금속 주조 소개 및 3D 프린팅과 주조 워크플로의 결합 방법

금속 주조가 등장한 이래로 주조 방법은 진화하고 다양해졌습니다. 하지만 핵심 기술은 변함없이 유지되고 있습니다. 다음은 금속 주조의 일반적인 단계별 프로세스입니다:

금속 주조 공정을 시작하려면 제조업체는 먼저 원하는 패턴을 개발해야 합니다. 이 패턴은 주조에 사용되는 금형을 설계하는 데 꼭 필요합니다. 전통적으로 목재, 폼, 플라스틱 또는 왁스로 만들어지며 금형이 완성된 금속 파트를 정확하게 생산할 수 있습니다. 오늘날, 3D 프린팅은 디자이너가 디지털 CAD 소프트웨어 도구 에서 직접 정확한 패턴을 생성할 수 있는 일반적인 패턴 제작 방법이기도 합니다.

패턴은 원하는 파트를 정확하게 복제해서 나온 결과물이 아닙니다. 용융 금속이 일정한 속도로 흐르도록 하는 게이트와 가스가 빠져나갈 수 있는 통풍구 등 주조 공정을 가능하게 하는 추가 요소가 있습니다. 또한 패턴은 냉각 중에 발생하는 수축을 고려하기 위해 패턴이 나타내는 파트보다 더 큽니다.

주물 조각이 속이 비어 있는 경우 제조업체는 내부 형태를 형성하기 위해 모래 또는 금속 코어를 만듭니다. 이 코어는 캐스팅이 완료되면 제거합니다.

다음 단계는 재사용 가능(비소모성) 또는 재사용 불가능(소모성) 주조 금형을 만드는 것입니다. 재사용할 수 없는 금형은 일반적으로 모래, 석고, 왁스 또는 3D 프린트로 만들어지며, 명칭에서 알 수 있듯이 주조 과정에서 파손됩니다. 재사용 가능한 금형은 금속 및 기타 내구성 있는 재료로 제작되며 여러 번의 주조 주기에 재사용할 수 있습니다.

이 단계에서는 금속을 퍼니스에서 녹을 때까지 가열합니다. 응용 분야에 따라 철, 알루미늄, 알루미늄 합금, 강철, 구리, 아연과 같은 주조 금속과 금, 은과 같은 귀금속 등 다양한 금속을 사용할 수 있으며, 가장 일반적으로 사용되는 금속은 철입니다. 금속이 녹으면 금속을 금형 캐비티에 붓고 냉각 및 응고시킵니다.

금속이 식고 굳으면 파트를 금형에서 떼어냅니다. 금형 유형에 따라 흔들기 공정의 진동, 이젝터 핀으로 이젝터 재료를 씻어내거나 이젝터 핀을 사용하여 이 작업을 수행할 수 있습니다. 그런 다음 통풍구, 게이트, 피더와 같은 과량의 재료를 파트에서 제거합니다. 마지막으로 파트 표면을 매끄럽게 하고 최종 모양 요구 사항에 맞추기 위해 파일링, 그라인딩, 기계 가공 또는 샌드블라스팅을 거칩니다.

모든 금속 주조 기술은 동일한 핵심 공정을 거치지만, 응용 분야에 따라 더 적합한 방법이 다양하게 있습니다. 가장 일반적인 방법으로는 다이 캐스팅, 인베스트먼트 캐스팅, 샌드캐스팅(모래 주조) 등이 있습니다. 

다이캐스팅은 제조업체가 용융 금속을 고압으로 강철 주형 캐비티에 밀어 넣어 금속 파트를 빠르게 생산하는 금속 주조 공정입니다. 다이캐스팅에서는 제조업체가 다이 또는 재사용 가능한 금형의 반쪽 두 개를 함께 고정하고 노즐을 사용하여 가압된 용융 금속을 다이에 주입합니다. 금속이 식으면 다이를 열고 이젝터 핀으로 주물을 밀어냅니다.

가장 일반적인 두 가지 다이캐스팅 공정은 핫 챔버 주조와 콜드 챔버 주조입니다. 이러한 공정의 세부 사항은 다양하지만 전체적으로 다이캐스팅 공정에는 몇 가지 공통된 특징이 있습니다.

핫 챔버 다이캐스팅은 두 가지 주요 다이캐스팅 공정 중 가장 일반적인 공정입니다. 핫 챔버 다이캐스팅 기계에는 기계 내부에 금속을 가열하는 퍼니스가 내장되어 있습니다. 금속이 용융 상태에 도달하면 기계는 원통형 챔버를 용융 금속으로 내립니다. 구즈넥 형태의 금속 사출 시스템은 챔버를 빠르게 채운 다음 공기 압력이나 피스톤으로 재료를 금형에 밀어 넣을 수 있습니다.

사출 메커니즘을 담그면 이 주조 공정에서 빠르고 능률적인 금형 사출이 가능합니다. 그러나 챔버는 용융 금속의 직접적인 열을 받기 때문에 핫 챔버 다이캐스팅 시스템은 부식의 위험이 있으므로 융점이 높은 금속에는 적합하지 않습니다. 대신 납, 마그네슘, 아연, 구리처럼 녹는점이 낮고 유동성이 높은 물질에 더 적합합니다.

반면 콜드 챔버 다이캐스팅 공정은 부식을 방지하기 위해 더 느리게 작동합니다. 이 방법을 사용하면 파운드리 작업자가 용융 금속을 사출 시스템에 래들링합니다. 그런 다음 피스톤이 금속을 금형 안으로 밀어 넣습니다.

이 프로세스에서는 핫 챔버 다이 캐스팅에서 흔히 발생하는 부식이 제한적으로 발생합니다. 알루미늄 및 알루미늄 합금과 같이 녹는점이 높은 금속에 이상적인 옵션입니다.

다이캐스팅 공정을 이용하면 매우 섬세한 파트를 신속하게 제작할 수 있습니다. 대량의 복잡한 파트 생산에 이상적이며 매끄러운 표면 마감으로 견고한 파트를 생산할 수도 있습니다. 다이캐스팅은 대량의 파트를 생산할 수 있어 자동차 및 항공우주 산업에서 매우 중요한 공정입니다.

다이캐스팅 툴링과 장비는 고가이기 때문에 이 공정은 소규모 생산에는 비용 효율적이지 않습니다. 또한 공정에 사용되는 금속의 가단성은 제품의 복잡성에 영향을 미칠 수 있습니다.

인베스트먼트 주조는 로스트 왁스 주조 라고도 하며 왁스, 슬러리 및 금형을 사용하여 복잡한 파트를 생산하는 공정입니다. 가장 오래된 금속 주조 기술 중 하나이지만 복잡한 모양의 정밀한 금속 파트를 제작할 수 있다는 점에서 여전히 가치를 인정받고 있습니다.

이 공정은 여전히 보석, 치과, 예술품 생산에 널리 사용되고 있습니다. 산업적 형태인 인베스트먼트 주조는 엔지니어링 및 제조 분야에서 정밀 금속 파트를 제작하는 일반적인 방법입니다.

인베스트먼트 주조 패턴은 일반적으로 왁스 또는 3D 프린팅 폴리머로 제작됩니다. 패턴은 나무와 같은 구조로 조립되어 실리카 슬러리에 담그거나 플라스크에 넣고 액체 투자 석고로 둘러싸여 있습니다. 투자 재료가 마르면 플라스크를 가마에 거꾸로 놓아 패턴을 녹여 원래 모델 모양의 네거티브 캐비티를 남깁니다. 금속을 녹인 다음 중력 또는 진공 압력을 사용하여 금속을 캐비티 안으로 끌어당겨 부어 넣습니다. 주조된 파트는 최종 형상과 표면 마감을 위해 파일링, 연마, 가공 또는 샌드 블라스팅 작업을 거칩니다.

인베스트먼트 주조는 다목적 공정입니다. 이를 통해 주조에 사용할 수 있는 거의 모든 금속과 다른 주조 방법으로는 어렵거나 불가능한 복잡한 형상으로 정확하고 반복 가능한 파트를 생산할 수 있습니다. 주조 파트는 표면 품질이 우수하고 공차가 적으며 표면 마감이나 가공이 거의 필요하지 않습니다.

이러한 특징으로 인해 인베스트먼트 주조는 자동차, 항공우주 및 산업용 애플리케이션, 의료 도구, 치과 임플란트, 고급 보석 및 예술품의 복잡한 파트에 이상적입니다.

인베스트먼트 주조는 복잡하고 노동 집약적인 공정입니다. 금형을 제작하려면 특수 장비, 값비싼 내화물 및 바인더는 물론 많은 수작업이 필요합니다. 코어가 필요한 파트는 주조하기 어려울 수 있으며, 이 공정은 소형 파트에 더 적합합니다.

모래 주조는 3,000년 전에 처음 사용된 금속 주조 방법이지만 오늘날까지 가장 널리 사용되는 주조 방법입니다. 이 프로세스를 통해 제조업체는 기계 가공에 의존하지 않고 금속을 주조할 수 있습니다.

모래 주조 공정에서 제조업체는 먼저 주조 패턴 또는 주물의 복제본을 만들며, 가장 일반적으로 나무나 플라스틱을 사용합니다. 패턴은 수축될 수 있으므로 약간 크게 제작합니다. 한쪽 면에 피처가 있는 파트는 오픈 페이스 몰드만 있으면 됩니다. 여러 개의 세부 표면이 있는 파트의 경우 제조업체는 파운드리 패턴을 두 개의 몰드 박스로 분리하여 폐쇄형 캐비티 몰드를 형성합니다. 상단 절반은 대처, 하단 절반은 드래그라고 합니다.

제조업체가 패턴을 만들면 패턴 주위를 모래로 단단히 둘러쌉니다. 그런 다음 용융 금속이 금형 캐비티를 통해 원활하게 흐르도록 스프루와 게이트를 추가합니다. 제조업체는 패턴을 제거한 다음 모래 금형의 두 반쪽을 함께 고정합니다. 금속이 녹아 용융 상태가 되면 금형에 붓고 식힙니다. 여기에서 진동이나 고압의 물을 사용하여 모래 금형을 제거합니다. 마지막으로 제조업체는 스프루와 게이트를 제거하고 주조 금속 파트를 연마하여 파트를 다듬습니다.

모래 주조는 기계의 한계를 뛰어넘는 적응력 있는 공정입니다. 따라서 거의 모든 크기의 복잡한 파트를 만들 수 있습니다. 모래는 저렴하고 풍부하기 때문에 설치 비용을 낮추고 수정이 가능합니다. 이는 초대형 주물을 제작할 수 있는 실용적이고 경제적인 유일한 방법입니다. 샌드 캐스팅의 리드 타임도 짧아 단기간 생산에 적합한 공정입니다.

샌드 캐스팅의 다재다능함으로 인해 다양한 산업 분야에서 제조 옵션으로 활용되고 있습니다. 의료 장비, 자동차 부품, 전자 장비, 가스 탱크, 엔진 블록 등을 생산할 수 있습니다.

모래 주조는 다공성이 높고 질감이 있는 금속을 만듭니다. 또한 수축과 거친 표면 마감은 파트의 치수 정확도를 떨어뜨립니다. 그 결과 최종 제품의 강도가 낮아져 고품질 마감을 위해 시간이 많이 소요되는 후처리가 필요합니다.

올바른 산업용 금속 주조 공정을 선택하려면 몇 가지 요소를 고려해야 합니다. 이 비교표를 통해 금속의 종류, 생산량, 비용, 생산 시간, 파트 복잡성 및 일반적으로 사용되는 산업 측면에서 다이캐스팅, 인베스트먼트 주조 및 샌드캐스팅을 비교할 수 있도록 작성했습니다.

엔지니어, 디자이너, 보석상 및 취미에 열정적인 사람들은 간접 매몰 주조, 직접 매몰 주조, 백랍 주조 및 3D 프린팅 패턴을 통한 모래 주조 또는 3D 프린팅 주형에 금속 주조와 같은 금속 주조 공정을 결합하여 3D 프린팅의 속도 및 유연성을 활용하는 것이 가능합니다. 3D 프린팅한 신속 툴링을 통해 금속 부품을 주조할 경우, 기존 공정에 비해 소요되는 시간이 크게 단축되며 금속 3D 프린팅보다 훨씬 더 저렴한 비용으로 제작할 수 있습니다.

광경화성 수지 조형 방식(SLA) 3D 프린터는 높은 정밀도를 자랑하며 다양한 범위의 재료를 사용할 수 있어 주조 워크플로우에 적합합니다. 무엇보다 금속 부품을 저렴한 가격으로 기존 공정보다 신속하고 제작할 수 있으며 훨씬 다양한 형태의 설계가 가능합니다.

금형 또는 툴링에서 패턴을 만드는 과정을 간접 인베스트먼트 주조라고 하는데, 이는 최종 인베스트먼트 금형 외에 패턴을 생산하기 위한 금형을 만들어야 하기 때문입니다.

왁스용 뒤틀림 없는 금형(흔히 공구라고도 함)은 일반적으로 알루미늄 또는 강철을 가공하여 제작합니다. 가공된 금속 주형은 제작에 수천 달러가 소요되며, 주조 공정에서 첫 번째 샷을 실행하고 패턴 파트를 평가하기까지 몇 주 동안의 가공 및 연마 작업이 필요합니다.

3D 프린팅을 사용하여 제조업체는 고온 내성을 가진 레진인 High Temp Resin 또는 Rigid 10K Resin과 같은 재료로 금형 패턴을 직접 3D 프린팅하는 것이 가능합니다. 성형 파트의 최적의 표면 마감을 위해 금형 내부 표면을 샌딩 및 연마하여 매끄럽게 처리하거나 균일한 무광택 외관을 원할 경우 비드 블라스팅으로 처리합니다. 최종 주조 파트의 치수가 정확한지 확인하려면 인쇄된 금형을 확대하여 수축을 보정합니다. 왁스의 정확한 수축률과 주조 공정은 공급업체 사양에서 확인할 수 있습니다.

금속 주조용 3D 프린트 금형은 제조업체가 파트를 실행하고 평가하는 데 필요한 툴링을 직접 인쇄할 수 있기 때문에 컨셉과 첫 테스트 사이의 시간을 며칠로 단축할 수 있습니다.

성형된 부품은 성형성에 대한 설계 규칙(예: 언더컷 없음, 드래프트가 유리한지 등)을 따라야 하지만, 조립 지그를 사용하여 여러 컴포넌트를 단일 구조로 결합하면 패턴 복잡성을 높일 수 있습니다.

직접 인베스트먼트 주조는 패턴 생성부터 인베스트먼트 재료로 패턴을 둘러싸는 공정까지 직접 진행하는 인베스트먼트 주조의 한 버전입니다. 성형하기에는 너무 복잡한 형상의 파트 또는 성형은 가능하지만 툴링 비용이 많이 드는 광범위한 언더컷과 미세한 표면 질감 디테일이 있는 파트를 제작하는 데 이상적입니다.

전통적으로 부품이 일회성 또는 소량으로 예상되는 경우 직접 매몰 주조 패턴을 손으로 직접 조각하거나 기계로 가공했습니다. 그러나 3D 프린팅을 사용하면 제조업체가 직접 패턴을 3D 프린트로 제작할 수 있으므로 다른 공정에서 흔히 발생하는 디자인 및 시간 제약이 사라집니다.

엔지니어, 디자이너, 보석 세공사는 3D 프린터를 사용하여 패턴을 직접 3D 프린트하여 리드 타임을 단축하고 성형 공정의 제조 가능성 제약에 대한 설계를 뛰어넘는 기하학적 자유도를 달성할 수 있습니다. Formlabs는 특히 산업용 인베스트먼트 주조 및 주얼리 주조 에 적합한 다양한 캐스터블 3D 프린팅 재료 를 개발했습니다.

매몰 주조와 유사하게 3D 프린팅을 통해 모래 주조 패턴의 생성이 가능합니다.

목재와 같은 기존 재료와 비교 시 3D 프린팅을 사용하면 제조업체들은 복잡한 형상을 제작하고 디지털 디자인에서 주조로 직행할 수 있게 됩니다.

백랍 주조는 녹는점이 낮은 가단성 금속 합금으로, 세밀한 금속 미니어처, 보석, 축소 모형, 골동품 복제품 등 장식용 완전 금속 물체를 만드는 데 사용할 수 있습니다.

최근 내열성 3D 프린팅 소재(예: Formlabs 광경화성 수지 조형 방식 3D 프린터용 High Temp Resin)의 개발로 이제 직접 백랍 주조용 금형을 3D 프린팅할 수 있게 되었습니다.

금형 디자인에는 희생형 또는 풀파트형 금형의 두 가지 옵션이 있습니다. 희생형 금형에는 공정 중에 부서지도록 설계된 쉘이 있습니다. 풀-어파트 몰드는 반쪽이 분리되어 있어 몰드를 재사용할 수 있습니다.

금속을 직접 인쇄하는 것에 비해 3D 프린트 주조 백랍 주조는 적은 비용으로 훨씬 더 뛰어난 디테일과 표면 마감을 제공합니다. 왁스 주조에 비해 금형을 직접 3D 프린트로 제작하면 단계가 적고 수작업이 덜 필요하면서도 디테일을 최대한 보존할 수 있습니다.

설계 자유도를 높이거나 비용과 리드 타임을 단축하고자 하는 기업은 3D 프린트를 통해 금속 주조라는 강력한 솔루션을 얻을 수 있습니다.

단면이 큰 형상이나 코어가 여러 개인 부품과 같은 특정 유형의 복잡한 금속 주물은 기존의 금속 주조 방법으로는 제작하기 어렵습니다. 제조업체는 3D 프린트를 통해 이러한 복잡한 디자인을 제작할 수 있습니다. 예를 들어 소규모 주조소나 주얼리 업체는 3D 프린트 패턴이 없으면 불가능한 복잡한 맞춤형 디자인을 만들 수 있습니다.

또한 3D 프린트를 사용하면 여러 대의 장비나 서비스 제공업체에 의존하여 파트를 제작할 필요가 없습니다. 대신 기업은 디지털 파일과 3D 프린터, 프린팅 재료만 있으면 됩니다. 이렇게 하면 사용된 모든 재료가 최종 제품에 들어가기 때문에 비용과 낭비를 줄일 수 있습니다.

마지막으로 3D 프린트와 금속 주조를 결합하면 비용과 리드 타임을 줄일 수 있습니다. 3D 프린터는 최종 제품을 주조하기까지 몇 주 동안 값비싼 툴링을 기다리는 대신 몇 시간 만에 패턴이나 금형을 만들 수 있습니다.

는 금속 주조 워크플로에 최신 기술을 통합하여 비용을 절감하고 리드 타임을 개선하며 민첩성을 높였습니다. Form 시리즈 광경화성 수지 조형 방식(SLA) 3D 프린터와 신소재인 Clear Cast Resin을 도입한 Diversified사는 주조용 패턴을 신속하고 경제적인 방법으로 직접 프린팅해 왔지만 자사의 주조 워크플로에는 전혀 변화가 없었을 뿐더러 외부 공급 업체에서 문제를 해결해야 했던 문제도 전혀 발생하지 않았습니다.

3D 프린팅과 금속 주조를 결합하면 금속 파트를 빠르고 효율적으로 제작할 수 있습니다. Formlabs의 광경화성 수지 조형 방식 3D 프린터를 사용하면 금속 주조 공정을 단축하고 비용을 절감할 수 있습니다.

Formlabs 레진 3D 프린터에 대해 자세히 알아보거나 궁금한 점이 있으면 3D 프린팅 전문가에게 문의하세요.