열 성형은 도구 위에 플라스틱 시트를 올리고 열을 가해 형태를 만드는 일련의 제조 공정입니다. 일회용 식품 및 의료 포장, 소비재 및 가전 제품의 생산에 광범위하게 활용되지만 자동차 파트 및 기차 내부 파트과 같은 대형 응용 분야에도 사용됩니다. 열성형 공정은 기술에 따라 단품 또는 중저단가 일괄 생산에 사용할 수 있는 다목적 공정입니다.

세 가지 주요 열 성형 방법이 존재합니다.

• 진공 성형은 가장 간단하고 저렴하며 가장 널리 사용됩니다. 플라스틱 시트를 가열한 후 흡입하여 단일 금형 주위로 잡아당깁니다. 진공 흡인은 보통 약 0.9bar(14PSI)입니다. 식품 또는 전자 제품의 윤곽 포장과 같이 한 면에만 정밀한 성형이 필요한 파트에 이상적입니다.

• 압축 성형은 두 번째로 널리 사용됩니다. 가열된 플라스틱 시트에 압력을 가해 도구에 밀어 넣습니다. 압력은 보통 약 6.9bar(100PSI)입니다. 더 높은 압력을 사용하여 사출 성형 파트과 유사한 표면 마감 수준의 복잡한 디테일의 성형이 가능합니다. 압축 성형과 진공 성형은 모두 얕은 형상에 적합합니다.  

• 기계적 성형은 단면 굴곡이 깊은 파트에 두 부분으로 된 툴을 이용하는데 이상적인 플러그 보조 프로세스입니다. 네거티브 및 포지티브 금형에 함께 압출을 가해 가열된 플라스틱 시트를 형성하게 됩니다. 치수 공차 및 표면 마감 품질은 기타 공정보다 탁월하지만 복잡하고 비용이 많이 소요됩니다.  

가장 널리 사용되는 열성형 소재로는 ABS, PET(PETG 포함), 고충격 폴리스티렌(HIPS), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리에틸렌(PE)과 같은 일반적인 열가소성 레진이 있습니다. 얇은 게이지(두께 3mm 미만) 및 두꺼운 게이지(두께 3mm 이상)의 두 가지 유형의 시트의 사용이 가능합니다. 가공이 손쉬운 얇은 게이지 시트는 시장에서 주로 포장에 광범위하게 사용되는 반면 두꺼운 게이지 시트는 단단한 인클로저와 같은 중부하 작업용으로 사용됩니다. 

전통적으로 금형, 폼 또는 벅이라고 불리는 열성형 툴은 대량 생산 시 CNC 가공 금속으로, 소규모 배치의 경우 목재 또는 합성 보드(폼 또는 유리 섬유)로 제조됩니다. 해당 공정들은 모두 CAM 설정 및 기계 작동에 대해 값비싼 장비 및 노동력을 필요로 합니다. 금형을 아웃소싱하기 위해서는 몇 주간의 리드 타임이 필요하며 수천 달러의 비용이 소요됩니다. 따라서 프로토타입 또는 소량 배치를 위해 제한된 수량의 열성형 파트를 생산하는 것은 일반적으로 불가능합니다.

데스크탑 3D 프린팅은 툴을 신속하고 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 강력한 솔루션입니다. 이 방법은 많은 장비가 필요하지 않고, 동시에 CNC 시간을 절약하고 숙련된 운영자를 다른 고부가가치 작업에 맡길 수 있습니다. 인하우스 3D 프린팅을 도입하면 제조업체와 제품 설계자 모두 제품 개발 프로세스에 신속 툴링을 도입하여 대량 생산으로 전환하기 전에 설계 및 소재 선택을 검증할 수 있습니다. 빠른 속도로 반복 설계하며 제품 개발을 촉진하고 품질이 향상된 제품을 출시할 수 있습니다.

광경화성 수지 조형(SLA) 3D 프린팅 기술을 성형 방법으로 선택하면 탁월한 결과를 얻을 수 있습니다. 매끄러운 표면 마감과 높은 정밀도로 툴이 최종 파트으로 전달되며, 또한 분리가 용이하다는 것이 특징입니다. 광경화 조형 (SLA) 3D 프린터를 사용하여 금형을 생산할 경우 조밀하고 등방성이도록 화학적으로 결합되어 용융 적층 모델링 방식(FDM)과 같은 다른 일반적인 3D 프린팅 기술로는 달성하기 어려운 품질의 기능성 금형을 생산하는 것이 가능합니다. SLA 3D 프린팅은 설계 자유도도 높아 복잡하고 정교한 금형을 제작하기에 이보다 좋은 기술은 없을 것입니다.

Form 4와 같은 데스크톱 광경화성 수지 조형 방식(SLA) 프린터는 구현, 작동 및 유지 관리가 쉽기 때문에 모든 워크플로에 원활하게 통합하는 것이 가능합니다. 사무실용으로 충분히 작은 크기이면서도 대형 3D 프린터 Form 4L의 사용 시 대규모 파트 및 금형을 제작하는 것이 가능합니다. 또한 Formlabs는 툴 제조와 조화를 이루는 기계적 및 열적 특성을 가진 광범위한 엔지니어링 소재를 제공합니다.

본 백서는 진공 성형 및 압력 성형에 초점을 맞춘 3D 프린팅 열성형 금형의 워크플로, 설계 지침 및 모범 사례와 관련한 일반적인 개요를 제공합니다. 그 후, 플라스틱 연구 센터인 IPC, 제품 개발 회사인 Glassboard, 기계 제조업체인 Formech의 세 가지 사례 연구를 통해 3D 프린팅된 각각의 래피드 툴링의 잠재성에 관한 내용에 대해 자세히 설명합니다.
 

3D 프린팅 금형을 사용한 열 성형

3D 프린팅을 위한 열성형 툴의 설계 시 적층 제조를 위한 설계 규칙 및 열성형 금형 설계와 관련한 일반 규칙을 준수할 것을 권장합니다. 3D 프린팅된 금형형 금속 금형과 동일한 기능을 수용하는 것이 가능하며 훨씬 더 복잡한 금형 형상으로 설계 자유도를 확장하는 것이 가능합니다. 다음은 진공 성형용 폴리머 프린팅 툴(압력 성형에도 적용 가능)에 대한 업계 전문가의 추천 내용입니다.

진공 및 표면 마감을 향상시키는 방법:

1. 금형에 구멍을 뚫어 공기가 순환되도록 하고 레진의 부피를 줄입니다. 이를 통해 소재 비용 및 프린팅 시간을 절약하는 동시에 진공을 최적화할 수 있습니다. Formlabs는 최소 1-2mm의 벽 두께를 추천합니다.

2. 시트 두께에 대해 추천 직경에 해당하는 통풍구를 포함합니다. 3D 프린팅 사용 시 부가적인 노력 없이 거의 모든 위치에서 금형 외부의 특히 작은 벤트 기능을 통합시키는 것이 가능합니다. 이를 통해 표면 전체에 진공을 고르게 분포시켜 파트 품질을 높여 보다 완전한 드로우가 가능해집니다. 직경 0.5 mm의 작은 통풍구는 Grey Resin으로 간단히 프린팅 할 수 있습니다. 그러나 Rigid 10K Resin 및 Fast Model Resin을 사용하면 표면에 직경 1mm보다 작은 구멍을 뚫어야 할 수 있습니다.

3. 날카로운 모서리를 피합니다. 드로우 방향의 모서리 반경을 늘리면 소재 웨빙을 줄일 수도 있습니다.

4. 성형 표면의 서포트를 피합니다.

툴의 수명 연장 방법:

5. 기계적 지지를 강화하고 뒤틀림의 방지를 위해 파트의 위상 배치를 따라 리브 네트워크를 추가합니다. 공기 순환을 위해 리브에 노치를 포함시키십시오.

6. 손쉬운 탈형을 위해 구배 각도를 늘리십시오(최소 2-3°).

7. 열성형기의 베이스보드에 툴의 고정을 위해 어셈블리 기능을 구축합니다. 나사 구멍은 모델에 바로 통합할 수 있습니다. 치수 변화 발생 시 프린팅 후 드릴로 손질하는 것이 가능합니다. 파트 배출 시 파손의 방지를 위해 조립품 구성요소에 대한 충분한 계획을 세우십시오. 또는 양면 폼 테이프를 사용하여 툴을 고정시키기 위해 모델 바닥에 평평한 스트립을 추가하는 것도 가능합니다. 하지만 폼은 공정 중에 열을 받으면 압축되어 진공 흐름을 방해할 수 있습니다.

8. 대형 금형 및 대용량의 경우 냉각 채널을 포함시켜 툴의 온도를 조절합니다.

9. 탈형이 어려운 언더컷 또는 기타 형상의 회피가 불가능할 경우: 공구를 여러개의 파트으로 나누어 설계합니다. 접히는 벅은 손쉬운 파트 배출을 가능케하고 파트를 함께 고정하기 위한 자석을 더하는 것이 가능합니다.

10. 성형 후 잉여 소재의 트리밍을 위해 툴의 CAD 설계에 컷라인을 포함시키십시오. 또한 기계 수준에서의 오류 완화를 위해 진공 성형 공정 중에 파트를 올리는 데 도움을 줍니다.

열성형 툴링은 조립력, 성형력(해당 보고서에서는 진공 및 압력을 고려함), 온도, 이형력, 사용 가능한 냉각수 또는 이형제를 견뎌야 합니다. Formlabs는 이러한 요구 사항을 충족하는 다양한 소재를 제공하며 소량 생산에서 사용되는 알루미늄 금형을 교체할 수 있습니다.

SLA 3D 프린팅 툴의 기계적인 특성은 고온에서 감소합니다. 하지만 플라스틱 파트는 열전달이 느리기 때문에 노출 시간이 짧고 금형 온도가 상대적으로 낮을 경우 고온 성형이 가능합니다. 레진의 선택은 기술 및 생산 요건에 따라 달라집니다.

1. 1~5개의 유닛만 형성하고 디자인을 빠르게 반복하려면 Fast Model Resin을 선택하세요. Fast Model Resin은 Formlabs의 표준 재료보다 낮은 해상도로 출력하지만 최대 4배 더 빠르게 출력할 수 있습니다. 이는 대형 파트, 단순 설계, 초기 프로토타입 및 빠른 속도의 반복 작업에 이상적입니다.

2. 표면 마감 품질과 디테일 수준이 높은 1~5개의 유닛만 제작해야 하는 경우 Grey Resin 을 선택하세요. 일반적으로 열성형은 매우 정밀한 공정이 아니며, 대부분의 경우 패스트 모델 레진이 제공하는 표면 마감과 디테일 수준으로 충분합니다. 하지만 Grey Resin은 더욱 정확하고 일관적이며 지지대를 신속하게 제거할 수 있습니다. 급한 경우가 아니라면 작은 파트에 적합합니다. Grey Resin 또는 Draft Resin을 사용하여 프린팅된 금형으로 다수의 파트 제작 시 금형에 충분한 냉각 시간을 할애해야 합니다(파트 및 소재에 따라 8~10분).

3. 툴이 더 까다로운 성형 조건을 필요로 하는 경우에는 Rigid 10K Resin을 선택하십시오. 생산과 근접한 사이클 시간으로 수십 개의 제한된 일련의 파트를 제작할 수 있는 산업용 등급의 유리 충전 소재입니다. Rigid 10K Resin은 HDT가 0.45 MPa에서 218 °C이며 인장강도는 10,000 MPa여서 높은 압력과 온도에서도 형태를 유지하므로 견고하고 매우 단단하고 열적으로 안정적인 금형 소재로 정확도가 높은 부품을 제작할 수 있습니다. 

아래 표는 추천 사항에 대한 요약입니다. 점이 많을수록 특정 조건에서 향상된 성능을 가리킵니다.

툴 프린팅 시 Formlabs 지침에 따라 IPA로 통풍구 및 냉각 채널을 세심하게 세척하고 에어건으로 파트를 건조시켜 구멍 내부를 경화시킬 수 있는 잉여 레진을 제거합니다. Formlabs 지침에 따라 출력물을 후경화시키십시오. 만약 치수에 차이가 발생하는 경우 샌딩, 데스크탑 밀링 또는 드릴을 사용하여 툴을 손질하고 치수를 충족시키십시오. Rigid 10K Resin 이용 시 미네랄 오일을 사용하여 파트를 닦아 표면에서 잉여 파우더를 제거합니다. 기계에 따라 프린팅된 툴을 열성형기에 설치될 판에 나사로 연결하는 것이 가능합니다.

포장과 같이 얇은 시트를 사용하여 간단한 형상 프로토타입의 제작을 위해 이용할 수 있는 장비를 찾고 있다면 Formech 450DT 또는 Mayku 및 Smartform의 모델과 같은 데스크탑 진공 성형기들이 저렴하고 사용하기 쉬운 솔루션이라고 할 수 있습니다. 더 깊은 프로파일 및 더 두꺼운 게이지를 가진 아이템의 경우 Formech 508FS, GN, Ridat 또는 Belovac 제품과 같은 산업용 기계의 더 강한 드로우 및 가열을 필요로합니다. 제작된 플라스틱은 장비 선택에 영향을 미칩니다. 폴리카보네이트(PC)와 같은 소재는 고온, 진공 또는 압력 및 열적 후처리가 필요하기 때문에 기타 플라스틱보다 열성형이 더 까다롭습니다.

다양한 열가소성 레진을 3D 프린팅 툴로 열성형하는 것이 가능합니다. 본 백서에서는 HIPS, ABS, PC, PETG, PE 및 PP의 성형 조건과 관련한 내용에 대해 설명합니다. 온도, 열처리 전처리 및 기타 프로토콜의 설정을 위해 사용하고 있는 플라스틱의 데이터 시트 지침을 따르십시오. 이형은 손쉬운 이형을 위해 광범위하게 사용되며 Slide 또는 Sprayon 제품과 같은 실리콘 이형은 Formlabs Grey Resin, Draft Resin 및 Rigid 10K Resin과 호환됩니다. 얇은 시트용 주석 절단 및 1.5 mm 이상의 두께 시트용 Dremel 절단 휠 같은 훌륭한 절단 툴을 사용하여 최종 파트를 다듬으십시오.

본 섹션에서는 IPC, Glassboard 및 Formech의 사례 연구를 살펴보도록 하겠습니다. 3D 프린팅된 열성형 금형이 벤치탑 및 산업용 기계 모두에서 어떻게 활용되어 수십 개의 기능적 프로토타입, 파일럿 생산용 파트 및 최종 사용 파트를 효율적이고 경제적으로 생산할 수 있는지에 대한 자세한 내용을 계속 확인합니다.

IPC는 프랑스에서 플라스틱과 복합 소재 혁신을 전문으로 다루는 산업 기술 센터입니다. IPC는 모든 기업, 특히 중소기업을 지원하기 위한 새로운 방법을 개발합니다. 이 센터는 사용되는 프로세스에 관계없이 기업의 연구 개발, 혁신, 기술 및 기술 이전을 지원하기 위해 유럽의 주요 과학자들과 긴밀히 협력합니다. IPC 팀은 연구 수행, 프로토콜 수립, 실현 가능성 확인, 기술 이전 지원 등을 통해 제조업체의 혁신 추진을 돕습니다. 해당 팀은 수년간 3D 프린팅을 통한 신속한 툴링의 잠재성, 특히 소량 생산을 위한 3D 프린팅 사출금형의 실행 가능성에 대한 연구를 해왔습니다.

최근 IPC는 VESTAL 그룹과의 협력을 통해 진공 성형에 대한 3D 프린팅 도구 전용 연구 프로젝트를 실시했습니다. 연구팀은 일반적인 열성형 문제가 있는 3D 프린팅 고문 테스트 도구에 대한 타당성 및 수명 테스트를 수행했습니다. 당사는 해당 보고서를 통해 그들의 실험 및 발견 내용을 요약했습니다.

VESTAL 그룹은 의료, 철도, 레저 차량 및 경, 중, 대형 상용차 부문을 위한 초대형 장치를 전문적으로 공급하고 있는 열성형 파트 및 솔루션의 선도 공급사입니다. 해당 그룹은 프로토타입에 대한 높은 수요, 중소 규모의 최종 사용 생산과 관련한 서비스를 제공합니다. 해당 연구의 목적은 생산에 근접 성형 조건을 통해 중소 규모 배치를 짧은 리드 타임과 비용 절감하여 제작할 수 있는 프로토타이핑 도구를 구축하는 것입니다. .

IPC는 SLA, DLP, SLS 및 FDM의 4가지 3D 프린팅 기술을 비교했습니다. 열성형 도구에 고려되는 속성은 거칠기와 내열성입니다. 재료의 열변형 온도(HDT)를 비교하고 벤치마크 파트의 거칠기를 측정했습니다.

해당 백서를 통해 Formlabs 솔루션을 통해 실행한 실험을 보여줍니다. 기술 비교를 포함한 종합적인 연구는 IPC의 요청에 따라 제공됩니다.

극한 시험 부분은 다음의 세부 내용을 준수하도록 설계되었습니다.

• 엠보싱 및 각인된 양각 존재.

• 3°에서 일반적인 구배 각도.

• 구배 각도가 없는 영역의 존재.

• 2 mm 두께 글씨가 양각으로 새겨짐.

• 날카로운 모서리가 있는 부위의 존재.

• 반경 5 mm 부위의 존재.

• 최대 0.8 mm ~ 1.2 mm의 진공 구멍 직경.

• 60 x 130 x 168 mm의 파트 치수.

프린팅된 툴은 두 가지 유형의 응력에 견뎌야 합니다.

• 파트 제작에 사용되는 진공력(최대 -0.8bar).

• 파트의 배출. 이는 가공된 소재, 두께, 벅의 거칠기, 소재와 금형의 접착력에 따라 달라집니다.

기타 디자인 모범 사례

• 향상된 표면 마감을 위해 금형 표면에 서포트의 사용을 피합니다.

• 레진의 양을 줄이기 위해 툴의 속을 비웁니다. 이를 통해 소재 비용, 프린팅 시간을 절약하고 파틍 내부에 향상된 공기 순환을 만들어 진공을 최적화할 수 있습니다.

IPC는 설계의 반복을 통한 툴링의 최적화를 위해 유효성 테스트를 실행했습니다. IPC는 세 가지 다른 금형을 제작했습니다.

1. 극한 시험 파트 V1. 이전 섹션에서 설명한 것과 동일함.

해당 금형에 대한 초기 시험은 냉각 방법의 필요성을 강조합니다. 단 2 사이클 후에 3D 프린팅 툴의 온도가 너무 높아 기계적 특성이 저하되었습니다. 해당 툴은 기계의 고정 장치 위치에서 파손된 후 성형 파트에 끼어있었습니다.

2. 규제를 적용한 극한 시험 파트 V2. IPC는 짧은 냉각 시간을 유지하는 동시에 온도의 조절을 위해 초기 모델에 냉각 채널을 포함시켰습니다.

   1. 물 유입구 및 배출구는 직경 8 mm이며 파트의 중앙에 위치합니다.

   2. 물 유입구와 배출구는 3/8 BSP 나사를 사용하여 툴에 고정되어 있습니다.

   3. 복잡성을 줄이기 위해 네트워크는 서로에서부터 5 mm 거리에 떨어진 직경 4mm의 4개 채널로 분할되었습니다.

   4. 통풍구의 직경은 1.2mm입니다.

두 번째 시험에서는 안정적인 금형 온도가 나타났습니다. 하지만 수로 입구에서 배출 시 누출이 기록되었습니다. 어셈블리에는 개선이 필요했습니다. 

3. 규제 및 고정이 있는 극한 시험 파트 V3 IPC는 어셈블리를 조이고 누수의 방지를 위해 조인트에 인접한 두 개의 추가 고정물을 사용하여 디자인을 통합했습니다.

IPC는 이 부분을 CAD로 설계하는 데 약 4시간, 규정을 도입하는 데 약 8시간을 소비했습니다. 시간은 디자이너의 전문 지식에 따라 달라질 수 있으며 기존 도구에 필요한 CAD 시간과 비슷합니다.

공정 조건은 생산 조건에 접근하기 위해 설정되었습니다.

• 재질: 3 mm 두께의 PS 시트.

• 사이클 시간: 200초. 기존 알루미늄 툴에 비해 사이클 시간이 25% 더 긴 것으로 계산되었습니다.

• 열성형 온도: 170°C.

• 열성형기 BERG M7.

• 이 도구는 20°C의 일반 상수도에 연결되었습니다.

• 해당 툴은 기계에 설치된 판에 고정되었습니다.

• 열화상 카메라가 툴링의 온도를 제어하는 중이었습니다.

3 mm PS 시트 20개 파트가 도구 저하 없이 하나의 3D 프린팅된 벅으로 형성되었습니다. IPC는 프린팅된 금형이 이러한 조건에서 약 50개의 파트를 견디는 능력을 가진 것으로 예상합니다. 성형 파트의 품질은 기존 툴링을 통해 달성한 품질과 비슷했습니다. 표면 마감은 프린팅된 금형에서 수축 또는 마킹 없이 매끄러웠습니다. 필요 시 에머리 천으로 제작된 파트의 연마가 가능합니다. ABS 시트는 유효성 단계에서 시험을 거쳤습니다. 유사한 거동 및 소재 특성에서 IPC는 이러한 결과가 두꺼운 ABS 시트에 유효하다고 판단합니다.

해당 금형은 3.5일 내에 사용이 가능했고 11시간의 기계 시간과 3.5시간의 노동이 필요했습니다. 50€/시의 요율로 인건비는 175€였습니다. 그들은 249€/L의 가격으로 387mL의 레진으로 레진 비용이 97€가 되었습니다.

해당 연구는 Formlabs Rigid 10K Resin을 사용하여 3D 프린팅된 금형이 두꺼운 PS 시트를 최대 20~50사이클 동안 열성형할 수 있다는 사실을 보여주었습니다. 금형 설계에 냉각 채널을 통합할 경우 중소 생산을 위한 합리적인 사이클 시간을 유지하는 동시테 금형 수명을 연장하는 것이 가능합니다. 리드 타임은 기존 툴링보다 3~7배 짧고 비용은 최소 절반으로 절감할 수 있습니다.

성형된 파트의 품질은 알루미늄 툴링을 통해 획득한 것과 비슷하지만 치수 정확도는 연구의 고려대상이 아닙니다. IPC는 치수 변화의 제한을 위해 파트 크기를 A4(210 x 297 mm) 형식으로 제한하는 것을 권장합니다.

이러한 결과는 더 얇은 시트뿐만 아니라 ABS 및 PS보다 열등한 특성을 가진 소재에서도 비슷하거나 더 나은 결과를 얻을 수 있음을 시사합니다. 하지만 PC와 같이 특성이 강한 Sheet에 대해서는 추가적인 시험을 필요로 합니다.

Glassboard는 야심에 찬 기업으로 의미 있는 제품의 설계, 개발, 프로토타입 및 출시를 지원하는 제품 개발 회사입니다. 고객에게 더 나은 서비스를 제공하기 위해 직접 프린팅한 초기 프로토타입부터 사전 생산 파트 및 사출 성형, 열성형 및 실리콘 주조를 위한 3D 프린팅 툴을 포함한 제한된 시리즈에 이르기까지 전체 제품 개발 사이클에 3D 트린팅을 사용합니다. 해당 팀은 3D 프린팅된 금형에서 폴리카보네이트(PC)의 기능성 프로토타입의 진공 형성에 사용되었던 워크플로를 안내해 주었습니다.

Glassboard는 테스트 퍽과 헬멧이라는 두 가지 최신 프로젝트를 공유했습니다. 금형은 속이 비어 있고 파트 내부에 크로스 멤버가 있어 강도를 높이고 진공 성형 시 금형 파손을 방지합니다. 성형 표면은 진공 공정을 위한 직경 1.5mm의 작은 공기 구멍으로 구성됩니다. 테스트 퍽은 벽 두께가 0.5mm~0.8mm이고 구배 각도가 최소 2도인 단순한 기하학적 구조입니다.

헬멧의 벽 두께는 4 mm이고 특히 일부 언더컷 영역처럼 더욱 까다로운 디자인 기능을 제공합니다. 금형은 열성형 제품에서 분리가 가능하도록 여러 부분으로 디자인되었습니다. 폴리카보네이트 성형 파트는 해당 두께에서 유연하지 않으며 언더컷의 표면을 줄이는 것만으로는 파트의 이형에 충분하지 않습니다. 몇 번의 설계 반복 끝에 5개의 파트 금형 형상 모델에 도달했습니다. 바닥은 하나의 중앙 코어로, 금형의 각 슬라이드를 빼내기 전에 먼저 드롭아웃되는 방식입니다. 아쉽지만 성형된 파트에 파팅 라인이 육안으로 확인됩니다. 해당 기업은 파트 내부에 자석을 사용하여 다른 파트를 함께 고정하고 진공 성형 시 정렬했습니다. 공기 순환의 개선을 위해 코어 부분에 더 큰 구멍을 추가하는 것이 가능합니다.

이 도구는 Form 시리즈에서 Formlabs Fast Model 레진으로 200미크론 층 높이로 하룻밤 동안 프린팅되었습니다. 헬멧의 크기가 크기 때문에 팀은 반복 작업 속도를 높이기 위해 가장 빠르게 프린팅할 수 있는 의 레진인 패스트 모델 레진으로 프린팅하기로 결정했습니다. 모든 서포트의 제거 후 파트의 마무리를 위해 약 20분간 샌딩하고 매끄럽게 다듬어야 했습니다. 연마 또는 이형제의 사용이 불필요 했습니다. 소형 파트의 경우, 특히 길고 얇은 부분의 뒤틀림 방지를 위해 보통 Grey Resin을 사용하여 프린팅합니다.

Glassboard의 운영 부사장인 Grant Chapman은 “프로세스에 익숙해지면 3D 프린팅을 위한 도구 설계에 있어서 단순한 파트의 경우 약 20분, 복잡한 형상의 경우 하루 안에 출력이 가능합니다. 파트 디자인에서 몰드 성형까지 믿을 수 없을 정도로 빠르기 때문에, 다음 날이면 완제품을 만날 수 있어요. 그러면 동일한 몰드를 이용해 같은 파트를 계속 생산할 수 있죠. 정말 강력한 프로세스입니다.”라고 합니다.

해당 팀은 Formech 508FS 열 성형기를 사용하여 3 mm 두께의 PC 시트를 제작하고 1.5 mm 두께의 열 성형 제품을 만들었습니다. 그들은 PC 시트의 진공 성형을 위해 규정된 표준 성형 조건을 적용했습니다. 우선 시트를 80~100°C의 오븐에서 3일간 구워 수분을 제거한 후 기포를 제거하고 성형했습니다. 이 단계는 PC 열성형에만 해당됩니다. PETG와 같은 기타 열가소성 수지의 열 전처리는 속도가 더욱더 빠를 수 있습니다. 시트는 8-10분의 냉각 시간, 194°C 및 204°C 범위의 온도, 20 내지 25bar의 압력을 통해 제작되었습니다.

Chapman은 "패스트 모델 레진과 그레이 레진이 힘과 열 측면에서 공정을 얼마나 잘 견디는지 보고 놀랐습니다. 이것은 정말 놀라운 부분입니다. 매우 빠른 속도로 정확하게 프린팅할 수 있는 저렴한 레진을 사용하게 되면 적은 노력으로 훌륭한 파트를 얻는 것이 가능합니다.”라고 합니다.

해당 팀은 테스트 퍽 15개와 헬멧 2개를 제작했습니다. 그들은 진공 성형기를 통해 시트를 형성하는 데 있어서 문제를 맞닥뜨리지 않았습니다. 시트에서 용융 또는 변형이 관찰되지 않았으며 벅이 갈라지거나 타지 않았습니다. 그들은 금형에 문제가 발생할 때까지 시험을 진행하지 않았지만 8분에서 10분의 냉각 시간이 보장된다면 더 많은 사이클을 견딜 수 있다고 믿습니다. Rigid 10K Resin처럼 열적 특성이 더 높은 3D 프린팅 소재를 선택할 경우 냉각 시간을 2~3분으로 줄이는 것이 가능합니다.

지금까지 해당 팀은 툴링을 아웃소싱했습니다. Formlabs 프린터를 사용하여 자체적인 3D 프린팅을 통해 비용을 10배 줄이고 리드 타임을 몇 주에서 며칠로 단축했습니다. “저희는 사업적인 측면으로 진공 성형을 하지 않았고 고객에게 옵션을 제안하지도 않았습니다. 왜냐하면 우리에게 쉽지 않은 일이었기 때문입니다. 반면에 이제는 더 복잡한 형상의 최종 제품이 사출 성형되더라도 해당 프로세스를 사용하여 외관 및 프로토타입과 비슷한 공작물을 제작하는 것이 너무 간단해 졌습니다. 작업을 정말 쉽게 처리할 수 있는지는 이름없는 영웅과 같습니다.”라고 Chapman이 말했습니다.

전 세계에 걸쳐서 컨설팅, 장비, 설치 및 교육을 포함한 완벽한 솔루션을 제공하고 있는 40년의 경험의 진공 성형 기계의 설계 및 제조사입니다. 기계의 범위는 수동 기계에서부터 완전 자동 기계에 이르기까지 다양합니다. Formech는 커뮤니티의 성공을 지원하기 위해 혁신적인 기술을 모색하고 있습니다. 온디맨드 툴링을 통한 유연성의 확보가 특히 관심 분야 중 하나입니다. Formech 팀은 그들의 진공 성형 기계에서 3D 프린팅된 금형의 사용 가능성에 대해 평가하고 그 결과를 우리와 공유했습니다.

일반적인 열성형 품목을 반영하기 위해 Formech는 다음 사양의 포켓 트레이를 디자인했습니다.

• 200 mm x 160 mm x 42 mm의 파트 치수

• 20 mm x 130 mm x 0.4 mm 크기의 양각 글자의 존재, 로고는 트레이면의 곡률을 따르고 작은 언더컷이 포함되어 있음.

• 6mm 벽 두께 및 3° 드래프트 각도.

• 1 mm 직경의 진공 구멍. 

• 해당 금형은 레진의 소비를 제한하기 위해 베이스에서 3 mm 벽 두께로 속이 비어 있습니다. 향상된 기계적 서포트 및 향상된 공기 흐름을 위해 하단에 추가 리브를 배치했습니다.

• 양면 폼 테이프 또는 나사로 진공 성형 기계의 베이스보드에 툴을 고정시키기 위해 그리드 영역의 하단에 4개의 평평한 팁이 존재합니다.

3개의 금형이 100미크론 층 높이에서 Grey Resin, Rigid 10K Resin 및 High Temp Resin을 사용하여 Form 3L 프린터에서 3D 프린팅되었습니다. 출력물은 Formlabs 지침에 따라 세척 및 후경화를 거쳤습니다.

해당 팀은 다음과 같은 성형 조건을 통해 포켓 트레이를 형성했습니다.

• 소재: 흰색 ABS 및 1.5 mm 두께의 밝은 파란색 HIPS 시트.

• 사이클 시간: 2.5분.

• 열성형 온도: 180°C.

• 진공 성형기: 플라스틱 폐기물의 감소를 위해 작은 축소 창을 사용하는 Formech 686.

• 툴은 나사를 사용하여 베이스보드에 고정되었습니다.

  • Grey Resin 트레이는 3.5 mm 직경의 쌍 나사산 나사으로 조였습니다. 나사가 충분히 고정될 수 있도록 직경 3.0 mm의 파일럿 구멍이 사용되었습니다. 

  • Rigid 10K Resin을 사용하여 프린팅된 금형은 M5 기계 나사로 프린팅한 후 드릴링 및 탭핑했습니다. 레진은 Grey Resin보다 덜 유연하고 훨씬 더 단단하기 때문입니다.

성형 파트 수: 1.5 mm 두께의 ABS 및 HIPS 시트의 50 파트가 각각 프린팅된 툴에 형성되었습니다. 진공 성형품은 툴링 과열을 허용하지 않은 상태에서 기존의 생산 방법과 유사한 방식으로 생산되었습니다. 일정한 사이클 시간이 사용되었습니다.

성형된 파트의 품질: 성형된 파트의 품질은 기존 툴링으로 얻을 수 있는 것과 비슷했습니다. Form 4L의 두 레이저로 인한 경계선은 최종 파트에서 확인할 수 있었지만 성형 전에 툴링을 통해 사포로 제거하는 것이 가능했습니다.

시간 경과에 따른 금형 노화: Grey Resin 금형은 툴이 가열되면서 측벽 상단이 약간 구부러졌지만 파트의 품질에는 영향을 주지 않았습니다. High Temp Resin 금형은 거의 구부러지지 않았습니다. Rigid 10K Resin은 눈에 보이는 움직임이 전혀 없었고 생산 과정 중에 단단함을 유지했습니다.

해당 팀은 짧은 생산 실행의 경우 Grey Resin을 사용하여 프린팅하고 대규모 배치의 경우 Rigid 10K Resin의 선택을 권장합니다. 선명한 디테일이 들어간 Rigid 10K Resin은 고온 Resin보다 더 견고하며 하루 종일 생산이 가능합니다.

추가적인 참조를 위해 Formlabs 팀은 소규모 패키징 애플리케이션을 위한 다양한 금형 형상으로 자체적인 몇 가지 시험을 완료했습니다. Scheu-Dental의 Ministar S230V로 PETG, PE 및 PP 시트를 열성형했습니다. 시트 두께는 0.5~2 mm 범위였습니다. 툴의 치수는 100 x 100 x 20 mm 이내였습니다.

*+표시가 있는 사이클 수는 금형이 고장 시험을 거치지 않았음을 가리키고, 해당 금형은 여전히 양호한 상태이며 더 많은 사이클에 사용될 수 있는 가능성을 가리킵니다.

두 툴을 사용하여 각각의 소재로 15~20개의 파트를 제작하고 금형 저하 없이 시험을 중단했습니다. 다음은 몇 가지 관찰 내용입니다.

• 툴의 온도는 몇 번의 반복 후 약 60°C에서 안정화되었습니다.
• 짧은 사이클 시간(80초)에서 매우 얇은 시트(0.5mm)의 경우 약 10회 반복 후 진공 성형 품질의 저하가 발생하고 파트를 이형하기가 더 까다롭습니다.
• 더 긴 사이클 시간에서 약 1-2mm 두께의 시트의 경우 탈형이 더 쉽고 파트의 품질이 향상됩니다.

해당 시험은 툴의 고장 없이 수십 개의 파트를 생산할 수 있음을 의미합니다. 작은 크기의 파트 및 얇은 시트의 경우 Grey Resin은 프로세스를 견딜 수 있을 만큼 충분히 강해야 합니다. 하지만 형상에 따라 열에 장기간 노출되어 시간의 경과에 따라 뒤틀림이 발생할 수 있습니다.

소량의 작은 파트를 생산하기 위해서는 Grey Resin을 사용하여 프린팅하고 더 큰 파트 및 대량 생산에는 Rigid 10K Resin을 권장합니다.

데스크탑 3D 프린팅은 맞춤형 파트 또는 단기 생산을 위한 열성형 몰드를 경제적으로 신속하게 제작할 수 있는 강력한 솔루션입니다. 해당 보고서는 SLA 3D 프린팅 툴을 통해 며칠 만에 일반 열가소성 레진으로 수십 개의 파트를 열성형하는 방법에 관한 내용을 정리했습니다.

해당 업계는 이제 막 3D 프린팅 열성형 툴의 가능성을 타진하기 시작했으며 섬유 강화 복합 재료 몰딩과 같은 고성능 애플리케이션으로의 확장이 가능합니다. 3D 프린팅된 신속한 툴링은 또한 의료 부문에서 경제적인 맞춤형 최종 사용 파트의 제조에도 이상적입니다. 특히, 3D 프린팅된 모델에 대한 압력 성형은 치열 교정에서부터 투명 얼라이너의 생산에 필수적인 방법입니다.

오늘날 3D 프린팅은 직접적으로 3D 프린팅된 초기 고속 프로토타입에서부터 사전 생산 파트 및 공장 현장의 신속한 툴링을 통한 제한 시리즈에 이르기까지 제품 개발 프로세스의 각 단계에서 효율성의 향상하는 데 사용되고 있습니다. 프로토타이핑 뿐만 아니라 3D 프린팅은 주문형 맞춤형 툴링을 가능케 하고 툴 제작 방식을 재고를 통해 제조 프로세스에 유연성을 더해줍니다. 이로써 제조업체들은 변화하는 비즈니스 요건을 빠른 속도록 충족시키고 합리적인 가격의 소량 생산을 자체적으로 실현하는 것이 가능합니다.

광경화성 수지 조형 방식의 열성형 프린터 사용에 대해 궁금한 점이 있으신가요? 전문가에게 문의하거나 무료 샘플 파트 중 하나를 요청하세요.