기존 금형 가공과 3D 프린팅 기술의 차이점

이제부터 3D 프린팅은 제조업에 큰 영향을 미쳤다. 한때 수백 달러의 비용이 들고 몇 주가 걸렸던 프로토타입 부품을 이제는 아침에 디자인하고, 밤에 프린팅하고, 다음날 아침 고객에게 배송할 수 있습니다.

일부 회사에서는 이미 3D 프린팅 공정을 사용하여 사출 금형을 제조하고 있습니다. 더 이상 금형이 생산 준비가 완료될 때까지 몇 달을 소비할 필요가 없으며, 다운스트림 설계 변경 또는 생산 수준의 불확실성으로 인해 금형 수정에 상당한 재정적 투자를 할 필요가 없습니다. 금형 검증이든, 사출 성형 부품의 소규모 배치 생산이든, 금형을 신속하게 3D 프린팅할 수 있습니다. 금형에 문제가 있거나 디자인을 수정해야 하는 경우 다른 금형을 인쇄하고 검증 또는 생산을 반복하면 됩니다. 그렇죠?

이러한 주장에는 어느 정도 일리가 있습니다. 플라스틱 3D 프린팅 사출 금형은 뒷마당에 있는 플라스틱 창고와 약간 비슷하며 금속 창고보다 저렴하고 제작 속도가 빠르며 낮은 하중에서도 잘 작동합니다. 그러나 눈이 너무 많이 쌓이면 눈이 산산조각이 날 것입니다.

3D 프린팅 금형에는 나름의 위치가 있으며 일부 회사는 3D 프린팅 금형을 적용하여 더 성공적이었습니다. 지지자들은 3D 프린팅 금형이 기존 금형 가공 방법보다 최대 90% 빠르고 70% 저렴하다고 주장합니다. 이는 경우에 따라 사실일 수 있지만 3D 프린팅된 플라스틱 금형과 비교하여 금속 금형의 장점/단점을 이해하는 것이 중요합니다.

정말 빠른 실제 금형

신속 제조 회사인 ProtoLabs는 1999년부터 고속 금형 사출 성형 부품을 생산해 왔습니다. 그것이 제공하는 금형은 엔지니어링 플라스틱, 금속, 액상 실리콘 고무(LSR) 및 기타 재료로 부품을 제조할 수 있습니다. 금형은 주로 알루미늄(경우에 따라 강철)으로 가공되며 몇 개에서 1,000개의 부품으로 제작할 수 있으며 배송 시간은 1~15일입니다.

산업 등급 3D 프린팅 서비스에는 SLA(광조형), SLS(선택적 레이저 소결), DMLS(직접 금속 레이저 소결)가 포함됩니다. 인쇄 가능한 재료에는 폴리프로필렌 및 ​​ABS를 모방한 열가소성 재료, 산업용 등급 나일론 및 금속(예: 스테인리스 스틸, 알루미늄 합금 및 티타늄 합금 등)이 포함됩니다.

이렇게 다양한 가공 능력이 있는데 왜 금형을 직접 프린팅하지 않고 기계로 가공해서 금형을 만드는가?

금형 제조사는 주의해야 한다

ProtoLabs 엔지니어들은 프린팅 금형을 고려해 왔지만 쾌속 금형 사업에 16년을 종사한 후에도 여전히 신뢰할 수 있는 고속 사출 성형 공정을 고수해야 하는 몇 가지 이유가 있습니다.

01 표면 품질

3D 프린팅 부품은 층별로 가공되어 제품 표면에 계단식 효과가 나타납니다. 직접 인쇄된 금형에도 비슷한 문제가 있으며 나중에 이러한 작은 톱니 모양의 가장자리를 제거하려면 가공이나 샌드블라스팅이 필요합니다. 또한 1mm보다 작은 구멍은 드릴링해야 하고, 더 큰 구멍은 리머 또는 드릴링해야 하며, 나사산 기능은 태핑 또는 밀링해야 합니다. 이러한 2차 공정은 3D 프린팅 금형의 속도 이점을 크게 감소시킵니다.

02 크기 계수

스케이트보드나 플라스틱 도구 상자를 디자인하려는 경우 3D 프린팅 금형이 문제가 되지 않을 수 있습니다. 부품 크기는 대략 자몽 크기인 10입방인치(164입방센티미터)로 제한됩니다. 그리고 현재의 적층 장비는 매우 정확하지만 여전히 머시닝 센터나 EDM 장비와 비교할 수 없습니다. 후자의 금형 캐비티 정확도는 일반적으로 ±0.003인치(0.076mm)이고 부품 부피는 59입방인치에 달하며 이는 3D 인쇄 부품 부피의 약 6배입니다.

03 고온 환경

좋은 재료 흐름 특성을 보장하려면 사출 금형을 매우 높은 온도로 가열해야 합니다. 알루미늄 금형 및 강철 금형은 일반적으로 500F(260℃) 이상의 온도를 경험하며, 특히 PEEK 및 PEI(Ultem) 재료와 같은 고온 플라스틱을 가공할 때 더욱 그렇습니다. 이러한 금형을 사용하면 수천 개의 부품을 쉽게 생산할 수 있으며 최종 대량 생산 금형이 출시되기 전에 전환 금형으로도 사용할 수 있습니다. SLA 또는 유사한 3D 프린팅 프로세스를 사용하여 제조된 금형 재료는 일반적으로 자외선이나 레이저로 경화되는 감광성 또는 열경화성 수지입니다. 이러한 플라스틱 금형은 상대적으로 단단하지만 사출 성형의 열 순환 조건에서는 매우 빠르게 손상됩니다. 실제로 3D 프린팅된 금형은 폴리에틸렌 및/또는 스티렌과 같은 순한 고온 플라스틱에 사용 후 100회 이내에 실패하는 경우가 많습니다. 유리 충전 폴리카보네이트와 내열성 플라스틱을 사용하면 극소수의 부품만 생산할 수 있습니다.

04 비용 비교

3D 프린팅 금형을 사용하는 이유 중 하나는 가격이 저렴하기 때문입니다. 생산 수준의 가공 금형 비용은 일반적으로 20,000달러 이상입니다. 이는 인쇄된 금형 1,000달러와 대등한 비교를 의미합니다. 그러나 이러한 비유는 불공평합니다. 인쇄된 금형 사본의 평가는 일반적으로 재료 소비만 고려하고 노동력, 조립 및 설치, 사출 시스템 및 하드웨어는 고려하지 않습니다. 예를 들어, ProtoLabsd의 알루미늄 금형 생산 비용은 1,500달러입니다. 더 많은 부품을 생산해야 한다면 3D 프린팅 금형을 사용하여 생산하는 제품 50~100개마다 새로운 금형을 테스트하기 위해 기계를 다시 인쇄하고 조립해야 합니다. 반면, 사용된 플라스틱에 관계없이 알루미늄 금형은 일반적으로 10,000개의 부품을 생산한 후에 좋은 성능을 발휘합니다.

05 제품 디자인

전통적인 사출 금형 제조의 원리와 관행은 100년 이상의 역사를 가지고 있으며 업계에서는 이에 대해 비교적 철저한 연구를 진행해 왔습니다. 3D 프린팅 금형은 매우 새로운 것입니다.

예를 들어 대부분의 알루미늄 금형 요구 사항을 충족하려면 구배 각도가 5도 이상이어야 합니다. 플라스틱 부품을 플라스틱 금형에 사출 성형하는 것은 어려운 일이며, 플라스틱 금형 이젝터 핀의 수와 설치 위치에 특별한 주의가 필요합니다.

플라스틱 금형(특히 높은 사출 온도)은 캐비티 벽 두께를 늘리고 압력을 줄이는 측면에서 다소 더 유연합니다. 게이트 디자인도 다르므로 터널 및 포인트 게이트는 피해야 합니다. 직접 게이트, 팬 게이트, 윙 게이트는 일반 크기의 3배로 늘려야 합니다.

점도와 낮은 압력으로 인한 높은 충진을 방지하려면 프린팅 금형 내 폴리머의 흐름 방향이 3D 프린팅 라인과 일치해야 합니다. 냉각 시스템은 금형의 수명을 어느 정도 늘릴 수 있지만 플라스틱 금형의 방열 능력은 알루미늄이나 강철 금형만큼 좋지 않기 때문에 금형 인쇄 주기 수를 크게 줄이지는 않습니다.

타이밍

빠른 알루미늄 성형의 많은 장점에도 불구하고 3D 프린팅 금형이 여전히 중요한 역할을 하는 상황이 있습니다. 3D 프린터를 보유하고 있고 인쇄된 금형이 사출 성형기에서 어떻게 작동하는지 알아볼 충분한 시간이 있는 제조업체의 경우 금형을 직접 인쇄해야 한다고 생각할 수도 있습니다.

물론 금형 설계자는 기능성 금형을 만드는 방법을 이해해야 하며, 금형을 재설계하고 제작하려면 많은 비용이 소요됩니다. 관련 기술 인력과 장비도 필요합니다. 금형 분사, 배출 핀 설치, 사출 성형 기계 운영자 등의 기계 기술자는 이러한 매개변수의 설정이 기존 금형과 매우 다르기 때문입니다.

하지만 잠깐만요. DMLS를 직접 인쇄하면 어떨까요? DMLS는 레이저와 정밀 광학을 사용하여 미세한 금속 분말 위에 부품을 한 층씩 "그리며" 다양한 제품을 생산합니다. 완전밀도 상업용 제품 항공 및 의료 분야에 사용됩니다. 일부 사람들은 미래에는 알루미늄 및 금형강 재료로 만든 금형을 직접 인쇄하여 매우 효율적인 형상 적응형 냉각수 채널을 제공하여 사출 성형 시간을 크게 줄이고 금형의 수명을 연장할 수 있다고 예측합니다. DMLS를 사용하여 금형을 직접 인쇄하는 것은 다소 느리고 비용이 많이 들며 일반적으로 매우 작고 복잡한 금형이나 기존 가공 방법으로 제작하기 어려운 금형 인서트에만 사용됩니다.

실제 테스트에서 신뢰할 수 있음

일반적으로 ProtoLabs는 DMLS, SLA 또는 기타 3D 프린팅 프로세스를 사용하여 자신이 잘하는 작업, 즉 금형보다는 부품 프린팅을 수행하는 것이 가장 좋다고 믿습니다. . 그러나 다음 조건이 충족되면 3D 프린팅 사출 금형이 신뢰할 수 있는 대안이 될 수 있습니다.

1) 소규모 배치와 상대적으로 단순한 부품의 경우 제품에 상대적으로 큰 구배 각도가 필요합니다.

2) 도구 및 금형 설계팀은 3D 프린팅 금형의 설계 원리를 잘 알고 있어야 합니다.

3) 플라스틱 금형을 가공하고 조립할 수 있는 인력과 장비를 갖추고 있습니다.

최종 디자인 고려 사항. 금형을 오랫동안 사용해야 하는 경우 3D 프린팅 금형이 디자인의 합리성을 확인한 후 다음 단계는 플라스틱이기 때문에 알루미늄이나 스테인레스 스틸과 같은 보다 영구적인 재료를 사용하여 금형을 만드는 것입니다. 금형은 주로 소량 생산에 사용됩니다. 3D 프린팅 금형의 설계는 기존 금형의 설계와 다르기 때문에 프로젝트 시간과 예산 측면에서 일정한 수의 금형 재설계 및 테스트를 고려해야 합니다.