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제목 사출성형품 견적을 위한 노하우 ③
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2021/08/05 17:25

사출성형품 견적을 위한 노하우 ③

본 연재의 1부와 2부에서는 주로 성형품 비용의 원재료 부분에 초점을 맞추었다. 이번 컬럼에서는 금형 및 사출성형기 부분에 대해 다루어 보고자 한다. 아래의 팁을 따르면 원하는 작업 결과를 얻을 수 있다.

 

캐비티 개수를 두 배로 늘린다고 성형품 비용이 절감되지 않는다.

 

성형품 가공에 필요한 사출성형기의 크기 결정을 위해, 간단하면서도 널리 사용되는 방법은 성형품의 투영면적(投影面積, projected area)에 캐비티 수를 곱해주고, 여기에 관행적으로 3을 곱해주는 것이다. 필자는 현장에서 주먹구구식으로 통용되는 이런 경험칙을 사용하는 것을 꺼린다. 그런 규칙들은 지나치게 단순하고 부정확한 경우가 많기 때문이다.

 

캐비티 수

필요한 사출기 사이즈 결정에 앞서, 예상 연간 판매량을 감당할 수 있거나 그 이상이 되기 위해 필요한 캐비티 수를 먼저 알아야 한다. 예를 들어, 그 숫자가 두 개라고 가정해 보자. 이제 따져야 할 문제는 2캐비티 금형을 기반으로 한 성형품 가격이 고객이 원하는 수준 또는 지불할 수 있는 수준과 맞는지 여부다.

4캐비티 금형을 사용하면 성형품 비용을 절감할 수 있을까? 캐비티 개수를 두 배로 늘린다 해도 성형기의 크기나 필요한 작업자 노동량이 그에 따라 두 배가 되지 않는 경우에만 성형품 비용을 절감할 수 있다. 금형 캐비티 개수에 관해서 두 세 가지 다른 시나리오를 사용해 견적을 내고 고객으로 하여금 툴링에 비용을 더 쓸 것인지 아니면 성형품을 더 높은 가격에 구매할 것인지를 결정하도록 하는 것이 좋다. 그 답은 툴링의 캐비티 수를 높였을 때 예상되는 투자회수 기간에 달려있다.

 

금형의 길이 및 너비

그 다음은 예상되는 금형 크기를 계산해봐야 한다. 예를 들어, 성형품의 투영면적이 2평방인치이고, 고객이 성형품 판매량이나 가격 목표를 맞추기 위해 캐비티를 4개 원하거나 필요로 한다고 가정해 보자. 캐비티의 가장자리 사이의 간격은 2인치이고, 캐비티 바깥쪽 가장자리에서 금형 바깥쪽 가장자리까지 거리를 3인치씩 준다고 가정하면, 금형의 크기는 약 12인치(30.48cm)×12인치(30.48cm)가 나온다. 이제 이 금형이 타이바 사이에 수직으로(또는 측면에서 탑재하는 금형인 경우는 수평으로) 들어가면서도 형판의 바깥쪽 가장자리를 넘지 않도록 가장 작은 사출기를 찾는다.

 

스택 높이 및 금형 개방 스트로크

스택 금형의 경우는 스택 높이를 계산해 이를 사출기의 최소 및 최대 스택 높이와 비교해야 한다. 사출기에서 금형을 닫았을 때 최소 간극에 미치지 못하는 스택 높이를 지닌 금형은 가동측 형판의 클램프(형체) 플레이트 뒷면에 레일이나 라이저를 덧붙여 쉽게 수정할 수 있다. 일부 금형업체에서는 사출기에 이 목적을 위해 사용할 수 있는 형판 스페이서(spacers)를 준비해 놓기도 한다.

그와 반대로 단일 캐비티 음료용 텀블러에 대한 견적을 내야할 경우를 가정해 보자. 금형은 상대적으로 작고 투영면적 역시 작을 것이다. 하지만 스택 높이와 필요한 금형 개방 스트로크를 더하면 엄청나게 크다. 금형의 스택 높이에 필요한 금형 개방 스트로크를 더한 값이 사출기 개방 시점의 정격 최대 간극을 초과하거나, 필요한 금형 개방 스트로크가 사출기의 형체 스트로크를 초과하는 경우에는 문제가 있다. 3플레이트 금형이나 캠(cam) 작동 금형, 스택 금형 및 여러 가지 유형의 금형은 커다란 개방 스트로크가 필요한 경우가 흔하다. 이러한 이유로 더 큰 사출기가 필요할 수도 있다.

 

이젝터 스트로크

금형이 성형품 배출을 위해 5인치(12.7cm)의 스트로크가 필요할 때, 사출기에 주어진 이젝터 스트로크가 4인치(10.16cm)밖에 되지 않으면 문제가 된다. 그럴 때는 이 금형을 이젝터 스트로크가 더 큰 사출기에서 돌리거나, 성형품 배출을 위해 다른 기계적 방법을 사용해야 한다. 이젝터 핀이 장착된 금형과 달리 스트리퍼 플레이트(분리판) 금형은 이젝터 스트로크 제한 문제를 해결할 수 있다. 로봇을 사용한 취출 또한 성형품 배출 문제 해결에 도움이 된다.

 

샷 사이즈

이제 성형품의 부피에 캐비티 수를 곱하고 여기에 러너의 부피를 더해 샷 크기를 계산한다(여기서 부피 단위는 입방인치). 이렇게 하면 전체 샷 부피를 입방인치 폴리스티렌으로 나타낼 수 있다. 사출성형기의 사출용량도 이 단위로 매겨진다. 이 때 공정에 사용하고자 하는 사출성형기 배럴의 어느 정도 비율을 이 샷 사이즈가 차지하는지, 사출기의 크기나 유형에 관계없이 이 비율이 배럴의 25% 미만 또는 65% 넘지 않도록 하는 것이 이상적이다. 샷 용량이 작은 더 작은 크기의 사출기에서 사용하기 위해 금형을 살짝 좁게 제작하는 경우도 드물지 않다. 단지 샷 용량이 더 크다는 이유로 더 큰 사출기를 사용하는 것을 기반으로 견적을 내야하는 경우 또한 드물지 않다.

사출기의 크기를 알면 금형설계에 영향을 미칠 수 있다.

 

사출기 톤 수

적정한 사출기 선택을 위해 끝으로 고려해야 할 사항은 금형의 밀폐를 유지하고 플래쉬 발생을 방지하는 데 필요한 톤 수를 파악하는 것이다. 이는 쉽지 않은 작업이다. 금형의 유동해석은 이를 알아내는 데 매우 큰 도움이 된다.

앞서 언급했듯, 성형품의 투영면적에 평방인치 당 3톤 정도 어림대중 숫자를 곱해주는 것은 종종 부정확한 결과를 낳는다. 필요한 사출기 톤 수를 결정하는 세 가지 주요 변수는 두께, 유동 길이, 원료 종류다. 예를 들어 성형품의 유동 길이가 짧지만 가공품이 두껍고, 원료의 점도가 낮다고 하면, 필요한 양의 수지 주입 압력과 그에 상응하는 체결 압력의 양은 평방인치 당 3톤보다 훨씬 낮을 수 있다.

반대로 유동 길이가 길고, 제품 두께가 얇거나 또는 그와 동시에 원료 점성이 높은 경우라면 각별한 주의가 요구된다. 금형 유동 시뮬레이션을 수행하지 않았다면, 원료 공급업체에 제품두께와 유동 길이 간의 관계를 나타내 주는 그래프가 있는지 문의해 보라. 그림 1은 바로 그러한 그래프의 예로서, 한 공급업체가 공급하는 4가지 원료의 곡선을 한 데 비교하고 있다.

유동 길이나 가공품 두께가 곡선 플롯 아래 쪽에 있는 경우에는 문제가 없다. 유동 길이나 가공품 두께 값이 곡선 위쪽에 존재하는 경우라면 사출압력이 더 많이 필요하므로 형체 톤 수 또한 더 높아야 한다. 불행히도 이러한 유형의 그래프를 제공하는 공급업체들은 그리 많지 않다. 일반적으로 보수적으로 설정한 값을 기반으로 하고 있다.

대부분의 주문생산 성형업체(custom molders)는 기존 및 미래 주문 고객들의 요청에 맞춰 보다 광범위한 금형을 사용할 수 있도록 샷 용량이 큰 배럴을 지닌 사출기를 구매한다. 하지만 이런 큰 배럴들의 수지 주입 압력은 상대적으로 낮아 성형품의 적정 충전과 패킹에는 불충분할 수 있다. 동일한 원료를 사용하고 같은 가공품 두께 및 유동 길이를 지닌 기존 금형이 있는 경우라면, 기존 가공 정보를 바탕으로 견적을 내는 프로젝트에 필요한 수지 주입압력 및 형체력 톤 수를 계산해 볼 수 있다.

유의사항: 새 금형을 샘플링할 때 충전 또는 플래쉬 문제가 발생한다고 해서 너무 서둘러 큰 사출기로 바꾸려 해서는 안 된다. 먼저 압력 손실에 관한 분석을 통해 사출기의 노즐 팁이나 스프루, 러너, 게이트가 지나치게 좁은 것은 아닌지 확인하라. 또한 파팅라인에 릴리프를 충분히 만들었는지, 벤트를 적당한 깊이로 연마해 충분히 만들었는지 등을 확인하라. 이것은 빠른 사출속도를 사용하는 경우에 특히 중요하다.

성형품 비용은 필요한 금형을 이상적으로 돌릴 수 있으면서도 가장 작은 사출기를 기준으로 해야 한다. 이 기준에 부합하는 가장 이상적인 사출기를 지니고 있지 않다 해도 그것은 고객의 잘못이나 성형업체의 잘못은 아니다. 예를 들어 공장에서 프로젝트에 사용할 수 있는 가장 작은 사출기가 100톤이라고 가정해보자. 50톤짜리 사출기에 손쉽게 장착해 돌릴 수 있는 싱글 캐비티 금형을 기반으로 견적을 냈다. 하지만 50톤 사출기가 없어 100톤급 사출기 비용을 바탕으로 견적을 내면 수주를 얻기 어려울 것이다.

꺼꾸로, 50톤 사출기 비용을 기준으로 삼으면 회계 담당자가 실제로는 100톤짜리 사출기를 사용해 가공을 진행할 것이기 때문에 충분한 수익을 낼 수 없다고 지적할 것이다. 참으로 역설 아닌가? 필자가 앞서 말했듯, 성형업체가 판매하는 것은 플라스틱 성형품이 아니라, 성형을 위해 장비를 가동한 시간이다. 100톤짜리 사출기에 쓸 수 있는 시간이 있다면, 이를 가지고 비즈니스를 얻기 위해 필요한 것을 공정하게 하는 것이 답이다. 회계부서는 반대할 수도 있겠지만, 회사 소유주라면 아마 이에 동의할 것이다.

흥미로운 것은 필요한 사출기 크기를 정확히 알면 금형설계 및 금형비용에 곧바로 영향을 미칠 수 있다는 점이다. 앞에서 언급했듯, 때로는 금형을 조금 더 좁게 만들면 더 작은 크기의 사출기를 사용할 수 있으므로, 저렴한 가공품 비용 및 판매 가격을 얻을 수 있다. 한편, 샷 크기, 형체력 톤 수 또는 기타 이유로 인해 금형을 더 큰 사출기에서 돌려야 하는 경우에도, 금형 설계자는 이제 캐비티 간 간격, 냉각회로 및 지지를 위한 강철 등에 더 많은 공간을 사용할 수 있음을 알게 되고, 그 결과로 금형의 효율성과 수명 모두를 높일 수 있다.

 

사이클타임

금형의 사이클타임을 정하는 간단하고 널리 사용되는 방법은 주로 가공품의 원료 종류 및 두께를 기반으로 한다. 다시 한 번 말하지만, 이 방법은 지나치게 단순할 뿐 아니라 부정확한 경우가 많다. 성형 사이클 각각의 개별 단계에 대해 고려해 봐야 한다. 일반적으로, 금형 닫기, 충전, 패킹 및 보압, 스크류 복구, 추가 냉각, 금형개방, 성형품 이형 등 여러 단계가 있다.

필자 또한 원료 유형 및 제품 두께에서 출발해 사이클타임의 어림값을 구한다. 그러나 아래에 열거한 다양한 성형단계에 영향을 미치는 요인들을 고려해 이 어림값을 조정해 나간다. 이들 요소 중 일부는 사이클타임 어림값에 약간의 시간을 추가할 수 있다. 어떤 요소들은 사이클타임을 꽤 크게 늘릴 수도 있다.

• 벽 두께: 성형품의 냉각 및 응고에 필요한 시간은 성형품 두께에 대해 비선형 관계에 있다. 예를 들어 성형품 두께가 0.060인치라면 충분히 굳는 데 10초가 걸릴 수 있다(이 10초는 엄격하게 냉각 시간이다. 여기에는 수지 주입이나 패킹, 금형개방, 이젝트, 금형 닫는 시간은 포함되지 않는다). 제품 두께가 두 배(0.120인치)인 성형품은 충분히 응고되는 시간이 세 배 이상 또는 35초가 걸릴 수 있다.

금형 유동해석은 성형품의 필수 냉각시간 예측에 매우 유용하다. 유동 시뮬레이션 대신, 한 공급업체가 동일한 원료의 두 가지 그레이드를 비교한 결과를 그림 2에서 보는 바와 같이 일부 원료 공급업체가 제공하는 제품 두께와 응고 또는 냉각시간 관계를 나타내주는 그래프를 활용할 수도 있다. 이 그래프는 성형품의 사이클타임 계산에 큰 도움이 된다.

• 원료 종류: 반결정질 원료는 비정질 원료보다 빨리 ‘준비된다’, 즉 이젝션이 가능한 온도에 도달한다. 또한, 충전 비율이 높은 원료일수록 높은 배출 온도와 더 높은 강성을 지니기 때문에, 충전이 안 된 원료보다 배출을 빠르게 할 수 있다.

• 충전 시간: 배럴 사용비율이 높으면 작을 때에 비해 금형 충전에 더 오랜 시간이 걸릴 수 있다. 큰 샷으로 인해 수지 주입시간이 긴 경우 매우 빠른 주입과 스크류 복구를 통해 해결하려 하면 온갖 종류의 원료 유동문제와 열화 및 외관문제 등을 일으킬 수 있다.

• 스크류 복구 시간: 이 부분이 사이클타임 어림값을 계산하는 과정에서 가장 실수를 많이 하는 지점이다. 특히 배럴 사용비율이 높을 때는 스크류 복구시간이 성형품의 냉각시간보다 더 길게 걸릴 수 있다. 스크류가 제자리로 돌아갈 때까지는 금형을 개방할 수 없다. 대부분 사출기의 사양설명서는 주어진 스크류 크기에서 가소화 능력을 대개 시간 당 파운드(lb/hr)로 나타내고 있다. 생산과정에서 금형이 사용하게 될 가소화 능력(lb/hr 단위)을 파악해내고, 그 값을 사출기의 정격 가소화 용량과 비교해보면 사이클타임을 늘리는 결과를 낳는 스크류 복구문제가 있을 수 있는지 여부를 알 수 있다.

• 전단 감도: 일반적으로 경성 PVC와 같이 전단 민감도가 높은 원료는 열화 및 연소를 막기 위해 느린 충전속도 및 충전률이 요구된다.

• 사출기 유형 및 톤 수: 50톤짜리 토글식 사출기가 1,000톤짜리 유압식 사출기보다 훨씬 빠른 금형 개폐가 가능하다. 이를 드라이 사이클타임이라 부른다(사출기에 원료를 공급하지 않고 운전했을 때 한 번의 사이클에 필요한 최소 시간).

• 사출기 작동모드: 완전 자동으로 작동하는 금형은 작업자가 금형에서 성형품을 꺼내거나 금형에 인서트를 수작업으로 삽입해야 할 때 훨씬 빠르게 작동할 수 있다.

• 자동화: 많은 이점에도 불구하고, 피커 또는 로봇을 사용하면, 특히 금형이 즉석에서 배출 기능을 지닌 경우, 성형품을 자유 낙하시키는 경우에 비해 사이클 시간을 몇 초 연장시킬 수 있다.

• 러너 유형: 핫 러너 시스템, 특히 밸브 게이트 핫 러너는 2 플레이트 또는 3 플레이트 콜드러너 금형보다 훨씬 빠른 공정이 가능하다. 콜드러너가 완전히 굳을 필요는 없지만, 콜드 스프루, 1차 러너, 콜드웰 교차지점 등이 너무 육중해서 금형의 사이클타임을 몇 초까지 지연시키는 사례를 여러 번 봤다.

• 게이트 크기: 게이트가 작으면 게이트 동결 시간이 짧다. 큰 게이트는 동결 시간이 길다. 아주 간단하다. 널리 사용되지 않고 있는 게이트 동결해제(unfreeze) 기술을 사용하지 않는 한 게이트 동결이 완료될 때까지는 스크류 복구를 시작할 수 없다.

• 금형 원료 및 냉각: 알루미늄이나 베릴륨 구리 같은 열 전도도가 높은 소재로 만든 금형은 스테인레스 스틸 같이 열 전도도율이 상대적으로 낮은 소재로 만든 금형보다 훨씬 빠른 사이클을 구현할 수 있다.

• 금형 작동: 슬라이딩 캠, 코어 풀, 리프터, 2단계 이젝션, 에어 포펫, 회전코어(unscrewing) 장치 등은 모두 사이클타임을 길어지게 할 수 있다. 회전코어 장치 같은 일부 메커니즘은 사이클타임을 상당히 추가할 수 있다.

• 배출(이젝션): 긴 스트로크(4 인치 이상)가 필요한 성형품보다 짧은 스트로크(1 인치 이하)가 필요한 성형품 배출에 걸리는 시간이 적다. 이젝션 펄스가 여러 차례 가해지도록 한 경우에도 사이클타임은 늘어난다. 어느 정도는 성형품 자체도 배출시간에 영향을 미칠 수 있다. 성형품이 금형의 하단 가장자리를 완전히 벗어날 때까지 금형 닫기를 시작할 수 없다.

갈릴레오는 밀도가 높은 물체가 밀도가 낮은 물체보다 빠른 속도로 낙하한다는 것을 발견했다. 예를 들어 깃털은 벽돌보다 떨어지는 속도가 느리다. 깃털이 벽돌보다 가볍기 때문이 아니다. 공기 저항 때문이다. 사이클타임에서 1초의 짧은 시간이라도 덜어내기 위해서는 금형 상단에 강한 에어를 분사해 주면 가벼운 성형품이 금형을 빠져나가는 데 걸리는 시간을 줄일 수 있다. 정전기 제거, 이온 에어 건 등도 도움이 될 수 있다.

• 기타 사항들: 실수로 간과하기 쉬운 몇 가지 이유 때문에 성형품 견적을 잘 못 내는 경우도 드물지 않다. 금형에 따라서 코어를 빼내는 작업을 위한 장치나 로봇 작업, 또는 실린더 작동을 위한 유압장치, 또는 2차 작업을 위한 인접장비 사이의 충분한 공간이 필요한 경우도 있을 수 있다. 사이클타임의 계산과 적정 장비결정 모두에 있어 생산에 필요한 모든 사항을 고려해야 한다.

이 컬럼을 주의 깊게 읽고 있는 독자들 대부분은 사이클타임을 단 1초라도 줄이는 것이 금형의 전체 사용수명 기간 동안 얼마나 많은 돈을 절약할 수 있도록 하는지 아마 잘 알고 있으리라 생각한다. 표 1은 이러한 비용 절감의 몇 가지 사례를 보여주고 있다. 표에서 보다시피 사출기의 시간 당 기계요금(machine rate)이 높을수록 초 당 더 많은 비용을 절감할 수 있다.

금형의 사이클타임을 단 1초로 줄이면 그 효과는 단순히 사출기의 시간 당 기계요금을 기준으로 비용을 절감하는 데 그치지 않는다. 성형품 생산에 필요한 총 시간을 줄여 줌으로써 장비를 다른 프로젝트를 위한 성형품 생산에 활용할 수 있는 시간 또한 늘려준다.

표 2는 다양한 사이클타임 금형에 대해 연간 절감된 사이클 수 및 시간을 보여준다. 표 1은 시간 당 기계요금이 높을수록 절감 수준이 높아진다는 것을 보여준다. 사출기가 클수록 기계요금도 높아진다. 아래 표 2에서 흥미로운 점은 사이클타임이 빨라질수록 연간 더 많은 사이클을 수행할 수 있기 때문에, 연간 더 많은 시간이 절약된다는 것이다. 병용기 뚜껑 및 기타 성형품을 성형하는 경우가 아니라면 일반적으로 더 작은 사출기일수록 금형의 사이클타임이 더 빠르다. 요점은 금형의 사이클타임을 1초만 단축하면 성형품 비용과 기계 활용 면에서 수익이 증가한다는 점이다.

그런데 프로젝트 견적을 내는 담당자가 여기서 고민해야 하는 문제는 이 같은 사이클타임 1초 단축이 대개는 공정설정 수정을 통해 기존 금형을 더 빨리 돌리는 것을 기반으로 한다는 것이다. 더 차가운 냉각수, 더 낮은 배럴 온도, 더 빠른 금형 개폐 및 즉석 이젝션 같은 것들은 모두 사이클타임 단축에 도움이 된다.

그러나 이것이 정말 정당한 것일까? 제대로 된 공정이란 기본적으로 최고 품질의 성형품을 얻을 수 있는 조건을 기반으로 해야 한다. 필자는 프로젝트를 수주하고 새로운 금형이 도착하면 공정 담당자에게 정확히 얼마의 사이클타임을 기반으로 견적을 냈는지에 대해서는 함구한다. 사이클타임은 공정 담당자가 결정할 수 있도록 하는 것이다. 결국, 그 사이클타임으로 매일매일의 작업을 해야 하는 사람은 그 사람이기 때문이다.

평소 견적에서 계산했던 것과 동일하거나 빠른 사이클타임이 나온다면, 견적 담당은 일을 제대로 한 셈이다. 하지만 만일 견적에 참조한 것보다 실제 사이클타임이 더 걸린다면, 제대로 된 견적이 아닌 것이다. 기존 금형의 사이클타임을 1초 단축해 추가 수익을 창출할 수 있다면, 새 금형의 사이클타임을 1초 정도 짧게 예측해서 마찬가지의 돈을 잃을 수도 있다는 추론이 가능하다.

상대적으로 빠른 사이클의 대량생산 프로젝트는 최대한 정확한 예측과 계산이 필요하다. 만일 잘못하면 제일 큰 손해를 볼 수 있다. 때문에 그런 프로젝트에 대한 견적을 낼 때면 필자는 생산 관리자, 공정 담당 팀장, 때로 필요하다면 작업 조장에게까지도 사이클타임에 대한 그들의 생각을 묻는다. 그 누구도 모든 것을 100% 완벽하게 알지 못하기 때문이다.

여러 해 전, 필자는 128캐비티 폐쇄 금형을 제작하면서 사이클타임이 7초 이하라는 보증을 걸었다. 불행히도, 가능한 가장 빠른 사이클타임이 7.5초 밖에 나오지 않았다. 고객은 이 금형을 받아들이지 않았다. 그 고객은 0.5초 때문에 장기적으로 얼마나 많은 비용이 더 나갈 것인지 알고 있었던 것이다. 금형 제작업체든, 성형업체든, 사이클타임의 정확한 예측 및 계산은 사업 성공에 있어 매우 중요하다.

 

사출기 비용

캐비티 수, 적절한 사출기 크기, 정확한 사이클타임 예측이 된다면, 이제 성형품 가공 원가에서 사출기 부분을 계산해야 한다. 업계 구세대에 속하는 필자는 다음과 같은 식을 사용한다.

 

사출기의 시간당 소요비용 = (3,600초÷사이클타임) X 캐비티 개수

 

사출기의 시간 당 기계요금을 정하는 것은 이 컬럼의 범위를 벗어나는 것이기도 하지만 성형품에 대한 견적을 맡은 실무 직원의 책임을 기본적으로 벗어난 문제다. 이에 대해서는 회계부서와 경영진이 정해야 한다. 회사들은 이 부분에 대한 결정에 대해서 저마다 다른 방법과 정책을 가지고 있다.

실제 현실은 시간 당 기계요금에 대한 다양한 설문조사 결과를 인터넷에서 찾아볼 수 있다. 기계요금은 일반적으로 고정 요금이라고 하지만, 현명한 성형업체들은 몇 가지 요인들에 따라 주기적으로 이 요금을 변경한다. 그 요인들 중 가장 큰 것은 공장 내의 다양한 크기의 사출기 활용 그리고 간접 비용의 끝없는 증가 등을 꼽을 수 있다.

다음 회 컬럼에서는, 성형품의 실제 원가를 정할 때 고려해야 할 인건비 및 기타 요소들을 다룰 예정이다. 

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