산업용 사출 성형이 시작된 후, 금형 표면의 온도를 균일하게 유지하는 것은 끊임없는 도전 과제였습니다.

제조업체들은 온도를 일정하게 유지하기 위해 배플, 버블러 및 열 파이프를 사용했으며 블록을 라미네이팅하고 복잡한 드릴링 세트를 금형에 추가했습니다.

지난 10여년 동안, 생산할 부품의 윤곽을 자연스럽게 따라가는 냉각 채널을 설계하는 형상 적응형 냉각은 사출 성형 온도를 제어하기 위한 솔루션으로 자리잡았습니다. 그러나 형상 적응형 냉각은 금형 제작 공정에 새로운 설계를 추가해야 하고 생산이 더욱 복잡해져 대부분의 공장에서 사용을 배제하는 솔루션입니다.
 

"견고한 방법론"

오하이오 주에 소재하며 공장, 적층 제조 서비스 및 장비 판매를위한 원스톱 솔루션 제공업체인 Bastech는 온도 문제를 해결하기 위해 노력해 왔습니다. 이제 이 회사는 형상 적응형 냉각에 새로운 차원의 단순성, 효율성 및 경제성을 도입하는 방법을 찾았다고 믿습니다. 3D Systems 공인 골드 파트너라는 장점을 활용해, Bastech은 연구에 최신 3D 프린팅 기술 및 인텔리전스를 활용할 수 있게 되었습니다.

최근 벤치마크 테스트에서 문서화된 Bastech의 획기적인 성과는 3D Systems의 Cimatron™ 금형 제작 소프트웨어 및 ProX® 200 DMP(Direct Metal Printing) 시스템에 기반합니다. 3D Systems 파트너인 Moldex3D 소프트웨어를 사용하여 형상 적응형 냉각 금형 설계를 위한 시뮬레이션이 수행되었고 완성된 DMP 금형은 3D Systems Geomagic® Control 소프트웨어를 사용한 검사를 거쳤습니다.

이 공정은 디지털과 물리적 세계를 손쉽게 통합하여 원스톱 제조 솔루션을 제공하며 3D Systems는 이 모든 공정을 지원합니다.

"3D 프린팅의 모든 기능을 활용하도록 설계된 강력한 소프트웨어와 간단한 후처리 기능, 매끄러운 표면의 고밀도 금속 파트를 생산하는 프린터가 만나 맞춤형 냉각 금형을 제작하기 위한 견고한 방법이 탄생했습니다."라고 Bastech의 CEO인 Ben Staub는 말합니다.
 

설계 및 분석 자동화

Bastech의 첫 번째 벤치마크에서는 체적, 크기 및 설계 구성 측면에서 두 개의 매우 유사한 부품을 비교했습니다. 하나는 형상 적응형 코어로 설계된 후 3D 프린팅으로 제작된 부품이며 다른 하나는 표준 나선형 배플 구조로 설계되고 기존 방법으로 제작된 부품이었습니다.

형상 적응형 냉각 설계는 견적에서 설계, 엔지니어링 변경 사항 적용, NC 및 EDM 프로그래밍에 이르는 모든 금형 제작 사이클을 한번에 해결하는 전문가용 CAD/CAM 소프트웨어인 Cimatron을 사용했습니다. Cimatron의 최신 버전에는 냉각 설계 및 분석 기능이 포함되어 있으며 이 기능은  3D 프린팅 기술을 사용한 제조를 위해 기존 방식으로 드릴링된 냉각 채널과 형상 적응형 냉각 채널 채널을 모두 지원합니다.

Moldex3D와의 긴밀한 통합을 통해, Cimatron으로 작업하는 사출 성형 설계자는 냉각 채널 레이아웃을 최적화하기 위해 자동화된 금형 채우기 분석을 수행할 수 있습니다.

Staub는 "Cimatron과 Moldex를 결합하면 경험이 부족한 엔지니어도 보다 우수한 품질의 설계를 작성하는 데 도움이 되는 전문가용 소프트웨어가 탄생합니다."라며 "현재 숙련된 공구 제조업체에 대한 수요가 공급보다 훨씬 크기 때문에 이는 중요하게 고려해야 할 사항입니다." 라고 말합니다.

"3D 프린팅용 설계를 수행할 때에는 실제 요구 사항에 기반한 설계를 달성하고 재료 비용 및 제작 시간을 줄이기 위한 구조적 지지물 설계에 대한 이해가 필요합니다. "라고 Bastech의 엔지니어링 관리자인 Scott Young이 덧붙였습니다. "Cimatron 소프트웨어에는 이러한 전문 지식이 구현되어 있어 설계자가 복잡한 내부 채널을 정의하기 위해 CAD 패키지를 탐색할 필요 없이 설계에만 집중할 수 있게 합니다."
 

시간 및 사이클 대폭 절감

Bastech는 첫 번째 벤치마크를 위해 산업용 어셈블리에 사용되는 스페이서 콘(Spacer Cone) 내부에 위치하는 테이퍼 헬릭스를 설계했습니다. 티어드롭 구성을 회전시켜 형상 적응형 냉각 채널이 생성되었고, 한쪽이 코어의 외부 표면에 일정한 거리를 유지하며 평행한 구조를 가지게 되었습니다. Bastech는 테이퍼 헬릭스를 따라 단면을 실행하여 ProX 200이 1회 실행을 통해 제작할 수 있는 기하형상을 설계할 수 있었습니다.

3D 프린트 금형 설계에는 2일이 소요되었으며 3일째에 ProX 200을 사용하여 제작되었습니다. Bastech은 생산성을 극대화하기 위해 금형의 3D 프린트 실행에 다른 Bastech 프로젝트에서 필요한 파트를 결합했습니다.

ProX 200 은 전통적인 제조 공정을 대체할 수 있습니다. 재료 낭비를 줄이고, 생산 속도를 향상시키고, 설치 시간을 단축하며, 고밀도 금속 부품을 제작할 수 있고, 매우 복잡한 어셈블리를 단일 파트로 생산할 수 있습니다. 

Staub는 "이는 금형 분야에서의 우리의 역량을 개선하는 도구입니다." 라고 말하며 "툴링 처리 시간이 훨씬 개선되어 작업장 내의 병목 문제를 해결합니다. 우리는 EDM 및 드릴링을 제거하여 금형 당 30-40시간을 절약하고 CNC 및 연마 작업을 획기적으로 줄일 수 있게 되었습니다.

역류 헬릭스 코어의 경우, Cimatron 소프트웨어를 사용한 설계 및 분석을 ProX 200을 사용한 3D 프린팅과 결합하여 프로그래밍 및 작업 시간을 40시간 이상 줄일 수 있었습니다. Young은 전체 비용을 고려할 경우, 3D 프린트된 코어는 기존 방법에 비해 총 1,765(18%)달러의 절감 효과를 얻었다고 밝혔습니다.

더욱 중요한 것은, 형상 적응형 냉각 금형이 실행 전반에 걸쳐 더 낮은 온도를 유지하고 사이클 시간을 22%까지 단축한다는 점입니다.

"사이클 시간은 사출 성형에서 가장 중요한 요소입니다. 온도를 거의 초 단위로 일관되게 제어할 수 있는 능력이 필요합니다."라고 Staub는 말합니다.

Young은 "온도를 일관성 있게 유지할 수 있게 되면, 품질이 우수한 부품을 보다 일관되게 성형할 수 있습니다."라며 "온도 변화로 인한 뒤틀림을 제거하고 사이클 시간을 단축하면 성능이 크게 향상됩니다."라고 말했습니다.

벤치 마크 결과 : 배플 vs. 형상 적응형 코어

코어 이상의 절감 효과

두 번째 벤치마크에서, Bastech은 형상 적응형 코어를 넘어 3D 프린팅을 위한 완벽한 코어, 공동 및 슬라이드 금형 세트를 설계했습니다. 이때, 냉각 및 사이클 시간 결과에 미치는 영향을 확인하기 위해 기존 설계와 형상 적응형 설계 간 온도를 동일하게(110F) 유지하는 것이 목표였습니다.

마찬가지로, 프로그래밍, 기계 가공 및 연마 작업에서 시간이 크게 절약되었고 형상 적응형 냉각 설계에서 EDM을 완전히 제거할 수 있었습니다. Cimatron 소프트웨어에서 제공하는 자동화 덕택에 형상 적응형 금형 설계 시간이 30시간에서 단 7시간으로 줄어들었습니다. 3D 프린트된 금형으로 절약된 총 비용은 2,505달러로, 16% 절감 효과를 얻었습니다.

기존 금형의 경우 10.5초였던 냉각 시간은 형상 적응형 금형의 경우 7.5초로 단축되었고 가장 중요한 사이클 시간은 14% 단축되었습니다.

"기존의 냉각 설계와 형상 적응형 냉각 설계 모두에서 온도가 동일하게 유지되었다 해도, 형상 적응형 냉각 설계는 더 많은 액체가 더 큰 표면 면적을 통과하도록 하여 금형의 강제 냉각에 더 효율적이었습니다."라고 Young은 말합니다.

벤치 마크 결과 : 기존 vs. 형상 적응형 코어

주요 근본적 영향 

Young은 "더 나은 냉각 기술에 대한 열망은 아주 오래 전부터 존재하던 것입니다. 이제 우리에게는 금형 제작업체가 공동, 코어 및 인서트를 설치하는 방법에 대한 더 나은 결정을 내리고 3D DMP(Direct Metal Printing)을 통해 실제로 구현하도록 지원하는 소프트웨어가 있습니다."라고 말했습니다.

Staub은 "기존의 사출 성형 냉각 장치를 사용한다면 원하는 대로 완벽하게 가공할 수 없습니다. 특정 위치에만 구멍을 뚫을 수 있고 3D 프린팅을 위해 설계된 형상 적응형 냉각 방식과 달리 채널 주변에 구멍으로 곡선을 이루지 못합니다. 이제 형상 적응형 냉각 설계에서 더 이상 품질을 희생할 필요가 없습니다."라고 말합니다.

Bastech은 오하이오 주와 University of Dayton의 Research Institute에저 지급한 지원금으로 ProX 200 DMP 시스템을 구입했고, 이 회사의 미션 중 일부는 그 결실을 산업 공동체와 공유하는 것입니다. Staub는 Bastech의 벤치마크 테스트를 통해 형상 적응형 냉각을 달성할 수 있는 견고한 엔드 투 엔드 솔루션이 존재한다는 것을 모든 규모의 공장에게 알릴 수 있기를 바랍니다.

그는 "많은 공구 제조업체는 공장을 개선하기 위해 3D 기술을 적용할 필요가 있습니다."라며 "우리는 우리의 성공을 공유하여 이러한 작업이 가능하다는 것은 물론, 최종 수익에도 큰 영향을 미칠 수 있다는 것을 다른 공장에도 알려주고 싶습니다."라고 말했습니다.