이 글에서는 3D프린터를 활용한 시제품 제작 프로세스에 대해서 소개합니다. 시제품을 제작 하는 목적은 제품 개발 과정에서 디자인 확인, 설계 검증, 성능 시험 및 테스트를 위함입니다. 주로 다품종 소량생산 또는 단품 생산이 요구되기 때문에 기존의 금형 사출이나 CNC와 같은 대량생산에 적합한 제작 방법은 효율성이 떨어집니다.
이러한 문제를 보완하기 위한 수단 중 하나로 최근 국내에서 많이 활용되고 있는 것은 적층 가공 방식이라고도 많이 불려지고 있는 쾌속 조형 기술입니다. 3D프린터 제작 과정은 크게 4가지 단계로 분류됩니다. 디자인 설계-출력 방식 선정-G코드 변환-3D프린팅 입니다.
1. 제품 설계
3D프린터는 CAD 데이터를 기반하여 부품을 자동으로 생산합니다. 만일 제품개발 단계에서 3D프린터를 활용하여 시제품을 제작하고자 하실때는 반드시 제품의 디자인과 설계도면 작성을 선행해야 합니다.
주로 사용되는 프로그램으로는 오토캐드(Auto CAD), 라이노(RHino), 카티아(CATIA), 인벤터(Inventer), 솔리드웍스(Solid Works), 스케치업(Skecthup), Z브러쉬(Zbrush), 퓨전 360(Fusion 360) 등이 있습니다.
호환되는 툴에는 제한이 없으나 파일의 확장자 명은 가급적 .STP나 .STEP / .OBJ / .STL / .3dm / . DWG 파일로 제공하는 것을 권장합니다. 또한 3D프린터로 시제품을 제작할 때는 기본적으로 3D모델링 상에서 면의 두께가 적용되어 있어야 합니다. 단순히 선형태로 작성되어 있으면 출력 자체가 불가능하니 참고하세요.
2. 검토 및 분석
1) 목업의 형태
제품 목업에는 크게 2가지 형태가 있습니다. 디자인 목업(Design Mockup)과 워킹 목업(Working Mockup) 입니다. 전자는 제품의 전체 외형을 구성하는 요소들을 검토하기 위해 주로 사용됩니다.
워킹 목업은 실제 제품과 동일한 기능과 성능을 구현할 수 있도록 만들어진 샘플로 시제품 제작 단계에서 PCB 회로 설계와 코딩 작업이 완료되어야 합니다.
이렇게 목업의 형태를 2가지로 분류하는 이유는 이것을 토대로 3D프린터 제작 방식을 결정하기 위함입니다. 예를 들어 동일한 FDM 방식이라도 산업용 장비를 활용할 때와 교육용으로 만들어진 보급형 장비를 사용할 때 품질과 단가 차이가 큰편입니다.
디자인 목업의 경우 주로 내부적으로 확인하기 위한 목적이 많은 편이며, 제품에 따라서는 높은 수준의 정밀도나 표면조가 요구되지 않을 수 있습니다. 이때에는 저렴한 가겨의 보급형 장비를 사용해도 무방하지만 치수 정밀도 및 오차 범위까지 보다 자세하기 확인하기 위해서는 반드시 산업용 장비를 사용해야 합니다.
2) 제품 사양
다음으로는 제품에 요구되는 사양입니다. 주요 고려 사항으로는 위에 언급했던 치수 공차의 범위, 출력 소재, 표면 조도, 제품의 크기와 디자인 등이 있습니다.
3) 생산 수량
일반적으로 3D프린터 제작 방식은 다품종 소량생산에 특화되어 있습니다. 재료를 쌓아 올려서 제품의 형상을 만들기 때문에 생산성은 낮은 편입니다. 그러나 제품의 크기가 소형인 경우에는 하나의 장비로도 여러개를 생산할 수 있고, 디자인이 다른 다양한 부품을 소량 생산하는데 유리하기 때문에 100개 단위의 제품 생산도 가능합니다.
4) 소재
적층가공 방식을 활용하여 시제품을 제작할 때는 엔지니어링 플라스틱부터 금속까지 다양한 재료를 사용할 수 있습니다. 물론 CNC 가공 방식에 비해서 사용할 수 있는 재료의 범위는 많이 제한적입니다. 그러나 PC와 같은 투명한 재질부터 알루미늄, 스테인레스와 같은 금속 재료 역시 3D프린팅이 가능합니다.
3. 생산 방식 결정
1) FDM 방식
열가소성 수지 적층 방식으로 필라멘트라고 부르는 재료를 사용합니다. ABS부터 PA 소재까지 다양한 재료를 사용합니다. 사출 원료로 사용되는 펠렛을 1차로 가공한 뒤에 보빈에 감아서 만들어지는 필라멘트를 압출부에 삽입 후 가열하여 상온에서 냉각 시켜 적층합니다.
이와 같은 가공 방식의 특성으로 출력 시간을 단축할 수 있으며, 비교적 타 3D프린팅 방식에 비해서 저렴하다는 평가가 있지만 출력 정밀도는 다소 부족한 편입니다.
2) SLA 방식
레진과 같이 레이저 빛을 받으면 경화되는 성징을 가진 수지를 사용하는 3D프린팅 기술입니다. 열경화성 수지 적층 방식이라고 하며 높은 정밀도, 디테일한 디자인 구현 능력을 자랑하지만 내구성이 떨어지고 대형물 제작에 어려운 점이 있습니다.
3) SLS 방식
금속 3D프린터 제작 방식에 주로 사용됩니다. 분말 소결 방식을 사용하여 플라스틱, 금속 분말을 융착시켜서 적층하는 방식을 사용합니다. 다양한 소재를 활용해서 3D프린팅할 수 있다는 장점이 있지만 단가가 높고, 표면 조도가 낮은 단점이 있습니다.
4) Polyjet 방식
풀컬러 구현을 지원하는 3D프린터입니다. SLA 방식의 우수한 정밀도와 품질, 플라스틱, 연질 재료 등 다양한 소재를 사요할 수 있다는 장점이 있지만 출력 단가가 높다는 단점이 있습니다. 현존하는 3D프린팅 기술 중에서 시제품 제작에 가장 적합한 방식이지만 높은 비용으로 보편화 되기에는 아직까지 많은 시간이 필요해 보입니다.
4. G코드 변환
3D프린터 제작 방식까지 선정이 완료되었다면 설계 도면의 G코드 변환이 진행됩니다. 슬라이서 프로그램을 이용해서 CAD 데이터를 삽입, 내부 채움, 외벽의 두께, 적층 두께 등 다양한 설정을 적용하여 가공 작업을 진행합니다.
5. 검수
3D프린팅 작업이 완료되고 나면 최종 검수를 진행합니다. 치수를 확인하고, 파트 리스트와 비교했을 때 빠진 부품은 없는지 등 제품에 요구되는 사양에 따라서 다양한 결과를 확인합니다.
6. 후가공
표면 처리 및 도색 작업 이외에도 SLA 방식의 경우 출력이 완료된 결과물은 내구성이 많이 떨어지기 때문에 UV 경화 작업을 추가로 진행해야 합니다. 도색 작업의 경우 필요에 따라 선택할 수 있으며 일반적으로 워킹 목업의 경우는 도색 작업을 적용하는 경우가 많습니다.
오늘은 3D프린터를 활용한 시제품 제작 프로세스에 대해서 간략하게 소개드렸습니다. (주)본시스템즈는 제품 디자인부터 기구 설계, 시제품 제작, 금형, 플라스틱 사출 등 제조 전반에 필요한 업무를 지원합니다. 제품 개발 문의 및 3D프린터 제작 관련 상담은 당사 홈페이지 또는 블로그 하단의 견적 문의란을 이용하시면 쉽고 편리하게 상담을 신청할 수 있습니다.
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