도전

Smoby 장난감

생산 주기 단축

해결 방법

격자구조와 냉각회로가 있는

3D 프린팅 메탈 몰드 출력

 

결과

 

재료 사용량 평균 18% 감소

생산 주기 50% 단축

산업

 

소비재

영화 Cars 를 들어보지 못한 사람이 있을까요? 자녀가 있는 분들이라면 해당 영화 속의 많은 캐릭터들이 친숙하게 느껴지시거나, 심지어 집에 장난감을 가지고 있을 수도 있습니다. 프랑스에서 가장 큰 장난감 제조업체인 Smoby는 라이트닝 맥퀸을 상징하는 양동이, 배낭 등의 장난감을 생산해 아이들에게 꿈을 이뤄 주고 있는데요, 그 장난감 중 일부는 3D 프린팅 기술에 대한 상당한 전문 지식을 보유한 리서치 센터인 IPC센터에 의해 제작됩니다. 라이트닝 맥퀸 자동차의 미니어처 버전을 제작하기 위해, IPC는 차체의 형태에 맞춘 냉각 회로를 가진 금속 몰드를 3D 프린팅을 통해 제작하기로 결정하였습니다.

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Metal 3D-printed mold of the Lightning McQueen toy car. Image courtesy of IPC.

 

설계 및 시뮬레이션 지식을 통합하여 생산 속도를 높이다

일반적인 금형 몰드 제작은 시간이 많이 소요되는 단점이 있습니다. 또한 적은 수량을 만들더라도 그 비용이 비례적으로 많이 들어갑니다. 고객사인 Smoby Toys를 위해 IPC센터는 Materialise 와 협력하여 더 가볍고 균일한 냉각 회로를 가진 몰드를 제작하는 데에 돌입했습니다.

“플라스틱 사출을 위한 몰딩을 만드는 데 적층 제조(AM)를 활용하는 것의 가장 큰 장점은 형상적응형 냉각회로를 만들 수 있다는 점이었습니다. 이를 통해 IPC는 제품의 생산 주기를 단축하고 부품의 품질을 개선할 수 있었죠.”

– Jean-Christophe Bornéat, IPC의 프로젝트 매니저

차 모형에 일자로 된 냉각 채널을 사용하게 된다면, 냉각 채널에 가까운 부분은 더 빨리 냉각되고 전체 모형이 굳는 데 더 오랜 시간이 걸리게 됩니다. 또한 모형이 뒤틀리는 현상도 일어날 수 있습니다. 반면, 형상적응형 냉각 회로를 사용하면 냉각 과정을 가속화할 수 있습니다.

 

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Section of mold showing conformal cooling channels. Image courtesy of IPC.

IPC센터는 차량 몰드의 특정 솔리드 부분을 경량 구조로 교체하기로 결정했습니다. 먼저, 몰드의 위상을 Altair 소프트웨어로 최적화하여 표면의 압력을 고려하도록 했습니다. 그리고 디자인 설계, 엔지니어링 팀이 이 결과물을 Materialise 3-matic 소프트웨어를 활용해 표면을 부드럽게 만들고 인위적인 구조들을 제거하여 3D프린팅 할 수 있는 모델로 만들었습니다.

그 이후의 목표는 메탈 3D 프린팅을 위한 모든 사양을 고려해 모델을 격자 구조로 채우는 것이었습니다. 우리 디자인 엔지니어링 팀은 Materialise 3-matic 소프트웨어를 사용하여 경량 빔을 디자인하였으며, 표면의 리메쉬 작업을 진행하여 3D 모델이 FEA 처리될 수 있도록 준비하였습니다. 그 이후에는 IPC센터가 그들의 전문 시뮬레이션 기술을 활용하여 3D 모델의 열과 강도를 시뮬레이션 했고, 그 정보를 바탕으로 우리의 디자인 설계 팀이 빌드의 격자 구조 파라미터를 최적화하였습니다.

이제 빔의 두께가 적절해졌고, 열의 분배가 균형을 찾았으므로 몰드를 프린트할 준비가 된 것일까요?

Post-topology optimization 3-matic
Post-topology optimization 3-matic

Materialise 3-matic 으로 위상 최적화 후 클린업을 진행한 몰드의 두 파트

아직 준비가 끝나지 않았습니다. 해당 몰드는 파일이 무거워 적절한 수준으로 슬라이싱 하는데 너무 오랜 시간이 걸리게 됩니다. 이때 Build Processor의 슬라이스 기반 작업 기술을 사용하여 STL 파일 단계를 피하고 바로 3D 형상에서 슬라이스를 적용할 수 있습니다. 구조 및 질감에 대한 정보는 메타 데이터로 저장되는데, STL 파일의 경우 메타데이터로는 이보다 1,000배에서 10,000배 정도 더 커질 수 있습니다. 이 기술이 없었다면 아마 자동차 몰드는 결코 이렇게 정확한 수준으로 슬라이스 될 수 없었을 것입니다.

 

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Screenshots in Materialise 3-matic showing lattices and cooling channels

 

생산 주기 50% 감축

이 장난감을 만들어낸 것은 IPC센터와 Materialise 간의 훌륭한 협업의 결과물이었습니다. IPC센터의 FEA에 대한 전문 지식과 우리의 위상 최적화와 격자 설계 전문 지식이 만나 시너지 효과를 창출해, 장난감의 생산 사이클이 50%나 감소했습니다. 격자 구조를 통해 상부 부품에는 12%, 하부 부품에는 24%이나 재료 사용량이 감소하였습니다.  더불어, 격자 구조를 사용해 스캔 속도가 빨라졌으며 몰드의 무게가 가벼워져 더 큰 치수의 부품을 제작할 수 있었습니다.

 

“Materialise 3-matic를 사용해 우리는 대량 자재를 대신하여 최적화된 격자 구조를 활용할 수 있었습니다. 이를 통해 우리는 볼드의 전체적인 볼륨을 감소시켜 AM 생산 시간을 줄일 수 있었고, 비용과 파트의 잔류 응력까지 최소화할 수 있었습니다. 이런 개선을 통해 우리는 더 큰 몰드를 더 효율인 비용으로 제작할 수 있었습니다.” - Jean-Christophe Bornéat, IPC 의 프로젝트 매니저

모든 생산 상의 이점들을 업고 IPC의 새로운 몰드는 이렇게 멋진 장난감 차를 만들어냈습니다. 그들의 완벽함을 Smoby 매장에 가서 만나보시길 바랍니다.

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3D 프린팅으로 생산의 한계에 도전해보세요

귀사가 소비재 산업 군에서 활발하게 사업을 펼쳐나가고 있다면, Materialise Magics 3D Print Suite는 귀사가3D 프린팅을 통해 최고의 결과를 내기 위한 소프트웨어 선택지가 될 수 있습니다. 아래에서 어떻게 다른 기업들이 우리의 소프트웨어를 사용하고 있는지 더 알아보시거나, 연락을 취해 더 많은 정보를 얻으세요.

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