래피드프로토타이핑(RP)은 1990년대에개발된첨단기술입니다. 사람들의머릿속에있는디자인콘셉트를빠르게실제물건으로만들수 있습니다. 특히전체제품개발과정에서금형과공정장비가필요하지않아시제품및 신제품의시험생산주기를크게단축하고기업의경쟁력을강화하는중요한수단과도구로빠르게자리잡고있습니다. INCAST 2004 (11)에서발표한 인터넷설문조사에따르면유럽의 400 개이상의투자주조제조업체중 93 % 이상이신속한프로토타이핑을사용한것으로나타났습니다. 모든인터뷰대상자는이새로운기술의사용이신제품을가속화하는데 필수적이라는데 동의합니다. 기업이시장에신속하게대응할수 있는능력을개발하고강화하는것은매우중요합니다.
인베스트먼트주조에서일반적인래피드프로토타이핑방법의적용
인베스트먼트주조에서래피드프로토타이핑기술을적용하는데는주로다음과같은측면이포함됩니다:
1. 투자하기
패턴을만들때 래피드프로토타이핑기계는다른 CAD 소프트웨어에서설정한 3차원기하학적모델을입력할수 있을뿐만아니라산업용 CT(컴퓨터단층촬영)로스캔한데이터파일도수신할수 있습니다. 예를들어, 먼저부품(스크류프로펠러, 그림 12-1a)을 CT로스캔하여단면의 2차원이미지를얻습니다(그림 12-1b). 그후 이미지처리소프트웨어가각 단면의 2차원이미지를결합하여(그림 12-1c) 3차원기하학적모델을형성합니다(그림 12-1d). 그런다음래피드프로토타이핑머신으로전송하여패턴을만듭니다(그림 12-1e)[2]. 이복원(리버스) 엔지니어링방법은기계부품을복원할수 있을뿐만아니라특정인체장기를모방할수도있습니다.
2. 금형(압축성형) 및기타공정장비제작
래피드프로토타이핑으로정밀주조금형을만드는방법에는두 가지가있습니다. 하나는먼저마스터금형을만든다음에폭시또는실리콘고무프로파일링을다시만드는것입니다. 다른방법은 CAD 시스템에서생성된 3 차원프로파일링블록을사용하여기하학적모델을래피드프로토타이핑기계에직접입력하여수지성형을만드는것입니다. 이러한유형의프로파일링은주로소량생산(수십개)에적합합니다. 마스터몰드표면에약 2mm 두께의금속층을분사하고그 위에에폭시수지를채워금속-에폭시복합프로파일을만들면수백개의정밀주물생산요구사항을충족할 수있습니다. 예를들어 SLS 방법을사용할때 가공대상을수지분말에서표면에얇은열경화성수지층이있는강철분말로변경하고레이저소결하여콤팩트를형성한 다음소성하여수지를제거하고마지막으로구리액체를콤팩트의기공에침투시킵니다. 그결과프로파일링은강도와열 전도성측면에서금속과유사합니다. 또한래피드프로토타이핑기술을사용하여특정불규칙한모양의금형을만들수도있습니다.
3. 금형주물직접생산
1990년대초, 미국샌디아나국립연구소에서는직접쉘 주조(DSPC)라는이름의고속주조(FastCAST)라는특별한연구를수행했습니다. 안타깝게도이후보고된내용은거의없습니다.
1994년미국의 Z Corporation은 3D 프린팅기술인 3D 프린팅을성공적으로개발했습니다. 이기술은원래매사추세츠공과대학의엘리삭스교수가발명하여특허를받았습니다. 기본원리는 SLS 방식과유사합니다. 먼저내화재료또는플라스틱분말층을롤러로분사합니다. SLS와다른점은레이저발광헤드를구동하는대신잉크젯프린트헤드를구동하여제품의단면모양에따라 '인쇄'를위한접착제를분사한다는것입니다. 부품이완성될때까지위와같은작업을반복하기때문에 '3D 프린팅기술'이라는이름이붙었습니다. 이기술의장점은낮은운영비용과재료비, 빠른속도입니다. 분사된분말이석고와세라믹의혼합분말인경우알루미늄, 마그네슘, 아연및 기타비철합금주물을주조하기위한금형(석고주형)으로직접빠르게만들수 있는데, 이를 ZCast라고합니다(그림 12-2).
일반적으로사용되는래피드프로토타이핑방법의적용효과비교
현재실제생산에서더 많이사용되는신속한프로토타이핑방법에는 3 차원리소그래피 (SLA), 선택적레이저소결 (SLS), 용융증착 (FDM), 적층제조 (LOM) 및직접주조 (DSPC) )잠깐. 최근많은외국연구기관에서생산패턴의품질과투자주조의성능측면에서위의방법을비교했습니다. 그결과는다음과같습니다:
패턴의표면거칠기비교
전체적인관점에서볼 때 SLA 방법은인베스트먼트주조공정과약간의호환성이없지만치수정확도와표면품질이우수하기때문에인기가있습니다. 외국에서는특히항공우주및 군사산업에서투자주조기업이널리사용됩니다. SLS 방법의품질은 SLA보다약간떨어지지만 인베스트먼트주조의공정요구사항에쉽게적응할수 있습니다. 따라서국내인베스트먼트주조에서점점더 많은응용분야가사용되고있습니다. FDM 방법은인베스트먼트주조의공정요구사항에가장쉽게적응할수 있지만왁스몰드의치수정확도와표면품질은만족스럽지않으며 LOM 방법은허용가능한품질이지만인베스트먼트주조에적응하기어렵습니다. 따라서인베스트먼트주조에적응하기가어렵습니다. 인베스트먼트주조에서두 가지방법의홍보및 적용에는특정제한이적용됩니다.
인베스트먼트주조에서 SLA 및 SLS 적용의새로운발전
1. 새로운광경화수지
SLA 방식은 1987년초에상용화되었습니다. 원래는특정기능을갖춘실제모델과프로토타입을제작하는데 사용되었습니다. 1990 년대초 미국 3D System Inc의 QuickCast 소프트웨어가성공적으로개발되어 SLA 쾌속프로토타이핑기계가벌집모양의구조 (그림 12-3a)를생성하면서도부드럽고조밀한 모양을유지하면서 (그림 12-3b) 성형재료의 90 %를절약할 수있을뿐만아니라쉘을발사할 때패턴이먼저안쪽으로붕괴되어쉘이깨지지않고안쪽으로접 힙니다. 또한사람들은점차금형제작용광경화수지의경우다음과같은특별한요구사항도충족해야한다는것을알게되었습니다:
최근몇 년동안미국의 DSM Somos는위에서언급한 주요요구사항을충족하고투자주조제조업체가선호하는새로운유형의광 경화수지 Somos 10120을성공적으로개발했습니다. 이신제품은세 가지합금(알루미늄, 티타늄, 코발트-몰리브덴합금)으로세 곳의정밀주조공장에서주조되어만족스러운결과를얻었습니다.
2. 소규모배치생산에 SLA 모델사용
SLA 패턴을사용한정밀주조의소량생산에서고려해야할 두가지주요문제는하나는패턴과주조가달성할수 있는치수정확도이고, 다른하나는생산비용과납기에이점이있는지여부입니다. 미국의여러정밀주조공장인 Solidiform, Nu-Cast, PCC, Uni-Cast에서는 SLA 패턴을사용하여수백개의주물을주조했습니다. 주조크기를실제로측정한후 통계분석을통해 DSM Somos에서개발한새로운 11120 광경화수지를사용했음을알 수있습니다. QuickCast 기술을사용하면결과물인 SLA 패턴의크기편차가주조허용오차값의 50%를넘지않습니다. 대부분의주조품의크기는공차요구사항을충족하며합격률은 95% 이상입니다(그림 12-4)[7].
SLA 패턴을만드는비용은동일한왁스몰드를만드는비용보다훨씬높고시간이오래걸리지만프로파일링을설계하고제조할필요가없습니다. 따라서단일부품을소량으로생산할때 비용과배송시간이여전히장점입니다. 주조가복잡할수록이러한장점은더욱분명해집니다. Nu-Cast에서생산하는복잡한모양의항공정밀주조를예로들어보면 (그림 12-5) [7], 금형제작비용은약 85, 000 달러, 매일 4 개의왁스금형이생산되며각 왁스금형비용 (재료및 인건비포함) 150 달러입니다. SLA 방식을채택하면각 SLA 모델의비용은 2846 달러이지만금형을설계하고제조할 필요가없습니다. 이계산에서생산량이 32 개미만이면 SLA 금형사용비용이왁스금형보다낮고 32 개이상이면비용이왁스금형보다높으며 (그림 12-6) 왁스금형을사용하면금형설계및 제조에 14-16 주가소요되며 SLA 금형은금형이필요하지않습니다. 따라서생산량이 87 개미만인경우 SLA 금형을사용하면왁스금형보다주물납품이더 빠릅니다 (그림 12-7). 그러나 87개이상이면왁스몰드가더 빠릅니다[7]. 고려해야할 또다른요소는왁스몰드를사용하는경우제품이업데이트되면몰드를다시만들어야하므로비용이많이드는반면 SLA 외관을사용하면 CAD 기하학적모델을변경하기만하면되므로몰드를다시만드는것보다훨씬쉽고빠릅니다. .
3. SLS 소결폴리스티렌분말함침왁스패턴
SLS는처음에레이저를사용하여특수왁스분말을왁스몰드에소결했는데, 이는인베스트먼트주조의공정특성에매우적합합니다. 1990년말, 미국에는 50개이상의파운드리가약 3000개의왁스몰드를생산하여성공적으로주조했습니다. 다양한금속주물을생산합니다. 그러나왁스파우더는가장이상적인주조재료는아닙니다. 그것으로만든왁스몰드의강도가충분하지않고온도가높으면부드러워지고변형되기쉽고온도가낮 으면깨지기쉽습니다. 따라서 1990년대초 미국의일부 SLA 사용자는왁스분말을폴리스티렌(PS) 또는폴리카보네이트(PC)와같은열가소성분말로대체하려고시도했습니다. 이러한종류의재료는느슨하고다공성인모양(다공성이 25% 이상)으로만들어져이형중 쉘이부풀어오르고균열이생길위험이줄어듭니다. 쉘이소성된후에는회분함량이적지만패턴의표면이거칠어집니다. 따라서패턴을만든후에는표면을매끄럽고조밀하게만들기위해손으로왁스칠하고광택을내야합니다. 현재이 방법은국내외에서널리사용되고있습니다.
