Heidelberger Druckmaschinen AG is the leading global manufacturer of offset printing presses, operating in over 170 countries with close to 10,000 employees worldwide. The company produces a wide range of tools and automation solutions for the entire printing value chain, from some of the largest and fastest state-of-the-art printing presses to cutting and folding machines.
Around six years ago, HEIDELBERG added a new dimension to their workflows: 3D printing. Initially, they introduced the technology to optimize prototyping and product development by cutting costs and lead time. But today, the company uses 3D printed parts in series production, producing thousands of parts per year for around 15 different applications.
Read on to learn how selective laser sintering (SLS) 3D printed parts empower lightweight robotics applications and can even replace steel parts in folding machines.
최종 사용 응용 분야용 3D 프린팅 파트의 피로 시험
이 백서에서는 최종 용도 파트 생산용 Formlabs 3D 프린팅 하드웨어와 소재 솔루션을 소개합니다. 다양한 사용 사례 연구 문서와 최종 사용 분야를 두고 3D 프린팅 재료의 적합성을 검증하기 위해 스트레스 테스트를 진행한 결과를 수록했습니다.
제품 개발 속도 향상
요아킴 크루마(Joachim Krumma) 씨는 “HEIDELBERG는 새로운 개발과 관련된 프로젝트를 우리에게 의뢰합니다. 특히 기존 생산 공정으로는 해결이 불가능한 부품과 어셈블리 개발을 의뢰하는 편이죠”라고 설명합니다.
HEIDELBERG의 제품 및 응용 분야 개발 부서에서 15년을 보낸 크루마(Krumma) 씨는 현재 적층 제조 분야 기술 컨설팅 기업인 CTS-3 GmbH을 운영하고 있습니다. 이들은 HEIDELBERG의 연구 개발팀과 긴밀히 협력하여 제품 개발 뿐만 아니라 새로운 응용 분야를 계열 생산으로 발전시킵니다.
이런 개발 중 일부는 HEIDELBERG의 제품을 직접 테스트하여 실시간으로 확인할 수 있는 최종 고객의 작업 현장에서 진행됩니다.
Meinders & Elstermann은 벨름 지역에 있는 대규모 오프셋 인쇄 기업입니다.
HEIDELBERG는 신제품 테스트와 개발을 자사의 현장에서 줄곧 진행합니다.
Meinders & Elstermann의 가공 부서 책임자인 클라우스 하리크(Klaus Harig) 씨는 “Meinders & Elstermann은 벨름 지역에 있는 대규모 오프셋 인쇄 기업입니다. 매년 1억~1억 2천만 장의 종이를 인쇄하죠. 인쇄 작업장에 하이델베르그(HEIDELBERG) 인쇄기를 4대, 인쇄 마감 부서에 접지기를 7대 보유하고 있습니다. 하이델베르그에서 출시하려는 장비는 우리가 테스트한 것들이죠. 하이델베르그 사는 우리 회사 현장에서 계속 개발하고 있어요”라고 설명합니다.
3D 프린팅으로 제작된 파트는 이전에는 강철로 제작했던 픽 앤 플레이스 로봇용 경량 파트, 접지기용 신규 부속품, 장비 부속품에 들어가는 교체용 파트까지 다양한 영역에서 사용됩니다. 이런 영역에서 강성이 있는 파트 제작에 Fuse 시리즈 SLS 3D 프린터와 Nylon 12 Powder를, 유연한 파트 제작에 TPU 90A Powder를 전적으로 의지하고 있습니다.
HEIDELBERG는 3D 프린팅으로 제작한 파트를 다양한 응용 분야에 사용하며 여기에는 로봇용 경량 파트와 이전에 강철로 제작했던 기계 부품의 교체품도 있습니다.
“3D 프린팅 속도는 우리에게 가장 핵심적인 부분입니다. 끊임없이 변화하는 고객 요구사항에 신속하게 대응할 수 있으니까요. 예전에는 경우에 따라 몇 주가 걸렸지만 이제는 하루나 이틀 안에 새로운 부품을 개발하고 생산할 수 있습니다. 3D 프린팅이 우리에게는 딱 맞는 이유죠.”
요아킴 크루마(Joachim Krumma), CTS-3 GmbH 경영
리드 타임을 단축하는 것 외에 비용 절감 효과도 막대합니다. 특히 프로토타입 제작뿐만 아니라 맞춤형 및 소량 최종 사용 부품의 계열 생산에서도 마찬가지입니다. 크루마 씨는 “파트를 제작할 때 일반 생산 공법보다 10배 또는 20배의 비용 절감 효과를 거둘 수 있습니다.”
새로운 Fuse 1+ 30W 제품으로 신속하게 진행하는 고성능 SLS 파트 생산
Formlabs의 전문가가 진행하는 제품 시연에서 Fuse 1+ 30W와 SLS 3D 프린팅을 자세히 알아보세요.
로봇용 경량 파트
3D 프린팅 부품을 가장 많이 장착한 장비의 이름은 P-스태커(P-Stacker)이며, 첨단 픽앤플레이스 로봇 시스템으로 접지된 종이 뭉치를 접지기에서 팔레트 위에 적재하는 작업을 합니다.
The P-스태커는 접지기 뒤에 시그니처 패키지를 쌓는 고된 작업을 처리하여 작업자의 업무량을 줄여줍니다.
하리그(Harig) 씨는 "로봇은 팔레트 위로 1미터 높이까지 적재할 수 있습니다 로봇의 속도에 따라,시간당 18,000장을 적재할 수 있죠 P-스태커를 사용하기 전에는, 한 사람이 매일 4~6톤의 패키지를 팔레트 위에 쌓아야 했습니다”라고 설명합니다.
로봇에는 3D 프린팅으로 제작된 부품이 많은데 이들은 주로 축 이동, 축 클램핑, 공압 흡입, 센서 기술 및 슬라이딩 기능을 담당하는 범용 조인트와 브래킷 같은 것들로, 고도로 복잡하고 동시에 다양한 기능을 수행합니다.
크루마 씨는 “특히 로봇 응용 분야에서는 무게가 핵심적인 역할을 합니다. 장비가 무거울 수록 부품이 받는 기계적 응력은 커지고 이로 인해 부품의 피로 강도도 영향을 받습니다. 우리 시스템은 부품 밀도가 높은 편인데, 이것은 대형 조립체와 부품이 들어갈 공간이 넉넉하지 않다는 의미죠.”라고 설명합니다.
플라스틱 3D 프린팅 파트는 강철보다 가벼운데다, 파트가 받는 피로도와 힘에 따라 더 최적화하여 설계할 수 있습니다. 설계 복잡도가 늘어나도 기계 가공 같은 기존 공정과는 달리 비용이 증가하지도 않습니다.
설계가 복잡해지면 아주 복잡한 비정형 구조가 탄생할 때가 많은데 이는 지속적인 사용으로 아주 높은 응력과 힘을 받는 응용 분야에 사용하려고 특별히 개발하는 데서 기인합니다. 3D 프린팅 부품은 종종 금속 베어링이나 테프론 코팅 부품과 같이 마찰 방지 역할을 수행하는 다른 부품과 결합해서 사용하기도 합니다.
로봇 안에는 심하게 복잡하고 각기 다른 기능을 수행하는 3D 프린팅 부품이 많습니다. 튼튼하고 내구성 좋은 부품은 Nylon 12 Powder로 생산합니다.
로봇 공학에서는 무게가 중요한 역할을 하는데 이는 무게가 부품이 받는 기계적 응력을 가중시키기 때문입니다.
이렇게 복잡한 형상 중에는 기존 공법을 사용하면 비용 효율적이 않거나 제조할 수 조차 없는 것들이 많습니다. 어떤 부품은 다양한 조립체와 컴포넌트로 구성되어 조립, 정렬, 재작업에 품이 많이 듭니다. 이런 부품들은 생산을 완료했을 때 엄청나게 무거워지고 컴포넌트의 밀도가 훌쩍 상승해 버립니다.
“다양한 부품을 기존 방식으로 제조할 수 있었다면 3D 프린팅과 달리 엄청난 노력이 필요했을 것입니다. SLS 프린팅을 채택하면 아주 복잡한 형상도 구현할 수 있어 심하게 비정형인 형상을 개발하고 프린팅합니다. 컴포넌트와 조립체를 단순화할 수 있죠. 우리에게 딱 맞는 기술이죠.”
요아킴 크루마(Joachim Krumma), CTS-3 GmbH 경영
어떤 부품은 비교적 복잡도가 낮지만 고도의 정밀도와 미세한 표현은 여전히 필요합니다. 그 중에는 오염 방지, 날카로운 모서리 차폐, 센서, 보호, 마모 방지등의 기능을 담당하는 유연한 부품이 있습니다.
TPU 90A Powder로 프린팅한 유연한 파트, 센서와 기타 종단팔 공구를 보호합니다.
탄성이 있는 파트는 스냅핏 컴포너트를 제작하기에 안성맞춤입니다. 날카로운 모서리를 차폐하면 작업자도 보호할 수 있습니다.
하리그(Harig) 씨는 “최근에 3D 프린팅으로 제작된 파트를 우리 로봇에 사용해 봤는데 케이블이 끊어지는 것을 방지할 수 있어서 자연스럽게 사용 수명이 늘어났습니다. 케이블 하니스를 교체해야 할 때 생기는 하루의 다운타임이 사라지게 된 것입니다.”라고 설명했습니다.
Fuse 시리즈 SLS 3D 프린터로 생산된 탄성 케이블 가이드를 사용하자 복잡한 설계도 문제 없이 구현하여 장기 내구성 솔루션으로 케이블이 마모되는 것을 보호할 수 있었습니다.
무료 샘플 파트 요청
Formlabs의 품질을 직접 보고 경험해 보세요. Fuse 1+ 30W로 프린팅한 무료 선택적 레이저 소결 방식 샘플 파트를 근무지로 배송해 드립니다.
강철을 대체할 수 있는 교체용 파트
장비의 다운타임을 방지 및 절감하는 작업은 인쇄업에 없어서는 안 될 작업입니다. 어떤 이유에서라도 지연이 발생한다면 납품 기일을 맞추지 못하여 인쇄물의 유효 기간이 지나버리게 되기 때문입니다.
하이델베르그의 종합 서비스 네트워크에서는 교체용 파트의 95%를 전 세계 어느 곳으로도 24시간 이내에 발송할 수 있지만 팀은 교체용 파트를 주문형으로 3D 프린팅했을 때 단종된 파트를 공급할 수 있는 솔루션이 될 수 있을지 시험해 보고 싶었습니다.크루마(Krumma) 씨는 Meinders & Elstermann의 낡은 접지기 중 한 대에 3D 프린팅으로 제작된 파트를 설치했습니다. 원래는 강철로 제작되었던 여러 가지 부속품을 3D 프린팅으로 제작된 것으로 교체한 것입니다. 이를 테면 무게가 최고 13kg에 달하는 금속 롤러를 고정하는 연결부 같은 것들입니다. 파트는 장비의 후드 아래 장착하는 것이지만 먼지와 유분을 도처에서 접하게 되는 환경에 노출되어 있습니다. 이런 파트를 전 체 기계가 순식간에 정지하는 비상 정지를 포함하여 장기간 사용하다보면 기계적으로나 물리적으로 막대한 응력을 받게 됩니다.
3D 프린팅 교체 파트를 베어링과 마찰 방지 금속 컴포넌트와 함께 조립합니다.
고속으로 회전하며 최고 각 13kg인 금속 롤러를 지탱하는 연결부
“끊임 없이 응력을 견뎌야 합니다. 즉, 극도로 무거운 하중에서 이교대로 주 5일을 견뎌야 하죠. 현재 이 부품을 장비에 사용한지 2년 반이 넘었습니다. 처음 개발할 때부터 이럴 계획은 아니었죠. 그렇지만 일정 기간 부품을 관찰해보니 연속으로 가해지는 하중을 견딜 수 있다는 점을 아주 일찍부터 확실히 알겠더라고요. ”
요아킴 크루마(Joachim Krumma), CTS-3 GmbH 경영
하리그(Harig) 씨는 “확실히, 내구성이 아주 뛰어나다는 점을 언급해야겠어요. 이것도 처음에는 믿지 않았지만 아직까지는 접지기에서 어떤 부품도 교체해야 할 필요가 없었거든요”라고 덧붙였습니다.
일부 3D 프린팅으로 제작된 교체용 부품은 접지기에 장착한지 2년 반이 넘도록 과도한 먼지와 유분에 노출된 환경에서 이교대, 주 5일 작업도 거뜬히 견뎌오고 있습니다.
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인쇄업의 경쟁력 유지에 일조
하리그(Harig) 씨는 "자료를 인쇄하기보다는 온라인으로 처리하려는 고객이 많습니다. 결론적으로 이전에 받던 주문 중에 끊긴 것들이 아주 많죠. 인쇄 작업은 점점 단축되고 더 빨리 끝내야 합니다. 그리고 이런 상황은 기존 장비로는 대처할 수 없습니다. 새 장비가 필요했죠. 미래에는 인쇄소 개수가 줄어들 것이고 명맥을 이어가는 인쇄소는 미래를 대비하여 좋은 위치를 선점해야 할 것입니다.” 라며 이야기를 마무리했습니다.
크루마(Krumma) 대표와 CTS-3 같은 전문가와 협업하여 3D 프린터를 레버리지한 HEIDELBERG는 제품 개발에 속도를 더했고 최종적으로는 급격히 변모하는 시장 상황에서도 최종 고객이 경쟁력을 유지할 수 있도록 도왔습니다.
“우리가 이 기술에 접근하지 못했다면, 특히 Fuse 시리즈를 이용한 SLS 3D 프린팅을 도입하지 않았다면 개발 과정이 엄청나게 뒤쳐졌을 것입니다. 3D 프린터로 아주 짧은 시간에 개발 과정의 보폭을 성큼 넓힐 수 있었습니다. 시험을 거쳐 개발 아이디어를 거절하거나 진행할 수 있고 하룻밤 새에 부품을 생산해서 다음 날 고객사 현장에서 테스트할 수 있습니다. 이렇게 접근하지 못 했더라면 개발 과정은 거의 기존 제조 공정과 같았을 것입니다.”
요아킴 크루마(Joachim Krumma), CTS-3 GmbH 경영
크루마(Krumma) 씨가 “3D 프린팅은 매년 큰 폭으로 도약하고 있습니다. 멈춰선 기업은 뒤쳐지는 것을 볼 수 있죠. 지금 우리는 3D 프린팅이 기존 생산 공정에 비해 확실한 성과를 가져다주는 지점에 꽤 빨리 도착했습니다. 지금 오고 있는 것과 아직 오지 않은 것을 바라보니 흥미진진합니다. 그리고 우리는 미래를 고대하고 있죠.”라며 낙관적인 시선을 보여주었습니다.
