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래피드 프로토타이핑에 대한 모든 것 배우기
쾌속 프로토타이핑 (RP)은 첨단 제조 공정을 활용하여 신속하게 프로토타입을 제작하는 과정을 설명하는 비교적 새로운 용어입니다. 쾌속 프로토타이핑은 신제품 디자인을 시각적, 기능적으로 평가하고 지속적으로 최적화하는 것을 목표로 합니다. 엔지니어 또는 디자이너는 훌륭한 아이디어를 최종 제품의 외관과 작동 방식을 시뮬레이션하는 현실적인 개념 모델로 구현하고, 대량 생산으로 넘어가기 전에 일련의 검증 과정을 거칩니다. 프로토타입은 최종 제품의 최초 버전으로, 디자인 평가, 기술 테스트, 제품 작동 원리 분석, 디자인, 재료, 치수, 형태, 조립, 색상, 제조 가능성 및 강도 조정, 잠재적 문제점 조기 발견 및 최종 제품 품질 향상에 사용됩니다. 본 논문에서는 현재 널리 사용되는 7가지 프로토타이핑 방법을 살펴보고, 각 공정으로 제작된 부품의 재료 특성을 비교합니다. 또한, 각 제조 공정에서 고려해야 할 주요 요소를 요약합니다. 이를 통해 디자이너가 최적의 프로토타입 제작 공정을 선택하는 데 도움을 주고자 합니다.
신속한 프로토타이핑의 정의
래피드 프로토타이핑은 최종 제품을 시뮬레이션하기 위해 최대한 빨리 모델을 생산하는 프로세스입니다. 프로토타입을 만들 수 있는 제조 방법은 수십 가지가 있으며 그 중 가장 인상적인 것은 적층 제조, 즉 3D 프린팅입니다. 그러나 기존의 절삭 가공 CNC 가공으로도 고품질 프로토타입을 생산할 수 있습니다. 3D 프린팅과 신속한 프로토타이핑은 완벽하게 맞아떨어져 거의 무제한의 기하학적 모양을 가진 부품을 제조할 수 있으며 프린터 하나만 있으면 되고 다른 도구는 필요하지 않습니다. 3D 프린팅은 전통적인 제조 방법을 사용하여 제조된 다양한 재료와 매우 유사한 기계적 특성을 가진 부품을 생산할 수 있습니다.
7가지 유형의 시제품 제작 공정
방법 | 이름 | 기술 | 마침 | 예시 자료 |
스테레오 리소그래피 | 서비스 수준 계약 (SLA) | 레이저 경화 감광성 폴리머 | 일반적인 첨가제 레이어 범위는 0.002-0.006인치(0.051-0.152mm)입니다. | 열가소성처럼 |
선택적 레이저 소결 | SLS | 레이저 소결 분말 | 일반적인 첨가제 레이어는 약 0.004인치(0.102mm)입니다. | 나일론과 TPU처럼 |
직접 금속 레이저 소결 | DMLS | 레이저 소결 금속 분말 | 일반적인 첨가제 레이어 범위는 0.0008-0.0012인치(0.020-0.030mm)입니다. | 스테인레스 스틸, 티타늄, 크롬, 알루미늄 및 크롬 니켈 철 합금 금속 재료와 같은 |
융합 증착 모델링 | FDM | 융합 돌출 | 일반적인 첨가제 레이어 범위는 0.005-0.013인치(0.127-0.330mm)입니다. | ABS, PC, PC/ABS, PPSU 및 기타 플라스틱처럼 |
폴리젯 | 피젯 | UV 경화 제트 감광성 폴리머 | 일반적인 첨가제 레이어 범위는 0.0006-0.0012인치(0.015-0.030mm)입니다. | PMMA와 마찬가지로 탄성 감광성 폴리머 |
CNC 가공 | CNC | CNC 밀링 머신 및 선반을 사용하여 초과 재료 제거 | 초과 재료 제거(부드럽게) | 대부분의 엔지니어링 등급 플라스틱 및 금속에는 수백 가지 재료가 있습니다. |
진공 주조 | VC | 실리콘 몰드를 사용하여 복제 플라스틱 부품 만들기 | 매끄럽게 또는 선택한 텍스처로 | 엔지니어링 등급 열가소성 수지 |
다양한 제조 방법의 장단점
서비스 수준 계약 (SLA)
SLA( 표면 적층 제조): SLA는 가장 오래되고, 가장 널리 사용되며, 가장 비용 효율적인 적층 제조 방식이며, 상업적으로 적용된 최초의 3D 프린팅 방식입니다. 컴퓨터로 제어되는 자외선 레이저를 사용하여 액체 감광성 고분자 수지를 층층이 경화시키고, 이 과정을 반복하여 부품을 제작하는 방식입니다. 각 층의 단면 형상은 CAD 설계 파일(.stl 형식)에서 가져옵니다. 특히, .stl 형식의 CAD 파일은 대부분의 3D 프린터에서 기본 컴퓨터 언어로 사용되고 있다는 점을 주목할 필요가 있습니다.
장점: 다른 적층 제조 공정과 비교했을 때, SLA는 복잡한 기하학적 형상을 가진 고품질 프로토타입 및 부품을 제작할 수 있습니다. SLA는 공정이 빠르고 비용이 저렴하며, 제작된 부품은 우수한 표면 마감과 최적의 디테일을 자랑하며 엄격한 공차를 유지합니다. 광학적, 기계적, 열적 특성 등 다양한 소재 라이브러리를 선택하여 표준, 엔지니어링 및 산업용 열가소성 수지에 맞춘 제품을 제작할 수 있습니다. SLA 프로토타입은 주로 의료 기기 프로토타입 제작이나 진공 주조 마스터 모델 제작에 사용됩니다.
단점: SLA 방식으로 제작된 프로토타입은 강도가 부족한 경우가 많아 극한 환경에서의 테스트에 적합하지 않습니다. 또한, 습한 환경에서는 자외선 차단 기능이 시간이 지남에 따라 약해집니다.
SLS
SLS(선택적 레이저 소결): SLS는 금속 및 플라스틱 프로토타입 제작을 위한 3D 프린팅 기술입니다. 컴퓨터로 제어되는 고출력 레이저를 이용하여 나일론이나 엔지니어링 등급 플라스틱과 유사한 탄성 TPU 분말 등의 분말 소재를 가열하고 소결하여 프로토타입을 층층이 쌓아 올리는 공정입니다. SLS 기술은 1980년대에 개발되었으며, 칼 데카드(Carl Deckard)가 특허를 취득했습니다. 다른 많은 3D 프린팅 공정과 마찬가지로, SLS는 내부 형상, 언더컷, 얇은 벽 등 복잡한 기하학적 형상을 가진 부품, 예를 들어 CNC 가공으로는 구현하기 어려운 내부 격자 구조를 가진 부품 등을 제작할 수 있습니다.
장점: SLA 방식과 비교했을 때, SLS 방식 부품은 더욱 정밀하고 내구성이 뛰어나며, 일부 기능 테스트에 적합합니다.
단점: SLS 부품의 표면은 입자가 거칠거나 모래알 같은 질감을 가지며, 세밀한 표현이 부족하고 매우 거칠다. 미적인 결과를 얻으려면 후처리 작업이 필요하며, 사용 가능한 재료도 제한적이다.
DMLS
DMLS(디지털 레이저 소결): DMLS는 분말을 층층이 용접하여 금속 프로토타입 및 최종 부품을 제작하는 3D 프린팅 기술입니다. DMLS 부품은 대부분의 합금 소재로 제작 가능하며, 최종 부품과 동일한 소재를 선택하여 강도와 기능성을 모두 갖춘 프로토타입을 제작할 수도 있습니다.
장점: DMLS는 기능 테스트를 위한 금속 프로토타입(일반적으로 97% 밀도)을 제작할 수 있으며, 기존 공정으로는 구현할 수 없는 내부 형상이나 채널을 제작할 수 있습니다. DMLS로 제작된 부품의 기계적 특성은 기본적으로 기존 방식으로 제조된 부품과 동일합니다.
단점: DMLS로 제작된 부품의 표면은 거칠어서 비용이 많이 드는 후처리 공정이 필요합니다. DMLS를 사용하여 여러 개의 금속 부품을 제조할 경우 비용이 높아질 수 있습니다.
FDM
FDM(용융 적층 성형): FDM 공정에서는 프린터로 가열된 노즐에서 ABS, 폴리카보네이트 또는 ABS/폴리카보네이트 혼합물과 같은 열가소성 재료가 녹고, 노즐이 설정된 경로를 따라 이동하면서 액화된 수지 재료를 층층이 쌓아 올려 아래에서 위로 시제품을 제작합니다.
장점: FDM 방식은 다양한 열가소성 소재를 사용하여 저렴하면서도 견고하고 기능 테스트까지 가능한 부품을 생산할 수 있습니다. 물론 복잡한 구조의 부품 제작도 가능합니다. FDM 기술은 사용이 간편하고, 하나의 부품에 다양한 종류와 색상의 플라스틱을 사용할 수 있으며, 안전하고 깨끗하며 환경오염을 유발하지 않습니다.
단점: FDM 방식으로 제작된 부품은 종종 구멍이 생기거나 강도가 고르지 않고, 표면 마감이 좋지 않으며, 물결 모양의 자국이 뚜렷하게 나타납니다. SLA나 SLS 방식과 비교했을 때 FDM 방식은 효율성이 떨어집니다.
SLM
SLM(선택적 레이저 소결): SLM은 고출력 레이저를 사용하여 금속 분말을 녹이고 융합하여 시제품이나 부품을 제작하는 기술입니다. 일반적으로 사용되는 금속 분말로는 티타늄, 스테인리스강, 알루미늄, 코발트 크롬 합금 등이 있으며, 이를 통해 높은 강도, 내구성 및 복잡한 형상을 가진 정밀 금속 부품을 제조할 수 있습니다.
장점: SLM으로 제조된 정밀 부품은 항공우주, 자동차, 국방, 의료 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용됩니다 .
단점 : SLM으로 제작된 부품이나 시제품은 비용이 많이 들 수 있으며, 숙련된 기계공의 제어가 필요합니다.
폴리젯
폴리젯(PolyJet): 폴리젯은 프린트 헤드를 사용하여 감광성 고분자 수지를 층층이 분사하고, 자외선 경화형 소재를 이용하여 시제품이나 부품을 제작합니다. 이 공정으로 분사되는 수지층은 매우 얇을 수 있어 표면이 매끄러운 부품을 만들 수 있습니다. 프린트 헤드에 다양한 소재를 분사할 수 있으므로 여러 소재를 사용한 시제품 제작도 가능합니다.
장점: 폴리젯은 가격이 저렴하고 복잡한 구조의 유연한 부품을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 유연하고 견고한 재료를 사용하여 성형된 부품의 프로토타입을 제작하는 데에도 사용할 수 있습니다.
단점: 폴리젯 부품은 기능 테스트에 필요한 강도를 갖추지 못했으며, 장기간 빛에 노출되면 황변 현상이 발생할 수 있습니다.
CNC 가공: 절삭 공구가 설정된 경로를 따라 회전하면서 플라스틱이나 금속 소재의 블록(또는 막대)을 절삭하고, 불필요한 재료를 제거하여 부품이나 시제품을 제작하는 가공 방식입니다. 이는 재료 절감 공정입니다. 적층 제조 방식과 비교했을 때, CNC 가공 부품은 강도와 표면 조도가 우수하고 완성도가 높습니다. 사용 가능한 재료의 종류가 수천 가지에 달할 정도로 매우 다양하여 인장 강도, 충격 저항, 열 변형 온도, 내화학성, 생체 적합성 등 다양한 기능을 갖춘 CNC 부품을 생산할 수 있습니다. 우수한 정밀도는 조립 및 기능 테스트에 적합합니다.
장점: CNC 가공 부품은 표면 조도가 우수하고 공차가 엄격하며, 다양한 엔지니어링 등급 열가소성 수지 및 금속을 선택할 수 있습니다. 3D 프린팅과 비교했을 때, 부품의 복잡성에 따라 24시간 이내에 시제품을 제작하여 제공할 수 있습니다.
단점: 일부 복잡한 부품의 경우 CNC 가공에는 몇 가지 제약이 있을 수 있습니다. 예를 들어, 속이 빈 얇은 벽 부품을 가공하는 것은 매우 어렵고, 때로는 공작물을 뒤집어 맞춤형 고정 장치를 사용하여 고정해야 합니다. 따라서 복잡한 기하학적 형상의 부품을 가공할 경우 CNC 가공 비용이 상대적으로 높습니다.
진공 주조: 엄밀히 말하면, 진공 주조는 소량 생산 부품 제조 공정입니다. 진공 상태에서 폴리우레탄 소재를 탈포, 혼합, 예열 및 성형하고, 60℃~80℃의 항온 상자에서 2~3시간 동안 2차 경화 성형 공정을 진행하는 공정입니다.
장점: 진공 주조 방식으로 제작된 복제품은 ABS와 같은 원료의 강도와 경도를 구현할 수 있으며, 요구 사항에 따라 다양한 색상으로 제작할 수 있습니다. 진공 복제 공정은 복잡한 구조와 균일한 벽 두께를 가진 플라스틱 부품을 소량 생산할 수 있어 특정 기능과 외관을 충족할 수 있습니다.
단점: 금형 하나로 최대 25개까지 복제품을 생산할 수 있습니다(금형의 복잡성과 주조 재료에 따라 다름). 투명하거나 복잡한 구조와 같이 높은 품질이 요구되는 부품의 경우, 하나의 금형으로 12개 또는 10개 정도만 생산할 수 있습니다.
신속한 프로토 타이핑 비용은 얼마입니까?
이 질문은 대답하기 어렵습니다. 신속한 프로토타이핑은 비용 면에서 상당한 차이가 있는 다양한 요인에 따라 달라집니다. 예를 들어 가공 기술, 크기, 수량, 표면 마감, 수량, 재료, 표면 처리 등의 정보가 불확실한 경우 시제품을 제작하는 데 드는 비용은 수십 달러에서 많게는 수천 달러. 프로토타입 프로젝트의 디자인을 완료한 경우 중국 최고의 래피드 프로토타이핑 제조업체인 DDPROTOTYPE에 연락하여 무료 견적을 제공하고 디자인에 대한 건설적인 제안과 실행 가능한 솔루션을 무료로 제공하십시오.
