적층 제조에서 사출 성형으로: 페이스 실드 생산의 신속한 확대

코로나19 팬데믹이 미국을 강타했을 때, Fast Radius 팀은 적층 제조 역량의 상당 부분을 페이스 실드 생산으로 신속하게 전환했습니다. 현재까지 수천 개의 적층 제조 페이스 실드를 제작해 코로나바이러스로부터 최전선 근로자를 보호하기 위해 출하했습니다. 이 실드는 재사용 가능하고 매우 내구성이 뛰어나며 조립이 쉽고 착용감이 편안하지만, 수요가 적층 생산 능력을 훨씬 초과했습니다.

더 많은 사람이 제품을 이용할 수 있게 하기 위해 우리는 생산 방식을 사출 성형으로 전환하기로 결정했습니다. 사출 성형은 두 가지 면에서 실드를 더 접근하기 쉽게 만듭니다. 훨씬 더 많은 물량을 생산할 수 있고, 재료 비용 절감과 더 빠른 제조 속도 덕분에 제품 비용을 크게 낮출 수 있습니다.

고객과의 작업에서 우리는 종종 적층 기술로 부품을 제조하면서 사출 성형 생산으로 전환합니다. 우리의 사례는 디지털 제조 기술을 활용하여 적층 제품을 사출 성형용으로 재설계하는 강력한 예시입니다.

시뮬레이션 도구를 활용한 신속한 설계 반복

실드의 '헤일로'(헤드밴드) 적층 설계를 사출 성형에 적합하게 만들기 위해 상당한 수정이 필요했으며, 동시에 성능도 유지해야 했습니다. 우리는 금형 작업 중 툴 손상을 초래할 수 있는 얇은 강철 조건을 줄이기 위해 강성을 최적화해야 한다는 것을 알았습니다. 현재 헤일로의 강성이 잘 작동한다는 것을 알았기 때문에, 적층 헤일로의 변위 변동을 시뮬레이션하고 그 변위를 사출 성형 설계의 강성 목표로 삼았습니다.

강성에 기여하는 요소를 이해하기 위해 유한 요소 분석(FEA)을 사용하여 더 나은 결과를 내는 설계 변수를 정확히 파악했습니다. 우리는 설계, 분석, 시뮬레이션 등 다양한 목적으로 사용하는 Autodesk 360 내의 시뮬레이션 패키지를 활용했습니다. 외부 링 전면의 크라운과 리브 패턴을 모두 테스트했습니다. 리브가 어느 정도 강성을 더해주긴 했지만, 크라운 높이를 높이는 것이 변위를 최소화하는 더 효과적인 방법임을 발견했습니다.

그러나 크라운 높이를 높이면 외부 링과 중간 링 사이에 열악한 툴 조건(얇은 툴 강철)이 발생할 수 있습니다. 실드 자체가 삽입되는 슬롯은 매우 얇습니다. 1~2mm에 불과하죠. 크라운의 섹션이 높을수록 툴에 더 얇은 강철이 필요해지며, 이는 성형 작업 중 툴 강철이 손상될 가능성을 높입니다.

얇은 강철을 줄이면서 헤일로 외부 링의 강성을 유지하는 최적의 크라운 높이를 찾아야 했습니다. 이를 결정하기 위해 16번의 시뮬레이션을 실행하며, 매번 설계를 약간씩 조정하여 성능을 개선했습니다. 이 설계 단계에서 우리는 이미 목표를 달성했으며, 적층 헤일로와 유사하거나 더 나은 변위 성능을 가진 많은 설계를 확보했습니다.

HP Multi Jet Fusion(MJF)을 활용한 신속한 프로토타이핑

시뮬레이션한 개념 중에서 세 가지를 선택해 HP MJF로 출력했습니다. 이 기술은 우리가 원래 적층 헤일로를 생산하는 데 사용한 기술입니다. 일반적으로 MJF 부품이 사용할 수 있을 만큼 식는 데 3일이 걸리지만, 우리 제조 엔지니어 팀이 빌드를 적절히 포장하여 다음 날 부품을 손에 넣을 수 있었습니다.

Fast Radius 시카고 공장의 운영 팀이 세 가지 콘셉트 헤일로를 착용하고 원래 적층 제조 버전과 비교하여 편안함과 조립 용이성을 평가했습니다. 콘셉트 10(위 사진 세 번째 디자인)이 실드를 가장 쉽게 수용했지만, 편안함을 개선하고 조립을 더 쉽게 하기 위한 몇 가지 수정을 제안했습니다. 그 결과물(아래 사진)은 차세대 페이스 실드 헤일로를 만들 사출 성형 툴링 제작에 사용되었습니다.

결국 적층 제조에서 사출 성형으로 전환함으로써 헤일로를 필요로 하는 사람들에게 훨씬 더 접근하기 쉽게 만들었습니다. 가격을 55% 절감할 수 있었습니다.

적층 헤일로를 제작하기 시작했을 때, 우리는 예측할 수 없었던 수요를 충족하고 있었습니다. 제품을 더 접근하기 쉽게 만들 수 있다는 것이 명확해졌을 때, 우리는 적층 설계를 사출 성형용으로 수정했고 단 3일 만에 툴을 생산에 투입했습니다.

우리 팀은 이 중요한 제품을 시장에 내놓기 위해 밤낮으로 일했습니다. 시뮬레이션 소프트웨어, 디지털 제조, 민첩한 작업 모델 덕분에 이 놀라운 타임라인을 달성할 수 있었습니다. 이 팬데믹은 우리에게 제품 개발 주기를 더 유연하게 만들 것을 강요했으며, 이는 팬데믹이 끝난 후에도 지속될 트렌드라고 생각합니다.

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