진공 주조란? 공정, 설계 및 응용 분야

진공 주조 공정의 작동 원리

진공 주조란 무엇이며 어떻게 작동하나요?

진공 주조는 진공 환경에서 실리콘 몰드를 사용하여 정밀한 플라스틱 및 고무 부품을 제작하는 방식입니다. 먼저 제조사는 일반적으로 3D 프린팅 또는 CNC 가공을 통해 프로토타입을 만들고, 이를 액체 실리콘에 담가 유연한 몰드를 형성합니다. 실리콘이 완전히 경화되면 몰드를 진공 챔버 안에 위치시키고 음압을 가한 상태에서 폴리우레탄 수지를 주입합니다. 이 기술은 혼합물 내부의 공기 방울을 효과적으로 제거하여 정확한 치수와 매끄러운 표면을 가진 부품을 만들어내며, 대량 생산 시 흔히 사용되는 사출 성형 기술과 유사한 품질을 제공합니다.

단계별 가이드: 마스터 패턴에서 최종 주조 부품까지

1. 마스터 패턴 제작 : 3D 프린팅 또는 CNC 가공을 통해 프로토타입 모델을 제작함
2. 실리콘 몰드 제작 준비 : 패턴을 프레임 안에 고정하고 액체 실리콘으로 덮은 후, 40°C(104°F)에서 16시간 동안 경화시킵니다
3. 몰드 분리 : 경화된 몰드를 조심스럽게 절개하여 마스터 패턴을 제거하되, 캐비티의 세부 형상을 그대로 유지합니다
4. 수지 주조 : 2액형 폴리우레탄을 혼합하고 탈기한 후, 0.1바 진공 압력 하에서 몰드에 부어 넣습니다
5. 경화 및 탈형 : 부품은 경화가 2~4시간 진행된 후 수작업으로 제거됩니다

A 2023년 공정 연구 : 최적화된 워크플로우를 적용하면 기존 금형 방식 대비 리드타임을 35% 단축할 수 있습니다

기공률 감소 및 표면 품질 향상을 위한 음압의 역할

진공 상태(잔류 압력 ≤1mbar)에서 작동함으로써 수지 주입 중 가스 방울이 붕괴되어 기공률을 0.5% 미만으로 줄일 수 있다. 이와 같은 압력 차는 재료를 정밀한 몰드 형상 내부까지 강제로 밀어넣어 20µm 이하의 세부 형상을 일관되게 재현한다. 자동차 제조사들은 개방 공기 중 주조 공법 대비 최대 90% 적은 표면 결함을 보고하고 있다.

실리콘 몰드 제작 및 예상 수명

고온가황(HTV) 실리콘 몰드는 일반적으로 ±0.15mm의 허용오차를 유지하면서 25~50회 정도 사용 가능하다. 플래티넘 경화 실리콘은 ABS 유사 폴리우레탄과 같은 수축률이 낮은 수지와 함께 사용할 경우 80회 이상의 주조 수명으로 연장할 수 있다. 22°C 및 30% 습도에서 적절히 보관하면 조기 경화를 방지하여 생산 사이클 간 6~8주 동안 몰드를 사용 가능하게 유지할 수 있다.

최적의 진공 주조 결과를 위한 설계 원칙

핵심 설계 지침: 벽 두께, 리브, 볼록부, 균일성

왜형을 방지하고 균일한 경화를 보장하기 위해 벽 두께를 2–4mm로 균일하게 유지하십시오. 리브와 보스는 응력 집중을 피하기 위해 높이 대 두께 비율을 1:3으로 따라야 합니다. 2023년의 연구에 따르면 두께가 균일한 설계는 불균일한 설계보다 결함이 62% 적습니다.

언더컷, 양각 특징 및 금형 탈형 고려사항 처리

• 금형에서 쉽게 분리할 수 있도록 양각 로고에는 1–3°의 드래프트 각도를 적용하십시오
• 모듈식 금형 인서트를 사용하여 복잡한 언더컷을 분리하십시오
• 금형의 무결성을 보호하고 30회 이상의 사이클을 지원하기 위해 실리콘 호환성 탈형제를 사용하십시오

재료 수축 및 경화 특성 보상

폴리우레탄 수지는 경화 과정에서 5–8% 수축합니다. 이를 보완하기 위해 설계자는 마스터 패턴을 1.05–1.08배로 확대합니다. 전략적인 스프루 배치 및 60°C에서 4–6시간 동안 후경화 처리하면 치수가 ±0.15mm 이내로 안정화됩니다.

엄격한 허용오차 및 고품질 표면 마감 달성

진공 주조는 50mm 이하의 특징 부위에서 ±0.1mm의 허용오차를 달성하며, 20µm보다 미세한 표면 질감을 정확히 재현합니다. 최적화된 배기 설계는 연마 시간을 40% 단축시키며, Ra 값은 0.8–1.6µm 범위 내로 유지됩니다. 이는 2024 디자인 효율성 보고서 .

흔히 발생하는 결함 및 기공, 휨, 충전 불완전 방지 방법

이중 진공 사이클(0.8bar에서 30³ Hg)을 적용할 경우 기공률이 12%에서 2%로 크게 감소합니다. 휨을 최소화하기 위해 다음을 준수하세요:

1. 금형 온도를 40±5°C로 유지하세요
2. 얇은 부분에는 유리충전 수지를 사용하세요
3. 200mm를 초과하는 부품에는 순차 주입 방식을 적용하세요

적절한 배기와 제어된 수지 흐름을 통해 충전 불완전 현상을 방지할 수 있습니다.

진공 주조에 사용되는 재료 및 응용 분야

다양한 특성을 위한 폴리우레탄 수지 및 재료 옵션

진공 주조 공정은 주로 ABS, 폴리프로필렌 및 폴리카보네이트와 같은 일반적인 엔지니어링 열가소성 수지의 대체재 역할을 하도록 특별히 개발된 폴리우레탄 수지를 사용한다. 이러한 수지들이 특히 유용한 이유는 경도를 조절할 수 있기 때문이며, 단단한 유형의 경우 일반적으로 60~75 Shore D 범위 내에서 조절이 가능하다. 또한 내장된 난연성을 갖추고 있어 UL94-V0 기준을 충족하며, 생산 과정에서도 일관된 색상을 유지하므로 프로토타입 테스트뿐 아니라 실제 제품 부품에도 매우 적합하다. 보다 부드러운 특성이 필요한 응용 분야의 경우 실링 제조에 사용되는 고무 재료와 유사한 성질을 가진 버전도 제공된다. 강도가 가장 중요한 경우에는 기존의 구조용 플라스틱과 매우 유사한 유리 충전재가 혼입된 옵션을 사용한다. 2023년 초의 재료 호환성 데이터를 최근 분석한 결과에 따르면, 진공 주조 방식으로 제작된 자동차 부품의 약 80%가 바로 이러한 다목적 폴리우레탄을 사용하고 있는데, 이는 성형 과정에서 세부 디테일을 정확히 표현하면서도 우수한 내구성을 제공하기 때문이다.

특수한 요구를 위한 유연하고 투명하며 고온 저항성 수지

합성물 종류	주요 특징	일반적 응용
유연함(쇼어 A 40-90)	찢어짐 방지, 진동 감쇠	개스킷, 인체공학적 핸들
광학적으로 투명	빛 투과율 92% 이상	렌즈 프로토타입, 라이트 가이드
고온용(150°C 이상)	최소한의 열 변형	엔진 베이 부품, HVAC

이러한 특수 소재를 사용하면 2차 마감 공정 없이도 의료용 등급의 씰과 투명한 전자제품 외함을 제작할 수 있습니다.

최종 용도 애플리케이션 요구사항에 맞는 소재 특성 선택

자동차 엔지니어는 엔진룸 내 센서용 내열성 수지를 선택하는 반면, 전자제품 제조업체는 충전기 외함용 UL 인증 난연 등급 소재를 선호합니다. 산업용 장비 프로토타입은 종종 유리 충진재가 포함된 우레탄을 사용하여 사출 성형 나일론의 강성을 비용의 3분의 1 수준에서 구현합니다.

생체적합성 주조 소재를 활용한 의료기기 개발

진공 주조는 수술 기구 및 보철물용 ISO 10993 인증 우레탄을 지원합니다. 2022년 연구에 따르면 맞춤형 정형외과 가이드의 78%가 생체적합성 소재에서 ±0.15mm 정확도를 유지할 수 있기 때문에 진공 주조 방식으로 제작되고 있습니다.

소량 부품용 항공우주 및 기능 시험 응용 분야

항공우주 산업은 허용오차가 엄격한(±0.1mm) 풍동 모델 및 드론 하우징 제작에 진공 주조를 사용합니다. 최근의 발전 고충격성 수지 기술의 발전으로 금형당 50개 이상의 비행 가능 부품을 생산할 수 있게 되어 CNC 가공에 비해 승인 일정을 40% 단축할 수 있습니다.

프로토타이핑 및 소량 생산을 위한 진공 주조의 장점

사출 성형 대비 빠른 납기와 비용 이점

진공 주조는 기능성 프로토타입을 5–10 영업일 제작하여 사출 성형 금형 사이클 대비 리드타임을 75% 단축합니다. 간소화된 실리콘 몰드 공정은 고가의 금속 금형 수정이 필요하지 않습니다. 500단위 미만의 배치에서는 부품당 비용이 30~60% 절감되어 반복적인 설계 검증에 이상적입니다.

소규모 생산 런을 위한 낮은 금형 투자비 및 확장성

실리콘 금형의 비용은 $800–$2,500초기 비용이 강재 사출 몰드의 $15,000 이상보다 상당히 저렴함. 각 몰드는 일반적으로 15~25개의 동일한 부품을 경제적으로 생산함. 여러 몰드를 병렬로 제작하여 출력을 확장할 수 있으며, 생산 런(run) 간 일관성을 유지할 수 있음 — 의료 스타트업이 규제 승인 전에 50~300유닛 소량 생산 시 중요한 이점.

복잡한 형상 및 표면 질감의 고정밀 복제

±0.15mm의 허용오차와 1.6 µm Ra 미만의 표면 거칠기를 통해 진공 주조는 다음과 같은 정밀한 특징에서 사출 성형 품질 수준을 충족함:

• 마이크로 텍스처 그립(0.1–0.5mm 패턴)
• <0.2mm 클리어런스를 갖는 스냅 핏 인터페이스
• 광학 등급 투명 렌즈(92% 광투과율)

소량 생산에서의 낭비 감소를 통한 지속 가능성 이점

CNC 가공에 비해 진공 주조는 복잡한 형상에서 68% 적은 폐기물을 발생시키며, 재사용 가능한 몰드를 사용함으로써 스크랩을 줄일 수 있다. 최신 폴리우레탄 수지들은 인장 강도를 50MPa 이상 유지하면서도 25~40%의 바이오 기반 성분을 포함하고 있어 자동차 산업 분야에서 증가하는 친환경 규격 준수 양산 전 샘플 수요를 충족시킨다.

다른 제조 방식과의 진공 주조 비교: 언제 어떤 방식을 선택해야 할까

진공 주조와 사출 성형 비교: 비용, 생산량 및 납기 시간

시작 단계에서 진공 주조는 사출 성형에 비해 훨씬 저렴한 초기 비용이 듭니다. 각 몰드당 약 800달러에서 2,500달러 정도인데 반해, 사출 성형 몰드는 15,000달러에서 50,000달러의 가격대를 형성합니다. 또한 진공 주조 설비는 사출 성형 도구에 필요한 6~12주 대신 단지 7~14일 만에 준비할 수 있습니다. 500개 미만의 소량 생산의 경우, 제조업체는 진공 주조를 통해 부품 하나당 실제로 60%에서 80%까지 비용을 절감할 수 있습니다. 하지만 한 가지 단점이 있습니다. 생산량이 약 10,000개를 초과하게 되면, 개당 비용이 2달러 이하로 떨어지면서 사출 성형이 더 경제적으로 유리해집니다. 작년 일부 업계 보고서에 따르면, 진공 주조는 프로토타입 및 단기 생산 수요에는 여전히 최적의 선택이지만, 대규모 생산이 필요한 대형 제조업체들은 여전히 사출 성형에 크게 의존하고 있습니다.

프로토타입 제작을 위한 진공 주조, 3D 프린팅 및 CNC 가공 비교

3D 프린팅은 24~72시간 이내에 개념 모델을 제작하지만, 기능적인 소재 성능과 미세한 표면 마감이 부족합니다. CNC 가공은 금속 부품에서 뛰어난 정밀도(±0.025mm)를 구현하지만 복잡성이 증가할수록 비용이 높아집니다. 진공 주조는 다음의 장점으로 이러한 격차를 메워줍니다:

• 소재 다기능성 : ABS, PP 및 고온 열가소성 수지와 유사한 특성을 갖는 80종 이상의 폴리우레탄 수지
• 디테일 정밀도 : 대부분의 FDM/SLA 출력물을 능가하는 25 µm 해상도
• 배치 효율성 : 한 사이클당 10~15개 부품 생산 가능

정밀도, 배치 크기 및 일정에 따라 적합한 공정 선택

결정 요인	진공 주조	3D 프린팅	CNC 가공
최적의 배치 크기	10~500유닛	1~50유닛	1~200유닛
공차 (mm)	±0.1–0.3	±0.1–0.5	±0.025–0.05
소재 강도	성형품의 85% 사출 성형	등방성 40–60%	전밀도 금속

A 공정 선택 가이드 기능성 프로토타입 10~300개 제작 시 사출 성형과 유사한 특성이 필요하다면 진공 주조를 권장하며, 정밀 금속 부품은 CNC 가공을, 형상의 신속한 검증은 3D 프린팅을 사용하길 권장합니다.