시스템 내에서 부품 설계를 개선하는 일이 간단한 경우는 거의 없습니다. 단순한 개선부터 복잡한 개선까지, 반복 주기는 프로토타입 생산 중 설계를 검증하여 생산에서 이를 개선할 것으로 기대됩니다. 용수 운반, 제어, 애플리케이션을 위한 특수 피팅 및 밸브 설계 및 제조 분야의 글로벌 리더인 Philmac은 새로운 밸브 제품 설계를 위한 최근 검사에서 이러한 경험을 통해 도움을 받았습니다.
3D 프린팅을 통해 프로토타입 생산의 설계 주기를 가속화하는 데 익숙한 Philmac은 더욱 복잡한 기하형상을 위한 프로토타입 툴 제작까지 3D 프린팅의 활용 범위를 확장했습니다. Philmac은 호주에 있는 3D Systems 주문형 제조 전문가와 함께 이 새로운 방식을 성공적으로 시험하고 새로운 개념을 실현했습니다.
3D Systems 주문형 제조는 빠른 회전 및 고급 프로토타입부터 외관 모델 및 소량 생산에 이르는 전체 제품 개발 수명 주기를 지원하기 위한 기술, 소재, 전문 지식을 제공합니다.
신속한 설계 검증
Philmac의 신규 밸브 제품 설계 중 하나를 테스트하는 과정에서 흙탕물 응용 분야의 기능 개선 가능성을 발견했습니다. 본체, 피스톤, 캡 및 스프링으로 구성된 이 밸브의 설계가 이에 맞춰 수정되었고 테스트를 위한 프로토타입이 3D로 프린트되었습니다. 프로토타입 테스트 피드백을 기반으로 설계를 수정한 Philmac은 다른 테스트 주기를 재인쇄하고 이를 확정했습니다.
생산 중 설계 변경은 샘플 제작 전 부품 중 2개의 툴 조정이 필요하다는 의미였습니다. 그 중 하나의 툴은 코어를 새로 제작하여 조정할 수 있지만, 다른 툴은 훨씬 복잡하여 기존 장비로는 쉽게 조정할 수 없었습니다. Philmac은 다양한 부품 제조 옵션 중에서 선택해야 했습니다. 알루미늄 프로토타입 툴 제작이나, 아세탈 막대에서 직접 부품을 기계 가공하는 방식을 쓸 수도 있었지만 3D 프린팅을 통한 툴을 시험해 볼 기회일 수도 있었습니다. 비용 및 시간과 관련한 논의를 거친 Philmac은 3D 프린팅 솔루션을 탐구해 보기로 했습니다.
올바른 솔루션을 위한 파트너십
Philmac은 3D Systems의 호주 현지 사무실에 문의한 뒤 활용할 수 있는 솔루션을 논의하기 위해 3D Systems과 만났습니다. 각 현지 오피스에서 이러한 프로젝트는 처음이었지만 초기 디자인 검토 후 두 회사는 파트너 선택에 대한 자신감을 얻었습니다.
Philmac은 Aliaxis 그룹의 해외 자매 회사가 제공한 3D 프린팅 툴링 설계 가이드라인을 활용해 벤치마킹 테스트를 시작하는 데 적합한 소재 특성을 연구하기 시작했습니다. 동시에 3D Systems는 평가를 위한 여러 소재판을 제작하고 Philmac의 연구를 강화할 수 있도록 해당 팀에 배경 기술 정보를 제공했습니다.
테스트 소재 특성
Philmac은 다양한 소재의 적합성을 결정하기 위해 소재판에 대한 비교 테스트를 수행했습니다. 이 테스트에는 고온에서 소재 반응을 분석하기 위한 소재판 가열 테스트도 포함되었으며 이후 많은 소재판이 제외되었습니다. 온도 테스트를 마친 Philmac은 이어서 방향을 전환해 압력 성능을 테스트했습니다.
남은 4개의 소재판에 85kN 및 100kN의 압축 하중을 가했습니다. 압축 성능 결과 후보 소재판 2개가 제외되었습니다. 최종 소재를 결정하기 위해 Philmac은 열 테스트를 반복했는데, 최종 선정 소재는 아세탈의 용융 온도인 220˚C를 견뎌야 하므로 이번에는 각 소재를 180˚C까지 가열했습니다. Philmac의 테스트 결과 형상 및 문자를 모두 유지한 고온 내성을 갖춘 섬유 강화 SLS 소재인 DuraForm® HST가 선정되었습니다.
Philmac의 최종 평가에는 DuraForm HST와 이전 연구에서 3D 프린팅 생산 도구로서 성공을 거둔 다른 3D 프린팅 소재의 특성 비교도 포함되었습니다. 3D Systems는 Philmac에서 소재의 기계 가공 및 연마 적합성을 평가할 수 있도록 DuraForm HST의 추가 소재판을 제공했습니다. Philmac은 특히 가공 적합성 결과에 만족했습니다.
주문형 완전 마감 테스트 부품
Philmac의 여러 사출 금형 툴은 제품군을 기반으로 하며 코어 및 공동을 변경해 사용합니다. 3D 프린팅 툴 제작을 테스트하기 위해 Philmac은 필요한 인서트 크기에 따라 3D 프린트 공동에 적합한 기존 툴을 선정했습니다. 테스트 팀은 설치를 위해 초기 툴 개념에 강철 이젝터 슬리브와 노출 인서트를 설계했습니다.
설계를 완성하고 소재를 결정한 Philmac은 3D Systems 주문형 제조에 공동 세트를 주문하고 일주일 내로 최종 부품을 수령했습니다.
이후 이젝터, 노즐, 게이트 인서트에 맞출 수 있도록 인서트를 가공하고 툴에 맞도록 크기를 조정했습니다.
시험 사용일 및 결과
초기 시도에서 Philmac은 이젝터 기능을 테스트하기 위해 사출기에 툴을 로드했습니다. 인서트 내에 냉각 회로가 설계되었고, 냉각을 위해 툴에 공기가 연결되었으며, 수동 공기는 샷 사이마다 인서트 표면으로 향했습니다.
Philmac의 테스트 예방 조치의 일환으로 툴 제작 팀은 먼저 부품 이형을 지원하는 금형 이형을 적용했습니다. 초기 샷을 계산 중량의 75%와 낮은 압력으로 시작한 Philmac은 성형 공정을 시작했고 완전한 부품이 생산될 때까지 샷과 압력을 점진적으로 증가시켰습니다. 각 단계에서 Philmac의 팀은 다음 주기로 진행하기 전 표면 및 대상의 권장 온도 범위에 도달했는지 적외선 온도계로 3D 프린팅 블록을 확인했습니다.
다음 단계에서 Philmac은 패킹된 부품을 얻기 위해 고정 압력을 높였습니다. 소재가 툴의 코어측의 얇은 립에 들러붙을 위험을 줄이기 위해 Philmac의 팀은 금형 이형을 재적용한 뒤 샷마다 사포로 립을 손으로 연마해 표면을 매끄럽게 유지했습니다. 안정적인 부품 중량을 달성할 때까지 이러한 설정을 추가했습니다. Philmac의 툴 제작 팀에 따르면 3D 프린팅 툴은 성공을 거뒀고 사고 없이 추가로 50개 부품을 더 생산할 수 있었습니다
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