정부지원 사업 지원비 중 금형제작을 효율적으로 사용할 수 있는 방법이 있을까요?
안녕하세요? 정부지원 사업 지원비 중 금형제작을 효율적으로 제작하는 데 유의사항은 어떤 게 있을까요?
[답변];
안녕하세요. 여성경제인 DESK 김종관 전문위원입니다. 정부지원금 중 금형제작을 효율적으로 사용할 수 있는 방법에 관하여 알아보겠습니다.
일반적인 제조 창업자께서는 금형을 통해 제품을 제작한다는 것은 이해하고 계십니다. 하지만 정작 금형이 무엇인지, 무슨 원리로 작동이 되는지 그리고 어떤 과정을 통해 제작되어 제품이 사출되는지에 대해서는 정확하게 알고 계시지 못합니다. 먼저 이번 장에서는 금형이 무엇인지 알아보도록 하겠습니다. 금형은 무엇일까요? 금형은 붕어빵 틀이라고 정의할 수 있습니다. 붕어빵을 제작할 때 붕어빵 틀에 밀가루와 팥을 부어 뚜껑을 닫으면 그 붕어빵 모양대로 붕어빵이 만들어집니다. 붕어빵은 덜 구우면 설익기도 하고, 재료를 적게 넣으면 제대로 나오지 않기도 합니다. 이는 금형에서도 동일하게 적용됩니다.
금형의 원리
금형은 정말 다양한 종류가 있습니다. 금형은 용도에 따라 플라스틱, 프레스, 주조, 단조, 고무, 분말야금, 유리, 요업 금형, 다이캐스팅 등으로 나뉩니다. 다만, 우리가 주목하고 있는 IoT 제품을 만들 때 적용되는 금형은 플라스틱, 프레스, 고무 금형으로 볼 수 있습니다. 이 3가지를 집중해서 알아보도록 하겠습니다. 금형은 몰드베이스와 코어로 이루어집니다.
코어는 제품을 만들고자 깎은 부위를 말합니다. 즉, 붕어빵 틀에서 붕어빵 모양을 가리킵니다. 이때 CAVITY라는 개념을 이해하는 것이 중요합니다. 만약에 붕어빵 틀 안에 4개에 붕어빵 모양이 있어서 한 번 구울 때 4개의 붕어빵이 나온다고 가정합시다. 이를 금형에서는 4 CAVITY의 금형이라고 이야기할 수 있습니다. 이때 CAVITY 개념은 생산 전략과 직접 연결되어 있습니다. 몰드베이스는 금형에 들어가는 기본 장치로 생각해 주시면 됩니다. 공정이 자동화되면 될수록, 금형 자체가 복잡해지면 질수록 몰드베이스가 증가하게 되고, 그렇지 않다면 몰드베이스가 줄어들게 됩니다. 그렇기 때문에 고무 금형의 경우에는 몰드베이스가 없는 경우가 많습니다. 고무 금형은 붕어빵을 만들듯이 수동으로 잘라 넣기 때문입니다.
반대로 사출 전과정이 기계로 돌아가는 플라스틱 금형은 몰드베이스가 복잡한 경우가 많습니다. 전과정을 자동으로 진행하니 다양한 기능들이 필요하게 되고 이러한 기능을 몰드베이스가 수행하게 됩니다. 프레스 금형의 경우 자동화 정도에 따라 다르지만 고무 금형과 플라스틱 금형의 중간 정도의 몰드베이스를 필요로 하는 편입니다. 이에 따라 비용적인 측면에서 차이가 나게 됩니다. 몰드베이스가 많이 필요하고 공정이 자동으로 진행되는 플라스틱의 경우, 금형 생산 비용은 올라가고, 사출품의 가격은 저렴한 편입니다. 반대로 고무 금형의 경우 수작업으로 이루어지는 경우가 많아 코어만 깎아도 되는 경우가 많습니다. 이 경우 금형 생산 비용은 저렴하고, 실제로 수작업으로 진행하기 때문에 사출품 개당 가격이 비싸게 됩니다.
3가지 타입의 금형은 불량률에 대해서도 차이가 있습니다. 고무 금형은 많은 수가 수작업으로 진행됩니다. 이는 붕어빵을 만들 때 밀가루를 넣듯이 고무를 가위로 잘라 열을 가해 사출품을 만듭니다. 열을 얼마나 적절하게 가해주느냐에 따라 불량률이 많이 차이 나게 됩니다. 붕어빵도 원래 3분 구워야 할 것을 1분만 굽게 된다면 설익게 될 것입니다. 고무 금형에서도 이 원리는 동일하게 적용됩니다.
안타깝게도 인건비를 계산한 용역 구조에서 제대로 계약을 작성하지 않으면 빠르게 제품을 납품하기 위해 불량을 납품하는 일들이 종종 발생하게 됩니다.
(사례1)반려동물 샤워기 제품을 만들면서 경험한 내용입니다. 1,000개를 양산했는데 800개의 불량이 나왔다면, 사출 공장 에서는 금형공장 탓을, 금형공장에서는 사출공장 탓을 했었고 그때는 정확하게 알지 못해 손해를 봤었습니다. 나중에 사실을 알고 보니 사출공장 측에서 빠르게 납품하기 위해 적정시간으로 사출품을 만들지 않은 것이 불량의 원인이었습니다.
이러한 문제를 예방하기 위해서는 기술한 내용에 대해 이해하는 것이 중요합니다. 그리고 발주를 넣는 공장에게 불량률 등의 리스크에 관련하여 충분히 의논하고 계약서를 작성하는 것이 중요합니다. 반대로 전체 프로세스가 자동으로 진행되는 플라스틱 사출의 경우 이러한 문제에서 상대적으로 자유롭습니다. 때문에 앞에서 언급했던 불량률에서 설계의 중요성이 가장 많이 작용하는 부분이기도 합니다.
금형 제작을 이해해야 문제를 줄일 수 있다.
금형의 제작 과정에 대해서 알아보도록 합시다. 우리가 금형공장에서 일을 하는 것도 아닌데, 이렇게까지 잘 알아야 하냐고 반문하시는 분들도 계실 수 있습니다. 그러나 제품 제조를 하기 위해서는 금형의 제작 과정을 이해해야 합니다. 그래야 문제 상황에 대비할 수 있고, 제품을 성공적으로 양산할 수 있습니다. 특히 금형에서의 문제는 많은 비용을 소모하고 시간 을 낭비하게 한다는 것입니다. 사업을 시작조차 하지 못한 채 망하게 하는 요인이 되기도 합니다. 그렇기 때문에 금형에 대해 잘 알고 리스크를 대비하는 것이 중요합니다.
금형을 발주하게 되면 크게 다음과 같은 프로세스를 거칩니다.
설계 데이터 검토 – 명세서 작성 – 소재 모델링(기구설계)- 금형설계 – 금형제작 – 샘플사출 – 금형수리 – 사출품 제작
□ 금형은 프레스가공에서 제품의 품질, 생산성의 70~80%를 점하는 주요 요소이며 반대로 프레스가공에서 대부분의 문제는 금형에 원인이 있습니다.
□ 금형이 없으면 프레스가공은 성립할 수 없다. 따라서 이 공정에서는 조속히 그리고 값싼 금형을 필요로 한다. 특히, 금형설계는 다른 공업제품과 달리 그 공정수와 코스트는 1개의 금형에 포함되기 때문에 설계시간 단축이 중요하다. 이 자료는 이러한 관점에서 그림을 통한 프레스금형기술의 포인트를 다루고 있다.
□ 각 공정의 주요 결정내용
○ 명세서 작성공정 : 어떤 내용의 금형을 만들 것인가를 결정하며, 작성 후에 사용자 측의 승인이 필요하다.
- 사용기계 명세, 생산 명세, 제품의 품질 등
○ 설계공정 : 금형설계 구상을 마쳐 이를 가공 및 조립 측에 전달할 의무를 가지며, 표준화 및 생략법 등이 필요하다.
- 배치도, 전개도, 레이아웃, 조립도, 금형부품설계, 부품도 등
○ 금형부품 가공공정 : 부품도에 따라 머시닝센터, 와이어 방전가공기 등 NC공작기계를 사용하여 절삭, 연삭, 방전가공 등의 가공을 한다.
○ 마무리․조립공정 : 기계가공된 부품은 마무리․조립부문에서 완성된금형으로 조립된다. 그 후 실제로 프레스기계에 설치하여 시험가공하고 불합격 평가되면 교정이 필요한 공정으로 피드백 시킨다.
- 부품확인, 마무리작업, 부분조립, 전체조립→기계(프레스)에 설치, 시험가공, 평가 등
□ 금형기술명세의 확인 및 구상의 완성
○ 금형은 기계에 부착하여 가공하기 때문에 생산에 사용되는 기계의 능력과 명세에 이를 합치할 필요가 있다.
- 확인이 필요한 명세 : 다이의 높이 및 슬라이드 조정량, 스트로크 길이, 스트로크 수(strokes/min), 볼스터(bolster) 면적 및 볼스터 홀(구멍), 클램프 방법과 위치 등
○ 재료의 삽입에서 제품의 생산까지 전 공정과 금형구조의 구상을 완성한다.
- 순서대로 가공이 이루어지는 경우, 특히 중요한 것은 공정설정(striplayout)으로 금형설계 기술의 80% 이상이 이 공정에 있음
□ 조립도․부품도의 설계와 부품표의 작성
○ 조립도 : 평면도와 단면도로 분류된다.
- 평면도 : 상하금형이 교합해 재료를 가공하고 있는 부분은 상부 금형의 아랫면과 하부금형의 윗면임․ 일반적으로 위의 금형은 밑에서 본 방향으로 나타냄 ․이 때, 상하 금형의 평면도 도형은 X축 또는 Y축의 반대가 됨
- 단면도(정면도) : 단면도는 가공을 끝낸 순간의 아래 위치에서 상하금형이 조합된 상대를 나타냄 ․구조가 복잡하여 파악이 곤란할 경우, 측면도 및 부분도면 추가
○ 부품도 : 설계자가 이미지를 형상화한 금형부품의 형상을 기계가공기타 가공을 담당하는 사람에게 전달하는 것으로서 주요 부품마다 1매의 도면을 나타낸다.
- 부품도는 조립자에게도 필요하며, 도식방법은 조립도와 거의 같음
- 부품도 기록사항 : 부품명, 부품번호, 도면번호 등
○ 부품표의 작성 : 부품표는 조립도작성 후에 작성하며, 부품설계단계에서 변경하는 경우가 있기 때문에 재확인 필요하다.
- 부품표 기록사항 : 부품번호, 부품명, 갯수, 재질 등
우선, 설계 데이터 검토 시에는 설계 데이터가 생산이 가능한 구조인지, 금형에서 생산되었을 때 불량이 나오지는 않을지 금형공장에서 검토하게 됩니다. 이를 기반으로 시방서를 작성하게 되고, 시방서를 기반으로 기구설계 측에서 설계 데이터를 수정하게 합니다. 그 후 금형설계 측에서 금형에 적합한 설계를 한 뒤, 금형 제작을 진행합니다. 보통 금형을 제작하는데 영업일 기준 20-30일 사이의 시간이 소모되는 것이 일반적입니다. 금형이 제작되면 샘플을 사출하여 발주자에게 검토를 요청하고 수리할 부분이 있다면 금형 수리를 거쳐서 사출품을 제작하게 됩니다. 이러한 과정에서 검토해야 하는 부분은 계약 시 불량 기준 및 금형 Guarantee 문제, 시방서 미작성 확인 및 적합성 검토 그리고 샘플 검토 후 금형 수리 시 협의사항 등이 있습니다.
계약 시에 불량 기준과 금형의 Guarantee는 꼭 협의되어야 합니다. 금형 사출품 불량의 기준을 협의하지 않으면 불량 제품을 그냥 받아서 써야 하는 경우가 생기게 됩니다.
사례2) 무드등을 만드셨던 클라이언트 분이 계셨습니다. 디자인이 중요한 무드등의 특성상 스크래치, 점, 표면파임 등이 발생하면 안 되는 경우였으나, 이런 부분을 사전에 협의하지 않고 사출을 진행하셨습니다. 설계 단계에서 이러한 부분이 고려되지 않았기 때문에, 제품 표면에 스크래치와 파임 등이 발생하였습니다. 거의 40%의 비율로 그런 불량을 확인할 수 있었습니다. 그러나 금형공장과 사전에 이를 협의하지 않았기 때문에 금형공장 측에서는 이를 보상해줄 이유가 없다며 인정해주지 않았습니다. 모든 손해는 클라이언트 분이 떠안게 되었습니다.
제조창업자는 제품의 특성에 따라 불량의 기준사항에 대하여 협의한 뒤, 원하는 결과물이 나올 수 있도록 해야 합니다. 기준에 대한 논의가 사전에 있었더라면 금형공장 측에서도 금액은 높아지더라도 결과물이 더 잘 나올 수 있게 신경을 썼을 것입니다. 사전에 정하지 않은 부분에 대한 언급과 요구는 문제상황을 오히려 악화시킨다는 것이 대다수의 사례를 통해 증명되고 있습니다.
금형 Guarantee에 대해서도 협의해야 합니다. 금형을 한 번 찍어서 제품이 나올 때, 한 번 찍는 것을 1 shot이라고 합니다. 금형 Guarantee란 금형을 찍을 수 있는 shot을 보장하는 숫자를 의미합니다. 대체적으로 금형의 Guarantee가 높다는 것은 생산비용이 올라간다는 것을 의미합니다. 금형 Gaurantee는 소재와 큰 연관이 있습니다. 제조창업자가 10만 개, 100만 개까지 사출하게 되는 경우는 극히 드물기 때문에 QDM 등의 강도가 낮은 소재로 제작하는 경우도 종종 발생합니다.
두 번째 프로세스는 시방서 검토입니다. 시방서 작성과 적합성의 검토는 금형 불량의 책임 여부를 따질 때 매우 중요한 영향을 미칩니다. 금형공장 측에서 설계 데이터를 면밀히 검토하고 시방서를 기구설계자 측으로 제시합니다. 시방서에는 수정을 해야 하는 항목이 나타나 있습니다. 이에 따라 금형 Follow-up을 하는 설계자는 수정이 필요한 설계 부분을 고치게 됩니다. 시방서를 기준으로 금형공장에서 면밀하게 데이터를 확인하지 않아서 불량이 생겼다면 설계자가 시방서를 기준으로 모두 고쳤음에도 불구하고 금형공장의 귀책사유가 됩니다. 반대로 설계자가 시방서에 따라 내용을 수정하지 않았다면 설계자의 귀책사유가 됩니다. 이러한 내용들을 협의하고 명시함으로써 문제 상황을 예방하고 문제가 발생했을 때 올바른 대처가 가능합니다.
마지막 프로세스는 샘플 검토 후 금형 수리입니다. 샘플을 받고 나서 발주자들은 샘플을 검토하고 수리사항을 요청합니다. 이때 보통 두 가지 문제 상황이 발생하게 됩니다.
첫 번째는 샘플을 검토하는 방법을 모른다는 것입니다. 모르기 때문에 한 번에 제대로 수정사항을 요청하지 못합니다. 그 때문에 수정사항이 발생할 때마다 금형을 계속 수리해야 합니다. 수리할 때마다 시간과 비용이 소모되는 것은 당연합니다. 그보다 더 중요한 문제는 금형은 수리할 때마다 소위 말하는 누더기가 된다는 것입니다. 그나마 탄소소재의 금형이면 나은 편이지만 금형은 수정할 때마다 사출품의 품질이 떨어지게 됩니다. 쉽게 말해서 정육면체의 금속 덩어리에 기계를 수정하는 것과 이미 깎여있는 입체형 구조에 원하는 모양으로 수작업을 추가적으로 진행하는 것은 불량의 가능성을 높이기 딱 좋습니다. 그림을 그릴 때 흰 도화지에 새로운 그림을 그리는 것과 이미 한 번 완성된 그림에 덧대어 그림을 그리는 것을 떠올려보시면 됩니다.
두 번째는 샘플을 검토할 때 금형 측에서 어떤 문제가 발생하는지 고려하지 못한 채 수정사항을 요청한다는 것입니다. 금형공장 측에서 이를 주의 깊게 체크하고 발주자에게 알려주면 좋겠지만, 금형공장 측에서는 받은 수정사항에 대해 깊게 고민하지 않을 가능성이 높습니다. 발주자는 금형의 구조를 모르기 때문에 불량률을 높이거나 결과적으로 좋지 않은 수정을 요청할 가능성이 높습니다.
제품에 따라서 발생할 수 있는 문제상황은 다양합니다. 하지만 앞서 언급한 세 가지가 이유만 제대로 체크하더라도 금형 제작을 위해 발주를 하는데 큰 문제를 겪지 않을 수 있을 것입니다.
패밀리 금형에 대해서 이해해 보도록 합시다.
패밀리 금형은 서로 다른 모양의 부품을 하나의 금형에 얹혀 만드는 것입니다. 같은 코어에 상이한 모양을 CNC 밀링 및 조각기로 만드는 것입니다. 패밀리 금형을 하게 되면 만들어야 할 금형 수가 줄어들기 때문에 생산 비용을 절감할 수 있습니다. 그러나 이러한 패밀리 금형을 항상 만들 수 있는 것은 아닙니다. 붕어빵에 비유하여 설명해드리도록 하겠습니다. 같은 붕어빵 틀에는 비슷한 양의 밀가루와 팥을 넣어 붕어빵을 만들게 됩니다. 모양이 유사한 잉어빵 같은 경우는 괜찮지만, 갑자기 붕어빵 틀에 계란빵이나 별가사리 모양의 빵을 만들면 제대로 빵을 만들기 힘듭니다. 패밀리 금형도 비슷합니다. 이런 부분을 충분히 고려하기 위해서는, 기구설계자가 설계를 진행할 때 금형공장과 소통을 통해 설계구조를 만들어야 합니다. 이러한 부분들을 미리 고려하고 기구설계자에게 요청하는 것이 생산 비용을 줄일 수 있는 팁입니다.
금형 제작은 생산 전략도 고려 MOQ는 어느 정도로 해야 좋을 까?
제조를 어느 정도 진행해 본 분이라면 MOQ에 대해서 잘 알고 계실 겁니다. MOQ는 Minimum Order Quantity의 약어로 최소 발주 수량입니다. 제품을 만들 때 초기 생산으로 몇 개를 만드는 것이 좋을까요? 1,000개나 10,000개를 생각하시는 분들도 계실 겁니다. 보통 금형공장에 발주를 하고 사출을 의뢰할 때에는 MOQ가 정해져 있습니다. 그렇다면 MOQ대로 발주를 해야 할까요? 아니면 더 많이 해야 할까요? 정답은 재무적인 고려를 통해 본인이 제작할 수 있고, 초기에 판매할 수 있는 수량 만 큼입니다. 당연하게 생각되는 부분입니다. 하지만 애석하게도 컨설팅을 진행하다 보면 많은 분들이 판매를 고려하지 않고 계획을 하시는 분들이 있습니다. 제품이 좋으면 팔린다고 생각하시기 때문인 경우가 대부분입니다. 안타깝게도 대부분의 창업자들은 양산까지 가지 못합니다. 양산까지 가더라도 판매의 벽에서 막히는 경우가 많습니다. 그러나 판매를 고려하시지 않고 제품에 대한 자신감이 넘쳐서 수 천개 심지어는 수 만개를 제작하시는 경우도 존재합니다.
금형공장의 특성마다 MOQ가 다르고 금형생산비가 다릅니다. 금형공장마다 본인들이 주력으로 생산하는 금형의 소재도 다르고 MOQ도 다릅니다. 회사가 최대 2천 개를 판매할 수 있는 상황이라면 MOQ가 1만 개인 곳에 금형가격이 저렴하다고 무작정 의뢰할 수는 없을 것입니다. 조금 더 깊게 이해하기 위해서는 금형소재에 따른 특성을 이해해야 합니다.
크게 3가지를 소개해드리겠습니다. 과거 잠시 유행했었던 알루미늄 QDM, P20 등의 강도가 낮은 탄소소재를 이용한 QDM, 그리고 강도가 높은 탄소 소재를 이용한 QDM이 그것입니다.
첫 번째는 알루미늄 QDM은 과거 피쳐폰 시대에 휴대폰 안테나 등의 제품 수명주기가 짧고 작은 부품들을 적은 비용으로 제작하기 위해서 도입된 금형입니다. 이러한 금형은 빠르면 영업일 기준 1일 이내에도 제작할 수도 있습니다. Quick Delivery Mold라는 이름이 참 적합한 것 같습니다. 업계종사자들은 시작금형이나 막금형이라는 용어를 쓰기도 합니다. 그러나 이러한 금형은 생산에 한계가 있습니다. 스마트폰 시대로 접어들면서 이러한 부품을 만들던 QDM 회사들이 발주처를 잃어버렸습니다. 새로운 발주처를 찾기 위해서 알루미늄 금형으로 제품을 제작하는 영업을 시작하게 되었습니다. 그런데 QDM 금형은 제품을 제작하는데 적합하지 않았습니다. 우선 깊이가 어느 정도 있는 부품이거나 모양이 복잡한 경우에는 제작이 되지 않았고, 3,000개만 만들어도 알루미늄 금형은 압력에 의해 뭉개졌기 때문입니다. 그럼에도 불구하고 과거에 비용을 일반 금형의 6-70% 정도로 비싸게 책정하여 폭리를 취하기도 했습니다. 이러한 문제점들은 창업자들에게도 알려져 최근에는 이런 형태의 제작이 많이 사라졌지만 아직도 종종 주변에서 확인할 수 있습니다.
두 번째는 경도가 낮은 탄소 소재를 이용한 막금형입니다. 이러한 금형은 제조창업자에게 어느 정도 적합한 금형입니다. 본 금형 가격보다 저렴하고 사출품 품질도 그렇게 나쁘지는 않습니다. 그러나 Guarantee는 8,000-10,000 shot으로 일반금형에 비해서는 상당히 적은 편입니다. 그럼에도 불구하고 제조창업자에게 적합한 이유는 실제로 10,000shot을 찍어 제품을 판매한다는 것은 어느 정도 창업이 성공했음을 의미합니다. 그렇게 되면 비용은 추가적으로 투입되겠지만 그때 금형을 새로 제작하는 것도 나쁘지 않은 선택입니다. 초기 비용이 상대적으로 저렴하기 때문입니다.
세 번째는 높은 강도로 만든 탄소 소재를 사용한 QDM입니다. 이 경우 소재에 따라 500,000-1,000,000 shot까지 가능한 경우도 있습니다. 그러나 이렇게 많이 판매하기는 힘들기 때문에 초기에 높은 생산 비용과 많은 MOQ를 감당하면서까지 무리해서 진행할 필요는 없습니다.
알고 가셔야 할 개념이 한 가지 더 있습니다. CAVITY 개념에 대한 내용입니다. 이전의 예시에서 금형은 붕어빵 틀이라고 비유했었습니다. 하나의 붕어빵 틀에서 8개의 붕어빵 모양이 있어서 한 번 구울 때 8개가 나온다면 그 붕어빵 틀은 8 CAVITY입니다. 즉 1 shot 당 제작할 수 있는 사출물의 개수를 나타내는 단위라고 생각하시면 됩니다.
판매 계획이 확실하게 정해지지 않은 창업자의 경우 CAVITY를 최소화하는 것이 중요합니다. CAVITY가 많아지면 금형의 크기가 커지고 금형 생산비가 증가하게 됩니다. 단 CAVITY가 적어지면 한 shot 당 생산되는 제품 수가 줄어듭니다. 금형공장에서는 하루에 생산할 수 있는 shot의 제한이 있습니다. 그렇기 때문에 하루의 가능한 최대 shot을 하루 생산 비용으로 나누어 제품의 사출 단가를 계산하기 때문에 CAVITY가 줄어들면 가격이 비싸지게 됩니다. 그렇기 때문에 CAVITY에 대한 부분도 주의 깊게 고려하여 금형을 제작할 필요가 있습니다.
