3D 프린팅 금형을 이용한 실리콘 파트 제작 방법

실리콘은 맞춤형 청각 기기, 영화와 TV 소품, 보철물, 소비재에 사용되는 손잡이 등을 포함하여 광범위한 분야에서 유연한 최종 사용 파트를 제작하는 데 널리 사용되는 소재입니다.

이 가이드에서는 2단 사출 금형, 오버몰드, 압축 성형 금형, 에그쉘 금형 등 실리콘 파트 생산에 필요한 3D 프린팅 도구를 간략하게 다뤄보겠습니다. 이들은 유연성 있는 실리콘 제품, 소비재 베타 테스트용 소량 생산, 맞춤형 최종 사용 제품 생산에 사용되는 방법입니다.

몇몇 Formlabs 제품 디자인 고객사의 금형 설계 모범 사례를 활용하여 Apple AirTag을 감싼 실리콘 키체인 생산법을 단계별로 안내해드리겠습니다. 백서를 다운로드하여 소재 워크플로, 실리콘과 레진의 호환성, 권장 이형제가 포함된 자세한 보고서를 활용해 보세요.

실리콘 파트 생산에 사용되는 금형은 원래 알루미늄이나 강철을 CNC로 가공하여 제작합니다. 여기에는 액상 실리콘 고무(LSR)용 2단 또는 다단형 사출 금형이나 압력과 고온으로 경화되는 열경화 고무 실리콘 시트용 단일 공동 압축 성형 금형을 사용합니다.

이렇게 금속을 가공하여 제작한 금형은 주로 대량 생산에 사용하지만 이런 금형을 프로토타입 제작에 사용하려면 몇 주나 걸리던 리드타임과 수백에서 수천 달러에 이르는 툴링 비용 때문에 디자이너가 금형 설계에서 작은 부분이라도 변경하여 구현하고 테스트하는 작업에 제약이 생깁니다.

데스크톱 3D 프린팅은 툴을 신속하고 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 강력한 솔루션입니다. 소규모 장비만 갖추면 숙련된 작업자들이 다른 고부가가치 작업에 집중할 수 있습니다 인하우스 3D 프린팅을 도입하면 제조업체와 제품 설계자 모두 제품 개발 프로세스에 신속 툴링을 도입하여 대량 생산으로 전환하기 전에 설계 및 소재 선택을 검증할 수 있습니다. 빠른 속도로 반복 설계하며 제품 개발을 촉진하고 품질이 향상된 제품을 출시할 수 있습니다.

광경화 수지 조형 방식(SLA) 3D 프린팅은 실리콘 금형을 툴링하기에 가장 적절한 기술입니다. SLA 방식으로 제작된 파트는 표면이 부드럽고 정밀도가 높은 점이 특징입니다. RTV 실리콘 고무에는 미세한 표면 디테일이 잘 드러나고 결함마저도 확연히 드러나므로 금형의 표면 품질이 고스란히 최종 파트의 표면 품질로 이어집니다. 예를 들어 용융 적층 모델링(FDM) 방식 프린터로 프린팅한 금형을 사용하면 실리콘 파트에 프린터 레이어 라인 흔적이 가시적으로 남습니다.

Formlabs의 Clear Resin (또는 Biomed Clear Resin같은 기타 투명 레진)을 사용하면 실리콘 주입 과정을 가시적으로 확인할 수 있어 디자이너가 기포와 공동이 생성되는 부분과 필렛(모따기)이나 통기구를 더 추가해야 할 부분을 찾을 수 있습니다.

SLA 3D 프린팅을 이용하면 복잡한 디자인을 구현할 때 유리한 장점을 누릴 수 있습니다. 디자이너가 CNC 가공으로 생산할 수 없거나 비용이 엄청나게 많이 드는 언더컷이나 복잡한 형상을 마음 놓고 구현할 수 있는 것입니다. 

Formlabs의 Clear Resin도 기계적 성능면에서 무척 다양한 용도로 사용할 수 있습니다. 맞춤형 실리콘 파트에서 쉽게 떼어낼 수 있는 극도로 얇은 에그쉘 금형이나 개스킷 생산에 여러 번 사용할 수 있는 견고한 압축 성형 금형을 동일한 소재로 제작할 수 있습니다. 마지막으로 비용이 합리적인 벤치탑 규모 생산 방법을 채택하면 리드타임이 짧아져 금형을 프린팅한 바로 다음날 실리콘 사출 성형에 돌입할 수 있습니다.

RTV 실리콘 고무를 3D 프린팅 금형과 함께 사용하면 양각 처리한 텍스트처럼 미세한 표면 디테일을 섬세하게 표현해낼 수 있습니다. 더욱이 주조에 사용할 수 있는 실리콘은 화학적으로 접착력이 없어 경화한 후에 금형에서 벗겨내기 쉽습니다. 직조된 섬유같이 투과성이 극도로 큰 표면 위에 주조하면 기계적 고착이 생기고 특수 고착제를 사용하면 화학 결합을 촉진할 수 있습니다.

이 영상에서는 OXO의 선임 제품 엔지니어인 맥 모어(Mack Mor) 님이 자사에서 3D 프린팅으로 실제 실리콘 파트를 신속하게 제작하여 짧은 시간 안에 실리콘 주조를 시연해보였던 방법을 소개합니다. 

주조에 사용되는 실리콘 같은 소재가 프린팅으로 제작된 금형과 접촉하게 될 때마다 우리는 두 물질 사이의 화학적 상호작용을 고려해야 합니다. 사용할 수 있는 실리콘, 레진, 보호 코팅, 이형제로 방대한 조합을 만들어 낼 수 있습니다. 저희는 다양한 업계의 고객사에 성공했던 워크플로를 알려 달라고 요청했고 고객의 응답을 요약해 백서에 수록했습니다. 

RTV 실리콘은 고온이나 압력 없이 성형할 수 있으므로 프로토타입 연구실의 한정된 장비로도 쉽게 성형할 수 있고, 어떤 기업이라도 디자인 포트폴리오에 질감이 부드러운 파트를 도입하는 데 드는 시작 비용을 절감할 수 있습니다.

실리콘 파트 생산 방법을 조금씩 변형하면 다양한 결과를 얻을 수 있습니다. 그 일부는 다음과 같습니다.

각 성형 과정의 결과물이 서로 비슷해 보일 수 있지만 금형 유형을 선택하는 데 권장하는 몇 가지 기준이 있습니다. 여기에는 대상 파트의 형상과 디자인의 언더컷과 구멍 수용 가능성, 생산 규모, 주조에 사용할 소재가 포함됩니다. 아래 표에 몇 가지 지침이 있습니다.

3D 프린팅으로 소량 실리콘 파트를 경제적으로 인하우스 생산하려면 다음 과정을 단계별로 따라 실리콘 주조 금형을 제작합니다.

이 예시에서는 Apple AirTag 장치에 임베드된 키체인 생산에 사용할 금형을 제작하겠습니다.

_{*선택 사항}

먼저 최종 파트를 CAD 모델로 만들어야 합니다. CAD 소프트웨어로 모델을 설계하거나 기존의 물리적 파트를 3D 스캔하여 리버스 엔지니어링하면 얻을 수도 있습니다.

이 예에서는 Apple AirTag 장치가 내장된 키체인을 생산하는 금형을 만들었으므로 Apple AirTag 장치의 디지털 복제본을 사용했습니다.

본 프로젝트에 필요한 3D 공구 설계는 백서에 수록된 단계별 가이드를 확인해 보세요. 기본 설계 단계와 모범 사례는 어떤 사출 충진 금형이나 오버몰드에도 적용할 수 있으며 중력의 힘으로 충진됩니다.

1. 어떻게든 캡슐화된 하드웨어가 포함한 기본 볼륨 설계

2. 분리선 지정과 금형 분할

3. 금형 스톡에서 바탕 부분 제거

4. 실리콘 주입구 설계

5. 통풍구 지정

6. 하드웨어를 안전하게 감싸도록 정렬용 피처 추가

7. 두개의 금형 블록이 맞아 떨어지도록 연결 피처 추가

8. 실리콘 골 설계

9. 주입기가 들어갈 수 있도록 주입구 수정

10. 금형 외부에 집어 올릴 수 있는 부분(프라이 포인트) 생성

금형 설계를 자세히 다룬 단계별 지침은 백서, 3D 프린팅 도구를 이용한 실리콘 파트 생산에서 확인해 주세요.

필요한 크기에 따라 Formlabs의 레진 3D 프린터를 사용할 수 있습니다. 비교적 크기가 작은 금형은 Form 3+, 대형 금형은 Form 3L로 제작할 수 있습니다.

사용 가능한 레진을 고르려면 많지만 파트를 주조할 때 실리콘의 흐름을 관찰할 수 있는 Clear Resin 또는 Biomed Clear Resin이 가장 좋은 선택지입니다.

Formlabs의 프린트 준비 소프트웨어인 PreForm을 사용하면 모델을 프린트용 모델로 자동 준비하여 프린터로 전송합니다. 레이어 높이는 50μm로 프린팅해야 부드러운 표면 질감과 짧은 프린팅 시간 사이에서 균형을 잡을 수 있습니다.

실리콘은 레이어 라인을 비롯해 표면에 미세한 디테일이 잘 표현되는 소재이므로 심미성이 돋보이는 응용 분야에는 레이어 높이를 25μm로 설정하는 것이 좋습니다. 빌드 플레이트 위에서 내부 표면에 서포트 흔적이 남지 않도록 파트의 방향을 잡습니다. 경우에 따라 금형 스톡을 빌드 플랫폼 위에 평평하게 놓으면 도움이 됩니다. 

금형이 프린팅되면 프린팅된 파트를 세척하여 경화한 후 서포트를 제거합니다.

보호 코팅과 금형 이형제를 발라서 주조용 금형을 준비합니다. 서로 다른 두 재료가 접촉할 때마다 이형제 사용을 고려합니다. 여기에는 오버몰딩된 실리콘 커버에 삽입했다 제거하려는 임베디드 하드웨어가 포함됩니다. 백서의 고객 워크플로 표에서 권장 사항을 참고하세요.

소재 포장 지침을 따르고 코팅이 완전히 경화되거나 건조되면 다음 단계로 넘어갑니다. 

꺼내는 방향에서 시작해서 금형을 조심스럽게 고정하여 금형 스톡과 캡슐화된 개체가 모두 정렬되었는지 확인합니다.

실리콘 주조 금형을 클램프로 고정한 뒤 채웁니다.

선택한 실리콘 재료를 준비하여 금형을 채웁니다. 실리콘 선택 방법은 백서에서 확인해 보세요.

다음으로 금형을 제거하고 실리콘 파트를 다듬어줍니다. 내부와 분리선 주변에 플래시가 좀 생기는 것은 정상적인 결과입니다. 먼저 금형 외부에 과도하게 삐져나온 실리콘을 제거합니다. 일자 드라이버나 다른 일자 도구를 프라이 포인트에 끼워넣고 부드럽게 비틀어 밀봉을 해제한 후 금형을 들어 올립니다. 실리콘 파트를 꺼냅니다. 어떤 실리콘 파트는 통풍구 부분을 부드럽게 다듬어야 할 수도 있습니다.

금형에서 실리콘 파트를 꺼낸 후에는 날카로운 면도날이나 전선 커터기로 통풍구 부분을 잘라냅니다. 울퉁불퉁한 부분이 남아 있으면 고운 사포를 물에 적신 후 문질러서 부드럽게 제거할 수 있습니다. 마지막으로 비누와 물로 파트를 세척하면 사포와 이형제 잔여물을 제거할 수 있습니다.

금형의 유형에 따라 여러 번 재사용할 수 있습니다. 실리콘을 다시 채우기 전에 날카로운 도구로 통풍구를 청소하거나 이형제를 다시 발라야 할 수도 있습니다.

일반적으로 전체 엔드투엔드 워크플로를 진행해본 후 금형 설계를 몇 번 더 반복합니다. 메이팅 피처 사이의 거리를 늘리거나 정렬 핀을 움직여 감싸야 하는 객체가 완전히 고정되게 하는 것, 또는 주입 시 거품이 생기는 영역에 통풍구를 추가하는 것 등 설계 변경을 고려해야 할 수 있습니다.

3D 프린팅 금형으로 실리콘 파트를 만들든, 다른 재료를 주조하기 위해 실리콘 금형을 만들든, 아니면 Formlabs의 플렉서블 레진 제품군과 엘라스틱 레진 제품군같이 실리콘과 흡사하게 부드러운 소재를 직점 3D 프린팅하든 3D 프린팅은 어떤 과정에도 도움이 됩니다.

Formlabs의 종합적이며 사용하기 편한 에코시스템을 도입하면 실리콘 파트 생산에 3D 프린팅 금형을 사용할 수 있고 부드럽고 고무같은 구성품을 제품 포트폴리오나 프로젝트 폴리오에 추가할 수 있습니다.

무료 샘플 파트를 요청하여 Formlabs의 3D 프린팅 소재를 직접 확인하고 3D 프린팅 전문가에게 문의하여 응용 분야에 적합한 솔루션을 찾아보세요.