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[2020년 03월호]     제조회사 : []     브랜드 : []
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[SPECIAL] 대한민국 중소기업 산업 생태계에 적용 가능한 선진국 3D 프린팅 활용 사례

Special Report_2

대한민국 중소기업 산업 생태계에 적용 가능한 선진국 3D 프린팅 활용 사례

에디팅 / 편집부 글과 사진 / 조좌형 대리 | (주)자이브솔루션즈 솔루션컨설팅 팀

대중들에게 3D 프린팅이라는 용어로 더 잘 알려진 적층가공 기술은 최근의 경량화 이슈 및 DfAM(Design forAdditive Manufacturing, 적층가공 설계), Generative Design 등의 설계 트렌드와 맞물려 기존의 절삭가공 방식으로는 불가능했던 다양한 형상의 구현 등에서 그 활용성이 널리 알려지며 세계적으로 그 활용도가 급격히 증가하는 추세이다. 아직 국내에서는 R&D가 활발한 대기업이나 일부 고부가가치 산업군에서 만 적용 가능할 것으로 막연히 인식되고 있으나, 미국이나 유럽 등 제조업 선진국에서는 적층가공 기술이 중소 제조현장에서 활발하게 활용되는 사례를 접하는 것이 어렵지 않다. 이에 대기업의 R&D, 바이오 등이 주를 이루었던 업계의 유명 Case Study들을 벗어나 중소 제조 현장에서도 적용이 가능할 법한 해외 사례들을 선별하여 공유, 대한민국 유수 강소기업들이 본 사례를 참고하여 새로운 가치와 수익 창출에 대한 영감을 얻게 되기를 희망한다.

▲ ULTRA 3SP로 3D 프린팅 한 임펠러의 1/2


미국 Crane Pumps & Systems,
임펠러 제작공정에 3D 프린팅 적용으로 패턴 납기 약 4주에서 2일로 단축

Crane Pumps & Systems는 북미지역에서 펌프와 그 유관부품, 물, HVAC, 압력 하수, 폐수 펌핑 및 탈수에 관련된 부품을 제조하는 업체로, 3D프린터를 도입하여 임펠러 제작공정 효율성을 크게 개선했다.
기존에는 임펠러 주조에 필요한 패턴을 외주하여 진행했으나, 독일 envisionTEC에서 개발·공급하고 있는 3SP(Scan, Spin, Selectively Photocuring) 방식의 적층가공 장비를 도입하여 제품 설계부터 패턴 출력 및 테스트까지 inhouse로 진행, 패턴 납기가 기존 약 3~4주에서 2~3일로 단축됨과 함께 외부로의 설계도면 유출을 최소화하는 부가적인 효과까지 얻게 되었다.
www.cranepumps.com


미국 IRA Green Design, 3D 프린팅 기술로 Jig&Fixture 제작… 연간 120,000 USD 비용절감

미국에서 방산분야의 특수 유니폼 및 유관 장비를 생산 및 유통하는 기업으로 ,Jig&Fixture를3D 프린팅하여 한화 약 1억 3천만 원 이상의 비용절감을 이뤄낸 사례이다.
다품종 Customization이라는 제조업 트렌드가 확산되며, 자연스럽게 기존에 없었던 다양한형상그리고 그만큼 다양한 형상의 JIG 수요로 이어졌다. 하지만 급격하게 증가한 많은 타입의 JIG로 인해 현장에서의 혼선 및 납기 지연 클레임이 빈번하게 발생했다.
각각의 JIG생산 셋업 시간에만 8시간 이상 소요되었으며, 개당 평균 $300의 추가 비용이 발생하는 등 생산 효율성에 적지 않은 문제가 드러나 미국 RIZE사의 FDM장비를 도입, 반년도지나지 않아 약 300개 이상의 JIG를 출력하여 현장에 적용시켰다. 복수의 JIG를 출력하는데소요되는 시간은 50분 이내, 개당 약 2달러의 제작비용이 들었다. 이는 기존 개당 $300에 비하면 가히 엄청난 수준의 비용 절감이며, 이는 연간 $120,000 이상의 비용절감 효과로 환산된다고 한다. 금형과 네일의 고정 시스템을 표준화하여 더 빠른 셋업과 전환시간을 달성, 작업 시간을 약 80% 절약할 수 있게 되었고, 동시에 작업 실패와 에러 확률도 낮아져 공정 전반의 정확도 역시 크게 개선되었다고 한다.
미국 IRA Green Design,3D 프린팅 기술로 Jig&Fixture 제작… 연간 120,000 USD 비용절감미국에서 방산분야의 특수 유니폼 및 유관 장비를 생산 및 유통하는 기업으로 ,Jig&Fixture를3D 프린팅하여 한화 약 1억 3천만 원 이상의 비용절감을 이뤄낸 사례이다.
다품종 Customization이라는 제조업 트렌드가 확산되며, 자연스럽게 기존에 없었던 다양한형상그리고 그만큼 다양한 형상의 JIG 수요로 이어졌다. 하지만 급격하게 증가한 많은 타입의 JIG로 인해 현장에서의 혼선 및 납기 지연 클레임이 빈번하게 발생했다.
각각의 JIG생산 셋업 시간에만 8시간 이상 소요되었으며, 개당 평균 $300의 추가 비용이 발생하는 등 생산 효율성에 적지 않은 문제가 드러나 미국 RIZE사의 FDM장비를 도입, 반년도지나지 않아 약 300개 이상의 JIG를 출력하여 현장에 적용시켰다. 복수의 JIG를 출력하는데소요되는 시간은 50분 이내, 개당 약 2달러의 제작비용이 들었다. 이는 기존 개당 $300에 비하면 가히 엄청난 수준의 비용 절감이며, 이는 연간 $120,000 이상의 비용절감 효과로 환산된다고 한다. 금형과 네일의 고정 시스템을 표준화하여 더 빠른 셋업과 전환시간을 달성, 작업 시간을 약 80% 절약할 수 있게 되었고, 동시에 작업 실패와 에러 확률도 낮아져 공정 전반의 정확도 역시 크게 개선되었다고 한다.


영국 Team HARD, British Touring Car 팀이 승리를 위해 envisionTEC을 선택하다

Team HARD 브랜드는 2012년 초에 BTCC 드라이버인 Tony Gilham이 창립했다. Tony는 2005년부터 매년 영국 모터스포츠에 참가했으며 지난 십 년간 폭스바겐 레이싱 컵 드라이버와 BTCC 및 Britcar 팀 등을 확장해왔다. Team HARD는 20명이 넘는 드라이버들로 2016년엔 권위 있는 영국 GT4 챔피언십에서 우승했다.

Team HARD는 에어 덕트를 위해 비싼 기성품을 사용해왔는데 이 부품들은 자동차에 맞춤 제작된 것이 아니어서 브레이크 부품에 최적의 공기 흐름을 제공하지 못했다. 그래서 최대한의 찬 공기를 브레이크에 공급하는 것이 팀의 목표였다. 컴퓨터에서 디자인이 완성되면
EnvisionTEC의 엔지니어는 빅 사이즈 제작과 정확성을 모두 충족하는 Ultra 3SP 프린터를 선택했고 재료로 ABS Tough를 사용했는데 이 재료는 ABS처럼 단단하면서도 유연성이 있어 레이싱 중에 충격을 흡수할 수 있는 재료이다.
제작된 첫 번째 모델은 form & fit 테스트에 이용되었고 Team HARD가 디자인 한 데로 작동되는지 테스트하도록 했다. 최종 파트에 수정이 생기면 제작에 단 몇 시간이 소요된다.
덕트의 경우, 좀더 매끄럽게 하기 위해 전기 도금 처리를 추가해 브레이크와의 마찰로 인해 생기는 높은 열로부터 최대한 보호했다.

예전에는 주문 제작하는 부품의 제조 단가가 매우 높았다. 3D프린터로 출력된 파트들은 특정 자동차 및 목적을 위해 설계된다는 점에서 많은 이점을 가져왔다. 구축할 수 있는 형상에는 거의 제한이 없다.
EnvisionTEC은 부품들이 벤치 테스트를 하거나 생산 전에 피팅 테스트를 할 수 있도록 다양한 Tough ABS 재료를 제공한다. 또한 금속 부품 제작을 위해 주조가 가능한 재료도 제공하고 있다. www.team-hard.com/


영국 Hypro EU 스프레이 노즐,
3D 프린팅으로 공정 개선 신제품 개발과 비용 및 시간 절약


영국의 Hypro EU는 스프레이 노즐 장비 제조업체로, 제품 개발 프로세스가 혁신적으로 개선되어 비용절감과 품질개선을 실현했다. Hypro EU는 1954년부터 영국 케임브리지에서 농업 및 공업용 스프레이 노즐을 제조해 왔다. 농작물, 화재 진압, 페인트 분사 등에 쓰이는 각종 스프레이 유관 장비를 envisionTEC의 Perfactory 3D프린터를 도입해 최고급 품질로 시장에 공급하고 있다.
Hypro EU에게 있어 ‘품질보증’ 이란, 완성품의 품질에만 해당되는 것이 아니라 생산 및 개발 단계의 전 공정에 고려될 요소이다. 이러한 까다로운 품질관리를 충족시키기 위하여, 3D 모델링과 파트 제작에 있어 세계적으로 가장 높은 수준의 정밀도를 실현할 수 있는 3D 프린팅 장비로 잘 알려진 envisionTEC의 Perfactory 3D 프린팅 시스템을 도입했다.
Hypro EU는 캡이 여러 파트로 분리되어야 했던 기존 제품에서 필요로 했던 링(ring) 이 없는 형태의 트위스트 링(twist ring)으로 특허를 출원했다. 이는 매우 타이트한 공차가 필수로 요구되며, Perfactory 3D 장비는 이를 성공적으로 구현해 내는 중점적인 역할을 수행했다. Hypro EU의 엔지니어 Trevor Swan는 “Perfactory 3D 프린터로 여러 개의 파트를 쉽고 빠르게 출력하여 현장에서 가용성을 직접 테스트할 수 있게 되
었기 때문이다” 라고 말했다.
Hypro EU가 적층가공 기술에 투자하기 전 까지만 해도 설계자가 기존에 가지고 있던 모든 지식과 현장 작업자의 경험에만 의존하여 제품을 생산해야 했기에, 고압/고온으로 인한 구현 실패가 종종 발생할 수밖에 없었다. 적합성을 시험하기 위해서는 제품을 실제로 제작한 다음 필드에서 테스트하는 수밖에 없었고, 설계상 하자가 발견되면 다시 높은 비용과 시간이 소요되는 재설계를 계속해서 반복해야 했다.
트위스트 링은 Solidworks로 설계되어 서로 완벽히 조립되는 2개의 파트로 구성되어 있다. 이는 높은 수준의 정밀도를 요구했으며, Perfactory는 이를 실현할 최적의 장비로 평가 받았다. 각각의 파트는 Perfactory에서 출력되어 16microns 수준의 정밀 도가 구현된다.
https://hypro.pentair.com/en


영국 RENISHAW, 3D 프린팅 주조 패턴 제작 성공
최근 envisionTEC은 Renishaw UK의 3D CAD를 사용하여 주조 패턴으로 사용될 기준 파트(테스트용)를 설계했다. 고 정밀 적층가공을 활
용하여 이전에 작업자가 직접 핸들링 해야 했던 공정들이 디지털화 되었으며, 작업자가 패턴 핸들링에 소모했던 시간과 비용이 획기적으로
줄어들게 되었다. 최대 8개 파트 출력에 5시간이 소요되었으며, 이후 세척과 경화공정 등을 거쳐 주조공정 투입을 위한 준비를 마치게 되었
다. 주조공정에는 Renishaw의 MPA300 메탈 파트 주조 시스템이 사용되었으며, 램프 업 사이클(ramp up cycle)을 사용한 주물 온도는 아래와 같다.
한편, envisionTEC은 고품질 고정밀 3D프린터 제조업체로, 다양한 종류의 어플리케이션을 높은 정밀도로 구현하는 명품 3D 프린터 메이커
이다. 정밀하고 우수한 품질의 3D프린터를 직접 정밀 주조분야를 포함한 다양한 산업군에 공급하고 있다.
www.renishaw.com
Ramp to 200℃ at 150℃ per hour and hold for 4 hours
Raise to 700℃ at 200℃ per hour and hold for 4 hours

 

 

HMS Industries, Inc.
Rize 3D 프린팅 기술로 생산비용 수 천 달러 절감, 공정 시간은 절반으로

맞춤형 금속 스탬핑, 산업용 툴링 등을 고객별 맞춤 제조하여 납품하는 HMS는 각종 산업 전반에 걸친 제품, 프로토타입 개발, 엔지니어링 설계, 툴 디자인, 금형 제작 등 다양한 서비스를 제공하는 임가공 업체이다.
CMM(Coordinate Measuring Machine) 품질 검사 중 파트를 고정할 fixture 및 지그(jig) 생산에 있어 기존 알루미늄보다 더 저렴하고 빠른 솔루션이 필요했던 HMS는 균일하고 지속적인 품질관리를 위해 기존에 생산하던 알루미늄 지그 및 고정체 생산공정보다 더 빠르고 경제적인 생산공정을 정립하고자 대규모 설비투자나 작업장 확장 없이 기존 인력과 시설을 최대한 활용하고자 했다.
HMS는 Rize One으로 기존 2일 이상 걸리던 공정이 설계에서 출력까지 하루 만에 가능 해졌으며 개당 40$ 생산단가를 실현하여 막대한 이익을 가져다 줬다. 또한 Rize 특유의 생적합 소재로 VOC 등의 유해물질 방출이 0%이기에 작업자의 안전성 제고에도 큰 도움을 가져다 줬다. 또, 필요할 때마다 즉시 출력하면 되기 때문에 기존에 발생하던 부품 보관비용 및 번거로움도 사라졌다.
HMS는 Rize One의 잉크 마킹 기능도 활발하게 사용하고 있다. 복셀(Voxel) 단위의 증강 적층(Augmented Deposition) 공정으로 프린팅과 동시에 문구와 문양 등을 출력물에 마킹할 수 있어, 이를 제품의 식별번호나 로트 넘버 등에 활용하여 디지털 제조 프로세스를 성공적으로 정립했다.



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