우수한 금속 시제품 제작법: 검증된 방법과 모범 사례

금속 시제품은 항공우주부터 전자까지 많은 산업의 기업들에 중요합니다. 효과적인 금속 시제품은 더 나은 완제품으로 이어질 수 있기 때문입니다.

이 글에서는 금속 시제품의 중요성을 다루고, 플라스틱 시제품보다 금속 시제품이 유리한 상황을 살펴봅니다.

또한 금속 시제품 제작에 효과적인 다양한 방법들(CNC 가공, 3D 프린팅/적층 제조, 판금 성형, 주조, 압출)을 논의합니다. 3ERP는 여러 공정을 결합해 귀사의 금속 시제품 니즈에 최적의 솔루션을 제공할 수 있습니다.

금속 시제품이란?

제조 세계에서 시제품은 부품의 모형이나 초안입니다. 시제품은 제조 시작 훨씬 전에 제작돼 설계자들이 부품을 테스트하고 개발할 수 있게 합니다.

시제품 제작에 쓰이는 제조 공정에 따라 다양한 소재로 시제품을 만들 수 있습니다.

금속 시제품은 CNC 가공, 주조, 판금 성형 같은 금속 제조 기술로 만들어진 시제품입니다. 알루미늄, 강철 또는 엔지니어링 팀이 선택한 기타 소재로 만들 수 있습니다.

금속은 주로 양산 전 시제품(pre-production prototype), 즉 최종 부품을 거의 그대로 모방한 고급 시제품에 쓰이지만, 초기 단계 시제품에도 사용할 수 있습니다.

금속 선택은 기능적 이유, 심미적 이유, 또는 둘 다 때문일 수 있습니다.

왜 플라스틱 대신 금속 시제품을 만드는가?

어떤 상황에서는 엔지니어들이 최종적으로 금속으로 제조될 부품의 플라스틱 시제품을 만들기도 합니다.

이는 여러 이유로 발생합니다. 우선 많은 시제품은 기능적·기계적 역할이 없어 강도, 연성, 전도성 같은 특성이 중요하지 않습니다.

시제품의 소재 특성이 중요하지 않다면, 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 소재로 만드는 게 합리적입니다. 많은 경우 플라스틱이 가장 저렴한 옵션입니다.

하지만 일부 시제품은 특별한 기능을 가집니다.

기능 시제품, 하이브리드 시제품, 양산 전 시제품은 모두 어떤 역할을 수행해야 하며, 이는 특정한 소재 특성을 요구할 수 있습니다. 금속이 그런 특성을 제공하는 최적의 소재인 경우가 많습니다.

비기능적 시제품도 금속의 이점을 누릴 수 있습니다. 컨셉 시연용인 외관 시제품(looks-like prototype)은 금속으로 만들 때 더 좋아 보입니다. 특히 해당 부품이 금속으로 양산될 예정이라면 더욱 그렇습니다.

따라서 금속 시제품 제작은 초기 투자 유치와 상업적 성공 확률을 높일 수 있습니다.

금속 시제품 제작은 중요한 장기 비용 이점도 있습니다.

부품이 결국 금속으로 양산될 예정이라면, 금속 시제품을 금속 완제품으로 전환하는 것은 상대적으로 쉽습니다. 반면 플라스틱 3D 프린팅 시제품을 금속 양산 부품으로 전환하기는 쉽지 않습니다.

금속 시제품의 이점:

• 더 나은 기계적/기능적 성능
• 더 정확한 테스트
• 더 나은 심미성
• 투자자 관심 유도 확률 증가
• 양산 전환 용이성

내 금속 시제품에 가장 좋은 제작 방법은?

기하학, 공차, 수량 때문에 일부 금속 시제품은 CNC 가공이나 3D 프린팅 같은 단일 제조 공정만 적합할 수 있습니다.

하지만 대부분의 부품은 여러 다른 방법으로 제작 가능합니다.

이 경우 최상의 기계적 결과를 내면서 비용과 제작 시간을 최소화하는 최적의 방법을 찾아야 합니다. 금속 시제품 제작에 쓰이는 몇 가지 일반적인 기법을 간략히 소개합니다.

CNC 가공 금속 시제품

CNC 가공은 금속 시제품을 만들기에 꽤 저렴한 수단입니다.

CNC 기계는 컴퓨터 지시에 따라 금속 절삭 공구를 안내해 금속 블록에서 소재를 정밀하게 제거합니다.

가공은 디지털 CAD 설계가 시제품 간에 쉽게 수정될 수 있어 효율적인 워크플로를 가능케 하는 유용한 시제품 제작 도구입니다. 중복품을 만들거나 설계를 타 당사자에게 배포하기도 쉽습니다.

이 공정은 다양한 금속과 호환되지만, 특정 등급의 알루미늄이 가치와 가공성의 최적 조합을 제공하는 경우가 많습니다.

CNC 가공 시제품은 툴링이 필요 없어 최소 주문 수량이 없으므로 꽤 저렴합니다. 다만 감산 방식 공정 특성상 어느 정도 소재 낭비는 발생합니다.

설계 자유도 면에서 4축, 5축 CNC 기계는 디테일한 복잡한 부품 제작에 탁월한 유연성을 제공합니다.

장점:

저비용, 설계 자유도, 소재 선택 폭

단점:

일부 소재 낭비

여기는 3ERP가 수행한 금속 가공 시제품 사례들입니다. CNC 가공에 적합한 부품 유형을 대략적으로 보여드리기 위한 것입니다.

 

금속 3D 프린팅 시제품

3D 프린팅은 금속 시제품 제작에 또 다른 꽤 저렴한 방법이지만, 금속 적층 제조 장비는 플라스틱만 출력하는 FDM 3D 프린터보다 훨씬 비쌉니다.

금속 3D 프린팅 시제품은 선택적 레이저 용융(SLM), 직접 금속 레이저 소결(DMLS) 같은 AM 기술로 제작됩니다.

CNC 가공처럼 3D 프린팅도 디지털 설계를 입력으로 사용해 설계 수정이 빠릅니다.

하지만 금속 3D 프린팅의 최대 장점 중 하나는 기하학적 유연성입니다. 금속 3D 프린팅 시제품은 복잡한 내부 구조 등 매우 복잡한 형상을 가질 수 있습니다. 고체 블록에서 깎아내는 게 아니라 층층이 쌓아 올리기 때문입니다.

금속 시제품은 다른 형태의 금속 시제품보다 표면 조도가 덜 인상적일 수 있으나, 좋은 표면 마감 처리로 이 문제를 완화할 수 있습니다.

여러 금속이 AM 분말 형태로 제공되지만, 다른 공정들에 비해 선택 폭은 덜 다양합니다.

장점:

저비용, 설계 자유도

단점:

부품 강도, 소재 선택 폭

언더컷과 내부 채널 때문에 3D 프린팅 외에 더 나은 대안이 없는 전형적인 부품들입니다.

판금 시제품

판금 가공은 금속 시트의 절단, 변형, 조립을 다루는 공정군으로, 브래킷, 인클로저, 산업용 부품 같은 기능성 아이템 제작에 쓰입니다.

판금 프로젝트라면, 양산 때 쓰일 동일한 판금 기술로 기능성 금속 시제품을 만드는 게 가치가 있을 수 있습니다.

판금 성형 공정에는 레이저 커팅, 펀칭, 벤딩, 스피닝, 용접이 포함됩니다.

판금 시제품은 높은 강도와 품질이 보장됩니다. 하지만 여러 성형 공정이 필요하면 대안보다 비쌀 수 있습니다.

구멍 난 직각 브래킷 시제품의 경우 레이저 커터, 브레이크, 펀칭기 등 세 대의 개별 기계가 필요할 수 있지만, 유사한 시제품은 CNC 기계나 3D 프린터 하나로 만들 수 있습니다.

판금 가공은 시제품 여러 개가 필요할 때 특히 유용할 수 있습니다.

장점:

양산 수준 품질, 다양한 가공 공정

단점:

시간 소요, 제한된 설계 자유도

주조 금속 시제품

주조는 액체 금속을 금형에 부어 부품을 형성하는 공정입니다.

금속 주조는 보통 시제품 공정으로 간주되지 않습니다. 전문 장비가 필요하고 금형 제작이 노동집약적이고 비싸기 때문입니다. 단 한두 개 시제품용 금형을 만드는 건 경제적으로 타당하지 않습니다.

하지만 금속 시제품을 주조로 만드는 특수한 방법들도 있습니다.

예를 들어 인베스트먼트 주조(정밀 주조)에서는 3D 프린터로 왁스 모델을 만들고, 이를 이용해 금속 시제품 주조용 저렴한 금형을 만들 수 있습니다.

압력 다이캐스팅에서는 툴링 비용을 여러 방식으로 절감할 수 있습니다. 한 방법은 단순 금형을 만든 뒤 CNC 가공으로 미세 형상을 주조 후에 추가하는 것입니다. (이 방법은 소량에만 통합니다. 수천 개 부품을 후가공하면 시간이 너무 오래 걸립니다.)

주조 금속 시제품은 상대적으로 비싸지만, 툴링을 브리지 생산(bridge production)용으로 유지하면 장기적으로 고객 비용을 절감할 수 있습니다.

장점:

극도로 강한 부품, 양산 수준 품질

단점:

비싼 툴링 필요, 전문 장비 필요

압출 금속 시제품

금속 압출도 시제품 공정으로 통상 고려되지 않는 금속 가공 기술입니다.

압출 공정에서 소재는 다이의 형상 개구부를 통해 강제로 밀려나와 균일한 단면을 가진 길쭉한 부품을 만듭니다.

대부분 압출 업체는 대량 생산 주문만 다루며, 원오프 시제품은 시간 낭비로 여깁니다.

하지만 금속 압출을 시제품 제작에 활용할 가치가 있는 경우도 있으며, 3ERP는 그런 서비스를 제공하는 몇 안 되는 업체 중 하나입니다.

압출은 거의 전적으로 알루미늄 합금으로 수행되며, 금속 막대, 브래킷, 조인트 같은 단순 부품에 적합합니다.

이 공정은 압출 금속 시제품이 최종 부품을 거의 그대로 모방하는 테스트 및 양산 전 시제품에 적합합니다. 다른 기술로 생산될 부품에는 권장하지 않습니다.

장점:

양산 수준 품질

단점:

제한된 소재 범위

3ERP는 대부분의 제조 공정에 강한 공급망을 구축했으며, 여러 공정을 결합하는 역량도 갖췄습니다. 따라서 귀사의 금속 시제품에 최적의 솔루션을 제공할 수 있습니다. 지금 3ERP에 연락해 무료 견적을 받아보세요.