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3D프린팅 직접제조기술을 이용한 기술개발동향 및 적용사례

㈜프로토텍

노두숙 차장

2016. 4. 15

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3D Printed Coffee Cup Helps Astronauts on the ISS Enjoy Freshly Brewed Coffee

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㈜프로토텍 소개

㈜프로토텍

설립연도 : 2005년

(Stratasys Business since 1996)

연간매출 : 약 110억원 (2015E)

고객사 : 500+

세계 1위 Stratasys 3D 프린터 한국 공식 Distributor

3D 프린터

3D 스캐너

시제품제작 / 역설계 Software

3D Systems 스캐너 reseller

3D CAD Software 없이도 STL 파일을 수정 가능한 Magics RP Software

고객 상담을 통한 맞춤형 역설계 및 시제품 제작

3D Total Solution

Vision

Mission

최상의 고객만족

최고의 전문 컨설팅 기업

최적의 3D프린팅 토탈솔루션 제공

기업의 경쟁력을 높여줄 3D프린팅 토탈솔루션 기업

Address: 서울시 구로구 구로동

Head office: Seoul

Branch office : Daegu

Tel: 02-6959-4113

E-mail: am@prototech.co.kr

Homepage: www.prototech.co.kr

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System Sales & Support

Parts Services

Corporate Headquarters

전 세계 3,000명 이상의 직원

본사: 미국 미네소타, 이스라엘 레호보트

9년 이상 연속 전세계 시장 점유율 1위

2014년 매출 7억5000만 US달러

27년간 3D프린터 개발에 집중

Stratasys 소개

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FDM 방식 Polyjet 방식

㈜프로토텍 3D 프린터 line-up

Design Series

Production Series

Idea Series

보급형 3D 프린터

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Breuckmann smartSCAN FARO IMETRIC-IScan Series

㈜프로토텍 3D 스캐너 line-up

DIGITIZER Next Engine HD Geomagic Capture

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1. 3D프린팅 기술 및 현황 소개

2. 디지털 직접제조(DDM) 소개

3. 세계적 기업들의 DDM분야 3D프린팅 활용사례

[ 목 차 ]

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3D프린팅 기술 및 현황 소개 - 3D프린팅의 개념

- 기존 절삭가공 기술과 3D프린팅 기술의 차이

- Stratasys 3D프린팅 기술 소개

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⇒ 3D로 설계된 디지털 도면 정보를 입력, 적층식 (첨가식) 제조 방식을 이용하여

입체적인 형태로 출력하는 제작 기술

⇒ 플라스틱, 수지, 석재, 금속 등 다양한 소재 (방식별로 정해진 재료) 사용

3D Printing이란?

3D CAD SW 전처리 출력 서포트제거

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•단 시간 내 제품 출력

•출력, 테스트 & 수정

•빠른 시장 출시 가능

•신속한 설계 오류 확인

•개발 초기단계 확인

및 양산 전 확인

•창의적인 아이디어

•다양한 설계 수정

디자인의 한계 없음

•설계 & 개발 단계의

100% 보안 가능

•사내 제작

3D프린터 왜 필요한가?

Confidentiality

Cost of Error Compression

of Time

Creativity

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기존 가공기술 vs. 3D프린팅 생산 Process

Design Build Use

디자인 생산 사용

기존 Process (3D CAD+Drawing+Process Sheets+CNC+웰딩+검사)

3D프린팅 Process – 시간&제작비용 절감 (3D CAD+생산+검사)

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Stratasys FDM 방식(용융압출방식) 원리

필라멘트 형태의 다양한 엔지니어링 플라스틱(ABS, PC, Nylon12, Ultem 등)을 고온의 헤드에서 가열하여

노즐을 통해 압출시킨 후 고화된 층위로 이동하여 재료를 그 위에 다시 압출시켜 제품을 형상화 시키는 방식

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왜 Stratasys FDM 방식을 선택하는가 ?

• 최종품 생산 가능

• 기계적 특성 및 고온에 우수한 열가소성플라스틱의 내구성

• 환경에 관계없이 정밀한 디자인 평가 가능

• 정확한 기능성 테스트 가능

• 높은 생산력 & 제작 사이즈

• 후변형이 없고, 반복 테스트가 가능한 재료의 우수성

• 경제적인 운영비(구매 비용, 운영 비용)

• 간단한 프린팅 과정으로 장비 사용이 용이

• 수용성 support 재료의 제거 용이

• 사무실 환경에서 사용 적합

• Stable Materials

• Production Grade

Thermoplastics

• Repeatability

• Low Cost of Operation

• Ease of Use

• Facility Friendly

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Category Material Color Highlights

STANDARD

PLASTICS

ABSplus 9 colors 기본 재료, 기계적 물성치 뛰어남

(인장강도 33MPa, 열변형온도 96˚C)

ABS-M30 6 colors ABSplus보다 기계적 물성이 우수함

ABS-M30i Ivory 의료 인증 재료(bio-compatible)

ABS-ESD7 Black 정전기 소산 재료(ESD-dissipative)

ASA Ivory, Black 내후성 재료(UV-stable)

ENGINEERING

PLASTICS PC White 가장 폭넓게 사용되는 산업용 플라스틱

ABS 재료보다 인장강도와 내열성이 뛰어남

(인장강도 68MPa, 열변형온도 138˚C)

PC-ISO White, Translucent 의료 인증 소재, 항균 처리 가능(sterilizable)

NYLON 12 Black 3D프린팅 재료중 인성(引性)이 가장 뛰어남

HIGH-PERFORMANCE

PLASTICS ULTEM

9085 Black, Tan

강도와 내열성이 대단히 뛰어남

FST 인증재료(Flame, Smoke, Toxic-certified)

(인장강도 72MPa, 열변형온도 167˚C)

ULTEM 1010 Natural

3D프린팅 재료중 강도와 내열성이 가장 뛰어남

FST 인증재료(Flame, Smoke, Toxic-certified)

의료 및 식품분야 인증재료(bio,food-compatible)

(인장강도 81MPa, 열변형온도 216˚C)

Stratasys FDM 방식 재료

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Stratasys FDM 방식으로 printing한 파트 사진

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잉크젯기술과 광경화성수지 기술이 결합된 고해상도의 3차원 프린팅 기술.

프린팅 헤드에 가공된 수백 개의 미세 노즐을 통해 분사되는 액상의 광경화성수지(Photopolymer)를

자외선 램프로 동시 경화시키며 반복적으로 적층하는 제작하는 방식

Stratasy Polyjet 방식(광경화성재료 분사방식) 원리

UV Light UV Light

Polyjet heads

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왜 Stratasys Polyjet 방식을 선택하는가 ?

• High Accuracy

• Variety of Materials

• Thin Walls

• Smooth Surface

• Ease of Use

• Office Environment

• 20~85 microns for features < 50mm

• 미세한 형상 구현 가능

• 12가지 이상의 다양한 재료 사용 가능 (투명, 고무 재료 등)

• 미세한 형상 형상 표현 가능 (0.5mm 내외)

• 후가공이 필요없는 매끄러운 표면

• 전문 기술 없이 누구나 사용 가능

• 사무실 환경에서 사용 적합

• 밀봉된 카트리지 형태의 재료 교체 용이

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Stratasys Polyjet 방식 재료

Rigid

• 기본 불투명 재료(Vero)

• Polypropylene-like

• 투명재료(VeroClear)

• ABS-like

• 내열성 재료

• 높은 연신율

• 높은 탄력성

Bio-compatible

• 치과용 재료

• 생체 적합성 재료(MED610)

Composite materials

• 최대 3가지 재료를 동시 분사 및

혼합 분사하여 다양한 색상,경도,

투명도 표현 가능(“Digital Material”)

Flexible

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Stratasys Polyjet 방식으로 printing한 파트 사진

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디지털 직접제조 소개 (DDM : Direct Digital Manufacturing)

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시제품 제작

(prototypes)

직접 생산

(DDM: Direct Digital Manufacturing)

3D Printing

컨셉 모형 (Concept

Models)

기능성 시제품 (Functional

Prototypes)

치공구 및 생산기구

(Jig/Fixture,

Pattern/Tooling)

최종품 (Final Products)

3D Printing 활용 용도

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Manufacturing (DDM)

3D 프린터 시스템

성능 향상

Design

재료의 물리적 특성 개선

엔지니어의 문제 해결

패러다임 변화

Concept

Models

Functional

Prototypes Manufacturing

Tools End-Use

Parts

엔지니어의 인식 전환

Application Innovation Enablers

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- 사형주조 패턴

- 인베스트먼트 주조 - 스트레치 포밍 금형

- 하이드로포밍 금형

- 레이업 툴링

- 외부형상 폼

- 수용성 코어 패턴

- 트림 금형

- 사출금형

- 블로우 금형

- RTV 금형 패턴

- 열성형 패턴

- 파일럿 생산

- 다품종 소량 생산

- 단종부품 생산

- 조립 / 제조

- 제품보관 / 이송보조

- 검사 / 측정

- 엔지니어링

JIGS &

FIXTURES FINAL

PRODUCTS

METAL

PROCESSING

TOOLING

COMPOSITE

PROCESSING

TOOLING

PLASTIC

PROCESSING

TOOLING

간접활용 application 직접활용 application

Direct Digital Manufacturing(DDM) 활용 분야

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세계적 기업들의 DDM분야

3D프린팅 활용사례

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Oreck(미국) – 진공청소기

처음 3D프린터 사용 목적은 시제품 제작

3D프린터를 jig 제작에 활용한 배경

• 20~30개의 모든 플라스틱 사출 파트의 치수정밀도 검사 필요

• CMM(3차원 측정기) 검사시 복잡한 형상의 파트

고정 위한 fixture 제작이 간단하지 않음

CMM fixture, 조립 및 이송 jig 등 생산분야로

활용 확대

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Oreck – 지그 & 고정구

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기존방식으로 fixture 제작 • 높은 비용 및 시간

• 디자인 제한은 생산력에 영향 줌

• 조립하는 과정에서 오차 발생

FDM, fixtures 제작 • 400개 이상의 FDM 치공구 사용중

• Fortus system으로 대부분 제작

인체공학적 FDM fixture • 작업 효율성 극대화

제작시간 / 비용 / 무게 절감 • 비용 : $420 $176

• 리드타임 : 18일 1.5 일

• 무게 : 72% 절감

(내부를 꽉 채우지 않고 sparse mode로 제작)

BMW – 자동차 조립 및 검사 지그 제작에 활용

[Before] [After]

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Emblem Attachment Headlight Alignment

Cubing Device Gage Checker

BMW – 각종 지그 제작에 활용

Bumper Reach

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Genesis Systems Group(미국)

– Robotic Arm

• 로봇 자동화 시스템업체

• 자동화 로봇용 tool제작

- carbon소재의 제품을 suction으로 고정 후

고압의 waterjet으로 제단

- 제품 내부에 진공튜브 필요

• 기존 제작공정

- CNC 장비로 금속 가공하여 제작

- 진공튜브는 외부로 연결

• FDM 3D프린터로 제작한 그리퍼

- 별도의 튜브 연결없이 내부에 진공채널 조형

- 완제품으로 제품에 직접 사용 중

제작기간 85% 단축

제작비용 94% 감소

무게 경량화 (기존대비 91% 무게 감소)

적용장비 적용기간 비용 무게

CNC machine

(Metal gripper) 20 일 $8,000 15.9 kg

FDM

(FDM gripper) 3 일 $500 1.4 kg

절감내역 17 일

(85%)

$7,500

(94%)

14.5 kg

(91%)

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사형주조(Sand Casting) 활용사례

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Composite Layups 활용사례

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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. traditional mfg $1,175

Joe Gibbs Racing

방식 비용 시간

기존 방식 $1,175 33 일

FORTUS

(FDM방식) $47 3 일

Savings $1,128

(96%)

30 일

(75%)

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개요: Soluble core 활용하여 carbon fiber 소재의 제품 제작

FDM의 수용성 서포트를 이용하여 복잡한 형상의 제품을 복합재료 소재로 파트 제작

제작 process

• 서포트 재질로 마스터 몰드 제작 몰드에 복합재질 코팅 경화 몰드를 녹여서 제거 완성품

응용가능 제품

• 복잡한 형상의 덕트, 터빈

• 복잡한 형상의 탱크 및 저장소

• 관모양 또는 속이빈 구조물

• 자전거 carbon frame

Joe Gibbs Racing

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3D프린터로 주문형 이어폰 생산

• 미국의 3D 프린트 음향기기 업체

• 맞춤 생산비용 감소를 통한 비즈니스 모델 수립

• 맨하탄에 샵 오픈

• Stratasys 장비를 이용하여 고객들이 주문한

제품을 즉석에서 제작

: 샵에서 즉석 제작하는 디지털 공정

• 휴대폰 App을 통한 주문으로 48시간 안에

납품되는 흥미 유발

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3D프린터로 제작된 세계 최초의 제트엔진 무인기(UAV) [미국 Virginia 무인기 업체]

• 복잡한 무인기 내부 구조/고액의 금형 비용과 긴 제작시간 문제 • 최고시속 150 Mph 도달위해 경량화 필수 Stratasys FDM 3D프린터 이용하여 Ultem 소재로 동체 제작. 고열의 nozzle부위는 금속프린터로 Inconel 분말 이용하여 제작

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㈜프로토텍 시제품 제작 서비스

Why 3D 프린팅 서비스 = ㈜프로토텍

시제품 제작 프로세스 (24시간 이내 완료)

시제품 제작의뢰

파일 확인 및 견적

시제품 제작

후가공 납품

고가의 3D 프린터 구매가 부담스러운 고객을 위한 하이퀄리티 24시간 시제품 서비스

국내 최고 전문가들의 맞춤형 상담을 통해 고객의 다양한 니즈를 빠르고 정확하게 파악

국내 최다 3D 프린터 장비 및 세계 최초의 컬러 복합 재료 3D 프린터 보유

국내 최대의 고객 네트워크를 통한 긴밀한 협력

가장 다양한 물성의 재료로 시제품 제작이 가능한 첨단 시스템

• 준비사항 : STL, IGS, STEP 파일, 사용 재료 및 후가공 여부 선택 • 의뢰처 : Tel. 070-4895-6202 / 프로토텍 홈페이지 – 시제품 제작 견적요청

3D프린팅 CNC

도면 없이 3D프린팅

동일 제품을 10개 이상 제작 시

자동차 도장 방식

적용

Jig & Fixture

정밀주조 사형주조

시제품제작 역설계 진공주형 도장/도금 제조 툴

다품종 소량생산

소량 생산

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Thank you! ㈜ 프로토텍

∙ 주 소 : 서울특별시 구로구 디지털로 285 에이스트윈타워1차 1306호

∙ 대표번호 : 02-6959-4113

∙ 이 메 일 : marketing@prototech.co.kr

∙ 홈페이지 : www.prototech.co.kr