제조에는 다양한 요구 사항을 충족하는 다양한 생산 기술이 있습니다. 그중에는 사출성형과 3D 프린팅이 있다. 두 프로세스 모두 고유한 장점이 있으며 보완적인 경우가 많습니다. 이를 더 잘 이해하기 위해 기본 사항, 고유한 기능, 응용 프로그램, 시장 제조업체 및 관련 비용을 살펴보겠습니다.
각 기술을 논의하기 전에 해당 기술의 기원을 이해하기 위해 적절한 시점에 위치를 파악하는 것이 유용합니다. 사출 성형의 역사는 John Wesley Hyatt가 획기적인 플라스틱 소재인 셀룰로이드를 발명한 1860년대로 거슬러 올라갑니다. 나중에 하얏트와 그의 형제 이사야는 용융된 셀룰로이드를 금형에 밀어넣는 피스톤으로 구성된 최초의 사출 성형 시스템에 대한 특허를 받았습니다. 기술은 20세기 전반에 걸쳐 계속 발전했으며 James Watson Hendry의 1946년 회전 스크류 사출 성형기와 같은 발명품은 오늘날에도 여전히 기본 사출 성형 시스템으로 자리잡고 있습니다.
적층 가공은 1980년대에 시작되었습니다. 최초의 3D 프린팅 시스템은 Chuck Hull이 개발하고 1986년에 상업적으로 특허를 받은 광조형 기술을 기반으로 했습니다. 분명히 여러 제조 공정과 호환되는 다른 제조 공정도 많이 있습니다. 다양한 응용 분야 및 산업을 위한 재료.
3D 프린팅은 어떻게 작동하나요?
3D 프린팅은 디지털 도면에서 재료를 레이어별로 추가하여 객체를 만드는 생산 프로세스입니다. 이 접근 방식은 사출 성형을 포함한 기존 제조 방법으로는 달성하기 어렵거나 심지어 불가능했던 복잡한 형상을 생성할 수 있는 뛰어난 유연성과 정밀도를 제공합니다. 적층 제조에는 사용 가능한 재료, 에너지원 및 재료 추가 방법이 다른 다양한 기술 계열이 포함됩니다. 일반적으로 분류하면 크게 압출 기반 공정, 광중합 기반 공정, 분말 융합 기반 공정의 세 가지 공정이 있다고 할 수 있습니다. 각 시리즈에는 고유한 장비가 필요하고 동일한 재료를 사용하지 않으며 결과가 크게 다른 변형이 있습니다. 그러나 각 기술에는 최종 부분을 달성하기 위한 명확한 단계가 있습니다.
이 프로세스는 CAD(컴퓨터 지원 설계) 소프트웨어를 사용하여 3D 도면을 만드는 것으로 시작됩니다. 도면이 완성되면 디지털 파일로 변환합니다. 디지털 모델은 STL, OBJ, 3MF 등 3D 프린터와 호환되는 형식으로 내보낸 다음 파일을 슬라이싱 소프트웨어 또는 슬라이서에 로드하여 모델을 수평 레이어로 변환하고 G 코드를 생성합니다. 이 코드에는 3D 프린터가 따라야 할 지침이 포함되어 있습니다. 실제 제조는 사용된 인쇄 기술에 따라 달라집니다. 프린팅 후 물체에는 지지체 제거, 샌딩 또는 열처리를 포함한 후처리가 필요할 수도 있고 필요하지 않을 수도 있습니다.
사출 성형은 어떻게 작동하나요?
이름에서 알 수 있듯이 사출 성형 공정에는 용융된 재료를 금형에 주입한 후 냉각 및 응고되어 최종 부품을 형성하는 과정이 포함됩니다. 이 공정은 펠릿, 분말 또는 프리폼 형태의 재료를 선택하고 준비하는 것으로 시작됩니다. 가장 일반적인 재료는 플라스틱이지만 이 공정에는 금속이나 유리도 사용할 수 있습니다. 우리는 이 기술과 호환되는 재료를 더 자세히 다룰 것입니다. 재료가 준비되면 공급 호퍼로 공급되고 거기에서 배럴로 공급됩니다.
배럴에는 가열하는 동안 재료를 회전하고 밀어내는 고온 나사가 장착되어 있습니다. 이 열은 물질을 녹여 끈적거리고 묽게 만듭니다. 이 단계의 온도는 최대 200°C까지 올라갈 수 있다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 재료가 녹으면 스크류가 전진하여 압출기와 유사한 노즐 시스템을 통해 금형 캐비티에 고압으로 주입됩니다. 주입 시간은 일반적으로 0.1~2초로 매우 짧을 수 있습니다. 플라스틱이 금형에 주입되면 더 낮은 금형 온도로 인해 거의 즉시 냉각되어 응고되기 시작합니다. 또한 금형에는 일정한 온도를 유지하고 냉각 과정의 속도를 높이는 데 도움이 되는 환기 구멍이 있습니다.
재료가 응고되면 폐쇄 장치(유압 또는 전기 프레스일 수 있음)가 압력을 해제하여 금형이 열리고 부품이 해제됩니다. 마지막으로, 금형이 닫히고 사출 사이클이 반복되어 다음 부품을 생산합니다. 다중 캐비티 금형, 이중 사출 금형, 하이브리드 금형 등 다양한 유형의 금형이 있지만 위에서 언급한 기계적 기능을 수행하기 위해 동일한 기본 구조로 제작된다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 주조품의 후처리에는 디버링, 페인팅, 표면 처리 또는 조립이 포함됩니다.
사출 성형 및 3D 프린팅과 호환되는 재료
적층 가공과 사출 성형 모두 다양한 응용 분야와 산업에 적합한 다양한 재료를 사용합니다. 예를 들어, FDM 3D 프린팅에서는 PETG, PLA, ABS와 같은 열가소성 수지가 압출 용이성으로 인해 지배적입니다. 적층 제조에는 열경화성 수지, 엘라스토머 및 엔지니어링 수지도 사용됩니다. 금속(티타늄, 알루미늄 등)과 세라믹 가공이 가능해 적용 범위가 넓어진다. 흥미롭게도 특정 공정은 문제의 재료의 모든 특성을 찾기 위해 사출 성형에 사용되는 플라스틱 과립과 호환됩니다. 3D 프린팅에 사용되는 필라멘트의 구성은 변한다는 점을 기억하자.
적층 가공과 마찬가지로 사출 성형은 사용 가능성이 거의 동일한 다양한 재료(열가소성 수지, 열경화성 수지, 탄성 중합체, 금속, 나일론 및 폴리카보네이트와 같은 엔지니어링 수지)와 호환됩니다. 이러한 다용성을 통해 내구성이 뛰어난 자동차 부품, 의료용 실리콘 임플란트 및 기타 고성능 부품을 생산할 수 있습니다. 사출 성형은 밀도가 높은 재료를 처리할 수 있는 능력 덕분에 높은 구조적 완전성과 치수 정확도가 요구되는 부품을 생산하는 데 유용합니다.
후처리
마무리 및 후처리는 3D 프린팅 및 사출 성형 부품의 기능적, 미적 특성을 개선하는 데 중요합니다. 3D 프린팅의 경우 매끄러운 표면 마감을 얻으려면 프린팅 공정에서 거친 질감과 눈에 띄는 레이어 라인이 생성되기 때문에 샌드블래스팅, 광택 처리, 화학 처리 등의 후처리 기술이 필요한 경우가 많습니다. 많은 3D 프린팅 기술, 특히 FDM, SLA, DLP 및 재료 분사에서 서포트 제거는 프린팅된 부품의 후처리에서 또 다른 중요한 단계이며, 특히 복잡한 형상이나 캔틸레버가 있는 설계의 경우 더욱 그렇습니다. 일반적으로 이러한 기술은 표면 질감을 개선하고, 부품 내구성을 개선하고, 치수 정확도를 보장하는 데 중요하며, 이는 고품질의 미적 또는 기능적 표면이 필요한 응용 분야에 중요합니다. 그러나 각 후처리 기술은 사용된 원래의 3D 프린팅 기술에 크게 의존합니다.
사출 성형의 경우, 금형이 고품질 마감을 부품에 전달할 수 있기 때문에 일반적으로 후처리는 적층 가공의 경우보다 훨씬 덜 일반적입니다. 그러나 최종 제품이 필수 사양을 충족하는지 확인하기 위해 여러 단계가 필요한 경우도 있습니다. 가장 일반적인 후처리 단계 중 하나는 사출 성형 공정 중 금형 캐비티에서 빠져나오는 잉여 재료인 플래시를 제거하는 것입니다. 일반적으로 디버링이나 절단 도구를 사용하여 수행되지만 배치 생산에서는 프로세스 속도를 높이기 위해 자동화 시스템이 자주 사용됩니다.
사출 성형 및 3D 프린팅 애플리케이션
두 프로세스 모두 업계에서 널리 사용되며 각 프로세스는 고유한 장점을 활용하여 특정 제조 문제, 요구 사항 및 기회를 해결합니다. 적층 제조는 의료, 항공우주, 자동차, 소비자 제품 등 맞춤화와 복잡한 형상이 필요한 산업에서 탁월한 성능을 발휘합니다. 프로토타입 제작 및 맞춤화에 있어서 적층 제조의 유연성은 의료 분야에서 명백히 드러납니다. 맞춤화된 임플란트와 보철물이 환자의 개별적인 해부학적 구조에 맞춰져 치료 결과와 환자의 편안함이 향상됩니다.
마찬가지로, 우주 비행의 자율성을 높이기 위해 초음속 미사일, 로켓 엔진 또는 무중력 3D 프린터에 특정 응용 분야가 등장하면서 항공우주 부문에서 적층 가공의 사용이 크게 증가했습니다. 항공우주 엔지니어들은 3D 프린팅의 강력한 기능을 활용하여 복잡한 디자인의 가볍고 내구성이 뛰어난 부품을 생산하고 있습니다. 이러한 부품은 기존 제조 방법으로는 불가능했던 전체 무게를 줄이거나 복잡한 형상을 최적화하여 성능을 크게 향상시킬 수 있기 때문입니다.
또한 자동차 제조업체는 신속한 프로토타이핑, 다중 반복 및 경량 부품 제조 기술을 사용하여 적층 제조 기술을 활용하고 있습니다. 이를 통해 부품을 빠르고 저렴하게 수정할 수 있으며 맞춤화가 향상됩니다. 이 기술을 사용하는 산업은 상당 부분 중복되지만, 사출 성형은 대량 생산과 정밀하고 일관된 부품 품질이 필요한 산업에서 독특한 역할을 합니다. 적층 제조와 마찬가지로 자동차, 소비재, 의료 기기 산업에서 흔히 사용되지만 그 이유는 매우 다릅니다.
사출 성형은 우수한 표면 마감과 높은 치수 정확도로 표준화된 부품을 효율적으로 생산할 수 있는 능력 때문에 선호됩니다. 특히 자동차 응용 분야에서는 사출 성형을 사용하여 범퍼, 도어 핸들, 계기판, 차체 패널과 같은 대량 부품을 생산하므로 일관성과 엄격한 산업 표준 준수가 보장됩니다. 소비재 산업에서 사출 성형은 제품 일관성을 유지하고 대량 생산을 가능하게 하기 위해 플라스틱 포장, 용기, 전자 케이스 및 장난감의 대규모 제조에 매우 중요합니다. 3D 프린팅과 마찬가지로 의료 산업도 사출 성형, 특히 주사기, 카테터, 수술 도구와 같은 의료 기기 생산을 통해 큰 이익을 얻었습니다. 사출 성형은 의료 전문가가 생체 적합성과 치수 정확도에 대한 엄격한 규제 요구 사항을 충족하는 장치를 사용할 수 있기 때문에 이 분야에서 특히 유리합니다.
장점과 한계
사출 성형은 대량 생산 시 효율성과 비용 효율성으로 유명하며, 산업 전반에 걸쳐 고성능 제조의 초석이 됩니다. 사출 성형의 가장 큰 장점은 재료 손실을 최소화하면서 동일한 부품을 대량으로 생산할 수 있다는 것입니다. 금형이 생성되면 생산 공정이 빨라져 각 사이클마다 완전히 형성된 부품이 생산되므로 소비재 및 전자 산업의 대량 생산에 이상적입니다. 이러한 효율성은 생산량이 증가함에 따라 상당한 단위 비용 절감으로 이어져 많은 기업에서 초기 설치 비용을 감당할 가치가 있게 만듭니다. 사출 성형은 대규모 생산에 있어서 비용 효율성이 매우 높아지고 있습니다.
그러나 사출 성형은 특히 준비 시간과 초기 투자 측면에서 심각한 문제에 직면해 있습니다. 금형 설계 및 제작은 생산할 부품의 복잡성에 따라 몇 주 또는 몇 달이 걸릴 수 있습니다. 리드 타임이 길어지면 설계를 빠르게 변경할 때 사출 성형의 유연성이 훨씬 떨어집니다. 금형 제작, 기계 구매, 재료 구입과 관련된 높은 초기 비용으로 인해 많은 중소기업과 신생 기업이 시장에 진입하는 데 제한이 있을 수 있습니다.
부품 무결성을 손상시키거나 새 금형을 설계하는 데 드는 비용이나 생산 시간을 크게 늘리지 않으면서 복잡한 형상과 내부 기능을 성형하기 어려울 수 있으므로 설계 제약 조건도 중요한 역할을 합니다. 또한, 스프루(용해된 재료가 금형으로 진입하는 지점)는 재료가 금형으로 균일하게 흐르도록 하고 변형과 조기 냉각을 방지하기 위해 정밀하게 설계되고 보정되어야 합니다. 이러한 장애에도 불구하고 금형 제작에 대한 초기 투자가 극복되면 생산량이 증가함에 따라 부품당 가격이 크게 떨어집니다.
반면, 적층 가공은 사출 성형에 비해 리드 타임이 최소화되어 신속한 프로토타이핑 및 주문형 생산에 유용합니다. 이러한 구현 속도는 빠른 반복과 단축된 리드 타임을 통해 상당한 비용 절감 효과를 누리는 항공우주, 자동차 등 빠르게 성장하는 산업 분야의 기업에 특히 유용합니다. 신속한 프로토타이핑과 같이 설계 변경이 필요한 경우 3D 프린팅을 사용하면 빠르고 비용 효율적인 조정이 가능하지만, 사출 성형에는 비용이 많이 드는 금형 교체 또는 변경이 필요합니다.
또한 적층 제조는 대부분의 경우 재료 낭비를 크게 줄여 지속 가능성 측면에서 사출 성형에 비해 분명한 이점을 가지고 있습니다. 공정의 첨가적 특성은 재료가 필요할 때만 증착되어 폐기물을 최소화한다는 것을 의미합니다. 사출 성형은 기존 방법에 비해 상대적으로 내구성이 뛰어난 반면, 적층 가공은 게이트 정렬 불량이나 남은 재료로 인한 낭비를 방지하는 데 탁월합니다.
초기 설정은 빠르지만, 3D 프린팅을 이용한 실제 생산 속도는 대량 생산 사출 성형에 비해 느립니다. 또한 지속적인 산업 발전에도 불구하고 3D 프린팅 부품의 표면 마감에는 원하는 질감이나 미적 품질을 얻기 위해 광범위한 후처리가 필요한 경우가 많으며, 이는 3D 프린팅 부품의 경우에는 그렇지 않은 경우가 많습니다. 특히 고품질 마감이 필요한 부품의 경우 생산 공정에 시간과 비용이 추가됩니다. 또한 3D 프린팅의 초기 가격은 사용되는 산업에 따라 크게 달라질 수 있으며, 이에 따라 저가 옵션인지 고비용 옵션인지가 결정됩니다. 적층 제조는 비교할 수 없는 설계 유연성을 갖춘 신뢰할 수 있고 일반적으로 저렴한 제조 옵션이지만 일반적으로 단순하고 균일한 부품을 대규모로 생산하는 데는 경제적인 옵션이 아닙니다.
제조 시간
각 단계의 정확한 일정을 제시하는 것은 불가능하지만 결정적인 요소가 있습니다. 예를 들어, 사출 성형의 경우 금형 준비에는 금형 설계, 제조, 기계 가공이 포함되므로 오랜 시간이 걸릴 수 있습니다. 실제로 금형 설계에서는 부품의 구조뿐 아니라 금형 주변의 전체 메커니즘, 냉각 시스템, 통풍구, 사출 채널 등도 고려합니다. 인쇄할 부품의 경우 디자인 시간은 부품과 물론 지지대에만 중점을 둡니다. 두 경우 모두 설계 시간은 부품의 복잡성과 원하는 결과를 달성하는 데 필요한 수정 사항에 따라 달라집니다.
실제 생산 시간은 적층 가공에서 사용되는 부품 형상, 인쇄 해상도, 재료 및 기술에 따라 달라집니다. 예를 들어 작고 단순한 부품을 프린팅하는 데는 몇 분밖에 걸리지 않지만 큰 부품을 프린팅하는 데는 몇 시간 또는 며칠이 걸릴 수 있습니다. 반면, 사출 성형은 재료를 반복적으로 주입하도록 기계가 보정되어 있어 몇 초 안에 많은 수의 부품을 생산할 수 있기 때문에 훨씬 빠릅니다.
사출 성형 및 3D 프린팅 비용
또 다른 중요한 점은 생산 비용입니다. 산업용 사출 성형 장비에 대한 초기 투자 비용은 기계의 크기, 용량 및 기술 사양에 따라 $50,000에서 $200,000 이상입니다. 소규모 생산을 위한 솔루션도 보이기 시작했습니다. 3D 프린터의 경우 사용되는 공정, 크기 등에 따라 가격이 크게 다릅니다. 두 공정의 주요 차이점 중 하나는 적층 제조에는 툴링에 대한 투자가 필요하지 않다는 것입니다. 실제로 금형은 가장 비싼 부품 중 하나이며, 특히 매우 복잡한 경우 더욱 그렇습니다. 금형 비용은 최대 $100,000까지 들 수 있습니다.
소프트웨어는 또 다른 투자입니다. 두 프로세스 모두 프로세스 설계 및 모니터링을 위한 소프트웨어가 필요합니다. 두 프로세스 모두에 대한 투자가 독특하기 때문에 전문 견적 서비스 외에도 제조 계산의 기준점으로 사용할 수 있는 온라인 계산기가 있습니다. Hubs, ICOMold 또는 CustomPart는 사출 성형 계산기의 예이며 AMOTool 또는 ShatterBox와 같은 솔루션이 있습니다. 두 경우 모두 설치 비용, 시장 출시 기간, 투자, 유지 관리, 인건비 및 자재도 포함된다는 점을 기억하는 것이 중요합니다.
적층 제조는 여전히 소량 프로젝트, 맞춤형 부품, 신속한 프로토타입 제작에 이상적인 것으로 간주되지만, 이는 앞으로 몇 년 안에 변화할 것으로 보입니다. 실제로 시장 동향에 대한 최근 BE-CU 보고서에서 강조된 바와 같이, 이전에 사출 성형과 같은 전통적인 기술을 사용하여 제조되었던 부품을 대량 생산하기 위해 적층 가공으로 전환하는 전문가가 점점 더 많아지고 있습니다.
