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[금형 X 3D 프린터 ②] 금형 보수, 아직도 수작업으로 하세요?

절삭 가공으로 금속을 깎아 만든 금형과 대표적인 적층 제조 장비인 3D 프린터가 만난다면? 금형과 3D 프린터가 만나 만든 두 번째 시너지 효과는 손쉬운 금형 보수와 잦은 금형 설계 변경에 대한 대응이다.

금형을 반복적으로 사용하다 보면 닳아 없어진 부분, 긁힌 부분, 조각이 떨어져 나간 부분이 생기기 마련이다. 금형의 손상은 곧 제품의 불량으로 이어진다.
손상된 금형을 보수하기 위해 금형 소재와 같거나 유사한 재질의 용접봉으로 용접한 후 울퉁불퉁해진 금형 표면이 일정해지도록 래핑하는 공정이 일반적이었다. 파손 금형을 용접하여 재사용하는데, 이때 용접재와 금형 재질이 다르면 용접부에 열영향을 받는 부분이 있어 다시 파손되기 쉽다.
금속 3D 프린터는 금형의 기존 설계나 제조 과정에서 마주치는 한계를 극복하는 해법을 제공한다. 국내 금속 3D 프린팅 업체 인스텍(InssTek)은 마모가 발생해 보수가 필요한 금형, 잦은 설계 변경이 발생한 금형 문제에 대응할 수 있는 솔루션을 제시했다.

금형 보수를 가능하게 하는 적층 솔루션은?

인스텍이 채택하고 있는 DED(Directed Energy Diposition) 방식 기반의 DMT 3D프린팅 기술은 금속 표면에 레이저를 조사하여 용융 풀을 만들고, 만들어진 용융 풀에 공급된 금속 분말까지 완전히 용융한 다음 급속으로 응고시키는 방식이다. 레이어 간 완벽한 결합이 이루어지기 때문에 기계적 물성의 경우에도 단재와 유사하거나 더 우수한 수준을 달성할 수 있다.
금속 적층 시 높이에 영향을 주는 공정 변수를 실시간으로 제어하는 클로즈루프 제어 기능을 제공해 다른 DED 방식 3D 프린터보다 정밀한 두께의 금속 적층을지원하고 있다. 절삭 혹은 성형 공정을 거쳤더라도 금속이기만 하면 바로 그 위에 조형할 수 있는 하이브리드 3D 프린팅 방식도 지원한다. 또, 서로 다른 금속 간 안정적인 이종소재 적층 역시 가능하다.

[사례1] 금형 표면의 부식 해결법

실린더 헤드에 3D 프린팅하는 모습
실린더 헤드에 3D 프린팅하는 모습

알루미늄 다이캐스팅으로 실린더 헤드를 생산하고 있는 A 업체는 캐스팅 시에 부식성 가스가 발생하여 금형 표면에 부식이 일어나는 문제 때문에 골머리를 앓고 있었다. 금형의 내부식성을 향상해 금형의 수명을 늘리고 싶었던 이 업체가 선택한 솔루션은 3D 프린터를 활용한 이종합금이다. A 업체는 인스텍의 3D 프린팅 기술을 활용하여 H13(SKD61) 종 소재를 기계 가공한 후에 부식이 발생하는 표면 부분에만 내부식성이 뛰어난 니켈 합금 소재인 Hastelloy를 프린팅했다.

3D 프린터로 제작한 실린더 헤드 금형
3D 프린터로 제작한 실린더 헤드 금형

고가의 소재를 필요한 부분에만 프린팅해 최소한의 비용만 들이고도 큰 효과를 볼 수 있었는데, 금형 수명이 기존보다 2배 가까이 증가한 것이 가장 큰 성과다. 내부식성이 향상되어 1년 정도였던 금형 수명을 2년까지 연장했다. 또한, 알루미늄 소착이 완화되고 열 피로에 의한 결함 발생이 줄어 생산성은 물론 품질까지 향상됐다.

[사례2] 빈번한 금형 설계 변경, 제작 비용 절감법

국내 유명 완성차 기업인 B 사는 헤드램프 금형 개발 및 제작 과정 중 잦은 디자인 변경으로 발생하는 비용 및 시간 문제를 해결하고 싶었다. 한 번 디자인이 변경될 때마다 새로운 금형을 다시 제작하느라 시간이 오래 걸리는 것은 물론, 1,500만 원 이상의 비용까지 들여야 했기 때문이다.3

P21 스틸 소재 베이스 위에 같은 금속 파우더를 프린팅해 헤드램프 금형 디자인 변경을 효율적으로 했다. 첫 번째 사진에는 2줄로 디자인되었던 금형이 아래쪽 사진에는 4줄로 변경된 것을 확인할 수 있다.
P21 스틸 소재 베이스 위에 같은 금속 파우더를 프린팅해 헤드램프 금형 디자인 변경을 효율적으로 했다. 첫 번째 사진에는 2줄로 디자인되었던 금형이 아래쪽 사진에는 4줄로 변경된 것을 확인할 수 있다.

B 사는 P21 스틸 소재의 베이스에 같은 종류의 금속 파우더를 적층 가공하는 하이브리드 3D 프린팅 방식을 도입했다. 금형을 새롭게 제작할 필요 없이 자유롭게 디자인 변경을 할 수 있게 됐다. 총 4주가 걸리던 제작 기간은 1일로 단축됐고 금형 하나당 제작 비용도 1,500만 원에서 200만 원으로 80% 줄었다.

About 김란영 기자

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