[첨단 헬로티]
타카야마 츠바사 (高山 翼), 마츠모토 이타루 (松本 格) ㈜소딕
1. 서론
동사에서는 '세상에 없는 것은 우리들이 만든다'라고 하는 이념 하에, 주력 제품이 되는 리니어 모터 구동 방전가공기를 비롯해 머시닝센터, 사출성형기 등을 개발, 2014년에 정밀 금형 3D 프린터 ‘OPM 시리즈’를 발표했다. 이 글에서는 OPM 시리즈의 특징 및 사용 금형에 의한 하이사이클 고품질 성형 사례를 소개한다.
2. OPM 시리즈에 대해서
금속 3D 프린터에 의한 조형 방법으로서 동사는 Powder Bed Fusion법을 채용하고 있다. 테이블 상면에 균일하게 금속분말을 빈틈없이 깔고 슬라이스한 2차원 데이터부에 고출력의 Yb 레이저를 조사해 용융, 응고시킨다. 소결 후 테이블이 0.05mm 내려가 분말을 공급하고 다시 레이저 조사, 소결이 이루어진다.
10층(임의) 소결 후, 기내에 탑재되어 있는 고속 밀링에 의해 소결 형상 측면을 고정도 절삭가공, 다시 레이저 소결로 돌아가 적층 및 절삭을 반복해 간다. 이것에 의해 고정밀의 조형물이 완성된다. 레이저 발진기에는 500W 출력 Yb 레이저를, 주축에는 45,000min-1의 스핀들을 탑재하고 멜팅률 99.9%에 의한 경면에 가까운 면질을 실현하고 있다.
3. 성형 사례
이번에 OPM 시리즈로 조형한 얇고 깊은 용기용 금형에 의한 하이사이클 성형 사례를 소개한다. 성형한 수지는 폴리프로필렌으로, 투명성이나 내충격성을 중시해 유동성이 MFR(Melt Flow Rate) 30의 비교적 잘 흐르지 않는 특성을 가지고 있다(그림 1). 사출성형기는 동사 제품인 MS200을 사용했다.
(1) 3차원 냉각 배관에 의한 하이사이클 고품질 성형 효과
금형에 의한 수지 성형에서는 냉각 시의 수축을 고려할 필요가 있다. 기존의 금형 제조 방법은 가공 범위가 제한되기 때문에 2차적인 냉각배관만 가능했다. 그러나 OPM 시리즈를 사용함으로써 3차원적으로 냉각배관을 캐비티․코어에 3차원 냉각배관을 실시한 예를 그림 2에 나타냈다.
이것에 의해 성형 시의 냉각 효과를 높이고, 변형량이 적은 고품질 성형 및 성형 사이클의 단축이 가능해진다. 특히 그림 2의 왼쪽 위의 그림에 있는 캐비티 보텀의 핫러너부 냉각이 약하면 이하의 요인이 된다. ▲용기 바닥면의 면질 악화에 의한 품질 저하 ▲게이트 잘림의 다발에 의한 사이클타임에 대한 영향
그림 3에 타사의 기존 제조 금형에 의해 성형한 용기의 바닥면 부분의 관찰 결과와 동사와의 비교를 나타냈다. OPM 시리즈가 조형한 3차원 냉각배관에 의해 수지의 유동성이 향상, 러너 흔적이 매우 작아지고, 또한 용기 바닥면의 양호한 면질을 얻을 수 있었다.
(2) 하이브리드 조형에 의한 리드타임 단축
금형의 캐비티․코어를 제조할 때, 기존의 경우 이들을 분할해 가공한 후 조립해서 완성시키기 위해 많은 리드타임이 소요되고 있었다. OPM 시리즈에서는 한번에 제작할 수 있고, 기존보다 리드타임을 대폭으로 단축하는 것이 가능해진다. 또한, 리드타임을 더욱 단축하기 위해서는 하이브리드 조형이 효과적이다. 하이브리드 조형이란 조형하고 싶은 형상의 하부가 단조로운 경우, 미리 기존의 방법으로 가공한 베이스를 준비, 그 위에 조형해 가는 공법이다.
얇고 깊은 용기용 금형의 경우, 보통은 전체 형상의 조형에 338시간을 필요로 하는데, 하이브리드 조형에서는 219시간이 되어 35.3%의 리드타임 단축을 얻을 수 있었다(그림 4, 표).
4. 맺음말
이상과 같이 정밀 금속 3D 프린터 OPM 시리즈로 조형한 금형에 의해 하이사이클의 고품질 성형 및 리드타임 단축을 기대할 수 있다. 이 공법에 의해 단납기로 코스트 퍼포먼스가 요구되는 경우에는 큰 효과를 얻을 수 있다. 앞으로 성형 시에 중요한 숏 수 및 금형 강도에 대해 검증, 생산현장에서 활용할 수 있는 성형 사례를 축적해 갈 것이다.
