유니레버와 세리오플라스트가 신규 보틀 디자인 개발에 3D 프린팅 금형을 사용한 방법

세계에서 거대하기로 손꼽히는 일상소비재(FMCG) 기업은 유니레버(Unilever)는 개인 위생용품에서 가정용 위생용품, 뉴트리션 등 매일 사용되는 제품을 끊임 없이 새롭게 개발하고 있습니다. 유니레버가 Dove, Domestos, Cif, Knorr, Axe (Lynx), Ben & Jerry's 외에도 수십 개의 글로벌 브랜드와 로컬 브랜드를 소유하고 있는 점을 감안하면 지금 이 글을 읽고 계신 독자분의 가정에도 이들의 제품이 하나 이상은 자리잡고 있으리라 확신할 수 있습니다.

FMCG(Fast-moving consumer goods, 일상소비재)는 소비자 수요가 늘 일정하게 존재하는 산업이라 치열한 경쟁이 벌어지므로 브랜드들이 끊임 없이 제품 전략을 혁신하고 시대에 맞춰 조정해야 합니다. 패키징은 브랜드 혁신에서 중요한 영역에 속합니다. 어떤 때는 보틀 하나의 디자인이 그 안에 담긴 내용물 만큼이나 소비자의 인식에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다. 유니레버 같은 브랜드는 소재 사용, 미학적 호감도, 안전성, 지속가능성을 고려해야 할 자사 보유 패키징 유형과 제품의 카탈로그가 엄청나게 다양합니다. 그렇지만 “단순한” 플라스틱 보틀 한 가지만 해도 컴퓨터 스크린에 띄워진 디자인을 제조 라인에 올려 제품을 담기까지 대체로 수 개월이 걸립니다.

유니레버 R&D(이탈리아 카살푸스터렝고)의 CAD 및 프로토타입 책임자 스테파노 카데마르티리(Stefano Cademartiri)와 세리오플라스트 글로벌 서비스의 R&D 디자인 매니저인 플라비오 밀리아렐리(Flavio Migliarelli)는 협력하여 연신 블로우 성형(SBM)을 소량으로 진행할 때 3D 프린팅 금형을 사용할 수 있을지 가능성을 확인하고 프로토타입 제작과 파일럿 테스트 가속, 리드 타임 6주 단축, 비용 90% 절감 등의 효과를 거두게 된 사례를 알아보세요.

식음료 용기, 화장품 패키지, 의료용품 패키지 등에 사용되는 플라스틱 제품은 흔히 블로우 성형, 즉 품질이 우수한 박벽 파트를 빠르게 대량 생산할 목적으로 오랫동안 확립된 일련의 생산 방법으로 제작됩니다. 블로우 성형은 사이클 타임이 대개 1~2분으로 아주 짧으며 물량이 클 경우 엄청나게 비용 효율적인 공정입니다. 일반적으로 낮은 단가에 동일한 파트 수백만 개를 생산해야 할 때 사용합니다.

블로우 성형은 패리슨(parison) 또는 사출 프리폼(preform)이라고 부르는 가열된 플라스틱 튜브를 금형 안에서 원하는 형태(금형과 같은 형태)가 될 때까지 팽창시키는 공정입니다. 블로우 성형에는 압출 블로우 성형(EBM), 사출 블로우 성형(IBM), 연신 블로우 성형(SBM)의 세 가지 유형이 있습니다. SBM은 물병처럼 높은 비율로 유리와 흡사하게 투명한 PET 용기를 생산하는 데 흔히 사용됩니다.

세리오플라스트는 FMCG 산업에서 통용되는 견고한 플라스틱 포장재를 생산하는 글로벌 기업이자 유니레버의 파트너사로서 가정 및 개인용 위생용품 시장에서 사용되는 패키지를 개발 및 생산하고 있습니다. 밀리아렐리 매니저는 “연간 PET, HDPE, PP 소재로 보틀 40억 개를 생산합니다.”라고 설명합니다.

원래 세리오플라스트는 프로토타입용 목업을 직접 3D 프린팅하거나 블로우 성형으로 생산합니다. 지금까지는 3D 프린팅 목업에 촉감과 투명도가 제대로 표현되지 않아 고객사에 보낼 만큼 믿음직스럽지 못했습니다. 그렇지만 실제 제품과 품질이 동일한 샘플을 SBM 방식으로 제작하려면 고가의 금속 공구를 제작해야 하고, 공정의 복잡성으로 인해 일반적인 파일럿 테스트 단계에 6~9주의 리드 타임이 추가되는 데다 금형 제작은 아웃소싱해야 합니다.

밀리아렐리 매니저는 “고객사에 실제 샘플을 전달하기까지 6주에서 12까지 기다려야 했습니다. 단지 신규 보틀 디자인을 보는 데에만 수주를 낭비하고 있었죠. 어떤 때는 부담과 불만이 한꺼번에 밀려왓습니다. 처음부터 다시 해야할 수도 있으니까요.”라며 그간의 어려움을 토로했습니다.

지금까지는 금속에 CNC 가공을 거쳐 SBM 금형을 제작해왔는데, 여기에는 전문적인 장비, CAM 소프트웨어, 숙련된 작업자가 필요합니다. 생산 공정에 필요한 금속 금형은 일반적으로 대행 업체에 맡겨 외주로 제작하므로 4~8주의 리드타임과 공구의 복잡도와 금형당 제작할 파트 수에 따라 대략 $2,000~$100,000+의 비용이 발생합니다.인하우스 방식으로 금속 금형을 가공하는 경우에도 자재 주문, CAM 및 기계 설정, 수동 연마, 기계 가용성 대기 시간을 위한 리드 타임까지 여러 단계를 거쳐야 하므로 보통 6주가 소요됩니다.

결과적으로 프로토타입과 파일럿 테스트용 제작 물량이 적을 때 블로우 성형으로 파트를 생산하는 것은 지금껏 경제적으로 타당하지 못했습니다. 유니레버 같은 기업은 타임라인을 연장해서 계획을 수립하고 각기 다른 소재로 제작된 스타일 목업(기능은 없고 형태만 갖춘 프로토타입)을 기반으로 최종 결정을 내려야 하는 데 결과적으로 이미 제작된 공구가 쓸모 없어지고 들인 비용은 수면 아래로 가라앉는 일이 비일비재합니다.

3D 프린팅은 공구를 신속하게, 그리고 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 강력한 솔루션입니다. 딱히 장비가 많이 필요한 것도 아니고 CNC 처리량과 숙련된 작업자의 시간을 다른 고부가가치 작업에 할애할 수도 있습니다. 인하우스 3D 프린팅을 이용하면 제조업체도, 제품 디자이너도 제품 개발 프로세스에 신속 툴링을 도입하여 대량 생산으로 전환하기 전에 디자인과 제조 과정을 검증해 볼 수 있습니다. 3D 프린팅 금형은 이미 사출성형이나 열성형에 투입되어 반복 설계 주기 단축과 제품 개발 속도 가속, 출시 제품 품질 향상 등의 성과를 보여주고 있습니다.

광경화성 수지 조형(SLA) 3D 프린팅 기술을 성형 방법으로 선택하면 탁월한 결과를 얻을 수 있습니다. 매끄러운 표면 마감과 높은 정밀도로 툴이 최종 파트로 전달되며, 또한 분리가 용이하다는 것이 특징입니다. Form 3L은 대형 포맷 SLA 3D 프린터로 대형 스케일 파트와 금형을 제작할 수 있는 규모이지만 사무 공간에도 설치가 가능할 만큼 컴팩트한 제품입니다.

금형을 제작할 때는 소재 선택이 가장 중요합니다. 유니레버와 세리오플라스트는 SBM 공정의 내부 압력과 온도를 견딜 수 있으며 치수 정확도와 안정성이 변함 없이 우수한 소재가 필요했습니다.

카데마르티리 책임은 “Formlabs 엔지니어의 도움으로 테스트용 보틀 몇 개를을 실제 소재로 제작해 볼 수 있는 금형 소재를 찾을 수 있었습니다.”라며 회상했습니다.

Formlabs은 강도, 강성, 내열성을 모두 겸비한 Rigid 10K Resin을 SBM 공정에 사용하도록 추천했습니다. 산업용 등급이며 유리 비율이 높게 충전된 재료로 열변형 온도는 0.45 Ma에서 218°C이고 인장 탄성 계수는 10,000 MPa입니다. Rigid 10K Resin으로 프린팅한 금형은 치수 안정성이 우수하고 반복성도 커서 수백 번의 블로우 성형 사이클을 견딜 수 있습니다.

카데마르티리 매니저는 “금형에 정확하게 미세조정해야 할 디테일이 있습니다. 특히 로고나 레몬 같은 것들을 디테하게 표현하려면 엄청나게 정밀해야 합니다. Rigid 10K Resin을 Formlabs의 장비와 함께 사용하니 실제 보틀에 고스란히 전달할 수 있는 디테일을 훌륭하게 제작할 수 있겠다는 가능성이 생겼습니다.”라며 회상했습니다.

SLA 3D 프린팅으로 하면 이틀 만에 금형을 제작할 수 있고, 3D 프린팅 금형을 사용하면 파일럿 테스트 시작까지의 리드 타임을 6주에서 2주까지 단축하는 한편, 최종 생산 유닛에 사용되는 재료와 기계로 생산 품질과 흡사하고 현실적인 선행 생산품을 제작할 수 있습니다. 게다가 3D 프린팅 금형을 이용하면 다양한 디자인을 대상으로 한 여러 회차의 파일럿 테스트를 단번에 처리할 수 있습니다.

밀리아랠리 매니저는 “3D 프린팅 금형과 함께 블로우 성형기 안에 배치된 쉘 홀더 안에서 표준 레이아웃을 사용합니다. 이렇게 우리는 금형 설계 시간을 엄청나게 절약하고 3D 프린팅 스케줄을 아주 쉽게 관리할 수 있습니다.”라고 설명했습니다.

기존 방식으로는 테스트를 이렇게 광범위하게 실행하는 것이 거의 불가능합니다. 규모의 경제에서 얻을 수 있는 이점 없이 디자인마다 각각 금속 금형에 비용을 투자해야 하며, 툴링 비용은 절대로 회수할 수 없습니다.

3D 프린팅으로 제작된 금형은 소비자 테스트용 샘플 제작에 가장 많이 사용됩니다. 이렇게 제작된 샘플은 촉감, 심미성, 사용성 면에서 최종 제품과 아주 흡사하며 고객의 눈에는 실제 제품으로 보입니다.

3D 프린팅으로 제작된 모듈식 금형을 두 번째로 많이 사용하는 용도는 SBM 공정과 PET를 팽창시킬 프리폼 검증으로, 공정창과 연신비, 달성 가능한 소재 분포를 살펴봅니다. 세리오플라스트는 인하우스 방식으로 프리폼을 제작하며 사출 성형을 사용합니다. 몇몇 특정한 보틀용 프리폼은 맞춤 제작해야 하지만 프리폼은 대개 표준화된 품목이라 사용자가 조정할 수 없습니다. 세리오플라스트 팀은 기성품 프리폼으로 얻을 수 있는 형태의 범위를 파악하고 싶었습니다. 이런 정볼르 알게 되면 보틀 실생산에 들어가기 전에 주어진 프리폼이 특정한 보틀을 블로우 성형하는 데 적합한지 판단하는 데 도움이 됩니다.

밀리아렐리 매니저는 “표준 파일럿 금형과 동일한 공정 지표를 사용하고 있습니다. 정말 대단하죠. 최종 공정 지표를 테스트해서 보틀에 어떤 일이 일어나는지 확인할 수 있으니까요. 압력을 최고 30 bar까지 고려합니다. 결과는 아주 훌륭하고 믿을 수 있죠 또한, 프리폼을 100°C로 가열하는 것도 논의하고 있습니다. 3D 프린팅 금형의 캐비티에 마모의 흔적이 전혀 없는 상태로요.매일 보틀을 빠르고 쉽게 100개, 200개까지 생산할 수 있습니다. 시간을 늘리면 1000개까지도 가능하죠.”라며 만족감을 드러냈습니다.

3D 프린팅으로 신속하게 제작한 금형을 세 번째로 많이 채택하는 목적은 초기 생산 라인의 몇면 측면을 테스트하는 것입니다. 3D 프린팅 금형으로 성형한 보틀은 생산 유닛과 흡사하므로 라인의 움직임, 스타휠의 작동, 캐핑, 로봇 케이스 포장기의 움직임 등 주요 충전 라인의 검증에 사용할 수 있습니다. 제조 라인을 조기에 파일럿 테스트하면 공장에서 예비 부품 예측, 대량 생산 라인 준비, 출시 기간 단축 같은 효과를 거둘 수 있습니다.

유니레버와 세리오플라스트는 Formlabs의 SLA 프린터와 Rigid 10K Resin으로 리드 타임을 최대 70% 단축하고, 툴링 비용을 최대 90% 절감하여 단 2주 만에 200개의 파일럿 제품을 생산할 수 있었습니다.

“저희는 Formlabs이 아주 훌륭한 파트너라는 점을 알 수 있었습니다. 장비를 판매해서 뿐만 아니라 이런 소재에서 물성을 찾아내도록 지원해준 점도 그렇습니다. 저는 파트너십에서 3D 프린팅 금형으로 개발 여정을 시작해도 되겠다는 가능성을 확인했습니다.”라며 찬사를 보내왔습니다.

유니레버는 앞으로 이 신규 워크플로를 이용해 더 우수한 제품을 더 빨리 시장에 출시하고 패키지 개발과 관련된 위험과 비용을 대폭 줄일 수 있을 것입니다.

카데마르티리 책임은 “3D 프린터는 꿈을 실현할 가능성으로써 우리에게 가장 크게 영향을 미칩니다. 화면에서 보이는 무언가를 몇 주 후에는 손에 쥐고 있는 거죠. 진짜 보틀에 담아 진짜 캡으로 닫고 진짜 라벨을 붙인 진짜 제품입니다.”라며 마무리했습니다.

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