실리콘 3D 프린팅을 이용한 최종 사용 차량 커넥터 씰 제작

HGM Automotive Electronics는 자동차 애프터마켓용 첨단 전자 시스템을 설계하고 공급하는 전문 제조업체입니다

HGM Automotive Electronics의 연구 개발 책임자인 가이 카드웰(Guy Cardwell)은 자사가이 직면한 난관 중에는 작업 차량의 대부분이 빈티지 자동차이기 때문에 엔진을 정비하거나 복원할 부품을 찾기가 매우 어려운 점이 있다고 강조했습니다. 특히 커넥터 및 기타 전기 구성품은 기존 생산이 단계적으로 중단됨에 따라 구하기가 더욱 어려워지고 있습니다.

이에 따라 프로토타입 제작 및 소량 생산에 3D 프린팅을 사용하게 되었는데 3D 프린팅은 사내에서 주문형 파트를 제작할 수 있는 최고의 옵션이었기 때문입니다. 하지만, 산업은 IP(침입 보호) 등급 및 내화학성과 같은 특정 요구 사항을 준수해야 하는 규제 산업이므로 소재 선택이 매우 중요합니다. 자동차 커넥터 씰에 사용되는 가장 일반적인 재료는 일반적으로 부드러운 실리콘이지만, 이를 생산할 수 있는 방법이 거의 없습니다. 물량이 소량인 사출 성형에는 비용이 많이 들어 시도해 볼 엄두조차 내지 못하는가 하면 기존 실리콘 주조는 시간이 많이 걸리는 방식입니다. 

부드럽고 유연하며 내구성이 뛰어난 파트용으로 개발한 최초의 100% 실리콘 3D 프린팅 재료, Silicone 40A Resin이 출시되자 카드웰은 "안성맞춤인 소재"를 찾았다고 합니다. 엄격한 화학적 및 기계적 테스트를 거치자 이 신소재가 최종 사용 자동차 부품에 적합한 우수한 기계적 특성과 내화학성을 갖추고 있다는 사실이 입증되었습니다. 이 회사는 신소재 베타 프로그램에 참여하여 프로토타입 제작에 이 소재를 사용했지만, 이제는 최종 사용 파트 소량 생산이 주요 목표입니다.

전기 커넥터 생산에서 성공을 거둔 HGM Automotive는 맞춤형 씰을 실험하기 시작했습니다. 맞춤형 씰은 오픈 마켓에서는 거의 찾아보기 어려워서 소싱하기 어려운 구성품에 속하며, 있다 하더라도 품질이 심하게 떨어지는 경우가 대부분입니다. 커넥터용 맞춤형 씰을 개발해야 하는 과제는 적절한 유연성을 갖춘 탄성 소재가 부족했기 때문에 생겨났습니다. 사출 금형을 만들고 매우 부드러운 우레탄을 사용하니 파트를 생산할 수는 있습니다. 단점은 이 금형으로 사출을 시작하기까지만 $6,000~$10,000의 비용이 든다는 사실입니다. 이러한 파트가 10,000개 필요하다면 비용이 정당화되겠지만, 현실은 연간 100개에서 1,000개 사이만 필요할 뿐입니다. 또한, 일단 금형이 만들어지면 디자인을 변경하는 것이 거의 불가능합니다. 특히 기하학적으로 복잡한 커넥터 씰의 경우 이런 점은 실질적인 장애물이 됩니다. 카드웰은 “결국 비용과 유연성의 문제로 귀결됩니다.”라며 어려움을 토로했습니다.

100개 단위의 커넥터 씰을 생산한 HGM Automotive는 비용을 98% 절감하고 리드 타임을 90% 단축했습니다.

처음에는 부드럽고 유연한 Formlabs Elastic 50A Resin으로 프린팅했지만 커넥터 씰을 이 소재도 충분히 유연하지는 못했습니다. 그는 커넥터를 수작업으로 조립하기 때문에 하네스 제작자가 실리콘 씰이 아닌 우레탄과 같은 더 단단한 소재로 제작된 커넥터를 조립하면 "단순하게 소재의 특성에 역행하는 작업이기 때문"이라며 시간이 2~3배는 더 오래 걸릴 수 있을 것이라고 덧붙입니다.

또 다른 옵션은 과거에 다른 파트에 사용했던 일반 주입식 실리콘 주조로 전환하는 것이었습니다. 하지만 이 특정 커넥터는 9개의 와이어가 씰을 관통하도록 설계되었기 때문에 디자인이 매우 복잡합니다. 금형을 분리해내기가 어렵게 만드는 구멍과 형상이 있으며 전반적으로 디테일한 표현이 많아서 3D 프린팅의 정밀도가 필요한 수준입니다.

Silicone 40A Resin을 이용한 HGM은 소량 생산용 제조 공정을 자체적으로 유지할 수 있게 되었으며, 소재는 다양한 방식으로 사용할 수 있다는 점이 매우 매력적이기까지 합니다. 팀은 이미 Silicone 40A Resin을 커넥터 씰 외에 다른 용도로도 사용할 수 있을 것으로 예상하고 있습니다. 이 신소재의 가장 큰 장점은 실제 생산에 투입되는 소재와 매우 유사하여 특히 탄성, 인열 강도 및 유연성 측면에서 HGM Automotive Electronics의 응용 분야에 이상적인 특성을 제공한다는 점입니다.

자동차 응용 분야에서는 일반적으로 분야에 따라 수심 1미터에서 2미터 또는 3미터까지 견딜 수 있는 방수 씰이 필요한 상황을 처리해야 합니다. 또한 모든 표준 자동차 유체에 대한 내화학성 요구 사항이 있으며, 주요 유체는 물, 오일, 변속기 오일입니다. 카드웰은 샘플을 여러 개 프린팅하여 자동차 엔진룸에서 기능 테스트를 진행했습니다. 프린팅된 실리콘 샘플을 일반 작동 조건에서 엔진 베이에 6주 이상 방치하여 온도 내화학성을 테스트했습니다. 

카드웰은 “열 순환을 위해 엔진 베이에 다양한 유체에 넣어 두었습니다. 물로 테스트하고, 변속기 오일과 부동액으로 정적 테스트를 거쳤습니다.”라고 밝히며 “실제로 씰로 침입을 막아야 하는 가장 큰 대상은 일반적으로 물”이라고 덧붙이기까지 합니다. 6주간의 열 순환과 다양한 유체에 노출하고 나자 카드웰은 Silicone 40A Resin의 수밀성과 내열성에 탄복했습니다. 자동차 전자제품의 사용 범위는 -40°C에서 105°C까지입니다. 유리전이온도(Tg)는 -107°C이며 -25°C~125°C의 내열성을 겸비한 Silicone 40A Resin은 HGM Automotive Electronics 제품에 필요한 내열성을 완벽하게 충족하는 소재입니다. “저는 이 소재가 비슷한 스타일의 사출 성형 실리콘과 유사하게 작동할 것이라는 가정 하에 테스트를 진행했습니다.” 그리고 실제로 결과도 동일했습니다. Silicone 40A Resin의 소재 물성은 최종 사용 소재에 기대했던 물성과 완벽하게 일치하여 팀의 비밀병기가 되었습니다.

광범위한 현장 테스트를 거친 HGM 팀은 요구 사항에 부합하는 신소재 100% 실리콘 레진에 크게 만족했습니다. 이 새로운 레진을 커넥터 씰의 최종 사용 파트 생산에 사용할 계획이며, 연간 500~1,000개 생산이 가능할 것으로 예상하고 있습니다. 카드웰은 이 레진을 더욱 다양하게 활용할 방법을 모색하고 있으며, "커넥터만 놓고 봐도 매력적인 제품이 최소 4개 이상 있다"고 덧붙였습니다.

Silicone 40A Resin을 도입한 HGM Automotive는 비용과 시간이 많이 소요되는 공정을 통해서만 가능했던 설계를 유연하게 개발하여 새로운 시장을 개척할 수 있게 되었습니다. 

카드웰은 앞으로 고객에게 부드러운 고무로 맞춤형 제품을 생산할 수 있다고 말할 수 있기를 고대하고 있으며 다음과 같이 다양한 종류의 맞춤형 씰, 개스킷, 새로운 고전압 실리콘 절연 부츠를 개발할 생각입니다.