사출성형 PFMEA — 수축·웰드라인·플래시의 메커니즘과 관리 파라미터
사출성형의 5대 불량모드(수축·웰드라인·플래시·미충전·뒤틀림)가 발생하는 물리적 원인과 인과 사슬, 그리고 PFMEA에 기술해야 할 관리 파라미터를 정리합니다.
사출성형 공정 원리 — 불량은 어디서 시작되는가
사출성형은 단순히 "녹인 수지를 금형에 넣는 것"이 아닙니다.
열가소성 수지를 용융(Melt) → 사출(Injection) → 보압(Packing) → 냉각(Cooling) → 이형(Ejection) 다섯 단계로 처리하는 정밀 열·유동 공정입니다.
불량모드의 대부분은 이 다섯 단계 중 하나 이상에서 파라미터가 벗어날 때 발생합니다.
| 공정 단계 | 주요 파라미터 | 이 단계에서 기인하는 불량 |
|---|---|---|
| 용융 | 배럴 온도, 스크루 회전수, 배압 | 미용융, 탄화, 분해 |
| 사출 | 사출 속도, 사출 압력, 게이트 위치 | 웰드라인, 미충전, 플래시 |
| 보압 | 보압 압력, 보압 시간, 전환점 | 수축, 싱크마크, 치수 편차 |
| 냉각 | 냉각수 온도, 유량, 냉각 시간, 금형 온도 | 뒤틀림, 잔류 응력, 수축 |
| 이형 | 이형 각도, 이젝터 핀 위치/속도 | 이형 불량, 백화, 크랙 |
이 구조를 머릿속에 넣고 각 불량모드를 보면, "왜 이 파라미터가 원인 칸에 들어가야 하는지"가 자연스럽게 보입니다.
불량모드 ① — 수축 / 싱크마크 (Sink Mark)
발생 메커니즘
열가소성 수지는 냉각 시 부피가 수축합니다 (폴리프로필렌 기준 약 1.5~2%). 금형 표면이 먼저 굳고, 내부에 아직 용융 상태의 수지가 남아있을 때 외부 스킨이 이미 굳어버리면, 내부 수축으로 인해 표면이 오목하게 당겨집니다. 이것이 싱크마크입니다.
표면 스킨 (빨리 냉각) ──── 굳음
내부 용융 수지 ──── 수축 → 표면 함몰
리브(Rib)나 보스(Boss) 이면부에 싱크마크가 집중되는 이유도 동일합니다. 벽 두께가 갑자기 두꺼워지는 곳에서 냉각 속도 차이가 커지기 때문입니다.
인과 사슬 (원인 → 조건 → 결과)
| 원인 (Root Cause) | 중간 조건 | 불량 결과 |
|---|---|---|
| 보압 압력 부족 | 냉각 중 금형 내부 압력 저하 | 표면 함몰 (싱크마크) |
| 보압 시간 부족 | 게이트 동결 전 보압 해제 | 수지 역류 → 체적 손실 |
| 사출 속도 과소 | 용융 선단 온도 저하 | 냉각 전 충전 불완전 |
| 금형 온도 불균일 | 특정 부위 냉각 과다 | 부위별 수축률 차이 |
| 수지 온도 과저 | 점도 상승 | 유동 저항 증가 → 보압 전달 불량 |
| 벽 두께 설계 불균일 | 두꺼운 부위 냉각 지연 | 리브/보스 이면 함몰 |
PFMEA 기재 요령
- 고장모드: 제품 표면 싱크마크 발생 (표면 함몰 깊이 0.XX mm 이상)
- 잠재 원인: 보압 압력 설정값 이탈 / 보압 유지 시간 부족 / 냉각수 온도 편차
- 현 관리: 성형 조건 기록지 (보압 압력·시간 사출 사이클마다 자동 기록) / 초품 외관 검사
- 권장 조치: 보압 압력 하한 알람 설정 / 냉각수 입출구 온도차 모니터링
불량모드 ② — 웰드라인 (Weld Line / Knit Line)
발생 메커니즘
용융 수지가 금형 캐비티를 채울 때, 두 개 이상의 수지 흐름(Flow Front)이 만나는 지점에서 완전히 융합되지 못하고 경계선이 남는 현상입니다.
흐름이 만나는 지점의 수지 온도가 충분히 높으면 분자 사슬이 재배열되어 강도가 유지됩니다. 하지만 온도가 낮으면 경계면에 취약한 불연속면이 생겨 인장/굴곡 강도가 최대 40~60%까지 저하될 수 있습니다.
웰드라인은 다음 상황에서 반드시 생성됩니다:
- 구멍(홀)이 있는 부품 — 수지가 구멍을 우회한 뒤 다시 합류
- 멀티 게이트 금형 — 두 게이트에서 나온 수지가 만남
- 두께 변화가 급격한 부위
인과 사슬
| 원인 | 중간 조건 | 불량 결과 |
|---|---|---|
| 수지 온도 저하 | 용융 선단 점도 상승 | 합류 시 재융합 불량 → 강도 저하 |
| 사출 속도 과소 | 충전 중 수지 온도 강하 | 웰드라인 위치 두드러짐 |
| 금형 온도 저하 | 수지 냉각 촉진 | 합류 지점 표면 선 가시화 |
| 게이트 위치 부적절 | 웰드라인이 응력 집중부에 생성 | 하중 하 조기 파단 |
| 환기(벤트) 부족 | 합류 지점 공기 트랩 | 탄화, 버닝 동반 웰드라인 |
PFMEA 기재 요령
- 고장모드: 웰드라인 가시화 (외관 불량) / 웰드라인 부위 인장 강도 미달
- 잠재 원인: 배럴 온도 하한 이탈 / 사출 속도 부족 / 금형 온도 관리 실패
- 현 관리: 성형 조건 모니터링 / 정기 인장 시험 (게이트 부위 및 웰드라인 포함)
- 권장 조치: 사출 속도 하한 알람 / 웰드라인 위치 설계 단계 검토 (게이트 위치 최적화)
불량모드 ③ — 플래시 (Flash / Burr)
발생 메커니즘
금형 파팅 라인(Parting Line), 슬라이드 코어 경계, 이젝터 핀 주변 등 금형의 맞닿는 면(틈새)으로 용융 수지가 흘러 들어가 굳은 것입니다.
플래시 발생의 본질은 금형 내 수지 압력 > 금형 체결력 관계가 성립할 때 금형이 미세하게 들뜨는 현상입니다.
필요 체결력 (ton) = 캐비티 투영 면적 (cm²) × 사출 압력 (kgf/cm²) ÷ 1000
이 계산값보다 실제 체결력이 낮거나, 금형이 마모·손상으로 틈새가 커지거나, 사출 압력/속도가 과도할 때 플래시가 발생합니다.
인과 사슬
| 원인 | 중간 조건 | 불량 결과 |
|---|---|---|
| 체결력 부족 | 사출 압력 > 체결력 → 금형 들뜸 | 파팅 라인 플래시 |
| 사출 압력 과도 | 캐비티 내압 상승 | 파팅 라인·슬라이드 플래시 |
| 금형 마모 / 틈새 증가 | 파팅 면 밀착 불량 | 반복적·진행성 플래시 |
| 수지 온도 과도 | 점도 저하 → 유동성 증가 | 협소한 틈으로 침투 |
| 이젝터 핀 마모 | 핀 주변 클리어런스 증가 | 이젝터 핀 위치 플래시 |
PFMEA 기재 요령
- 고장모드: 파팅 라인부 플래시 발생 (두께 0.XX mm 이상) / 기능부 치수 초과
- 잠재 원인: 사출 압력 상한 이탈 / 금형 체결력 저하 / 금형 파팅 면 손상
- 현 관리: 성형기 체결력 기록 / 정기 금형 파팅 면 점검 / 초품·양산 외관 검사
- 권장 조치: 사출 압력 상한 알람 / 금형 정기 점검 주기 PM 계획 수립
불량모드 ④ — 미충전 (Short Shot)
발생 메커니즘
용융 수지가 캐비티를 완전히 채우지 못한 채 냉각·고화된 상태입니다. 제품의 일부가 아예 없거나 얇게 형성됩니다.
미충전은 크게 두 가지 메커니즘으로 발생합니다:
- 유동 저항 > 사출 압력: 수지 점도가 너무 높거나, 게이트/런너가 좁거나, 유동 거리(Flow Length)가 길 때
- 가스 트랩: 공기가 빠져나가지 못해 수지 흐름을 막을 때 (벤트 불량)
인과 사슬
| 원인 | 중간 조건 | 불량 결과 |
|---|---|---|
| 수지 온도 저하 | 점도 상승 → 유동 저항 증가 | 유동 말단부 미충전 |
| 사출 속도/압력 부족 | 충전력 부족 | 씬 섹션(얇은 부위) 미충전 |
| 게이트 막힘 / 크기 부족 | 수지 유량 제한 | 게이트 원거리 미충전 |
| 벤트 막힘 | 공기 트랩 → 수지 흐름 차단 | 특정 부위 국소 미충전 |
| 금형 온도 과저 | 수지 급속 냉각·고화 | 유동 말단 조기 냉각 |
| 사출 용량 부족 (샷 사이즈) | 수지 공급량 미달 | 전체적 미충전 |
PFMEA 기재 요령
- 고장모드: 제품 미성형 (특정 부위 형상 미완성) / 벽 두께 설계값 미달
- 잠재 원인: 수지 온도 하한 이탈 / 사출 속도 부족 / 벤트 막힘
- 현 관리: 성형 조건 기록 / 초품 전수 치수·외관 확인 / 게이트·벤트 정기 점검
- 권장 조치: 수지 온도 하한 알람 / 벤트 청소 주기 PM 등록
불량모드 ⑤ — 뒤틀림 (Warpage)
발생 메커니즘
뒤틀림은 가장 진단이 어려운 불량 중 하나입니다. 원인이 잔류 응력(Residual Stress) 이라는 점은 알지만, 그 잔류 응력이 어디서, 왜 발생했는지를 특정하기가 어렵기 때문입니다.
주요 메커니즘 두 가지:
① 냉각 불균일 → 수축률 차이 → 굽힘
제품 한쪽 면은 냉각이 빠르고 반대쪽은 느리면, 수축률 차이로 인해 제품이 냉각이 느린 쪽으로 휩니다.
② 충전 중 분자 배향 → 방향성 수축 → 뒤틀림
사출 방향(MD)과 그에 수직인 방향(TD)의 수축률 차이가 클 때 평면도가 틀어집니다. 특히 유리섬유 강화(GF) 수지에서 두드러집니다.
인과 사슬
| 원인 | 중간 조건 | 불량 결과 |
|---|---|---|
| 금형 냉각 불균일 | 부위별 온도차 → 수축률 차이 | 제품 휨·뒤틀림 |
| 냉각 시간 부족 | 이형 시 미냉각 → 이형 후 변형 | 이형 직후 변형 |
| 과도한 보압 | 잔류 응력 증가 | 이형 후 스프링백 |
| 게이트 위치 불량 | 유동 방향성 → 이방성 수축 | 비대칭 뒤틀림 |
| 수지 건조 불량 | 수분 → 가수분해 → 점도 변화 | 성형 불안정, 뒤틀림 유발 |
| 이젝터 핀 불균일 배치 | 이형력 불균형 | 이형 시 변형 |
PFMEA 기재 요령
- 고장모드: 평면도 초과 (기준값 0.XX mm 이상) / 조립 시 간섭 발생
- 잠재 원인: 냉각 회로 온도 불균일 / 냉각 시간 설정 부족 / 수지 건조 조건 이탈
- 현 관리: 이형 후 평면도 측정 (CMM 또는 게이지) / 수지 건조 조건 기록
- 권장 조치: 냉각 회로 유량·온도 전수 모니터링 / 수지 건조기 온도·시간 알람
관리 파라미터 요약 — PFMEA 원인 칸에 넣어야 할 것들
좋은 PFMEA의 원인 칸은 측정 가능한 공정 파라미터로 채워져야 합니다. "작업 조건 불량"이나 "설비 이상"은 원인이 아닙니다.
| 공정 파라미터 | 관리 기준 (예시) | 관련 불량모드 |
|---|---|---|
| 배럴 온도 (구간별) | 230±10℃ | 미충전, 탄화, 분해, 웰드라인 |
| 금형 온도 | 50±5℃ | 수축, 뒤틀림, 웰드라인 |
| 사출 속도 | 80±10 mm/s | 웰드라인, 미충전, 플래시 |
| 사출 압력 | 120±10 MPa | 플래시, 미충전 |
| 보압 압력 | 80±5 MPa | 수축, 싱크마크 |
| 보압 시간 | 8±1 sec | 수축, 싱크마크 |
| 냉각 시간 | 20±2 sec | 뒤틀림, 수축 |
| 냉각수 온도 | 25±2℃ | 뒤틀림, 수축 |
| 체결력 | 350 ton 이상 | 플래시 |
| 수지 건조 조건 | 80℃ × 4h 이상 | 실버 스트리크, 뒤틀림 |
APQP Manager로 PFMEA 초안 생성하기
위 메커니즘을 이해했다면, 이제 APQP Manager의 FMEA 챗봇을 활용해 초안을 빠르게 생성할 수 있습니다.
프롬프트 예시:
"사출성형 공정에서 게이트 부위 외관 검사 공정 단계에 대한 PFMEA를 작성해줘.
고장모드: 싱크마크 발생
이 제품은 PP 소재이며, 배럴 온도 230℃, 금형 온도 50℃, 보압 압력 80MPa로 운영됩니다."
챗봇이 생성한 초안에는:
- 잠재 원인: 보압 압력 하한 이탈 / 보압 시간 부족 / 냉각수 온도 이상
- 잠재 영향: 외관 불합격 / 고객 반품
- 현 예방 관리: 성형 조건 모니터링 시스템
- 현 검출 관리: 초품 외관 검사 / 정기 샘플링 검사
이 초안을 팀과 공유하고 살을 붙이는 것이 살아있는 PFMEA의 시작입니다.
AI 초안의 한계 — 반드시 팀이 검토해야 할 부분
- 심각도(S): 이 부품이 어디에 쓰이는지, 고객 영향이 어느 수준인지는 팀만 압니다
- 발생도(O): 실제 현장 이력 데이터 없이는 AI가 정확히 설정할 수 없습니다
- 검출도(D): 현행 검사 방법의 실제 능력은 팀이 직접 평가해야 합니다
- 특별특성(SC): 안전·기능에 영향하는 항목 지정은 설계와 품질이 함께 결정합니다
AI는 무엇을 써야 하는지 모름 이라는 병목을 해소합니다.
어떤 수준으로 관리할지는 여전히 사람의 판단입니다.
다음 글: 다이캐스팅 PFMEA — 기공·콜드셧·수축공의 메커니즘과 관리 파라미터
관련 도구
PFMEA 초안 생성, Control Plan 연동, Action Item 추적이 필요하다면
APQP Manager의 FMEA 챗봇이 이 글에서 다룬 사출성형 메커니즘을 기반으로 초안을 생성합니다.