3D 프린팅은 가장 유연하고 비용 효율적인 프로토타입 생산방법 중 하나이다. 설계자가 충실도가 낮은 개념 모델에서 생산에 가까운 시제품에 이르기까지 짧은 시제품 개발 기간 동안 비용 효율적인 가격대에서 반복적으로 설계 테스트할 수 있는 더 좋은 방법은 거의 없다.

그러나, 생산에 3D 프린팅을 사용하는 것은 어떨까? 흔히 3D 프린팅 생산품에 대한 논쟁은 사출성형품에 비해 금형 상각 후 단위당 몇 센트로 주문 부품을 생산할 수 있는지, 기계적인 특성이 강하고, 정밀 화장품 용기처럼 광택을 낼 수 있는가에 따라 평가된다. 사출성형의 이러한 이점은 금형 제작 공정의 본질적인 차이에서 기인하는데, 금형을 사용하기 때문에 등방성 성질과 일관된 결과를 가진 단단한 부품을 생산한다. 그러나 사출 성형의 단점이 있는 경우에 3D 프린팅이 뛰어난 경우가 많다.

3D 프린팅을 프로덕션에 도입해야 하는 4가지 이유는: 비용, 속도, 재고 유연성, 그리고 “아주 우수한” 부품 품질이다.

비용 효율성: Mold 사용 없이 언제든지 스케일업 가능
특히 선택적 레이저 소결(SLS)과 HP 멀티제트퓨전(MJF)으로 만든 부품의 경우 이 부품들은 확대 생산해도 충분히 저렴하다. 예를 들어 MJF로 만든 수술용 마스크 스트랩은 부품당 몇 달러로 생산가능하다. 부품은 100개를 주문하든 1,000개를 주문하든 비용이 같기 때문에 언제든지 정확히 얼마가 될 것인지 알 수 있다.

몰드의 경우, 툴의 초기 비용이 수천 달러일 수 있으므로 툴링 비용을 상각하기 위해 특정 부품의 생산량을 맞추어야 한다. 예를 들어, 5,000달러의 비용이 드는 툴이 동일한 규모의 경제를 달성하려면 1,232대의 생산량이 필요하다. 이러한 손익분기점을 넘어서면 사출 성형 방식이 일반적으로 더 저렴한 옵션이 되겠지만, 항상 툴링 제작과 비용에 대한 선입견을 가져야 할 것이다. 툴 비용을 상각하는 충분한 부품량을 만들 수 있는지 어떤지 확실하지 않다면 3D 프린팅을 활용하고 후에 제품 수량을 결정할 수 있는 유연성을 확보할 수 있다.

속도가 필요한 경우: 신속한 생산
사출 성형기의 초기 툴링 비용 또한 생산이 늦어지게 한다. 3D는 CAD 파일을 설계하고, 파일을 업로드해 Xometry와 같은 3D 프린팅 서비스에서 즉석 견적을 내고, 부품을 프린터로 바로 보낼 수 있어 신속한 것으로 잘 알려져 있다. 일부 3D 인쇄 서비스 부서에서는 적절한 빌드 구성을 통해 하룻밤 사이에 수백 수천 개의 부품을 인쇄할 수도 있다. 예를 들어, 300개의 작은 부품 또는 2“ 바운딩 박스 안에 있는 부품을 단일 산업용 프린터의 빌드 베드에 장착하는 것이 가능할 수 있다. 일반적으로 이만한 크기의 부품은 사출 성형보다 3D로 프린팅하는 것이 보다 비용 효율적이라는 점에 유의해야 한다. 예를 들어 CNC 가공을 통해 작은 금형을 만들 경우, 전문 선반이 필요할 수 있으며 공차를 더 높일 수 있어, 이 두 가지 모두 툴링 비용을 크게 증가시킬 수 있다.

3D 프린팅 부품을 신속하게 주문하고 생산하는 것과 달리 사출 성형 공정은 다단계 공정이다. 먼저 사출 성형 전문가와 사출 성형(일반적으로 CNC 가공으로 제작됨)의 설계 및 제조에 관한 상세한 협의와 금형 시험 운영이 필요하다. 금형은 추가 가공 또는 금형을 리메이크하여 조정 및 마무리해야 한다. 이 사전 제작 툴링은 평균 10일이 소요될 수 있으며, 이는 부품의 리드 타임을 증가시킨다. 이런 추세라면 3D 프린팅으로 생산하는 것이 제품을 시장에 내놓기 위한 최선의 선택일 것이다.

주문형 인벤토리
신속한 생산과 비용 효율적인 가격은 “JIT(Just-In-Time)” 재고 관리를 가능하게 한다. 이것은 3D 프린팅을 당신의 제품에 대한 수요변화에 부응해 언제든지 생산할 수 있다는 것을 의미한다. 더우기, 당신은 당신의 프로토타입을 직접 생산할 수 있기 때문에 언제든지 프로토타입 디자인을 변경할 수 있다. 유연성이 경쟁의 핵심일 때 3D 프린팅을 제작에 사용하는 것은 사출 성형이나 다른 전통적인 제조 공정보다 중요한 장점이다.

“최고의” 기계적 특성 및 화장품 용기
사출성형은 세계에서 플라스틱에 가장 많이 사용되는 제조 방법이며 매우 튼튼하고 내구성이 강한 부품을 생산하지만, 3D 프린팅은 대부분의 용도에 적합한 강도의 플라스틱 부품을 생산한다. 예를 들어 산업 자동화 업체인 멜튼 머신앤컨트롤 컴퍼니는 SLS 나일론 12를 사용해 용접 기계에 들어가는 고정장치를 만든다. 이 부품들은 일상의 높은 열에 견딘다. 3D로 프린팅한 부품은 경량화가 가능하기 때문에 최종 사용 부품에 가장 적합할 때도 있다. BMW는 경량 충전재로 3D 프린팅 부품인 커스텀 지그를 만들었는데 조립 라인에서 훨씬 쉽게 들어올릴 수 있다.

그러나 3D 프린팅이 생산에 있어 확실한 선택을 하게 하는 것은 부품이 복잡한 기능을 가질 수 있다는 점이다. BMW 지그는 스티커의 적절한 정렬을 확인하기 위해 자동차 전면이나 후면 끝의 유기적인 곡선을 모방한 복잡한 특징이 있다. 이와 같은 기하학적 구조는 물론 격자 구조와 같은 언더컷과 “불가능한 형상”은 다각도로 접근해야 한다. 3D 프린팅은 층별 횡단면과 지지 구조물의 조합을 통해 이러한 다각 형상을 여러 축에 걸쳐 쉽게 프린팅할 수 있다. 그러나 사출 성형에서는 몰드 공구를 제작할 때 또는 몰딩 중에 die lock 조건이 발생할 수 있는 지속 불가능한 가공 경로 때문에 복잡한 형상을 성형하는 것이 불가능할 수 있다. 기능이 복잡하지만 몰딩으로 가능한 경우 비용이 많이 드는 측면 조치가 필요할 수 있다. 이러한 요인은 사출 성형 생산 시 부품에 필요한 형상을 달성할 수 없거나 성형 비용이 3D 프린팅 생산에 비해 비용 효율성이 낮다는 것을 의미한다.

화장품 용기의 경우 3D 프린팅 플라스틱 부품은 후처리 옵션을 통해 사출 성형 표면 마감의 우수한 품질에 필적할 수 있다. 표준 사출 성형 부품은 작은 분할선이나 분사 링을 제외하고 완전히 매끄러운 표면으로 나오지만, 3D 프린팅 부품은 층(압출 공정의 경우) 또는 약간 곡물 같은 표면 질감을 가질 수 있다(소결 공정의 경우). 샌딩, 미디어 텀블링, 도장, 염색 및 도금과 같은 마감 옵션으로 부품 생산이 가능하다.

종종, 3D 프린팅으로 최종 사용 부품을 엔드 유져를 위해 충분히 저렴하고 빠르게 생산할 수 있다. 특히 빠르게 움직이는 스타트업과 프로젝트가 지연되는 상황에서 3D 프린팅 부품은 높은 환경적 스트레스를 견딜 수 있어 안성맞춤이다.

3D 프린팅으로 스케일업(규모의 생산) 가능한가?
3D 프린팅은 빠르고 기능적인 프로토타입에 가장 많이 사용되는 공정이지만 최종 사용 환경과 용도에 적합한 부품을 생산하기도 한다. 사출 성형이나 3D 프린팅으로 플라스틱 부품의 생산 규모를 키울지 고민할 때 3D 프린팅은 신속한 생산과 주문형 재고 관리에 있어 장점이 있다. 또한 초기 툴링 비용이 너무 많이 들거나 최종 수량을 알 수 없을 때 3D 프린팅 생산이 비용 효율적이다. 마지막으로, 산업용 3D 프린팅 부품은 내구성이 매우 뛰어나며 다양한 표면 마감 옵션을 통해 사출 성형 부품의 기계적 및 외관적 품질에 필적할 수 있다. 자동차, 의료, 산업 등과 같은 많은 애플리케이션에서 3D로 프린팅한 부품 품질은 매우 효과적이다.

출처 : ManufacturingTomorrow

번역 : K-SmartFactory