정밀시제품제작 3D 프린팅금형제작이사출성형산업에미치는영향 글 Lior Zonder & Nadav Sella 도입 사출성형 (IM) 이란플라스틱재료를금형의캐비티로주입하고캐비티의구성대로플라스틱이굳으면금형에서분리하는공정으로, 매우정밀하며주로복잡한 3차원의최종사용부품및제품을대량생산하는데에많이활용되는방법입니다. 그러나이공정에필요한금형을만드는일은결코간단하지않으며, 비용과시간도많이듭니다. 하드툴링금형은일반적으로공구강을 CNC 밀링머신으로가공해만들거나방전가공 (EDM) 으로만듭니다. 양산에적용될경우수백만회를쓸수있지만값이수십만달러에달합니다. 게다가이런금형을만드는데수일, 수주를넘어수개월까지소요되기도합니다. 사출성형부품이수만개가량필요하다면소프트툴링도대안이될수있습니다. 알루미늄으로제작하기때문에상대적으로저렴하고 ( 보통 $2,500 - $25,000) 시간도덜소요됩니다 (2-6주). 하지만금형을툴링하는데에는디자인의오류로금형을바로잡거나원하는부품디자인과품질이나올때까지몇번이고반복해야하는시간과비용이추가되기일쑤입니다. 제조업계에서는이같은문제점을염두에두고 3D 프린터로제작한금형을이용해기능성 IM 시제품을만들기시작했습니다. FOR A 3D W ORLD TM 백서
PoLYJet 3D 프린팅금형제작 : 떠오르는대안 PolyJet 기술은 Stratasys 의 Objet 3D 프린터에탑재되는독보적인 3D 프린팅기술로, 기업이사내에서쉽고빠르게사출금형을제작하는길을열어드립니다. PolyJet 프린팅은액상의광경화성수지를층층이적층하여원하는구성으로 3D 물체를만듭니다. 이렇게만든물체를자외선을쏘여경화시킵니다. 단단하게굳으면, 금형을즉시 IM 장비에넣고최종제품에사용되는재료를사용해시제품을만들수있습니다. 이정밀시제품은실제완제품과거의차이가없기때문에, 제조업체는이를통해완제품에가까운성능데이터를얻을수있습니다. PolyJet 사출성형은중간정도의수량및대량생산에쓰이는소프트및하드툴을대체하기에는적합하지않습니다. 그보다는소프트툴금형과 3D 프린팅시제품사이를좁힌다고보는것이적합합니다. 아래차트 ( 그림 1) 에시제품개발과정에서 PolyJet 기술이적합한분야를알수있습니다. 시제품제작방법 부품의최적수량 시제품제작재료 평균금형 원가 평균원가 / 부품 평균시간 / 부품 3D 프린팅 * 1-10 FDM 또는 PolyJet Plastic N/A 높음높음 기계밀링 1 100 열가소성수지 N/A 높음보통 실리콘몰딩 5 100 열경화성수지낮음보통높음 PolyJet 3D 프린팅금형을이용한사출성형 소프트툴을이용한사출성형 10 100 열가소성수지낮음보통보통 100 20,000+ 열가소성수지높음낮음매우낮음 그림 1: PolyJet 프린팅대비전통적시제품제조방식의차이점. * FDM 과레이저소결공정이열가소성수지를이용해시제품을만들기는하지만기계적특성은실제사출성형부품에는미치지못합니다. 그이유는 a) 시제품제작에쓰이는공정이다르고 b) FDM 과레이저소결시제품제작에쓰이는재료가사출금형최종부품에쓰이는재료와다르기때문입니다. PolyJet 금형관련요점 PolyJet 금형은초기제작비용이상대적으로낮습니다. 그러나 PolyJet 금형은쓰이는열가소성수지의유형과금형의복잡도에따라차이는있지만최대 100개까지부품을만들기에적합합니다. 따라서부품당원가는보통입니다. PolyJet 금형만들기는비교적빠릅니다. 재래식금형이수일에서수주까지걸리는반면 PolyJet 금형은몇시간이면됩니다. 디자인변경이필요할경우최소비용으로사내에서새로운금형을다시만들수있습니다. 이것은 PolyJet 3D 프린팅속도와더불어디자이너와엔지니어에게더큰유연성을선사합니다. Digital ABS 재료로만든금형은 30마이크론두께의층으로정밀하게쌓입니다. 정확도는 0.1mm에달합니다. 이같은생산방식은표면마감이매끄러워서대부분후가공이필요없습니다. 2
복잡한모양이나얇은벽, 세부묘사도금형디자인에쉽게프로그램해넣을수있습니다. 게다가이들금형은더단순한모형보다제작비용도낮습니다. PolyJet 금형을만드는데에는사전프로그래밍이필요없습니다. 또한일단 CAD 디자인파일이로드되면 3D 프린팅공정은별도의작업자없이도스스로운영됩니다. PolyJet 금형을이용해하나의부품을사출성형하는시간은상대적으로짧습니다. 단, 기존성형보다짧지는않습니다. 재료선택 PolyJet 금형으로사출성형을할때는적절한재료의선택이성패를가릅니다. IM 금형에는 Digital ABS가제격입니다. 강성과인성을모두갖춘데다내열성도높기때문입니다. 경성재료인 FullCure 720과 Vero 같은다른 PolyJet 제품도 IM 금형만큼성능이뛰어납니다. 그러나모양이복잡한부품에쓸때에는 Digital ABS로만든것만큼수명이길지는않습니다. 사출성형부품만들기에는적당한성형온도 (< 570 F / 300 C) 와우수한흐름거동을지닌것이가장좋습니다. 대표적재료는다음과같습니다. 폴리에틸렌 (PE) 폴리프로필렌 (PP) 폴리스티렌 (PS) 아크릴로니트릴부타디엔스티렌 (ABS) 열가소성탄소체 (TPE) 폴리아미드 (Pa) 폴리옥시메틸렌또는아세탈 (POM) 폴리카보네이트-ABS 블렌드 (PC-ABS) 유리섬유강화폴리프로필렌또는유리섬유강화레진 (G) 250 C가넘는공정온도가필요한플라스틱이나공정온도에서점성이높은플라스틱은금형의수명을단축시키고경우에따라완제품의품질에도영향을줍니다. 오른쪽차트 ( 그림 2) 에는툴링방법별부품생산량이나와있습니다. A= 폴리에틸렌 (PE) 폴리프로필렌 (PP) 폴리스티렌 (PS) 아크릴로니트릴부타디엔스티렌 (ABS) 열가소성탄소체 (TPE) B= 유리섬유강화폴리프로필렌 (PP+G) 폴리아미드 (Pa) 아세탈 ( 폴리옥시메탈 [POM]) 폴리카보네이트 -ABS 블렌드 (PC+ABS) C= 유리섬유강화폴리아미드 (PA+G) 폴리카보네이트 (PC) 유리섬유강화아세탈 (POM+G) D= 유리섬유강화폴리카보네이트 (PP+G) 폴리페닐렌옥사이드 (PPO) 폴리페닐렌설파이드 (PPS) 그림 2: 재료급별예상부품수 * * 수치는 IM 부품의모양과크기에따라달라집니다. 3
다음의비용편익분석을보면 PolyJet 금형으로사출성형을할때와알루미늄금형으로사출성형을할때가어떻게다른지알수 있습니다. 알루미늄 Digital ABS 비용 리드타임 비용 리드타임 부품 $1,670 7일 $960 1일 Objet500 Connex 810gr RGD535 1408gr RGD515 100gr 서포트 POM 으로만든팬로터 $1,400 30일 $785 7시간 Objet260 Connex 400gr RGD535 480gr RGD515 100gr 서포트 PP 로만든 6 개조아이스크림스푼세트 $1,900 4일 $530 13시간 Objet350 Connex 500gr RGD535 876gr RGD515 100gr 서포트 여러가지재료로만든병마개 그림 3: 소요시간과비용을기준으로한비용편익분석 ( 알루미늄금형대비 ) 아래보기에서보듯, 시간절감은수일에서수주까지매우컸습니다. 또한금형제작비용도보통 40-70% 낮았습니다. 현장시험 Stratasys는아일랜드브레이에소재한세계적인의료기기 / 포장용기정밀플라스틱제품제조업체 Nypro Healthcare와함께다음과같은중요한특징을지닌코어와캐비티를쾌속조형으로만든후여러차례시험을벌여그성능을평가했습니다. 기어 연동다리 래칫 특징물 4
여러차례시험가운데하나에서, Digital ABS 로만든단일 PolyJet 금형을이용해샘플 ABS 부품을사출성형했습니다. 이때 최대압, 쿠션, 코어및캐비티온도같은파라미터를추적했습니다. 다음차트에는금형이최적화된후첫 25 회사출에쓰인사출성형파라미터가나와있습니다. ABS 공정변수 2013년 6월 12일 사출번호 F/H 온도 ( C) M/H 온도 ( C) 사출압력 ( 바 ) 쿠션 (mm) 1 54.3 59 880 9.19 2 18.1 38.1 887 9.12 3 51.2 42 892 9.21 4 48.4 37.9 894 9.2 5 49 40.5 896 9.18 6 49.6 38.2 894 9.24 7 49.6 39.8 897 9.25 8 50.9 37.6 891 9.15 9 53.9 38.1 894 9.17 10 53.6 40.2 884 9.14 11 54.8 44.0 890 9.27 12 53.3 40.8 882 9.26 13 55.1 41.8 884 9.24 14 53.1 41.7 884 9.07 15 57 42.1 897 9.22 16 48.2 43.7 893 9.19 17 52.7 41.9 891 9.22 18 55.4 42.3 882 9.15 19 55.7 42.9 884 9.2 20 56.3 47.9 884 9.26 21 57.3 46.8 886 9.29 22 55.1 47.6 882 9.23 23 56.2 43.6 885 9.23 24 55.1 45.2 884 9.19 25 57.5 47.1 882 9.22 그림 5: Nypro 가 PolyJet 금형으로만든사출성형부품의시험을위해만든구성부품 그림 6: 완성된샘플부품. 그림 4: Nypro 사출성형부품의 ABS 시험데이터 시험완료직후, 사출압력과쿠션이일정하고, 금형냉각절차를적용했을때코어와캐비티안의온도가 58 C를넘지않은것으로보아금형의상태는안정적이었습니다. 또한사출성형된시제품의품질은 Nypro의기준에서 " 우수 " 판정을받았습니다. Nypro는시험에대해다음과같이분석했습니다. 이번서출성형시험은매우성공적이었다고볼수있습니다. 코어와캐비티를프린팅하는공정은시간과초기기능성평가, 툴링시간절감측면에서비교우위가있다고할만합니다. 5
우수사례가이드라인 사출금형디자인은그자체가예술로서오랜경험및사출성형공정에대한심도있는이해가필요합니다. PolyJet 금형의제작과사용에서디자인요소는전통방식의금형과기본적으로는같지만몇가지차이가있습니다. 툴디자이너는재래식강철금형디자인대신 PolyJet 금형을만들때다음과같은변화를고려해야합니다. 1. 금형디자인 부품디자인이허용하는한최대한구배각을넓힙니다. 이렇게하면부품을떼내기쉽고떼어낼때툴에가해지는응력이줄어듭니다. 그림 7: Digital ABS 와 20% GF 나일론부품으로만든 PolyJet 사출금형. 게이트크기를늘려전단응력을낮춥니다. 게이트는캐비티로들어오는용융액이금형의작거나얇은부위를침범하지않을만한곳에둡니다. 터널게이트와포인트게이트는사용하지않습니다. 대신스프루게이트나엣지게이트처럼응력을낮춰주는게이트를이용합니다. 2. 금형제작 PolyJet 3D 프린팅이제공하는기회를최대한이용하고자한다면다음가이드라인을참고하기바랍니다. 부드러운면을얻으려면글로시모드로출력합니다. 광택있는면이최대가되도록 Objet Studio 소프트웨어에서부품의방향을조정합니다. 그림 8: 성형기계에놓인 PolyJet 금형인서트. 왼쪽이코어, 오른쪽이캐비티임. 금형은폴리머재료가프린팅라인과같은방향으로흐르도록방향을설정합니다. 그림 10: 광택있는면이최대가되도록 Objet Studio 소프트웨어에서부품의방향을조정합니다. 왼쪽 : 금형이 Y 축방향이되면서포트재료가스레드를구성합니다. 오른쪽 : 금형이 Z 축방향이되면서포트재료없이스레드가자동으로구성됩니다. 그림 9: 3D 프린팅인서트에고정된이젝션시스템. 6
3. 금형마감 PolyJet 금형의한가지큰장점은몇시간만에디자인과구현, 사용이가능하다는것입니다. 대부분은후처리작업이필요치않지만다음의경우추가마감작업이필요할수도있습니다. 금형이이젝션시스템에고정됩니다. 이젝터핀과이젝터핀홀이밀착하게하려면홀을 STL 파일안으로프로그램하되 직경을 0.2-0.3mm 줄입니다. 그리고금형이굳으면홀을최종크기에맞춰넓힙니다. 인서트가베이스에고정됩니다. 그림 11: 금형구성품의마감공정. 표면의추가평활이필요합니다. 때로, 금형개구부를가로질러표면을가볍게사포로밀어도좋습니다. 예를들면, 큰 코어로금형을만들기전에가벼운평활작업을해두면부품을떼내기가수월해집니다. 4. 장착 독립금형은베이스프레임에국한되지않아나사나양면테이프로일반또는강철기계후판에직접장착이가능합니다. 그림 12: 양면테이프로금형기계의후판에부착한독립형금형. 그림 8 금형인서트는볼트로베이스금형에고정합니다. 어느장착옵션이든표준스프루부싱을이용해노즐과프린팅된금형이맞닿지않게해야하는것이중요합니다. 대안으로, 일반강판에있는스프루로금형러너의중심을잡아도됩니다. 5. 사출성형공정 PolyJet 금형을처음이용할때가장좋은순서는다음과같습니다. 처음에는천천히짧게짫게주입합니다. 채우는시간은용융액이금형에들어가며굳지않을정도까지길게해도됩니다. 주입크기는캐비티가 90-95% 찰때까지계속합니다. 그림 13: 금형인서트는일반강철베이스위에놓고기계나사로고정함. 홀딩공정에서는, 실체사출압력의 50-88% 만이용하고싱크마크가생기지않도록홀딩시간을조정합니다. 처음에는일반적으로계산된체결압값 ( 사출압 x 추정부품면적 ) 을적용합니다. 그림 14: 금형에장착한냉각고정장치. 금형이열리면압축공기가정해진시간동안표면에분사됨. 7
PolyJet 금형은열전도율이낮아냉각을오래해야합니다. 작거나두께가얇은부품 ( 벽두께 1mm 이하 ) 은처음냉각시간을 30초로하고필요에따라조정합니다. 큰부품 ( 벽두께 2mm 이상 ) 은 90초부터시작하고필요에따라조정합니다. 냉각시간은사용되는플라스틱수지에따라달라집니다. 출력된코어의부품이지나치게수축하지않도록최소냉각을권장합니다. 냉각이지나치면부품을탈거할때금형에응력이가해져손상이생길수있습니다. 성형사이클이끝날때마다금형의표면을압축공기로냉각하는것이중요합니다. 이렇게하면부품품질과금형의수명을연장할수있습니다. 대신, 자동금형냉각장치를써도됩니다. 결론 PolyJet 3D 프린팅금형을이용하면최종제품제조시사용하는 IM 공정과재료를가지고시제품을만들수있어기능성시험이크게향상됩니다. 기업은이기술을가지고한층우수한성능데이터를확보하여인증합격여부를미리가늠해볼수있습니다. PolyJet 금형은금속금형과성능은같지만만들기가훨씬더저렴하고쉽고빠릅니다. 제조업체는 PolyJet 기술로기존방식보다훨씬빠르고저렴하게시제품을만들수있습니다. 3D 프린팅을통해제조업체는대량생산을시작하기전에제품의성능과밀착성, 품질을손쉽게평가할수있습니다. 밀착성지표 PolyJet 금형은다음재료와함께쓰면밀착성이아주좋습니다. 열가소성수지 : 적정성형온도 < 300 C (570 F) 우수한흐름거동 대표적재료 : --폴리에틸렌(PE) --폴리프로필렌(PP) --폴리스티렌(PS) --아크릴로니트릴부타디엔스티렌 (ABS) --열가소성탄소체 (TPE) --폴리아미드(Pa) --폴리옥시메틸렌또는아세탈 (POM) --폴리카보네이트-ABS 블렌드 (PC-ABS) --유리섬유강화레진수량 : 소량 (5-100) 크기 : 중간크기부품 <165 cm 3 (10 in 3 ) 50-80 톤성형기기 수동핸드프레스도쓸수있음. 디자인 : 디자인반복이다수필요함. 시험 : 기능성확인이필요함. 적합성시험 ( 예 : UL 또는 CE) 이필요함. Stratasys www.stratasys.com info@stratasys.com 7665 Commerce Way Eden Prairie, MN 55344 +1 888 480 3548( 미국무료 ) +1 952 937 3000( 해외 ) +1 952 937 0070( 팩스 ) 2 Holtzman St., Science Park, PO Box 2496 Rehovot 76124, Israel +972 74 745-4000 +972 74 745-5000( 팩스 ) 5 Fortune Drive Billerica, MA 01821 United States +1 877-489-9449 +1 866-676-1533( 팩스 ) ISO 9001:2008 인증 2013 Stratasys Inc. All rights reserved. Stratasys, Fortus, Dimension, uprint FDM은등록상표이며 Fused Deposition Modeling, FDM Technology는미국및기타국가에서등록된 Stratasys Inc. 의상표입니다. 기타상표는해당소유자의재산입니다. 제품사양은예고없이변경될수있습니다. 출판지역 : 미국. SSYS-WP-IM-09-13 Stratasys 시스템, 자료및응용분야에대한자세한내용은 888.480.3548 으로문의하시거나홈페이지 www.stratasys.com 을방문하시기바랍니다. 017_13_WP_KOR