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[금형 X 3D 프린터 ①] 금형 냉각 시간을 획기적으로 줄이는 방법

절삭 가공으로 금속을 깎아 만든 금형과 대표적인 적층 제조 장비인 3D 프린터가 만난다면? 3D 프린터는 금형의 기존 설계나 제조 과정에서 마주치는 문제와 한계를 극복하는 해법을 제공한다. 금형과 3D 프린터가 만나 만든 첫 번째 시너지 효과는 냉각 시간을 획기적으로 줄여주는 것이다.

‘형상 적응형 냉각 채널(Conformal Cooling Channel)’은 기존의 제한된 냉각 채널로 인한 긴 성형 시간과 고온 공정 특성으로 발생할 수 있는 불량을 줄여주는 솔루션이다. 금속 적층 기술을 활용해 금형 내부에 고효율 냉각 채널을 자유롭게 생성해 제품의 변형 및 수축을 감소시켜 품질 향상 효과를 불러온다. 사출 금형, 핫스탬핑 등 다양한 금형 가공에 적용할 수 있는 형상 적응형 냉각 채널에 대해 알아보자.

사출 금형 냉각 시간이 긴 이유

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사출 금형의 사이클 타임 비율 중 70%가 열을 식히는 냉각 시간이다. 왜 이렇게 냉각 시간이 오래 걸릴까? 금형에 플라스틱 수지를 식히는 냉각 채널을 건드릴(Gun drill) 가공 방식으로 제작했기 때문이다. 제품 형상에 따라 식혀야 하는 열의 온도가 다르지만 전체 열을 동일하게 식혀주는 직선형 냉각 채널로는 냉각 시간이 오래 걸린다. 균일한 냉각을 기대하기 어려워 잔류응력으로 제품 품질이 저하되는 단점도 있다. 또한, 제대로 열을 식혀주지 않으면 플라스틱이 금형에 달라붙거나 녹아서 수축하는 현상이 발생하는데 이는 불량으로 이어진다.
금속 3D 프린터를 활용한 형상 적응형 냉각채널은 사출 금형 냉각 시간과 불량률을 줄여 생산성을 높여주는 솔루션이다. 냉각 채널을 자유로운 형상으로 제품 아웃라인에 밀착되도록 설계하고 금속 3D 프린터로 구현해낸다. 사출 금형의 사이클 타임 중 가장 많이 차지하고 있는 냉각 시간이 획기적으로 줄어든다. 전체적인 제품 온도가 균일하게 냉각되어 제품의 수축과 휨이 적게 발생해 제품 품질이 더 좋아지는 결과를 얻을 수 있다.

형상 적응형 냉각 채널을 만드는 과정

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형상 적응형 냉각 채널 설계와 제작 과정을 자세히 살펴보자. 먼저 냉각채널 개수, 냉각효율, 위치 등을 고려해 수축 문제없이 냉각 시간을 최소화할 수 있는 냉각 채널을 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 수축되는 문제 없이 냉각 시간을 최소화할 수 있는 냉각 패널을 만든다. 열처리 및 커팅, 후가공 과정을 거쳐 형상 적응형 냉각 채널이 완성된다. 실제 센트롤에서 형상 적응형 냉각채널을 적용한 사출 금형 가공 시간을 테스트한 결과, 사이클 타임이 109초에서 60초로 줄어 45% 생산성이 향상됐다.

핫스탬핑 냉각 채널에도 적용 가능

최근 한국생산기술연구원은 ‘적층가공을 이용한 열간성형용 금형제작 기술’ 연구를 진행했다. 연구 보고서에 따르면 핫스탬핑 공정에도 형상 적응형 냉각 채널을 적용해 생산성 향상 효과를 볼 수 있다.
핫스탬핑은 900~1,000℃로 가열된 보론 강판을 금형에 넣고 성형하는 과정에 급냉을 통해 1.4GPa급의 고강도 강판을 만드는 기술이다. 임계냉각속도 확보를 위한 금형 내 냉각채널 설계가 필수적이다. 복잡한 금형의 냉각채널을 건드릴로 가공하기 위해 금형을 상하로 나눠 가공 후 확산 접합을 하여 제작하거나, 곡면의 형상에 따라 영역을 나누고 블록화하여 건드릴 가공 후 끼워 붙이는 방식을 사용했다.
그러나 이 방법은 금형과 냉각 채널의 설계가 복잡해지고 가공과 조립에 많은 시간과 비용이 소요됐다. 금형 면과 냉각 채널과의 거리가 일정하지 않아 냉각 성능의 저하, 블록 경계면의 강도 저하, 맞춤 상태 불량으로 인한 누수 등 다양한 문제가 발생했다.
연구팀은 금속 3D 프린터를 응용한 금형 제작을 통하여 제작시간 단축, 냉각 채널 형상 자유도 부여, 냉각 성능 향상을 통한 생산성 향상을 기대할 수 있었다. 또한, 다양한 가공을 거처 제작했던 공정 단계를 한 번으로 줄여 에너지 절감효과도 얻었다.

소프트웨어부터 장비와 소재까지

형상 적응형 냉각 채널에 대응하는 업계의 움직임도 눈에 띈다. 3D시스템즈는 형상 적응형 냉각 채널에 관한 종합적인 솔루션인 3DXpert를 제공하고 있다.
3D시스템즈는 2014년 Cimatron을 인수 합병하고 2017년에 금속 3D 프린팅 소프트웨어인 3DXpert를 출시했다. 3DXpert는 형상 적응형 냉각 채널 기능은 물론, 제품 스케치 단계부터 포스트 프로세싱의 CAM 기능까지 지원하는 통합 적층 제조 소프트웨어다. 3DXpert는 최적화된 형상 적응형 냉각 채널을 구현할 수 있도록 형상 적응형 오프셋 기능과 강력한 다이렉트 모델링 툴을 제공한다.
3D 시스템즈는 자사의 금속 3D 프린터 제품군인 DMP 시리즈와 직접 개발하고 인증한 금속 재료 Laserform™소재도 보유하고 있어 3DXpert와 연계를 통해 하드웨어와 시너지 효과를 극대화했다.

3DXpert으로 설계한 B&J specialty 제품의 형상 적응형 냉각 채널
3DXpert으로 설계한 B&J specialty 제품의 형상 적응형 냉각 채널
ProX DMP 300으로 프린트한 금형코어
ProX DMP 300으로 프린트한 금형코어

실제로 미국의 공구 제조 업체 B &J Specialty는 3 D 시스템즈의 3 DXpert와ProX DMP 300 금속 3D 프린터로 형상 적응형 냉각 채널을 구현했다. 이를 통해 사이클 시간이 40% 단축되고 생산성이 30% 향상되었으며, 기존 제조 방식에서 발생했던 132℃ 이상의 온도 편차가 18℃로 감소하여 냉각 효율이 86% 이상 향상되었다. 그 결과 제품 품질과 금형 자체의 성능이 향상되는 효과를 얻을 수 있었다.
3D 시스템즈 코리아 소프트웨어사업부 강수명 대리는 “3D 프린터를 활용한 형상 적응형 냉각채널의 도입은 현재 3D 프린팅 시장 상황과 비슷하다. 도입을 어느 시점에 해야 할지 고민하는 단계, 좀 더 대중화를 기다리고 있는 단계라고 할 수 있다. 하지만 균일한 냉각을 제공하는 형상 적응형 냉각 채널이 가장 좋은 제품 품질을 보장한다는 사실은 국내외에서 지속적으로 증명되고 있다. 이미 해외의 발 빠른 기업들은 이미 상용화 단계로 형상 적응형 냉각 채널을 연구·개발하고 있다”고 시장 현황을 설명했다.

국내 도입 가속화 위해서는?

한국생산기술연구원은 ‘금속 3D 프린팅을 활용한 양산수준 균일냉각 사출금형코어 제작기술 개발’ 보고서에서 “국내 금형 기업은 90% 이상이 10인 이하의 소규모 기업이 주를 이루고 있어 제조 설비, 전담 연구인력 등이 매우 열악하다. 연구기관에서 선행 기술 개발 후 기술 홍보, 시제품 위탁 생산, 기술 보급 순으로 해당 기술을 활용하여 국내 금형 기술의 고도화 및 첨단화 실현을 유도할 필요가 있다”고 제언했다.

About 김란영 기자

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