<MOLD> 기획특집

금속프린터로 출력한 제품
출처. 3D Systems Korea

3D Printing 기술의 금형산업분야 응용

<편집자주>
최근에는 각종 매체를 통해 3차원 프린터들에 기존 상용화된 고가의 쾌속조형 공정들을 포함하는 통칭으로 3차원 프린터를 각종 매체에서 소개하고 있다. 3차원 프린팅 공정 제품들의 적용분야로 초기부터 적용되어 왔으며, 3차원 프린팅 공정과 제품 대량 생산을 연결시킬 수 있는 3차원 프린팅 기술의 금형 산업분야 적용에 대해 본지에서는 조선대학교 기계공학과 안동규 교수의 자료를 바탕으로 기술하고자 한다.
본 자료는 (사)대한기계학회에서 발행한 기계저널 2014년 4월호에 게재된 내용이다.

* 조선대학교 기계공학과 안동규 교수

■ 개요
1984년 Charles Hull에 의한 광조형(SL: Stereo Lithography) 공정이 개발된 후로 40종 이상의 쾌속조형 및 생산(RP&M: Rapid Prototyping & Manufacturing) 공정들이 개발됐다. 쾌속조형 공정은 그림 1과 같이 수직벽을 가지는 얇은 층을 적층해 제품을 제작하는 얇은 층 적층형 쾌속조형공정(Thin Layered Rapid Prototyping Process)과 측면에 경사각을 가지는 두꺼운 층을 적층해 제품을 제작하는 두꺼운 층 적층형 쾌속조형공정(Thick Layered Rapid Prototyping Process)으로 분류할 수 있다.

그림1. 쾌속조형 공정의 분류

상용화된 공정은 대부분 얇은 층적층형 쾌속조형 공정들이며, 대표적인 쾌속조형 공정들로는 광조형 공정, 융착조형(FDM: Fused Deposition Modeling) 공정, 선택적 소결(SLS: Selective Laser Sintering) 공정, 3차원 프린팅(3DP: Three-dimensional Printing) 공정, 박판 적층(LOM: Laminated Object Manufacturing) 공정, 다중젯(Polyjet Process) 공정, 디지털 광원 처리(DLP: Digital Light Processing) 공정, 직접식 금속 레이저 소결(DMLS: Direct Metal Laser Sintering) 공정, 레이저 활용 정형가공(LENS: Laser Engineered Net Shaping) 공정, 직접식 금속 적층(DMD: Direct Metal Deposition) 공정, DMT(Laseraided Metal Rapid Tooling) 금속 3차원 프린팅 공정, 선택적 레이저 용융(SLM: Selective Laser Melting) 공정 등이 있다.
쾌속조형 공정의 유사어로는 적층조형(AM: Additive Manufacturing) 공정, 입체 임의 형상 제작(SFF: Solid Freeform Fabrication) 공정 및 적층 조형(LM: Layered Manufacturing) 공정 등이 있다.
2000년도 월러 보고서(Wohler’s Report)에서부터 쾌속조형공정이 적용돼 온 분야 중 그림 2와 같은 순수 엔지니어링, 견적, 제안서 등 순수 가시화 보조(Visual Aids)에 적용하기 위해 사무실 환경에 빠른 시간 내에 저가의 비용으로 가시화된 제품을 제작하는 3차원 프린터(3D Printer)의 개념이 소개되기 시작했다. 1세대 3차원 프린터로는 Objet, Genisys, Z40X Series 및 Thermojet 등을 들 수 있다.

그림2. 3D Printer의 적용범위

2000년도 후반부터는 Mendel, Replicator2, Cube, Willybot, Edison 등 다양한 저가형 개인용 3차원 프린터들이 개발되고 있다. 최근에는 3차원 프린터들에 기존 상용화된 고가의 쾌속조형 공정들을 포함하는 통칭으로 3차원 프린터를 각종 매체에서 소개하고 있다. 이 글에서는 3차원 프린팅 공정 제품들의 적용분야로 초기부터 적용돼 왔으며, 3차원 프린팅 공정과 제품 대량 생산을 연결시킬 수 있는 3차원 프린팅 기술의 금형 산업분야 적용에 대해 기술하고자 한다.

■ 3차원 프린팅 기술의 금형산업 분야 적용 방법
3차원 프린팅 기술을 금형산업분야에 적용하는 방식은 그림 3과 같이 크게 두 가지로 분류할 수 있다.

그림3. 3차원 프린팅 기술을 금형산업분야에 적용하는 방법

첫 번째는 3차원 프린팅된 플라스틱 제품을 금형의 패턴(Pattern)으로 사용해, 역전 공정(Reverse Process)으로 금형면에 3차원 프린팅된 제품의 표면 형상을 전사하는 과정으로 간이형 플라스틱 금형이나 주조금형을 제작하는 간접식 쾌속 툴링(Indirect Rapid Tooling) 방식이다. 두 번째는 금속을 레이저(Laser)나 전자빔(E-beam) 등 고에너지 열원을 이용해 직접 절단 및 적층, 소결, 클레딩, 용융시켜 금형을 직접 제작하는 직접식 쾌속 툴링(Direct Rapid Tooling) 방식이다.

■ 간접식 쾌속 툴링 기술을 이용한 금형 제작
간접식 쾌속툴링 방식은 금형을 역전시키는 횟수에 따라 1단 역전 공정(Single Reverse Process), 2단 역전 공정(Double Reverse Process) 및 3단 역전 공정(Triple Reverse Process)으로 구분된다. 금형의 역전 횟수가 증가할수록 패턴 형상 대비 금형 표면 형상의 정확도는 감소하게 된다. 그러나 역전 횟수를 증가시킬 때마다 기계적 물성이 우수한 금형 재료로 변경할 수 있어, 역전 횟수를 상승시킴으로써 금형의 내구성을 증가시킬 수 있다.
1단 역전 공정에서는 3차원 프린터로 제작된 마스터 패턴을 분리면 블록에 삽입한 후, 분리면 블록 위에 에폭시 등 금형 재료를 부어서 한쪽의 금형을 제작한다. 그 후, 분리면 블록을 제거하고 제작된 반쪽 금형에 삽입된 마스터 패턴 상부에 금형 재료를 부어서 반대쪽 금형을 제작한다.
1단 역전 공정에서는 분리면 블록이 요구된다. 이 공정은 2단 및 3단 역전 공정에 비해 금형의 정밀도가 우수하고 빠른 시간 내에 금형을 제작할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 분리면 블록 제작을 위한 작업자의 기술과 지식이 요구되며, 대부분 1단 역전 금형의 경우 제작 가능 제품수가 100~200여 개 정도로 금형의 수명이 매우 제한적이다.
대표적인 1단 역전 공정으로는 케스트 에폭시 툴링(Cast Epoxy Tooling), 화학적 접착 세라믹 툴링(Chemically Bonded Ceramic Tooling), 케스트 고무 툴링(Cast Rubber Tooling), 금속 분사 툴링(Spray Metal Tooling), 전기 주조 툴링(Electroformed Tooling), 실리콘 고무 툴링(Silicon Rubber Tooling) 등이 있다.

1단 역전 공정 중 상온 가황 현상(RTV: Room Temperature Vulcanization)을 이용한 실리콘 진공 주형 금형(Silicon Vacuum Mould)은 100~200개 정도의 플라스틱 제품을 생산할 수 있으며, 최대 자동차 범퍼 크기의 플라스틱 제품을 제작한 예가 보고되고 있다.

그림4. 상온 가황 실리콘 고무 툴링 공정 예

RTV 실리콘 툴링 공정의 경우 3차원 프린터로 제작된 마스터 패턴이 있으면 거의 24시간 내에 실리콘 금형을 제작할 수 있다. 이 실리콘 금형을 진공로에 넣고 플라스틱 재료를 금형 내부로 삽입하면 실리콘 금형 내부의 진공압에 의하여 플라스틱 재료가 금형의 케비티 내를 채우게 되고, 일정 시간 경화를 시키면 플라스틱 제품을 제작할 수 있다.
2단 역전 공정에서는 상/하 금형에 대한 마스터 패턴을 각각 제작한 후, 각각의 마스터 패턴 위에 중간 금형(Cast Reverse) 재료를 부어 상/하 금형에 대한 중간 금형을 각각 제작한다. 그 후 각각의 금형 형상에 대한 마스터 패턴을 제거하고 각각의 중간 금형들을 역전시킨 다음, 최종적으로 각각의 중간 금형 상부에 최종 금형 재료를 부어서 상/하형의 금형을 제작한다.
2단 역전 공정의 주요 특징은 상/하 금형 제작을 위한 2개의 3차원 프린팅된 마스터 패턴과 2개의 중간 금형들이 요구된다는 것이다. 2단 역전 공정은 1단 역전 금형보다 내구성이 우수한 재료를 최종 금형에 적용할 수 있어 금형의 내구성을 증가시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 상/하 금형 각각에 대한 CAD 모델과 마스터 패턴이 요구되고, 1차 주조 시는 비용이 다소 저렴한 데 반해, 다중 주조 시에는 비용이 많이 소요되는 단점을 가지고 있다. 대표적인 2단 역전 공정으로는 퀵케스트 툴링(Qucikcast Tooling) 공정을 들 수 있다.
3단 역전 공정은 상/하 금형에 대한 1차 모형 금형(Dummy Mold)을 제작하기 위한 1단 역전 공정과 상/하 금형 각각을 제작하기 위한 2단 역전 공정으로 구성된다. 상/하 금형에 대한 1차 모형 금형을 제작하기 위한 1단 역전 공정에서는 마스터 패턴으로부터 분리면 블록을 제작하고, 이 분리면 블록에 마스터 패턴을 삽입한다. 그 후, 분리면 블록과 마스터 패턴 상부에 1차 모형 금형 재료를 부어서 한 쪽면 1차 모형 금형을 제작한다.
분리면 블록을 제거하고 마스터 패턴이 삽입되어 있는 반쪽의 1차 모형 금형 상부에 1차 모형 금형 재료를 다시 부어서 상/하 금형에 대한 1차 모형 금형을 만들고, 상/하 금형에 대한 각각의 1차 모형 금형들의 상부에 중간 금형 재료를 부어서 상/하 금형의 중간 금형을 제작한 후, 중간 금형을 역전시키고 중간 금형 상부에 최종 금형 재료를 부어서 최종적인 상/하 금형을 독립적으로 만드는 것이다.
3단 역전 공정의 주요 특징은 상/하 금형에 대한 1차 모형 금형들과 1차 모형 금형들을 이용한 상/하 금형에 대한 중간 금형이 제작된다는 것이다. 3단 역전 공정에서는 계속되는 역전 공정을 통해 금형 재료를 내구성이 우수한 재료로 변경시킬 수 있어, 금형의 내구성을 현저히 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나 추가적인 역전 공정들에 의해 금형의 형상 정밀도가 감소할 수 있으며, 금형의 변형이 발생할 수도 있다. 또한, 반복되는 역전 과정 중에서 분리면을 맞추기 위한 추가적인 작업이 요구되는 단점이 있다. 대표적인 3단 역전 공정으로는 케스트 커크 사이트/알루미늄 툴링(Cast Kirksite/Aluminum Tooling) 공정, 쇼 공정(Shaw Process), 켈툴 공정(Ketl-Tool Process) 등이 있다. 그림5는 3단 역전 공정 중 한 가지 방법으로 조선대학교에서 연구를 수행한 RTV 실리콘 몰딩과 정밀 주조 공정을 혼합한 알루미늄 금형 제작 공정이다.

그림5. 3단 역전 공정 예

■ 직접식 쾌속 툴링 기술을 이용한 금형 제작
직접식 쾌속 툴링 방식에서는 3차원 형상에 대한 적층 경로에 따라 고에너지 열원으로 금속 재료를 직접 절단 및 적층, 소결, 클레딩, 융착해 금형을 직접 제작한다. 그러므로 간접식 금형 제작 방식에서 소요됐던 패턴의 제작과 이 패턴을 이용한 역전 공정에 소요되는 시간과 비용이 소요되지 않는다. 그림 6은 금형 제작에 적용된 직접식 쾌속 툴링 공정들을 기반 공정별로 분류해 나타냈다.

그림6. 직접식 쾌속 툴링 공정의 분류

적층부 표면의 측면 단차(Stair Step) 발생과 적층부의 수축 및 내부 잔류응력에 의한 금형 후변형 등의 문제 때문에 직접식 쾌속 툴링 공정으로 제작된 금형을 실제 제품 생산에 적용하기 위해서는 금형면의 후가공(Post-processing)이 필수적으로 요구된다. 또한, 직접식 툴링 공정으로 금형 전체를 제작할 경우, 기계가공으로 금형을 제작하는 시간보다 제작시간이 증가하게 된다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해서 금형의 기저부는 기계가공으로 생성하고 기능성을 가진 금형 형상부는 직접식 쾌속툴링 공정으로 적층한 후, 금형면의 최종 형상은 후가공 공정을 이용해 생성하는 하이브리드 쾌속툴링(Hybrid Rapid Tooling) 공정에 대한 연구가 폭넓게 진행되고 있다.
하이브리드 쾌속툴링 공정이 개발된 초기에는 이 공정을 적용해 박판성형 금형 및 사출성형 금형을 직접 제작하는 연구가 많이 수행됐다. 그러나 최근에는 그림 7과 같은 형상적응형 냉각채널(Conformal Cooling Channels)을 가진 균일 냉각 사출성형 금형과 경사기능재료(FGM: Functionally Graded Material) 개념을 이용한 균일/고속 냉각 금형인 열전도 사출성형 금형(Thermal Conductive Mould) 등 주로 적용되고 있다.

그림7. 형상적응형 냉각채널을 가진 사출성형 금형과 열전도성 금형 예

이 금형들의 경우 균일 냉각을 이용해 사출성형 제품의 변형을 최소화하고 냉각 시간 감소를 통한 사출성형 공정의 생산성 향상을 도모할 수 있다. 하이브리드 쾌속툴링 공정이 박판성형 금형에 적용된 예는 핫 스템핑(Hot Stamping) 금형의 균일/고속 냉각을 유도하기 위한 형상적응형 냉각채널을 가진 핫 스템핑 금형, 고장력 강판의 성형용 박판성형 금형의 수명향상을 위한 하드페이싱된 박판 성형 금형 및 기존 금형의 국부적 형상 변화를 통한 중/대형 금형의 재생산(Remanufacturing) 등이 있다.
열간단조/열간압출 등 열간 체적 성형 금형과 다이캐스팅 금형 분야에 공동으로 적용할 수 있는 하이브리드 쾌속툴링 공정 기술은 그림 8과 같은 열간 체적 금형과 다이캐스팅 금형의 고온 수명을 향상시킬 수 있는 하드페이싱 기술을 들 수 있다.

<그림8> 하드페이싱이 적용된 금형 예

하이브리드 쾌속툴링 공정이 사출성형 금형, 박판 성형 금형, 체적 성형 금형 및 다이캐스팅 금형에 모두 적용될 수 있는 응용 기술로는 금형 보수(Restoration) 기술이 있다.

■ 맺음말
플라스틱 재료를 사용한 3차원 프린팅 기술은 역전 공정을 기반으로 한 간접식 쾌속툴링 공정을 이용해 금형 제작에 적용될 수 있다. 간접식 쾌속 툴링 공정은 1단 역전, 2단 역전 및 3단 역전으로 분류할 수 있으며, 역전 횟수가 증가할수록 제품/금형의 정밀도는 감소하나 금형의 내구성을 증가시킬 수 있다.
금속/초합금 등의 재료를 사용해 3차원 프린팅 공정으로 기능성 제품/금형을 제작하는 직접식 쾌속툴링 공정을 금형 제작에 적용할 경우, 간접식 금형 제작 방식에서 소요되었던 패턴의 제작과 이 패턴을 이용한 역전 공정에 소요되는 시간과 비용이 거의 소요되지 않는다.
이러한 이유로 직접식 쾌속툴링 공정의 경우 추후 활발한 적용이 게대되고 있다. 또한 직접식 쾌속툴링 공정을 이용할 경우 형상적응형 냉각채널을 가진 균일 냉각 사출성형 금형, 균일/고속 냉각 금형인 열전도 사출성형 금형 및 균일/고속 냉각 특성을 가진 핫 스템핑 금형의 제작과 금형 재생산 및 금형 보수 등을 수행할 수 있다. 추후 직접식 쾌속툴링 공정의 금형 분야 적용 기술의 경우 금형의 기능성, 생산성 및 내구성을 향상과 관련된 연구 개발이 지속될 것으로 사료된다.