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생산제조분야의 3D 프린터 활용사례
유양주 차장
㈜프로토텍
Contents
1. 3D 프린터 기술소개
1-1 3D 프린터란?
2. 생산제조분야의 3D 프린터 활용사례
2-1 폭넓은 AM 활용실태
1-2 3D 기술소개
2-2 Application별 활용사례
1_1. 3D Printing이란?
⇒ 3D로 설계된 디지털 도면 정보를 입력, 적층식 제조 방식을 이용하여
입체적인 형태로 출력하는 Printing 기술
⇒ 플라스틱, 수지, 석재, 금속 등 다양한 소재를 사용
1_1. 3D Printer의 명칭
• RP(Rapid Prototyping):
->디자인이나 기능성을 검토하기 위한 시제품 제작을 중심으로 한 개념.
• AM(Additive Manufacturing)
-> 최근에는 실제 사용 가능한 제품을 바로 제조하는 개념.
-> 최근 ASTM(미국재료시험학회)과 ISO의 공식 명칭.
• 3D프린터
-> 대중적인 용어
1_1. 기존기술과 3D Printer 비교
NC(Numerical Control) 3D 프린터
적용 기술 황삭, 정삭 등의 절차를 걸쳐서 절삭
및 연마하여 형상화 시키는
고전적기술
3D로 작업된 설계 데이터를 기준으로
한 층씩 적층 시켜서 쌓아 올리는
방식의 최신의 기술
사용 재료 광범위한 재료 적용 방식에 따라 다름 (장비 공급사에서 공급)
Operator 숙련도 가공조건 설정 작업등의 숙련기술
요함 교육 기간이 짧으며 누구나 쉽게
사용가능
제품 형상 구현 특정 형상 가공 불가 모든 형상 구현 가능
제품 정밀도 정밀도 우수 상대적 치수정도 취약
1_1. 3D 프린터 역사
1987 SL(3D Systems) 1988 SOUP(NTT Data CMET) 1989 SCS(Sony /D-MEC) 1990 SL(EOS) 1991 FDM(Stratasys) 1992 SLS (DTM) 1994 ModelMaker (Solidscape) , Solid Center (Kira) , EOSINT(EOS) 1996 Genisys(Stratasys) , Actua 2100 (3D systems, Z 402 ( Z Corp) 1998 LENS(Optomec) , ProMetal (Ex One) 2000 Polyjet (Objet) 2001 Perfactory (Envisiontec) , Metal (EOS , Concept Laser) 2002 Dimension(Stratasys) , VLM (Menix) 2004 DigitalWax (DWS) 2005 large powder-based system (Voxeljet)
1_2. 3D Printer의 종류 (재료기준)
고체기반 (FDM) 액체기반 (Polyjet) 파우더기반 (SLS)
-고체 필라멘트 형태의 플라스틱 재료를 고온의 헤드에서 가열하여 노즐을 통하여 압출시킨 후 한 층씩 쌓아 올리는 방식
- 세계 시장점유율 1위
- 높은 정밀도 & 반복성
- 고강도 재료
- 후변형이 없음
- 자동차, 기계산업, 로봇
-광경화성 수지재료와 겔
(gel) 상태의 서포트 재료를
동시 분사 하 여 형 상을
만들고 UV로 수지를 경화
시키는 방식
- 뛰어난 표면
- 미세형상 구현
- 다양한 재료 사용
- 고무 및 투명 재질
- 소비재, 의료, 전자제품
- 파우더 형태의 폴리머나 메탈 원료에 레이저를 쏴 재료를 가열하여 응고시키는 방식
- 재료 선택 폭이 넓다
- 금속 재료 가능
- 높은 정밀도
- 빠른 조형 속도
- 건축, 조형물, 디자인
1_2. ASTM International Committee F42 on Additive Manufacturing technology
1_2. Material Extrusion Process
•Stratasys •RepRap open-source Makerbot Aleph Objects Fabbster DMF 3D Systems ARBURG
1_2. Material Jetting Process
•Stratasys : Polyjet Solidscape •3D systems : Projet
1_2. Binder Jetting Process
MIT에서 개발된 3DP – ExOne company, Z Corp( 3D systems), Voxeljet 3D systems : Projet X60 ExOne Company: metal , sand Voxeljet : 아크릴수지, sand (실온 제작후 curing) Hoganas (스웨덴) : metal(stainless steel) , ceramics (후열처리 필요)
1_2. Sheet Lamination Process
LOM (접착력이 잇는 종이롤) Mcore Technoligies (일반 A4 용지, 접착제, 칼) Fabrisonic ( UAM)
1_2. Vat Photopolymerization Process
• 광경화성 수지
• Stereolithography : 3D Systems, C-Met (UV laser)
• DLP : Envisiontec , DWS (UV 에너지원으로 Lamp 또는 LED, DLP)
• CeraFab, Asiga, Innovation Meditech, Rapid Shape
1_2. Powder Bed Fusion Process
• 열에너지원 : laser 또는 electron beam
• 재료 : Polymer , metal
• Laser sintering, selective laser sintering, selective laser melting, direct metal laser sintering, electron beam melting
• 열공정으로 인한 휨,응력,열변형
• 3D systems(sPro), EOS(EOSINT), SLS Solutions와 ReaLizer (SLM), Concept Laser (LaserCusing), Arcam(EBM), Phenix Systems, Matsuura
1_2. Directed Energy Deposition Process
•Optomec (LENS)
Source: Wohlers Report 2103
1_2. 3D 프린터 종류 (제조사별)
1_2. 3D 프린터 사용현황 (산업별)
Source: Wohlers Report 2103
1) 3D 프린터 산업별 시장규모
생산제조분야의 3D 프린터 활용사례
James Bond classic car in Skyfall
Arcam
2_1. 폭넓은 AM 활용실태
FDM ULTEM9085 -> Optomec 사 /Aerosol Jet process 회로 인쇄
반복 디자인 with Dimension
2_1. 폭넓은 AM 활용실태
2_1. 폭넓은 AM 활용실태
2_1. 폭넓은 AM 활용실태
Polyjet / Z printer
2_1. 폭넓은 AM 활용실태
2_1. 폭넓은 AM 활용실태
2_1. 폭넓은 AM 활용실태
2_1. 폭넓은 AM 활용실태
2_1. 폭넓은 AM 활용실태
2_1. 폭넓은 AM 활용실태
2_1. 폭넓은 AM 활용실태
2_1. 폭넓은 AM 활용실태
2_1. 폭넓은 AM 활용실태
Traditional Applications (Design)
Direct Digital Manufacturing (Manufacturing)
빠른 디자인 수정 조립성, 기능성 Test
다품종 소량생산 Jig& Fixture
2_2. Application 별 활용사례
Source: Wohlers Report 2103
3) 3D 프린터 활용분야
2_2.3D 프린터 사용현황 (활용목적)
Instrument panel (IP)—fit and finish critical
– 오류를 찾아내기 위해 정밀한 시제품 요구
– 파트가 복잡해 시제품 제작에 어려움이 있음
Fortus, FDM 시제품 파트제작
– 내구성이 강해 어셈블리 및 기능성 테스트 가능
– 1382mm 범위에서 최대 오차 0.75mm
FDM IP 시제품 파트로 오류 발견
– CAD 파일에서 오류 발견 어려움
– 대부분 작은 오류이나 프로젝트를 지연시킬 수 있음.
Fortus system operating at 91% capacity
– Paid for itself in under 30 months
– Fortus system 추가 도입
2_2. 컨셉모델 (현대 모비스)
디자인 문제 빠르게 해결 해야 함
– 고객은 짧은 개발 사이클 원함
– 기간의 단축으로 오류 발생
Fortus 기능성 시제품 제작
– 강함 & 수정 쉬움
– 디자인 확인 위해 파트 어셈블리
문제의 원인을 빨리 파악
– 치수, fit, 조립성 & 실용성 확인
– Engineers는 제품 출시점 문제 해결
비용 크게 절약
– 5년 동안 시제품 비용 $830,000 절약
– 빠른 제품 출시 & 품질 향상
2_2. 기능성 테스트 (한일이화)
CONSUMER PRODUCTS
진공청소기 마다 40-50 assembly fixtures
molding과 casting으로 제작
비싸고 시간 오래 걸림
Fortus로 fixtures 제작
사무실에서 Fixtures 제작
오차 0.07 mm
FDM으로 비용 크게 절감
$65,000 절약
몇 개의 프로텍트 진행으로 투자비 환수
FDM, 정지시간 줄임
Fixture 빠르게 대체 가능
Manufacturing process 빠르게 재시자
Process 비용
Traditional Molding & Casting
$100,000
Direct digital manufacturing
$35,000
Savings $65,000 (65%)
2_2. Jig & Fixture (Oreck)
2_2. Jig & Fixture (BMW)
기존방식으로 fixture 제작 – 비용 및 시간 많이 듬
– 디자인 제한은 생산력에 영향 줌
FDM, fixtures 제작 – 400 assembly fixtures 보유
– Fortus system으로 대부분 제작
인체공학적 FDM fixture – 유기적 모양에 편하게 일하게 도움
– Sparse로 제작 무게 72% 줄임
시간 및 비용 절약 – 비용 : $420 $176
– 리드타임 : 18일 1.5 일
방식 비용 시간
Conventional CNC $420 18 일
Fortus system
ABS-M30 $176 1.5 일
Savings $244
(58%)
16.5 일
(92%)
의료 Magic Arm
2_2. End use part (Magic Arm)
2_2. End use part (Joe Gibbs Racing)
Cooling duct 문제로 타이어 펑크남
– 전통적 방법으로 수리에 1달 걸림
– 매주 열리는 시합에 참여 어려움
새로운 duct outlet 제작 – 여러 번의 모델 수정 및 시제품 제작
– end-use part를 위해 tooling buck 제작
시간 대폭 절약 – 다음 시합 전까지 문제 해결
– 디자인, 테스트 & 제조 : 56시간
– FDM 없이 33일 걸림
비용 절감 – Fortus part $47 vs. $1,175 traditional mfg
방식 비용 시간
Traditional mfg
$1,175 33 일
Fortus $47 3 일
Savings $1,128
(96%)
30 일
(75%)
2_2. End use part
Success Story MR Instruments
- PC 재료 사용하여 MRI Head Coil 제작
- 다품종 소량생산에 적합
[Fortus system 사용하여 시간 및 비용 절감]
• 14 days vs. 5 days (64% savings)
• $1800 vs. $680 (62% savings)
Success Story Klock Werks Kustom Cycles
- 오토바이 계기판 제작
- 3D 프린터로 자신이 원하는 디자인의 모델을 제작 후,
사상 및 도장 등의 후가공을 거쳐 주문형 오토바이
부속품으로 직접 사용
3D Printer의 활용 시 검토 사항
#시간 -제작 시간 -Total 제작 과정 -노동력 투입시간 /자동화 여부
#비용 -파트 제작 재료비용 -연간 운영비(유지보수) -초기 투자 비용
#품질 -치수 정밀도 -표면 조도 -재료 특성
#운영성 -운영을 위한 투자(시간) -장비 설치 환경 -친 환경성(재사용/무독성 여부)
3D Printer 발전 전망
Get a chance and enjoy the 3D world!
Thank you !
