사출 성형 기술인 디지털 몰드에 대해 철저히 해설

디지털 몰드 ® 의 정의 

디지털 몰드 ® 의 정의와 메커니즘 

디지털 몰드®란, 3D 프린터로 조형한 수지제의 형을 이용해, ABS나 PP(폴리프로필렌)라고 하는 열가소성 수지를 사출 성형하는 기술입니다. 일본 회사 스와니가 특허를 취득하고 상표 등록도 하고 있습니다.
구조는, 금속 대신 광경화 수지등으로 만들어진 수지의 형을 사출 성형기에 세트해, 양산품과 같은 플라스틱 재료를 사출해 부품을 성형한다고 하는 것입니다. 기존에 플라스틱 양산에는 높은 내구성 금속 금형이 사용되었지만 제작에는 막대한 시간과 비용이 들었습니다. 디지털 몰드®는, 금형 제작의 프로세스를 3 D프린터에 의한 디지털 조형으로 대체해, 압도적인 스피드와 낮은 비용을 실현하고 있습니다.

디지털 몰드 ® 와 기존 사출 성형의 차이 

디지털 몰드 ® 와 기존 사출 성형의 큰 차이점은 다음과 같습니다. 

위와 같이 양자는 금형의 재질이나 제작 프로세스, 자신이 잘하는 생산 영역이 다릅니다. 디지털몰드®는 금형제작의 디지털화로 기존 공법으로는 대응이 어려웠던 「시제·소로트 생산」 영역에 특화된 새로운 선택지라 할 수 있습니다.

왜 지금 디지털 몰드 ® 가 주목받고 있는가 

디지털 몰드 ® 가 주목을 받고 있는 배경에는 다음과 같은 점이 생각됩니다. 

• 기술 성숙
  고정밀·고내열 소재가 개발되고 3D 프린터의 성능이 향상됨에 따라, 사출 성형 시의 압력과 열을 견딜 수 있는 실용적인 수지 금형의 제작이 가능해졌습니다.
• 시장 니즈의 변화
  소비자 요구가 다양해지면서 제조업은 기존의 「대량생산」에서 「다품종 소량생산」 체제로 전환이 요구되고 있습니다. 제품 라이프사이클이 짧아지는 환경에서, 소량이라도 빠르게 시장에 투입할 수 있는 디지털몰드®는 시대적 요구에 부합하는 기술이라고 할 수 있습니다.
• 실적과 신뢰성의 향상
  대기업에서의 적용 사례가 증가하면서 그 효과가 널리 인정받고 있습니다. 예를 들어, 한 대형 제조사의 시제품 개발에서는 개발 기간을 기존 4~6개월에서 약 3주로 단축한 사례가 있습니다.

• 서비스 제공 체제의 정비
  미스미의 「meviy」와 같은 온라인 가공 플랫폼에서 디지털몰드® 지원이 본격화되면서, 설계자가 보다 쉽게 이용할 수 있는 환경이 마련되었습니다.

디지털 몰드®의 가공 흐름과 특징 

가공의 흐름(CAD 설계~성형~마무리) 

디지털 몰드®에 의한 가공은 주로 다음의 흐름으로 실시됩니다. 

1. 제품 3D 데이터 준비 및 금형 설계
   우선은, 성형하고 싶은 제품의 3D CAD 데이터로부터, 수지 금형용의 3D 데이터를 설계합시다.
2. 수지 금형의 3D 프린트 조형
   설계 데이터를 3D 프린터에 보내, 광경화 수지 등으로 형을 조형합니다.
3. 수지 금형의 마무리·조립
   필요에 따라 틀 표면을 절삭 가공으로 마감하여 정밀도를 높이고 금속제 몰드 베이스에 삽입합니다.
4. 사출 성형
   조립한 틀을 소형 사출 성형기에 세팅하고 재료나 성형 조건을 조정하면서 시험 타격을 실시해 주십시오.
5. 본격적인 성형과 마
   최적의 조건으로 필요한 수를 성형하고 게이트 컷 등의 마감을 통해 완성됩니다.

사용되는 수지 금형(실리콘 금형·간이 금형 등)

디지털 몰드®에 이용되는 수지제의 틀은, 3D 프린터에 의해서 조형되는 특수한 틀입니다. 수지 금형과 대비되는 존재로, 실리콘 금형이나 알루미늄 간이 금형 등 다른 형도 있습니다. 각각의 차이점에 대해 정리합니다.

• 3D 프린트 수지 금형(디지털 몰드®)
  사출 성형에 사용할 수 있는 점이 가장 큰 특징입니다. 양산 재료로, 어느 정도의 수를 신속하게 성형하고 싶은 경우에 적합합니다.

• 실리콘 금형(진공 주형)
  마스터 모델부터 틀을 만들기 때문에 초기 비용은 저렴하지만 우레탄 수지 등 특수한 재료에 한정되어 생산성은 낮은 경향이 있습니다.

• 알루미늄 간이 금형
  수백~수천샷의 중 로트 생산에 대응 가능합니다. 단, 제작에 1~2주가 소요되며, 비용도 수지 금형보다 비싸집니다.

• 강철 간이 금형
  구조를 간략화한 철제 금형으로 1만 샷 이상으로 대응 가능합니다. 품질은 높은 반면, 비용과 납기는 알루미늄형보다 듭니다.

디지털 몰드®의 단납기・낮은 비용을 실현할 수 있는 이유 

디지털 몰드®가 단납기·낮은 비용을 양립할 수 있는 이유는, 주로 아래의 3가지입니다. 

• 금형 제작 프로세스의 간략화
  NC 가공기에 의한 절삭이나 장인의 손 마감과 같은 시간과 인력을 필요로 하는 공정이 필요하지 않습니다. 3D프린터가 자동으로 틀을 조형하기 때문에 프로세스가 대폭 간략화 및 단축됩니다.

• 초기 투자의 저감
  고가의 금속 재료나 정밀 가공이 불필요하게 되어 형의 제작 비용을 압축할 수 있습니다. 지금까지 비면에서 단념하고 있던 것 같은 시작에도 착수 가능합니다.

• 설계 변경 유연성
  시제품 평가 후 설계 변경이 필요해도 CAD 데이터를 수정하여 다시 3D 프린팅만 하면 빠르고 저렴하게 새로운 형을 제작할 수 있습니다. 개발 단계에서의 시도&오류가 용이해지기 때문에 개발 속도의 향상을 가져옵니다.

대응 가능한 재질과 형상 

지금부터는, 디지털 몰드®로 대응 가능한 재질과 형상에 대해 알아보겠습니다.

사용 가능한 재료의 종류 ( PP , ABS , 엠프라 등) 

디지털 몰드®는, PP, ABS, PS(폴리스티렌), POM(폴리아세탈)이라고 하는 범용 수지로부터, PC(폴리카보네이트)나 PA(나일론)등의 엔지니어링 플라스틱까지, 폭넓은 열가소성 수지에 대응 가능합니다. 단, 유리 섬유 강화재나 초고융점의 슈퍼엔플라는 수지 금형을 현저하게 마모, 열화시키기 때문에 사용에 주의가 필요합니다.

형상 자유도와 치수 정밀도의 특징 

형상의 자유도는 기본적으로는 기존의 사출 성형에 준합니다. 돌출 경사를 두거나 언더컷 형상을 피하거나 하는 사출 성형 특유의 설계 규칙을 지켜야 합니다. 치수 정밀도는 ±0.1~0.2mm 정도가 일반적이며 기능 검증에는 충분한 수준이지만 금속 금형 정도의 고정밀도는 기대할 수 없습니다.

양산 전제의 시제인지 최종 제품인지에 따라 구분 

양산을 전제로 한 시제인지, 최종 제품의 생산인지에 따라서, 디지털 몰드®의 구분이 필요합니다.
양산 전제의 시제에서 이용하는 경우에는 장래적으로 금속 금형으로 이행하는 것을 고려하여 설계의 타당성 검증이나 문제점의 밝혀내는 것을 목적으로 합니다. 다소의 품질의 단맛은 허용하면서, 양산시의 리스크 저감으로 연결합니다.
한편, 최종 제품으로서의 생산에서는, 소로트 제품이나 한정품으로서 시장에 공급하기 위해, 제품으로서의 품질을 추구합니다. 틀의 마감이나 성형 조건의 최적화를 정중하게 실시하고, 품질 보증 체제도 정비해야 합니다.

다른 가공법과의 비교 

디지털 몰드®와 기존 사출 성형의 비교 

디지털 몰드®는 「소량·단기·저비용」의 영역에서 강점을 발휘해, 종래의 금속 금형에 의한 사출 성형은 「대량·장기·고품질」의 영역을 담당합니다. 개발 초기 단계에서 디지털 몰드®를 활용하여 양산 이행 시 금속 금형으로 전환하는 하이브리드 사용법이 효과적입니다.

디지털 몰드®와 절삭 가공의 비교 

1~여러 수량의 시제품일 경우 절삭 가공이 더 빠르고 저렴할 수 있습니다. 단, 10개 이상의 같은 부품을 만드는 경우는, 하나씩 깎는 절삭 가공에 대해, 틀을 만들면 반복적으로 성형할 수 있는 디지털 몰드®가 효율적입니다. 또한 절삭으로는 가공 불가능한 복잡한 형상이라도 사출 성형이라면 일체로 제조할 수 있는 경우가 있습니다.

디지털 몰드®와 3D 프린트 비교 

3D프린트는 손쉽고 신속하게 형상을 확인할 수 있는 수법인 한편, 재료의 물성이 양산품과 다른 점이 과제입니다. 디지털 몰드®는 양산과 같은 재료로 성형할 수 있기 때문에 강도나 내구성과 같은 기능 평가의 신뢰성이 높아집니다. 디자인 검토 초기 단계에서는 3D 프린트, 기능 검증 단계에서는 디지털 몰드®라는 구분이 이상적입니다.

디지털 몰드®와 주형의 비교 

진공 주형은 금속 금형을 사용하지 않고 소 로트(약 10~100개)의 부품을 만드는 공법입니다. 초기 비용이 낮고 미세 형상 재현성이 뛰어납니다. 한편 재료는 열경화성 우레탄이므로 ABS나 PP 등 양산재와 물성이 일치하지 않아 강도, 내열 평가 호환성이 낮아집니다. 디지털몰드®는 양산과 같은 열 가소성 수지로 사출이 가능하므로 양산품동등의 물리적 특성으로 기능평가가 가능하며,소 로트의 제품 공급에도 대응할 수 있습니다.

디지털 몰드 ® 의 장점과 단점 

장점(비용 절감, 단납기, 유연성 외) 

디지털 몰드 ® 의 주요 이점은 다음과 같습니다. 

• 초기 비용의 대폭 삭감
  수십만~수 백만엔의 금속 금형 비용을 수만~수 십만엔 정도로 억제하여 개발의 초기 투자 리스크를 저감할 수 있습니다.

• 압도적인 단납기
  설계 데이터가 있으면 최단 며칠 내에 성형품을 입수할 수 있습니다. 개발 리드 타임을 단축하고 시장 투입까지의 속도를 가속화합니다.

• 양산품과 동일한 재료 및 제조법으로 시작 가능
  ABS, PP, PC 등 양산품과 동일한 수지 재료로 성형하기 때문에 3D프린트 제품에서는 어려웠던 강도나 내구성의 평가를 시작 단계에서 정확하게 실시 가능합니다.
  

• 소 로트 생산의 실현
  수십~백 개 단위의 생산을 낮은 비용으로 실시할 수 있기 때문에 시장 테스트나 한정품, 보수 부품의 제조와 같은 용도에 최적입니다.

• 설계 변경·변형 전개에의 유연
  형재 조합이 용이하므로 설계 변경에 유연하게 대응할 수 있습니다. 또, 로고나 사양이 다른 복수 패턴의 제품을 저비용으로 동시에 시작 가능합니다.

단점(내구성·양산 비대응 등) 

한편, 디지털 몰드®에는 다음과 같은 단점이 있습니다.

• 수지 형의 내구성 한계
  디지털 몰드®의 약점은 형태의 수명이 짧습니다. 성형 재료나 부품 형상에 따라 다르지만, 형의 마모, 열화에 의해 수천 개 이상의 양산에는 적합하지 않습니다.
  

• 성형품 정밀도·마감의 제약
  수지 금형은 강성이나 열전도율이 금속보다 떨어지기 때문에 치수 정밀도나 표면 품질은 금속 금형에 한발짝 양보합니다. 특히 높은 외관 품질이 요구되는 부품에는 주의가 필요합니다.

• 대응 사이즈의 제한
  3D프린터의 조형 구역이나 소형 성형기의 사양으로부터, 성형할 수 있는 부품 사이즈는 10cm각 정도로 한정되어, 대형 부품에는 대응할 수 없습니다.
  

• 재료·성형 조건에 대한 주의
  유리 섬유를 많이 포함한 수지나 PEEK 등의 초고내열 슈퍼 엔프라는 형에 부하가 커서 사용이 어려운 경우가 있습니다.
  

활용에 적합 케이스 / 적합하지 않은 케이스 

여기에서는 디지털 몰드 ®가 적합한 케이스와 적합하지 않은 케이스에 대해 해설합니다. 활용에 적합한 케이스는 다음과 같습니다.

• 기능・강도 검증을 목적으로 한 시제
  양산재로 성형하기 때문에 힌지의 내구성이나 감합의 감촉 등 실제품에 가까운 조건에서 평가하고 싶은 경우에 매우 적합합니다.

• 100 개 정도의 소 로트 생산·시장 테스트
  금형 투자를 억제할 수 있기 때문에 테스트 판매나 틈새 수요에 부응하는 한정품 생산에 적합합니다.

• 커스텀품・보수부품
  로고 삽입 등의 커스터마이즈나, 생산 종료품의 보수용 부품 등, 필요한 수만큼을 온디맨드로 공급하고 싶은 경우에 유효합니다.
  

한편, 다음과 같은 경우에는 적합하지 않습니다. 

• 수천 개 이상의 대량 생산
  샷 수의 한계로 인해 처음부터 금속 금형을 제작하는 것이 전체 비용에서 유리합니다.

• 고정밀도·고외관이 요구되는 제품
  광학 부품이나 고급 가전의 외장 등, 마이크론 단위의 정밀도나 경면 마감이 필요한 경우에는 적합하지 않습니다.

• 대형 부품
  자동차 범퍼나 가전 케이스 등 손바닥 크기를 넘는 큰 부품의 성형은 어렵습니다.

방향성을 이해하고 적절한 장면에서 디지털 몰드 ® 를 활용하십시오. 

활용 사례와 용도별 선정 포인트 

자동차 부품, 가전, 의료 기기 등의 시제 사례 

디지털 몰드®는, 「단납기」와 「양산 재료로의 시작」이라고 하는 강점을 살려, 다양한 업계에서 활용이 진행되고 있습니다. 대표적인 분야의 활용 사례는 다음과 같습니다.

소량 생산·시장 테스트 제품에 활용 

디지털 몰드®는, 본격 양산전의 시장 조사나, 틈새 수요에 응하기 위한 제품 공급에도 유효합니다. 종래는 금형 코스트가 장벽이 되어 실현 곤란했던 「100개만 만들어 테스트 판매한다」라고 하는 전략이, 디지털 몰드®에 의해서 현실화됩니다.
또, 생산 종료한 제품의 보수 부품을, 금형이 없어도 3D 데이터로부터 필요한 수만큼 생산한다고 하는 활용법도 가능합니다.

용도별 판단 매트릭스(비용·납기·목적별) 

시제품 작이나 소량 생산에는 복수의 수법이 있습니다. 주된 수법의 차이에 대해서, 이하의 표에 정리했습니다.

※ 상기는 일반적인 기준입니다. 

도입시의 주의점과 선정 가이드 

품질 문제를 방지하기 위한 설계상의 주의점 

디지털 몰드®를 성공시키기 위해서는 수지 금형의 특성을 이해한 설계가 필수적입니다. 금속형보다 이형 저항이 크기 때문에 충분한 빼내기 경사를 준비합시다. 또한 형의 파손을 방지하기 위해 날카로운 가장자리와 극단적인 얇은 모양은 피해야 합니다. 충전 불량등의 품질 문제를 방지하기 위해서는 두께를 균일하게 하고 수지가 흐르기 쉬운 게이트 위치를 검토하는 것이 중요합니다. 사출 성형의 기본 룰을 지키면서 수지 금형에 부하를 줄이는 배려가 품질을 좌우합니다.

금형 불필요=노리스크가 아닌 점에 주의 

디지털 몰드®는 금속 금형 제작을 피할 수 있지만, 위험 요소는 아닙니다. 사출성형인 이상 제품 설계에 기인하는 충전 불량이나 썰매와 같은 품질 문제는 발생할 수 있습니다. 또한 수지 금형은 소모품이며 성형 중에 파손될 가능성도 고려해야 합니다. 안일한 재작업은 비용과 시간 낭비로 이어질 수 있습니다. 디지털몰드®를 만능 해결책으로 과신하지 마시고 기존 제조와 마찬가지로 리스크를 관리하면서 계획적으로 활용하시기 바랍니다.

정리 

디지털 몰드®는, 3D 프린터로 수지제의 틀을 조형해, 사출 성형을 실시하는 공법입니다. 가장 큰 특징은 기존 몇 주 이상 걸리던 형 제작을 최단 하루로 단축하고, 양산품과 동일한 재료를 사용한 시제품을 저렴한 비용으로 제작할 수 있다는 점입니다. 주요 장점은 개발 초기의 비용 절감 및 설계 변경에 대한 유연한 대응력입니다. 한편, 수지 금형의 수명은 수백~수천 정도로 짧기 때문에, 대량 생산에는 적합하지 않습니다. 치수 정밀도나 외관 품질은 금속 금형에 미치지 않는 점에도 주의가 필요합니다. 그 때문에, 3D 프린트에 의한 형상 확인, 디지털 몰드®에 의한 기능 시작, 그리고 금속 금형에 의한 대량 생산이라고 하는, 개발 국면에 따른 「적재적소」의 구분이 성공의 열쇠가 됩니다. 이번 내용의 내용을 참고하여, 다품종 소량 생산이 요구되는 현대의 제작에 있어서, 개발 프로세스를 변혁하는 강력한 선택지인 디지털 몰드®를 사용해 주세요.