과잉 설계 줄이기: 금속 부품을 첨단 플라스틱으로 전환

엔지니어들은 금속이 강하고 일반적으로 내식성이 있으며 열적으로 안정적이며 엔지니어링 커뮤니티 전반에서 꽤 잘 이해되기 때문에 견고한 제품을 만드는 데 금속을 의존하는 경우가 많습니다. 고도로 엔지니어링된 열가소성 수지 및 열경화성 수지, 제조 기술, 디지털 설계 도구의 발전으로 플라스틱은 상상하는 것보다 더 많은 것을 할 수 있습니다. 금속으로 부품을 만들어 과잉 설계하고 플라스틱의 많은 유리한 특성을 놓치고 있을 가능성이 있습니다.

고려해야 할 사항

부품이 금속에서 전환하기에 좋은 후보인지 결정하려면 제품의 성능 요구 사항을 이해하는 것이 중요합니다. 작동 조건은 무엇인가요? 하중 경우는 무엇인가요? 얼마나 많은 크립/피로가 허용됩니까? 화학 및 자외선 저항에 관한 사양은 무엇입니까? 부품에는 전환에 부적합하게 만드는 타협할 수 없는 요구 사항이 있을 수 있지만, 시장에 다양한 소재 특성과 플라스틱 종류가 있어 적합한 대안을 찾는 것이 그 어느 때보다 쉬워졌습니다.

충분히 강함

플라스틱이 금속의 강도를 가지지는 않지만, 특정 플라스틱은 많은 응용 분야에 충분히 강합니다. 예를 들어, Carbon®의 디지털 광 합성(DLS) 기술을 위해 제작된 독점 폴리머인 시아네이트 에스테르(Cyanate Ester)는 높은 열 변형 온도, 강도, 강성을 가집니다. 특히 강성은 유리 섬유 나일론과 비슷하며 비용이나 중량이 더 중요한 고려 사항인 일부 레거시 금속 부품을 대체하는 데 사용되었습니다. 리브와 거셋 같은 복잡한 구조적 특징을 활용한 신중한 재설계를 통해 금속에서 플라스틱으로 부품을 전환하면서도 기능적 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

어떤 경우에는 플라스틱 부품이 금속 부품보다 성능이 더 좋을 수도 있습니다. 복잡한 형상의 금속 부품은 최종 형상을 달성하기 위해 별도 구성 요소를 용접하는 것과 같은 2차 공정이 필요할 수 있습니다. 용접은 잠재적인 약점과 부식 지점을 도입하지만, 플라스틱 구성 요소는 아래 그림과 같이 이러한 결함 없이 단일 피스로 생산될 수 있습니다.

성능 향상

오늘날의 플라스틱은 다양한 기능적 이점도 제공합니다. 예를 들어 기어는 전환에 좋은 후보입니다. 적절한 플라스틱은 금속이 흔히 필요로 하는 외부 윤활이 필요하지 않을 수 있기 때문입니다. 또한 고부식 환경에서는 플라스틱 부품이 더 긴 수명을 가지며 궁극적으로 금속 대응품을 능가할 수 있습니다.

플라스틱의 기타 기능적 이점으로는 향상된 밀봉, 진동 및 소음 감쇠, 전기 및 열 저항성이 있습니다. 플라스틱 제조 방법은 판금이나 주조 부품보다 더 높은 공차를 달성합니다. 마지막으로 플라스틱 제조 방법은 제품의 미학을 더 잘 제어할 수 있게 하여 색상 맞춤화, 맞춤 로고 추가, 텍스처 적용을 가능하게 합니다.

비용과 시간 절약

금속 부품을 재설계하여 발견할 수 있는 많은 비용 절감 효과가 있습니다. 단 몇 온스의 중량 감소가 의미 있는 달러로 직결되는 항공우주가 명백한 예입니다. 절감 효과를 찾을 수 있는 다른 영역으로는:

• 많은 금속 부품에 필요한 추가 코팅이나 도장을 없애서 얻는 소재 및 시간 절약
• 순수 형상 공정의 향상된 소재 효율성으로 인한 비용 절감
• 성형 및 3D 프린팅으로 가능해진 어셈블리 통합을 통한 시간 및 인건비 절감

우리 비즈니스의 실제 비용 절감 사례를 소개합니다. 공기 덕트는 형상과 기류가 적층 제조로 최적화될 수 있어 부품 통합에 훌륭한 후보입니다. Fast Radius는 HP MJF를 사용하여 HP 500/300 프린터 시리즈의 냉각 덕트를 제조합니다. 주로 금속이었던 8개 부품을 하나로 통합함으로써 HP는 공급망을 단순화하고 부품 비용을 30% 절감했습니다.

성형인가 프린팅인가?

어떤 플라스틱 제조 공정을 사용할지 결정하는 데에는 많은 요인이 작용합니다. 다음 요소들은 기존 성형 기술보다 적층 제조를 고려할 때 지침을 제공합니다.

• 리드 타임 – 성형 툴링 준비에는 몇 달이 걸릴 수 있지만, 적층 제조는 리드 타임을 며칠 또는 몇 주로 단축하여 제품 출시를 가속화할 수 있습니다.
• 손익분기점 – 많은 성형 공정은 높은 툴링 및 설정 비용으로 인해 재정적으로 타당하려면 대량 생산이 필요합니다. 소량 생산에서는 적층 제조가 상당한 비용 절감을 제공합니다.
• 설계 자유도 – 적층 제조는 이전에 제조 불가능했던 설계를 가능하게 하여 많은 가치를 창출합니다. 격자, 유기적 형상, 부품 간 맞춤화 같은 복잡한 구조적 특징 추가.

더 나은 제품 만들기

어떤 것이 작동한다고 해서 더 잘 작동하게 만들지 말라는 법은 없습니다. 금속 부품이나 어셈블리를 플라스틱으로 전환하는 것은 BOM에서 효율성과 비용 절감을 찾기에 좋은 출발점입니다. Fast Radius에서는 수많은 기업이 금속에서 플라스틱으로 전환하여 제품 설계와 성능을 개선하도록 도왔습니다. 예를 들어, 기존 열교환기를 시아네이트 에스테르로 전환하여 열전달이 2배 개선되었습니다. 또한 Bastian Solutions가 자재 취급 로봇의 더 가벼운 팔을 만들도록 돕기 위해 PA 12로 단일 부품을 적층 제조하여 주로 금속으로 구성된 어셈블리를 대체했습니다.

그러니 다음에 금속 부품을 설계할 때 잠시 멈추고 스스로에게 물어보세요: 이 부품을 플라스틱으로 더 잘 만들 수 있을까?

금속 부품 과잉 설계를 멈추고 싶으신가요? 부품을 식별하고 재설계하며 더 효율적으로 제조하는 데 도움을 줄 Fast Radius 전문가에게 문의하세요.

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