제조산업에 쓰이는 3D 프린팅
 

용융된 금속을 거푸집(주형)에 부어 형상을 만드는 전통적인 주조 방식은 인류에게 수 천년 이상 사용되었다. 지난 세기 동안 왁스로 제작된 패턴을 녹여 낸 후 세라믹 주형에서 금속 부품을 만드는 정밀주조(investment casting) 방식으로 많은 혁신의 이점을 얻었지만, 현시점의 복잡하고 다양한 종류의 제품을 생산하는 것은 여전히 느리고 비용이 많이 드는 프로세스이다. 정밀 주조 방식으로 생산 시간은 일반적으로 몇 개월로 측정되며 비용은 수 억 원에 달할 수 있다. 광범위한 응용 분야와 최종 결과물의 다양한 수요에도 불구하고 이 산업은 효율성, 리드 타임 및 생산능력과 관련된 문제에 직면하고 있다. 

■ 조안기 | 쓰리디시스템즈코리아의 application engineer 팀장이다.
이메일 | anki.jo@3dsystems.com
홈페이지 | https://ko.3dsystems.com

3D 프린터를 이용한 패턴 제작의 장점
기존의 정밀주조 방법에서는 패턴을 왁스로 제작하며 이 왁스를 제작하기 위해 금형을 만들어야 했다. 이 방식은 금형 제작이라는 전통적인 제조 방법이 추가되며 금형을 제작하기 위해서는 금형 설계 및 CNC 가공 및 후처리의 상당 시간을 소요하게 만든다. 이런 왁스 금형을 제작하는 데만 약 8~12주의 시간이 소요되어 전체 리드타임을 길게 만들고 금형 제작에 많은 금액을 지불해야 한다. 또한 제품 형상은 절삭 가공의 금형 기술로 제작할 수 있는 범위 안에서 가능하다 보니, 혁신적인 제품을 생산하는 데에는 제약이 생기거나 불가능할 수도 있다. 

 

그림 1. 전통적 정밀주조 프로세스

 

그림 2. 3D 프린팅을 활용한 정밀주조 프로세스

3D 프린팅 기술을 사용하면 주조용 패턴을 생산하는데 드는 리드 타임과 비용을 획기적으로 줄일 수 있다. 복잡한 임펠러와 같은 형상의 금형 제작에 8~12주가 소요되었던 것에 비해, 3D 프린터로 패턴 제조 시 2~3일이면 가능하기에 약 95%의 시간을 단축할 수 있다. 이는 초기 제품 개발에 짧은 리드 타임 및 낮은 초기 비용의 장점으로 설계 및 주조 방안의 변경에 즉각적인 대응이 가능하여, 더 많은 개발품에 에너지를 투자할 수 있겠다.

왁스 패턴 vs. 3D 프린팅 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 된다. 또한 금형으로 만들어진 왁스 패턴이 주조를 위한 최종 결과물이 아닌 경우 추가적인 구조 형상을 수작업으로 완성해 주어야 한다. 이러한 왁스 패턴 대비 3D 프린팅 패턴을 사용하면 다음과 같은 장점이 있다.

■ 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