[3D프린팅] 금속 3D프린팅 기술 개발 동향

[3D프린팅] 금속 3D프린팅 기술의 금형 분야 활용 사례

금속 3D프린팅 기술의 금형 분야 활용 사례

 

금형 분야는 금속 3D프린팅 제품의 응용 중 가장 주목받고 있는 분야로 볼 수 있으며 활발하게 적용이 확대되고 있다. 현재 금형 분야는 사출성형용 금형의 냉각채널에 널리 활용되고 있으며, 그 시장 규모도 제일 큰 것으로 알려져 있다. 최근에는 사출금형 개발 분야에서 제품의 생산성 향상과 변형을 최소화하기 위해 형상적응형 냉각채널(Conformal Cooling Channel)을 가진 금형 기술이 연구 개발과 적용이 활발히 진행되고 있다. 또한 수명 연장을 위한 표면개질이나 보수재생 분야에 활발히 적용되기 시작하고 있다. 3D프린팅 기술로 금형을 제작하면 짧은 셋업 시간, 공구 작동 오차 감소, 생산성 향상 등의 이점이 있다. 

기존의 제작 방식인 CNC에 의한 금형의 경우 가공 방법의 제약으로 인해 원활한 냉각 효율을 나타낼 수 없었으나, 그림 2와 그림 3에 나타낸 바와 같이 3D프린터에 의해 제조된 금형 내 냉각코어(Cooling Core)는 내부에 복잡한 냉각채널도 구현이 가능하여 금형 표면을 따라 냉각수 흐름을 배치하여 냉각 효율을 높일 수 있고, 이로 인해 주조 사이클타임 감소 및 냉각속도 차이에 따른 열변형도 대폭 줄일 수 있다. 사용되는 소재는 주로 공구강이 사용되고 있으나 마르에이징강 및 스테인리스도 사용된다.

그림 2. 3차원 입체 냉각몰드

그림 3. 금속 3D프린팅을 이용한 3차원 냉각채널로 적용된 사례 [Source : Concept Laser]

일본 파나소닉은 사출 부품을 찍어내는데 필요한 금형을 3D프린터로 만들어 생산비용을 약 30% 절감할 수 있을 것으로 전망하고 있다. 그동안 금형 제조업체들은 각종 공작기계를 통해 금형을 만들어 왔는데, 이 방식은 높은 강도와 정밀도가 요구되며 제작 기간도 1개월씩 소요됐다. 더구나 신제품을 개발할 때마다 새로운 금형이 필요하기 때문에 금형 제조비용도 상당하다. 하지만 파나소닉은 마츠우라기계제작소와 손잡고 제작 기간을 반으로 줄이고 저렴한 비용으로 금형을 만드는 3D프린터 ‘금속적층조형기’를 만들어냈으며, 이 장비를 통해 사출 사이클타임을 줄일 수 있는 특수구조의 금형을 만들 수 있었다. 

또한 자동차 변속기 제품의 다이캐스팅 금형 코어에 대해 3D프린팅 기술을 적용한 사례를 그림 4에 나타냈다. 제품의 복잡한 형상으로 인한 인서트 금형의 과열, 알루미늄 소착과 이로 인해 제품 표면이 거칠어지는 기존 금형의 문제를 3D프린팅으로서 개선한 사례로 3D프린팅으로 금형 코어를 제작하고 5축가공기로 표면을 가공하여 적용했다. 이를 통해 형상부의 전면 냉각이 가능해져 소착이 억제되고 알루미늄 제품의 표면 급랭조직의 두께가 1.0mm에서 1.6mm로 증가했으며, 제품 형상부의 광택이 증가하는 효과를 얻었다.

다이캐스팅이 아닌 자동차 사출 공정에서도 금형 냉각코어를 적용함으로써 가장 많은 시간을 요하는 냉각 시간을 현저히 줄여 생산 속도를 높인 사례가 많다. 그림 5는 자동차 펜더 금형의 Hot Spot(국부적 온도불균일) 부분에 3차원 냉각수로 금형을 적용하여 제품의 품질 향상과 냉각 시간 단축으로 생산성을 높인 사례이다.

그림 4. 다이캐스팅 금형 코어 제작 사례 [Source : 인스텍]

그림 5. 다이캐스팅용 금형 냉각코어 제작 사례 [Source : EOS]

그림 6. 냉장고 guard 코어 적용 사례 [Source : 인스텍]

이외로 냉장고의 guard 코어에 3D프린팅 기술을 적용한 사례가 있으며, 3D프린팅을 통해 코어에 냉각수로를 설치함으로써 플라스틱 제품의 휨 문제를 개선하였고 주조 사이클 시간을 65초에서 46초로 단축시킨 바 있다. Guard 코어 외에 냉장고의 팬 금형에도 적용한 사례가 있으며, 3D프린팅 기술을 적용하여 냉장고 팬의 편심량을 기존의 0.33g/cm에서 0.06g/cm으로 개선하여 냉장고 팬 소음을 감소시킨 바가 있다.

맺음말

3D프린팅 기술이 제3의 산업혁명을 일으킬 것이라고 많은 전문가들이 예견하고 있고, 현재의 제조 환경을 급격하게 변화시킬 수 있을 것이라고 기대하고 있다. 또한 혁신적인 제조 인프라의 변화를 가져올 것이라는 전망도 있다. 

그러나 이러한 혁신적인 변화를 가져오기 위해서는 소재부터 제조설비, 그리고 디자인 개발까지 다양한 분야의 동반성장이 필수적으로 이루어져야 하며, 이러한 성장은 이미 수년 전부터 진행되고 있다. 지금까지의 3D프린팅은 플라스틱에만 국한된다고 생각해 왔으며, 시장규모 역시 플라스틱 소재가 많은 부분을 차지하고 있다. 그러나 플라스틱 소재는 강도, 내열성, 내구성 측면에서 많은 제약을 가지고 있으므로 시작은 플라스틱으로 했지만 3D프린팅의 마지막은 금속 소재라고 볼 수 있다.

현재 3D프린팅 기술에 있어 소재 및 설비의 제약으로 인해 금속 분야의 응용 범위가 제한적인 것은 사실이지만, 앞에서 설명한 바와 같이 금형 제작, 기능성 코어 제작 등 금형 분야의 수요량이 증가하고 있고 이외에도 의료, 방산, 로봇, 원자력으로도 적용이 확대되고 있으므로 가까운 시일 내에 지금의 플라스틱 소재와 같이 보편적으로 적용될 것으로 보인다. 그리고 이러한 적용 확산을 위해서는 선진국에 비해 상대적으로 뒤처져 있는 금속분말 제조 기술 개발과 응용 분야의 확대가 필요하다.

 

강민철 상임이사, 김현식 책임연구원 _ 3D프린팅연구조합