델린, PEEK 및 테플론/PTFE 플라스틱 가공: 팁, 장점 및 응용 분야

개요

플라스틱은 일반적으로 쉽게 구할 수 있고, 대부분 저렴하며, 사출 성형, 3D 프린팅, CNC 정밀 밀링과 같은 널리 사용되는 생산 기술과 잘 어울리기 때문에 현대 제조업에 필수적인 소재입니다.

CNC 가공은 회전하는 공구와 드릴을 사용하여 단단한 재료 덩어리에서 재료를 정밀하게 제거하여 부품의 모양을 만드는 절삭 가공 기술입니다.

플라스틱 부품 생산 측면에서 CNC 가공은 사출 성형보다 더 정확합니다.

또한, 다른 많은 제조 기술과 비교했을 때 CNC 가공은 더 다양한 플라스틱 소재와 호환되므로 많은 제품 개발팀이 가공을 통해 부품을 생산하는 데 매력적인 선택지가 됩니다.

플라스틱 가공

데를린이란 무엇인가

델린(Delrin)이라는 상품명으로 알려진 아세탈 폴리머는 뛰어난 특성 덕분에 CNC 가공에 널리 사용됩니다. 폴리옥시메틸렌(POM) 또는 델린 플라스틱이라고도 불리는 이 소재는 사출 성형 및 3D 프린팅과 같은 공정을 통해 추가 가공이 가능합니다. 델린은 다양한 등급으로 나뉘며, 각 등급은 고유한 특성 조합을 가지고 있습니다.

델린 플라스틱은 높은 인장 강도, 낮은 마찰 계수, 우수한 내마모성, 크리프 및 뒤틀림 저항성, 그리고 전반적인 인성과 긴 수명 덕분에 금속을 대체할 수 있는 훌륭한 소재입니다. 높은 밀도, 낮은 수분 흡수율, 탄화수소, 용제 및 중성 화학 물질에 대한 내화학성은 델린 소재의 여러 장점 중 일부에 불과합니다.

PEEK란 무엇인가

PAEK 소재 제품군에는 고성능 엔지니어링 열가소성 수지인 PEEK(폴리에테르 에테르 케톤)가 포함됩니다. 이 반결정성 소재는 뛰어난 강도, 내마모성 및 내마찰성을 지니고 있으며 고온에서도 그 특성을 유지하여 다양한 산업 부품 및 구성 요소에 사용됩니다.

PEEK는 내화학성 및 내수성 측면에서 PPS와 유사합니다. PEEK는 녹는점이 343°C에 달하며, 물리적 특성 손실 없이 최대 250°C의 고온을 견딜 수 있습니다. 또한 고온의 물이나 증기 환경에서도 사용 가능합니다. PEEK는 CNC 가공용으로 과립, 필라멘트, 바 또는 로드 형태로 제공되는 고성능 플라스틱입니다. 일반적으로 의료용 또는 산업용으로 분류됩니다.

테플론/PTFE란 무엇인가요?

테트라플루오로에틸렌(TFE)은 불소 중합체이자 열가소성 수지입니다. 테플론은 미국 화학 회사인 케무어스(Chemours)의 상표이며, 케무어스는 업계 거물인 듀폰(현재 다우듀폰)의 자회사입니다.

이 소재는 거의 모든 산업용 화학 물질과 용제에 내성이 있으며, 매우 높은 온도에도 견딜 수 있고, 뛰어난 절연체입니다. 마찰 계수가 낮아 달라붙지 않는 표면이 필요한 제품에 자주 사용되며, 부품들이 서로 마찰하며 움직이는 상황에 매우 적합합니다.

테트라플루오로에틸렌(PTFE)의 중합체인 테플론은 주파수와 온도에 관계없이 안정적인 탁월한 유전 특성을 지니고 있습니다. 스파크가 잘 발생하지 않고 화염 확산을 억제합니다. 테플론의 부피 밀도는 매우 높습니다. 테플론의 주요 특징은 다음과 같습니다.

• 우수한 열 및 전기 절연 기능
• 낮은 마찰 계수
• 화학 물질에 대한 내성
• UL94-VO 난연 등급

CNC 가공 플라스틱 선택 시 고려 사항

재료의 가공성은 물리적 특성에 영향을 받습니다. 따라서 가공 결과물은 재료에 따라 달라집니다. 플라스틱 가공 시 가공물의 크기와 모양은 가공 중 또는 가공 후에도 변형될 수 있습니다. 따라서 설계 엔지니어는 설계가 제조 가능한지 확인하기 위해 재료의 특성을 고려해야 합니다. 플라스틱 CNC 가공 시 다음 사항을 고려해야 합니다.

열 팽창

고온에서 거의 모든 물질은 팽창하여 부피가 증가합니다. 정밀 CNC 밀링에 사용되는 공구는 재료와 접촉할 때 열을 발생시킵니다. 금속에 비해 플라스틱은 열팽창 계수가 더 크기 때문에 가공 과정에서 크기 변화가 더 크게 나타날 수 있습니다. 따라서 각 플라스틱이 가공 시 발생하는 열에 어떻게 반응하는지 이해하는 것이 매우 중요합니다. 플라스틱이 노출될 열의 양을 고려해야 하며, 이는 치수 제한을 준수하는 데 영향을 미칩니다. 또한 재료의 열변형 온도는 고온에 노출되었을 때 재료가 쉽게 변형되기 시작하는 온도를 나타냅니다. 최종 재료를 선택할 때 이러한 점을 고려하여 부품이 용도에 적합한지 확인해야 합니다.

강도와 경도

플라스틱의 강도와 경도 특성을 고려하여 용도에 맞는 내구성을 확보할 수 있습니다. 하지만 이러한 특성은 가공 과정에서의 재료의 거동에도 영향을 미칩니다. 재료의 인장 강도는 칩 생성 방식에 영향을 주어 최종 표면 광택에 변화를 줄 수 있습니다. 경도 또한 칩 형성에 영향을 주며, 특히 무른 재료의 경우 작업자가 적절한 조치를 취하지 않으면 칩이 파여 가공이 어려워질 수 있습니다. 또한, 사용되는 공구의 마모 수명 역시 재료의 경도와 인장 강도에 따라 영향을 받습니다. 금속이나 세라믹을 가공할 때는 이러한 요소가 더욱 중요하게 고려되어야 합니다.

습기와 화학물질의 영향

일부 고분자 소재는 공기나 냉각제에서 수분을 흡수하거나 특정 물질에 의해 부정적인 영향을 받을 수 있습니다. 이러한 소재를 보관하려면 에어컨이 설치된 공간이나 밀폐 용기가 필요할 수도 있습니다. 습기와 화학 반응으로 인해 소재의 치수가 변동될 수 있으며, 이로 인해 정확한 공차를 유지하기가 더욱 어려워집니다. 심지어 고분자 소재가 안정성과 강도를 완전히 잃을 수도 있습니다.

미학

외관 및 광투과율과 같은 관련 특성과 같은 디자인 요소는 매우 중요할 수 있습니다. 이러한 경우 플라스틱 소재 선택의 폭이 좁아집니다. 투명도나 광투과율에 부정적인 영향을 미치지 않도록 가공 과정 전반에 걸쳐 표면이 거칠어지는 것을 피해야 합니다.

플라스틱 부품의 기능

부품의 기능은 항상 제작 방식을 결정합니다. 따라서 플라스틱 CNC 가공에 사용할 재료는 궁극적으로 제품의 용도에 따라 달라집니다. CNC 가공된 플라스틱 부품이 사용될 환경이 재료 선택에 가장 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어, 플라스틱 제품이 마찰이 거의 없거나 전혀 없는 환경에서 사용될 경우 데를린(Derlin)이 최적의 선택입니다. 데를린은 마찰이 매우 적은 특성으로 이러한 가공 방식에 적합하기 때문입니다.

후처리 요구 사항

심미적 가치를 높이기 위해 일부 부품은 후처리 공정이 필요할 수 있습니다. 하지만 모든 플라스틱이 모든 종류의 마감 처리에 적합한 것은 아닙니다. 따라서 CNC 가공용 플라스틱을 선택할 때 이 점도 고려해야 합니다.

델린, 테플론, PEEK 가공의 장점과 단점

델린 가공

부품 제작 시 금속은 델린으로 완벽하게 대체될 수 있습니다. 하지만 다른 모든 생산 재료와 마찬가지로 델린에도 장점과 단점이 있습니다. 델린의 장점과 단점은 다음과 같습니다.

장점

• 가벼운 무게

델린은 금속보다 가볍습니다. 하지만 가벼우면서도 인장 강도가 높아 충격 하중을 한 번 이상 견딜 수 있습니다.

• 가공 가능성

델린은 기존 장비와 최첨단 장비 모두를 사용하여 다루기 쉽고 가공이 간편한 특수한 성질을 가지고 있습니다. 또한 다른 수지보다 유동성이 뛰어나 금형의 얇은 벽면을 더욱 고르게 채울 수 있습니다.

• 내구력

폴리머 델린은 마모에 강합니다. 뛰어난 강성과 기계적 강도 덕분에 수명이 긴 다양한 고성능 델린 부품을 제작하는 데 사용될 수 있습니다.

• 낮은 마찰 계수

델린은 유지보수가 필요 없는 움직이고 미끄러지는 부품을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 또한, 델린의 고유한 윤활성 덕분에 마찰이 거의 또는 전혀 없이 작동하는 부품에 적합한 소재입니다.

• 높은 변형률 및 응력 내성

델린은 금속에 비해 뛰어난 복원력을 가지고 있습니다. 또한, 높은 인장 강도와 복원력 덕분에 스냅핏 및 버클 적용 분야에 적합합니다.

• 습기에 강함

델린은 수분을 흡수하지 않기 때문에 습한 환경에서도 사용할 수 있습니다. 또한, 다양한 화학 용제뿐만 아니라 휘발유와 같은 유기 용제에도 내성이 있습니다. 습기에 대한 저항성 덕분에 부식에도 강합니다. 따라서 많은 산업 분야에 적합한 소재입니다.

단점

델린은 제품 제조에 완전히 활용되는 것을 막는 몇 가지 단점이 더 있습니다. 그 단점 중 일부는 다음과 같습니다.

• 제한적인 내산성

델린 소재는 내용매성이 뛰어난 것이 특징입니다. 하지만 염소나 광산과 같은 일부 산에는 손상될 수 있습니다. 따라서 식수에 극히 낮은 농도의 염소가 함유되어 있어도 수도관 파열이 발생할 수 있습니다.

• 식품 안전 보관

델린은 식품 보관 용기를 만드는 데 사용하기에 가장 적합한 소재는 아닙니다. 델린은 산성 식품 재료와 섞일 때 식품을 오염시킬 수 있기 때문입니다.

• 약한 접착제

델린은 화학적 구성 때문에 서로 접착하기 어렵습니다. 델린을 접착하기 위해 폴리우레탄이나 에폭시 같은 접착제가 사용되어 왔지만, 이 경우 접착제 전문가의 도움이 필요하여 가격이 상승합니다.

• 가연성의

델린이라는 물질은 가연성입니다. A급 소화기만이 이 물질의 연소로 인한 불길을 끌 수 있습니다.

PEEK 가공

PEEK 가공에는 여러 가지 이점이 있으며, 이는 크게 두 가지 그룹으로 나눌 수 있습니다. 하나는 PEEK 소재 자체의 이점이고, 다른 하나는 CNC 기계를 사용하여 PEEK 소재를 가공할 때 얻을 수 있는 특정한 공정상의 이점입니다.

장점

PEEK 가공 시 다음과 같은 재료적 이점이 있습니다.

• 화학 물질에 대한 저항력이 매우 뛰어납니다.

PEEK 소재는 부식성 물질에 대한 저항성이 매우 뛰어납니다. 니켈강과 유사한 내성을 가지며, 고온에서도 대부분의 금속과 부식되지 않는 화학 구조를 유지합니다. 일반적인 환경에서는 강한 황산만이 이 플라스틱을 녹일 수 있습니다.

• 높은 방사선 저항성과 낮은 수분 흡수율.

PEEK 소재로 만들어진 기계 또는 기기의 부품은 습한 환경에서도 화학 구조와 특성을 유지합니다. PEEK는 고온에서도 가수분해에 대한 저항성이 뛰어나기 때문에 습한 환경, 고압의 온수 또는 증기 환경에서 최상의 성능을 발휘합니다.

또한 PEEK 부품은 강한 이온화 방사선에 노출된 환경에서도 작동할 수 있습니다. 앞서 언급했듯이 PEEK는 폴리스티렌보다 감마선에 대한 저항성이 더 높습니다.

• 고온에서도 높은 효율성과 신뢰성을 보장합니다.

PEEK 소재는 뛰어난 가공성 덕분에 플라스틱 CNC 정밀 밀링 가공 시 탁월한 작업성을 보장합니다. 고온 내성 열가소성 소재임에도 불구하고 다양한 소재 가공 기술을 적용할 수 있습니다.

이러한 기술에는 용융 방사, 사출 성형 및 압출 성형이 포함됩니다. PEEK는 우수한 열분해 특성과 고온 가공성을 갖추고 있어 이러한 호환성이 보장됩니다. 또한, 이 열가소성 수지는 화재 발생 시 자체 소화되는 물질이며, 유해 가스나 연기를 거의 또는 전혀 발생시키지 않습니다.

• 뛰어난 기계적 특성

PEEK를 비롯한 고온 열가소성 수지는 뛰어난 충격 저항성을 제공하며 고온에서도 형태를 유지합니다. 또한 치수 안정성이 높고 선팽창 계수가 낮습니다. 모든 고분자 중에서 PEEK는 응력 및 피로에 대한 저항력이 가장 강합니다. 뿐만 아니라, 탁월한 크리프 저항성(장기간 응력에 노출되었을 때 물질이 천천히 변형되는 특성)을 가지고 있어 높은 가공 응력을 견딜 수 있는 우수한 소재입니다.

또한 PEEK는 뛰어난 내마모성과 낮은 마찰 계수를 제공합니다. 이러한 특성 덕분에 압력, 표면 거칠기, 온도, 접촉면과의 속도 등 다양한 외부 물리적 환경에서도 우수한 내마모성을 유지할 수 있습니다.

• 생체 적합성 등급이 존재합니다.
• 생분해에 영향을 받지 않음

단점

PEEK 가공에는 여러 가지 단점이 있습니다. 그중 몇 가지는 다음과 같습니다.

열로 인한 내부 긴장 및 골절을 줄이기 위해서는 특별한 관리가 필요합니다.

• 어닐링이 필요합니다
• 비효율적인 열 전달.
• 너무 깊게 드릴로 뚫으면 깨질 수 있습니다.

테플론/PTFE 가공

테플론은 가공 시 다음과 같은 재료적 이점을 가지고 있습니다.

• 저항이 낮고 달라붙지 않습니다.
• 기상 조건에 대한 뛰어난 회복력
• 화씨 500도에 달하는 고온에도 견딜 수 있음
• 매우 우수한 전기 절연 특성.
• 화학 물질에 내성이 있습니다.
• 높은 충격 저항성.

공정상의 장점

• 부드럽고 밀도가 높아 가공하기 쉽습니다.
• 뛰어난 열 안정성 덕분에 부품 변형 및 공구 막힘 현상이 방지됩니다.

테플론 가공의 단점:

• 상당한 열팽창 계수.
• 서서히 진행되는 스트레스.
• 엄격한 공차를 달성하기는 어렵습니다.
• 기계적 품질이 낮음.
• 재질의 유연성으로 인해 버(burr) 발생 위험이 있습니다.

1.0 델린, 테플론, PEEK 가공에 대한 응용 방법 및 팁

1.1 테플론 가공 응용 분야

테플론은 CNC 가공에 가장 적합한 소재는 아니지만, 열 안정성과 낮은 마찰 계수와 같은 장점 덕분에 특정 분야에서 중요한 용도로 사용됩니다. 전 세계적으로 생산되는 PTFE의 약 절반은 전선 절연재로 사용되지만, 전선이나 그 절연재를 만드는 데 CNC 기계는 사용되지 않습니다. 알루미늄 조리 기구용 테플론 코팅은 아마도 가장 잘 알려진 용도 중 하나일 것입니다. 이 경우 액체 형태의 테플론을 에칭 처리된 금속 표면에 분사하거나 롤러로 도포합니다. 테플론 코팅 조리 기구는 일반적으로 CNC 가공에 사용되지 않습니다.

하지만 테플론은 고체 상태일 경우 CNC 가공을 통해 가공할 수 있습니다. 기어, 부싱, 피팅, 밸브는 가공 가능한 산업용 테플론 부품의 예입니다.

기어

 의료, 식품 가공, 연구 및 항공 우주 분야를 포함한 다양한 분야에서 CNC 가공으로 제작된 일반적인 PTFE 부품에는 부싱, 피팅, 베어링 및 밸브가 있습니다.

테플론 가공 팁

테플론은 특유의 성질과 PTFE의 특성에 맞추기 위한 제조 방식 때문에 다른 널리 사용되는 재료로 쉽게 대체할 수 없습니다. 설계자와 가공자가 충분한 주의를 기울인다면 테플론은 다양한 부품 및 구성 요소에 사용할 수 있습니다. 재료에 사전 응력 제거 처리를 하지 않으면 정밀한 공차를 구현하기 어려울 수 있으며, 테플론 부품의 일반적인 공차는 약 0.13mm입니다. 테플론을 CNC 가공할 때, 날카로운 공구와 수용성 냉각제(압축 공기 및 분무 미스트 등)를 함께 사용하면 최상의 표면 조도와 공차를 얻을 수 있습니다. 또한, 무향 냉각제를 사용하는 것이 좋습니다. 테플론 가공 시 버 제거는 매우 중요한 요소입니다. PTFE는 매우 부드럽기 때문에 작고 정밀한 절삭 공구를 사용하더라도 가공 후 제거해야 할 불필요한 흔적이 남을 수 있습니다. 버는 샌딩과 같은 일반적인 표면 처리 공정을 통해 제거할 수 있지만, 가공된 테플론을 냉동시켜 버 제거 과정에서 유연성을 떨어뜨리는 더욱 정교한 방법도 있습니다.

점검표.

• 연삭 절삭 공구를 사용하십시오.
• 수용성 냉각제를 충분히 사용하십시오.
• 중간 정도의 허용 오차를 유지하도록 노력하십시오.
• 사전에 버 제거 계획을 수립하십시오.

1.2 PEEK 가공의 응용 분야

PEEK는 다양한 용도로 사용될 수 있는 소재로, 일부 제품은 CNC 가공을 통해 다른 생산 방식보다 더 효율적으로 가공할 수 있습니다. 의료용 및 산업용 등급으로 제공되는 PEEK 플라스틱은 치과, 의료, 항공우주, 자동차, 화학, 전자 및 에너지 분야에서 활용됩니다.

PEEK 가공 팁

최적의 결과를 얻으려면 가공 전, 가공 중, 가공 후에 중요한 절차를 준수해야 합니다.

• 가열 냉각.

PEEK 봉은 인장력을 해소하고 밀링 가공 중 변형 및 표면 균열 발생 가능성을 줄이기 위해 어닐링 공정을 거칩니다. 어닐링 처리된 PEEK는 변형이 덜 발생합니다. 가공 공정에 소요되는 시간에 따라 여러 번의 어닐링 공정이 필요할 수 있습니다.

• 절단 장치.

PEEK는 일반적으로 탄화규소로 만든 절삭 공구를 사용하여 가공할 수 있습니다. PEEK에 탄소 섬유가 보강되어 있거나 매우 정밀한 공차가 요구되는 경우에는 다이아몬드 공구를 사용해야 합니다.

또한, 금속에 절삭 공구를 사용하지 않음으로써 오염을 방지할 수 있습니다.

• 건조하거나 미끄럽다

PEEK는 열을 발산하지 않기 때문에 가공 중 변형이나 파손을 방지하기 위해 냉각이 필수적입니다. 예를 들어 의료 기기를 가공할 경우 일반적인 액체 냉각제를 사용할 수 있지만, 액체 냉각제가 PEEK의 생체 적합성에 영향을 미칠 수 있으므로 이 경우에는 PEEK 소재를 압축 공기로 냉각해야 합니다.

• 교련.

PEEK는 다른 폴리머에 비해 신축성이 낮아 깊은 구멍을 뚫을 때 파손될 수 있습니다.

• 적절한 가공 매개변수를 사용하십시오.

PEEK 부품을 문제없이 제조하려면 드릴링, 밀링, 선삭 작업 시 적절한 가공 매개변수를 사용하는 것이 중요합니다.

1.3 델린 가공의 응용 분야

가공성이 뛰어난 델린(Delrin) 부품은 가전제품을 비롯한 다양한 CNC 가공 공장에서 널리 사용됩니다. 델린은 다음과 같은 가공 분야에 자주 사용됩니다.

기어, 하우징, 스프링, 팬 휠, 밸브, 베어링, 롤러 및 스크레이퍼는 모두 델린으로 만들 수 있습니다.

베어링스

전자 제품에 사용되는 델린 구성 요소에는 절연체, 커넥터, 스풀 및 연결 부품뿐만 아니라 키보드 커버와 같은 소비자 전자 제품 부품도 포함됩니다.

도어 잠금 시스템, 힌지 하우징 및 연료 트랜스미터 장치는 모두 델린으로 만들어진 차량 부품입니다.

흡입기, 인슐린 펜, 의료 기기 등이 델린으로 만들어진 의료 용품에 속합니다.

수술용 스테이플러와 기타 피크가 모두 있습니다.

델린 가공 팁

델린은 가공성이 매우 뛰어난 고분자 소재 중 하나이므로 특별한 안전 조치가 필요하지 않습니다. 하지만 일부 설계 요소와 제조 기술은 다른 것보다 델린에 더 잘 적용됩니다.

• 델린 소재 전용 디자인.

델린 가공용 부품을 설계할 때는 벽 두께를 일정하게 유지하고, 필요한 경우 모서리 보강재(필렛)와 보강 리브(리브)를 추가하십시오. 특히 큰 부품은 변형이 발생하기 쉬울 수 있습니다.

• 델린은 별도로 보관해야 합니다.

알루미늄이나 다른 금속을 절단하는 데 사용된 적이 없는 절삭 공구를 사용하는 것이 오염을 방지하는 가장 좋은 방법입니다.

• 관찰하십시오.

델린은 날카롭고 여유각이 큰 절삭 공구를 사용하면 더욱 효과적으로 가공할 수 있으며, 절삭 윤활유를 사용하는 것도 도움이 될 수 있습니다.

• 너무 꽉 조이지 마세요.

델린은 강성이 그다지 높지 않으므로 공작물 고정 시 주의해야 합니다. 항상 가벼운 클램핑 압력을 사용하십시오.

• 침착하세요.

델린은 121°C 이상의 열원에 취약합니다. 공기 기반 냉각제는 액체 냉각제보다 성능이 우수할 뿐만 아니라 칩 제거 속도도 향상시킵니다.

• 악기를 깨끗하게 유지하세요.

델린 소재를 가공할 때 발생하는 칩은 제어 가능하고 균일한 형태를 띠므로, 공구에 칩이 달라붙는 것을 방지하기 위해 신속하게 칩을 제거해야 합니다.

2.0 맺음말

수많은 상업용 및 가정용 제품이 플라스틱 폴리머로 만들어집니다. 일부 제품의 경우 높은 정밀도, 정확도, 엄격한 공차 등이 요구됩니다. 이러한 이유로 CNC 플라스틱 가공은 고품질의 내구성 있는 플라스틱 폴리머를 사용하고자 하는 많은 사람들에게 인기 있는 선택지입니다.