금속 3D-프린팅 형상 적응형 냉각 사출 성형으로 생산율을 30% 높이고 있는 B&J Specialty

사출 성형 냉각 사이클에서 온도 변화가 크면 부품 뒤틀림이 발생할 위험이 크게 증가할 수 있습니다. 기존 방식으로 설계하고 제조한 사출 성형 자동차 덕트를 테스트한 결과, 전체 공정에서 132˚C의 온도 변화가 나타나자, B&J Specialty, Inc.는 더 균일한 냉각을 위해 고객에게 형상 적응형 냉각을 적용한 금형 삽입물을 추천했습니다.

이를 위해 B&J Specialty의 엔지니어들은 Cimatron CAD/CAM 소프트웨어를 사용하여 금형을 설계하고 내부 냉각 채널들을 부품의 표면과 평행하게 맞췄습니다. 이렇게 복잡한 내부 형상 적응형 냉각 채널을 정확하게 구현하기 위해, 생산 시 ProX DMP 300 프린터에서 금속 적층 제조(AM)를 사용했습니다.

형상 적응형 냉각을 적용하여 만든 금형 삽입물의 경우 냉각 과정에서 온도 변화가 18˚C로 줄고 금형에서의 사이클 시간이 1 분에서 40초로 단축되어 전체적인 생산성이 30% 개선되었습니다.

차선의 냉각 라인이 높은 온도 변화를 유발합니다. 

형상 적응형 금형은 오랜 문제점을 해결하기 위해 현대의 기술을 이용합니다. 많은 사출 성형 부품들이 곡면을 가지고 있지만 냉각 채널을 만드는 데 사용되는 드릴은 오직 직선 라인만을 생성합니다. 이는 대부분의 경우에 냉각 라인을 부품 기하형상에 맞추는 것이 불가능하다는 뜻입니다. 기존의 방식으로 만들어지는 직선 냉각 라인들은 공동과의 간섭을 피하기 위해 부품의 가장 바깥쪽 부분 너머로 이동해야 하는데, 이 말은 부품의 중앙에 더 가까운 부분은 일반적으로 가장 가까운 냉각 라인에서 멀다는 뜻입니다. 이렇게 되면 냉각 공정이 시작될 때 부품의 부피에 걸쳐 온도 변화가 커지곤 합니다.

B&J Specialty가 더 효율적인 냉각을 위해 재설계한 자동차 덕트에는 표면이 불규칙하고 구부러진 곳이 많이 있습니다. 기존의 금형 설계에서, B&J는 허브 및 스테이터 블록에 직선 냉각 라인을 뚫었는데, 이것이 뒤틀림을 감안하여 금형 기하형상을 맞추는 데 사용되었습니다. 불규칙한 형상이 보통 그렇듯이, 덕트의 몇몇 주요 부분들은 직선 채널의 한계로 인해 냉각 라인에서 멀리 떨어져 있었습니다. 이에 따른 온도 변화로 인해 다양한 잔류 응력이 발생하여 냉각 시 부품이 구부러지는 경향이 있었습니다. 과거에는 냉각 사이클을 늘려서 부품을 금형에서 제거하기 전에 완전히 굳히고 추가 비틀림을 감안하여 삽입물을 조정하는 방식으로 이 문제를 해결하였습니다. 이러한 방법의 문제점은 냉각 사이클을 늘림으로써 생산성이 감소하고 부품 생산 비용이 증가한다는 것이었습니다.

형상 적응형 냉각 채널을 통한 금형 개선

B&J Specialty의 정보기술 및 3D 프린팅 관리 책임자인 Jarod Rauch에 따르면, 자동차 덕트에 개선된 형상 적응형 냉각 설계를 충분히 적용할 수 있을 것으로 보이며 이 설계를 통해 최종 부품 품질을 개선하고 스크랩을 줄이며 냉각 주기를 단축하는 데 도움이 될 것이라고 합니다. B&J Specialty는 이 솔루션을 고객사인 한 자동차 공급업체에게 제안했고 이 업체는 이 새로운 방법을 테스트하는 데 동의했습니다. 기존 기하형상의 CAD 파일을 제공받은 B&J 엔지니어들은 Cimatron 금형 설계 소프트웨어를 사용하여 작업에 착수했습니다. “Cimatron은 설계 시 모든 CAD 기능을 사용할 수 있고 동일한 패키지로 바로 빌드 준비를 할 수 있게 해주는 원스톱 솔루션 소프트웨어라고 할 수 있습니다.”

Rauch는 B&J Specialty가 형상 적응형 냉각을 위한 3D 프린터를 조사하다가 Cimatron을 발견했다고 말합니다. “저희는 3D Systems가 금형 설계 소프트웨어와 빌드 준비 소프트웨어와 3D 프린터를 포함한 완전한 엔드 투 엔드 솔루션을 제공한다는 것을 알고서 아주 기뻤습니다.”라고 Rauch는 말합니다. “3D Systems는 기계에만 초점을 맞추는 것이 아니라 엔지니어가 적층 설계를 어떻게 하는지에도 관심을 둡니다.”

Cimatron으로 작업하는 B&J 엔지니어들은 기존의 직선 냉각 라인을 없애고 부품 표면에서 일정한 거리를 유지하는 형상 적응형 냉각 라인으로 대체했습니다. 금속 3D 프린팅을 이용한 최종 금형 생산을 통해 엔지니어들은 단면과 인터페이스 표면이 개선된 복잡한 채널을 설계할 수 있었습니다. 이 같은 특징들은 난류를 형성하는 데 도움을 주어서 금형에서 냉각수로 전달되는 열의 양을 더 증가시켜 효율적인 냉각에 도움을 줍니다. 성형 부품을 더 효율적으로 냉각시켜주는 이러한 기능은 뒤틀림이나 싱크 마크 같은 부품 결함 발생률을 줄여줌으로써 부품의 품질을 보장하는 데에도 도움이 됩니다. 더 나은 품질의 부품으로 가는 길은 원하는 결과를 달성하는 데 필요한 교정, 시험 및 샘플링의 횟수를 한정시켜줌으로써 툴 제조업체와 금형 사용자 모두의 시간과 돈을 절약해줍니다.

정확한 시뮬레이션으로 기대치 설정

그리고 나서 B&J 엔지니어들은 Cimatron의 금형 파일을 통합 냉각 시뮬레이션을 위한 Moldex3D 사출 성형 시뮬레이션 소프트웨어로 내보냈습니다. “Cimatron과 Moldex3D의 통합으로 전체 사출 성형 사이클을 시뮬레이션하고 금형과 부품 전반의 온도를 매핑하여 뜨거운 부분과 차가운 부분을 구분하고 서로 다른 냉각 시간의 효과를 시뮬레이션하는 것이 쉬워집니다.”라고 Rauch는 말합니다. 그리고 이러한 시뮬레이션은 실제 부품에 투자를 하기 전에 재설계를 통해 전체적인 냉각 전략을 개선할 수 있는 부분을 파악하는 데에도 도움이 됩니다. 기존의 금형 설계와 형상 적응형 냉각 라인을 통해 새로운 설계를 비교하여 시뮬레이션해본 결과, 새로운 설계를 통한 부품에서 온도 분배가 크게 개선되어 온도 변화가 86% 감소하는 것으로 나타났습니다.

형상 적응형 냉각 라인으로 금형 삽입물 3D 프린팅

그리고 나서 B&J의 엔지니어들은 생산에 사용할 금형 삽입물 설계를 준비하기 위해 3DXpert 금속 AM 소프트웨어를 사용하였습니다. 부품 데이터를 가져오고 기하형상을 최적화하고 스캔 경로를 계산하고 빌드 플랫폼을 준비하고 작업을 3DXpert 소프트웨어에서 사내에 있는 ProX DMP 300 금속 3D 프린터로 바로 전송했습니다.

ProX DMP 300은 고정밀 레이저를 조사하여 LaserForm 소재를 이용해서 금속 파우더 입자를 얇은 수평층으로 하나씩 선택적으로 쌓아나갑니다. B&J Specialty는 이 자동차 덕트 금형에 마레이징 스틸 소재를 사용했습니다. “ProX DMP 300은 정확성이 매우 뛰어나서 형상 적응형 냉각 라인을 만드는 데 아주 적합합니다.”라고 Rauch는 말했습니다. “공차를 3~4천분의 1인치로 유지할 수가 있습니다.” 3D Systems 의 특허 받은 DMP(Direct Metal Printing) 기술을 통해 더 작은 재료 입자로 미세한 피처 디테일과 초박형 벽 두께를 구현할 수 있습니다. 최대 5Ra μm(200Ra 마이크로인치)인 표면 마감 처리 품질을 제공하여 후처리가 간단합니다.

생산성의 커다란 증대

B&J Specialty는 3D 프린팅 후에 청색 레이저 라인 3D 스캐너를 사용하여 삽입물을 Geomagic Control X 검사 및 계측 소프트웨어로 스캐닝하고 설계된 기하형상 위에 메시를 겹쳐서 금속 3D 프린팅 금형 삽입물을 검증하였습니다. 이 삽입물은 자동차 공급업체로 배송되었고 이 업체는 성형기에 이 삽입물을 장착하였습니다. “벤치마크 테스트 결과, 형상 적응형 라인에 의해 냉각이 훨씬 더 균일하게 됨으로써 생산 주기가 줄어들고 생산 처리량이 30% 증가한 것으로 나타났습니다.”라고 Rauch는 말했습니다. “그리고 형상 적응형 냉각에 따른 생산 주기 단축으로 사출 압력이 줄어들어서 금형의 파팅 라인과 복잡한 디테일의 마모가 줄어들기 때문에 금형의 수명이 훨씬 더 늘어날 것으로 예상합니다.”