금형 생산의 혁신: 금형 제조 산업에서의 3D 프린팅

금형 산업은 가장 오랜 역사를 가진 산업 중 하나로, 제조 산업의 모든 영역과 연관되어 있습니다. 현대에는 제조와 금형이 높은 의존성을 가지며, 수많은 제품 부품이 성형(사출, 블로우 성형, 실리콘 성형) 또는 주조(금형 주조, 단조, 스피닝) 방식으로 제조됩니다. 어떤 용도든 금형은 품질을 보장하면서 효율과 이익을 높여줍니다.

CNC 가공은 금형 제조에 가장 일반적으로 사용되는 기술입니다. 매우 신뢰할 수 있는 결과를 제공하지만 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸립니다. 따라서 많은 금형 제조사들이 더 효과적인 대안을 찾기 시작했습니다. 적층 제조(ALM, 즉 3D 프린팅 또는 적층 가공)로 금형을 제작하는 것도 더 매력적인 방법이 되었습니다. 특히 금형은 일반적으로 소량 생산되며 복잡한 형상이 많아 3D 프린팅으로 완성하기에 적합합니다.

오늘날 3D 프린팅과 다양한 프린팅 소재(플라스틱, 고무, 복합재, 금속, 왁스, 모래)는 자동차, 항공우주, 의료 등 많은 산업에 큰 편의를 가져다주었으며, 많은 기업이 금형 제작을 포함한 공급망에 3D 프린팅을 통합하고 있습니다. 그렇다면 3D 프린팅 기술로 금형 제조는 어떤 이점을 얻을 수 있을까요? 실제로 3D 프린팅 기술은 금형 제조의 다음 측면에 활용될 수 있습니다:

성형(블로우 성형, LSR, RTV, EPS, 사출 성형, 펄프 금형, 용해성 금형 코어, FRP 금형 등)

주조(사형, 스피닝, 열성형, 금속 수압 성형 등 …)

가공, 조립 및 테스트(고정 지그, 이동 지그, 모듈러 지그 …)

로봇 엔드 이펙터(핸드 그립)

3D 프린팅으로 금형을 제작할 때의 많은 이점:

1) 금형 제조 주기 단축

3D 프린팅 금형은 제품 개발 주기 전체를 단축시키고 혁신의 원동력이 됩니다. 과거에는 새로운 금형 제작에 막대한 자본이 필요해 기업들이 제품 설계 업데이트를 미루거나 포기하기도 했습니다. 금형 셋업 시간을 줄이고 기존 설계 도구를 신속하게 업데이트할 수 있게 함으로써 3D 프린팅은 기업이 더 빈번한 금형 변경과 개선을 감당할 수 있게 합니다. 금형 설계 주기가 제품 설계 주기의 속도를 따라잡을 수 있게 합니다. 또한 일부 기업은 자체 3D 프린팅 장비를 구매해 직접 금형을 제작함으로써 제품 개발을 더욱 가속화하고 유연성/적응성을 높입니다. 전략적으로는 공급망 방어 능력을 확장해 마감 기한 연장과 정체 위험(예: 공급업체로부터 부적절한 금형 수령) 완화에 기여합니다.

2) 제조 비용 절감

오늘날 금속 3D 프린팅 비용이 전통적인 금속 가공 공정보다 높다면, 플라스틱 영역에서는 비용 절감이 더 용이합니다. 금속 3D 프린팅 금형은 고정 비용을 상각하기 어렵거나 특정 형상(3D 프린팅에 최적화된)에 대해 경제적 이점이 있는 소량, 비연속 최종 제품 생산에 유리합니다. 특히 사용 소재가 매우 비싸고 전통적 금형 제작이 높은 소재 스크랩률을 초래할 때 3D 프린팅이 비용 효율적입니다. 또한 3D 프린팅이 단 몇 시간 만에 정밀 금형을 제작할 수 있는 능력은 제조 공정과 마진에 긍정적인 영향을 미칩니다. 특히 생산 중단 및/또는 금형 재고 비용이 비쌀 때 더욱 그렇습니다.

마지막으로 생산 시작 후 금형을 수정해야 하는 경우도 있습니다. 3D 프린팅의 유연성은 엔지니어가 수많은 반복을 동시에 시도하고 금형 설계 변경과 관련된 선행 비용을 줄일 수 있게 합니다.

3) 금형 설계 개선으로 최종 제품에 더 많은 기능 부여

금속 3D 프린팅의 특수 야금학적 접근은 금속의 미세 구조를 개선하고, 단조나 주조품과 같거나 더 우수한 기계적·물리적 특성을 가진 완전 치밀한 프린팅 부품을 생성합니다(열처리 및 시험 방향에 따라 다름). 적층 제조는 엔지니어에게 금형 설계를 개선할 무한한 옵션을 제공합니다. 대상 부품이 여러 하위 구성품으로 구성된 경우 3D 프린팅은 설계를 통합하고 부품 수를 줄일 수 있습니다. 이는 제품 조립 공정을 단순화하고 공차를 줄입니다. 또한 복잡한 제품 기능의 통합을 가능하게 하여 고기능 최종 제품을 더 빠르게 생산하고 제품 결함을 줄입니다. 예를 들어 사출 성형 부품의 전체 질량은 사출 소재와 고정구를 흐르는 냉각수 사이의 열전달 조건에 영향을 받습니다. 기존 기술로 제조 시 냉각재를 안내하는 채널은 일반적으로 직선이어서 성형 부품의 냉각이 느리고 불균일합니다. 3D 프린팅은 어떤 형상의 냉각 채널도 가능하게 하여 더 최적화되고 균일한 냉각을 보장하므로 더 높은 품질의 부품과 낮은 불량률을 달성합니다. 또한 더 빠른 열 제거는 사출 성형 사이클 타임을 크게 단축시킵니다. 냉각 시간이 일반적으로 전체 사출 사이클의 최대 70%를 차지하기 때문입니다.

4) 최적화된 공구가 더 인체공학적이며 최고 성능 발휘

3D 프린팅은 제조 공정에서 미충족 니즈를 해결하는 새로운 공구의 검증 장벽을 낮춰 더 많은 이동 지그와 고정구를 제작할 수 있게 합니다. 전통적으로 공구 설계와 해당 장치는 재설계 및 제조에 드는 비용과 노력 때문에 가능한 한 오랫동안 사용되어 왔습니다. 3D 프린팅 기술로는 이미 폐기되어 요구 사항을 충족하지 못하는 공구뿐만 아니라 언제든 어떤 공구든 리퍼비시할 수 있습니다. 적은 시간과 초기 비용으로 공구를 더 나은 한계 성능을 위해 최적화하는 것이 더 경제적이게 됩니다. 기술자는 설계 시 인체공학을 더 고려해 작업 편의성을 높이고 가공 시간을 단축하며 사용자 친화적이고 보관이 용이하게 만들 수 있습니다. 단 몇 초의 조립 작업 시간 단축일지라도 누적되면 큰 효과가 있습니다. 또한 공구 설계 최적화는 부품 불량률도 낮출 수 있습니다.

5) 맞춤형 금형으로 최종 제품 맞춤화 실현 지원

더 짧은 생산 주기, 더 복잡한 형상 구현, 최종 제조 비용 절감 능력으로 기업은 맞춤형 부품 제조를 지원하는 수많은 맞춤형 공구를 만들 수 있습니다. 3D 프린팅 금형은 의료 기기 및 의료 산업 같은 맞춤형 생산에 매우 유리합니다. 수술 가이드와 도구 등 외과의사에게 맞춤형 3D 프린팅 기구를 제공해 수술 결과를 개선하고 수술 시간을 단축할 수 있습니다.