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[소재탐구] 플라스틱 가공 재료 - 아크릴(PMMA)

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2023-07-31

목차

    아크릴은 아크릴 스탠드나 옷 소재로서의 아크릴 등으로 일상생활에서도 자주 언급되는 소재이기 때문에 제조 산업에 대해 잘 모르는 사람들에게도 익숙한 재료일 것입니다.

     

    아크릴의 정식 명칭은 폴리 메틸 메탈크릴레이트(PMMA)이며, 제조업계에서도 흔하게 사용되는 소재입니다. 아크릴과 비슷한 소재로는 PC, 포맥스, 알포판낼, PVC, ABS 등이 있으며, 그중 아크릴은 가장 대중적으로 쓰이는 플라스틱 중 하나입니다.

     

    아크릴의 일반적인 특성

    아크릴이 분야를 막론하고 널리 사용되는 이유는 해당 소재가 가진 장점 때문인데요, 아크릴 소재의 일반적인 특성은 다음과 같습니다.

    아크릴의 일반적 특성: 투명성, 내구성, 경제성, 경량성

     

    • 투명성: 아크릴은 약 92%의 높은 투명도를 가지고 있습니다. 이는 유리와 비슷하거나 더 높은 정도입니다. 따라서 투명한 표면을 유지하면서 다양한 형태로 성형하거나 절삭할 수 있습니다. 이러한 특성은 전시 디스플레이, 광고물, 조명 제품 등에 적합하게 만들어 줍니다.

     

    • 경제성: 아크릴은 유리에 비해 상대적으로 저렴하므로 대량 생산이나 대형 프로젝트에서 비용을 절감하는 데 도움이 됩니다.

     

    • 경량성: 아크릴은 유리에 비해 약 50% 가볍습니다. 이러한 가벼움은 대형 제품이나 조립식 제품을 운반하거나 설치하는 것을 매우 용이하게 만들어 줍니다.

     

    • 내구성: 아크릴은 내구성이 뛰어나고 화학적으로 안정된 소재입니다. 잘 가공되고 적절하게 사용된 아크릴 제품은 오랜 시간 동안 변색이나 부식 없이 사용할 수 있습니다. 또한 아크릴은 일반적인 용매와 다양한 화학 물질에 대해 상당한 내성을 가지고 있어 화학적인 부식도 적습니다.

     

    또한 유리에 비해 50% 가량 가볍다는 것은 그만큼 밀도가 낮다는 것을 의미하는데요, 낮은 밀도에 비해 강도는 유리의 5배이므로 더 강력한 충격 방지가 가능한 소재입니다. 또한 부서진다 한들 유리처럼 날카로운 파편이 생기지는 않습니다. 이외에도 아크릴은 우수한 내후성과 내열성을 가지고 있습니다. 예를 들어 장기간 자외선에 노출되었을 때 PC 소재는 노랗게 변하지만, 아크릴 소재는 변하지 않습니다.

     

    CNC 가공에서 사용되는 아크릴

    가격이 저렴하면서도 가공이 용이하다는 특성 때문에 아크릴은 제조 업계에서도 CNC 가공, 주조, 사출 성형, 열 성형 등 가공 방법을 가리지 않고 많이 사용되는데요, 아크릴을 사용하여 시제품을 만들 때는 일반적으로 CNC 가공을 채택합니다. 판금 가공은 가공 가능한 아크릴 두께에 한계가 있고, 주조 등은 시제품을 만들기에는 적합하지 않은 대량 생산 가공 방법이기 때문입니다.

     

    한편 아크릴 소재는 압출 아크릴과 캐스트(주조) 아크릴로 나뉘는데, 이 두 가지의 종류는 아크릴이 만들어지는 방식에 따른 것입니다. CNC 가공에서 주로 사용되는 종류는 캐스트 아크릴입니다. 압출 공정으로 만들어진 압출 아크릴은 주로 시트 형태이므로 절삭 공정에서 파손될 가능성이 높지만, 그에 반해 캐스트 아크릴은 내열성이 높아 가공 시 절삭 열에 의해 녹는 것이 덜하기 때문입니다. 추가적으로 캐스트 아크릴은 압출 아크릴보다 다양한 색상으로 제작되어 디자인적으로도 더욱 높은 다양성을 가집니다.

     

    CNC 가공에서 아크릴의 장점

    아크릴이 CNC 공정에서 빛을 발하는 특성은 다음과 같습니다.

     

    • 절단면이 직각, 수직이므로 접착을 요하는 DIY 용도로 좋습니다. 만약 아크릴이 레이저 가공 등과 같이 열을 통해 절단하는 공정을 거친다면, 열이 닿는 면적은 녹아버리기 때문에 자세히 들여다 보면 모서리가 직각이 아닙니다. 절단면은 곡선이 아닌 직선이어야 다른 재료와 접착하기 용이하기 때문에 DIY가 필요한 부품은 CNC 가공으로 만드는 것이 적합합니다.

     

    • 가공 용이성이 높습니다. 아크릴은 다른 소재들에 비해 상대적으로 부드러워 가공하기 쉬운 소재입니다. CNC 기계는 컴퓨터 지시에 따라 절단, 밀링, 착색 등 다양한 가공 작업을 수행하는데, 아크릴은 이러한 작업을 원활하게 수행할 수 있도록 합니다. 또한 부드러운 만큼 절삭 날을 마모시키는 정도가 낮아 공구의 수명에 끼치는 영향이 적습니다.

     

    • 높은 디자인 다양성을 제공합니다. 아크릴은 다양한 색상과 두께로 구매할 수 있어, 디자인에 큰 자유도를 제공합니다. CNC 가공은 복잡한 디자인을 구현하는 데 매우 효과적이므로, 소재 면에서도 자유도가 높은 아크릴을 선택한다면 다양한 디자인의 구현 가능성이 배가 됩니다.

     

    아크릴 CNC 가공 시 유의 사항

    아크릴 절삭 가공 시 유의 사항: 절삭유(냉각액)

    CNC 가공에서 아크릴을 사용할 때의 핵심은 절삭 칩이 열에 의해 가공물에 달라붙지 않고 깨끗하게 분리되는 것입니다. 이를 위해 가공 작업자가 신경 써야 할 부분은 다음과 같습니다.

     

    • 올바른 공구 및 공구 날 선택

    아크릴을 가공할 때는 절삭 칩 배출에 최적화된 공구를 선택해야 합니다. 아크릴과 같이 연성이 높은 소재는 절삭 칩이 녹아 공구에 달라붙는 경우가 많기 때문에 그것을 방지하기 위해 칩 배출이 잘 돼야 하기 때문입니다. 따라서 아크릴 가공 시에는 스파이럴(Spiral) 형태의 공구 선택이 적절하며 공구 날 형태는 정날(Up-Cut)이어야 합니다.

     

    정날은 절삭 칩을 위쪽으로 배출하는 구조이므로 공구가 가공물 내부에 들어가 있을 때 절삭 칩이 날 사이사이에 갇혀 녹아 붙을 염려가 적습니다. 추가적으로 아크릴을 드릴링할 때는 공구의 접근 각도가 표준 60도가 아닌 120도 정도로 낮아야 절삭 칩 배출이 잘 됩니다.

     

    • 절삭 및 이동 속도

    아크릴 가공 시에는 열이 쉽게 높아지므로 RPM(절삭 속도)은 낮추고 Feed(이동 속도)는 빠르게 하는 것이 좋습니다. 아크릴을 가공할 때 공구가 빠르게 회전하면서 이동은 느리다면 칩이 녹아 부품에 다시 붙기 시작하여 아크릴 표면 마감이 안 좋아지고 정확도에도 영향을 미칩니다. 직경 3mm 엔드밀을 기준으로 추천 Feed 속도는 2,280mm/min이며 추천 RPM 속도는 18,000입니다.

     

    그러나 기계 종류, 아크릴의 두께, 공구의 종류 등에 따라서 달라지기 마련이기 때문에 자신의 상황에 맞는 속도를 알고 싶다면, 낮은 속도부터 조금씩 올려서 적합한 속도를 찾아야 합니다. 예를 들어 10,000 RPM으로 가공할 때 아크릴이 공구에 달라붙는다면 RPM 속도를 낮춰야 합니다.

     

    • 절삭유(냉각액)

    적절한 RPM 및 Feed 값을 찾는다고 해도 절삭유를 사용해서 절삭 칩이 녹아 붙는 것을 이중으로 예방하는 것이 좋습니다. 아크릴의 융점은 130 ~ 140°C로, 유리의 융점보다 훨씬 낮기 때문에 절삭 가공 시 저온 환경을 유지해야 하기 때문입니다.

     

    온도를 낮추기 위해서 에어냉각, 수용성 절삭유, 미스트 등을 사용할 수 있습니다. 단, 유의해야 할 점은 냉각액이 오일인 경우 아크릴과 화학적인 반응이 있는 성분은 아닌지 확인해야 한다는 것입니다.

     

    • 적합한 클랭핑 도구 선택

    아크릴은 단단하지만 동시에 플라스틱에 속하는 소재이기 때문에 가공 시 길거나 넓은 형태의 재료는 잘 고정하는 것이 중요합니다. 작은 부품은 간단한 클램프와 바이스를 사용하여 고정할 수 있지만, 더 긴 공작물은 클램핑에 도움을 주는 MDF 합판을 고정하고 테이프를 활용하여 아크릴과 MDF 합판을 접착시킨 후 가공하는 것이 좋습니다.

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