3D 프린팅이 툴링 산업을 대체할 것인가?

작성일:2019년 11월 11일 | By WayKen Rapid Manufacturing

제품 제조는 단순히 실제 부품을 가공하고 조립하는 작업이 아닙니다. 생산 공정에는 포장 개발, 물류에 대한 생각, 그리고 가장 중요한 툴링 개발 및 생산과 같은 많은 추가 작업이 포함됩니다. 툴링은 규정된 모든 요구 사항과 필요한 양으로 모든 구성 요소를 성공적으로 생산하는 데 필요한 구성 요소에 대한 일반적인 의미입니다. 툴링 산업은 전 세계 기업가에게 수십억 달러의 비용이 듭니다. 툴링 비용은 총 제품 비용의 최대 50%에 이를 수 있습니다. 그러나 툴링의 시간과 가격을 줄이기 위해 새로운 기술이 개발되고 있습니다. 3D 프린팅은 이러한 작업에 대해 신뢰할 수 있고 유망한 기술로 입증되었습니다.

수년에 걸쳐 적층 제조 기술 또는 일반적으로 3D 프린팅이라고 불리는 것은 종이에 2D 디지털 이미지를 복사하는 기존 프로세스와 유사합니다. 기술이 발전함에 따라 적층 제조를 위한 정밀도, 부품 강도, 표면 마감 및 재료 범위가 급격히 증가했습니다. 5년 전만 해도 인쇄된 부품은 목업과 프레젠테이션용으로만 사용할 수 있었습니다. 오늘날 우리는 Airbus 엔진, 우주 왕복선 및 자동차에 인쇄된 금속 부품이 설치된다는 소식을 듣습니다. 이는 3D 프린팅이 툴링에도 유용하다는 것을 의미합니다. 이러한 급속한 발전을 고려한다면 전체 산업에서 툴링 제조를 위한 기존의 모든 공정을 3D 프린팅으로 대체할 수 있을 것입니다.

소프트 툴링을 대체하는 플라스틱 3D 프린팅

소프트 툴링은 일반적으로 많은 장애가 필요하지 않은 요소와 유사합니다. 소프트 툴링의 가장 일반적인 예는 플라스틱 주조용 실리콘 주형입니다. 사출 성형을 위한 하드 툴링이 금속 합금으로 만들어지는 동안 그들은 다른 경화된 실리콘 혼합물로 제조됩니다. 내구성은 하드 툴링(복잡도에 따라 1-1000개 부품만)에 비해 미미하지만 가격은 상당히 저렴합니다. 실리콘 몰드는 프로토 타이핑 작업, 소량 제조 및 사용자 정의에 사용하기에 적합합니다. 작지만 중요한 부품 배치를 생산하려면 마스터 모델과 하나 또는 두 개의 다이 형태만 있으면 됩니다. 그렇다면 적층 제조는 여기서 기존 공정을 어떻게 개선하고 대체할 수 있습니까?

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적층 제조를 통한 개선

첫째, 3D 프린팅은 이미 실리콘 주조에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 마스터 모델 제작에 빠뜨릴 수 없습니다. 3D 프린팅은 단일 맞춤형 부품을 생산하는 데 탁월하며 형상의 복잡성이 최종 시간과 비용에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않는다는 장점이 있습니다. 단일 맞춤형 복합 부품은 플라스틱 주조용 마스터 모델의 정의입니다. 마스터 부품이 완성된 후 액체 실리콘에 담그고 경화되면 다이의 절반이 두 개 얻어집니다.

더 나아가서 단순히 실리콘 몰드를 인쇄하여 실리콘 다이를 자체적으로 생산한다면 어떨까요? 그러면 마스터 파트와 후처리가 필요하지 않습니다. 최신 3D 프린터는 필요한 재료로 필요한 표면 마감에 도달하지 못하지만 더 부드러운 폴리머로 매우 매끄러운 부품을 생산할 수 있습니다. 프린터가 몇 년 안에 더 복잡한 재료에 대해 동일한 정밀도를 달성할 수 없을 것이라고 누가 장담하겠습니까? 그렇게 되면 기존의 실리콘 툴링 산업은 곤경에 처할 것입니다.

3D 프린팅과 사출 성형 산업

소프트 툴링을 살펴보았습니다. 이제 3D 프린팅이 하드 툴링 산업에 가져올 수 있는 것을 봅시다. 이 산업의 대부분은 플라스틱 사출 성형 부품용 강철 내구성 다이를 포함합니다. 그러나 하드 툴링에는 금속 단조 금형, 가공 고정 장치 및 측정 클램핑 도구(또는 특정 부품에 대한 전체 특수 측정 장비 장치)가 포함됩니다.

다양한 산업을 위한 하드 툴링

하드 툴링은 CNC 가공으로 가장 일반적으로 생산됩니다. 다이와 고정 장치는 수명을 더 늘리기 위해 열처리할 수 있는 스테인리스 스틸 또는 경금속 합금으로 만들어집니다. 이러한 재료는 가공하기가 매우 어렵습니다. 이것이 바로 하드 툴링 제조 공정에 비용이 많이 들고 제품 리드 타임의 상당 부분을 차지하는 이유입니다.

하드 툴링은 일반적으로 단일 단위 또는 매우 작은 배치로 제조됩니다. 일반적으로 내부 기능이 있는 매우 복잡한 형상을 가지고 있습니다. 바로 이 상황에서 3D 프린팅이 탁월합니다. 그러나 적층 제조는 아직 다이 생산에 널리 사용되지 않습니다.

적층 가공이 아직 보이지 않는 이유

여기에는 몇 가지 이유가 있습니다. 한 가지 이유는 금속 적층 제조가 아직 CNC 가공 부품이 도달할 수 있는 정밀도와 표면 마감을 제공하지 않기 때문입니다. 따라서 절삭공구로 가공을 완전히 피할 수는 없습니다. 이 모든 것은 후가공을 피할 수 없고 후가공 부품의 비용이 더 높다는 것을 의미합니다. 그러나 가장 중요한 이유는 소결 부품의 피로 특성이 아직 제대로 연구되지 않았기 때문입니다. 이는 인쇄된 부품의 내구성을 확실하게 예측할 수 없음을 의미합니다. 더 많은 연구 테스트가 실행되면 소결된 재료의 전체 피로 곡선을 설정할 수 있습니다. 일단 완료되면 내구성 부품에 적층 제조를 사용할 수 있습니다. 또한 금속 부품 소결에 적합한 재료가 많지 않아 금형의 변형이 제한적입니다.

공구의 미래

이제 금속 3D 프린팅의 현재 한계를 알았으므로 이러한 한계가 결국 극복되면 미래에 어떤 일이 일어날 수 있는지 봅시다. 복잡한 구성 요소로 정밀한 부품을 만들 수 있는 프린터를 개발하면 제조 속도가 실제로 급증할 것입니다. 다이는 단 며칠 만에 제조되며 오늘날의 제조 방식에 비해 훨씬 저렴합니다. 단일 부품을 가공하는 비용은 매우 높지만 맞춤형 애완 동물을 3d 인쇄하는 것이 실제로 배치를 만드는 것보다 수익성이 높습니다. 절단되지 않고 국부적으로 녹기 때문에 재료의 경도는 중요하지 않습니다.

마지막으로 적층 제조는 내부 냉각 채널 측면에서 많은 것을 추가할 수 있습니다. 드릴과 보어는 더 깊은 구멍과 공간에 도달할 수 없으므로 냉각 속도가 다릅니다. 그러나 적층 기술은 효율적이고 캐비티 전체에 고르게 퍼지며 다이 비용을 추가하지 않는 복잡한 형태의 채널을 제공할 수 있습니다.

결론

적층 제조는 툴링을 만드는 기존의 완벽한 방법을 대체하기 위해 갈 길이 멉니다. 그러나 기술이 성숙해지고 부품의 특성이 더 잘 이해되면 기존의 방법은 기회가 없습니다.