왁스 패턴을 태워 제거한 후 세라믹 금형에서 금속 부품을 만드는 기존 정밀 주조 방식은 사용된 지 5,000년도 넘었습니다. 이러한 방식은 지난 세기를 지나면서 여러 차례 혁신을 거쳐 발전을 이루었지만 복잡한 부품에 필요한 툴링을 제작하려면 여전히 속도도 느리고 비용도 만만치 않습니다. 생산 기간은 몇 개월씩 걸리기 일쑤이고 비용도 수십만 달러에 이를 수 있습니다.
하지만 70년 동안 항공우주 구성품과 서브어셈블리를 납품한 공급업체이자 3D 프린팅 분야에서 20년 넘게 잔뼈가 굵은 베테랑인 Vaupell을 예로 든다면 워크플로가 빠르게 바뀌고 있습니다.
Vaupell은 3D Systems가 정밀 주조용으로 개발한 SLA(광조형) 공정인 QuickCast®를 이용해, 전통적인 방식에 비해 훨씬 저렴한 비용으로 고객에게 전례 없는 수준의 속도와 품질을 제공합니다. QuickCast 프로세스는 매우 복잡한 부품을 소량만 요구하는 경우가 많은 항공우주 시장에 적합합니다.
정확도 높은 대형 부품 제작
Vaupell에서 신규 비즈니스 개발 부문 영업 엔지니어를 맡고 있는 Andy Reeves는 3D Systems ProX® 800에서 QuickCast를 사용할 경우 약 $6,000~15,000면 구체적으로 직경이 26인치인 부품 패턴을 2~3일만에 제작할 수 있다고 추산하고 있습니다. 하지만 왁스 도구를 사용해 동일한 부품을 제작할 경우 수 개월에서 1년 이상 걸릴 수 있으며, 필요한 비용도 $200,000~300,000에 이릅니다.
ProX 800은 제작 치수가 25.6 x 29.5 x 21.65인치(650 x 750 x 550mm)로 대용량이기 때문에 대형 부품을 1회 제작하거나 다수의 부품을 빠르게 제작하는 데 필요한 유연성과 속도가 충분합니다.
Vaupell에서 고속 원형 제작 관리자를 맡고 있는 Austin Wong은 "대형 플랫폼은 다른 장비와 비교했을 때 커다란 이점을 가지고 있습니다. 소형 장비라면 2회 작동해야 할 대형 부품을 1회 작동으로 제작할 수 있습니다. 또한 생산 시간이 줄어들 뿐만 아니라 부품이 클수록 인건비가 줄어듭니다. 부품 수가 적으면 필요한 용접도 줄어들기 때문입니다."라고 말했습니다.
Vaupell은 ProX 800의 정확도(부품 치수 1인치당 0.001~0.002 인치(0.025-0.05 mm) 덕분에 항공우주 산업 고객들이 바라는 요구 사항을 정확하게 맞출 수 있게 되었습니다.
Wong은 "The ProX 800은 높은 품질의 측면 벽과 정확한 공차, 그리고 대형 프린트 베드를 제공합니다. 또한 레진의 마감 처리가 우수하여 프린트 이후 마감을 처리하는 시간이 줄어들었을 뿐만 아니라 부품을 2개로 제작하지 않아 접합할 필요가 사라지면서 시간을 절감하는 효과도 있습니다."라고 칭찬을 아끼지 않았습니다.
시장 요건 충족
Reeves에 따르면, QuickCast 정밀 주조 시장은 거부할 수 없는 두 가지 비즈니스 요건에서 시작되었습니다. 하나는 어떤 방법으로도 툴링이 불가능한 부품에 사용할 주조 개발이고, 나머지 하나는 너무 복잡해서 생산에 적합한 금형을 제작하는 데 수 년이 걸리는 부품에 사용할 주조 개발입니다.
항공우주 산업에 종사하는 회사들은 3D 프린팅은 복잡한 설계가 가능하여 어셈블리를 구성하는 부품 수를 줄여 중량을 낮추는 동시에 강도와 내구성을 그대로 유지하거나 높일 수 있다는 사실을 깨달았습니다.
Wong은 "이렇게 생산된 다수의 부품들이 제트 터빈에 사용되기 때문에 완벽해야 하지만 왁스 도구를 사용해 부품 윤곽을 성형할 경우 비용이 만만치 않고 리드 타임도 오래 걸립니다."라고 밝혔습니다.
금형을 통해 생산 가치가 있는 패턴을 개발하려면 설계부터 왁스 소재를 사용한 생산에 이를 때까지 오랜 시간이 걸리기 때문에 뉴햄프셔 주 허드슨 시에 위치한 Vaupell 산하 고속 원형 제작 사업부는 대규모 브릿지 툴링 비즈니스를 시작했습니다.
Wong은 “이제 고객들도 QuickCast 패턴 덕분에 빠르게 부품을 얻을 수 있게 되었습니다. 생산 또는 원형 제작 도구를 설계해 제작한 후 테스트하여 온라인으로 가져오기 한참 전에 말이죠."라고 말했습니다.
Wong은 한 가지 프로젝트를 예로 들면서 Vaupell은 QuickCast를 사용해 복잡한 정밀 주조 패턴을 개발한 결과 불과 2.5일만에 부품 20개를 생산했고, 매월 120개까지 빠르게 확장할 수 있었다고 설명했습니다.
"우리가 QuickCast를 사용해 부품을 생산하지 않았다면 고객도 계약에 따라 주문을 처리하지 못했을 겁니다. 지금도 고객은 여전히 왁스 툴링을 개발하여 제작하고 있지만 우리는 1년을 통틀어 보았을 때 2~3가지 QuickCast 패턴을 한 달에 150개까지 생산하기도 합니다.
안티모니 프리 및 완전 연소
수축 감소, 반복 횟수 증가
정밀 주조에서 가장 큰 문제 중 하나인 제조 시 수축 계산은 QuickCast의 등장으로 비중이 크게 줄었습니다.
Wong은 "QuickCast가 왁스 툴링을 압도할 수 있는 이유는 금속 수축만 계산한다는 큰 이점에 있습니다. 금속 위에 적층되는 왁스의 수축은 계산할 필요가 없습니다. 또한 QuickCast 패턴이 훨씬 더욱 정확하여 왁스 툴링과 비교했을 때 더욱 정밀한 공차를 유지할 수 있습니다."라고 강조했습니다.
Reeves에 따르면 QuickCast 프로세스는 전반적으로 실수에 더욱 관대합니다. 패턴에서 실수가 발생하거나, 예상한 것보다 성능이 좋지 않더라도 불과 몇 일이면 새로운 패턴을 반복적으로 제작해 프린트할 수 있기 때문입니다. 이와 달리 왁스 금형이라면 수정하거나 다시 제조하는 데만 몇 주 또는 몇 개월이 걸릴 수 있습니다.
기존 정밀 주조 회사들이 대부분 원형 제작 비즈니스를 중단했다는 점에서 볼 때 원형 제작 응용 분야에서 QuickCast의 반복 성능은 매우 중요합니다.
Reeves는 "기존 왁스 금형을 사용한 반복적 설계 원형 제작은 경제적인 관점에서 보았을 때 바람직하지 않습니다. 하지만 QuickCast는 반복 설계에 매우 적합하여 부품 개발과 프로세스 개발을 모두 지원합니다."라고 강조했습니다.
3D 프린팅 초기에는 정밀 주조에 대한 관심이 주로 사용 가능한 소재의 품질과 속성에 집중되어 있었습니다. 하지만 이러한 관심은 3D Systems의 Accura® CastPro™ Free 같은 소재가 출시되면서 사라졌습니다.
CastPro Free는 폴리카보네이트와 유사한 투명 소재로 중금속이 전혀 없습니다. 정확도도 매우 높아서 안정적이고 품질 높은 정밀 주조 패턴을 제작하는 데 적합합니다.
Vaupell에서 첨단 제조 기술 관리자를 맡고 있는 Dave Pellegrino는 "CastPro Free는 안티모니 프리이기 때문에 최종 단계에서 금속을 주조하더라도 혈관 폐색이나 기타 장애를 유발하지 않습니다."라고 밝혔습니다.
CastPro Free는 기존에 출시된 레진과 비교했을 때 연소 후 잔류 회분이 적어서 후처리 시간이 줄어드는 동시에 품질을 높일 수 있습니다.
Wong은 "레진이 완전 연소가 되지 않으면 고객에게 문제가 생깁니다. 완전 연소와 연소 청정도가 CastPro Free의 품질에 절대적인 역할을 하는 이유도 여기에 있습니다."라고 강조했습니다.
서비스 지원
Vaupell은 ProX 800 3D 프린터의 기술적 기능을 비롯한 QuickCast 프로세스 및 소재 외에도 20년 전부터 3D Systems과 이어온 파트너십을 통해 고객이 원하는 서비스 품질을 실현하고 있습니다.
Wong은 이렇게 말했습니다. "적층 제조는 결국 빠른 속도, 높은 효율, 비용 절감으로 요약됩니다. Vaupell은 속도와 품질을 중요하게 생각합니다. 특히 대형 부품이 아니라면 1~3일만에 배송까지 마칠 수 있다는 약속을 드릴 수 있습니다. 3D Systems의 시간적 지원이 없다면 이러한 약속도 지킬 수 없을 것입니다.”