소량 사출 성형 가이드

사출 성형은 높은 툴링 비용으로 인해 전통적으로 대량 생산을 위한 제조 공정으로 간주되어 왔습니다. 하지만 3D 프린팅 기술을 활용하여 사출 금형을 제작하면, 사출 성형 공정으로 시제품을 반복 제작하거나 소량의 고품질 부품을 생산할 수 있습니다.

이 종합 가이드에서는 벤치탑 및 산업용 기기 모두에서 3D 프린팅한 사출 금형을 사용하여 수백 가지의 기능적 프로토타입과 부품을 효율적이고 경제적으로 제작함으로써 제품 개발을 가속화하고 비용과 리드 타임을 줄이며 향상된 제품을 시장에 출시하는 방법에 대해 알아보십시오.

사출 성형 프로세스는 플라스틱 제조를 위한 선도적 프로세스 중 하나입니다. 이 기술은 비용 효율적이고 반복이 매우 쉬운 기술로, 대형 시리즈용 고품질 부품을 생산합니다. 따라서 허용 오차가 적기 때문에 동일한 부품을 대량 생산하는 데 널리 사용됩니다.

사출 성형은 고온 환경에서 압력을 가해 금형 내부에 용해된 물질을 신속하게 주입하는 집중 공정입니다. 용융 재료는 제조 프로젝트의 범위에 따라 달라집니다. 가장 대중적인 재료는 ABS, PS, PE, PC, PP, TPU 등의 여러 열가소성 레진이지만 금속 및 세라믹도 사출 성형이 가능합니다. 금형에는 주입된 용융 재료를 수용하는 공동(cavity)이 있으며 부품의 최종 형상을 밀접하게 반영하도록 설계되었습니다. 

금형은 금속 재료를 전통적으로 CNC 가공 또는 방전가공(EDM)으로 만들어집니다. 전문 장비, 고급 소프트웨어, 숙련된 노동력이 필요한 고비용의 산업 방식입니다. 그 결과, 금속 금형을 제작하는 데는 일반적으로 4~8주가 소요되며, 부품의 모양과 복잡도에 따라 $2,000~100,000 이상의 비용이 듭니다. 소량 부품의 경우 일반적인 공구 세공 금속 및 생산 방법으로 금형을 제작하는데 필요한 비용, 시간, 전문 장비 및 숙련된 노동력이 이러한 규모로 사출성형하는 것을 불가능하게 만드는 경우가 많습니다. 그러나 금속으로 금형을 가공하는 방법에는 대안이 있습니다. 3D 프린팅을 활용하여 프로토타이핑 및 대량 생산을 위한 사출 금형을 제작하면 금속 금형을 사용하는 것과 비교하여 비용과 시간이 크게 절감되는 동시에 반복 제작 가능한 고품질 부품을 제작할 수 있습니다.

이 동영상에서 당사는 3D 프린팅 금형을 사용한 사출 성형 공정 단계를 안내하기 위해 사출 성형 서비스 제공업체 Multiplus와 협력했습니다.

데스크탑 3D 프린팅은 사출 금형을 저렴한 비용으로 신속하게 제작할 수 있는 가장 효과적인 해결책입니다. 이 방법은 많은 장비가 필요하지 않고, 동시에 CNC 시간을 절약하고 숙련된 오퍼레이터를 다른 고부가가치 작업에 투입할 수 있습니다. 제조업체는 사내 3D 프린팅의 속도와 유연성을 활용하여 금형을 제작하고 사출성형 생산력과 결합함으로써 일반적인 열가소성 플라스틱에서 몇 일 내에 연속적으로 제품을 생산할 수 있습니다. 기존에는 제조가 까다로웠던 데스크탑과 산업용 성형기 모두에서 사용할 수 있는 복잡한 금형 형태도 구현할 수 있어 개발팀이 더욱 혁신적으로 일할 수 있게 합니다. 이에 더해 하드 공구 세공에 투자하기 전에 디자인을 반복하고 최종 사용 소재를 테스트할 수 있어 제품 개발의 이점이 있습니다. 

3D 프린팅 금형을 적절히 사용할 경우 이러한 장점을 누릴 수 있지만, 여전히 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 3D 프린팅 폴리머 금형에서 가공된 금속 금형과 동일한 성능을 기대해서는 안 됩니다. 임계 치수는 충족하기가 어렵고, 플라스틱에서 열전달이 더 느리기 때문에 쿨링 시간이 더 길며, 프린트된 금형은 열과 압력으로 인해 더 쉽게 파손될 수 있습니다. 그러나, 업계 전반에 걸쳐 기업들은 3D 프린팅 금형을 단기 사출 성형 워크플로에 지속적으로 구현하고 있어 수백에서 수천 개의 부품을 신속하게 생산할 수 있습니다. 최종 사용 소재를 사용한 기능성 프로토타입 디자인, 시험 생산 중 부품 제작, 최종 사용 부품 제조 등, 3D 프린팅 사출 금형은 제한된 수량으로 부품을 생산하는 비용 효율적이고 신속한 방법입니다.

SLA (광경화수지조형방식) 3D 프린팅 기술은 성형에 탁월한 선택입니다. 금형에서 최종 부품을 얻을 때 특징적으로 표면이 매끄럽고 정밀도가 높으며 금형에서 최종 부품을 분리하기도 쉽습니다. SLA (광경화수지조형방식)로 생산한 3D 프린트는 완전히 조밀하고 등방성이 있어 용융 적층 모델링(FDM) 방식으로는 얻을 수 없는 품질의 기능적인 금형을 얻을 수 있습니다. Formlabs에서 제공하는 것과 같은 데스크탑 SLA (광경화 수지 조형 방식) 프린터는 시행, 작동 및 유지 관리가 용이하기 때문에 모든 사출성형 워크플로에 원활하게 통합될 수 있습니다.

약 500~10,000개 부품의 중량 생산을 위한 대안으로 알루미늄으로 금형을 가공할 경우 금형 제조에서 발생하는 고정 비용을 절약할 수 있습니다. 알루미늄 가공은 강철보다 5~10배 빠르고 툴링 시 마모가 줄어들어 리드 타임이 단축되고 비용을 절감할 수 있습니다. 알루미늄은 또한 강철보다 열전도율이 높아서 냉각 채널의 필요가 줄어들고 제조업체는 짧은 주기 시간을 유지하는 동시에 금형 설계를 단순화시킬 수 있습니다.

아래에서는 생산량에 따라 가장 효율적인 공정 및 부품당 단가를 최저로 낮출 수 있는 다양한 사출 성형 방법과 금형 유형에 대해 간략하게 정리해보겠습니다.

사출 프레스의 유형은 소량 사출 성형 공정에 큰 영향을 미치지 않습니다. 기존의 대형 산업용 사출 성형기를 3D 프린팅 사출 금형과 함께 사용하는 것도 가능합니다. 하지만 이러한 기계가 고가인 데다 시설 요건이 까다롭고 숙련된 노동력을 필요로 하기 때문에 대부분의 기업에서는 대량(중량) 생산의 경우 서비스 제공업체 및 계약 제조업체(CM)에 외주를 맡깁니다.

사출성형에 익숙하지 않고 제한된 투자로 테스트를 고려하고 있다면, Holipress 또는 Galomb Model-B100과 같은 벤치탑 수동 사출성형기를 사용하는 것도 좋은 옵션이 될 수 있습니다. 데스크탑 시스템 Micromolder 또는 유압 시스템 Babyplast 10/12와 같은 자동화된 소형 사출 성형기는 소형 부품을 (소량 생산과 대량 생산의) 중간 정도로 제작하기에 좋은 대안입니다.

사출 성형 총비용을 구성하는 다양한 요인과 관련한 내용 확인 종합 가이드 읽어보기

소량 사출 성형 워크플로에는 다음 7단계가 포함됩니다.

소량 사출 성형 기법이 가장 많이 응용되는 세 가지 주요 분야는 신속 프로토타이핑, 단기용 사출 성형, 주문형 또는 맞춤형 사출 성형입니다. 

신속 프로토타이핑은 기업이 아이디어를 현실적인 개념 증명으로 전환하는 데 도움이 되며 이러한 개념을 최종 제품의 모양과 기능을 갖춘 충실한 프로토타입으로 발전시키며 일련의 검증 단계를 통해 제품의 대량 생산으로 이어집니다.

3D 프린팅은 신속 프로토타입을 제작하는 가장 일반적인 방법입니다. 그러나 개발 프로세스의 후반 단계에서는 최종 부품과 동일한 재료와 생산 공정을 사용하여 동일한 프로토타입을 좀 더 많은 분량으로 제작해야 하는 경우가 많습니다. 그런 다음 이 프로토타입을 베타 및 필드 테스트와 같은 응용 분야에 사용할 수 있습니다. 3D 프린팅 금형과 사출 성형을 결합하면 제조업체는 기능적 프로토타입을 빠르고 효율적으로 개발하고 제품 개발 프로세스를 가속화할 수 있습니다. 

예를 들어, 프랑스 스타트업인 Holimaker는 엔지니어와 제품 설계자가 프로토타입, 파일럿 생산 또는 일련의 한정판 최종 사용 부품 제작을 위해 데스크탑에서 플라스틱 부품을 소량 처리할 수 있는 수동 사출 성형기를 개발했습니다.

합리적 비용으로 신속하게 부품을 제작하기 위해 3D 프린팅 금형을 사용할 경우의 타당성 조사 결과를 제공합니다. 이를 통해 고객은 신제품을 도입하는 시험 생산 단계에서 신속하고 저렴하게 디자인을 프로토타입화하고 최종 생산 조건을 확인할 수 있습니다. 

금형 디자인과 소재를 포함한 동일한 제조 방법을 사용하면, 현장에서 이 부품을 테스트할 수 있으며 디자인이 규모에 맞게 생산될 수 있도록 보장할 수 있습니다. 그런 다음 3D 프린팅 금형 디자인을 대량 생산 중에 공구 등급의 강철에 쉽게 적용할 수 있습니다.

Holimaker는 3D 프린팅 금형을 사용하여 사출 성형 공정용 금형 생산 리드 타임을 24시간으로 단축했으며 현재 프로젝트의 80~90%에서 3D 프린팅 사출 금형을 사용하고 있습니다.

제조업체는 단기용 사출 성형 방식을 통해 한정판 제품용 최종 사용 부품을 극소량으로 제작하거나 새로운 프로젝트에 대규모 자본을 투자하기 전에 시장 테스트를 위한 파일럿 제품 시리즈를 제작할 수 있습니다. 

소량 사출 성형 방식을 활용하면 전통적인 사출 성형 공정에 수반되는 높은 고정 비용 없이 정확하고 반복 가능한 최종 사용 부품을 제작할 수 있습니다. 

Multiplus는 선전에 본사를 둔 사출 성형 솔루션 제공업체로 플라스틱 제품 설계에서 제조에 이르는 전체 생산 주기를 책임지며, Fortune 500대 기업을 포함하여 연간 250개 이상의 고객사에 제품 및 서비스를 제공하고 있습니다. 이러한 고객사 중 일부는 소량 간헐 생산을 필요로 하는데, 하드 툴링 제작 공정이 까다롭기 때문에 전통적인 사출 성형 기술을 사용할 경우, 비용과 시간이 많이 소요됩니다.

소규모 간헐 생산에 대한 수요가 증가함에 따라 Multiplus는 3D 프린팅으로 전환하고 다양한 재료를 탐색하여 소규모 주문 및 파일럿 생산을 위한 저렴한 플라스틱 금형을 생산할 비용 효율적인 방법을 모색했습니다. 그들은 Formlabs 3D 프린터로 소량 사출용 금형을 제작하여 기계 공정으로 제작하는 알루미늄 금형과 비교했을 때 비용, 노동력, 시간을 줄이며 산업용 사출 성형 기계인 베이비플라스트(Babyplast)와 매끄럽게 연결해서 사용할 수 있었습니다.

인적 요인, 응용 사례 또는 특수 상황 등 특정 목적을 위해 종종 급한 일정으로 맞춤형 최종 사용 부품을 제작하려면 맞춤형 또는 주문형 신속 사출 성형 공정을 도입해야 할 수 있습니다. 이런 경우, 한정된 생산량 및/또는 촉박한 리드 타임을 고려할 때 하드 툴링을 사용한 기존의 사출 성형 공정은 효율적이지도 실현 가능하지도 않을 수 있습니다. 이와 같은 상황에서 3D 프린팅 금형을 사용하여 부품을 소량 사출 성형할 경우, 전체 프로세스를 가속화하면서 맞춤형 부품을 제작할 수 있습니다.

세계적인 석유화학 기업인 Braskem은 3D 프린팅 금형을 사용하여 온디맨드형 주문을 신속하게 이행하는 모범 사례를 잘 보여주고 있습니다. 코로나19가 세계적으로 확산되는 동안 Braskem은 전 세계 인력을 보호하기 위한 수천 개의 마스크 스트랩을 생산해야 했습니다. Braskem은 사출 성형이 부품을 생산하는 이상적인 방법이라고 파악했지만 3D 프린팅에 액세스할 수 없었다면 값비싼 금형을 외주 제작하느라 상당한 비용과 귀중한 시간을 낭비해야 했을 것입니다.

Braskem의 담당팀은 스트랩용 금형을 프린팅하기 위해 Formlabs Form 3 3D 프린터를 사용하였으며, 스트랩 개발을 위해 전기 Cincinnati Milacron 110 Ton Roboshot 사출 성형기를 활용했습니다. 

담당팀은 부사장의 이메일을 받은 후 단 일주일 만에 3D 프린터를 활용하여 수천 개의 스트랩을 생산하고 전 세계 사무실로 배송할 준비를 마쳤습니다.

3D 프린팅과 소량 사출 성형 기술을 개발 프로세스에 통합하여 제품 개발을 가속화하고, 비용과 리드 타임을 줄이며, 더 나은 제품을 출시하세요.