3D프린터를 활용한 정밀주조 프로세스 개선

▲ 조안기 3D시스템즈 팀장(anki.jo@3dsystems.com)

용융된 금속을 거푸집(주형)에 부어 형상을 만드는 전통적인 주조 방식은 인류가 수 천년 이상 사용해왔다. 지난 세기 동안 왁스로 제작된 패턴을 녹여 낸 후 세라믹 주형에서 금속 부품을 만드는 정밀주조(Investment Casting) 방식으로 많은 혁신의 이점을 얻었지만 복잡하고 다양한 종류의 제품을 생산하기에는 여전히 느리고 비용이 많이 드는 프로세스다.

정밀주조 방식을 통한 생산 시간은 일반적으로 몇 개월이 소요되며 비용도 수 억원에 달할 수 있다. 정밀주조는 광범위한 응용 분야와 최종 결과물의 다양한 수요에도 불구하고 효율성, 리드 타임 및 생산능력과 관련된 문제에 직면하고 있다.

□3D프린터를 이용한 패턴 제작, 시간 95% 단축

기존 정밀주조 방법에서는 패턴을 왁스로 제작하며 이 왁스를 제작하기 위해 금형을 만들어야 했다. 이 방식은 금형 제작이라는 전통적인 제조방법이 추가되며 금형을 제작하기 위해서는 금형 설계 및 CNC 가공 및 후처리의 상당 시간을 소요하게 만든다. 이런 왁스 금형을 제작하는 데만 약 8~12주의 시간이 소요되어 전체 리드타임을 길게 만들고 금형 제작에 많은 금액을 지불해야 한다. 또한 제품 형상은 절삭가공을 통한 금형 기술로 제작할 수 있는 범위 안에서 가능하다 보니 혁신적인 제품을 생산하는 데는 제약이 생기며 혹은 불가능할 수도 있다.

▲ 전통적 정밀주조 프로세스와 3D프린팅을 활용한 정밀주조 프로세스 비교

3D프린팅 기술을 사용하면 주조용 패턴을 생산하는데 획기적으로 리드 타임과 비용을 줄일 수 있다. 복잡한 임펠러와 같은 형상의 금형 제작에 8~12주가 소요되었던 것에 비해 3D프린터로 패턴 제조 시 2~3일이면 가능하기에 약 95%의 시간을 단축할 수 있다. 초기 제품 개발시 짧은 리드 타임 및 낮은 초기 비용이 가능하기 때문에 설계 및 주조 방안의 변경에 즉각적인 대응이 가능해 더 많은 제품 개발에 에너지를 투자할 수 있다는 장점이 있다.

□다품종 소량생산 및 빠른 제품개발에 유리한 3D프린팅 패턴

왁스 패턴을 위한 금형 제작은 대량 생산을 위한 적합한 도구이지만 초기 비용이 매우 크며 형상이 복잡하면 금형의 동작성도 증대 돼 디자인 및 생산 비용이 증가하게 된다. 또한 금형으로 만들어진 왁스 패턴이 주조를 위한 최종 결과물이 아닌 경우 추가적인 구조 형상을 수작업으로 완성해 주어야 한다. 이러한 왁스 패턴 대비 3D프린팅 패턴을 사용하면 다음과 같은 장점이 있다.

▷CAD 파일만 있으면 바로 출력 가능

▷금형 보관 비용 불필요

▷공정 단순화

▷아주 복잡한 형상 가능

▷짧은 리드 타임

▷저렴한 초기 비용

▷패턴에 추가 수작업 불필요

금형 생산 대비 3D프린팅 패턴은 상대적으로 느린 출력 속도로 인해 대량 생산에는 적합하지 않지만 다품종 소량 생산을 하거나 초기 제품 개발에 즉각적인 디자인 수정 및 테스트가 가능하고 대량 생산을 위한 검증 과정으로 매우 적합하다. 그리고 기존 금형에서 제작할 수 없는 디자인 개발이 가능하기에 부가가치가 높은 제품을 생산하는데 적합한 공법이다.

□정밀주조 패턴 제작에 적합한 SLA 방식 3D프린터

3D프린팅을 이용한 다이렉트 패턴은 SLA(StereoLithography Apparatus) 방식의 프린터가 사용된다. 이는 레진을 정교한 레이저의 움직임으로 층층이 단면을 경화시켜 최종 형상을 만들어내는 방법이다. SLA 방식의 프린터 패턴은 수 밀리미터의 작은 사이즈부터 최대 1.5m의 제품을 한 조각에 출력 가능하여 조립 양을 최소화할 수 있다. 또한 부품 수축이나 뒤틀림이 거의 없이 모두 동일한 탁월한 해상도와 정확도를 제공한다.

아래 그림에서처럼 프린터마다 최대 파트 빌드 사이즈가 다르기 때문에 주력으로 생산하는 주조물의 크기를 고려하여 적합한 프린터를 선택해야 한다. 특히 최근에 3D시스템즈가 출시한 SLA 750모델은 Hyper-Scan™ 벡터기술로 레이저를 보다 빠르게 컨트롤이 가능하여 기존대비 30% 빠른 빌드 속도를 나타낸다. SLA 750 DUAL 모델은 2개의 레이저를 사용하기에 최소 2배에서 최대 3배 빠른 프린팅 속도를 보여준다.

▲ 정밀주조 패턴 제작에 사용되는 3D시스템즈의 3D프린터 제품군

□다이렉트 패턴 제조에 적합한 빌드 스타일 및 소재

▲ 3D시스템즈의 SLA 3D프린터로 제작한 다이렉트 패턴

3D시스템즈는 캐스팅용 패턴 제작시 QuickCast™란 빌드 스타일을 사용한다. 이는 3D시스템즈의 등록 상표이며, 형상의 내부가 벌집 구조로 이루어져 대부분 속이 빈 빌드 스타일의 패턴 출력물을 의미한다.

일반적인 3D프린팅으로 속이 꽉 찬 패턴을 사용하면 오토클레이브 및 번아웃 단계 동안 갑작스러운 팽창으로 주형을 이루는 쉘이 균열될 수 있는데, 속이 빈 QuickCast 방식의 출력물은 패턴이 안쪽으로 붕괴되어 이러한 문제점을 방지한다.

또한 번아웃에 필요한 재료의 양을 줄여 줌으로써 이러한 효과를 증가시켜 준다. 견고하고 안정적인 구조 및 물성치는 패턴을 다루면서 파손되는 가능성을 줄여주고 보관 및 배송도 용이하게 한다. 완전히 채워진 출력물 대비 적은 소재를 사용함으로써 비용이 절감되며 출력시간도 단축된다는 장점이 있다.

QuickCast용 소재로는 Accura Fidelity를 사용하는데, 이 소재는 다이렉트 패턴 제조 목적을 위해 개발된 소재로 회분율(태우고 남은 무기물 비율)이 0.01% 미만으로 매우 낮은 무 안티몬 소재입니다. 또한 레진 소재의 점도가 117cps로써 요구르트 정도로 낮은 편이라 파트를 빌드하고 나서 내부에 남아 있는 소재를 빼내는 드레인(drain) 작업도 수월하다.

금형 필요 없는 3D프린팅 패턴, 75일 걸리던 임펠러 제작 14일로 단축

3D시스템즈 SW·소재·장비 통합 솔루션 제공, 안정적인 주조 공정 자리매김

□국내 기업의 3D프린팅을 활용한 정밀주조 사례 및 공정

국내에서 다이렉트 패턴을 이용한 정밀 주조 사례 및 작업 과정을 소개하고자 한다. 국내 가스터빈, 항공기용엔진 부품의 터보 머시너리(Turbo Machinery) 전문기업 ㈜삼정터빈은 기존 전통적인 정밀주조 방식에서 머물지 않고 보다 빠른 리드타임 확보 및 경쟁사와 우위를 위해 3D프린터를 이용한 패턴 제작을 도입하였다. 아래 그림과 같이 복잡한 임펠러를 제조하는데 있어 기존 방식으로는 75일 가량 소요되었는데, 3D프린팅을 이용한 다이렉트 패턴 방식을 활용하여 14일로 단축시켰다.

▲ 3D시스템즈의 3D프린팅 기술로 14일만에 제작된 복잡한 형상의 임펠러

①디자인 단계

생산할 제품이 결정되면 기존에는 금형 설계에 많은 시간을 투자하였지만, 다이렉트 패턴 제작에서는 제품 CAD로부터 라이저(Riser) 및 에어벤트(AirVent) 추가만으로 패턴 제작 준비가 완료된다.

②빌드 파일 생성

3D시스템즈의 프린터 전용 프로그램인 3D Sprint는 불러온 CAD 혹은 STL 파일로부터 프린팅의 방향 및 서포트를 자동으로 설정해준다. 이때 QuickCast 빌드 스타일을 적용하여 속이 빈 주조 패턴에 적합한 슬라이싱(단면 정보)을 만들어 줌으로써 속이 꽉 찬 빌드 스타일에 비하여 약 80~90%가 빈 중공 구조가 된다. 제품 크기에 따라 중공을 위해 제품의 벽 두께 및 내부 채우는 벌집 구조의 크기가 조절 가능하다.

③출력 및 후처리

SLA 프린터를 이용하여 출력을 진행한다. 이 임펠러 모델의 경우 순수 출력 시간은 약 14시간이고, 출력이 완성되면 아래 순서대로 후처리를 진행한다. 출력에서 후처리까지 총 이틀이 소요됐다.

1)내부의 소재를 빼내는 드레인 작업

2)서포트 제거 작업

3)표면의 레진 제거 작업

4)드레인구멍메우는 작업(전용 본드 사용)

5)UV 경화 작업

④쉘 코팅 작업

출력된 프린팅 패턴위에 세라믹으로 코팅 및 건조 작업을 반복하여 충분한 두께의 단단한 쉘(세라믹 주형)을 만든다.

⑤번아웃 및 용탕 주입

완성된 주형 내부에 남아있는 프린팅 패턴을 제거하기 위해 번아웃으로 태워 내부 빈 공간을 만든다. 그리고 쉘에 준비된 용탕을 부어 캐스팅 작업을 진행한다.

⑥탈사 및 후처리

쉘을 제거하는 탈사 작업으로 대부분 쉘이 제거된다. 남아있는 쉘 및 거친 표면은 후처리 단계를 통해 완료되며 최종 제품 포장을 하여 납품을 완료한다.

□안정적인 주조 공정으로 자리잡은 3D프린팅

3D프린팅은 전 산업의 제조 기술을 한 단계 발전시키고 있다. 초창기에는 주조를 위한 3D프린팅 패턴이 솔리드한 패턴을 사용했다. SLA 수지는 세라믹 쉘보다 대략 10배 정도 높은 팽창 계수를 가지고 있기에 번아웃 동안 쉘을 균열시키는 문제가 있어 성공률이 10% 밖에 되지 않았다.

이에 1992년 3D시스템즈의 R&D 디렉터인 파울 제이콥스 박사(Dr. Paul Jacobs)는 속을 비우는 방식의 패턴이면 내부로 붕괴되어 쉘 균열의 문제를 피할 수 있을 것이라는 이론을 가지고 QuickCast 패턴 개발을 시작했다.

하지만 소재를 빼내는 문제, 더 많은 중공이 필요한 문제 등이 존재했지만 지속적인 개선을 통해 1995년 ‘QuickCast 버전1.1’을 발표하였고 약 83%의 중공에서 90%의 캐스팅 성공률을 이루었다. 이후에도 QuickCast는 지속적인 개발을 통해 30년이 지난 현재 매우 안정적인 주조 프로세스로 자리 잡았다.

앞선 사례처럼 중·대형 제품뿐만 아니라 소형 정밀 주조 방식에서도 3D프린터의 사용은 점차 늘어나고 있으며 각각의 산업 분야마다 더 적합한 생산 공정을 개발해 나가고 있다. 3D프린터로 왁스 소재 패턴을 직접 출력하는 것도 가능하고, 금속 3D프린터를 이용하여 직접 금형을 프린팅하여 제작하는 것도 가능하여, 새로운 공법은 기존의 공법과 큰 이질감 없이 적응해 나가고 있다.

제품 디자인의 자유도가 넓어지고 CAD에 의한 디지털 파일만 있으면 언제든 출력물을 만들 수 있다는 것은 3D프린터의 큰 매력이 아닐 수 없다. 3D프린팅의 제조 혁신 사례와 솔루션은 나날이 개선·발전되고 있으니 제조업계가 두려움 없이 도전해 보길 권유 드린다.