고강도 3D 프린팅 인서트: 내구성 있고 정밀한 조립을 위한 필수 부품

적층 제조는 단일 출력으로 부품 세트 제작이나 나사산 같은 복잡한 형상 구현이 가능하지만, 후자의 경우 플라스틱이라 변형돼 치수를 잃거나 파손될 수 있어 정기적인 조립용으로는 적합하지 않습니다.

3D 프린팅으로 특정 유형 부품을 만들 때 탈착 가능한 부품을 만들거나 대형 부품의 영구 결합을 보장하기 위해 강력한 결합이 필요한 경우가 많습니다.

전통 기술로 제조된 기계 부품이 적층 제조 부품의 지지대가 됩니다. 특히 부품 결합에서 인서트(Insert)가 두드러집니다.

인서트란?

출력 중 너트를 내장하는 대안으로 금속 인서트를 사용할 수 있습니다. 금속 인서트는 구멍에 삽입해 부품에 나사산 연결을 가능하게 하는 체결 요소입니다.

이미지 1: 인서트. 출처: Filament2print.

최적의 인서트 유형 선택 시 고려해야 할 두 가지 핵심 요소는 인발 저항(Pull-out resistance)과 비틀림 저항(Twist resistance)입니다.

• 인발 저항: 나사 조임 시 인서트가 하우징에서 빠져나가는 저항입니다. 인서트 길이를 늘리면 이 값을 높일 수 있습니다.
• 비틀림 저항: 나사 조임 시 인서트가 스스로 회전하는 것에 대한 저항입니다. 인서트 직경이 클수록 더 넓은 면적이 부품을 잡아당겨 토크 용량이 커집니다.

일반적으로 인서트 직경과 크기(제조사 기술 데이터시트 참조 필요), 인서트 소재와 설치 대상 플라스틱 소재를 고려합니다. 금속, 목재, 플라스틱 등 모든 소재용 인서트가 다양하게 있습니다. 인서트 제조에 가장 흔한 소재는 황동이지만, 스테인리스 스틸(내식성)이나 알루미늄(경량)도 등장하고 있습니다.

FDM(열가소성 소재 제조)에서는 거의 모든 유형의 인서트 사용이 가능하지만, SLA(열경화성 소재 사용으로 출력 후 열이나 압력으로 수정 불가)에서는 셀프 태핑(Self-tapping) 또는 헬리코일(Helicoil) 인서트만 설치 가능합니다.

FDM에서 거의 모든 소재의 인서트 사용이 가능함에도 불구하고, 이 인서트 설치 절차는 SLA 부품보다 항상 더 문제가 됩니다. 이는 부품의 비등방성 때문으로, 냉간 압입 시 압력이 너무 커 부품이 박리될 수 있습니다.

인서트 유형은 많으며, 일반적인 분류는 삽입 방식에 따릅니다.

인서트 유형

열 압입(Heat Insertion):

저온에서 녹는 열가소성 소재에 사용합니다. 사용법은 매우 간단하며 납땜 인두나 다른 열원(Modifi3D Pro)만 있으면 됩니다. 열전도 방식으로 인서트가 가열됩니다. 부품에 인서트 외경보다 약간 작은 구멍이 있어야 합니다. 삽입 도구를 사용해 압력을 조절하며(구멍 주변 플라스틱이 녹을 수 있음) 인서트를 구멍 가장자리에 눌러 플라스틱을 확장시킵니다. 냉각되면 인서트가 플라스틱 섬유 사이에 갇힙니다. 부품과 인서트 가장자리가 같은 높이가 되면 올바른 위치입니다. 올바르게 설치하면 인장 강도 15kg, 비틀림 강도 2.5kg을 달성할 수 있습니다. 또한 열 압입 인서트는 양쪽 구멍이 뚫려 있어 관통 구멍으로 간주할 수 있어, 나사 길이가 인서트 길이보다 깊어도 제한이 없습니다.

이미지 2: 열 압입 인서트. 출처: Filament2print.

압입(Pressure):

압입 인서트 또는 리벳은 리벳과 같은 직경의 구멍이 필요합니다. 설치가 매우 간단해 일반 리벳처럼 압입 도구로 그냥 눌러 넣으면 됩니다. 앞선 경우와 마찬가지로 두 가장자리가 같은 높이가 되면 올바른 위치입니다. 설치 시 부품이 구멍 근처에서 으스러질 수 있으므로 인서트를 제대로 눌러야 합니다.

셀프 태핑(Self-threading):

SLS나 레진 3D 프린팅처럼 매우 높은 온도에서 녹거나 가열 시 안정적이지 않은 특정 소재에 이상적입니다. 내부와 외부 나사산이 있어 부품에 쉽게 설치할 수 있는 것이 특징이며, 엔샛(ensat) 타입 나사 가공 도구로 설치합니다. 부품은 인서트와 같은 공칭 직경의 구멍으로 제조해야 합니다. 이 인서트는 설치되면서 플라스틱에 나사산을 만들며, 열 압입 인서트보다 훨씬 더 큰 응력을 견딜 수 있는 결합이 됩니다. 또한 스테인리스 스틸로 만들어져 마모와 공격적 환경에 높은 내성을 가집니다.

이미지 3: 셀프 태핑 인서트와 도구. 출처: Filament2print.

헬리코일(Helicoil):

셀프 태핑 인서트와 마찬가지로 2개의 나사산이 있고 같은 방식으로 작동합니다. 공작물 구멍은 선택한 헬리코일 표준에 맞춰 치수를 정해야 합니다. 인서트 장착을 위해 탭으로 구멍에 나사산을 먼저 만든 후 도구로 설치합니다. 마지막으로 설치 도구 역할을 하는 인서트 하단의 작은 플랜지를 떼어냅니다. 이 인서트들은 저렴하지 않지만 외관과 실용성이 뛰어납니다.

추천 사항

구멍 직경과 관련해 3D 설계와 실제 부품 간 치수 편차가 발생하므로 설계 시 구멍에 공차를 적용해야 합니다. 또한 구멍은 인서트 설치에 충분히 길어야 하며, 나사 돌출 길이도 고려해야 합니다. 설계 관련 또 다른 고려사항은 벽 두께로, 구멍 가공 시 인필 영역을 침범하지 않을 만큼 충분히 높은 값을 적용해야 합니다.

이미지 4: 열로 인서트 삽입. 출처: Markforged.

설치 측면에서는 위치와 작업 속도 등 특정 사항을 보장하는 것이 매우 중요합니다. 인서트가 가능하면 구멍에 대해 중심에 있고 수직이도록 항상 확인해야 합니다. 이는 열, 압입, 나사산 인서트 모두에 해당하며, 인서트 삽입으로 크로스 스레딩이 발생해 나사산이 손상되거나 이후 연결 나사의 잘못된 삽입으로 이어질 수 있습니다. 부품은 플라스틱이고 인서트는 금속이라는 점을 명심해 설치 속도를 조절해야 합니다. 금속의 경도가 출력 부품을 손상시킬 수 있기 때문입니다.

알다시피 3D 프린팅은 완전 진화 중이며, 이런 솔루션들이 산업 니즈에 더 정확하게 부응하는 복잡한 부품을 얻는 데 차이를 만듭니다.