▲ 냉각 채널 금형의 개념

1. 냉각 채널 금형 개요
금속 3차원 프린터는 제조업의 혁신을 가져올 산업기술이며, 다양한 국가의 기업체 및 연구소에서 연구를 진행하고 있다. 그 중 금속 3차원(3D) 프린터의 금형 제작 적용의 연구 사례를 공유하고자 한다.

금형산업은 국내 주력 수출 산업인 자동차, IT, 가전 등에 파급효과가 가장 큰 기반산업으로서 금속 3D프린팅 응용분야 중 가장 주목받고 있는 분야이며, 최근 선진국을 중심으로 사출성형 생산성 향상 및 변형 최소화를 위한 형상적응형 냉각채널을 가진 금형 기술에 대한 연구개발 및 적용이 활발하게 진행되고 있다.

기존의 기계가공 공정에 의해 제조된 사출성형 금형의 경우 가공방법의 제약으로 인해 냉각채널의 형상이 직선형태로 사출품의 균일한 냉각이 불가능하다. 3D프린팅 기술은 금형내부의 복잡한 형태의 냉각채널 구현이 가능하여 금형 표면을 따라 냉각수 흐름을 균일하게 제어하여 냉각효율을 향상시킬수 있으며, 이로 인해 사이클 타임 저감 및 금형내 냉각속도 차이에 따른 열변형을 대폭 절감하여 불량을 최소화하고 생산성을 극대화 시킬 수 있다.

사출 냉각 시간이 전체 사출 공정의 50%이상을 차지하고 있다. 이렇게 큰 비중을 차지하고 있으나 기존의 제작방식인 CNC에 의한 금형의 경우 가공방법 및 공구의 제약으로 인해 단순한 선형형태의 냉각수/유로가 설치된 냉각 코아 밖에 설치할 수 없어 사출 제품에 온도편차가 발생하고 이러한 원인으로 제품의 품질이 저하되는 형태를 나타낸다.

그러나 3D프린팅 방식을 적용하는 경우 금형내 냉각코어(Cooling Core)의 내부에 좀더 최적화된 자유로운 냉각채널도 구현이 가능하여 금형 표면을 따라 냉각수 흐름을 효과적으로 배치하여 냉각효율을 높일 수 있고 이로 인해 사이클 타임 감소 및 냉각 속도 차이에 따른 열변형도 대폭 줄일 수 있다. 또한 기존 선형 냉각채널의 경우에 비해 입체 냉각을 하게 되면 냉각시간을 30%이상(제품형상에 따라) 단축할 수 있다.

기존에는 금속 3차원 프린터의 높은 장비 가격과 금속 분말의 가격이 큰 장애 요인이었으나 현재는 장비와 분말 가격이 어느 정도 산업적인 경쟁력 있는 가격이 되었다. 공동 작성자인 윈포시스는 국내의 금속 3D프린터 제조사 장비 개발 및 공정 개발회사로 이제 장비 및 공정의 안정화와 보급을 희망한다.

본 사례연구의 모든 내용은 울산대학교 박홍석 교수의 냉각 채널 금형에 관한 연구를 담고 있다.

2. 냉각 채널 금형 개요
1) 사용 분말의 특성
PBF 방식의 3D프린팅용 분말은 구형의 형상을 가지고 우수한 유동도를 나타내어야 한다. 또한 주된 열원인 레이저(laser)의 출력이 제한적이므로 가급적 입도가 작은 분말이 유리하며 동시에 65% 이상의 높은 tap density를 갖는 분말이 바람직하다. 이러한 요구사항으로 인하여 대부분의 3D프린팅용 금속분말은 고가의 가스 아토마이제이션(atomization)에 의하여 제조된 분말을 이용하여 적정 크기 분포로 분급하여 사용하고 있다.

▲ <표1>금속 3D프린팅 소재, 공정 및 특성

3D프린팅에 사용될 수 있는 금속은 현재 몇몇 소재에 국한되어 있으며, 그 이유는 분말제조기술에 대한 난이도가 높고 각 합금마다 적층 조건이 다르기 때문이다. 소결 또는 용융 에너지원으로는 대부분 laser를 사용하고 있지만, 분말의 크기가 크고 용융온도가 높은 금속분말의 3D프린팅에는 에너지 밀도가 높은 전자빔을 사용하는 경우도 있다.

고열로 금속분말을 용융시키기 때문에 산화가 발생할 위험이 있으므로 프린팅 챔버는 불활성 가스 분위기를 유지하여야 한다. <표1>은 3D프린팅에 사용된 다양한 금속분말과 장비 그리고 제품의 금속조직학적 특성을 정리한 것이다.

▲ 금형용 합금 분말의 형태

2. 설계 및 제작 프로세스의 기술적 특성
1) 설계 프로세스
사출 금형 개발 시 형상 적응형 냉각 회로(Conformal Cooling Channel) 응용으로 냉각시간 단축 및 품질 균일화를 도모하기 위해 형상 적응형 냉각 회로의 설계는 <그림1>의 체계적인 추진절차에 따라 이루어 졌다.

▲ <그림1> 냉각 채널 금형설계 프로세스

(가) 성형품 분석

금형 연구의 자료는 공개는 발주처와 생산회사가 상이하여 보통 공개 되거나 공유되기 어려운 점이 있다. 이에 본 연구에서는 일반적인 금형을 선정하였다.

구조의 복잡성으로 냉각 시간이 오래 걸리는 제품의 생산성 향상을 위해 냉각 시간 단축을 위한 냉각 회로 설계 방법론 개발 및 금형 개발을 위한 연구 대상 부품은 <그림2>와 같다.

▲ <그림2> 신개념 냉각회로 설계 부품-Moping 부품(제품부피 58㎤, 높이 59mm, 부품두께 3mm)

- 설계 사양 및 조건들 도출과 설계 방법론 개발을 위해 부품을 냉각 효율 향상 측면에서 철저히 분석한다.
- 이들의 바탕하에서 품질 확보를 위해 부품 전 표면에 걸쳐 온도 편차의 최소화를 추구한다. 이를 통해 냉각 시간의 단축과 잔류응력 최소화 등으로 부품 변형 최소화를 기 할 수 있다.

금형에는 이젝트 핀 설치 등으로 냉각회로를 설치 할 공간이 넉넉하지 않다. 특히 본 성형품은 깊고 좁은 slot들을 갖고 있으므로 이에 적합한 냉각회로를 설계해야 한다. 기존 냉각회로는 평행선으로 이루어져 있다. 이에 따라 냉각효율을 높이기 위해서 Baffle을 응용하였고 소재도 열전도도가 높은 KP4 (열전도도 41w/mk) 재료가 사용되었다.

(나) 설계 방안 및 사양 도출
- Baffle 구조를 가졌지만 부품성형을 위한 많은 냉각시간이 소요되어 부품 생산 싸이클 타임이 무척 길었다.

- 이에 따라 기존보다 최소한 40% 이상의 냉각 효율 증진을 위한 형상 적응형 냉각회로를 설계하고자 한다.

- 기존 냉각회로 방식으로는 균일한 냉각이 어려운 구조, 특히 부품의 윗부분은 냉각수 접근이 거의 이루어지지 않아 냉각 효율이 무척 낮다. 이에 따라 상부까지 접근이 가능한 구조, 즉 형상 적응형 냉각 회로 설계가 유일한 대안이다.

-다음편에 계속