3D 프린팅이 툴링 산업을 뒤흔들 것인가?

게시일: 2019년 11월 11일 | 작성: WayKen Rapid Manufacturing

제품 제조는 단순히 부품을 가공하고 조립하는 것만이 아닙니다. 포장 개발, 물류 계획, 그리고 가장 중요하게 툴링(Tooling)의 개발 및 제작 등 수많은 추가 작업이 수반됩니다. 툴링은 모든 부품을 요구 수량과 사양에 맞춰 성공적으로 생산하는 데 필요한 구성 요소 전반을 뜻합니다. 툴링 산업은 전 세계 기업들에 매년 수십억 달러의 비용을 발생시킵니다. 툴링 비용이 전체 제품 원가의 50%까지 차지하기도 합니다. 하지만 신기술들이 툴링의 시간과 비용을 줄이기 위해 개발되고 있으며, 3D 프린팅(적층 제조)이 이를 위한 신뢰할 만한 유망 기술로 입증되고 있습니다.

적층 제조 기술은 흔히 2D 디지털 이미지를 종이에 복사하는 일반 프린팅에 비유되며 '3D 프린팅'이라 불립니다. 기술이 성숙함에 따라 정밀도, 부품 강도, 표면 조도, 소재 범위가 비약적으로 발전했습니다. 5년 전만 해도 출력물은 목업과 프레젠테이션용에 그쳤습니다. 오늘날에는 에어버스 엔진, 우주왕복선, 자동차에 3D 프린팅 금속 부품이 탑재되고 있습니다. 즉, 3D 프린팅이 툴링 제작에도 실용화 단계에 진입했다는 뜻입니다. 이러한 급속한 발전을 고려할 때, 3D 프린팅이 툴링 제조의 모든 기존 공정을 대체할 수 있을까요?

플라스틱 3D 프린팅으로 소프트 툴링 대체

소프트 툴링(Soft Tooling)은 내구성 요구가 낮은 툴링 요소를 말합니다. 대표적인 예가 플라스틱 주조용 실리콘 금형입니다. 다양한 경화 실리콘 혼합물로 제작되며, 금속 합금으로 만드는 하드 툴링(사출 금형)과 대비됩니다. 내구성은 하드 툴링에 비해 매우 낮습니다(복잡도에 따라 1~1,000샷). 하지만 비용은 훨씬 저렴합니다. 실리콘 금형은 프로토타이핑, 소량 생산, 맞춤 제작에 이상적입니다. 마스터 모델과 1~2개의 다이 폼만으로 작지만 의미 있는 배치 생산이 가능합니다. 그렇다면 적층 제조가 이 기존 공정을 어떻게 개선하고 대체할 수 있을까요?

WayKen에 문의해 래피드 사출 성형 프로토타이핑에 대한 더 자세한 내용을 알아보세요.

적층 제조가 가져온 개선점

첫째, 3D 프린팅은 이미 실리콘 주조에서 필수적인 역할을 합니다. 마스터 모델 제작에 없어선 안 될 기술입니다. 3D 프린팅은 단일 맞춤형 부품 제작에 탁월하며, 형상 복잡도가 최종 시간과 비용에 거의 영향을 주지 않습니다. 단일 맞춤형 복잡 부품이야말로 플라스틱 주조용 마스터 모델의 정의입니다. 마스터 파트 완성 후 액체 실리콘에 담그고 경화시키면 두 개의 다이 반을 얻습니다.

더 나아가 실리콘 다이(금형) 자체를 직접 프린팅한다면 어떨까요? 마스터 파트와 그 후가공 공정이 필요 없어집니다. 최신 3D 프린터는 필요한 소재로 요구 표면 조도를 완벽히 구현하진 못하지만, 부드러운 폴리머로는 극도로 매끄러운 파트를 출력할 수 있습니다. 몇 년 내로 더 복잡한 소재에서도 같은 정밀도를 달성할 수 있지 않을까요? 그때가 되면 기존 실리콘 툴링 산업은 큰 위기에 직면할 것입니다.

3D 프린팅과 사출 금형 산업

소프트 툴링을 살펴보았으니, 이제 하드 툴링 산업에서 3D 프린팅이 무엇을 가져올 수 있는지 봅시다. 이 산업의 대부분은 플라스틱 사출 성형용 내구성 강한 강철 다이를 다룹니다. 하지만 하드 툴링에는 금속 단조 금형, 가공 지그, 측정 클램핑 툴(특정 부품용 특수 측정 장비 전체)도 포함됩니다.

다양한 산업의 하드 툴링

하드 툴링은 주로 CNC 가공으로 제작됩니다. 다이스와 지그는 스테인리스강이나 경질 합금으로 만들어지며, 열처리로 수명을 더 늘리기도 합니다. 이러한 소재는 가공이 매우 어려워 하드 툴링 제조에 막대한 비용과 긴 리드타임이 소요됩니다.

하드 툴링은 보통 단일 개체나 극소량 배치로 제작되며, 내부 형상을 포함한 매우 복잡한 기하학을 가지는 경우가 많습니다. 이는 3D 프린팅이 가장 강점을 보이는 영역입니다. 하지만 아직 적층 제조가 다이 제작에 널리 쓰이진 않습니다.

아직 적층 제조가 널리 쓰이지 않는 이유

몇 가지 이유가 있습니다. 첫째, 금속 적층 제조는 아직 CNC 가공 부품 수준의 정밀도와 표면 조도를 제공하지 못합니다. 따라서 절삭 공구에 의한 후가공을 완전히 배제할 수 없고, 후가공 비용이 추가되어 총비용이 상승합니다. 하지만 가장 중요한 이유는 소결 부품의 피로 물성이 충분히 연구되지 않았다는 점입니다. 즉, 프린팅 부품의 내구성을 신뢰성 있게 예측할 수 없습니다. 더 많은 연구 테스트를 통해 소결 소재의 종합 피로 곡선이 확립되면, 적층 제조를 내구성 부품에 적용할 수 있게 될 것입니다. 또한 금속 소결에 적합한 소재 종류가 아직 제한적이어서 다이 변형이 제한적입니다.

툴링의 미래

현재 금속 3D 프린팅의 한계를 알겠으니, 그 한계들이 극복된 미래를 상상해 봅시다. 정밀한 복잡 부품을 프린팅할 수 있는 프린터가 개발되면 제조 속도는 비약적으로 빨라질 것입니다. 다이가 단 며칠 만에 제작되고, 오늘날 대비 훨씬 저렴해질 것입니다. 단일 부품 가공 비용은 매우 높지만, 3D 프린팅으로 맞춤 부품을 만드는 것이 배치 생산보다 더 수익성이 높아집니다. 소재 경도는 문제가 되지 않습니다. 국부적으로 녹여 적층하므로 절삭하지 않기 때문입니다.

마지막으로, 적층 제조는 내부 냉각 채널 설계에 혁신을 가져옵니다. 드릴과 보어는 깊은 캐비티와 공간에 도달할 수 없어 냉각 속도 편차가 발생합니다. 하지만 적층 기술은 어떤 복잡한 형태의 채널이든 효율적이고 균일하게, 금형 비용 추가 없이 구현할 수 있습니다.

결론

적층 제조가 툴링 제작의 기존 검증된 공정을 완전히 대체하려면 아직 갈 길이 멉니다. 하지만 기술이 성숙하고 부품 물성이 더 잘 이해되면, 기존 공법들은 경쟁력을 잃게 될 것입니다.