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듀오폼 펠릿 압출 3D 프린팅으로 비용을 대폭 절감하고 리드 타임을 단축

듀오폼 펠릿 압출 3D 프린팅으로 비용을 대폭 절감하고 리드 타임을 단축new

다양한 산업을 위한 열성형 분야의 선두 주자인 Duo Form은 폴리머 펠릿 압출 적층 제조(AM)를 통해 생산 능력을 발전시킵니다. 

Duo Form은 3D Systems와 협력하여 AM을 제조 공정에 통합하고 Titan 3D 프린터를 활용함으로써 비용을 대폭 절감하고 리드 타임을 단축하며 열성형 및 진공 성형 공정을 위한 대표적인 샘플, 생산 금형 및 도구를 3D 프린팅하여 민첩성을 높이고 있습니다.

 

 

"우리는 Titan 3D 프린터로 많은 비즈니스를 얻었습니다. 부품, 금형 및 성형 부품의 처리 시간은 우리를 귀하의 의견보다 도약하고 경계로 만들었습니다."


- 데이비드 라인하이머, 듀오 폼 제품 개발 매니저

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도전 과제

 

생산 공정의 시간, 비용 및 지연

경쟁이 치열한 열성형 플라스틱 시장에서 Duo Form은 제조 공정을 혁신하고 리드 타임을 단축하며 비용을 절감하여 고객에게 더 나은 서비스를 제공하고 새로운 비즈니스를 수주하기 위해 지속적으로 노력하고 있습니다. 동시에 금형 품질과 내구성을 유지하는 것이 중요합니다.


시간과 비용 절감만이 Duo Form과 같은 열성형기가 직면한 유일한 과제는 아닙니다. 또한 설계 반복을 통해 신속하게 혁신하고 승인 및 생산 프로세스의 지연을 피하기 위해 본격적인 프로토 타입을 생산해야합니다.

 

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솔루션

AM으로 금형 생산


Duo Form은 이제 Titan 3D 프린터에서 폴리머 펠릿 압출을 사용하여 열성형 금형을 3D 프린팅하여 세라믹 또는 금속 금형을 만드는 기존 CNC 방법을 대체합니다. 

대형 펠릿 압출 AM은 사출 성형과 같은 다른 압출 제조에 공통적이며 기존 FDM 필라멘트보다 최대 10배 저렴한 비용 효율적인 열가소성 펠릿을 사용합니다. 

또한 3D Systems의 펠릿 압출 시스템은 필라멘트 시스템보다 최대 10배 빠른 프린트 속도로 고처리량 프린팅을 가능하게 합니다.


3D Systems와 Duo Form은 유리로 채워진 폴리카보네이트 펠릿 등급이 저렴하고 쉽게 조달되며 내구성 있고 치수가 정확한 재료로서 열성형 공정을 견딜 수 있는 것으로 입증되었기 때문에 열성형 금형 인쇄에 이상적인 재료로 식별되었습니다.


또한 Duo Form은 3D Systems의 프린팅 경험을 활용하여 진공 통로로 작동하기에 적합한 다공성으로 금형을 프린트하기 위한 최적의 프린팅 파라미터를 달성합니다. 적층 제조된 금형의 이러한 고유한 기능은 열성형 부품에 캐비티를 적절하게 형성하기 위한 특수 도구가 필요하지 않으므로 금형 생산에 드는 시간과 인건비가 더욱 절감됩니다.


AM을 통한 혁신과 설계 반복

AM을 통합하는 것은 Duo Form의 금형 제작 공정을 뛰어 넘습니다. 업계를 선도하는 혁신 기업인 Duo Form은 Titan 3D 프린터를 사용하여 최종 제품의 샘플 부품을 빠르게 인쇄하여 도구를 만들기 전에 고객에게 선보입니다. 금형 제작 공정을 진행하기 전에 설계 승인을 위해 부품을 직접 인쇄함으로써 설계 반복 속도가 빨라지고 리드 타임이 전반적으로 단축될 수 있는 문이 열렸습니다.

 

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결과

상당한 비용 절감 및 리드 타임 단축


Duo Form은 회사가 레크리에이션 차량용 샤워 팬인 Titan 펠릿 기반 3D 프린터에 인쇄한 최초의 열성형 금형으로 즉각적인 결과를 얻었습니다. 3D 프린팅 작은 샤워 팬은 비용을 50% 이상 절감하고 프린팅은 20시간도 채 걸리지 않아 전통적으로 제조된 금형과 유사한 수명을 가진 고품질 금형을 만들었습니다. 듀오 폼 제품 개발 관리자인 David Rheinheimer는 이 3D 프린팅 금형이 생산에 들어갔고 큰 마모 없이 1,000장 이상 촬영되었으며 여전히 100% 품질의 부품을 생산하고 있다고 보고했습니다.


Duo Form과 3D Systems는 또한 대형 금형 생산을 위한 AM을 시연하기 위해 Titan 펠릿 압출 시스템을 사용하여 열차 내부 패널을 생산하는 프로젝트에 협력했습니다. 3D 프린팅 이 1,294mm x 410mm x 287mm 금형은 기존 세라믹 금형 방법에 비해 최대 88%의 예상 비용 절감 및 최대 65%의 리드 타임 단축 가능성을 보여 주며 기존 알루미늄 금형 방법에 비해 훨씬 더 큰 절감 효과를 보여줍니다.

 

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제조 공정의 일부로 AM을 구현한 이후 Duo Form은 회사가 더 많은 비즈니스를 수주했으며 펠릿 압출 3D 프린팅의 속도와 민첩성 덕분에 이제 거래를 더 빨리 성사시켰다고 말합니다. 예를 들어, Rheinheimer는 Duo Form 3D가 샘플 파트를 3D 프린팅하여 고객에게 파트 성형에 대한 견적과 함께 제시하는 방법을 공유했습니다. 최종 디자인을 먼저 볼 수 있는 속도와 능력에 깊은 인상을 받은 고객은 같은 날 Duo Form에 입찰을 낙찰했습니다. 이것은 이제 Duo Form의 표준 관행이며 고객에게 부가가치를 제공합니다.


Rheinheimer는 금형 보관과 관련하여 AM이 제조업체에 제공하는 또 다른 가치, 특히 생산이 중단되었지만 예비 부품을 위해 미래에 형성해야 할 수도 있는 제품의 경우 AM이 제조업체에 제공하는 또 다른 가치를 볼 수 있다고 말합니다. AM을 사용하면 디지털 인벤토리를 통해 기존 금형을 보관할 필요가 없으며 대신 필요할 때마다 새 금형을 신속하게 인쇄 할 수 있습니다.


적층 제조는 기존 생산 공정을 보완합니다. Duo Form의 대형 펠릿 압출 3D 프린팅 채택은 AM과 기존 방법이 함께 작동하여 최적의 제조 속도, 비용 관리 및 고품질 부품 생산을 달성하는 방법을 보여줍니다.

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3D Systems 새로운 고성능 금속 재료 추가로 재료 포트폴리오 강화

3D Systems 새로운 고성능 금속 재료 추가로 재료 포트폴리오 강화

- 강도 및 내식성으로 인해 에너지, 산업용 가스 터빈을 포함한 까다로운 핫 존 응용 분야에 이상적인 HX인증

- 첨단 소비재의 열 관리 및 냉각 응용 분야를 위해 순수 구리보다 훨씬 더 강한 Cucr2.4 합금 인증

 

3D Systems는 HX 및 Cucr2.4 두가지 새로운 소재를 인증 받았습니다. 두 재료 모두 DMP Flex 350 및 DMP Factory 350 3D 프린터와 함께 사용할 수 있도록 인증되었으며, HX는 에너지 산업용 가스 터빈(IGT), 하이테크, 소비재, 항공 우주 및 방위, 자동차와 같은 산업에서 고강도 및 내식성이 필요한 광범위한 응용 분야를 처리하기 위해 DMP Factory 500 에 대한 인증도 받았습니다.

 

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인증된 HX

인증된 HX는 다른 니켈 합금에 비해 몰리브덴 함량이 높은 고성능 니켈 합금(최대 9.5%)으로 고온 구역 환경에서의 강도와 부식, 크리프 변형, 균열 및 산화에 대한 내성을 향상시킵니다. 이 재료는 사용 온도가 최대 1200℃인 응용분야에  이상적입니다.

우수한 프린트 파트 품질과 파트 밀도(일반적으로 99.9%)를 갖춘 Certified HX는 에너지, 산업용 가스 터빈(IGT), 석유 화학 및 항공 우주 및 방위 산업에 최적의 방향으로 냉각 및 흐름 채널이 통합된 대형 부품을 생산하는 데 이상적입니다.

여기에는 핫 존 고정자 블레이드 및 통합 고정자, 임펠러, 터빈 베인, 드릴링 도구 및 HX 재료의 높은 서비스 온도의 이점을 활용하는 연소 부품과 같은 응용 분야가 포함됩니다.

 

연구진은 DMP Flex 350, DMP Factory 500과 함께 사용할 Certified HX에 대한 매개변수를 개발했습니다. 이러한 매개변수는 실제 IGT 및 항공우주 응용 분야를 사용하여 GF 주조 솔루션으로 테스트되고 최적화 되었습니다.

 

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DMP Factory 500은 HX 니켈 합금에 대한 새로운 인쇄 매개변수와 함께 연소실 케이싱, 고정자 및 임펠러와 같은 대형 단면 부품를 제공하여 적층 제조 서비스를 확장할 수 있습니다.

DMP Factory 500 인쇄공정의 표면 평활도, 부품 정확도, 좁은 공차 및 높은 반복성과 결합된 HX 재료의 높은 열 변형 온도는 이러한 부품의 필수 성능 요구 사항과 냉각 채널과 같은 중요한 기능을 해결합니다.

직접 금속 인쇄 기술을 통해 금속 시리즈 구성 요소의 품질면에서 경쟁사를 능가할 수 있습니다.

 

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CuCr2.4 인증 흭득

 

인증된 CuCr2.4는 순수 구리보다 훨씬 강하고 적층 제조 응용 분야에서 가공하기 쉬운 고강도, 내식성 구리 합금입니다. CuCr2.4는 우수한 부품 밀도(일반적으로 99.9%)와 열처리 후 높은 전도성으로 인해 하이테크, 소비재, 자동차 및 항공 우주 및 방위 산업의 열 관리 및 냉각 시스템에 이상적이며 특히 강도도 요구되는 경우에 이상적입니다.

 

3D Systems의 적층 제조 개발자는 당사의 애플리케이션 혁신 그룹(AIG)은 고객과 협력하여 고객의 애플리케이션 과제를 해결할 수 있는 최고의 적층 제조 솔루션을 설계하고 있습니다.

올바른 솔루션을 정의하는 것은 우리 팀이 고객과 협력하여 부품의 필수 성능 및 기계적 특성을 충족하는 최상의 재료를 선택하는 것으로 시작됩니다.

재료 포트폴리오에 대한 지속적인 투자는 고객의 요구를 지원하는 데 사용할 수 있는 응용 분야의 수를 늘려 혁신을 가속화하고 경쟁 우위를 유지할 수 있도록 합니다.

인증된 HX 및 인증된 CuCr2.4의 추가는 고객의 진화하는 응용 분야 요구 사항을 지원하는 금속 재료 포트폴리오를 강화합니다.

 

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Cocuchas De Michoacán의 역사적 꽃병 재현

Cocuchas De Michoacán의 역사적 꽃병 재현

생산용 적층 제조 및 3D 스캐닝의 최신 기법을 사용하여 역사적인 꽃병의 패턴을 빠르고 비용 효율적으로 생산했습니다. 

 

역사 : Fundidora Morelia (FM)는 철 합금 주조를 전문으로 하는 40년 이상의 경험을 보유한 가족 소유의 철강 주조 공장입니다. Proveedora de Servicios y Suministros Industriales (PSSI)는 FM의 새로운 기업 부서로, 2016년에 설립되었습니다. FM 및 PSSI는 Titan Robotics Atlas 3D 프린터, CNC 라우터, 3D 레이저 스캐닝, CAD 모델링 및 최신 테스트 기법을 포함한 여러 3D 프린터를 활용하여 고품질 패턴을 생성합니다.

 

멕시코 미초아칸 (Michoacan) 주에 위치한 작은 마을 코추코 (Cochuco)는 역사와 장인 정신으로 잘 알려져 있으며, 특히 지역 장인들이 손으로 거대한 항아리를 제조합니다. 

 

 

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PSSI의 Alonse Alvarez는 "Michoacan 출신의 가족이자 Morelia에 기반을 둔 기업으로서, 우리는 문화와 전통을 매우 자랑스럽게 생각하며, 장인들의 새로운 예술과 공예에 경의를 표하고 싶었습니다."라고 말했습니다.

 

FM과 PSSI는 이 지역의 산업 및 공예 부문을 연결하는 두 개의 상징적인 거대한 꽃병을 재현하기 위한 공동 작업을 의뢰했습니다.


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"테스트에 사용되는 장기를 안정화시킬 트레이가 필요했습니다."라고 Becky는 말했습니다. "또한 트레이와 함께 사용할 부품의 색상과 일치하도록 프로토타입을 도색할 수 있어야 했습니다."


프로세스

PSSI는 원본 도기를 3D 스캔하고 주조용 Cope & drag 패턴의 3D 프린트 가능한 CAD 모델을 생성하여 역설계 프로세스를 수행했습니다. PSSI는 Atlas에서 펠릿 압출을 사용하여 대형 패턴을 3D 프린팅하고 차체 필러로 부품을 손으로 마무리하고 매끈한 마감처리를 위해 샌딩했습니다.


FM은 스틸과 스테인레스 스틸로 모델을 주조하고 각각에 푸른빛이 도는 미러 폴리싱 마감을 적용했습니다. 패턴을 생성하는 시간은 패턴을 가공하는 기존의 CNC 방식에 비해 3D 프린팅에서 절반으로 단축되었습니다. Atlas의 무인 제조 자동화로 인해 3D 프린팅으로 패턴을 제작하는 데 총 1.5일이 소요되었습니다. 또한 비용 경쟁력을 유지하면서 패턴을 3D 프린팅하는 데도 기존 패턴 제작 방법에 비해 인력의 절반만 필요했습니다.

 

 

SUMMARY 

과제:

비용 경쟁력을 유지하면서 기존 패턴 제작 방법의 리드 타임을 연장하지 않고도 고유한 주조 프로젝트를 위한 대형 맞춤형 패턴을 생산합니다.

 

 

해결방안:

 

높은 처리량 펠릿 압출 기능이 있는 Titan의 대형 Atlas 3D 프린터를 활용하여 맞춤형 패넡을 빠르고 비용 효율적으로 생성합니다.

 

 

결과:

3D 프린팅에서 지원되는 무인 제조 자동화로 인해 패턴 생산 시간이 절반으로 단축될 뿐만 아니라 패턴을 만드는 데 필요한 인력도 줄어듭니다.

 

 

세부 사항:

- 프린트 시간 : 13시간      - 피드스톡 : PETG 펠릿       - 소재 중량 : 총 88 lbs

- 노출 크기 : 2mm           - 레이어 높이 : 1mm

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Hammerhead, 3D Systems 제조 서비스를 통해 의료 기기 생산 방식을 바꾸다

Hammerhead, 3D Systems 제조 서비스를 통해 의료 기기 생산 방식을 바꾸다

Hammerhead Design은 의사, 의료진 및 의료 기기 회사에 컨설팅 설계 엔지니어링을 제공하기 위해 1997년에 설립되었습니다. 해머헤드 디자인은 엔지니어링, 교육 및 컨설팅에 중점을 둡니다. 엔지니어는 설계를 보호하고 첫 번째 프로토타입을 설계하여 설계를 지원할 수 있습니다. Hammerhead는 평가 프로세스를 통해 개념을 옹호할 기업 구조에 적합한 사람을 찾을 수 있습니다.

 

 

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교육에서 Hammerhead는 가장 큰 것부터 가장 작은 실습 교육 세션을 계획하고 관리할 수 있습니다. 그들은 돼지 해부학에 꿰매어진 종양이나 블리더와 같은 특정 질병 치료를 가르치기 위해 해부학적 모델을 구축할 수 있습니다. Hammerhead는 또한 장치 개발 및 테스트를 지원하는 생체 외 모델을 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다. 필요한 것이 무엇이든, 그들은 단순히 당신을 위해 그것을 할 수 있습니다.


도전

Hammerhead는 펠로우십 의사에게 특정 질병 치료에 대해 가르치는 데 사용되는 해부학적 모델을 수용하고 보호하는 의료 기기(이식편 트레이)를 설계했습니다. 그들은 전체 생산 공정에서 의사 소통 할뿐만 아니라 SLA 및 주조 우레탄을위한 원 스톱 상점을 제공 할 공급 업체가 필요했습니다.


"테스트에 사용되는 장기를 안정화시킬 트레이가 필요했습니다."라고 Becky는 말했습니다. "또한 트레이와 함께 사용할 부품의 색상과 일치하도록 프로토타입을 도색할 수 있어야 했습니다."


용액

3D Systems 부품 서비스는 견적 프로세스를 통해 Hammerhead의 모든 생산 요구 사항에 대한 단일 소스 솔루션을 제공했습니다. 도장된 SLA 부품이 있는 트레이의 디자인을 확인한 후 Hammerhead는 트레이 생산을 위한 주조 우레탄 공정을 결정했습니다.


"온라인 견적 프로세스를 사용하여 시간을 절약 할 수있었습니다."라고 Becky는 말했습니다. "따옴표는 수정하기 쉽고 항상 변경해야하는 모든 변경 사항에 맞게 조정됩니다."


혜택

2000년부터 3D Systems의 충성도 높은 고객이었던 Hammerhead와 Becky Delegge는 프로토타입 및 사전 생산 부품에 3D Systems를 자신 있게 사용했습니다. 공급업체를 선택할 때 커뮤니케이션은 Hammerhead와 3D Systems의 핵심이었습니다.


"Hammerhead는 3D Systems와의 협력을 통해 의학 교육의 패러다임을 바꿀 수 있었습니다"라고 Becky는 말합니다. "저는 3D Systems가 제 비즈니스의 자산이라는 것을 알게 되었습니다."

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[국내최초사례]한국기술 삼정터빈 3D프린터를 활용한 정밀주조 프로세스 개선

[국내최초사례]한국기술 삼정터빈 3D프린터를 활용한 정밀주조 프로세스 개선

용융된 금속을 거푸집(주형)에 부어서 형상을 만드는 전통적인 주조 방식은 인류가 수 천년 이상 사용해 왔습니다. 지난 세기 동안 왁스로 제작된 패턴을 녹여 낸 후 세라믹 주형에서 금속 부품을 만드는 정밀주조(Investment Casting)방식으로 많은 혁신의 이점을 얻었지만 복잡하고 다양한 종류의 제품을 생산하는데는 여전히 느리고 비용이 많이드는 과정이었습니다.

정밀주조 방식을 통한 생산 시간은 일반적으로 몇 개월이 소요되며 비용도 수 억원에 달할 수 있습니다. 정밀주조는 광범위한 응용 분야와 최종 결과물을 다양한 수요에도 불구하고 효율성, 리드 타임 및 생산능력과 관련된 문제에 직면하고 있는 현실입니다.

 

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3D프린터를 이용한 패턴 제작, 시간 95% 단축


기본 정밀주조 방법에서는 패턴을 왁스로 제작하며 이 왁스를 제작하기 위해 금형을 만들어야 했습니다. 이 방식은 금형 제작이라는 전통적인 제조방법이 추가되며 금형을 제작하기 위해서는 금형 설계 및 CNC가공 및 후처리의 상당 시간을 소요합니다. 이런 왁스 금형을 제작하는 데만 약 8~12주의 시간이 소요되어 전체 리드타임을 길게 만들고 금형 제작에 많은 금액을 지불해야만 합니다. 또한 제품 형상은 절삭가공을 통한 금형 기술로 제작할 수 있는 범위 안에서 가능하여 혁신적인 제품을 생산하는 데는 제약이 생기고 또는 불가능할 수 있습니다.

 

 

전통적 정밀주조 프로세스와 3D프린팅을 활용한 정밀주조 프로세스 비교


3D프린팅 기술을 사용하면 주조용 패턴을 생산하는데 리드 타임과 비용을 줄일 수 있습니다. 복잡한 임펠러와 같은 형상의 금형 제작에 8~12주가 소요되었던 것에 비해 3D 프린터로 패턴 제조 시 2~3일이면 가능하여 약 95%의 시간을 단축할 수 있습니다.


초기 제품 개발 시 짧은 리드 타임 및 낮은 초기 비용이 가능하여 설계 및 주조 방안의 변경에 즉각적인 대응이 가능하여 더 많은 제품 개발에 에너지를 투자할 수 있다는 장점이 있습니다.

 

 

다품종 소량생산 및 빠른 제품개발에 유리한 3D프린팅 패턴


왁스 패턴을 위한 금형 제작은 대량 생산을 위한 적합한 도구이지만 초기 비용이 매우 크며 형상이 복잡하면 금형의 동작성도 증대되어 디자인 및 생산 비용이 증가하게 됩니다. 또한 금형으로 만들어진 왁스 패턴이 주조를 위한 최종 결과물이 아닌 경우 추가적인 구조 형상을 수작업으로 완성해 주어야 합니다. 이러한 왁스 패턴 대비 3D프린팅 패턴을 사용시 아래와 같은 장점이 있습니다.


  • CAD 파일만 있으면 바로 출력 가능
  • 금형 보관 비용 불필요
  • 공정 단순화
  • 아주 복잡한 형상 가능
  • 짧은 리드 타임
  • 저렴한 초기 비용
  • 패턴에 추가 수작업 불필요


금형 생산 대비 3D프린팅 패턴은 상대적으로 느린 출력 속도로 인해 대향 생산에는 적합하지 않지만 다품종 소량 생산을 하거나 초기 제품 개발에 즉각적인 디자인 수정 및 테스트가 가능하고 대량 생산을 위한 검증 과정으로 매우 적합합니다. 그리고 기존 금형에서 제작할 수 없는 디자인 개발이 가능하여 부가가치가 높은 제품을 생산하는데 적합한 공법입니다


정밀주조 패턴 제작에 적합한 SLA 방식 3D프린터


3D프린팅을 이용한 다이렉트 패턴은 SLA(StreoLithgraphy Apparatus) 방식의 프린터가 사용됩니다. 즉, 레진을 정교한 레이저의 움직임으로 층층이 단면을 경화시켜 최종 형상을 만들어 내는 방법입니다. SLA 방식의 패턴은 수 밀리미터으 작은 사이즈부터 최대 1.5m의 제품을 한 조각에 출력 가능하여 조립양을 최소화할 수 있습니다. 또한 부품이나 뒤틀림이 거의 없이 모두 동일한 탁월한 해상도와 정확도를 제공합니다.


아래 그림처럼 프린터마다 최대 파트 빌드 사이즈가 다르기 때문에 주력으로 생산하는 주조물의 크기를 고려하여 적합한 프린터를 선택해야 합니다. 특히 최근에는 3D프린터 SLA750 모델은 Hyper-Scan백터 기술로 레이저를 보다 빠르게 컨트롤이 가능하여 기존대비 30%빠른 빌드 속도를 나타냅니다. SLA 750 DUAL 모델은 2개의 레이저를 사용하기에 최소 2배에서 최대 3배 빠른 프린팅 속도를 보여줍니다.



SLA 3D프린터로 제작한 다이렉트 패턴


다이렉트 패턴 제조에 적합한 빌드 스타일 및 소재


일반적인 3D프린팅으로 속이 꾁 찬 패턴을 사용하면 오토클레이브 및 번아웃 단계동안 갑작스로운 팽창으로 주형을 이루는 쉘이 균열될 수 있는데, 속이 빈 QuickCast 방식의 출력물은 패턴이 안쪽으로 붕괴되어 이러한 문제점을 방지합니다.

 

또한 번 아웃에 필요한 재료의 양을 줄여 줌으로써 이러한 효과를 증가시켜 줍니다. 견고하고 안정적인 구조 및 물성치는 패턴을 다루면서 파손되는 가능성을 줄여주고 보관 및 배송도 용이하게 합니다. 완전히 채워진 출력물 대비 적은 소재를 사용함으로써 비용이 절감되며 출력시간도 단축된다는 장점이 있습니다.


QuickCast용 소재로는 Accura Fidelity를 사용하는데, 이 소재는 다이렉트 패턴 제조 목적을 위해 개발된 소재로 회분율(태우고 남은 무기물 비율)dl 0.01% 미만으로 매우 낮은 무 안티몬 소재입니다. 또한 레진 소재의 점도가 1174cps로써 요구르트 정도로 낮은 편이라 파트를 빌드하고 나서 내부에 남아 있는 소재를 빼내는 드레인(drain)작업도 수월합니다.



"금형이 필요없는 3D프린팅 패턴, 

75일 걸리던 임펠러 제작 14일로 단축"


 

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국내 기업의 3D프린팅을 활용한 정밀주조 사례 및 공정


국내에서 다이렉트 패턴을 이용한 정밀주조사례 및 작업 과정을 소개하고자 합니다. 국내 가스터빈, 항공기용엔진 부품의 터보 머시너리(Turbo Machinery) 전문기업 (주)삼정터빈은 기존 전통적인 정밀주조 방식에서 머물지 않고 보다 빠른 리드타임 확보 및 경쟁사와 우위를 위해 3D프린터를 이용한 패턴 제작을 도입하였습니다. 아래 그림과 같이 복잡한 임펠러를 제조하는데 있어서 기존 방식으로는 75일 가량 소요되었느데, 3D프린팅을 이용한 다이렉트 패턴방식을 활용하여 14일로 단축시켰습니다.


3D프린팅 기술로 14일만에 제작된 복잡한 형상의 임펠러

 

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1. 디자인 단계


생산할 제품이 결정되면 기존에는 금형 설계에 많은 시간을 투자하였지만, 다이렉트 패턴 제작에서는 제품  CAD로부터 라이저(Riser) 및 에어벤트(AirVent) 추가만으로 패턴 제작 준비가 완료됩니다.


2. 빌드 파일 생성


3D Sprint로 불러온 CAD혹은 STL파일로부터 프린팅의 방향 및 서포트를 자동으로 설정해 줍니다. 이때 QuickCast 빌드 스타일을 적용하여 속이빈 주조 패턴에 적합한 슬라이싱(단면 정보)을 만들어 줌으로써 속이 꽉 찬 빌드 스타일에 비하여 약 80~90%가 빈 중공 구조가 됩니다. 제품 크기에 따라 중공을 위해 제품의 벽 두께 및 내부 채우는 벌집 구조의 크기가 조절 가능합니다.

 

 

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3. 출력 및 후처리


SLA프린터를이용하여 출력을 진행합니다. 이 임펠러 모델의 경우 순수 출력 시간은 약 14시간이고, 출력이 완성되면 아래 순서대로 후처리를 진행합니다. 출력에서 후처리까지 총 이틀이 소요되었습니다.


① 내부의 소재를 빼내는 드레인 작업


② 서포트 제거 작업


③ 표면의 레진 제거 작업


④ 드레인 구멍 메우는 작업(전용 본드 사용)


⑤ UV경화 작업

 

 

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4. 쉘 코팅 작업


출력된 프린팅 패턴 위에 세라믹으로 코팅 및 건조 작업을 반복하여 충분한 두께의  단단한 쉘(세라믹 주형)을 만듭니다.

 

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5. 번 아웃 및 용탕 주입


완성된 주형 내부에 남아있는 프린팅 패턴을 제거하기 위해 번 아웃으로 태워 내부 빈 공간을 만듭니다. 그리고 쉘에 준비된 용탕을 부어 캐스팅 작업을 진행합니다.


6. 탈사 및 후처리


쉘을 제거하는 탈사 작업으로 대부분 쉘이 제거됩니다. 남아있는 쉘 및 거친 표면은 후처리 단계를 통해 완료되며 최종 제품 포장을 하여 납품을 완료합니다.

 

 

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안정적인 주조 공정으로 자리잡은 3D프린팅


3D프린팅은 전 산업의 제조 기술을 한 단계 발전시키고 있습니다. 초창기에는 주조를 위한 3D프린팅 패턴이 솔리드한 패턴을 사용했습니다. SLA수지는 세라믹 쉘보다 대략 10배 정도 높은 팽창 계수를 가지고 있기에 번 아웃 동안 쉘을 균열시키는 문제가 있어 성공률이 10%밖에 되지 않았습니다.


이에 1992년 3D시스템즈의 R&D 디렉터인 파울 제이콥스 박사(Dr. Paul Jacobs)는 속을 비우는 방식의 패턴이면 내부로 붕괴되어 쉘 균열의 문제를 피할 수 있을 것이라는 이론을 가지고 QuickCast 패턴 개발을 시작하였습니다.


하지만 소재를 빼내는 문제, 더 많은 중공이 필요한 문제 등이 존재했지만 지속적인 개선을 통해 1995년 QuickCast 버전 1.1을 발표하였고 약 83%의 중공에서 90%의 캐스팅 성공률을 이루었습낟. 이후에도 QuickCast는 지속적인 개발을 통해 30년이 지난 현재 매우 안정적인 주조 프로세스로 자리 잡았습니다.


앞선 사례처럼 중.대형 제품뿐만 아니라 소형 정밀 주조 방식에서도 3D프린터의 사용은 점차 늘어나고 있으며 각각의 산업 분야마다 더 적하한 생산 공정을 개발해 나가고 있습니다. 


3D프린터로 왁스 소재 패턴을 직접 출력하는 것도 가능하고, 금속 3D프린터를 이용하여 직접 금형을 프린터하여 제작하는 것도 가능하여 새로운 공법은 기존의 공법과 큰 이질감이 없이 적응해 나가고 있습니다.


제품 디자인의 자유도가 넓어지고 CAD에 의한 디지털 파일만 있으면 언제든 출력물을 만들수 있다는 것이 3D프린터의 가장 큰 매력입니다.


3D프린팅의 제조 혁신 사례와 솔루션은 점전 더 발전되고 있습니다.


제조업계분야에서는 생각보다는 직접 도전해보고 실현하여 3D프린터를 통하여 프로세스를 개선하면 좋을 것 같습니다.


산업용 3D프린터 전문기업 한국기술은 3D Systems의 리셀러사로 수많은 레퍼런스와 업종별 사례를 보유하고 있습니다.


2022년 수주한 대전테크노파크 DMP 500, 350을 비롯하여 강원정보문화진흥원, GM Korea, 세종테크노파크 등등이 있습니다. 그 이외에도 광주근카진흥원(메탈 금속 프린터 DMP 500공급), 삼성전자(MJP 2500 Plus), 한국교통대학교, 경북대학교 의료센터(메탈 금속 프린터), 경북대학교, 한국기술연구원, 정보통신산업진흥원, 경북대학교 3DC 융합기술지원센터, 현대자동차, 대우자동차 등등 다양한 업종의 레퍼런스를 보유하고 있습니다.


한국기술은 1990년에 설립되었으며 산업용 3D프린터 데모룸을 보유하고 있습니다. 또한 국내 최소 3D Systems의 공식 리셀러 계약과 과학기술정보통신부 장관상을 수여하고, 산업통상자원부 주최 "2021년 제16회 전자IT의 날 유공자 포상"대회 대통령 표창장을 수상하였습니다.


최근 Formnext에서는 2022년 3D Systems 아시아 리셀러상(2022 APAC Best Reseller of the Year)을 수여하였습니다.


산업용 3D프린터 장비 도입이 고민이시거나 예산에 맞는 금액별 장비 문의가 필요하시다면 언제든 문의주십시요. 또한, 장비도입이 어려울 경우 시제품 제작도 하고있습니다. 

 

테스트 모형 및 시제품이 필요하신 경우에도 언제든지 편하게 문의주십시요.

 

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