(질문배경)

3차원 프린팅 공정 제품들의 적용분야로 초기부터 적용되어 왔으며, 3차원 프린팅 공정과 제품 대량 생산을 연결시킬 수 있는 3차원 프린팅 기술의 금형 산업분야 적용에 대하여 살펴 보자. 3차원 프린팅된 플라 스 틱 제 품 을 금 형 의 패 턴(Pattern)으로 사용하여, 역전 공정(Reverse Process)으로 금형면에 3차원 프린팅된 제품의 표면 형상을 전사하여 간이형 플라스틱 금형이나 주조금형을 제작하는 간접식 쾌속 툴링(Indirect Rapid Tooling) 방식이다.

(상온 가황 실리콘 고무 Indirect Rapid Tooling)

(3D 프린팅의 간접식 쾌속 툴링 금형분야응용)

간접식 쾌속툴링 방식은 금형을 역전시키는 횟수에 따라 1단 역전 공정(Single Reverse Process), 2단 역전 공정(Double Reverse Process) 및 3단 역전 공정(Triple Reverse Process)으로 구분된다. 금형의 역전 횟수가 증가할수록 패턴 형상 대비 금형 표면 형상의 정확도는 감소하게 된다. 그러나 역전 횟수를 증가시킬 때마다 기계적 물성이 우수한 금형 재료로 변경할 수 있어, 역전 횟수를 증가시켜 금형의 내구성을 증가시킬 수 있다. 1단 역전 공정에서는 3차원 프린터로 제작된 마스터 패턴을 분리면 블록에 삽입한 후, 분리면 블록 위에 에폭시 등 금형 재료를 부어서 한쪽의 금형을 제작한다. 그 후, 분리면 블록을 제거하고 제작된 반쪽 금형에 삽입된 마스터 패턴 상부에 금형 재료를 부어서 반대쪽 금형을 제작한다. 1단 역전 공정에서는 분리면 블록이 요구된다. 2단 및 3단 역전 공정에 비하여 금형의 정밀도가 우수하고 빠른 시간 내에 금형을 제작할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 분리면 블록 제작을 위한 작업자의 기술과 지식이 요구되며, 대부분의 1단 역전 금형의 경우 제작 가능 제품수가 100-200여 개 정도로 금형의 수명이 매우 제한적이다. 대표적인 1단 역전 공정으로는 케스트 에폭시 툴링(Cast Epoxy Tooling), 화학적 접착 세라믹 툴링(Chemically Bonded Ceramic Tooling), 케스트 고무 툴링(Cast Rubber Tooling), 금속 분사 툴링(Spray Metal Tooling), 전기 주조 툴링 (Electroformed Tooling), 실리콘 고무 툴링(Silicon Rubber Tooling) 등이 있다. 1단 역전 공정 중 상온 가황 현상(RTV: Room Temperature Vulcanization)을 이용한 실리콘 진공 주형 금형(Silicon Vacuum Mould)은 100-200개 정도의 플라스틱 제품을 생산할 수 있으며, 최대 자동차 범퍼 크기의 플라스틱 제품을 제작한 예가 보고되고 있다. RTV 실리콘 툴링 공정의 경우 3차원 프린터로 제작된 마스터 패턴이 있으면 거의 24시간 내에 실리콘 금형을 제작할 수 있다. 이 실리콘 금형을 진공로에 넣고 플라스틱 재료를 금형 내부로 삽입하면 실리콘 금형 내부의 진공압에 의하여 플라스틱 재료가 금형의 케비티 내를 채우게 되고, 일정 시간 경화를 시키면 플라스틱 제품을 제작할 수 있다. 2단 역전 공정에서는 상/하 금형에 대한 마스터 패턴을 각각 제작한 후, 각각의 마스터 패턴 위에 중간 금형(Cast Reverse) 재료를 부어 상/하 금형에 대한 중간 금형을 각각 제작한다. 그 후 각각의 금형 형상에 대한 마스터 패턴을 제거하고 각각의 중간 금형들을 역전시킨다. 최종적으로 각각의 중간 금형 상부에 최종 금형 재료를 부어서 상/하형의 금형을 제작한다. 2단 역전 공정의 주요특징은 상/하 금형 제작을 위한 2개의 3차원 프린팅된 마스터 패턴과 2개의 중간 금형들이 요구되는 것이다. 2단 역전 공정은 1단 역전 금형보다 내구성이 우수한 재료를 최종 금형에 적용할 수 있어 금형의 내구성을 증가시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 상/하 금형 각각에 대한 CAD 모델과 마스터 패턴이 요구되고 1차 주조 시는 비용이 다소 저렴한 편이다. 다중 주조 시 비용이 많이 소요되는 단점을 가지고 있다. 대표적인 2단 역전 공정으로는 퀵케스트 툴링(Qucikcast Tooling) 공정을 들 수 있다. 3단 역전 공정은 상/하 금형에 대한 1차 모형 금형(Dummy Mold)을 제작하기 위한 1단 역전 공정과 상/하 금형 각각을 제작하기 위한 2단 역전 공정으로 구성된다. 상/하 금형에 대한 1차 모형 금형을 제작하기 위한 1단 역전 공정에서는 마스터 패턴으로부터 분리면 블록을 제작하고, 이 분리면 블록에 마스터 패턴을 삽입한다. 상/하 금형에 대한 각각의 1차 모형 금형들의 상부에 중간 금형 재료를 부어서 상/하 금형의 중간 금형을 제작한다. 그 후, 중간 금형을 역전시키고 중간 금형 상부에 최종 금형 재료를 부어서 최종적인 상/하 금형을 독립적으로 제작한다. 3단 역전 공정의 주요 특징은 상/하 금형에 대한 1차 모형 금형들과 1차 모형 금형들을 이용한 상/하 금형에 대한 중간 금형이 제작되는 것이다. 3단 역전 공정에서는 계속되는 역전 공정을 통하여 금형 재료를 내구성이 우수한 재료로 변경시킬 수 있어, 금형의 내구성을 현저히 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

Tip

3D printing 기술은 기존의 산업적 응용을 넘어서 현재 제조업의 혁명을 가져올 차세대 기술인 3D 프린팅의 간접식 쾌속 툴링 금형분야응용을 알아 두자.

<참고자료>☞ 본문 답변과 관련된 사이트, 문헌자료

www.3dpkorea.co.kr/wp-content/uploads/2015/11/ksme-3dprinting.pdf

<전문용어>

3D printing 기술, 간접식 쾌속 툴링 금형분야응용