적층 제조로 부품 통합 혁신: 비용 절감과 성능 향상

기계적 조립품은 소비재와 산업 제품 모두에서 흔합니다. 비교적 저렴한 제품도 수십 개의 개별 구성요소를 가질 수 있고, 복잡한 기계에는 쉽게 수백, 수천 개의 구성요소가 있을 수 있습니다. 적층 제조(AM)는 높은 수준의 부품 통합을 가능하게 하며, 때로는 조립 필요성을 완전히 제거하기도 합니다.

부품 통합을 위한 적층 제조의 이점

AM은 기존 제조 방식으로는 만들 수 없는 복잡한 형상을 제작하는 데 독보적입니다. 일반적으로 많은 부품이 별도 구성요소로 제작된 후 조립되는 기계적 조립품을 적층 제조로 단일 단위로 제조할 수 있습니다. 설계 단순화 외에도 AM을 부품 통합에 사용할 때의 다른 실질적 이점이 있습니다:

전체 프로젝트 비용 절감

AM으로 부품을 통합할 때 가장 분명하고 좋은 이점은 조립에 필요한 부품이 적어 조립 비용을 덜 지출한다는 것입니다. 조립을 배제함으로써 품질 관리나 재고 관리 같은 잠재적 비용 동인도 줄일 수 있습니다. 적층 제조로 여러 부품을 하나로 만들면 숨겨진 비용과 프로젝트 지연 위험을 줄일 수 있습니다.

소재 사용량 감소

전통적 제조에서는 부품 복잡성이 증가하면 부품 비용도 일반적으로 증가합니다. AM에서는 그렇지 않습니다. 부품 복잡성이 증가해도 부품 비용은 증가하지 않습니다. 많은 경우 복잡성 증가는 소재 사용량 감소를 의미하므로 부품 비용이 감소합니다. AM을 사용하면 기존 제조 대비 최대 70% 소재 감소를 달성할 수 있습니다.

전체 위험 감소

부품 통합은 여러 위험을 줄이거나 완전히 제거합니다. 예를 들어 공급업체가 더 이상 해당 부품을 공급할 수 없는 위험을 피할 수 있습니다. 이 공급업체 위험은 조립품의 부품 수에 비례해 증가합니다. AM으로 여러 부품을 단일 단위로 프린팅할 수 있다면 이 문제에 직면할 가능성이 크게 줄어듭니다.

다른 위험들도 줄어듭니다. 부품이 별도 조립이 아닌 단일 단위로 제조되면 부품 고장 사례가 감소합니다. 또 다른 위험은 단종입니다. 부품이 수명 끝에 도달하면 폐기해야 할 남은 재고가 없습니다.

더 나은 성능

많은 경우 AM은 기존 제조로는 만들 수 없지만 바람직한 형상을 가능하게 하므로 더 나은 성능의 부품을 만들 수 있습니다. 제품 성능 개선에 흥미로운 이점이 있는 AM 응용 분야에는 경량화, 높은 강도-중량 비율, 열전달 및 유체 흐름, 에너지 흡수가 포함됩니다.

통합할 부품 식별 방법

AM으로 부품 통합을 생각할 때 첫 단계는 기존 제조로 만든 원래 설계로 이어진 가정을 대체할 조립품의 기능에 집중하는 것입니다.

부품 분석에 구조화된 접근법을 사용하는 것이 도움이 될 수 있습니다. 제조 및 조립을 위한 설계(DFMA®)로 알려진 제조 및 조립 분석에 효과적이고 인기 있는 방법론이 있습니다. 이 모델은 엔지니어와 제조사가 조립 통합 프로세스를 시작하는 데 도움이 되는 세 가지 질문으로 구성됩니다:

1. 해당 부품이 조립된 다른 부품에 대해 상대적으로 움직여야 하는가?
2. 부품 기능에 여러 소재가 필요한가?
3. 조립 또는 분해를 위해 부품을 분리해야 하는가?

이 질문들을 통해 설계자는 조립에 필요한 이론적 최소 부품 수를 결정할 수 있습니다. 이 질문들이 시작점이 될 수 있지만, 적층 제조를 부품 통합에 고려해야 할지 결정하는 데 도움이 될 몇 가지 후속 고려사항이 있습니다:

1. 이 요구사항을 충족하기 위해 여러 부품이 필요한가?
2. 단일 부품이 이 요구사항을 충족할 수 있는가?

즉, 부품이 제대로 작동하기 위해 여러 부품이 정말로 필요한가? 격자 구조(또는 기타 복잡한 형상)를 설계에 통합해 전체적으로 부품 수와 소재 양을 줄이면서 본질적으로 같은 기능을 수행할 수 있는 다른 해결책이 있는가?

아래 차트를 참조해 적층 제조를 이용한 부품 통합이 귀사에 적합한지 판단해 보세요.

부품 통합과 적층 공정

별도 구성요소 수를 줄이도록 설계하는 것은 부품 통합의 한 요소일 뿐입니다. 통합을 가능하게 하는 기술을 사용하는 것도 조립 부품 수를 최소화하는 또 다른 방법입니다. HP 멀티 제트 퓨전(MJF) 같은 적층 기술을 사용하면 별도 구성요소를 하나의 전체 피스로 출력할 수 있을 뿐만 아니라, 프린터에서 바로 전체 동작 범위를 구현할 수 있습니다.

어떤 적층 기술을 사용할지는 설계 요구사항에 따라 다릅니다. 예를 들어 HP MJF는 서포트가 필요 없어 엔지니어가 더 복잡한 설계와 움직이는 피스를 만들 수 있습니다. 카본® 기술은 서포트가 필요하지만, 다양한 벽 두께의 내구성 있는 구성요소를 한 피스로 출력할 수 있습니다. 카본®을 사용한 부품 통합의 훌륭한 예는 스틸케이스의 SILQ 의자 암레스트입니다: 암레스트는 원래 세 개의 별도 피스로 조립되었지만, 격자 구조와 복잡한 형상 덕분에 이제 하나로 출력됩니다.

부품 통합 응용 사례

AM을 이용한 부품 통합의 혜택을 받을 수 있는 응용 분야는 많습니다. 이미 기계적 조립품, 유체 구성요소, 구조적 피스 등 시장에 적용 사례가 있습니다. 제조사들은 여러 부품을 하나로 설계함으로써 성능과 내구성 향상을 보고 있습니다. 부품 통합이 두 가지 구체적 응용 분야에 미치는 영향을 자세히 살펴보겠습니다.

펌프 임펠러

전통적으로 제조된 임펠러는 종종 함께 용접되는 별도 부품을 필요로 합니다. AM으로는 이들을 단일 피스로 출력할 수 있습니다. 펌프 임펠러를 전통적으로 제조하면 구성요소 사이에 간극이 생깁니다. 적층 제조로 제작하면 간극을 제거할 수 있어 부품의 전반적인 성능이 향상됩니다. 용접 조인트가 제거되어 잠재적 고장 지점이 줄어들고 용접 부위에서의 부식도 더 이상 발생하지 않습니다.

공기 덕트

공기 덕트도 부품 통합의 훌륭한 후보입니다. 적층 제조가 가능하게 하는 복잡한 형상을 사용해 부품 형상과 공기 흐름을 최적화할 수 있습니다. 이 사례는 HP MJF를 활용하는 HP 500/300 프린터 시리즈의 냉각 덕트입니다. 8개 부품을 하나로 통합함으로써 HP는 공급망을 단순화하고 구성요소 비용을 30% 절감했습니다.

제조사들은 부품 통합을 통해 비용 절감, 공급망 위험 감소, 성능 향상을 추구합니다. AM은 이제 가능한 복잡한 형상 덕분에 어셈블리를 더욱 줄일 수 있는 독특한 기회를 제공합니다. 귀사의 응용 분야가 어떻게 통합될 수 있는지 알고 싶다면 오늘 전문가 팀에 문의하세요.

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