3D 프린팅으로 제작한 압축공기 분배기

3D 프린팅을 통해 개별적으로 조정된 두 개의 압축공기 분배기를 만들었다. 나사산 부분이 다소 까다로웠지만 많은 작업을 생략할 수 있었다.

슈테판 홀랜드(Stefan Holländer): Formlabs EMEA 매니징 디렉터

핵심 내용

  • 공압 다중 분배기를 중심으로 기계를 제작하는 경우가 종종 있다. 하지만 고객을 위해 기계를 개조하는 경우 이런 방식은 적합하지 않다.
  • Hänssler는 SLA(광경화 수지 조형방식)로 압축 공기 분배기를 제조하였다. 적층 제조의 설계 자유 덕분에 기계를 새로 설계할 필요가 없다.
  • 업체는 여러 7번 실패하고 재료를 변경했음에도 불구하고 비용뿐만 아니라 설계와 생산 시간을 절약할 수 있었다.

공압 다중 분배기와 같은 표준 구성 요소는 기계 공학의 일반적인 구성 요소이다. 6bar 또는 1MPa를 위한 3개 또는 10개의 아웃렛과 함께 다양한 버전으로 제공된다. 그로 인해 이러한 부품을 중심으로 기계를 설계하는 경우가 종종 있다. 이는 개별 부품을 개별적으로 제조하는 것보다 저렴하기 때문이다. 하지만 실무에서는 이러한 구성 요소를 고정물과 같이 제한된 공간에 설치하는 경우 문제가 된다.

만하임의 Hänssler Kunststoff- und Dichtungstechnik 직원들이 이러한 문제에 직면하였다. 이 회사는 플라스틱 및 밀봉 기술을 전문으로 하며, 수년 동안 선삭과 밀링 그리고 사출 성형의 공정 외에도 적층 제조를 이용해 왔다. 이 업체는 기계 및 플랜트 엔지니어링은 물론 자동화 및 전기 엔지니어링 분야의 고객을 위해 플라스틱 부품과 씰을 개발하고 생산한다. 하지만 새로운 고객의 요건을 충족하기 위해 금속 가공용으로 설계된 기계를 개조해야 했다. 이때 3D 프린팅이 유용하게 이용되었다.

유체 기술 구성 요소에 적층 기술을 사용하면, 기계를 더욱 단순하고 저렴하게 개조할 수 있다.

이를 위해 한 장치를 특별히 설계하였고, 이 장치를 위해 두 대의 압축 공기 분배기가 필요했다. 문제는 이 분배기를 4cm × 4cm에 불과한 매우 작은 공간에 설치해야 했으며, 이 공간에서 표준 구성 요소로는 특정 회로를 구현할 수 없었다. “따라서 우리는 이 부품을 3D 프린팅으로 제작했습니다. 이를 통해 요건에 맞는 콤팩트하고 개별적인 분배기를 제작할 수 있었습니다. 이는 엄청난 이점으로 작용했습니다. 부품을 중심으로 기계를 설계할 필요가 없을 뿐만 아니라 압축 공기 분배기를 기존 설계에 간단히 통합할 수 있었습니다.”(디르크 올메르트, Hänssler 적층 제조 프로젝트 엔지니어)

이 업체는 Formlabs 기계에서 SLA(stereolithography) 방식으로 작업을 진행하였다. SLA를 사용하면 액체 합성수지가 레이저 빔에 의해 정의된 지점에서 경화된다. Hänssler는 유연한 탱크와 선형 조명을 사용하여 더욱 정밀한 구조와 매끄러운 표면을 인쇄하는 LFS(Low-Force-Stereolithography) 3D 프린터를 사용한다.

두 개의 압축 공기 분배기는 CAD 프로그램으로 설계되었다. 그런 다음 파일을 프린팅 준비를 위해 소프트웨어에 임포트한다. 이 데스크톱 3D 프린터는 매우 컴팩트하며 설치 면적은 A3 종이 크기에 불과하다. 하지만 프린팅에는 다양한 합성수지를 사용한다. 합성수지는 카트리지에 들어 있어 유연하게 교환도 가능하다. 프린팅 시 액상 합성수지는 탱크로 흘러 들어간 다음 UV 광선으로 층별로 경화된다. 프린팅 후에는 모든 지지 구조를 제거하고, 이후 제품을 세척하고 경화한다.

나사산–까다로운 부분

다중 분배기를 개발할 경우 다양한 재료가 큰 장점으로 작용한다. 엔지니어들은 처음에 프로토 타이핑을 위해 특별히 개발된 합성수지를 사용했다. 하지만 완성된 인쇄물은 너무 쉽게 부서지는 것으로 나타났다. 이는 인쇄 이후에 재료를 커팅하여 나사산을 만들었기 때문이데, 나사산이 너무 작아서 적층 가공이 불가능했으며, 일정한 압축 공기 분배를 보장하려면 단단히 밀봉해야 했다. 결국 Hänssler는 이를 위해 유연한 소재로 교체했다. 폴리에틸렌의 강도와 강성을 시뮬레이션했고, 폴리에틸렌은 저마찰과 변형 가능한 어셈블리에 적합하였다. 폴리에틸렌으로 프린팅한 압축 공기 분배기는 계속해서 가공할 수 있고, 압축 공기의 다양한 부하를 견딜 수 있었다. 디르크 올베르트 팀은 세척 후 어댑터를 커팅하여 나사산을 만들고 이후 두 부분을 경화하였다. 또한 호스 어댑터만 삽입하고 두 개의 압축 공기 분배기를 장치에 마지막으로 설치했다.

Hänssler에서 사용하는 Formlabs 프린터

3D 프린팅의 혜택을 누리는 유체 기술

적층 제조를 사용하면서 이전의 경우와 같이 표준 구성 요소를 중심으로 장치를 제조할 필요가 없었다. 이는 설계와 생산 시간뿐만 아니라 비용도 절약되었다. 데스크톱 3D 프린터와 레진은 많은 투자가 필요하지 않다. CAD에서 쉽게 조정할 수 있으므로 샘플을 기다리는 시간도 더 이상 필요하지 않았다. 따라서 Hänssler는 고객 프로젝트를 실현할 때 자체 기계뿐만 아니라 3D 프린팅을 훨씬 자주 사용한다.

유체 기술도 적층 제조의 이점도 누릴 수 있다. 특정 구성 요소는 현장에서 설계, 조정 및 제조할 수 있다. 이는 위기 상황에서 외부 공급 업체에 대한 의존도를 줄일 뿐만 아니라 수량이 많이 필요한 경우 3D 프린터를 결합하여 디지털 생산 라인을 형성할 수 있다. 적층 제조의 가능성으로 인해 공압 다중 분배기와 같은 표준 구성 요소가 더 이상 장치 구성에서 결정적인 요소는 아니다.