전략을 요구합니다.

제작 과정에서 치수 정확도를 유지하는 데 발생하는 문제

실리콘 몰드를 사용할 때 열팽창 문제, 냉각 속도의 불균일, 그리고 후처리 경화 시 수축 등이 복합적으로 작용하여 심각한 공차 문제를 일으킨다. 약 2025년경 발표된 정밀 제어 방법에 관한 최근 연구에 따르면, 설계 단계에서 수축을 적절히 고려하지 않을 경우 캐비티가 너무 작아지는 문제가 발생해 전체 생산 지연의 약 4분의 3이 이로 인해 발생한다. 우리가 일반적으로 사용하는 주석 경화형 실리콘의 경우 재료 점도 또한 상당히 다양하게 나타나며, 때때로 ±8%까지 차이가 날 수 있다. 이는 유동 관리에 실제 어려움을 초래하며, 특히 의료기기나 자동차 부품과 같이 미세한 치수 오차라도 비용 부담이 클 수 있는 정밀 부품 제작 시에는 몰드 설계자가 일반적으로 약 0.15mm의 여유 공간을 추가로 확보해야 함을 의미한다.

경화 단계 중 수축을 줄이기 위한 기술

상온에서 약 25도에서 30도 사이로 경화 전 실리콘 재료를 조건화하면 실리콘의 일관성을 안정화시킬 수 있으며, 최근 2025년도 금형 수축 감소에 관한 연구에 따르면 이는 경화 후 수축을 약 30% 정도 줄이는 데 도움이 된다. 많은 상위 등급 제조업체들은 현재 가공 중 포획된 공기 방울을 제거하기 위해 압력 보조 경화 방법을 사용하고 있다. 또한 보어 홀이나 밀봉면과 같은 중요한 부위에서 수축이 발생할 가능성이 있는 위치를 예측하는 시뮬레이션 프로그램에도 의존하고 있다. 일반적인 관행으로는 캐비티 크기에 추가로 0.3밀리미터를 더하여 금형을 제작하는 것이다. 이는 대체로 이후 광범위한 조정 없이도 ISO 3302-1의 허용오차 등급 2 기준을 충족하는 완제품을 얻는 결과를 낳는다.

자주 묻는 질문 섹션

1. 왜 실리콘 고무 금형이 빠른 시제품 제작에 선호되는가?

실리콘 고무 몰드는 짧은 리드타임, 비용 효율성 및 복잡한 형상을 제작할 수 있는 능력 덕분에 선호된다. 또한 재사용이 가능하며 높은 정밀도를 달성할 수 있다.

2. 플래티넘 경화 실리콘과 주석 경화 실리콘의 주요 차이점은 무엇인가?

플래티넘 경화 실리콘은 더 뛰어난 내열성, 긴 사이클 수명, 그리고 수축률이 낮다. 주석 경화 실리콘은 일반적으로 비용이 저렴하지만 사이클 수명이 짧고 수축률이 높다.

3. 몰드 설계가 생산 시간에 어떤 영향을 미치는가?

몰드 설계에서 단순화된 디자인과 모듈식 접근 방식은 추출을 지연시킬 수 있는 복잡한 요소를 제거하고 신속한 조정이 가능하게 하여 생산 시간을 크게 줄일 수 있다.

4. 이형제가 실리콘 몰딩에서 어떤 역할을 하는가?

이형제는 몰드와 캐스트가 서로 붙는 것을 방지하여 더 빠르고 손상 없는 탈형이 가능하게 한다. 적절한 도포는 부품 치수와 품질 유지에 매우 중요하다.