서론

 

금형은 과거 공급측 경제 환경, 즉 제품은 만들어 놓으면 무조건 팔린다는 공급 부족의 환경 속에 탄생된 대량 생산 체제 하의 생산 도구이다. 그러나 현재 공급의 과잉 현상과 수요자의 욕구가 다양해지고 양보다 질을 선호하는 다품종 소량 생산 체제의 이동은 수요측 경제 환경의 도래를 의미하며 3D 프린터의 보급은 이를 가속화시키고 있다.

우선 제조 환경 변화에 가장 민감한 금형산업은 어떤 형태로든 체질 변화가 있을 것으로 예상된다. 현재까지의 금형 제조 목표는 단납기로 일축되지만, 이런 목표는 현 상태로는 한계가 있으며 가공성, 금형의 구조 및 재료 개발, 가공 방법 등 다방면의 변화를 예상할 수 있다. 만일 소비자의 다양한 욕구를 충족시키기 위해 금형의 수명은 30만쇼트에서 5만쇼트로 단축되고 금형은 1대에서 6대로 생산되어야 한다면, 이런 조건들을 충족시키기 위해서는 금형의 소재 또한 강도보다는 가공성이 용이한 재료가 선택되어야 하는 것을 상상할 수 있다. 

열가소성수지의 사출성형에 대하여, 금형 냉각이 전체 사이클 시간의 3분의 2 이상을 차지하고 있다. 효율적인 냉각회로 설계는 냉각 시간을 줄여서 전체적인 생산성을 증가시키며, 균일한 냉각은 잔류 응력을 줄이고 치수적인 정확도 및 안정성을 유지함으로써 품질 향상을 실현시킨다.

현재의 냉각회로는 건드릴에 의한 절삭가공의 특성과 제약으로 인해 직선 형태의 구멍을 뚫어 서로 연결하는 냉각회로가 표준이 되어 왔다. 그러나 곡면으로 이루어진 성형품의 냉각을 위해 직선의 냉각관만으로는 많은 제약이 따르므로 이에 대한 보완책으로 배플(baffle)과 버블러(bubbler)와 같은 특별한 형태의 냉각채널 방식이 채용되어 왔으나, 오히려 직선 냉각관에 비해 냉각 성능이 효율적이지 못하다는 단점이 있었다. 이에 대한 근본적인 문제를 해결한 기술이 형상 적응형 냉각회로이다.

기본적으로 코아와 캐비티의 설계는 동일하다. 그러나 코아의 경우 열이 잔류하기 쉬운 곳이 많으므로 냉각성을 고려한 금형 구조가 필요하다. 특히 하이 사이클 금형의 경우, 금형의 냉각 기능과 역할이 제대로 작동되지 않으면 사이클 타임의 단축을 기대할 수 없게 된다. 형상 적응형 냉각회로로 금형 코아를 제작하기 위한 방식으로는 냉각회로의 단면을 반으로 나누어 각각 기계가공 후 초음파로 확산 접합하는 방식, 제작된 마스터 형상에 용융된 금속을 분사시켜 금형을 제작하는 SFT(Spray Formed Tooling) 방식, 그리고 RP(Rapid Prototype)에 의한 적층조형 방식 등을 소개할 수 있다. 

적층조형 방식으로 냉각채널을 제조할 경우 자유로운 냉각회로를 어느 곳에서나 설치할 수 있는 장점이 있다. 그러나 아직 장비가 고가이고 금속분말의 대부분을 수입에 의존하고 있어 가격이 너무 비싸며 사용 재료가 제한적이어서 일반 중소기업에는 현실적이지 못하다는 단점이 있다.

본 실험에서는 금속분말을 레이저로 3D 데이터를 따라 선택적으로 조사하여 Layer-by-Layer 방식으로 적층 소결하고, 부가적 가공 방법으로 기계가공으로는 어려운 자유곡면, 언더컷, 형상 적응형 냉각회로 등의 형상을 제작하는 DMLS(Direct Metal Laser Sintering) 공정과 동시에 10Layer마다 형상을 따라 NC 가공을 실행하는 복합가공 방식을 채용했다. 배터리 케이스의 코아와 캐비티를 직접 설계 제작하여 제품의 치수 정밀도와 표면 조도, 가공 시간 등을 현재의 제조 공정과 비교 분석하여 실용성과 적용성을 검토하고자 했다. 그림 1은 DMLS 공정과 NC 가공으로 복합가공한 배터리 케이스의 캐비티 금형 부품을 나타내고 있다.

 

 

그림 1. DMLS 공정과 NC 가공으로 복합가공한 배터리 케이스의 캐비티 금형 부품

배터리 케이스 금형 설계

1. 캐비티 설계

 

3D 데이터를 작성하기 위해 UG NX6 소프트웨어를 이용하여 3D 모델링을 작성했으며, 그림 2는 배터리 케이스의 캐비티 금형 부품의 3D 금형설계도와 냉각회로도를 나타내고 있다.

 

 

그림 2. 배터리 케이스의 캐비티 금형 부품의 금형설계도

 

2. 코아 설계

 

그림 3은 배터리 케이스의 코아 금형 부품의 3D 금형설계도와 냉각회로도를 나타내고 있다.

 

 

그림 3. 배터리 케이스의 코아 금형 부품의 금형설계도

 

DMLS를 이용한 배터리 케이스 금형 제작

 

1. 캐비티

 

DMLS 공정은 제작 기간이 상대적으로 짧고 기계가공만으로 상대적으로 어려운 형상을 쉽게 가공할 수 있는 장점이 있으나, 소결만으로 가공된 부품은 표면 조도, 치수 정도 등의 품질이 부품으로 사용하기는 어렵고, 후가공으로 NC 가공 등의 절삭가공으로 마무리할 필요가 있다. 

본 연구에서는 형상 적응형 냉각채널이 설계된 배터리 케이스 금형 부품을 제작하기 위해 일본 (주)송포기계제작소 LUMEX AVANCE-25 광조형 복합가공기를 이용했으며, 분말 재료를 100㎛씩 Layer-by-Layer 방식으로 적층 소결하고, 동시에 10Layer마다 NC 가공을 하여 배터리 케이스 금형을 제작했다.

 

(1) 광조형 복합가공기의 제조 공정
작성된 3D 모델링을 형상 그대로 가공하기 위해 가공 프로그램이 필요하며, 프로그램은 가공기 제작사에 의해 제공된 전용 소프트웨어에 의해 작성됐다. 가공 공정은 다음과 같은 순서로 진행됐다.
① 가공 준비
레이저 보호 유리 청소 상태와 CCD 카메라 보호 유리의 청소 상태를 점검하기 위해 먼저 화면 상태를 확인했다.
② 가공 프로그램 준비
USB를 이용해 퍼스널컴퓨터에서 작성된 데이터를 복합가공기에 저장한 후 가공 프로그램을 가공기 전용 CAM 형식으로 변환 저장했다.
③ 베이스 플레이트의 설치
베이스 플레이트는 폴러싱, 탈자(de-magnet), 탈지(defat)를 위해 청소하고, 평면도는 0.03mm 이내로 관리했다. 베이스 플레이트를 가열장치로 설정 온도(50°)까지 가열한 후 조형 테이블에 고정시켰다.
④ 공구 세팅
기계공구 세팅, 공구 정보 등록, ATC 공구 교환 순으로 세팅했다.
⑤ 테이블 높이 설정
베이스 플레이트 위에 베이스 마스터를 놓고 설정했다. 그림 4에 베이스 플레이트와 베이스 마스터를 나타냈다.

 

 

그림 4. 베이스 플레이트와 베이스 마스터

 

⑥ Work offset 설정
X/Y축의 Work offset를 설정하고, Z축의 Work offset를 설정했다.
⑦ skimming 설치
가공면의 이송 속도는 1000mm/min로 설정했다.
⑧ condensate 용지 붙임
⑨ 요소 충전
⑩ 재료 분말 투입
고체 분말은 10kg 이내, 전용 용기를 사용했다. 고체 분말의 크기는 일정하지 않으며 대략 1μm~100μm 정도이다. 그림 5에 전용 용기와 200배 확대된 고체 분말을 나타냈다.

 

 

그림 5. 고체 분말 입자

 

⑪ 운전 개시
⑫ 측정 및 검사
측정은 3차원 측정기를 사용했다.
표 1에 제작된 캐비티 부품의 가공 데이터를 나타냈다.

 

표 1.  캐비티 부품의 가공 데이터

 

1process: 10layer (단, 첫 process는 18layer임)

표 1의 1항에서 5항까지는 고체 분말 제조업체에 의해 정해진 조건이다. 먼저 소결가공은 Layer-to-Layer 방식으로 진행됐으며, 10Layer를 1Process 단위로 NC 가공이 진행됐다. lLayer에 약 7~8분 정도 소요됐다. 

(2) 결과
분말 재료는 레이저 소결 및 NC 가공 후 제품의 표면경도는 HRc 40 정도로 나타났다. 표 2에 제작된 캐비티 부품의 가공 데이터를 나타냈다.

 

표 2. 캐비티 부품의 가공 데이터

 

베이스 플레이트는 20×215×215(SM45C)를 사용했다. 베이스 플레이트는 가공 완료 후 제품으로부터 분리되어야 할 지그의 일종이며, 공정 개선을 목적으로 제품의 일부로 사용하기 위해 경도가 높은 재질로 사용했으나 융착이 약하고 크랙이 발생했다. 후가공으로 와이어 등에 의한 분리가공이 필요하다. 그림 1에 가공된 금형 캐비티 형상을 나타냈다.

1프로세스마다 NC 가공 완료 후 다음 프로세스에서 NC 가공할 때 단차가 발생했다. 전체적으로 측벽의 표면조도는 크게 나타났으며, 제품의 하측 치수가 상측 치수보다 큰 형상으로 직각도에서 약 0.3° 정도가 작은 사다리꼴형이다. 그림 6에 측벽의 표면 형상을 나타냈다.

 

 

그림 6. 측벽의 표면 형상

 

(3) 일반 제작 공정
통상적으로 현재 금형 캐비티 가공을 위해 사용되는 가공 공정은 다음과 같다.
① 부품 설계 (도면 작성)
UG 소프트웨어로 3D 모델링을 작성했다.
② 사각 소재 가공
원재료를 양두 절단기로 가공한 후 연마가공을 했다. 사각 소재는 외주가공으로 했다.
③ 건드릴 가공
입고된 사각 소재 수입검사를 하고, 냉각회로 가공과 밀핀 홀 가공을 했다.
④ NC 가공 준비 ( NC 가공 프로그램)
3D 모델링으로 CAM 소프트웨어를 이용하여 NC 프로그램을 작성하고, 데이터를 NC 기계에 전송했다. 전송을 위해 RS-232C 케이블을 사용했다.
⑤ NC 가공 및 EDM 가공
NC에서 황삭가공을 마치고 EDM 가공을 했다. EDM 가공을 위해 흑연 NC 가공기에서 흑연전극을 가공하고, 가공된 흑연 전극은 선단부의 누락된 R 부위 등을 사상작업과 함께 수정 보완했다.
⑥ 사상
방전가공을 마친 캐비티는 사상가공을 했다.

2. 코아 제작

 

코아 가공은 작성된 3D 모델링 형상 그대로 가공하기 위한 방법과 공정은 캐비티와 동일하게 실행됐다. 가공 조건 및 결과는 다음의 표 3과 표 4에 나타냈으며, 제작된 코아 부품은 그림 7에 나타냈다.

 

표 3. 코아 가공 조건

 

베이스 플레이트는 H50×215×215(SM45C)로 휨을 개선하기 위해 캐비티의 20mm보다 두껍게 사용했다.

표 4. 코아 가공 결과

 

 

 

그림 7. 제작된 배터리 케이스 코어 부품의 형상

 

결론

 

금속분말을 부가적 가공 방법인 DMLS 공정만으로 금형 캐비티와 코아를 제작할 경우, 그림 7에 나타낸 코아 부품처럼 표면이 거칠어 그대로 사용할 수 없으며 결국 제품으로 사용하기 위해서는 후가공으로 NC 가공이 요구된다. 본 연구에서는 DMLS 공정과 NC 가공을 한 기계에서 한번의 세팅으로 동시에 처리할 수 있는 복합가공기를 사용하여 캐비티와 코아를 제작함으로써 현재 금형 제작을 위해 투입되는 제작 공정과 가공 시간을 비교 검토하여 실용성과 적용성 여부를 검토하고자 했으며, 실험 결과를 다음과 같이 도출했다.

① 일반 제작 공정의 경우 사각 소재, 건드릴 가공, NC 가공,  EDM 가공, 사상 등 여러 공정이 소요되지만, 복합가공기의 경우 한번의 세팅으로 NC 가공이 완료된다. 그러나 측벽의 표면 품질 및 치수 정밀도가 상대적으로 떨어지며 후가공으로 기계가공이 요구된다.
② 가공 시간
복합가공기의 경우 캐비티와 코아 가공을 위해 106시간, 183.4시간이 소요됐으며, 표 2와 표 4에 각각 나타냈다. 반면 일반 제작 공정의 경우 경도가 유사한 NAK80 소재를 대상으로 소요된 작업 공수는 47시간, 32시간이 각각 소요됐다. 캐비티는 방전가공과 사상 공정이 추가된 반면에, 그렇지 않은 코아의 경우는 분말이 많이 소요되어 상대적으로 가공 시간의 차이가 크게 나타났다.
③ 재료 부가적 방법으로 DMLS에 의해 제작된 캐비티 및 코아의 경우 일체형으로 강도 상으로 장점이 있지만, 수리가 어렵고 성형 상 가스벤트 등 설치 시에 설계 시점에서 고려되어야 한다.
④ 냉각홀의 표면거칠기
스팀의 경우 냉각홀의 표면이 거친 경우 유리해질 수 있지만, 수랭의 경우 흐름에 저항이 커지고 접촉면적이 불량하여 효율성이 떨어질 수 있다. 그림 1에 캐비티의 냉각홀을 확대하여 나타냈다.
⑤ 베이스 플레이트의 분리
코아로 사용하기 위해서는 베이스 플레이트를 분리해야 하며, 후공정이 추가된다.
⑥ 휨의 발생
표 2와 표 4에 휨 발생량이 각각 1.44mm와 0.7mm로 나타났다. 표 4의 경우 휨 개선을 위해 베이스 플레이트의 두께를 20mm에서 50mm로 변경하여 작업했다.
⑦ 소형 부품에 적합
소형 부품에 적합하며, 중대형의 부품은 큰 비용과 많은 시간이 소요된다. 그러나 가공이나 제작이 어려운 금형 부품을 제작하여 사용할 경우 매우 유용하다. 예를 들면 깊은 리브 형상, 또는 깊은 보스에 내부 냉각구멍의 가공이 요구되는 형상, 리브와 보스가 집중되어 있는 형상, 웰드라인이 있어 부분적으로 코아를 입자로 제작하여 가스빼기로 설치할 용도로 제작하는 경우 DMLS에 의한 가공 시에 큰 기공을 조성하게 하여 가스빼기를 설치할 수 있다. 길고 가는 사각 입자 코아의 냉각가공 시에 드릴 가공에 의해 원형으로만 가공되는데,  DMLS에 의한 부가적 적층가공은 타원 또는 형상에 따라 적응되는 형상의 가공이 가능하다. 다음은 사례로 웰드라인을 개선하기 위해 부분적으로 기공이 있는 통기성 소재로 20미크론의 미세한 구멍이 있는 PORCERAX를 사용했으나 큰 효과를 보지 못했다. 소재 가격이 1kg당 145,000원으로 너무 비싸기 때문에 손해 비용도 컸다. 따라서 DMLS에 의해 입자 코아를 제작하여 적용해 보았지만 큰 효과는 보지 못했다. 그러나 전도성 있는 소재의 개발 및 기공 조성을 위한 다양한 가공 조건으로 향후 이용 가능성은 매우 크다고 생각된다.
⑧ 분말 사용 시에 작업자 안전수칙의 준수가 요구된다.

 

문영대 _ 대동전자