프로토타이핑 혁신: 3D 프린팅 툴링의 힘

제조 세계에서 3D 프린팅의 역할을 논할 때, 적층 제조가 기존 기술을 어떻게 대체할 수 있을지 고려하는 경우가 많습니다. 실제로 많은 AM 하드웨어 개발자들은 자사 기계를 CNC 기계나 사출 성형 시스템 같은 것들의 직접적인 대체재로 마케팅합니다.

하지만 3D 프린팅은 CNC 가공, 사출 성형, 판금 가공, 압출, 주조 같은 기존 기술을 보완하는 데도 사용될 수 있습니다.

그 이유는 AM 시스템(산업용 금속 기술인 DMLS나 플라스틱 기술인 FDM, SLS 등)이 이러한 공정을 위한 3D 프린팅 툴링을 제작하는 데 사용될 수 있어 생산을 가속화 및/또는 개선하여 더 나은 결과를 제공하기 때문입니다.

이 글에서는 3D 프린팅 툴링이 프로토타이핑과 저량 생산의 미래를 어떻게 형성하고 있는지 살펴봅니다. 다양한 종류의 3D 프린팅 툴링, 3D 프린팅 툴링이 유용한 이유, 사용 가능한 소재를 다룹니다.

3D 프린팅 툴링의 유형

툴링은 제조에서 다양한 고정, 지지, 성형 메커니즘을 설명하는 포괄적 용어입니다. 부품의 툴링은 하나 또는 여러 구성 요소로 구성될 수 있으며, 보통 공구강 같은 견고한 소재로 제작됩니다.

3D 프린팅으로 여러 종류의 툴링을 제작할 수 있습니다. 그러나 일부 구성 요소는 다른 것보다 제작하기 쉽고, 일부는 고급 AM 장비로만 제작 가능합니다.

1. 금형

금형은 부품을 만들기 위해 소재로 채워지는 중공 용기입니다. 금형 제작은 일반적으로 가공으로 이루어지지만, 내열성 소재와 결합된 3D 프린팅이 특정 부품에 대해 실행 가능한 옵션이 되고 있습니다.

프린팅된 금형은 사용 전 광범위한 표면 연마나 기타 표면 처리가 필요할 수 있지만, 제작 속도가 프로토타이핑 기업에 큰 이점이 되고 있습니다.

독일 AM 기업 EOS에 따르면, "가장 복잡한 구조도 고품질로 단시간에 생산할 수 있는 능력 덕분에 3D 프린팅은 금형 제작에 명확한 이점을 제공합니다."

2. 지그

지그는 제조 중 부품의 일관성을 개선하기 위해 맞춤 제작된 작업 고정 장치입니다. 일반적으로 절삭 공구의 움직임을 안내하고 제어하는 데 사용됩니다.

3D 프린터는 지그와 픽스처 같은 맞춤 품목을 제작하는 데 점점 더 유용해지고 있습니다. 일회성 부품에 대해 비용이 저렴하기 때문입니다.

지그와 픽스처를 3D 프린팅으로 제작하면 리드 타임을 크게 단축할 수 있습니다. 특히 사내에서 프린팅하는 경우 더욱 그렇습니다.

3. 픽스처

픽스처는 제조(일반적으로 가공) 중 공작물을 고정하는 맞춤 제작된 작업 고정 장치입니다. 지그와 달리 공작물은 제조 장비가 아닌 제작 중인 부품에 고유한 경우가 많습니다.

지그와 픽스처는 금속이나 TPU, 탄소 섬유 강화 나일론 같은 엔지니어링 플라스틱으로 3D 프린팅할 수 있습니다.

4. 압출 다이

다이는 모양이 있는 구멍이 있는 두꺼운 강판입니다. 압출 공정에서 소재가 다이 구멍을 통해 강제로 밀려나와 다이 구멍의 단면과 일치하는 긴 부품이 생성됩니다.

금형과 마찬가지로 다이는 일반적으로 강철 같은 내열성 소재로 제작되며, DMLS와 SLM 같은 공정으로 프린팅이 점점 더 쉬워지고 있습니다.

3D 프린팅 툴링의 장점

적층 냉각 채널

사출 성형 같은 공정에서는 냉각 채널을 사용하여 용융 소재 주위에 냉각수를 순환시켜 균일하게 냉각 및 경화시킵니다. 이는 성형 부품의 휨과 변형을 방지하는 데 도움이 됩니다.

일반 금형에서는 더 복잡한 형태를 가공하기 어려워 냉각 채널이 보통 직선입니다. 하지만 3D 프린팅을 사용하면 부품 윤곽을 따르는 적층 냉각 채널을 만들 수 있어 부품의 각 영역이 냉각수의 영향을 동일하게 받습니다.

금속 AM 전문 기업 데스크톱 메탈에 따르면, "복잡한 설계와 내부 구조(맞춤 금형용 적층 냉각 채널 등)를 가진 부품은 설계 복잡도에 따라 제작 시간과 부품당 비용이 반드시 좌우되지 않는 적층 제조에 이상적입니다."

신속한 제작

3D 프린팅은 최소한의 설정이나 준비 시간만 필요한 빠른 공정입니다. 이로 인해 툴링을 신속하게 제작할 수 있으며, 툴이 파손되거나 변경이 필요할 때 즉시 재툴링할 수 있습니다.

3D 프린팅 툴링은 아직 초기 단계이며 대부분의 제조업체(또는 고객)가 선호하지는 않지만, 리드 타임 고려 사항이 다른 요소보다 우선시되는 신속 프로토타이핑에서 이미 중요해지고 있습니다.

3D 프린팅 툴링은 기존 프로토타이핑 공정을 명백히 가속화하기 때문에 프로토타이핑의 미래에 큰 영향을 미칠 것입니다.

비용 효율성

툴링은 여러 구성 요소가 필요하거나 설계가 특히 복잡한 경우 매우 비쌀 수 있습니다. 3D 프린팅은 복잡하고 정교한 설계를 단순한 설계만큼 빠르게 제작할 수 있어 툴링 비용을 절감할 수 있습니다.

AM은 공작물에서 폐기물을 깎아내는 과정이 없으므로 소재 사용 측면에서도 효율적입니다.

결국 프로토타이핑 단계에서 비용을 획기적으로 절감하는 모든 우회로는 궁극적으로 프로토타이핑 공정에서 점점 더 큰 역할을 할 것입니다.

3D 프린터 제조사 마크포지드에 따르면 "제조업체가 공정에서 사용하는 내구성 툴링의 10~50%를 3D 프린팅할 수 있다"며, "3D 프린팅 부품과 가공 부품의 평균 비용 절감액이 80%라는 점을 고려할 때 상당한 가치"라고 합니다.

다양한 공정에 적용 가능

3D 프린팅 툴링은 다음과 같은 여러 고유한 제조 공정에 사용될 수 있습니다:

• 다이 캐스팅
• 사출 성형
• 압출
• CNC 가공
• 판금 가공

최적의 AM 툴링 소재

공구강

공구강은 까다로운 제조 응용 분야에 적합한 경질 강철입니다. 경도 때문에 정확하게 가공하는 데 오랜 시간이 걸립니다.

그러나 일부 금속 3D 프린팅 기술로 이 소재를 프린팅할 수 있어 사출 금형 같은 품목의 3D 프린팅 기회가 생깁니다. 산업용 AM 기업 EOS는 마레이징 강철과 공구강 1.2709를 포함한 다양한 3D 프린팅 가능 공구강 분말을 생산합니다.

인코넬

DMLS와 SLM 같은 공정으로 인코넬 니켈 합금 툴링을 프린팅할 수 있습니다. 인코넬은 고온에 강해 성형과 압출을 포함한 다양한 툴링 응용 분야에 적합합니다.

복합재

탄소 섬유 강화 나일론이나 PEEK 같은 복합재는 지그와 픽스처 같은 3D 프린팅 툴링 제작 시 고강도 금속을 대체할 수 있습니다.

엔지니어링 열가소성 수지

3D 프린팅 기업 스트라타시스는 특정 지그와 픽스처를 TPU, 강화 나일론, ASA 같은 고성능 FDM 소재로 제작할 것을 권장합니다.

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