금속 주조에서의3D프린팅 활용 사례

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주조의 과거와 현재

주조의 어려움 - 언더컷

머시닝센터 가공 언더컷 목형

언더컷 FREE – 3D 프린터

언더컷 FREE – 3D 프린터

디자이너의 머리에서 떠오르는 디자인

- 코너 라운드 처리

- 배치

- 형상

- 언더컷

3D Design의 자유로움

기존 분할 방법

자유로운 상하형 분할방법

Parting Line

Parting Line

3D 프린터로 인한주조 프로세스의 변혁

8

AM(Additive manufacturing)은 적층 공법 지칭

적층을 통해 제작하는 일련의 3D 프린터를 모두 포함.

이는 혁신적인 공법이지만 그 동안 인류가 계속 해오던 공법으로,

단순히 그 입자가 micron 단위로 작아졌을 뿐임.

voxeljet technology

voxeljet technology

3D 프린터? - AM 공법?

3D Printing 기술의 강점 (주조)CA

D 디

자인

CA

D 디

자인

설계

목형 제작

사형 제작

설계

사형 제작

주조

주조

50% 이상의 시간 절약

실시간으로 설계의 확인과 변경 가능

궁극적으로 비용 절감 효과 제공

주 단위가 아닌 일 단위로 제작 가능

3D 프린팅 작업을 이용할 경우

기존 금속주조 공정을 이용할 경우

비용절감제

조원

가(M

anufa

cturing C

ost

s)

제작 수량 (Quantity)

금형

비용

1 최대 수량

복잡 형상 제작

제품

제작

가격

제품 복잡성

단순함 복잡함일반적

일반적인 생산 방식

3D 프린터 생산 방식

기존 제작 방식으로제작 불가 형상

형상에 따라 가격 급상승

형상에 따라 가격 소폭 상승

장비 리스트 (voxeljet)

정밀주조

전통적 정밀주조 공정

주조/응고시뮬레이션

금형제작Wax Pattern 제작

(사출 성형)용해/주조

공정확립제품생산

YES

NO

주조/응고시뮬레이션

Wax Pattern 제작(3D printing)

용해/주조공정확립제품생산

YES

NO

3D Printing 적용 정밀주조 공정

✓ 기존의 공정의 경우 제품의 설계 또는 주조방안 변경 시 매번 금형 제작이 필요.

✓ 3D 프린터를 이용하여 wax pattern을 제작함으로써 금형제작 단계를 생략.

→ 변경 안에 대한 빠른 대응 가능.

→ 금형 제작에 소요되는 시간, 금형 보관 공간 및 비용 절감

쉘 코팅제작

쉘 코팅제작

공정기간 단축

1. CAD File 2. PMMA Model 3. Preparation with Wax Rods 4. Shell Building

5. First Ceramic Layer 6. Several Ceramic Layers 7. Burning Out PMMA of Ceramic 8. Preparation for Casting

9. Aluminium Casting 10. Hardened Casting 11. Individual Motors are Separated

12. Finished Castings

정밀주조 공정 - 3D프린터 활용

3D Printing 적용사례 (게이트 방안 일체형)

3D printing

VX1000• 780 pcs / job box• Print-time: 23 h• 1.8 min/pcs

Two stroke engine (78 x 76 x 59 mm)

Wax injection

• Production time: approx. 5-15 min/pcs

Wax Pattern 제작 시간 비교

3D Printing 적용사례 (정밀주조)

• 기존 제작 방식 대비 부품비 절감• 단품의 왁스 패턴 금형 없이, 비용 및 시간적인 부분 효율적으로 제작

PMMA Printed Dragon

Bronze Cobalt

Brass Titanium

다양한 종류의 금속 적용

정밀주조 응용사례 (재질)

기존 왁스 부품과 동일하게 취급

소성 과정 중에 발생하는 팽창이 굉장히 적으며, 따라서 쉘 균열이 적음

소성 시 재가 적게 발생

일반 왁스 제품보다 더 신뢰성 높음

복잡한 형상 제작 가능

빠르고, 깨끗하며, 비용적인 부분 효율적

3D Printing Wax pattern의 강점 (Binder Jet)

정밀주조를 위한SHELL

신속 건조 시스템

From 3D Printing model to Metal

1. Building the master model:

2. Assembling the tree:

Master

Direct Burn-out

진공주형으로 Wax Pattern 제작

3. Embedding:

Shell dipping Sanding

High Speed Driying Finished Shell

From 3D Printing model to Metal

4. De-melting and burning:

Burning oven

De-waxing oven

From 3D Printing model to Metal

5. Casting:

6. Debedding:

Sandblast cabinet

From 3D Printing model to Metal

Mercedes Case

From 3D Printing model to Metal

CYCLONE the Fastest Investment Casting

Shell Fabrication System

CYCLONE

Rapid Metal Manufacturing System

via ceramic shell,

Only 7 hours - Instead of 7 days

From wax or RP pattern,

To the Final Parts

(Aluminum or

special metal)

Rapid Metal Manufacturing System

The Innovation - Drying Chamber

Development of an aerodynamically optimised wind tunnel to make a high speed drying possible

◇ Tangential fan

◇ Red light

◇ Air condition

◇ Air drying

Process schedule

Production of a wax model

0:00 wax model

0:25 1 layer

1:00 2 layer

1:45 3 layer

2:15 4 layer

2:45 5 layer

3:15 6 layer

3:45 7 layer

4:15 dewaxing is finished

6:00 ceramic shell is burnt

7:00 metal part is casted and solidified

Shell removal and finishing

Results at Aluminium Casting Society

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

160,0

Time

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T8 T9 T10 T11 T12 T13 T14 T15

Tests

Drying time serial production compared to Cyclone technology

Dryingtime Series [h]

Dryingtime Cyclone [h]

정밀 주조 사례

Impeller

Case & Casting part

Projector & Casting part

Special Spare part

Lambertus 성당

사형 주조

사형 주조 공정 - 3D프린터 활용

CAD dataCAD data

- Sand MoldVX1000

MakingMoldAssembly

Casting Removal sand mold Final Part

◇ 하이브리드 방식: 기존 방식의 몰드와 3D 프린팅 코어 결합

◇ 3D프린팅 방식의 몰드 및 코어 제작

◇ 몰드와 코어 일체형

3D프린터 - 사형 주조 접근법

하이브리드 방식

Water jacket Core

3D프린터 - 사형 주조 접근법

Impeller Core

* 전통 방식의 몰드와 3D 프린팅 코어 결합* 복잡한 코어 단순화 / 코어 수 감소

몰드 및 코어 세트 3D 프린터로 제작

3D프린터 - 사형 주조 접근법

몰드와 코어의 일체형

3D프린터 - 사형 주조 접근법

어떻게 GAS 발생을 줄일 수 있을까?

Core

Hollow

cores

Gas directional

Binder sets

Reducecore

weight

Gas Vent 최적화

Gas Vent 최적화

Gas Vent 최적화

장점 단점

• 목형 및 금형 불필요• 설계변경으로 금형 수정에 따른

추가비용 없음• 제작기간 단축 및 제작비용 절감• 노동력 감소• 목형 및 금형 보관 필요 없음• Core 등 통기도 확보를 통한

가스 제거로 주조결함 최소화• Undercut 등 형상에 제한 없음• 다수의 Core를 일체형으로 제작

• 대량 생산 시 전통제조 방식대비가격상승

• 고가의 장비가격.

3D프린터 - 사형 주조 시 장단점

3D Printing 적용사례 (사형주조)

주조용 모래형 주조 후 조립된Pump Housing

주조용 모래형 제작적용 업체: Nijhuis – 네덜란드 펌프 제조사

구분 기존 개선 효과

모래형 납기 2-3개월 1-2일 98% 단축

Under cut 형상 정밀형상 불가 모든 형상 가능

목형 재고 관리 넓은 면적 필요보관 중 변형 발생

CAD 데이터만보관

금속 재질 대응 한가지 금속용 금속에 따라치수변경 가능

금속 수축율감안 제작

정밀한 형상 수작업으로 치수정밀도 변화

CAD 데이터를그대로 전환

임펠러 곡면유지

엔지니어 노력 모두 수작업으로많은 시간 투입

자동으로엔지니어 노력

최소화

복잡한 형상 아주 복잡한형상 제작 불가

어떤 형상도제작 가능

3D Printing 적용사례 (사형주조)

3D Printing - Sand mold

사형 주조 사례

Engine Block

Engine Cylinder Head

Manifold

Turbo Charger

Turbine wheel

• No assembly with printed monoblock sand core

• Saves time before and after the casting process

SANDMOLD CASTINGSTotal size (mm) 426 x 426 x 227 Total size (mm) 360 x 360 x 230Weight (kg) 26.5 Weight (kg) 60Individual pieces 1 Material SteelMaterial sand Lead time (weeks) 4Layer Thickness (mm) 0.3Lead time (days) 5 Build time (hours) 9.5

Complex Turbine Wheel

Impellers

전통방식의 몰드 구조

블라스트 처리 후의 주조품무게 : 2100 kg

Ship Diesel Cylinder Head

절단한 실린더헤드

3D프린팅 된분할된 사형

사형의 표면처리

Casting part size: 400×400×160mm

Pump Housing

Casting size:520×205×390mm

Clutch Housing

Chair

AMAZONE – SEATTLE Biospheres

기타 적용 사례

디자인 검증 - James Bond Car

◇ 007 Skyfall 영화– Aston Martin DB5

◇ 1/3 축소 모델◇ 18개의 개별 부품

에너지 절감 - AUTODESK

• 3D프린터를 이용한 마스터패턴• 마그네슘 주조• 160개 Seat를 매 2주에 제작 가능

$206,648,920- 절감126,000Ton 이산화탄소 배출량 절감

부품을 어떻게 무게를늘리지 않고 성능을향상시킬 수 있을까?

형상 최적화 수명주기 분석주조 시뮬레이션

3D Printing프로세스 적용

Original 제품

경량화

경량화

경량화 (농기계 사례)

경량화 (농기계 사례)

제조 가능성 확인

Can I cast this?

• 극단적인 복잡 구조• 얇은 것과 두꺼운 영역이 혼재• 일반적이지 않은 부품

경량화 (농기계 사례)

형상 최적화 by ALTAIR S/W

경량화 (농기계 사례)

주조 시뮬레이션 by ALTAIR S/W

Sand mold CAD Data

경량화 (농기계 사례)

경량화 (농기계 사례)

3D 프린팅

경량화 (농기계 사례)

경량화 (농기계 사례)

경량화 (농기계 사례)

경량화 (농기계 사례)

경량화 (농기계 사례)

경량화 (농기계 사례)

경량화 (농기계 사례)

경량화 (농기계 사례)

경량화 (농기계 사례)

Disc Harrow bionic rocker arm

용접 구조물: • 16 미터 용접

주조 최적화:• 집적화된 부품• 35% 비용 절감• 10% 무게 감축• 250% 성능 향상

3D프린터를 이용한 주조품:• 11% 무게 감축

• 75% 납기 단축

1. Printing and finishing 2. Infiltration and coating 3. Mold assembly

4. Casting 5. Removal of the mold 6. Cleaning and post processing if wanted

건축 - 콘크리트 Casting

조형물 - 콘크리트 Casting

탄소섬유 - Special Driver Seat

탄소섬유 Laminating molds

탄소섬유 – Infusion 공법

Infusion 공법 사용의 장점

- 일반 Laminate(손 성형)보다 높은 완성도- 후가공으로 제품의 품질 향상 가능- 제품의 굴곡이 많은 경우 Infusion 공법 추천- 제품 내면 품질도 필요 시 변경 가능

탄소섬유 – Infusion 공법

작업 후 광택 처리 후

HSS (High Speed Sintering)

재료: PA12

CERAMIC

○ 기공이 있는 구성품 제작 가능 (촉매)○ 재료 유연성○ 다양한 크기의 장비를 활용하여 다량 생산 가능○ 가장 경제적이고 생산적인 AM기술

감사합니다