핵심 개념: 신속한 툴링 및 컨포멀 냉각

이 두 제조 요소 간의 시너지 효과는 주로 소프트 툴링 또는 브리지 툴링으로 알려진 금형 자체의 제작에서 발생합니다.

1. 폴리머 기반 래피드 툴링

여기에는 고온 광중합체(예: 디지털 ABS)를 사용하여 몰드 캐비티와 코어를 인쇄하는 작업이 포함됩니다. 이러한 몰드는 표준 금속 몰드 베이스(마스터 유닛 다이 또는 MUD 프레임)에 삽입됩니다.

• 목적: 기능적 프로토타이핑, 소량 실행(10~100샷), 디자인 검증.
• 기술: 광조형(SLA) 또는 PolyJet.

2. 금속 기반 적층 제조(컨포멀 냉각) 2.

여기에는 금속 분말(마레이징 스틸, 스테인리스 스틸)을 사용하여 몰드 인서트를 프린팅하는 것이 포함됩니다. 직선으로만 제한되는 기존 드릴링과 달리 적층 가공은 부품의 형상에 따라 곡선을 그리는 냉각 채널이 가능합니다.

• 목적: 사이클 시간 단축(최대 40%), 뒤틀림 최소화, 대량 생산 내구성.
• 기술: 직접 금속 레이저 소결(DMLS) 또는 선택적 레이저 용융(SLM).

기술 파라미터: 기존 툴링과 적층 가공

다음 표는 표준 공구강과 사출 성형 통합에 사용되는 일반적인 적층 제조 솔루션을 비교한 것입니다.

참고: 그리고 DMLS 프로세스¹ 일반적으로 플래시 프리 성형에 적합한 결합 표면 공차를 달성하려면 후공정 가공이 필요합니다.

장점과 단점

3D 프린팅을 사출 성형 워크플로에 통합하면 전략적 이점이 있지만 특정 물리적 한계가 발생합니다.

장점

• 출시 기간 단축: 폴리머 몰드를 24시간 이내에 인쇄하여 프레스에 장착할 수 있으므로 실제 생산 재료(예: 폴리프로필렌(PP), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS))를 사용하여 같은 주에 기능 테스트를 진행할 수 있습니다.
• 복잡한 지오메트리: DMLS는 CNC로 가공할 수 없는 내부 격자 구조와 곡선형 냉각 채널을 구현할 수 있습니다.
• 프로토타입 비용 절감: 변경될 수 있는 디자인을 위해 알루미늄이나 강철을 절단하는 데 드는 비용을 없애 초기 개발 비용을 절감할 수 있습니다.
• 디자인 반복: 엔지니어가 여러 금형 반복을 동시에 테스트할 수 있는 '빠른 실패' 방법론을 지원합니다.

단점

• 방열(폴리머 몰드): 인쇄된 플라스틱은 단열재입니다. 변형을 방지하기 위해 사출 사이에 금형이 식을 수 있도록 사이클 시간을 크게 늘려야 합니다.
• 압력 제한: 폴리머 몰드는 높은 사출 압력(일반적으로 500~800bar로 제한됨)이나 높은 클램핑력을 견딜 수 없습니다.
• 표면 마감: 3D 프린팅의 레이어 라인은 금형을 수동으로 연마하거나 증기 평활화하지 않으면 성형 부품으로 옮겨질 수 있습니다.
• 소재 호환성: 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 또는 유리 충전 나일론과 같은 고온 엔지니어링 열가소성 플라스틱은 일반적으로 마모와 열로 인해 폴리머 프린트 금형과 호환되지 않습니다.

애플리케이션 시나리오

1. 브리지 생산

강철 도구가 지연되면 제조업체는 폴리젯 몰드² 마케팅 샘플, UL 테스트 또는 조립 라인 검증을 위해 50~100대를 실행할 수 있습니다.

2. 사이클 최적화를 위한 컨포멀 쿨링

코어가 깊거나 곡선이 복잡한 부품(예: 병뚜껑, 자동차 커넥터)의 경우 DMLS 인서트를 사용하여 냉각수를 금형 벽에서 엄격하게 등거리에 배치합니다. 이렇게 하면 '핫 스팟'을 제거하고 차압 수축을 줄일 수 있습니다.

3. 인서트 몰딩 유효성 검사

하드 툴을 사용하기 전에 퀵 몰드를 인쇄하여 금속 인서트의 적합성을 확인하여 오버몰딩 또는 인서트 몰딩 공정을 테스트합니다.

단계별 프로세스: 인쇄된 금형 구현

인쇄 툴링을 성공적으로 통합하려면 표준 과학적 성형 표준에 따라 공정 파라미터를 조정해야 합니다.

1. 적층 제조를 위한 디자인(DfAM):
   • 인쇄된 표면의 마찰이 더 높으므로 표준 강철 몰드보다 2~3도 더 구배 각도를 추가하여 배출이 용이하도록 합니다.
   • 클램핑력을 견딜 수 있도록 금형 벽을 두껍게 만듭니다.
2. 재료 선택:
   • 열변형 온도(HDT)가 높고 강성(굴곡률)이 높은 인쇄용 수지를 선택합니다.
   • 사출 재료의 용융 온도가 프린트된 금형의 열 한계와 호환되는지 확인합니다.
3. 후처리:
   • 캐비티 표면을 샌딩하고 연마하여 레이어 라인을 제거합니다.
   • 인서트의 뒷면을 가공하여 몰드 베이스에 올바르게 장착되도록 평평하게 만듭니다.
4. 프로세스 설정:
   • 클램핑 포스: 밀봉에 필요한 최소값으로 설정합니다(몰드가 찌그러지지 않도록).
   • 주입 속도: 전단 열을 최소화하려면 속도를 줄이세요.
   • 압력 유지: 충치에 가해지는 스트레스를 줄이기 위해 크게 줄입니다.
   • 냉각 시간: 강철 금형에 비해 냉각 시간을 2배~5배 늘려 단열 도구의 열을 발산합니다.
5. 퇴장: 부드러운 금형 재료를 뚫지 않도록 손으로 로드된 인서트 또는 넓은 표면적의 이젝터 핀을 사용합니다.

FAQ: 사출 성형의 3D 프린팅

Q: 3D 프린팅 금형으로 공차가 엄격한 부품을 생산할 수 있나요?
A: 일반적으로는 아닙니다. 동안 SLA 인쇄³ 가 정확하더라도 열과 압력에 의한 금형 변형으로 인해 일반적으로 부품 공차가 ±0.1mm 이상으로 제한됩니다. 정밀도가 중요한 피처는 성형 후 가공해야 합니다.

Q: 3D 프린팅 금형에서 몇 개의 부품을 얻을 수 있나요?
A: 자료에 따라 다릅니다.

• 플라스틱 인쇄 금형: 10~100회 촬영.
• 금속(DMLS) 몰드: 수천에서 수백만 개(적절히 열처리된 경우 기존 강철과 유사).

Q: 인쇄된 금형에 유리 충진 나일론을 성형할 수 있나요?
A: 폴리머 인쇄 금형에는 권장하지 않습니다. 연마성 유리 섬유가 부드러운 금형 표면을 긁어내어 몇 번의 촬영으로 디테일을 파괴할 수 있습니다. 금속 프린트 몰드는 유리 섬유를 탁월하게 처리합니다.

Q: 3D 프린팅이 CNC 가공 알루미늄 금형보다 저렴합니까?
A: 아주 작은 형상이나 복잡한 디테일의 경우 그렇습니다. 그러나 단순한 형상의 경우 CNC 가공 알루미늄(QC-10)이 비용면에서 비슷하고 내구성과 열 성능이 훨씬 우수합니다.

Q: '하이브리드 몰드' 접근 방식이란 무엇인가요?
A: 표준 강철 마스터 유닛 다이(MUD) 프레임을 사용하고 코어와 캐비티 인서트만 인쇄하는 것을 말합니다. 이렇게 하면 레진 사용량을 최소화하고 클램핑 중에 프린트된 부품에 필요한 기계적 지지력을 제공합니다.

요약

사출 성형의 미래는 3D 프린팅으로 공정을 대체하는 것이 아니라 하이브리드화 두 가지 중 하나를 선택해야 합니다. 3D 프린팅을 활용하여 신속한 툴링를 통해 제조업체는 개발 주기와 프로토타입 제작 비용을 대폭 절감할 수 있습니다. 동시에, 컨포멀 냉각 금속 적층 제조는 이전에는 물리적으로 불가능했던 대량 생산의 효율성 향상을 실현합니다. 성공적인 통합을 위해서는 처리 매개변수, 특히 폴리머 몰드의 낮은 압력 및 긴 냉각 시간 등을 명확하게 조정하고 속도, 내구성 및 정밀도 간의 상충 관계를 명확하게 이해해야 합니다.