금속주조에서의 3D 프린팅활용사례 Tel 0505) 874-5550 Fax 0505) 874-5551 E-Mail : jhkim@kvox.co.kr
주조의과거와현재
주조의어려움 - 언더컷 머시닝센터가공 언더컷목형
언더컷 FREE 3D 프린터
언더컷 FREE 3D 프린터
3D Design 의자유로움 디자이너의머리에서떠오르는디자인 기존분할방법 - 코너라운드처리 - 배치 - 형상 - 언더컷 Parting Line Parting Line 자유로운상하형분할방법
3D 프린터로인한 주조프로세스의변혁
3D 프린터? - AM 공법? AM(Additive manufacturing) 은적층공법지칭적층을통해제작하는일련의 3D 프린터를모두포함. 이는혁신적인공법이지만그동안인류가계속해오던공법으로, 단순히그입자가 micron 단위로작아졌을뿐임. 8 voxeljet tec hnology voxeljet tech nology
CAD 디자인 CAD 디자인 3D Printing 기술의강점 ( 주조 ) 기존금속주조공정을이용할경우 설계 목형제작 사형제작 주조 3D 프린팅작업을이용할경우 설계 50% 이상의시간절약 실시간으로설계의확인과변경가능 사형제작 궁극적으로비용절감효과제공 주조 주단위가아닌일단위로제작가능
비용절감 제조원가 (Manufacturing Costs) 금형비용 1 최대수량 제작수량 (Quantity)
제품제작가격 복잡형상제작 일반적인생산방식 형상에따라가격급상승 3D 프린터생산방식 형상에따라가격소폭상승 단순함 일반적 복잡함 기존제작방식으로제작불가형상 제품복잡성
장비리스트 (voxeljet)
정밀주조
공정기간단축 전통적정밀주조공정 주조 / 응고시뮬레이션 금형제작 Wax Pattern 제작 ( 사출성형 ) 쉘코팅제작 용해 / 주조 YES 공정확립제품생산 NO 3D Printing 적용정밀주조공정 주조 / 응고시뮬레이션 Wax Pattern 제작 (3D printing) 쉘코팅제작 용해 / 주조 YES 공정확립제품생산 NO 기존의공정의경우제품의설계또는주조방안변경시매번금형제작이필요. 3D 프린터를이용하여 wax pattern 을제작함으로써금형제작단계를생략. 변경안에대한빠른대응가능. 금형제작에소요되는시간, 금형보관공간및비용절감
정밀주조공정 - 3D 프린터활용 1. CAD File 2. PMMA Model 3. Preparation with Wax Rods 4. Shell Building 5. First Ceramic Layer 6. Several Ceramic Layers 7. Burning Out PMMA of Ceramic 8. Preparation for Casting 9. Aluminium Casting 10. Hardened Casting 11. Individual Motors are Separated 12. Finished Castings
3D Printing 적용사례 ( 게이트방안일체형 )
Wax Pattern 제작시간비교 Wax injection 3D printing Production time: approx. 5-15 min/pcs VX1000 780 pcs / job box Print-time: 23 h 1.8 min/pcs Two stroke engine (78 x 76 x 59 mm)
3D Printing 적용사례 ( 정밀주조 ) 기존제작방식대비부품비절감 단품의왁스패턴금형없이, 비용및시간적인부분효율적으로제작
정밀주조응용사례 ( 재질 ) 다양한종류의금속적용 Bronze Cobalt PMMA Printed Dragon Brass Titanium
3D Printing Wax pattern 의강점 (Binder Jet) 기존왁스부품과동일하게취급 소성과정중에발생하는팽창이굉장히적으며, 따라서쉘균열이적음 소성시재가적게발생 일반왁스제품보다더신뢰성높음 복잡한형상제작가능 빠르고, 깨끗하며, 비용적인부분효율적
정밀주조를위한 SHELL 신속건조시스템
From 3D Printing model to Metal 1. Building the master model: 진공주형으로 Wax Pattern 제작 Master Direct Burn-out 2. Assembling the tree:
From 3D Printing model to Metal 3. Embedding: Shell dipping Sanding High Speed Driying Finished Shell
From 3D Printing model to Metal 4. De-melting and burning: De-waxing oven Burning oven
From 3D Printing model to Metal 5. Casting: 6. Debedding: Sandblast cabinet
From 3D Printing model to Metal Mercedes Case
CYCLONE the Fastest Investment Casting Shell Fabrication System
Rapid Metal Manufacturing System CYCLONE
Rapid Metal Manufacturing System Only 7 hours - Instead of 7 days From wax or RP pattern, via ceramic shell, To the Final Parts (Aluminum or special metal)
The Innovation - Drying Chamber Development of an aerodynamically optimised wind tunnel to make a high speed drying possible Tangential fan Red light Air condition Air drying
Process schedule Production of a wax model 0:00 wax model 0:25 1 layer 1:00 2 layer 1:45 3 layer 2:15 4 layer 2:45 5 layer 3:15 6 layer 3:45 7 layer 4:15 dewaxing is finished 6:00 ceramic shell is burnt 7:00 metal part is casted and solidified Shell removal and finishing
Results at Aluminium Casting Society Drying time serial production compared to Cyclone technology 160,0 140,0 120,0 100,0 Time 80,0 Dryingtime Series [h] Dryingtime Cyclone [h] 60,0 40,0 20,0 0,0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T8 T9 T10 T11 T12 T13 T14 T15 Tests
정밀주조사례
Impeller
Case & Casting part
Projector & Casting part
Special Spare part
Lambertus 성당
사형주조
사형주조공정 - 3D 프린터활용 CAD data CAD data - Sand Mold VX1000 Assembly Mold Making Casting Removal sand mold Final Part
3D 프린터 - 사형주조접근법 하이브리드방식 : 기존방식의몰드와 3D 프린팅코어결합 3D 프린팅방식의몰드및코어제작 몰드와코어일체형
3D 프린터 - 사형주조접근법 하이브리드방식 * 전통방식의몰드와 3D 프린팅코어결합 * 복잡한코어단순화 / 코어수감소 Water jacket Core Impeller Core
3D 프린터 - 사형주조접근법 몰드및코어세트 3D 프린터로제작
몰드와코어의일체형 3D 프린터 - 사형주조접근법
어떻게 GAS 발생을줄일수있을까? Core Reduce core weight Hollow cores Gas directional Binder sets
Gas Vent 최적화
Gas Vent 최적화
Gas Vent 최적화
3D 프린터 - 사형주조시장단점 장점 단점 목형및금형불필요 설계변경으로금형수정에따른추가비용없음 제작기간단축및제작비용절감 노동력감소 목형및금형보관필요없음 Core 등통기도확보를통한가스제거로주조결함최소화 Undercut 등형상에제한없음 다수의 Core 를일체형으로제작 대량생산시전통제조방식대비가격상승 고가의장비가격.
3D Printing 적용사례 ( 사형주조 ) 주조용모래형 주조후조립된 Pump Housing
주조용모래형제작적용업체 : Nijhuis 네덜란드펌프제조사 구분기존개선효과 모래형납기 2-3 개월 1-2 일 98% 단축 Under cut 형상정밀형상불가모든형상가능 목형재고관리 넓은면적필요보관중변형발생 CAD 데이터만보관 금속재질대응 한가지금속용 금속에따라 치수변경가능 정밀한형상 엔지니어노력 복잡한형상 3D Printing 적용사례 ( 사형주조 ) 수작업으로치수정밀도변화 모두수작업으로많은시간투입 아주복잡한형상제작불가 CAD 데이터를그대로전환 자동으로엔지니어노력최소화 어떤형상도제작가능 금속수축율감안제작 임펠러곡면유지
3D Printing - Sand mold
사형주조사례
Engine Block
Engine Cylinder Head
Manifold
Turbo Charger
Turbine wheel No assembly with printed monoblock sand core Saves time before and after the casting process SANDMOLD CASTINGS Total size (mm) 426 x 426 x 227 Total size (mm) 360 x 360 x 230 Weight (kg) 26.5 Weight (kg) 60 Individual pieces 1 Material Steel Material sand Lead time (weeks) 4 Layer Thickness (mm) 0.3 Lead time (days) 5 Build time (hours) 9.5
Complex Turbine Wheel
Impellers
Ship Diesel Cylinder Head 전통방식의몰드구조 3D 프린팅된분할된사형 사형의표면처리 블라스트처리후의주조품무게 : 2100 kg 절단한실린더헤드
Pump Housing Casting part size: 400 400 160mm
Clutch Housing Casting size: 520 205 390mm
Chair
AMAZONE SEATTLE Biospheres
기타적용사례
디자인검증 - James Bond Car 007 Skyfall 영화 Aston Martin DB5 1/3 축소모델 18 개의개별부품
에너지절감 - AUTODESK 3D 프린터를이용한마스터패턴 마그네슘주조 160 개 Seat 를매 2 주에제작가능 $206,648,920- 절감 126,000Ton 이산화탄소배출량절감
경량화 부품을어떻게무게를늘리지않고성능을향상시킬수있을까? Original 제품 형상최적화 수명주기분석주조시뮬레이션 3D Printing 프로세스적용
경량화
경량화 ( 농기계사례 )
제조가능성확인 경량화 ( 농기계사례 ) Can I cast this? 극단적인복잡구조 얇은것과두꺼운영역이혼재 일반적이지않은부품
경량화 ( 농기계사례 ) 형상최적화 by ALTAIR S/W
경량화 ( 농기계사례 ) 주조시뮬레이션 by ALTAIR S/W
경량화 ( 농기계사례 ) Sand mold CAD Data
3D 프린팅 경량화 ( 농기계사례 )
경량화 ( 농기계사례 )
경량화 ( 농기계사례 )
경량화 ( 농기계사례 )
경량화 ( 농기계사례 )
경량화 ( 농기계사례 )
경량화 ( 농기계사례 )
경량화 ( 농기계사례 )
경량화 ( 농기계사례 )
경량화 ( 농기계사례 ) Disc Harrow bionic rocker arm 용접구조물 : 16 미터용접 주조최적화 : 집적화된부품 35% 비용절감 10% 무게감축 250% 성능향상 3D 프린터를이용한주조품 : 11% 무게감축 75% 납기단축
건축 - 콘크리트 Casting 1. Printing and finishing 2. Infiltration and coating 3. Mold assembly 4. Casting 5. Removal of the mold 6. Cleaning and post processing if wanted
조형물 - 콘크리트 Casting
탄소섬유 - Special Driver Seat
탄소섬유 Laminating molds
탄소섬유 Infusion 공법 Infusion 공법사용의장점 - 일반 Laminate( 손성형 ) 보다높은완성도 - 후가공으로제품의품질향상가능 - 제품의굴곡이많은경우 Infusion 공법추천 - 제품내면품질도필요시변경가능
탄소섬유 Infusion 공법 작업후 광택처리후
재료 : PA12 HSS (High Speed Sintering)
CERAMIC 기공이있는구성품제작가능 ( 촉매 ) 재료유연성 다양한크기의장비를활용하여다량생산가능 가장경제적이고생산적인 AM 기술
감사합니다