신속 툴링 안내서

사출성형은 열가소성 수지, 실리콘 또는 고무 부품의 생산에 광범위하게 사용되는 제조 공정 중 하나입니다. 기존 금속 툴링의 과다한 비용으로 인해 신속 툴링의 장점의 수혜를 얻는 공정이기도 합니다. 

저렴한 데스크탑 3D 프린터 및 내열성 3D 프린팅 재료를 사용하여 자체 3D 프린팅 사출 금형을 제작하여 생산 플라스틱에서 기능적인 프로토타입과 소형의 기능적인 부품을 생산이 가능합니다.

소량 생산(약 10~1000개 부품) 시 3D 프린팅 사출 금형은 고비용의 금형에 비해 시간과 비용을 절감해줍니다. 또한 보다 민첩한 제조 및 제품 개발 접근 방식을 가능케 하여 엔지니어와 설계자가 기능성 프로토타입 또는 완제품 수준 부품을 소량으로 제작하여 재료 적절성을 검증하고 짧은 리드 타임과 적은 비용으로 설계를 반복 및 개선할 수 있습니다.

SLA(Stereolithography) 3D 프린팅은 알루미늄 또는 강철 몰드 가공에 대한 비용 효율적인 대안을 제시합니다. SLA 3D 프린팅 부품은 견고하고 등방성이며 재료는 최대 238°C @ 0.45 MPa의 열 변형 온도에서 사용이 가능합니다. 이는 사출 성형 공정의 열과 압력을 견딜 수 있다는 사실을 의미합니다.

심천에 본사가 있는 계약 제조업체인 Multiplus는 Form 3 SLA 3D 프린터에 유리 충전 및 내열성 Rigid 10K Resin과 3D 프린팅 사출 금형을 사용하여 약 100개 사출 성형 부품 배치의 리드 타임을 4주에서 단 3일로 단축시켰습니다.

추가적인 사례로는 석유화학 회사인 Braskem의 긴급 마스크 스트랩 및 수동 사출 성형기 제조업체인 Holimaker의 고객을 위한 프로토타입 및 사전 생산 부품을 들 수 있습니다.

약 500~10,000개 부품의 중간 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 채널 덜 필요로 하고 제조업체는 짧은 주기 시간을 유지하는 동시에 금형 설계를 단순화시킬 수 있습니다.

 열 성형은 진공 성형 및 압력 성형과 같이 가열된 플라스틱 시트의 성형을 위해 제조업체가 선택할 수 있는 모든 다양한 방법을 포함하는 종합적인 제조 공정입니다. 열 성형 공정을 사용하여 제조업체는 다양한 열가소성 재료 및 복합 재료를 원료로 부품의 제작이 가능합니다. 

많은 기업들이 열성형 공정용 금형의 제작을 위해 SLA 3D 프린팅을 선택합니다. 특히 단기간의 작업, 맞춤형 부품 및 프로토타입 설계를 위한 저렴한 비용의 신속한 처리 시간을 제공하기 때문입니다. 3D 프린팅은 또한 복잡한 금형의 제작에 있어서 엄청난 설계 자유도를 제공합니다. Form 3+ 데스크톱 SLA 프린터는 소형 금형을, Form 3L 대형 SLA 프린터는 최대 33.5 × 20 × 30cm 크기의 금형을 제작할 수 있습니다.

제품 개발 회사인 Glassboard는 Draft Resin의 빠른 프린팅 속도를 활용하여 헬멧 외각 또는 포장과 같은 열 성형 폴리카보네이트 프로토타입 및 금형을 신속하게 제조합니다. 표면 전체에 향상된 진공 분포를 위한 작은 형상과 구멍을 포함하여 예전에는 제조하기 쉽지 않았던 복잡한 금형 형상을 제작할 수 있습니다.

화장품 제조업체 Lush는 인기 제품의 마스터 금형을 수제로 생산했습니다. 하지만 최근에는 3D 프린팅으로 전환하여 상세하고 질감이 살아있는 디자인을 위한 진공 성형 몰드를 제작했습니다. 이를 사용하여 24시간 이내에 컨셉으로부터 제품을 제작하여 아이디어를 실현하고 매년 1,000개 이상의 디자인 아이디어를 테스트할 수 있게 되었습니다.

3D 프린팅한 신속 툴링은 맞춤형 또는 맞춤형 완제품 수준의 부품을 비용 효율적으로 제조하는 데 이상적입니다. 예를 들어, 3D 프린팅 모델 진공 성형은 치열 교정에 사용하는 투명 교정기를 제작하는 데 필수적입니다.

탄소 섬유와 같은 고성능 복합 재료는 3D 프린팅 금형에 수제로 라미네이트하는 것이 가능합니다. SLA 3D 프린터는 레이업 몰드에서 필요로 하는 매끄러운 표면 마감을 제공합니다.

TU Berlin의 Formula Student 팀은 레이싱 카용 3D 프린팅 금형에 탄소 섬유 부품을 수제로 적층합니다. Tough 1500 Resin으로 프린팅한 금형은 레이업(layup) 작업 동안 강력한 지지력을 제공할 뿐만 아니라 경화 후 금형에서 부품을 분리할 수 있을 만큼 유연하므로 다양한 설계가 가능합니다.

3D 프린팅된 몰드를 통한 신속 툴링은 플라스틱, 실리콘 또는 고무 부품 및 중첩 성형 인서트 또는 내부 하드웨어에도 사용이 가능합니다. 

Google ATAP 팀은 공장에서 초기 도구 조정을 위해 중첩 성형된 전자적 하위 어셈블리 대신 3D 프린팅된 스탠드인 또는 대리 부품을 사용했습니다.

Google ATAP(Advanced Technology and Projects) 연구소의 디자이너들은 3D 프린팅과 인서트 금형의 조합을 통해 10만 달러 이상의 비용을 절감하고 테스트 주기를 3주에서 단 3일로 단축했습니다. Google ATAP 팀은 3D 프린팅 테스트 부품을 사용하여 공급사에서 제공하는 고비용의 전자 부품의 사용과 비교하여 시간과 비용을 절약할 수 있다는 사실을 깨닫게 되었습니다.

브루클린에 본사가 있는 신생 기업인 Dame Products는 건강 및 웰빙 산업용 제품을 디자인합니다. Dame Products는 고객의 베타 프로토타입용 내부 하드웨어의 캡슐화를 위해 실리콘 인서트 몰딩을 사용합니다. Dame Products 제품군은 피부에 안전한 실리콘층으로 완벽하게 제작된 복잡한 인체공학적인 형태를 띠고 있으며, 화사한 색감을 자랑합니다.

엔지니어들은 3~4개의 SLA 3D 프린팅 금형을 로테이션으로 사용하여 하루에 수십 개의 인서트 및 중첩 성형 장치의 프로토타입을 제작합니다. 하나의 프로토타입의 실리콘 고무가 경화되는 동안 다음은 이형되어 다음 충전을 위한 준비가 가능해집니다. 탈형된 프로토타입의 마무리 및 청소는 동시에 실시됩니다. 프로토타입 하드웨어가 회사로 반환되면 베타 장치는 표백을 거치고 얇은 실리콘 층은 제거되며 내부 하드웨어는 새로운 베타 프로토타입에서 재사용됩니다.

압축 성형을 위한 3D 프린팅 고속 툴링은 열가소성 수지, 실리콘, 고무 및 복합 부품 생산에 활용할 수 있습니다. 소형 또는 중형 부품의 프로토타이핑용 3D 프린팅은 금형을 제조하는 가장 저렴하고 빠른 방법일 수 있습니다. CAD 소프트웨어를 통해 수차례 반복 작업을 신속하게 실시하고 다시 프린팅한 후 테스트가 가능합니다. 3D 프린팅은 열이 없는 응용 분야를 위한 압축 금형에 일반적으로 사용됩니다.

주방 기기 제조사인 OXO의 제품 개발자는 3D 프린팅 금형을 통해 2액형 실리콘을 압축 성형하여 개스킷과 같은 고무 부품의 프로토타이핑에 대해 3D 프린팅을 사용합니다.

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 프린팅된 신속 툴링을 통해 주조된 금속 부품은 기존 주조에 투자해야 하는 시간보다 훨씬 짧고 금속 3D 프린팅보다 훨씬 더 저렴한 비용으로 생산이 가능합니다. 

광경화성 수지 조형 방식 3D 프린터는 주조 워크플로에 적합하고 기존 방법보다 적은 시간이 소요되면 높은 설계 자유도 및 더욱더 저렴한 비용으로 금속 부품의 생산에 있어서 고정밀 및 광범위한 재료 라이브러리를 제공합니다. 

전통적으로 직접 매몰 주조의 패턴은 부품이 일회성 또는 소량으로 예상되는 경우 손으로 조각하거나 기계로 가공했습니다. 하지만 3D 프린팅을 통해 보석상은 패턴을 직접 3D 프린팅할 수 있기 때문에 다른 공정에서 흔히 찾아볼 수 있는 디자인 및 시간 제약이 없습니다.

매몰 주조와 유사하게 3D 프린트들을 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. 

3D 프린팅을 사용하여 제조업체는 고온 내성을 가진 소재인 High Temp Resin 또는 Rigid 10K Resin과 같은 재료로 패턴의 금형을 직접 3D 프린팅하는 것이 가능합니다. 동일한 방법으로 직접 백랍 주조용 주형의 제작도 가능합니다.

금속 외에도 주조는 의료 기기, 청력학, 식품 안전 응용 분야 등을 위한 실리콘 및 플라스틱 부품의 생산에서 선호되는 방법이기도 합니다.

의료 기기 회사인 Cosm은 골반저 장애 환자용 환자 맞춤형 페서리(pessary)를 생산합니다. 구체적으로 부품은 SLA 3D 프린터를 사용하여 금형을 3D 프린팅하고 생체 적합성 의료 등급의 실리콘을 주입하는 방식으로 제작됩니다. 3D 프린팅을 통한 신속 툴링을 사용하여 기존 툴링의 고비용에 대한 부담 없이 맞춤형 부품을 제조할 수 있습니다.

3D 프린팅으로 맞춤형 이어 몰드를 제조할 수 있게 된 사실은 보청기, 소음 방지 및 맞춤형 이어폰과 같은 응용 분야를 통해 청력 분야에도 혁명을 일으켰습니다. 디지털 제조는 기존의 금형 생산과 비교하여 제어력 및 정확성이 개선되어 오류 및 재제작 횟수가 크게 감소되었습니다.

3D 프린팅한 신속 툴링은 금속 박판 성형 시에도 몇 가지 뚜렷한 이점을 제공합니다. 높은 정밀도 및 매끄러운 표면 마감을 특징으로 한 SLA 3D 프린터는 향상된 반복성을 위해 등록 기능이 뛰어난 도구의 제작이 가능합니다. 여러 가지 기계적 특성을 가진 광범위한 재료 라이브러리를 이용하여 특정 사용 사례에 적합한 레진을 선택할 경우 성형 결과를 최적화하는 것이 가능합니다. SLA 레진은 등방성이며 다른 3D 프린팅 재료와 비교하여 하중이 가해질 경우 상당히 안정적입니다. 플라스틱 다이는 금속처럼 자국을 남기지 않으므로, 플라스틱 툴링에서는 연마 단계를 생략할 수 있습니다.  

메커니즘은 일반 금속 박판 성형 워크플로와 비슷합니다. 차이점은 상부 및 하부 다이로 구성된 두 부분의 도구 디자인과 프린팅에 있습니다. 그 후 빈 시트를 두 플라스틱 다이 사이에 배치하고 유압 프레스 또는 기타 성형 장비로 프레스 작업을 실시합니다.

3D 프린팅은 다양한 응용 분야에 적합한 신속 툴링을 저렴한 비용으로 빠르게 제작할 수 있는 효율적 방법입니다. 이전 사례에서 확인한 것처럼 직접 및 간접 신속 툴링은 3D 프린팅을 여러가지 방식으로 활용하여 다양한 기존 제조 공정용 금형, 패턴 및 다이와 같은 기능적 도구를 개발합니다.

다양한 3D 프린팅 공정에서 SLA 3D 프린터는 툴링에 적합한 다양한 솔루션을 제공합니다. SLA 3D로 프린팅한 부품은 높은 정밀도와 방수 기능을 지닌 매끄러운 표면 마감으로 금형에 이상적이며, 복잡한 금형 및 패턴 세부 사항을 쉽게 복제할 수 있습니다.

고성능 SLA 재료는 수백, 수천 개의 부품을 생산할 수 있는 견고하고 마감이 우수하며 디테일이 살아있는 금형 및 패턴을 제작하기 위해 산업 워크플로에 쉽게 통합할 수 있습니다.

SLA 3D 프린터 덕분에 그 어느 때보다 기업 자체적으로 신속 툴링 기술을 쉽게 이용할 수 있게 되었습니다. 합리적인 예산으로 사내에서 3D 프린팅 워크스테이션을 쉽게 운영할 수 있으므로 기업들은 24시간 내에 신속 툴링을 제작하고 기타 어떤 공정보다 빠르게 설계 작업을 반복할 수 있습니다.

가공은 기존 툴링 및 하드 툴링의 제조에 있어서 가장 일반적인 방법 중 하나이지만 신속 툴링 제작에도 활용이 가능합니다. 강철 또는 니켈 합금과 같은 내구성을 가진 금속 대신 신속 툴링은 일반적으로 툴링 보드, 목재, 플라스틱 또는 알루미늄을 사용하여 가공됩니다.

3D 프린팅 툴링과 비교하여, 연질 재료로 제작한 가공 툴링은 대형 툴링 및 단순한 형상에 대해 더 효율적일 수는 있지만 설계가 얼마나 복잡하냐에 따라 점점 더 노동 집약적이 되며 비용이 많이 듭니다. 알루미늄 툴링은 내구성이 더 좋고 보통 특히 사출 성형을 위한 중소 규모 생산에 사용됩니다.

가공 도구는 3D 프린터에 비해 가격이 높고 숙련된 작업자를 필요로 하며 자체 생산을 위한 복잡한 워크플로를 가집니다. 특히 신속 툴링으로 프로토타입 반복 제작 과정에 사용되는 일회성 부품의 경우 이런 점이 더욱 부각됩니다. 결과적으로 많은 기업에서 기계 가공을 서비스 제공업체에 의뢰하지만, 종종 몇 주가 걸리는 리드 타임 때문에 신속 툴링의 강점인 신속성을 제대로 누리기 힘듭니다.