플라스틱 부품은 금속 부품처럼 공차를 정확히 준수하지 못합니다. 이를 기대하는 것이 사출 성형 및 CNC 가공 분야에서 생산 지연, 비용 초과, 공급업체 분쟁이 발생하는 가장 흔한 원인입니다. 선반 가공된 알루미늄 부품은 ±0.025 mm의 공차를 안정적으로 유지할 수 있지만, 동일한 형상의 PA66 사출 성형 부품은 수분 조절, 금형 마모, 공정 변동 등을 고려할 경우 ±0.15 mm의 공차를 유지하기조차 어려울 수 있습니다.
이 가이드에서는 ISO 2768, DIN 16901 및 수십 년에 걸친 생산 데이터를 바탕으로 각 제조 공정 및 재료에 대한 실용적인 공차표를 제시합니다. 설계 단계에서 이 수치를 활용하면, 도면에 명시된 ±0.05 mm 공차가 애초에 달성 불가능했다는 사실을 뒤늦게 깨닫게 되어 막대한 비용을 치르는 상황을 피할 수 있습니다.
제조 공정에 따른 허용 오차 범위
| 프로세스 | 일반적인 공차 | 최상의 시나리오 | 최악의 경우 | 주요 제약 요인 |
|---|---|---|---|---|
| CNC 가공 (플라스틱) | ±0.05~0.10 mm | ±0.025 mm | ±0.25 mm | 절삭 중의 열팽창 |
| CNC 가공 (금속) | ±0.025~0.05 mm | ±0.005 mm | ±0.15 mm | 공구의 변형 |
| 사출 성형 (충진재 미사용) | ±0.10~0.30 mm | ±0.05 mm | ±0.50 mm | 수축률 변동 0.1~0.3% |
| 사출 성형 (GF30) | ±0.08~0.20 mm | ±0.05 mm | ±0.40 mm | 이방성 수축; 금형 마모 |
| 3D 프린팅 (SLS 나일론) | ±0.15~0.30 mm | ±0.10 mm | ±0.50 mm | 층 분해능; 분말 베드 수축 |
| 3D 프린팅 (SLA 레진) | ±0.10~0.20 mm | ±0.05 mm | ±0.30 mm | 후경화 수축; 지지대 자국 |
재료별 공차 지침
치수 안정성 측면에서 모든 플라스틱이 똑같은 것은 아닙니다. 주요 차이점은 다음과 같습니다: 수축 (값이 클수록 허용 오차 범위가 넓어짐), 수분 흡수 (나일론은 팽창하지만 PP는 그렇지 않으며), 그리고 열팽창 계수(CTE) (성형 시점과 실온 사이에서 부품의 크기가 얼마나 변하는지를 결정합니다). 아래 표는 잘 설계된 양산 금형에서 길이 100 mm인 부재에 대해 현실적으로 기대할 수 있는 공차 범위를 보여줍니다.
| 재료 | 공차 (100mm 기준) | 수축 범위 | CTE (10⁻⁶/°C) | 수분 효과 |
|---|---|---|---|---|
| ABS (충진제 미첨가) | ±0.08~0.15 mm | 0.4-0.7% | 70-90 | 최소 (0.1% 미만) |
| PC (미채움) | ±0.08~0.15 mm | 0.5-0.7% | 65-70 | 최소 (0.15% 미만) |
| PA66 (충진제 미첨가, 건조) | ±0.12~0.25 mm | 1.5-2.0% | 70-90 | 50% 상대습도에서 +0.5~1.5% 치수 |
| PA66-GF30 | ±0.08~0.18 mm | 0.2-0.6% | 20-30 | +0.3~0.8% (유리 함량에 따라 감소) |
| PP (충진재 미함유) | ±0.15~0.35 mm | 1.0-2.5% | 100-150 | 미미한 |
| POM (델린, 아세탈) | ±0.08~0.20 mm | 1.8-2.5% | 100-120 | 최소 (0.2% 미만) |
| PEEK (충진제 미첨가) | ±0.10~0.20 mm | 1.0-1.5% | 47-55 | 최소 (0.1% 미만) |
DIN 16901: 플라스틱 전용 표준
DIN 16901은 플라스틱이 금속보다 수축률이 더 크고 변동 폭이 크다는 점을 고려하여, 특히 플라스틱 성형 부품에 대한 공차 등급을 정의하고 있습니다. 이 표준은 공칭 치수 범위에 기반한 일련의 공차 그룹을 사용합니다. 100 mm 치형의 경우, DIN 16901의 정밀 공차는 PA66과 같은 충전제가 포함되지 않은 반결정성 소재에 대해 대략 ±0.18 mm에 해당하며, 이는 동일한 크기의 가공 금속에 대해 ISO 2768-m(중간)이 규정하는 공차의 약 6배에 해당합니다. 금형 제조업체 및 사출 성형 공급업체와 현실적인 기대치를 설정하기 위해서는 ISO 2768이 아닌 이 표준을 플라스틱 부품 도면에 참조해야 합니다.
플라스틱 공차에 대한 설계 규칙
- 필요한 경우에만 허용 오차를 명시하십시오: 부품 전체에 일률적인 공차를 적용하지 마십시오. 도면의 모든 공차는 비용이 발생합니다. 금형 제작사는 이를 준수해야 하고, 사출 성형 업체는 이를 검증해야 하며, 양측 모두 이에 대한 비용을 청구합니다. 비기능성 표면에는 일반 공차(ISO 2768 또는 DIN 16901 참조)를 적용하고, 베어링 맞물림, 씰 표면 및 조립 인터페이스에만 특정 공차를 적용하십시오.
- 습기에 민감한 소재의 경우, 100 mm당 0.05 mm를 더하십시오: 나일론(PA6/PA66) 부품은 성형 직후 건조 상태와 50% 상대습도 평형 상태 사이에서 치수가 0.5~1.5% 정도 변합니다. 금형에서 막 꺼낸 상태에서 100.00 mm인 100 mm 길이의 PA66 부품은 조건화 후 100.50~101.50 mm로 측정됩니다. 측정 조건(건조 상태 또는 조건화 상태)을 명시하거나, 수분 영향을 고려하여 공차를 넓혀야 합니다.
- 금형 공차는 부품 공차에 포함되지 않습니다: ±0.01 mm 정밀도로 가공된 금형 캐비티라고 해도, 그 결과물로 ±0.01 mm 정밀도의 부품이 생산되지는 않습니다. 성형 공정에서는 수축(치수의 1-2%), 금형 온도 변동(±3°C = 100 mm 기준 ±0.03 mm), 그리고 성형 압력 변동 등으로 인해 오차가 발생합니다. 최종 부품 공차에는 금형 공차의 3~5배를 여유로 두어야 합니다.
- 게이트 근처에서는 허용 오차가 매우 엄격해집니다: 게이트에 가까운 부위의 치수는 더 높은 성형 압력을 받으며 수축 편차가 더 작습니다. 길이 100mm인 부품에서 게이트 반대쪽 끝단에 공차에 민감한 부위가 있는 경우, 게이트 근처에 위치한 동일한 부위에 비해 치수 편차가 2~3배 더 큽니다. 공차에 민감한 부위에 먼저 재료가 공급되도록 게이트 위치를 설계하십시오.
- 수명 기간 동안의 금형 마모를 고려하십시오: 충진제가 포함되지 않은 플라스틱의 경우 금형 캐비티는 10,000회 사출당 0.001~0.003 mm씩 마모되며, 유리 섬유가 함유된 등급의 경우 10,000회 사출당 0.005~0.015 mm씩 마모됩니다. 200,000샷의 수명 동안 GF30은 캐비티를 0.1~0.3 mm 정도 넓힐 수 있습니다. 금형 가동 초기에는 공차 범위의 중간값을 기준으로 설계하여, 캐비티가 상한선 쪽으로 마모되어도 부품이 규격 내에서 유지되도록 하십시오.
- 플라스틱의 GD&T: 위치가 아닌 프로파일을 사용하십시오: 플라스틱 부품은 휘어지거나 고르지 않게 수축하며, 이형각이 있습니다. 실제 위치(원형 허용 범위 ±)는 강성이 높은 금속 부품의 경우 물리적으로 의미가 있지만, 이젝션 후 기울어지는 성형 플라스틱 보스의 경우에는 그렇지 않습니다. 대신 표면 프로파일 공차를 사용하십시오. 이는 표면이 완벽하게 정렬되어 있다고 가정하지 않고도 표면이 반드시 포함되어야 하는 3차원 영역을 정의합니다. 플라스틱 부품에서는 동심도와 대칭도를 완전히 피해야 합니다. 비강성 부품에서는 이러한 특성을 물리적으로 검증할 수 없기 때문입니다.
산업별 적용 분야 매트릭스
| 산업 | 일반적인 부품 | 재질/등급 | 주요 요구 사항 |
|---|---|---|---|
| 의료 기기 | 주사기 플런저, 루어 피팅, 흡입기 본체 | 중요 씰의 경우 ±0.05~0.10 mm | ISO 13485; 치수 검증보다는 기능 검증 |
| 자동차 | 커넥터 하우징, 센서 브라켓, 유체 피팅 | ±0.10~0.20 mm | 온도 범위 -40~+120℃; 열 사이클링 후에도 정상적으로 장착되어야 함 |
| 소비자 가전 | 휴대폰 케이스, 노트북 케이스, 웨어러블 밴드 | 미관상 틈새의 경우 ±0.08~0.15 mm | 갭-앤-스텝 가시적 품질 지표; 사용자가 0.1 mm 간격을 식별할 수 있음 |
| 산업 장비 | 기어 하우징, 베어링 좌대, 펌프 본체 | ±0.10~0.25 mm | 유류·화학물질에 노출되거나 온도 변화가 반복되는 환경에서도 정상적인 상태를 유지해야 함 |
비용 결정 프레임워크
공차는 금형 비용에 비선형적으로 영향을 미칩니다: ±0.20 mm 공차를 목표로 설계된 금형의 가격은 $12,000 정도일 수 있습니다. 동일한 부품 형상을 ±0.10 mm로 공차를 좁히면, 고정밀 가공, 경화강, 컨포멀 쿨링이 필요해져 $5,000~8,000이 추가됩니다. 공차를 ±0.05 mm로 더욱 엄격하게 적용할 경우 $8,000~15,000이 추가되어, 총 비용은 기존보다 2~3배 증가하며 공차 범위는 4배 더 좁아집니다.
공정상의 상충 관계: 부품에 정말로 ±0.05mm 이하의 정밀도가 필요하다면, 사출 성형은 적합하지 않은 공정이 될 수 있습니다. 플라스틱 소재를 CNC 가공하면 500개 미만의 소량 생산 시 더 낮은 금형 비용($0 금형, $15-50/개당 가공)으로 ±0.05 mm의 정밀도를 달성할 수 있습니다. 5,000개 이상 생산 시, 부품당 가공 비용은 대개 상각된 금형 비용을 초과합니다.
결정 규칙: 사출 성형을 기준으로 부품을 ±0.15mm 공차로 설계하십시오. 베어링 좌석, 씰 홈, 스냅핏 결합면 등 반드시 필요한 부위에만 공차를 엄격히 적용하십시오. 공차를 한 단계씩 엄격하게 설정할 때마다 비용이 증가하며, 불필요한 공차는 분쟁을 초래하기 마련입니다.
흔히 발생하는 결함 및 해결 방법
| 결함 | 외관 | 근본 원인 | 해결책 |
|---|---|---|---|
| 컨디셔닝 후 허용 오차 범위 벗어남 | 해당 부품은 건조 상태에서는 규격 내이지만, 수분 측정 후에는 규격 외로 나타납니다. | 나일론은 1.5~2.5%의 수분을 흡수하여 0.5~1.5%만큼 팽창했다. | 측정 전에 전처리를 지정하고, 허용 오차를 확대하거나 GF 등급을 사용하십시오. |
| 성형 수축률의 변동 | 캐비티 간 또는 샷 간 편차가 0.1 mm를 초과하는 경우 | 공정 불안정성: 용융 온도 ±5°C, 유지 압력 편차 | 공정을 ±3°C 및 ±50 PSI 범위 내에서 안정화하고, 중요 치수에 대해 SPC를 적용한다. |
| 변형으로 인한 사양 불합격 | 분출 후 부품이 뒤틀리고, 치수가 변한다 | 차등 냉각; 이방성 GF 배향 | 몰드 플로우 분석을 활용하고, 냉각을 균형 있게 조정하며, 대칭적인 충전이 이루어지도록 게이트 위치를 재조정하십시오. |
| 공구 마모가 허용 오차를 초과함 | 생산 과정에 따라 캐비티 치수가 점차 커짐 | 연강에 대한 GF 마모; 게이트 부위의 높은 사출 속도 | H13/D2로 업그레이드; 마모 부위에 경질 크롬 도금; 25K 샷마다 점검 |
프로젝트에 나일론 플라스틱을 선택해야 하는 이유
정밀 제조
한 지붕 아래 30개 이상의 CNC 및 사출 성형 라인
ISO 9001:2015 인증 획득
인증된 품질 관리 시스템, 전체 검사 보고서
15~25일의 리드 타임
신속한 처리 및 긴급 처리 옵션 제공
전 세계 배송
북미, 유럽, 아시아행 항공 및 해상 화물 운송
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자주 묻는 질문
플라스틱 사출 성형 부품의 경우, 달성 가능한 가장 엄격한 공차는 얼마입니까?
잘 설계된 금형에서 충전재가 첨가되지 않은 비정질 소재(ABS, PC)의 경우, 게이트 근처의 50mm 미만 부위에서는 ±0.05mm의 공차를 달성할 수 있습니다. 반결정성 소재(PA66, POM, PP)의 경우: ±0.08~0.10 mm가 실질적인 하한치입니다. 이 수치는 경화 금형강(H13+), 엄격한 공정 제어(±3°C, ±50 PSI), 그리고 정의된 수분 함량에서의 측정을 전제로 합니다. 경쟁력 있는 가격의 상업용 성형의 경우, 표준 엄격 공차로 ±0.15 mm를 예산에 반영해야 합니다. 이보다 더 엄격한 공차는 협상을 거쳐야 하며, 더 높은 비용과 문서화된 성능 연구가 필요합니다.
왜 플라스틱의 공차가 금속의 공차보다 더 넓은가요?
세 가지 물리적 이유: (1) 수축 – 플라스틱은 냉각 과정에서 0.5-2.5% 정도 수축하며, 이 수축률은 공정 매개변수와 부품 형상에 따라 달라집니다. 금속은 수축률이 훨씬 낮으며 일정한 비율로 수축합니다. (2) 수분 흡수 – 나일론은 중량 대비 2~8%의 수분을 흡수하여 치수가 0.5~1.5% 팽창합니다. 금속은 수분을 흡수하지 않습니다. (3) 점탄성 – 플라스틱은 하중을 받으면 크리프 현상이 발생하고, 성형물 배출 후에는 이완됩니다. 성형물 배출 5분 후에 측정된 플라스틱 부품의 치수는 내부 응력이 이완되는 24시간 후에는 달라집니다. 이 세 가지 요인 중 어느 것도 금속에 동일한 정도로 적용되지 않습니다.
플라스틱 부품에 GD&T(기하학적 치수 및 공차)를 적용할 수 있나요?
네, 하지만 주의가 필요합니다. 표준 GD&T(ASME Y14.5)는 부재가 강성을 갖는다고 가정합니다. 이는 금속의 경우 타당한 가정이지만, 온도나 습도에 따라 휘어지거나 크리프 현상이 발생하며 형상이 변하는 플라스틱의 경우에는 해당되지 않습니다. 권장 사항: (1) 평탄도/직선도 대신 표면 프로파일을 사용하여 형상 제어를 하십시오. 이는 강성을 가정하지 않고 3차원 공차 영역을 정의합니다. (2) 동심도와 대칭도 규정을 피하십시오. 이 규정은 대향하는 두 지점을 동시에 측정해야 하는데, 이는 변형되는 부품에서는 물리적으로 무의미합니다. (3) 측정 조건(온도, 습도, 성형 후 경과 시간)을 명시하십시오. (4) GD&T 표기 사항과 함께 플라스틱 전용 공차 등급에 대해서는 DIN 16901을 참조하십시오.
플라스틱 소재에 따라 허용 오차 기준이 달라져야 할까요?
네, 상당히 그렇습니다. 비정질 플라스틱(ABS, PC, PS)은 반결정성 플라스틱(PA, PP, POM, PEEK)보다 수축이 적고 수축이 더 균일합니다. 동일한 100mm 치수의 경우, ABS는 ±0.08~0.15mm의 공차를 유지할 수 있는 반면, 충전재가 없는 PP는 ±0.15~0.35mm의 공차가 필요합니다. 유리 섬유 강화 등급은 수축이 적지만 이방성이 더 큽니다. 즉, 유동 방향의 공차는 충전재가 없는 소재보다 더 엄격할 수 있는 반면, 횡유동 방향의 공차는 더 넓을 수 있습니다. 나일론은 수분으로 인한 치수 변화가 발생하므로, 유리 섬유 함량과 관계없이 이를 반드시 고려해야 합니다. 공차 범위는 일괄적인 주석이 아닌 항상 소재별로 명시해야 합니다. 공급업체는 해당 공차가 어떤 소재에 적용되는지 알아야 하기 때문입니다.
