하이테크(Hytech): 열성형 및 박막 플라스틱 분야의 혁신 선도

하이테크(Hytech)는 열성형, 엠보싱, 박막 플라스틱 트리밍 솔루션을 제공합니다. 주요 초점은 정밀한 그래픽 등록이 필요한 박막 플라스틱 부품입니다. 하이테크 성형 공정이 기존 성형 공정보다 이점을 제공하는 비그래픽 애플리케이션도 있습니다. 이들의 특허 기술은 자동차, 가전, 의료, 항공우주, 군수 산업의 OEM들이 활용하고 있습니다.

특허 공정 개발 및 열성형과 매치 메탈 트림 다이 발전

현재 하이테크는 미국과 유럽에 생산 서비스와 툴링을 제공하는 제조 시설을 두고 있으며, 미국 애리조나주 피닉스 본사에서 공정 개발과 장비를 제공합니다.

하이테크는 로저스(Rogers)에 돔이 왜 플라스틱으로 안 만들어지는지 물었습니다. 아무도 플라스틱으로 돔을 만들지 않는다는 사실을 알게 되었죠. 그래서 가장 먼저 폴리에스터 돔 엠보싱을 위한 특수 열성형 기술을 발명했고, 이 돔 수백만 개를 로저스 코퍼레이션에 판매한 뒤 휴렛팩커드(HP)의 금융/공학용 계산기 라인에 수천만 개를 판매했습니다. 멤브레인 스위치 같은 부품에서 금속 돔 대비 생산 이점은 플라스틱 돔 100개를 한 시트에 깔 수 있는 반면, 금속 돔은 100개를 일일이 픽앤플레이스해야 한다는 점이었습니다.

하이테크가 이 돔 레이어를 멤브레인 스위치 제조사들에게 팔기 시작하자, 그들은 "정말 좋은데, 오버레이를 돔 위에 엠보싱하는 데 문제가 있어요"라고 했습니다. 그래서 하이테크 창업자들은 오버레이를 엠보싱하는 하이드로포밍(hydroforming)이라는 또 다른 성형 기술을 발명했습니다. 이때 멤브레인 스위치 오버레이를 엠보싱하는 기술과 오버레이 아래 촉각 레이어를 엠보싱하는 기술, 두 가지를 모두 갖게 되었습니다.

매치 메탈 트림 다이 공정: 하이테크의 특허 기술 지속적 개발과 발전으로 박막 플라스틱용 3차원 매치 메탈 트림 다이 분야의 글로벌 전문가가 되었습니다.

90년대 중반, 인몰드 데코레이션(IMD), 인몰드 라벨링(IML), 필름 인서트 몰딩(FIM) 기술이 등장했습니다. 평평한 스크린 인쇄 플라스틱(주로 폴리카보네이트)을 가져다 사출 금형의 3D 모양으로 성형하는 기술이죠. 장식 필름을 금형에 넣고 사출하면, 금형이 열릴 때 부품이 장식된 상태로 나옵니다.

이때 하이테크는 하이드로포밍과 폴리돔 공정을 보유하고 있었습니다. 고객들이 이 새로운 필름 인서트 몰딩 기술용 플라스틱 엠보싱을 요청해 왔습니다. 기존 공정으론 1mm 이상 깊이로는 아무 것도 할 수 없다는 걸 금방 알았죠. 인몰드 데코레이션의 장점은 등록된 그래픽으로 복잡한 3D 부품을 만들 수 있다는 점입니다. 그래서 창업자와 새로 채용한 엔지니어가 아큐폼(Accuform)을 개발했습니다. 등록된 그래픽으로 최대 50mm 드로우 깊이를 가능케 하는 고압 공기 성형 기술이죠. 이제 복잡한 3차원 표면 위에서 다양한 그래픽의 위치, 크기, 위치를 유지할 수 있게 되었습니다.

이로 인해 하이테크는 IMD 산업용 부품을 제작하게 되었습니다. 성형 툴은 쉽게 지속적으로 만들 수 있었지만, 매치 메탈 트림 다이 제작엔 어려움을 겪었습니다. 당시 세계 어디에도 박막 플라스틱용 3차원 매치 메탈 절삭 툴을 만드는 곳이 없었습니다. 그래서 하이테크가 직접 그 기술을 개발해야 했습니다.

초기엔 경화 강철 부품을 싱커 EDM으로 제작하는 업체들에게 아웃소싱했습니다. 이로 인해 하이테크는 싱커 EDM을 도입해 내재화해야겠다고 판단했습니다. 싱커 EDM과 함께 와이어 EDM, 새로운 소프트웨어도 투자해 직접 트림 툴을 만들기 시작했습니다. 공정이 꽤 능숙해졌지만, 경화 강철 외곽에서 0.0001인치(약 2.5μm)라도 더 깎아낼 수 있다면 훨씬 나을 거란 걸 알았습니다. 기존 머시닝 센터로는 그런 공차를 잡을 수 없었죠. 하이테크 CEO 프레드 힘멜레인(Fred Himmelein)은 이렇게 설명합니다. "수년간 점점 더 나아졌지만 더 나아질 수 있는 한계에 부딪혔습니다. 우리가 원하는 정밀도, 즉 0.0001인치 단위를 달성할 수 없었어요. 경화 강철 맞물림 부품 간 클리어런스를 ±0.0003인치로 원했는데, 우리가 가진 싱커 EDM과 VMC 장비로는 불가능했습니다. 그래서 DATRON을 찾게 되었습니다."

열성형과 완벽한 표면 마감을 위한 첨단 기술 연구

하이테크 툴 숍 책임자 데이브 블랜디노(Dave Blandino)가 사용 가능한 머시닝 센터를 매우 철저히 조사·분석해 여러 업계 선도 솔루션을 경영진에 제시했습니다. 결국 DATRON M10 Pro 고속 머시닝 센터 구매로 결정되었습니다. 힘멜레인은 회상합니다. "정밀도, 제어 소프트웨어(NC 프로그래밍), 스핀들 유지보수 비용, 지원, 지원 위치 등 10~12개 요소로 매트릭스를 만들어 분석했는데, DATRON이 올바른 선택임을 명확히 보여줬습니다."

하지만 DATRON 구매 결정은 이 매트릭스만으로 된 게 아니었습니다. 각 머신 제조업체가 정확히 같은 부품을 제작해 경쟁 비교하는 벤치마킹 과정도 거쳤습니다. 강철 IMD 애플리케이션 밀링 능력도 평가 항목이었지만, 그들의 성형 사업 측면인 표면 마감이 이 테스트에서 가장 중요했습니다. 그들의 고압 성형 기술이 너무나 정밀해 툴 자국이 샌드블라스트 후에도 성형 시트에 보이기 때문입니다. 힘멜레인은 설명합니다. "우리가 성형할 폼 코어를 보면 샌드블라스트 되어 아름답고 마감이 훌륭해 보이지만, 성형하면 믿을 수 없는 툴 자국이 보입니다." 당시 매우 정밀한 3차원 회사 로고를 성형 부품 위에 올리는 작업이 많았습니다. 당연히 각 로고의 외관은 작업을 의뢰한 고객에게 매우 중요했습니다. 힘멜레인은 덧붙입니다. "이 폼 파트는 사출 금형에 들어가는 인서트입니다. 사출 금형에 들어가는 성형 아플리케나 필름으로, 백몰딩되어 금형이 열리면 부품이 장식된 상태가 됩니다. 이 부품의 외관 품질은 제조업계에서 존재하는 가장 엄격한 화장품 수준의 요구사항입니다."

하이테크 툴링 매니저 데이브 블랜디노가 CNC 업체들과 경쟁 벤치마킹 테스트 경험을 더 설명합니다. "광범위한 연구를 하고 여러 CNC 제조업체에 우리 부품을 깎아보게 했습니다. 자기 기계를 팔 만한 부품을 내놓으라고 했는데, 아무도 DATRON이 만든 부품에 근접하지 못했습니다. 다른 머신 툴 제조업체들 부품을 받았지만 품질이 기대에 미치지 못했죠. 하지만 DATRON에 모델을 보낸 지 2주 만에 독일로 날아가 보니, 환대도 훌륭했지만 짧은 시간에도 내가 예상치 못한 부품을 내놓았습니다. 모든 CNC 업체 중 단연 최고였죠. 미국 돌아와 DATRON 샘플을 다른 업체들에 보여줬더니 '아, 이거 연마했네'라고 하더군요. '아니, 기계에서 바로 나온 거야!'라고 했지만 믿지 않았습니다. 사실은 RAM 옵티컬 컴퍼레이터로 200배 확대해 각 부품을 꼼꼼히 검사했으니, 육안이나 확대경으로 보는 게 아닙니다. 우리 공정은 모든 걸 보여줍니다. 열성형에서 미세한 툴 자국이라도 필름에 다 나타납니다. 그래서 DATRON이 주는 표면 마감이 극도로 중요합니다."

품질 외에도 핸드워크, 샌딩, 폴리싱 같은 2차 작업 제거에 따른 비용 절감 효과가 있으며, 힘멜레인은 DATRON 덕분에 핸드 타임이 90% 감소했다고 말합니다. 블랜디노는 샌딩의 한계도 설명합니다. "사포로 핸드워크는 항상 가능하지만, 멀티 캐비티 툴이면 매번 똑같이 샌딩할 수 없습니다. 15~20개 캐비티면 변이가 생기고, 그게 성형, 트리밍, 몰딩으로 이어집니다. 우리는 본질적으로 DATRON에서 부품을 꺼내 손대지 않는 게 목표입니다. 부품이 기계에서 바로 나와 툴링 어셈블리에 조립될 준비가 됩니다. 가끔 가벼운 비드 블라스트 텍스처가 고객 요구사항이지만, 샌딩이나 폴리싱은 필요 없습니다."

매치 메탈 트림 다이(스탬핑 다이) 제작에 요구되는 고공차

이제 하이테크는 와이어 EDM으로 A측 경화 강철 부품을 만듭니다. 이게 고정 공차 기준이 되죠. 그런 다음 B측 경화 강철 부품을 제작하는데, 이게 A측과 맞물리는 부품입니다. 일반적으로 다이 코어를 0.0005~0.0008인치 두껍게 남겨두고, DATRON M10 Pro로 0.0001인치(한 텐스)씩 깎아 맞춥니다. 힘멜레인은 말합니다. "이게 DATRON이 진짜 빛나는 부분입니다. 한 텐스씩 비교적 빠르게 깎고, 모든 걸 마운트한 채로 문 열어 핏을 테스트하고, 안 맞으면 문 닫고 또 한 텐스 깎으면 됩니다."

와이어 EDM과 DATRON 머신의 조합이 하이테크 포밍에 진정한 차이를 만들었고, 이들은 박막 플라스틱용 3차원 매치 메탈 트림 다이 분야의 글로벌 전문가가 되었습니다.

블랜디노는 설명합니다. "이전엔 그런 공차를 다룰 장비가 있는 업체들에게 이 부품들을 아웃소싱해야 했습니다. DATRON 구매 후 모든 작업을 내재화했죠. 열처리된 A2 강철 부품에 타이트한 공차로 라이트 피니시 패스를 합니다. 이 부품들은 우리가 여기서 설계·제작하는 툴링 구성품입니다. 우리 회사 비전 중 하나가 트리밍입니다. 박막 플라스틱 열성형을 하지만, 성형 후 플라스틱을 트리밍해야 하고, 이 트리밍 모양이 금형에 정확히 맞아야 하며 ±수 천분의 일 인치 공차가 필요합니다. 하지만 트리밍이 실제로 작동하려면 우리가 가공하는 부품 공차가 ±수 텐스 인치여야 합니다. 이게 우리 트림 다이를 만드는 구성품들입니다."

블랜디노는 DATRON 기술이 설계 공정 유연성도 더해줬다고 말합니다. "툴링 설계를 훨씬 더 효율적으로 할 수 있게 되었습니다. 이전엔 타이트한 공차를 유지할 수 있는 장비가 와이어 EDM뿐이었습니다. 물론 EDM 문제는 모든 게 관통 포켓이 아니라는 거죠. 그래서 그런 제약 때문에 설계 유연성이 제한되었습니다. DATRON으로는 더 자유롭게 설계하고 원하는 대로 할 수 있게 되었습니다."

DATRON M10 Pro는 최종 제품 품질에 너무나 중요해, DATRON이 작업 밀려 다른 CNC 장비로 작업을 옮겨야 할 때마다 그 사실을 상기시킨다고 블랜디노는 말합니다. "핸드워크를 해도 DATRON에서 얻는 표면 마감엔 근접할 수 없습니다. 게다가 다른 CNC 장비는 최대 스핀들 속도가 15k, 12k, 10k라 피드를 100% 낮춰야 합니다. 다른 머시닝 센터의 스핀들 진동과 볼스크류 백래시 때문에 피니싱을 위해 무거운 샌딩을 해야 하죠. 그래서 두 번째 DATRON 머신을 강력히 추진 중입니다. 다른 머시닝 센터는 'Op One 머신'으로 써서 뒷면과 비중요 면의 러핑만 담당합니다. 그 작업은 잘 처리합니다."

새로운 수익원 창출과 연매출 25% 증가

CEO 프레드 힘멜레인은 DATRON이 자동차, 항공우주 등 다양한 산업에 제공할 수 있게 해준 품질에 공을 돌립니다. 힘멜레인은 DATRON의 유연성과 설치 후 개선된 다른 부수 공정들도 인상적이라고 말합니다. 예를 들어 10년간 고객 프로젝트로 0.25인치 아크릴을 CO2 레이저로 커팅해 왔는데, 아름다운 폴리시드 에지를 만들었습니다. 하지만 10년 후 고객이 부품 수명 주기 중 손상 위험을 줄이고자 폴리카보네이트로 소재 변경을 원했습니다. 0.25인치 폴리카보네이트는 레이저로 자르면 타서 건강 위험이 있어 대체 공정을 찾아야 했습니다. DATRON M10 Pro로 아크릴 전용 DATRON 엔드밀로 테스트 커팅한 결과, 양쪽 모두 큰 승이었습니다. DATRON이 레이저가 아크릴 자르던 것보다 폴리카보네이트 부품을 더 빨리 잘랐고, 표면 마감은 동등했으며, 고객은 선호 소재로 전환할 수 있었습니다.

DATRON M10 Pro는 다양한 CAM 소프트웨어 패키지와 호환되며, 하이테크는 여러 가지에 투자해 성능과 표면 마감 극대화를 위한 광범위한 테스트를 했습니다. 블랜디노는 "아마 대부분의 숍보다 더 많은 소프트웨어 테스트를 했을 겁니다. DATRON 소프트웨어의 컨투어 스무딩을 쓰지만, 다이내믹스와 프로그래밍 전략이 모두 결합돼 완벽한 표면 마감을 만듭니다. SolidCam, SOLIDWORKS, FeatureCAM, Fusion 360, PowerMill 등 다양한 프로그래밍 소프트웨어로 테스트했고, 다른 커터, 속도, 피드로 사과 대 사과 비교를 했습니다. 소프트웨어가 제공하는 것과 DATRON이 제공하는 것을 결합해 3축 밀링으로 달성 가능한 최상의 표면 마감 공식을 만들었습니다. Fusion은 DATRON용 포스트가 정말 좋고, M10이 제공하는 다이내믹스와 컨투어 스무딩과 결합해 훌륭한 표면 마감을 냅니다. 현재 우리 주력 CAM 솔루션은 오토데스크입니다. 테스트는 지속적으로 진행 중이며, DATRON은 모든 소프트웨어의 포스트프로세서를 극도로 잘 보완합니다."

입을 다물어야 하지만, 하이테크는 극도로 정밀한 가공을 요구하는 완전히 새로운 방식의 부품 제작으로 기존 산업에 진입하고 있다고 말해줬습니다. 그 업계 제조사들이 하이테크 웹사이트에 있는 DATRON M10 Pro 사진을 보고 찾아왔습니다. 최신 테스트 커팅 라운드에서 부품 하나가 200시간 이상 돌았습니다. 매우 작은 커터로 작은 스텝오버로 3D 컨투어링을 해야 하고, 수십 시간 동안 공구 교체 없이 가동되기도 합니다. 현재 기계가 24/7 가동 중이라 추가 M10 Pro 도입이 임박했습니다. 이 신규 비즈니스로 회사 매출이 25% 증가할 것으로 예상됩니다.