3차원 장식 부품 제조에서 FIM의 유효성과 앞으로의 가능성

머리말

최근 몇년 동안 필름 인서트 몰딩(FIM)용으로 개발된 최신 세대 필름은 휴대전화의 하우징체부터 자동차의 디스플레이 패널까지 고급 부품 제조에서 기존의 공정에 비교하여 3차원 장식을 더욱 신속하고 간단하게, 더구나 저코스트로 실현하기 때문에 주목을 받고 있다 (사진 1 참조).

그 중에서 내마모성, 백라이트 기능 등, 구체적인 목적으로부터 소재를 효과적으로 선택하는 것이 중요하다는 점을 말할 필요도 없다.

1. FIM이란

FlM이란, 잘 알려져 있듯이 광범위한 3차원 장식 부품 제조를 위한 혁신적인 방법이며, 고급 부품을 제조할 때 기존 부품 제조와 인몰드 장식의 공법에 비교하면 공정수가 적고, 제조에 걸리는 시간과 코스트가 대폭 삭감된다는 점에 특징이 있다.

FIM은 인쇄, 성형, 재단, 사출 성형의 4개 공정으로 이루어진다. 우선, 필요한 화상을 특수 하드 코팅 필름의 이면에 스크린 인쇄한다. 이어서 진공 압축 프레스 또는 열 압축에 의해서 필름을 부품의 최종 형상으로 성형한다. 이어서 시트를 부품에 맞추어 재단하고, 사출 성형 장치의 캐비티 측에 세트, 용융 재료가 필름 이면으로 사출된다. 두 종류의 재질이 밀착해서 견고한 하나의 완성품이 되고 이어지는 조립 공정으로 옮겨진다.

맥더미드 오토 타입의 「XtraForm」은 이러한 공정에 UV 조사가 가해진 것이다 (그림 1). 이 공법에 의해서 3차원으로 가공할 수 있고 높은 내마모성, 내약품성을 실현하는 것에 성공한 것이다. 「XtraForm」를 사용한 경우의 공정은 인쇄, 성형, UV 조사, 재단, 사출 성형이 된다.

통상의 하드 코팅 필름은 필름 표면에 하드 코팅이 실시되어 있다. 하드 코팅 자체는 내마모성이나 내약품성이 우수하지만, 도막(塗膜)이 단단하기 때문에 성형성이 떨어져서 3차원 부품에는 사용할 수 없다. 성형 단계에서 도막에 크랙(Crack)이 들어가거나, 파손이 일어나기 때문이다. 맥더미드는 하드 코팅에 열경화와 UV 경화의 더블큐어의 UV 도료를 독자적으로 개발하여 사용하고 있다. 공장에서 출하하는 필름은 완벽하게 경화되어 있지 않고 추종성, 유연성을 가지고 있는 상태로 출하하고 있다. 공급자의 라인에서 인쇄, 성형을 완료하여 필름의 형상이 최종 제품의 형상으로 포밍(forming)된 시점에 UV 조사를 한다. 하드 코팅의 완전 경화가 여기서 완료한다. 이 단계에서 필름의 표면은 단단한 하드 코팅으로 사수되어 높은 손상저항성, 내약품성을 가지게 된다. 따라서, 다음 재단의 프로세스에서 필름이 잘 손상되지 않고 작업성에서도 우수하게 된다. UV 조사를 성형과 재단 공정 사이에 하는 것은 이 때문이다.

이와 같이 「XtraForm」의 최대 매력은 3차원 부품에 대응할 수 있는 하드 코팅 필름이라고 말할 수 있다. 이 공법은 특히 자동차 부품에 많이 채용되어 있고, 독일 다임러사의 메르세데스·벤츠 S 클래스에서는 1대에 실제로 44개나 되는 파트에 사용되고 있다. 그 밖의 구미계 메이커에도 널리 채용되어 있고, 일본계 자동차 메이커에도 확산되고 있다. 최근에는 중국이나 인도의 지역 메이커도 고급감이 있는 내장을 목표로 하고 있어서 이미 복수차종에 채용되고 있다.

2. FIM의 특징

FIM 공법은 지금까지의 성형 후에 실시하는 표면 장식 공법에 없었던 중요한 이점을 많이 갖추고 있다. 스프레이 도장, 레이저 에칭, 아플리케라고 말하는 설치 장식, 아쿠아 그래픽, 패드 인쇄 등의 표면 장식공법에 비교하여 FIM은 공정수와 부재가 상당히 적어서 제조 시간, 코스트 모두 삭감할 수 있다. 게다가, 완성품의 품질, 난이도, 내구성에 있어서 우수하다.

중요한 것은 FIM이 성형이 얕고, 깊은 디자인, 제조에 대한 적응성이 높아서, 그만큼 디자인의 오리지널리티나 혁신성을 가능하게 하는 것, 또한 제조 기간의 길고 짧음에 의해서 코스트의 부가가 없이 적용할 수 있다고 할 것이다.

2.1 의장성

FIM은 3차원 부품 제조에서 스크린 인쇄를 변경함으로써 용이하게 커스터마이즈할 수 있다. 게다가, 표면에 내구성이 뛰어난 텍스처를 가하는 것도 가능해서 복잡한 형상의 고품질 디자인을 실현하여, 엠보스 및 텍스처의 촉감도 재현할 수 있게 되었다. 제품 품질도 높아서 인쇄 위치의 편차가 0.2mm 이내이다. 이것은 다른 공법으로는 불가능한 고위치 정밀도이다.

2.2 코스트의 삭감

휴대전화기, 차량 탑재용 카오디오, 히트 컨트롤러 등의 부품에서는 표면 장식 부분과 디스플레이 부분을 일체 성형할 수 있기 때문에 원재료의 삭감이 가능해서 코스트 저감으로 이어진다 (사진 2).

그 밖에, 개인용 CD 플레이어의 하우징체 제조에서는 금속제 라벨, 버튼, 수지의 하우징체와 디스플레이 부분 등의 부품이 사용되어, 12개의 제조 공정(스프레이 도장, 표면 보호 처리, 패드 인쇄, 스크린 인쇄, 에칭 외)이 이루어지고 있는 예가 있다. 이것을 FIM으로 바꾸면, 부품수는 1로, 공정수는 8(인쇄, 성형, 형 빼기, 사출성형 외)로 줄일 수 있다. 특히, 중∼대량 생산시에는 제조 코스트, 시간 모두 대폭적인 삭감이 된다. 마찬가지로 사무기, 의료기기, 산업용 시스템 등의 기기나 컨트롤 패널의 부품에서도 FIM 기술은 기존의 스프레이 도장에 비교하여 코스트 삭감으로 이어진다.

2.3 기능성

FIM에서는 표면 장식면이 필름 내부에 실시되기 때문에 표면 장식 부분이 벗겨지거나 누락되는 일은 없다. 또한 표면을 하드 코팅으로 완전히 보호하고 있어서 표면 인쇄나 도장에 비교하여 부품의 내손상성, 내마모성을 대폭 향상할 수 있다.

FIM 기술의 성공은 신세대 고기능 필름 및 잉크의 출현에 의해서 초래되었다. 그 기술은 전 공정의 각 단계에서 일어나는 다양한 물리적 충격, 열에 의한 영향에 대하여 견디는 성능을 갖게 만든 것이다 (사진 3).

맥더미드 오토 타입의 「Autoflex Xtra Form」의 고광택으로 하드 코팅하는 표면 처리는, FIM이기 때문에 특수 개발된 독자적인 특성을 가지고 있다. 이 잉크를 사용하는 것에 의해서 복잡하게 뒤얽힌 화상 인쇄가 가능해져서 프레스, 열 처리, 진공 압축에 의한 성형에 견디고, 표면의 물리적 마모, 손상 또는 화학적인 약제, 용매, 용제에 대해서도 내성을 갖는다. 게다가 자외선에 대한 내성이 대단히 뛰어나서, 장기간 일광 폭로 후에도 광학적 투명도가 높은 백라이트 기능 적용이 가능해졌다.

3. FIM용 필름

필름은 FIM의 공정 중에서도 특히 중요한 역할을 가지고, 부품의 표면을 완전히 덮어서 보호하기 위한 기초적인 소재이라서 모든 기술을 좌우한다. 현재 많은 필름재가 FIM용으로 개발되어 압축 성형, 열 성형, 진공 성형에 대응하는 잉크를 사용해서 복잡한 화상을 인쇄하기 위한 특성과, 마모, 물리적인 손상, 약제·유지·용제에 대한 내성을 획득하고 있다. 더욱이 장기간의 일광의 폭로 후에도 고투명도를 유지하는 것에 의해서 백라이트 기능을 쉽게 만들고, 표면 마감은 엠보스나 텍스처 느낌도 가능해졌다.

중요한 것은 FIM을 3차원 형상에 적용한 경우의 품질 안정성이다. 「HiForm」이나「XtraForm」의 필름은 모든 작업성에 대응하여, 얕은 형상의 판상 부품으로부터 휴대전화의 커버 같은 딥드로잉 부품까지 적용할 수 있다. 기존의 필름에 있었던 성형시의 물리적 강도 부족이 일어나지 않아서 고품질의 균일한 표면이 만들어진다. 필름을 선택할 때는 몇개의 중요한 포인트가 있지만 내약품성, 내마모성 등, 최종적으로 요구되는 기능을 고려해야 한다 (표 1).

3.1 인쇄 성능

자동차의 내장, 휴대전화의 하우징체 등, 높은 장식성이 요구되는 경우에는 이면에 다양한 잉크를 적합할 수 있는 필름 소재를 선택해야 한다. 기존의 스크린 인쇄용 잉크는 열 성형이나 사출 성형시의 고온 처리나 물리적 충격에 대응하지 않기 때문에 FIM에 사용하는 잉크는 엄선되어 있는데, 현재에는 맥더미드 오토 타입으로 나와 있는 「Aquatex」의 텍스처 도료를 비롯하여 많은 종류의 특수 잉크를 사용할 수 있어서 FIM에 의한 새로운 촉감의 표면 처리폭이 넓어지고 있다.

3.2 성형성

복잡한 3차원 형상의 파트는 필름의 성형성이 열쇠가 된다. 표면의 갈라짐을 막기 위해서는 맥더미드 오토 타입의 Autoflex HiForm이나 Autoflex XtraForm 등 특수 개발된 하드 코팅 필름이 적합하다. 수많은 종류 속에서 적정한 소재를 선택하게 되면 어떠한 것이든 표면의 갈라짐을 막으면서 기능적, 물리적 특성을 최대한 살릴 수 있다.

성형은 FIM 공정의 제2단계에서 몇개의 방법이 있지만, 여기서 적합한 방법을 취하는 것은 정확한 인쇄 위치와 품질을 유지하는 데에 있어서 중요하다. 예를 들어, 진공 성형은 비교적 저코스트라서 어느 것이든 적용할 수 있는데 넓은 면적의 시트에 적합하고, 1 사이클 공정에서 대량의 부품을 제조할 수 있다. 그러나 고온 조건에서는 스트레인(Strain)이 생길 때가 있는데 고정밀도의 인쇄 위치가 요구되는 경우에는 적합하지 않다. 이것에 대하여 저온에서의 고압 성형은 스트레인(Strain)이 최대한 억제되어 얕은 드로잉, 딥드로잉에 적용 가능하지만, 강한 결합력이 필요하게 된다. 장치가 소형이 될 수밖에 없어서 1사이클 당의 생산성이 떨어진다.

세번째 선택지로서 하이드로 설파이트 포밍 법이 있다. 이 방법에서는 대단히 강한 압력을 저온 또는 상온에서 주기 때문에 열에 의한 스트레인(Strain)이 일어나지 않는다. 인쇄 위치는 대체로 양호하지만 얕은 드로잉 말고는 어렵고, 접촉에 의한 손상을 막기 위해서 단단한 필름을 사용해야 한다.

3.3 사출 성형

다음에 검토해야 할 공정은 사출 성형이다. 여기에는 수지 소재, 사출의 온도나 압력, 게이트의 형상, 게이트로부터 인쇄 부분까지의 거리 등 많은 팩터가 있는데, 전부 제조 부품의 품질에 영향을 주는 것이다.

일반적으로 열 성형의 장치는 사출압을 떨어뜨려서 인쇄면의 잉크에 대한 스트레스를 경감한다. 필름은 단열재 역할을 하기 때문에 필름 두께가 두꺼운 경우에는 고온의 장치가 필요하게 된다. 온도를 균일하게 유지하지 않으면 스트레인(Strain)이 발생하기 때문에 주의해야 한다.

금형을 제작할 때는 소재의 두께에 유의해야 한다. 게이트 부근이 얇으면 인쇄된 잉크의 전단이 일어나기 쉽기 때문에 특히 조정이 필요하다. 정밀한 인쇄의 경우에는 딥드로잉 부분을 피하여, 게이트 근처의 위치에 잉크가 배치되지 않도록 하는 것이 이상적이지만 피할 수 없는 경우에는 와이드 팬 게이트를 쓰거나, 그렇지 않으면 난류에 의한 잉크가 흐르는 것이나 전단을 억제하기 위해서 유동성이 높은 형상의 게이트를 채용해야 한다.

또한 사출 성형 공정의 게이트부, 고분자 수지가 사출되는 가장 고온이 되는 단계에 문제가 발생하기 쉽다. 이것을 해결하기 위해서는 열경화, 자외선 경화, 또는 고기능 내용융 고분자 등 특수한 내용융성 잉크가 필요하게 된다.

3.4 핸들링

FIM의 필름을 선택할 때, 핸들링의 용이성을 고려해야 한다. 예를 들어, 로봇 피드 시스템을 채용하고 있는 라인의 경우, 필름끼리 밀착하지 않도록 유의해야 한다. 보호 라미네이트를 사용할 경우, 사출 성형 전에 벗겨야 한다. 윤황성이 좋은 특성을 가진 필름 (「Autoflex Auto Form」 G180M 등)은 로봇 피딩에 가장 적합하다.

4. FIM 보급을 위해서는

FIM은 고품질 부품 제조에 채용이 진행하고 있지만, 디자인 및 제조 단계에서 각각 고려되어야 하는 중요한 포인트가 다수 있다. 그 중에서도 특히 중요한 것은 FIM이 복수 공급자의 협업으로 완성하는 것일 것이다. 표준적인 예로서 소재 메이커(필름, 잉크, 수지), 스크린 인쇄업자, 성형 또는 금형 제조업자, 그리고 당연히 완성품 메이커와 소비자이다.

각각의 공급자는 전후 공정이 관련되는 공급자와 면밀하게 연휴해야 한다. 예를 들어, 필름 메이커와 잉크 메이커는 잉크가 흐르는 것이나 용융에 의한 인쇄의 손상 등으로 완성품의 품질을 떨어뜨리는 일이 없도록 스크린 인쇄, 사출 성형의 공정의 각각의 요구에 맞는 사양을 실현해야 한다.

FIM의 필름을 선택할 때 최우선시되는 특성은 내마모성, 내약품성, 내용제성 등, 대부분 최종 사용자로부터의 요구이다.

예를 들어, 휴대전화 하우징체의 경우, 과도한 마찰, 충격에 노출되기 때문에 맥더미드 오토 타입의 「Autoflex Xtra Form」 등의 성형 가능한 하드 코팅 필름인 폴리카보네이트가 사용된다. 이러한 필름은 내마모성이 뛰어나고 동시에 인쇄의 정확성도 겸비한다. 더욱이 높은 레벨의 투명도를 가지고 있어서 백라이트 기능도 용이하게 적용할 수 있고, 텍스처가 있는 표면 처리도 가능하기 때문이다. 또한, 자동차의 내장에는 목재 느낌, 카본 파이버 느낌의 장식이 있는데 대부분은 고광택 표면 처리가 실시된다. 이 경우에도 하드 코팅 필름을 사용하면 깊이감이 있는 「프렌치 광택」을 실현한다. 또한, 이 표면 마무리의 내구성은 부품의 품질을 장기간 유지하여 상처나 마모를 막는 것으로서 긴수명을 유지하게 한다.

신세대 소재는 더욱 진화하고 있다. 맥더미드 오토 타입의 HiForm는 폴리카보네이트를 주체로 한 독자적인 「자기수복」 하드 코팅 필름이다. 긁힘 상처에 대하여 얕은 상처라면 수 시간만에 서서히 회복되는 특성을 가진다. 고압 성형의 온도 억제에 의해서 인쇄 위치의 정확성도 향상, 화상, 로고, 문자의 복잡한 3차원 형상에서도 정확히 재현된다.

맺음말

FIM은 급속히 혁신되고 있는 기존의 프로세스로서 공업 디자이너, OEM, 소비자에게 있어서 광범위한 적용이 기대되는 공법이다. 지금까지 소개한 것처럼 자동차, 통신 기기, 전기 기기 분야에서 부품의 양산에 적용할 수 있다는 것이 이미 알려져 있다. 제조자에게서는 지금까지 보다 더 단시간, 저코스트로 경쟁력이 있는 첨단 기술로서, 다종 다양한 디자인에 유연하게 대응하고 시장에 대해서는 가치를 창조하고 시간 단축에 의해서 코스트를 삭감하는 열쇠가 되는 기술이라고 말할 수 있다 (사진 4).

FIM의 성공에 필요한 것은 신세대 필름과 잉크의 성능이며, 그것들은 각 공정에서 발생하는 기계적 또는 열에 의한 스트레스에 견딜 수 있는 것이어야 한다. 맥더미드 오토 타입의 「Autoflex Xtra Form」은 필름 인서트 몰딩 제조를 위해서 개발된 필름과 잉크의 특성을 연휴시킨 유일한 기술이다.

맥더미드는 2015년 후반부터 2016년 전반에 걸쳐서 더욱 내마모성을 높이는 신상품이나, 지문 방지, 안티 글레어 (반사 방지) 기능을 가한 신상품을 수시 판매 개시할 예정이다.

일본 “PLASTICS AGE” 2015년 9월호 전재