3D 프린팅 주형으로 폴리우레탄 제품에 신규 카테고리를 창조해 낸 캐스탤런

Form 3L을 도입하기 전이었다면 고객에게 테일 풀러 클램프 제작용 주형은 제작할 수 없다고 할 수 밖에 없었을 것입니다. 수많은 시행착오를 거친다면 제작할 수도 있었겠지만, 길이가 긴 핀 24개를 관통하지 않고 고정해야 하며 이들 사이의 간격은 0.79mm 밖에 되지 않습니다.

간격은 이토록 협소하고 구멍의 끝은 막혀있는 데다 끝부분으로 갈 수록 좁아지는 탓에 기계 가공으로 제작하기가 극도로 어렵고 아주 섬세하며 긴 절삭 부위까지 있는 파트인 것입니다. 다른 선택지로 핀을 개별적으로 제작하고 올바른 방향으로 정렬하여 끼워 맞추는 방법이 있습니다. 그렇지만 핀의 직경이 2.6mm밖에 되지 않아 이 또한 쉽지 않은 작업입니다.

이렇게 사용 가능한 각기 다른 기계 가공 공정을 평가해 본 팀은 주문을 거절하기에 이르렀습니다. 베어씨는“가능성을 두고 오랫동안 회의를 거쳤고 결국 고객에게 거절 의사를 표하기까지 마음을 크게 먹어야 했습니다." 라고 설명합니다.

이 일이 있은지 몇 주 후 Form 3L이 도착했습니다. 베어씨는 반나절만에 주형을 설계하여 프린팅하여 이와 같은 복잡한 형상을 3D 프린팅하는 비즈니스 사례를 시연해 보였습니다. 소재 비용은 불과 $30를 약간 웃돌았고 설계하는 데 든 시간은 많아야 두 시간이었습니다. 베어씨는 “너 나 할 것 없이 단박에 3D 프린팅에 경의를 표하게 되었죠. 공장에 있던 사람들 모두 두 눈이 휘둥그레져 ‘다른 주문을 더 처리할 수 있겠어요. 이제 이런 작업을 할 수 있게 되었으니까.’라고 했죠.”라고 회상합니다.

Form 3L 프린터는 기계 가공으로 제작하기에 너무 복잡하고 작은 피처를 제작할 때 그 진가를 발휘합니다. 이렇게 작은 파괴 방지 휠은 (판지 포장재 같이) 유연한 제품을 컨베이어 시스템 위에 고정시킬 목적으로 스프링 어셈블리 대신 사용하는 것입니다. 즉, 판지에 압력을 가하는 스프링 암 대신 휠 자체가 균일하게 변형되어 판지를 제자리에 부드럽게 고정합니다.

그렇지만 휠 제작용 주형에 만들어야 하는 물방울 모양 구멍은 성형에 사용되는 주조용 '핀' 사이의 간격이 매우 좁아 주형으로 제작하기가 거의 불가능합니다.

휠은 폭이 5.08cm이며 핀과 핀 사이 벽 두께는 0.3cm입니다. 베어씨는 “깊이가 5.08cm이고 간격은 0.3cm로 구멍을 뚫는 작업이 가능할 수도 있겠죠. 그렇지만 그런 설계를 제작해달라고 요청한다면 기계 가공 기술자 백이면 백이 화를 낼 것입니다.”라고 설명합니다.

기계 가공의 난이도 외에도 알루미늄 주형은 여러 개의 파트로 구성되어 있기 때문에 조립 공정이 더욱 복잡하다는 어려움이 있습니다. 절충안이 있습니다. 그렇지만 기계 가공 작업자가 핀이 있는 주형을 (위 이미지와 같이) 기계 가공으로 제작하면서 간격은 좁게 유지하기란 극도로 어렵고 반대로 핀을 개별적으로 제작한 후 조립하는 방법도 있지만 이렇게 하려면 준비하는 데도 오래 걸리고 작은 부품들을 모아 조립하기에도 시간이 오래 걸리는 데다 인건비 상승과 기계 공장의 불만도 커집니다.

합리적인 솔루션은 3D 프린팅이었습니다. 베어씨는 솔리드 웍스(Solidworks)로 탈착식 베어링이 있는 이분할 주형을 손쉽게 설계한 후 High Temp Resin과 Rigid 10K Resin을 Form 3L로 프린팅했습니다. 팀은 Rigid 10K Resin으로 휠 25개를 주조했고 비용은 기계 가공으로 주형을 제작했을 때보다 훨씬 절약할 수 있었습니다 . 베어씨는 “휠 크기가 정말 작지만 종류와 스타일이 다른 것으로 여러 개 만들었는데, Form 3L을 도입하기 전이라면 할 수 없었을 것입니다. Form 3L을 사용했을 때 비로소 비용효율적이라는 결론을 얻었거든요.”라고 설명합니다.

휴스턴 애스트로스(Houston Astros) 베이스볼 스타디움에는 악천후를 대비한 접이식 돔이 있으며 허리케인 상황에서도 돔을 팽팽하게 유지하며 작동할 수 있게 하는 데 필요한 스프링의 조달을 담당하는 기업이 바로 캐스탤런사입니다.

캐스탤런사의 담당 팀은 스타디움 돔이 작동될 만큼 큰 스프링을 제작하는 데 필요한 주형을 제작하기 전에 스케일을 축소한 버전을 제작해 설계와 소재를 광범위하게 테스트했습니다. 형상과 폴리우레탄 배합을 다양하게 조합하여 설계를 살짝 변경하고 스프링율 변경을 테스트하니 최종 제품이 장기간의 강한 응력 환경에 최적화되었음을 확인할 수 있었습니다.

그렇지만 스케일을 축소했어도 알루미늄 주형은 여전히 고가였고 특히 그저 내부 테스트용으로만 사용하기에는 비용이 만만치 않았습니다. 지금은 Form 3L를 도입한 덕분에 훨씬 저렴한 비용으로 엄청나게 다양한 스프링 설계를 테스트할 수 있고 기계 공장의 생산성을 저하시키지 않아도 됩니다.

베어씨는 “이제 이상한 모양과 형상을 수도 없이 프린팅하고 시험해 볼 수 있습니다. 전과 같은 방식이었다면 단지 테스트와 연구 개발에 헤아릴 수 없을 만큼 막대한 비용을 들였겠죠."라며 만족감을 드러냅니다. 고가인 기계 가공 소재 비용과 인건비를 들이지 않고도 새롭고 복잡한 형태와 지오메트리를 테스트할 수 있게 된 캐스탤런사는 비즈니스를 확장할 수 있을 뿐 아니라 기존 고객사에도 더 우수한 파트를 납품할 수 있게 되었습니다.

기존 워크플로로 코팅된 롤러나 롤러용 슬리브를 제작하려면 폴리우레탄 소재를 원통형으로 주조한 후 추가로 기계 가공 단계를 거쳐 원하는 크기와 표면 마감 상태를 얻기까지 외경을 줄이며 깎아 나가야 합니다. 이렇게 그루브(미세한 홈)을 만드는 기계 가공 단계를 거치면 용도에 따라 스타일과 크기가 다양한 롤러를 만들 수 있습니다. 소개해 드리는 구체적인 사례에서는 연질 폴리우레탄에 수평 방향으로 긴 그루브를 만들기가 번거롭습니다. 주문 수량이 클 때면 이렇게 수동적이고 노동 집약적인 가공 단계 때문에 주문 수익이 줄어들고 기계 공장의 운용 시간을 몇 시간이나 차지했습니다. 베어씨는 “부드러운 폴리우레탄을 기계로 가공하면 환경이 지저분해지고 결과가 항상 좋은 것만은 아니며 절단할 때 마감 상태가 항상 매끄럽게 되는 것도 아닙니다.”라며 어려움을 토로했습니다.

그루브(홈)을 직접 가공하는 데는 롤러당 약 3시간이 소요되지만, 단일 금속으로 기계 가공하여 주형을 제작하려면 비용이 너무 많이 들고 위험했습니다. 특히 이전에 제작해 본 적 없는 형상의 주형을 제작해야 하고 작동 여부를 알 수 없었을 때는 더욱 그렇습니다. 팀이 금속으로 주형을 제작하려면 와이어 도구나 인덱싱 헤드가 있는 셰이퍼가 필요했는데 이들은 모두 고가이며 특정 형상과 응용 분야에 특화된 장비라 제작할 수 없는 형상도 있습니다.

이는 상황을 인식하고 새로운 시도를 단행한 결과입니다. 베어씨가 설계하여 프린팅한 주형에는 폴리우레탄에 필요한 홈이 이미 파여 있었습니다. Form 3L에서 High Temp Resin이나 Rigid 10K Resin을 직접 프린팅하니 몇 시간씩 걸리던 수작업이 필요 없는 비용효율적 솔루션으로서의 역할을 톡톡히 해낸 셈입니다.

베어씨는 재료를 선택할 때 해상도와 레이어 높이, 리터당 비용, 강도, 색상/투명도를 고려하며 그 결과로 결정하는 소재는 대체로 High Temp Resin과 Rigid 10K Resin입니다. 프로토타입, 단발성 제작 또는 극소량 성형의 경우, 비용이 저렴하고 투명도가 우수한 High Temp Resin을 주로 사용합니다. 프로토타입의 경우 파트 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 확인할 수 있으면 변경의 필요성을 평가하는데 도움이 되기 때문입니다. 그렇지만 팀이 주조해야 할 물량이 대량이라면 Rigid 10K Resin의 우수한 기계적 물성에 의존할 것입니다. “최근에는 Rigid 10K Resin을 사용하고 있는데 그 이유는 탈형을 반복해도 내구성이 우수하여 변형이 잘 생기지 않기 때문입니다.”