3D 프린팅 금형은 제조 산업에서 인기를 얻고 있으며 이는 사출 공정에 큰 도움이 되고 기존 사출 성형 재료에 대한 경쟁력 있는 대안을 제공하기 때문입니다. 이번 글에서는 3D 프린팅 사출 금형 개요 사출 성형을 위한 3D 프린팅에 대해 알아보겠습니다.
사출 금형이란 무엇일까?
사출 금형은 사출 성형 설정에서 가장 중요한 구성요소일 것입니다. 특히, 금형은 내부에 제품의 최종 형상을 정확하게 복제한 캐비티가 있는 다중 부품 어셈블리입니다.
주입 시스템은 용융된 원료를 캐비티로 주입 후 냉각되어 최종 형태를 취하고 이후 금형 내부에 있는 사출 메커니즘이 최종 부품을 배출합니다.
따라서 사출 금형은 부품에 모양을 그대로 새겨 사출하는 일차적인 목적을 제공합니다.
고품질 사출 금형이 갖춰야 할 특성은 다양합니다.
열팽창을 최소화하기 위한 우수한 열 안정성, 클램핑 압력을 견딜 수 있는 높은 강도, 내구성을 위한 우수한 내마모성을 기본적으로 가져야 합니다.
3D 프린팅 금형 Vs. 알루미늄 금형
전통적으로 알루미늄은 중소 규모 생산 사출 금형을 제조하는 데 표준 재료로 선택 되었습니다.
하지만 사출 성형용 3D 프린팅 금형은 비용 절감 및 설계 유연성과 같은 수많은 장점으로 인해 빠르게 주목을 받고 있습니다.
3D 프린팅 금형과 알루미늄 금형의 주요 차이점은 제작 방법입니다.
알루미늄 금형의 주요 제조 공정은 CNC 가공인 반면에 3D 프린팅된 금형은 당연히 3D 프린팅으로 제작되어집니다.
사소한 차이처럼 보일 수도 있지만 실제로는 매우 중요하며 3D 프린팅 금형과 알루미늄 금형에 대한 이해가 필요합니다.
먼저 3D 프린팅 사출 금형의 두 가지 주요 유형을 살펴보겠습니다.
1. 금속 프레임 강화 금형
이러한 유형의 사출 금형은 알루미늄 금형과 3D 프린팅 금형의 요소를 혼용합니다.
캐비티와 채널을 포함한 기본 내부 구조는 3D 프린팅 되며 이 3D 프린트는 더 나은 안정성과 내구성을 위해 알루미늄 구조 내부에 장착됩니다.
알루미늄 프레임 강화로 인해 성형 압력이 높아지고 금형 수명이 연장됩니다. 또한 엔지니어는 설계 변경이나 마모로 인해 3D 프린팅된 금형 구성 요소를 쉽게 교체할 수 있습니다.
2. 독립형 금형
독립형 금형은 전적으로 3D 프린팅으로 제작되며 3D 프린팅이 매우 빠르게 더욱 강력해짐에 따라 독립형 3D 프린팅 금형이 사출 성형 산업에서 인기를 얻고 있습니다.
독립형 금형의 주요 장점은 엔지니어가 사출 채널, 게이트 등과 같은 기능에 대한 추가적인 설계 유연성을 얻을 수 있다는 것입니다.
3D 프린팅 사출 금형의 장점
사출 성형용 3D 프린팅 금형은 금속 금형에 비해 많은 장점을 가지고 있습니다. 3D 프린팅 금형 사용의 주요 장점 중 일부를 살펴보겠습니다.
1. 비용 효율적
비용 관리가 효율적인 제조의 가장 큰 부분을 차지하고 있다는 것은 기정사실이고 3D 프린팅된 금형은 금속 금형보다 훨씬 저렴합니다.
또한, CNC 공작 기계는 종종 비용이 많이 들고 유지 관리가 많이 필요하고 반면에 3D 프린터는 가격이 저렴하고 유지관리가 쉽습니다.
게다가 3D 프린팅 원자재 가격도 사출 성형 금속보다 훨씬 저렴합니다.
그런데 이 두 가지 방법 모두 인건비도 다르다는 사실을 알고 계셨나요?
CNC 기계는 복잡한 장비이므로 이를 작동하려면 자격을 갖춘 전문 작업자가 필요합니다.
3D 프린터는 겉보기에는 어려워 보이지만 여전히 많은 기술자들의 관심에 있습니다.
2. 시간 절약
높은 제조 생산성의 또 다른 중요한 측면은 시간 관리입니다.
알루미늄 금형에 비해 3D 프린팅 금형을 사용할 때의 가장 큰 장점은 금형 제작 과정에서 시간이 크게 절약된다는 것입니다.
CNC 가공은 시간 집약적인 공정으로 복잡한 사출 금형을 완전히 제조하는 데 최대 일주일이 걸리는 경우도 있는데 3D 프린팅 공정은 가공보다 훨씬 빠르고 단계도 단순합니다.
3D 프린팅의 평균 금형 제작 시간은 몇 시간 정도이므로 3D 프린팅 금형에 확실한 장점이라고 할 수 있습니다.
3. 디자인 유연성
3D 프린팅은 신속한 프로토타이핑 능력으로 유명합니다. 빠르고 저렴하며 엔지니어가 다양한 설계 반복을 테스트할 수 있습니다.
동일한 논리가 사출 성형을 위한 3D 프린팅 금형에도 적용됩니다.
금형 설계자는 금형 설계의 실수나 꼬임을 신속하게 파악할 수 있으며 또한 제품 개선 사항을 제조 라인에 통합하는 것도 매우 편리합니다. 간단한 재인쇄만 하면 되기 때문입니다.
이러한 종류의 설계 자유는 단 한 번의 생산이라도 예산이 많이 소요되는 CNC 가공에서는 감당할 수 없습니다.
4. 소량 사출 성형에 적합
3D 프린팅된 금형은 소량 생산 계획에 매우 적합합니다. 뛰어난 기계적 특성을 갖고 있지만 시간이 지남에 따라 금속성 제품보다 더 빨리 마모되는 경향이 있습니다.
따라서 중소 규모의 부품이 제조되는 생산 작업에 이상적입니다.
이러한 설정에서는 생산이 끝날 때까지 금형의 활용도가 낮기 때문에 값비싼 금속 금형에 투자하는 것은 비효율적입니다.
게다가, 평균적으로 소량 생산은 제품 개발과 테스트에 더 중점을 두기 때문에 업데이트가 필요하거나 실수가 발견되면 생산 도중에 디자인이 변경될 수 있습니다.
이런 시나리오에서는 업데이트가 비용 효율적이고 시간을 절약해 주니 3D 프린팅 금형이 이상적이라고 말씀드릴 수 있습니다.
3D 프린팅 사출 금형의 한계
장점과 단점이 함께 작용합니다. 따라서 3D 프린팅 사출 금형의 단점을 무시한다면 지금부터 말씀드릴 내용이 의미가 없어질 것입니다.
1. 낮은 구조적 완전성
3D 프린팅은 매우 빠르게 발전하고 있지만 일부 측면에서는 여전히 CNC 가공과 같은 기존 제조 공정에 비해 뒤떨어져 있습니다.
여기에는 사출 성형용 3D 프린팅 금형의 구조적 무결성을 저하시키는 다공성 및 접착력 부족과 같은 몇 가지 고유한 품질 문제가 있기 때문입니다.
일반적으로 3D 프린팅된 금형은 강도, 경도 및 내마모성이 낮습니다(따라서 알루미늄 보강재가 필요함).
고품질 사출 성형 제품을 얻기 위해 때때로 필요한 극한의 온도와 압력에서 파손되는 경향이 있어 결과적으로 어떤 경우에는 3D 프린팅 금형이 주조/단조 알루미늄 금형을 대체하기에 적합하지 않습니다.
2. 표면 마모
사출 성형용 3D 프린팅 금형은 금속 금형만큼 내마모성이 없습니다.
사출 성형 시 높은 온도와 압력을 받으면 표면 품질이 알루미늄보다 빨리 저하되는데 이는 제품 표면에도 적용됩니다.
이 외에도 3D 프린팅 금형은 층별 쌓아 올리는 제조 공정입니다.
이로 인해 3D 프린팅된 사출 금형에는 사출 성형 부품의 표면 거칠기를 증가시키는 물결 모양의 표면 패턴(계단 효과라고도 함)이 두드러져 보이기도 합니다.
일반적인 해결책은 파일링, 연삭 또는 화학적 처리와 같은 표면 마감 방법을 사용하여 금형의 표면 품질을 향상시키는 것입니다.
하지만 복잡한 형상을 가진 작은 금형에서 이러한 작업을 수행하는 것은 어려운 일이며, 이는 3D 프린팅 금형에서 자주 발생합니다.
3. 긴 생산주기
냉각 시간은 사출 성형 생산 주기의 큰 부분을 차지합니다.
금속은 일반적으로 3D 프린팅 금형에 사용되는 플라스틱 재료보다 열전도율이 높기 때문에 알루미늄 금형에 비해 3D 프린팅 금형 내부에서 용융된 원료가 응고되는 데 더 오랜 시간이 걸립니다.
따라서 우리는 금형 엔지니어에게 제조 공정을 결정하기 전에 가능하다면, 사출 금형 설계에 대한 예상 시간을 계산할 것을 권장합니다.
4. 수축 및 뒤틀림
수축과 뒤틀림은 3D 프린팅 사출 금형의 품질에 영향을 미치는 두 가지 일반적인 3D 프린팅 결함으로 플라스틱은 열에 매우 민감하며 사출 성형 중에 변형(뒤틀림)되기 쉽습니다.
금형 자체가 변형됨에 따라 캐비티의 모양이 변경되어 부품의 최종 치수에 영향을 미칩니다.
대부분의 경우 금형 설계자는 금형에 적절한 수축 허용치를 통합하여 이 문제를 완화할 수 있습니다.
그러나 3D 프린팅된 금형의 경우 3D 프린팅된 구조의 불균일한 동작으로 인해 이러한 허용치를 예측하기 어렵습니다.