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.

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"

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

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.

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

4. 쉘 코팅 작업

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

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.

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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