제1장
재료의 비교
플라스틱은 금속이 아니다

재료의 비교
아직도 수많은 플라스틱 설계들이 ‘금속 부품’의 설계 방식에 의존하고 있다. 본고의 필자들은 플라스틱 설계시 기타 재료와 달리 주의해야 할 사항을 지적하고 있다.

기본적인 재료 특성의 차이
플라스틱 재료의 물성의 다양성은 기타 공업용 재료보다 훨씬 광범위하다. 충진재나 보강재 및 개질제를 첨가하면 거의 모든 수지의 물성이 확연히 달라지게 된다. 플라스틱의 기본적인 물성은 대부분 금속과는 뚜렷한 대조를 보인다. 예를 들어, 공업용 열가소성 수지에 비해 다음의 물성이 우수하다.

- 밀도
- 최대 사용 온도
- 열 전도성
- 전기 전도성

반면, 다음의 물성은 플라스틱이 몇 배나 더 우수하다 (그림 1 참조)

- 기계적 댐핑
- 열 팽창
- 내 충격성

금속을 대체하여 플라스틱으로 기능성 부품을 생산할 때 비용을 줄이려면 대개 설계를 대폭 변경해야 한다.
이러한 설계 변경을 통해 기능과 구조적 단순함이 통합된 완벽한 재설계 방법을 찿아낼 수도 있다.

그림.1

그림.2

재료의 특성차이
플라스틱의 특성은 동일 사용 온도에서 금속의 특성과 상당히 다른 경우가 있다. 이 때문에 주조 금속에서는 효율적이고 경제적인 설계가 플라스틱에서는 그렇지 못한 경우가 많다. 따라서, 플라스틱 설계자는 플라스틱 재료의 물성을 숙지하고 있어야 한다.

변형 특성의 온고 및 시간 의존성
재료의 사용 온도가 융점에 가까울수록 재료의 변형 특성의 온도 및 시간 의존성은 커진다. 대부분의 플라스틱은 실온이나 단기간의 스트레스에 노출되는 경우 기본적인 기계적 특성이 변화하게 된다. 반면에, 금속의 경우 재결정 온도(300℃)근처까지 다다르기 전에는 기계적 특성의 변화가 거의 없다.

사용 온도나 변형 속도의 변화가 심한 경우, 공업용 열가소성 수지의 변형 특성은 딱딱하고 부서지기 쉬운 것에서부터 고무처럼 탄력적인 것에 이르기까지 다양한 양상을 띤다. 예를 들면, 동일한 재료로 만든 에어백 커버와 스냅 핏 요소라도 사용 용도에 따라 변형 특성의 차이가 확연하다. 에어백 커버는 폭발성 개봉시에도  변형이 되어서는 안 되지만, 스냅 핏 요소의 경우 사용 온도 조건이 고온이냐 저온이냐에 따라 조립 방법이 달라진다. 이때 온도의 효과가 부하 속도의 효과보다 훨씬 크다.

부품의 물성에 영향을 주는 요인
플라스틱의 특성은 재료의 물성에 국한되는 것은 아니다. 플라스틱 부품의 기본적 물성은 여러가지 요인(예: 자외선, 그림3 참조)에 의해 사용할 수 없는 정도까지 변할 수가 있다. 성형 설계를 아무리 잘 되더라도 재료의 가공 조건이 부적절하면 품질이 떨어진다. 마찬가지로, 가공을 잘 해도 성형 설계가 잘못되어 있으면 품질을 향상시킬 수가 없다. 모든 요건을 다 고려하여 최적화 한 가공법(그림4)을 이용 할 때에만 품질이 우수한 플라스틱 부품이 얻어지게 된다.

금속의 경우보다 플라스틱의 경우 설계 잘못에 의한 폐해가 크기 때문에, 플라스틱 부품의 재료 설계에는 매우 세심한 주의를 기울여야 한다. 따라서 설계시에는 모든 요건과 경계 조건을 정확하게, 충분히 숙지하고 있어야 한다.