프로토타입 제작에서 생산까지, 판금 성형(Sheet Metal Forming) 소개

금속 제조는 경제를 구성하는 모든 분야에서 꼭 필요한 제조 방법입니다. 금속 구성품은 특유의 강도와 경도, 장기 내구성 덕분에 전자 제품에서 건설 파트와 자동차 차체 패널에 이르기까지 응용 분야가 다양합니다. 금속을 사용하는 기존의 제조 기술에는 성형, 주조, 금형 제작, 접합, 기계 가공 등이 있습니다.  

판금 성형에는 판금 조각에 힘을 가해 원하는 형태로 소성변형 시켜 소재의 일부분을 제거하기보다는 형태를 변경하는 프로세스가 다양하게 존재합니다. 판금은 휘거나 늘려서 여러 가지 복잡한 형태로 성형하며 최소한의 재료로 강도가 높고 복잡한 구조로도 만들 수 있습니다. 

판금 성형은 오늘날 금속 파트 대량 생산에 사용되는 가장 비용효율적인 성형 공정입니다. 공장에서는 생산을 고도로 자동화할 수 있지만 생산 공정 스펙트럼의 다른 한 쪽 끝에는 수작업으로 진행하는 소량 시리즈 파트 제작도 존재합니다. 재료 낭비가 적고 정확한 금속 파트를 제작하기에 적합한 일관성 있고 품질이 우수한 다목적 공정입니다. 판금 성형으로 제작되는 금속 캔에서 하드웨어 보호 하우징까지의 파트를 우리 일상 생활 어디에서도 찾아볼 수 있습니다. 

이 글에서는 판금의 기초와 다양한 판금 성형 공정, 신속 툴링과 3D 프린팅 다이를 이용한 판금 성형 비용 절감 방법을 알려드리려고 합니다. 자세한 개요와 단계별 방법은 웨비나를 시청하거나 백서를 다운로드하여 확인해 보세요. 

판금은 얇고 평평한 금속 판을 의미하는 데 산업 공정을 거치면 원하는 형태로 성형할 수 있습니다. 호일이나 박으로 알려진 초박판은 두께가 6mm(0.25in) 이하이고 두께가 6 mm 보다 두꺼우면 강판 또는 "강재"라고 합니다. 판금의 두께는 보통 전 세계적으로 mm 단위로 표현하지만 미국의 경우 게이지라는 비선형적인 단위를 사용합니다. 게이지 번호가 클수록 판금의 두께는 얇습니다. 

판금은 자동차, 항공기, 기차, 하드웨어 인클로저, 사무용 도구, 가구, 가전 제품, 컴퓨터, 기계 구성품, 음료 캔, 건설 장비(덕트, 거터, 등) 생산에 널리 사용되는 소재입니다. 

일반적으로 내구성이 중량보다 중요한 응용 분야, 예를 들어 선박, 압력 용기, 터빈을 이루는 대형 구조 파트를 제작하는 데 판금을 사용합니다

판금으로 가공할 수 있는 금속으로는 알루미늄, 강철, 황동, 주석, 구리, 니켈, 티타늄, 장식용 금, 은, 백금 등 다양한 금속이 있습니다.

판금은 일반적으로 롤 단위로 만들어져 다양한 모양으로 절단하고 구부릴 수 있도록 말려진 형태로 저장합니다.

판금 성형에는 다이 또는 타공 도구로 구현하는 절곡, 스피닝, 드로잉, 신장 처리가 포함됩니다. 성형은 대체로 프레스기에서 진행하며 두 개의 다이 사이에서 파트의 형태를 만듭니다.

판금 성형 공정은 간단히 다음 과정을 거칩니다.

1. 금속 스톡에서 블랭크를 개별적으로 오려냅니다. 

2. 두 가지 도구 사이에 위치한 성형기에 블랭크를 배치합니다.  

3. 기계 장비에 큰 힘을 가해 상부 다이(펀치로도 알려짐)로 이와 맞물려지는 하부 다이 주변으로 판금을 눌러 원하는 모양으로 구부립니다.

단점은 판금 성형이 장비 집약적인 작업이라는 점입니다. 공정에는 제작하려는 파트에 따라 다양한 기계와 특수 도구가 필요합니다. 위에 기재된 대로 성형기 또는 다이라고도 하는 도구는 시트를 굽히는 역할을 하는 성형 기계의 일부입니다. 

일반적으로 제조업체는 금속을 CNC 기계로 인하우스 가공하거나 서비스 제공 업체에서 외주로 자사의 성형 도구를 생산합니다. 이렇게 도구를 먼저 제작하면 비용이 많이 들고 리드 타임도 상당히 늘어납니다. 

금속 구성품 사용으로 혁신을 이루고 동력을 얻은 업계는 더 정교한 파트와 이 파트를 생산할 더 민첩한 생산 수단이 필요합니다. 단순히 툴링(공구 제작) 기술 재고만으로도 강력한 변화를 이끌 수 있습니다.

차체 패널 같은 대형 파트에는 무거운 공구가 필요하지만 금속 작업장에서는 대부분 작은 굽힘력이 필요한 소형 장치도 종류를 가리지 않고 생산합니다. 프로토타이핑과 소량 생산에 금속 도구 대신 인하우스 프린팅 플라스틱 파트를 사용하면 개발 시간을 단축하고 생산 비용도 절감할 수 있습니다. 

인하우스 3D 프린팅을 이용하면 엔지니어가 금속 파트 프로토타입 제작과 공구 반복 설계를 단 몇 시간 안에 해결할 수 있고 외주 제작 업체에 맡기면 생산 과정이 경직되는 복잡한 형체도 제작할 수 있습니다. 전문가용 데스크톱 프린터는 가격이 합리적이며 생산 라인 중간에 끼워넣기가 쉽고 수요에 따라 재빨리 확장할 수 있는 도구입니다.

제조 업체들은 이미 공장에서 금속으로 된 지그, 고정구 및 교체용 부품 대신 폴리머 레진을 광경화성 수지 조형 방식(SLA)으로 프린팅한 프린트물을 사용하고 있습니다. 사출 성형이나 열 성형 같은 공정에서 테스트용 금형을 플라스틱으로 제작하면 값비싼 금형을 사용하기 전에 효과적으로 설계를 검증하고 DFM 문제를 해결할 수 있습니다. 금속 대신 플라스틱을 사용하므로 소재 비용을 상당히 절감할 수 있었습니다.

영상에서 Formlabs 엔지니어링 팀의 Shane Wighton이 판금 성형에 3D 프린팅으로 제작한 도구를 사용하여 컨셉을 증명한 방법을 알아보세요. 

SLA 3D 프린팅 기술에는 판금 성형에 적용할 수 있는 흥미로운 특성이 있습니다. 우수한 정밀도와 매끄러운 표면 마감을 특징적으로 얻을 수 있는 SLA 3D 프린터를 이용하면 정합 피처가 우수한 도구를 생산할 수 있어 반복 설계가 쉬워집니다. 여러 가지 기계적 특성을 가진 광범위한 재료 라이브러리를 이용하여 특정 사용 사례에 적합한 레진을 선택할 경우 성형 결과를 최적화할 수 있습니다. SLA 레진은 등방성이며 다른 3D 프린팅 재료와 비교할 때 하중을 가해도 상당히 안정적입니다. 플라스틱 다이는 금속처럼 자국을 남기지 않으므로, 플라스틱 툴링에서는 연마 단계를 생략할 수 있습니다.

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

판금 성형용 공구를 인하우스로 3D 프린팅하면 리드 타임이 몇 주에서 단 하루로 줄어 디자이너와 엔지니어에게 유연성이 생깁니다. 

대량 생산에 필요한 공구의 프로토타입을 플라스틱으로 제작하면 고가의 금속 공구를 제작하기 전에 설계를 검증할 수 있습니다. 단기 실행 생산의 경우 프린팅한 다이를 사용하면 파트의 외주 제작 비용을 수백 달러까지 절약할 수 있습니다. 

다음은 백서에 수록된 금속 블레이드 가드 생산에 필요한 다이 제작의 비용과 리드 타임 비교표 입니다.

공구 제작 방법의 재고는 금속 제조에 드는 비용을 절감할 수 있는 강력한 방법입니다. 값비싼 도구를 프로토타입으로 제작하여 얻는 민첩성 외에도 플라스틱 다이를 3D 프린팅으로 제작하면 고가의 금속 공구를 효과적인 동시에 경제적으로 대체할 수 있습니다. 판금 성형의 경우 3D 프린팅 공구를 사용하면 구부러진 브래킷에서 양각 처리된 파트, 루버, 그릴, 프레스 브레이크용 기성품 다이 세트에 이르기까지 응용 분야를 다양하게 개척할 수 있습니다. 

무료로 제공해드리는 백서에서는 3D 프린팅 플라스틱 다이로 금속 블레이드 가드를 성공적으로 제작한 방법을 소개합니다. 단 하나의 다이 세트로도 인하우스 단기 실행 생산으로 이런 파트를 수십 개 생산할 수 있습니다. 백서를 다운로드하여 자세한 사례 연구와 단계별 방법을 알아보고 웨비나를 시청하여 개별 설계 고려 사항과 응용 분야의 예시를 알아보세요.