저용량 사출 성형: 비용 효율적 프로토타입을 위한 검증된 3D 프린팅 가이드

사출 성형은 전통적으로 높은 툴링 비용으로 인해 대량 생산용 공정으로만 여겨져 왔지만, 3D 프린팅으로 사출 금형을 제작하면 이 공정을 활용하여 프로토타이핑과 저용량 생산을 위한 고품질의 반복 가능한 부품을 생산할 수 있습니다.

이 종합 가이드에서는 벤치톱 및 산업용 장비 모두에서 3D 프린팅 사출 금형을 사용하여 기능성 프로토타입과 부품을 수백 개 효율적이고 저렴하게 생산하여 제품 개발을 가속화하고 비용과 리드타임을 줄이며 더 나은 제품을 시장에 출시하는 방법을 배웁니다.

저용량 사출 성형 vs 기존 사출 성형

사출 성형은 플라스틱 제조를 위한 선도적인 공정 중 하나입니다. 비용 효율적이고 매우 반복 가능한 기술로 대량 생산을 위한 고품질 부품을 산출합니다. 결과적으로 엄격한 공차가 필요한 동일한 부품을 대량 생산하는 데 널리 사용됩니다.

사출 성형은 고열과 고압으로 용융 소재를 금형 내부에 주입하는 빠르고 강도 높은 공정입니다. 용융 소재는 제조 프로젝트 범위에 따라 달라집니다. 가장 인기 있는 소재는 ABS, PS, PE, PC, PP, TPU 등 다양한 열가소성 수지지만, 금속과 세라믹도 사출 성형이 가능합니다. 금형은 주입된 용융 소재를 수용하는 캐비티로 구성되며 최종 부품의 형상을 밀접하게 반영하도록 설계됩니다.

금형은 전통적으로 CNC 가공이나 방전 가공(EDM)으로 금속으로 제작됩니다. 이러한 방식은 전문 장비, 고급 소프트웨어, 숙련된 인력을 필요로 하는 고가의 산업적 방법입니다. 결과적으로 금속 금형 제작에는 일반적으로 4~8주가 소요되며, 부품의 형상과 복잡성에 따라 $2,000에서 $100,000 이상의 비용이 듭니다. 소량 생산의 경우 일반적인 툴링 금속과 제조 방식을 사용한 금형 제작에 드는 비용, 시간, 전문 장비, 숙련 인력 때문에 이 규모의 사출 성형은 종종 비현실적입니다. 그러나 금속으로 금형을 가공하는 것 외의 대안도 있습니다. 사내 3D 프린팅을 활용해 프로토타이핑과 저용량 생산용 사출 금형을 제작하면 금속 금형 대비 비용과 시간을 크게 줄이면서도 고품질의 반복 가능한 부품을 생산할 수 있습니다.

이 영상에서는 사출 성형 서비스 제공업체 Multiplus와 협력하여 3D 프린팅 금형을 사용한 사출 성형 공정의 단계를 안내합니다.

데스크톱 3D 프린팅은 사출 금형을 빠르고 저렴하게 제작하는 강력한 솔루션입니다. 최소한의 장비만 필요하여 CNC 시간과 숙련된 작업자를 다른 고부가가치 작업에 할애할 수 있습니다. 제조업체는 사내 3D 프린팅의 속도와 유연성을 활용해 금형을 제작하고 이를 사출 성형의 생산력과 결합하여 일반적인 열가소성 수지로 며칠 만에 부품 시리즈를 공급할 수 있습니다. 기존 방식으로는 제조하기 어려운 복잡한 금형 형상도 구현 가능하며, 벤치톱과 산업용 성형기 모두에서 사용할 수 있어 개발팀이 더 혁신적으로 작업할 수 있습니다. 또한 최종 사용 소재로 설계를 반복 테스트하여 하드 툴링 투자 전에 검증할 수 있어 제품 개발에 이점이 있습니다.

3D 프린팅 금형은 적절히 사용할 때 이러한 이점을 제공하지만, 여전히 몇 가지 한계점도 인지해야 합니다. 3D 프린팅 폴리머 금형에서 가공 금속 금형과 동일한 성능을 기대해서는 안 됩니다. 치수 정밀도 달성이 더 어렵고, 플라스틱의 열전달이 금속보다 느려 냉각 시간이 더 길며, 프린팅 금형은 열과 압력 아래에서 더 쉽게 파손될 수 있습니다. 그러나 업계 전반의 기업들이 3D 프린팅 금형을 단기 사출 성형 워크플로에 지속적으로 도입하여 수백에서 수천 개의 부품을 빠르게 생산하고 있습니다. 최종 사용 소재로 기능성 프로토타입 설계, 파일럿 생산 중 부품 제작, 저용량 또는 맞춤형 최종 사용 부품 제조 등 3D 프린팅 사출 금형은 제한된 수량의 부품을 비용 효율적이고 빠르게 생산하는 방법입니다.

광조형(SLA) 3D 프린팅 기술은 금형 제작에 훌륭한 선택입니다. 금형이 최종 부품에 전이할 매끄러운 표면 마감과 높은 정밀도를 특징으로 하며, 이형도 용이하게 합니다. SLA로 제작된 3D 프린트는 화학적으로 결합되어 완전한 밀도와 등방성을 가지며, 융착 적층 모델링(FDM) 3D 프린팅으로는 불가능한 품질의 기능성 금형을 생산합니다. Formlabs가 제공하는 데스크톱 SLA 프린터는 구현, 운용, 유지보수가 용이하여 어떤 사출 성형 워크플로에도 원활하게 통합될 수 있습니다.

A 3D printed injection mold core assembled with a metal mold shell.

연간 500~10,000개 규모의 중용량 생산 대안으로는 알루미늄 금형 가공도 금형 제조 관련 고정 비용을 줄일 수 있습니다. 알루미늄 가공은 강철보다 5~10배 빠르고 툴링 마모가 적어 리드타임 단축과 비용 절감이 가능합니다. 알루미늄은 강철보다 열전도율이 높아 냉각 채널 필요성이 줄어들고, 금형 설계를 단순화하면서도 짧은 사이클 타임을 유지할 수 있습니다.

요약하면, 생산량에 따라 가장 효율적인 공정과 최저 부품 단가를 제공하는 사출 성형 방식과 금형 유형은 다음과 같습니다:

	저용량 사출 성형	중용량 사출 성형	대용량 사출 성형
방식	사내 금형 제작 및 사내 성형	외주 금형 제작 및 성형	외주 금형 제작 및 성형
필요 장비	3D 프린터, 벤치톱 사출 성형기	-	-
금형	3D 프린팅 폴리머	가공 알루미늄	가공 강철
금형 비용	$100 미만	$2,000 - $5,000	$10,000 - $100,000
최종 부품까지 리드타임	1-3일	3-4주	4-8주
적정 생산량	500개 미만	500 - 10,000개	5,000개 이상
적용 분야	신속 프로토타이핑 맞춤형 사출 성형 단기 사출 성형	단기 사출 성형	대량 생산

사출 프레스 유형은 저용량 사출 성형 공정에 큰 영향을 미치지 않습니다. 기존 대형 산업용 사출 성형기도 3D 프린팅 금형과 함께 사용할 수 있습니다. 그러나 이러한 장비는 고가이고 엄격한 설비 요건과 숙련 인력이 필요하므로, 대부분의 기업은 중대량 생산을 서비스 제공업체와 계약 제조업체에 외주합니다.

사출 성형이 처음이고 제한된 투자로 테스트해보고 싶다면 Holipress나 Galomb Model-B100 같은 벤치톱 수동 사출 성형기가 좋은 선택일 수 있습니다. Micromolder나 유압식 Babyplast 10/12 같은 자동화된 소형 사출 성형 장비는 소형 부품의 중량 생산에 좋은 대안입니다.

사출 성형 총비용을 구성하는 다양한 요소에 대해 궁금하시다면 종합 가이드를 읽어보세요.

백서: 3D 프린팅 금형을 활용한 저용량 신속 사출 성형

사출 성형 공정에서 3D 프린팅 금형 사용 가이드라인을 다운로드하여 비용과 리드타임을 낮추고 Braskem, Holimaker, Novus Applications의 실제 사례 연구를 확인하세요.

저용량 사출 성형 단계별 워크플로

저용량 사출 성형 워크플로는 다음 7단계로 구성됩니다:

1. 금형 설계

원하는 CAD 소프트웨어로 부품의 금형을 설계하세요. 적층 제조와 사출 금형 설계의 일반적인 설계 규칙을 준수하세요. 폴리머 3D 프린팅 금형에 특화된 설계 권장사항은 백서에서 확인할 수 있습니다.

설계를 Formlabs 프린트 준비 소프트웨어인 PreForm에 업로드하세요. 프린트를 준비하고 Formlabs 3D 프린터로 전송합니다.

2. 금형 3D 프린팅

3D 프린팅 소재를 선택하고 프린트를 시작하세요. 50미크론 레이어 높이의 Rigid 10K Resin은 높은 강도, 강성, 내열성을 겸비하여 대부분의 금형 설계에 이상적인 선택입니다.

가능하면 서포트 없이 빌드 플랫폼에 평평하게 금형을 프린트하여 휨을 줄이는 것이 좋습니다.

세척과 후경화 후 3D 프린팅 금형은 사출 성형 공정에 통합할 준비가 됩니다.

3. 금형 조립

조립 전, 핸드 샌딩, 데스크톱 또는 CNC 가공으로 금형을 마감하여 중요 치수를 맞출 수 있습니다.

프린팅 금형을 표준 금속 프레임이나 마스터 유닛 다이(MUD) 내부에 배치하여 고압을 견디고 프린팅 금형 수명을 연장하는 것이 권장됩니다. 3D 프린팅 금형을 금속 프레임 내부에 신중하게 조립하세요. 필요에 따라 이젝터 핀, 인서트, 사이드 액션 부품 등을 추가하세요.

조립된 금형을 사출 성형기에 설치합니다.

4. 금형 클램핑

플라스틱 펠릿을 투입하고 필요 설정을 입력한 후 생산을 시작하세요. 특히 프린팅 금형이 금속 프레임으로 보호되지 않은 경우 낮은 클램핑 힘을 권장합니다.

TPE, PP, PE, ABS, POM, ASA, PA, PC, TPU 등 다양한 열가소성 수지를 3D 프린팅 금형으로 사출할 수 있습니다.

5. 사출

부품 형상, 플라스틱 선택, 사출 온도와 압력 등 많은 요인이 작용하므로 이상적인 공정 조건을 찾기 위해 몇 번의 샷이 필요할 수 있습니다.

사출 압력과 온도를 가능한 한 낮추세요.

Formlabs 사용자들은 일반적으로 TPE, PP, PE 등 가공하기 쉬운 플라스틱으로 250°C까지 온도에서 한 금형으로 수백 개의 부품을 사출합니다. PA나 PC처럼 더 높은 사출 온도가 필요한 플라스틱의 경우 3D 프린팅 금형 수명이 더 짧을 수 있습니다.

데스크톱 및 산업용 사출 성형기 모두에 대한 테스트 결과는 공정 조건 문서에서 확인하세요.

6. 냉각

폴리머 프린팅 금형의 냉각 시간은 금속 금형보다 깁니다. 플라스틱에서 열전달이 금속보다 느리게 일어나기 때문입니다. 따라서 프린팅 금형에 냉각 채널을 추가하는 것은 일반적으로 권장되지 않습니다.

대신 압축 공기를 가해 금형을 냉각하거나 교체 가능한 스택을 사용하여 냉각을 가속화할 수 있습니다.

7. 이형

이젝터 핀으로 수동 또는 자동으로 부품을 이형하세요. 고점도 열가소성 수지에는 이형제를 사용하세요. Slide나 Sprayon 제품 같은 실리콘 이형제는 Formlabs 레진과 호환됩니다.

저용량 사출 성형 적용 분야

저용량 사출 성형의 세 가지 주요 적용 분야는 신속 프로토타이핑, 단기 사출 성형, 주문형 또는 맞춤형 사출 성형입니다.

사출 성형을 활용한 신속 프로토타이핑

신속 프로토타이핑은 기업이 아이디어를 현실적인 개념 증명으로 구현하고, 이를 최종 제품처럼 보이고 작동하는 고충실도 프로토타입으로 발전시키며, 양산을 향한 일련의 검증 단계를 거치도록 돕습니다.

일반적으로 3D 프린팅이 신속 프로토타입 제작의 가장 일반적인 방법입니다. 그러나 개발 후기 단계에서는 최종 부품과 동일한 소재와 생산 공정으로 약간 더 많은 양의 동일한 프로토타입을 제작해야 하는 필요가 생깁니다. 이러한 프로토타입은 베타 및 필드 테스트 같은 용도로 사용됩니다. 3D 프린팅 금형과 사출 성형을 결합하면 제조업체가 기능성 프로토타입을 신속하고 효율적으로 개발하여 제품 개발 프로세스를 가속화할 수 있습니다.

예를 들어 프랑스 스타트업 Holimaker는 엔지니어와 제품 디자이너가 데스크톱에서 소량의 플라스틱 부품을 프로토타입, 파일럿 생산, 심지어 한정판 최종 사용 부품으로 가공할 수 있는 수동 사출 성형기를 개발합니다.

이 회사는 고객을 위한 타당성 연구를 제공하며, 3D 프린팅 금형을 사용해 빠르고 저렴한 처리를 실현합니다. 이를 통해 고객은 신제품 도입의 파일럿 생산 단계에서 설계를 빠르게 프로토타이핑하고 최종 제조 조건을 검증할 수 있습니다.

Pre-production prototypes of these football crampons were injection molded in 3D printed molds using three different thermoplastics, POM (180°C), PA 6.6 (270°C), PP (210°C).

동일한 제조 방법(금형 설계와 소재 포함)을 사용함으로써 이 부품들은 필드 테스트가 가능하고 설계가 양산 준비가 되었는지 확인할 수 있습니다. 3D 프린팅 금형 설계는 이후 양산 시 툴급 강철로 쉽게 적용할 수 있습니다.

3D 프린팅 금형을 사용해 Holimaker는 사출 성형 공정용 금형 제작 리드타임을 24시간으로 단축했으며, 현재 프로젝트의 80~90%에 3D 프린팅 사출 금형을 사용하고 있습니다.

단기 사출 성형

단기 사출 성형은 제한된 수량으로만 생산되는 제품의 최종 사용 부품을 소량 시리즈로 생산하거나, 너무 많은 자본을 투입하기 전에 시장을 테스트하기 위한 파일럿 시리즈를 제조하는 수단을 제공합니다.

저용량 사출 성형을 사용하면 기존 사출 성형과 관련된 높은 고정 비용 없이 정확하고 반복 가능한 최종 사용 부품을 제조할 수 있습니다.

Multiplus는 설계부터 플라스틱 제품 제조까지 전체 생산 주기를 다루는 선전 기반의 사출 성형 솔루션 제공업체로, 포춘 500대 기업을 포함해 연간 250개 이상의 고객사에 서비스를 제공합니다. 이들 고객 중 일부는 소량 배치 생산을 필요로 하는데, 하드 툴링 제조의 복잡성 때문에 기존 사출 성형으로는 전통적으로 비용과 시간이 많이 듭니다.

Freshly injection-molded ABS control box housings using 3D printed injection molds.

소량 배치 생산 수요가 증가함에 따라 Multiplus는 3D 프린팅을 활용해 다양한 소재를 탐색하며 소량 주문과 파일럿 생산을 위한 저렴한 플라스틱 금형 제작 방법을 모색했습니다. Formlabs 3D 프린터로 저용량 사출 금형을 제작하여 알루미늄 금형 가공 대비 비용, 인력, 시간을 절감했으며, Babyplast 산업용 사출 성형기와 원활하게 연동되었습니다.

주문형 또는 맞춤형 사출 성형

맞춤형 또는 신속 주문형 사출 성형은 인간 공학, 용도, 행사 등 특정 목적을 위한 맞춤형 최종 사용 부품을 제조해야 할 때 필요하며, 종종 긴급한 일정이 요구됩니다. 제한된 수량과 짧은 리드타임은 기존 하드 툴링 사출 성형을 비효율적이고 비현실적으로 만듭니다. 이런 경우 3D 프린팅 금형을 활용한 저용량 사출 성형이 공정을 가속화하고 맞춤형 부품을 납품하는 이상적인 솔루션입니다.

세계 최대 석유화학 기업 중 하나인 Braskem의 사례는 3D 프린팅 금형을 활용한 주문형 신속 주문 처리의 필요성을 잘 보여줍니다. 코로나19 팬데믹 1차 유행 당시, 이 회사는 글로벌 인력 보호를 위해 수천 개의 마스크 스트랩을 생산해야 했습니다. Braskem은 사출 성형을 부품 생산에 이상적인 방법으로 판단했지만, 3D 프린팅이 없었다면 비싼 금속 금형을 외주 제작해야 하여 비용과 귀중한 시간을 잃을 뻔했습니다.

Braskem used a 3D printed mold in combination with a traditional industrial injection molding machine to rapidly injection mold the mask straps.

Braskem 팀은 Formlabs Form 3 3D 프린터로 스트랩용 금형을 프린트하고, 전동식 Cincinnati Milacron 110톤 Roboshot 사출 성형기로 스트랩을 개발했습니다.

3D 프린팅을 활용하여 부사장 이메일 수신 일주일 만에 수천 개의 스트랩을 생산하여 전 세계 사무실로 배송할 준비를 마쳤습니다.

저용량 사출 성형 시작하기

3D 프린팅과 저용량 사출 성형을 개발 프로세스에 통합하여 제품 개발을 가속화하고 비용과 리드타임을 줄이며 더 나은 제품을 시장에 출시하세요.