KR20170093571A - 3d 프린터를 이용한 금형 코어 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D프린터를 이용하여 다수의 금형을 소량 생산할 수 있는 QDM(Quick Delivery Mold)를 제조하되, 표준화된 부분은 기계가공 및 직접식 방법으로 제작하고 제품 성형을 위한 코어는 고성능 플라스틱을 재료로 하여 간접식 방법으로 제작함으로 후처리 공정을 최소화하고 정밀도가 우수하며 납기와 비용을 크게 단축할 수 있는 3D 프린터를 이용한 금형 코어 제작방법에 관한 것이다.

Description

3D 프린터를 이용한 금형 코어 제작방법 {METHOD OF MOLD CORE PRODUCTION USING 3D PRINTER}

본 발명은 금형 코어 제작방법에 관한 것으로, 자세하게는 3D프린터를 이용하여 다수의 금형을 소량 생산할 수 있는 QDM(Quick Delivery Mold)를 제조하되, 표준화된 부분은 기계가공 및 직접식 방법으로 제작하고 제품 성형을 위한 코어는 고성능 플라스틱을 재료로 하여 간접식 방법으로 제작함으로 후처리 공정을 최소화하고 정밀도가 우수하며 납기와 비용을 크게 단축할 수 있는 3D 프린터를 이용한 금형 코어 제작방법에 관한 것이다.

쾌속 금형이라고도 불리는 QDM(Quick Delivery Mold, 쾌속금형)은 개발하고자 하는 제품의 성능을 신속하게 평가하기 위해 양산 금형과 대응되는 신속 시작 금형을 의미하였으나, 현재 어떤 공구나 금형을 빠르게 만들 수 있는 모든 금형을 지칭하는 데 사용된다.

QDM의 통상적인 의미는 기존 방법과 비교하여 매우 빠르고 효율적으로 완제품과 동일한 재료와 형상을 가진 성형물을 제작하는 것으로 정의되며, 최근 다양한 신기술에 의한 쾌속조형(Rapid Prototyping) 기술의 출현에 힘입어 쾌속조형 장비를 이용한 Tool 제작 기술의 의미로도 많이 사용된다.

이러한 QDM은 설계평가를 위한 시작품(Concept Molder), 기능검사를 위한 시제품 (Functional Prototype), 역설계공학 (Reverse Engineering) 분야에서 많이 활용되고 있으며, 3차원 형상의 제품을 컴퓨터 프로그램상에서 여러 변수를 고려하여 설계 및 검토하였더라도 실물로 제작하지 않은 상태에서는 실질적으로 디자인, 기능, 성능 등의 평가요소를 확인 및 검증하기 어렵다는 점에서 그 유용성이 매우 높아 제조업 분야에서 그 활용이 증가하고 있다.

최근 QDM 기술분야는 단순조형을 넘어 제품의 성형 및 주형을 고려한 형틀의 제작에까지 그 응용 범위를 확대함으로써 유망한 차세대 생산 가공 기술로서 주목을 받고 있다. 미래의 제품생산은 소량 다품종이라는 다양성에 기반을 두고 이루어질 가능성이 커 QDM은 창조적인 아이디어의 제품을 빠르게 검증할 수 있는 혁신적인 소량 다품종에 유리한 제품 생산 방식이 될 것으로 전망된다.

하지만, 기존의 QDM은 금속 재료를 기반으로 하기 때문에 제작 비용과 납기의 단축에 한계가 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 3D 프린팅 기술의 접목이 시도되고 있지만, 여전히 금속재료를 기반으로 한다는 점에서 비용과 납기측면에서 충분한 경쟁력을 확보하지 못하고 있는 실정이다.

대한민국 등록특허 제10-1467978호(2014.12.03 공고)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 기존 금속재료 기반의 QDM 부품 제작 기술의 단점을 보완할 수 있도록 표준화된 부품은 기계가공 및 직접식 방법으로 제작하고 제품 성형을 위한 코어는 고성능 플라스틱을 재료로 하여 간접식 방법으로 제작함으로 후처리 공정을 최소화하고 정밀도가 우수하며 납기와 비용을 단축할 수 있는 3D 프린터를 이용한 금형 코어 제작방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 위해 본 발명은 금형 코어 제작방법에 있어서, 코어의 소재가 될 합성수지 재료를 준비하는 단계; 금형 설계 정보를 입력하는 단계; 입력된 금형 설계 정보를 기반으로 3D 프린터를 통해 코어를 가공·생산하는 단계; 생산된 코어를 후 가공하는 단계; 후 가공된 코어의 표면에 열전도가 우수한 금속재질의 제1코팅층을 형성하는 단계; 상기 제1코팅층에 열 완충역할을 하는 제2코팅층을 형성하는 단계; 상기 제2코팅층에 내식성 및 내마모성을 갖는 제3코팅층을 형성하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 사출성형장치의 금형제작 및 설치의 어려움을 해결하기 위해 3D 프린팅을 통해 금형 코어를 제작하되 합성수지재료를 사용함으로 다양한 형태를 갖는 금형 코어를 정밀하고 신속하게 제작할 수 있다.

또한, 고온의 사출공정에서도 코어에 무리가 가지 않도록 후처리와 함께 완충역할 및 내마모성과 이형성을 향상시키는 코팅층을 형성함으로 금형 코어의 내구성과 함께 성형물의 품질을 높일 수 있다.

특히 3D 프린터를 이용함으로 최적의 냉각채널을 도출함으로, 금형의 제조 후에도 사출성형 중 냉각성능의 향상으로 제품의 양산시간의 기존대비 현저한 감소가 이루어질 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공정을 나타낸 순서도,
도 2는 본 발명을 통해 제작된 금형 코어의 구조를 나타낸 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 3D 프린터를 이용한 금형 코어 제작방법을 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공정을 나타낸 순서도로서, 본 발명은 기본적으로 일곱 단계를 통해 진행이 된다. 이와 같은 단계의 구분은 발명의 취지를 설명하는데 용이하도록 한 예시로서 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서 일곱이라는 단계수는 적절히 가감될 수 있다.

먼저, 본 발명을 위한 첫 번째 단계(S 110)에서는 금형 코어의 소재가 될 합성수지 재료를 준비한다. 본 발명에서는 종래의 금속 재료가 아닌 합성수지재료를 이용함으로 가공성을 극대화하여 매우 신속한 금형 코어의 가공이 이루어지도록 한다. 이때 소재가 될 합성수지 재료는 코어의 용도 및 사용조건에 따라 다양한 소재가 사용될 수 있으며, 단일의 소재를 사용하거나 필요시 2 이상의 재료를 혼합하여 사용할 수도 있다.

또한, 재료의 물리적·화학적 성질을 개선하기 위한 다양한 용도의 특수 케미컬 첨가제나 나노입자 등을 포함할 수 있다.

재료가 준비되면 다음 두 번째 단계(S 120)에서는 제조될 금형 설계 정보를 입력 3D 프린터로 입력하게 된다. 3D 프린터는 통상 CAD를 비롯한 다양한 설계 프로그램과 연동함에 따라 별도 내지는 자체적으로 구비된 컴퓨터를 통해 설계 파일을 입력하는 형태로 진행된다.

또한, 이 단계에서는 고온의 사출공정 진행시 금형의 냉각이 원활하게 이루어질 수 있도록 최적의 냉각채널을 위한 설계 정보를 입력하게 된다. 종래에는 3D 프린터를 이용하지 않거나 금속재료를 이용함으로 이러한 냉각채널을 형성하는데 제조상의 한계가 있었으나, 본 발명에서는 3D 프린터를 이용함으로 다양하고 복잡한 냉각채널도 어렵지 않게 형성할 수 있다.

다음 세 번째 단계(S 130)에서는 상기 두 번째 단계(S 120)에서 입력된 금형 설계 정보를 기반으로 3D 프린터를 통해 코어를 가공·생산하게 된다. 다양한 종류의 3D 프린터가 존재하며 본 발명에서는 앞서 첫 번째 단계(S 110)에서 준비된 재료를 노즐을 통해 분사하는 방식으로 코어가 만들어지게 된다.

이후 네 번째 단계(S 140)에서는 생산된 코어를 후가공하게 된다. 최근 3D 프린터의 성능이 매우 개선되었다고 하나 분사 방식으로 입체구조를 형성하는 구조적인 특성상 3D 프린터를 통해 만들어진 코어는 표면적인 부분이나 정밀도에서 다소간의 보완을 필요로하기 마련이다. 이에 연마나 폴리싱 등의 후처리를 통해 이러한 보완작업을 수행할 수 있다.

이후, 후가공된 코어에 코팅을 이용한 표면처리를 하게 된다. 이러한 코팅은 코어의 강도는 물론 특히 사출성형 작업 중 열전도도의 향상을 통해 표면의 박리 등을 예방하는 역할을 한다. 도 2는 본 발명을 통해 제작된 금형 코어의 구조를 나타낸 단면도로서, 금형(100) 코어의 용도 및 사출성형 공정의 특성에 따라 코팅층의 숫자가 가감될 수도 있으나, 본 발명에서는 바람직한 실시예로 3개의 코팅층, 즉 제1코팅층(110), 제2코팅층(120), 제3코팅층(130)을 구비하게 된다.

본 발명의 다섯 번째 단계(S 150)에서는 후 가공된 코어의 표면에 열전도가 우수한 금속재질의 제1코팅층을 형성한다. 사출성형에서는 고온으로 용융된 재료를 금형내로 사출하게 되므로 고온의 성형재료로부터 금형으로 직접적인 온도가 가해 진다. 이때 금형의 열팽창계수에 따른 미세한 수축·팽창에 따른 표면 박리가 발생하는 경우가 많으며, 특히 본 발명에서는 플라스틱과 같은 합성수지제를 통해 금형을 제작함에 있어 이러한 고온환경에 더 취약성을 갖는다.

이에 상기 제1코팅층(110)은 이러한 온도차이에 의한 완충 효과를 갖도록 열전도율이 우수한 금속, 예를 들어 구리나 알루미늄과 같은 금속을 사용하여 형성함으로 사출재료와 금형 사이에서 버퍼기능을 하게 된다.

이후 여섯 번째 단계(S 160)에서는 상기 제1코팅층(110)과 최종 코팅층에 해당하는 제3코팅층(130) 사이에서 온도 차이에 따른 재완충역할을 하는 제2코팅층(120)을 형성하게 되고, 다음 일곱 번째 단계(S 170)에서는 상기 제2코팅층(120)에 내식성 및 내마모성을 갖는 제3코팅층(130)을 형성하게 된다.

먼저, 일곱 번째 단계(S 170)에서 형성되는 제3코팅층(130)의 경우 실질적으로 사출재료와 닿으면서 코어의 표면을 이루게 되므로, 코어의 내구성에 가장 큰 영향을 미치는 코팅층이라 할 수 있다. 또한, 이형성 즉 사출성형을 통해 형성된 제품이 쉽게 떨어질 수 있는 특성이 요구된다. 이에 따라 내식성, 내마모성이 뛰어나며 형성된 표면이 매끄러운 재질의 금속으로 형성되며 대표적인 예로 크롬을 들 수 있다.

여섯 번째 단계(S 160)를 통해 형성되는 제2코팅층(120)은 제1코팅층(110) 및 제3코팅층(130) 사이에서 완충역할을 하는 것으로, 제1코팅층(110)과 비교하여 낮은 열전도율을 갖는 금속을 무전해 도금과 같은 방식을 통해 형성함으로 표면으로부터 금형으로 가해지는 열로 인한 충격을 완화한다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

100: 금형 110: 제1코팅층
120: 제2코팅층 130: 제3코팅층

Claims (3)

1. 금형 코어 제작방법에 있어서,
   코어의 소재가 될 합성수지 재료를 준비하는 단계(S 110);
   금형 설계 정보를 입력하는 단계(S 120);
   입력된 금형 설계 정보를 기반으로 3D 프린터를 통해 코어를 가공·생산하는 단계(S 130);
   생산된 코어를 후 가공하는 단계(S 140);
   후 가공된 코어의 표면에 금속재질의 코팅층을 형성하는 단계(S 150); 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 금형 코어 제작방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 금속재질의 코팅층을 형성하는 단계(S 150)는
   열전도가 우수한 금속재질의 제1코팅층을 형성하는 단계(S 150);
   상기 제1코팅층에 열 완충역할을 하는 제2코팅층을 형성하는 단계(S 160);
   상기 제2코팅층에 내식성 및 내마모성을 갖는 제3코팅층을 형성하는 단계(S 170); 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 금형 코어 제작방법.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1코팅층은 구리 또는 알루미늄 중 선택되는 금속으로 이루어지고, 상기 제2코팅층은 상기 제1금속층과 비교하여 낮은 열전도율을 갖는 금속으로 이루어지며, 상기 제3코팅층은 크롬으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 금형 코어 제작방법.

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