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ICT 디바이스랩 FAB 기술 세미나, 사출 금형에 금속 3D 프린팅을 더하다

금속 3D 프린터는 설계의 자유도가 매우 높아 일반 사출 금형으로는 수십 개의 부품을 조립해 만들어야 하는 복잡한 형상도 한 번에 출력할 수 있는 솔루션이다. 최근 DfAM(Design for Additive Manufacturing)이 3D 프린팅을 제대로 활용할 수 있는 설계 방법으로 주목받고 있으며 항공, 자동차 산업 분야에서는 이미 DfAM을 적용해 경량화를 실현한 사례가 속속 나오고 있다. DfAM을 사출 금형 가공에 적용할 경우에는 생산성 향상도 기대할 수 있다. 지난 9월 6일 인천에서 열린 ICT 디바이스랩 FAB 기술 세미나에서 센트롤 이정석 스마트제조기술 연구소장이 DfAM을 적용해 기존 사출 금형의 문제점을 보완할 수 있는 금속 3D 프린팅 활용 방법을 소개했다.

센트롤 이정석 스마트제조기술 연구소장
센트롤 이정석 스마트제조기술 연구소장
사출 금형의 사이클 타임(출처: Eos tooling application)
사출 금형의 사이클 타임(출처: Eos tooling application)

사출 금형의 걸림돌

사출 금형은 고분자 화합물을 가열 용융시킨 후, 금형의 형상대로 냉각해 제품을 성형하는 가공 방법이다. 쉽게 말해 붕어빵을 찍어내는 틀을 만드는 작업이다. 한번 틀을 제대로 만들어 놓으면 계속해서 똑같은 제품을 찍어낼 수 있어 제품을 양산하는 데 있어 압도적으로 많이 사용하는 제조 방식이다. 사출 금형의 사이클 타임 비율을 살펴보면 70%가 열을 식히는 시간이다. 금형 사이에 물길을 설계해 냉각수가 흐르게 해 플라스틱을 식히는데, 기존 가공 방식으로는 직선형으로 냉각수로를 설계할 수 밖에 없다. 제품 형상에 따라 식혀야 하는 열의 온도가 다르지만 전체를 동일하게 열을 식혀주는 직선형 냉각수로로는 냉각 시간이 오래 걸 수밖에 없다. 또한, 제대로 열을 식혀주지 않으면 플라스틱이 금형에 달라붙거나 녹아서 수축하는 현상이 발생하고 이는 불량으로 이어진다. 사출 금형의 생산성을 높이기 위해서 냉각 시간과 불량률을 줄이기 위한 해결책이 필요하다.

형상 적응형 냉각 채널 설계 및 제작 과정
형상 적응형 냉각 채널 설계 및 제작 과정

냉각수로를 금속 3D 프린터로 만들면?

‘형상 적응형 냉각 채널 (Conformal Cooling Channel)’은 사출 금형의 제한된 냉각 채널로 인한 긴 성형 시간과 고온 공정 특성으로 발생할 수 있는 불량을 줄여줄 수 있는 솔루션이다. 냉각수로 개수, 냉각 효율, 위치 등을 고려해 수축 문제없이 냉각 시간을 최소화할 수 있는 냉각수로를 설계한다. CFD 해석 기술을 활용하여 냉각 시간과 효율성을 평가하고, CAE 해석으로 수지의 유동성, 변형성을 금형 설계 단계에 피드백해주는 시뮬레이션 단계를 거친다. 그 후 금속 3D 프린팅으로 제품 형상을 따라 수축 문제 없이 냉각 시간을 최소화할 수 있는 냉각수로를 만든다. 열처리 및 커팅, 후가공 과정을 거쳐 형상 적응형 냉각 채널이 완성된다. 실제 센트롤에서 형상 적응형 냉각 채널을 적용한 사출 금형 가공 시간을 테스트한 결과, 금형 사출 사이클 타임은 109초에서 60초로 줄어 45% 생산성이 향상됐다.

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한편, 이날 열린 ICT 디바이스랩 FAB 기술 세미나에서는 판교FAB을 통해 시제품 개발 및 금형 제작 지원을 받은 기업들이 함께 참여하여, 제품 개발부터 사업화 진행 및 성과 창출까지의 자세한 과정과 경험 등을 공유했다. TPC메카트로닉스의 이용무 상무의 ‘중소,중견기업을 위한 맞춤형 스마트팩토리 융합 솔루션’ 발표도 이어졌다.

About 김란영 기자

따끈한 밥 위에 스팸 한 조각처럼 감칠맛 나는 기사로 여러분의 입맛을 책임지겠습니다. 맛있게 읽으세요 :)