ded방식의 적층가공을 통한 금형으로의 응용사례 및 효과 ·...

DED방식의 층가공을 통한 형으로의 응용사례 효과

김우성․홍명표․김양곤․서창희․이종원․이성희․성지

大韓熔接․接合學誌第32卷 4號別冊

2014. 4

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Journal of Welding and Joining, Vol.32 No.4(2014) pp10-14

http://dx.doi.org/10.5781/JWJ.2014.32.4.10

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DED방식의 적층가공을 통한 금형으로의 응용사례 및 효과

김우성*․홍명표*․김양곤*․서창희***․이종원**․이성희**․성지 *,†

*한국생산기술연구원 경지역본부 극한제조기술연구실용화그룹**한국생산기술연구원 인천지역본부 형기술연구실용화그룹

*** 구기계부품연구원 소기업지원본부

Effects and Application Cases of Injection Molds by using DED type Additive Manufacturing Process

Woosung Kim*, Myungpyo Hong*, Yanggon Kim*, Chang Hee Suh***,Jongwon Lee**, Sunghee Lee** and Ji Hyun Sung*,†

*Ultimate Manufacturing Tech. R&BD Group, KITECH, Daegu, 711-883, Korea**Smart Mold Tech. Center, KITECH, Kyunggi-do, 421-742, Korea

***Daegu Mechatronics & Materials Institute, Daegu, 704-240, Korea

†Corresponding author : [email protected](Received August 4, 2014 ; Revised August 13, 2014 ; Accepted August 18, 2014)

Abstract Laser aided Direct Metal Tooling(DMT) process is a kind of Additive Manufacturing processes (or 3D- Printing processes), which is developed for using various commercial steel powders such as P20, P21, SUS420, H13, D2 and other non-ferrous metal powders, aluminum alloys, titanium alloys, copper alloys and so on. The DMT process is a versatile process which can be applied to various fields like the mold industry, the medical industry, and the defense industry. Among of them, the application of DMT process to the mold industry is one of the most attractive and practical applications since the conformal cooling channel core of injection molds can be fabricated at the slightly expensive cost by using the hybrid fabrication method of DMT technology compared to the part fabricated with the machining technology. The main objectives of this study are to provide various characteristics of the parts made by DMT process comparedto the same parts machined from bulk materials and prove the performance of the injection mold equipped with the conformal cooling channel core which is fabricated by the hybrid method of DMT process.

Key Words : Directed focused deposition(DED), Directed metal tooling(DMT), Injection mold, Conformal cooling channel, P21, Additive manufacturing, Metal 3D printing

ISSN 1225-6153

Online ISSN 2287-8955

1. 서 론

층가공(Additive Manufacturing, 는 3D 린

)은 기존의 깎아서 가공하는 방식(subtractive manu-

facturing method)이 아닌 3D모델 데이터로부터 정

보를 받아 한 층씩 쌓아가는 방식으로 상물을 가공하

는 방식이다1). 이러한 층가공법은 다양한 방식이 존

재하나 ASTM International Committee F42에서는

크게 다음의 7가지 방식으로 나 었다. 1) Material

extrusion방식, 2) Material jetting방식, 3) Binder

jetting방식, 4) Sheet lamination방식, 5) Vat

photopolymerization방식, 6) Powder bed fusion

방식, 7) Directed focused deposition(DED)방식이

그것이다1).

상기 7가지 방식 DED방식은 우더, 혹은 와이

어의 소재를 이 등의 에 지를 집 시켜 녹여 붙이

는 방식으로 타 방식에 비해 렴한 상용소재를 쓸 수

있다는 , 기존에 존재하는 3D형상 에 층할 수

있다는 , 그리고 타 방식에 비해 기계 물성이 우수

특집논문


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60

50

40

30

20

10

060 80 100 120 140 160 180 200

Fra

ctio

n (

%)

Diameter(um)

Insstek_SUS

Fig. 1 Shape and size distribution of the P21

metal powder

Table 1 Chemical composition of the P21 metal

powder(%)

C Si Mn Ni Cr Cu V Al P

P21 64.35 0.36 0.30 3.8 0.22 0.25 0.24 0.72 0.01

P21(×2000)

Fig. 2 Hardness of Additive Manufactured specimen

YS

(Mpa)

UST

((Mpa)

Eng.

Strain(%)

Relative

Density(%)

Notch Thoughness

(J/Cm2)

Fatigue@700Mpa

(Cycles)

Fatigue@600Mpa

(Cycles)

DMT

P21793 919 20 99.8 91.2 51.387 282.633

Table 2 Mechanical properties of additive manufactured P21 specimen

하다는 등으로 리 사용되고 있는 방식 의 하나

이다. 본 연구에서 사용되어질 방식은 다양한 DED방

식 DMT(Directed Metal Tooling)방식으로 2KW

의 이버 이 (Fiber Laser)를 사용하여 모재를 녹

이고 그 용융 풀에 구형의 속 우더를 첨가하여 용

융, 층하는 방식이다5). 이러한 층가공을 이용하면

기존의 가공법으로는 제조하기 힘들었던 형상의 제품이

나 층마다 다양한 소재로 층된 다종소재의 제품을 손

쉽게 제작할 수 있다. 속소재를 사용하는 층가공방

식의 장 을 가장 크게 활용할 수 있는 상품으로 사

출제품의 생산성 향상과 변형최소화를 한 형상 응형

냉각채 (Conformal Cooling Channel)을 가진 사출

형에 한 연구가 활발히 진행되고 있다2-6).

본 연구에서는 속기반의 DMT기술을 용한 사출

형 용 사례 그 효과에 해 소개하고자 한다. 이

를 해 물성검증단계, 등각냉각채 설계단계, 사출성

형특성 분석 사이클 타임 감속 측면에서 사례 심의

연구결과를 소개하고자 한다.

2. 사용 재료

2.1 우더

DMT방식은 고출력 이 를 사용하므로 마그네슘합

, 알루미늄합 , 공구강등 다양한 상용 속 우더가 사

용될 수 있다. 그 형강으로는 P20, P21, SUS420,

D2 그리고 H13등의 다양한 소재가 존재한다. 속

우더는 Fig. 1에서 보는 것과 같이 평균크기 140㎛의

구형 속 우더가 사용 되었다. 본 연구에서 사용된

“C”회사에서 공 된 P21소재는 형소재인 KP4M과

유사한 소재로 그 구성성분은 Table 1에 나타내었다.

2.2 기계물성

DMT기술을 이용해 층된 시편의 기계 물성을 조

사하 다. 물성확보를 해 유사소재인 KP4M 에

층을 하여 단축인장시편, 경도시편, V-노치 충격시편,

피로시편 등을 제조하 고 최종가공작업을 통해 표 시

편이 비되었다

Fig. 2는 층시편의 모재부, 층부, 간층에 한

경도를 측정한 결과이다. 경도는 비커스경도계를 이용

하여 측정하 다. 그림에서 보는 것처럼 층부, 간

층, 그리고 모재부의 경도는 유사하게 측정이 되었다.

이러한 경도의 차이는 열처리 특성과 유사하게 연 이

되어 있는데 한 로 열처리를 통해 경도가 많이 증가

하는 H13소재는 모재에 비해 층부에서 경도가 훨씬

높아지는 경향을 보인다.

Table 2는 층된 시편의 강도, 연성, 진 도율, 내충

격성, 피로성능에 한 결과를 나타내었다. Table에 나

타난 결과는 한 층씩 한 층씩 층한 후 층방향과 수

직한 방향으로 측정된 결과로 유사소재인 KP4M과 비

슷한 물성을 보 다. 특히 층가공법의 가장 큰 문제

이라 할 수 있는 진 도율이 DMT방식을 사용한 시

편에서는 100%에 가까운 값을 보여 실제 벌크소재의

기계 특성과 아주 가까운 기계 물성을 보 다.


350 Journal of Welding and Joining, Vol. 32, No. 4, 2014

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Conformal coolingChannel core

0.8 mm

a

b

Φ84 mm

110

mm

Fig. 3 Baffle cooling channel vs. conformal cooling

channel

Fig. 4 Comparison of cooling time in FE simulation

(Baffle cooling channel vs. conformal cooling

channel)

Fig. 5 Comparison of tempereture in FE simulation

(Baffle cooling channel vs. conformal cooling

channel)

쿠폰(Coupon) DMT적층

설계형상 기초가공 쿠폰삽입 추가적층

Fig. 6 Schematic diagram for cooling channel in

DMT process

Fig. 7 Manufacturing process of injection molding

by DMT process

3. 형 제작

3.1 냉각채 설계와 FE해석

본 연구의 상이 된 형은 라스틱 컵을 제조하는

사출 형으로 컵 형상은 아래 Fig. 3에서 보는 것과 같

이 강성을 유지하기 해 아랫부분이 오목하게 들어가

있는 형상을 가지고 있다. 따라서 기존의 배 (Baffle)

방식의 냉각수로를 이용하면 형의 바닥까지 냉각수로

가 도달하지를 못하여 냉각시간이 많이 소비되게 된다.

하지만 층가공방식(3D 린 )을 이용하면 Fig. 3의

b와 같이 제품의 끝단부까지 도달하게 되어 냉각성능이

좋아지게 된다.

Fig. 3에서 설계된 냉각채 을 이용하여 FE해석을

한 결과가 Fig. 4와 Fig. 5에 나와 있다. 먼 취출시

간을 비교(Fig. 4)하면 배 냉각방식에서는 27 가 걸

렸고 형상 응형 냉각방식에는 약 10 가 걸려 63%의

개선이 상되었다. 한 컵제품의 온도분포는 Fig. 5

에서 보는 것과 같이 바닥부에서 10도 이상의 온도 차

이를 보여 그 개선되는 효과를 확실히 보여주었다.

3.2 형의 제작

3.1 에서 보인 FE해석결과를 바탕으로 2가지 방식

의 사출 형이 Fig. 7과 같이 제작되었다. 몰드베이스

는 공유하고 코어만 2가지 방식으로 제작되었다. DMT

방식은 기존 모재의 바닥을 녹이고 그 에 속 우더

를 첨가하여 층하는 방식이므로 일반 방식으로는

냉각채 을 제작할 수 없다. 그래서 DMT방식에서 쓰는

방식은 Fig. 6에서 보는 것과 같은 쿠폰을 삽입하는 방

식이다. 쿠폰을 삽입하는 방식은 모재에 냉각채 의 반을

먼 가공한 다음 그 반 냉각채 의 쿠폰을 제작한 후

그 에 얹은 다음 그 쿠폰 를 층하는 방식이다. 본

방식을 하이 리드(Hybrid) 방식이라 부르는데 체를

층하는 것에 비해 시간은 많이 걸리지만 비용은 훨씬

감되어 제품을 실용화 하는 데는 유리한 면이 있다.

Fig. 7에서 보는 것처럼 먼 기계가공이 가능한 부

분의 냉각채 을 뚫은 다음 제작된 쿠폰을 에 치시

키고 그 를 DMT방식을 이용해 층하 다. 그 후

스펙과 같은 형상으로 형을 제조하고 최종가공까지

마무리 하 으며 기 제작된 몰드베이스와 연결한 후 시

사출을 수행하 다.


大韓熔接․接合學誌第32卷第4號, 2014年 8月 351

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Fig. 8 Comparison of filling of the material in FE

simulation and short shot test

Fig. 9 Comparison of temperature of molds

Table 3 Temperature of molds in Various location

(Unit: ℃)

1 2 3 4

Baffle Cooling

Channel45.3 45.0 40.8 36.5

Conformal Cooling

Channel31.2 30.9 30.0 28.4

4. 시사출 고찰

시사출은 Sumitomo SE180DUZ사출기를 이용하여

제작된 2가지 사출 형에 하여 수행되었다. 사출속도

와 소재의 온도는 각각 85mm/sec와 235℃로 설정되

었다. 냉각수의 온도는 30℃ 다. 제품을 한 소재는

“G”사에서 공 된 PP소재인 M549-54013이었다. 소

재가 완 성형되기까지 4단계로 나 어서 미성형 시사

출(Short Shot)을 수행하 고 그 형상 미성형 정도

가 FE해석결과와 유사함을 Fig. 8에서 잘 보여주고 있다.

20회의 시사출을 실시한 이후 형표면의 온도는

외선 카메라(FLIR A20)을 이용하여 측정하 다. Fig.

9와 Table 3에서 보는 것과 같이 형의 하부와 상부

의 차이가 배 냉각에서는 최 8.7도 으나 형상 응

형 냉각에서는 최 2.8도를 보 다. 특히 형 상부의 온

도는 배 냉각에서 45.3도, 형상 응형 냉각에서는 31.2

도를 보여서 형상 응형 냉각의 효과를 잘 보여주었다.

시사출 결과 냉각시간은 배 냉각을 사용한 형에서

는 16 , 그리고 형상 응형 냉각을 사용한 형에서는

10 의 시간을 보여 약 35%의 냉각시간 개선을 보 다.

5. 결 론

본 연구에서 층가공(3D 린 )방식 하나인

DMT공정을 이용하여 형상 응형 사출 형을 제조한

사례를 보여 다. 형상 응형 사출 형을 제조하기

해 기계가공이 가능한 부분까지는 일반 가공방식으로

제조하고 나머지는 층가공으로 제조하는 하이 리드

제조방식이 사용되었다. DMT공정을 이용해서 제조된

시편과 형의 연구를 통해 아래와 같은 3가지 결론이

얻어졌다.

1) DMT공 을 이용하여 제조된 부품은 기존의 벌크

소재를 이용하여 제조된 부품과 유사한 기계 물성으

로 보 다.

2) 하이 리드 방식을 이용한 형상 응형 냉각채 을

보유한 사출 형제조법은 체를 층가공으로 만드는

방식에 비해 시간은 많이 걸리지만 비용이 많이 감되

어 실제 산업에 용하는 데 유리한 면이 있다.

3) FE해석을 통해 형상 응형 냉각채 의 설계가 가

능하 고 설계된 채 은 DMT공정을 활용하여 제조가

가능하 다. 제조된 형상 응형 냉각채 형은 기존

의 배 냉각방식의 형에 비해 형 표면 온도가 훨씬

낮았고 냉각속도가 16 에서 10 로 어들어 35% 이

상의 냉각시간 감소를 보 다.

후 기

본 연구는 한국생산기술연구원의 기 고유임무형 연

구사업인 RCOE육성사업으로 수행되었습니다.

References

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and Additive Manufacturing State of the Industry,

Wohlers Associates. Inc. 2014, 28-39

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4. Kim, J.D., Hong, S.K., Lee, K.H., Kim, M.A., Lee,

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Proceeding of Autumn Symposium of Korean Society

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5. Seo, J.H., Lee, C.W., Woo, S.S., Kim, J.S., Kim,


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1200513978), 2005, Ministry of Science and Techno-

logy (in Korean)

∙김우성

∙1982년생

∙한국생산기술연구원 연구원

∙ 재성형

∙e-mail : [email protected]

∙홍명표

∙1977년생


∙ 재성형


∙김양곤

∙1980년생

∙한국생산기술연구원 선임연구원

∙철강재료


∙서창희

∙1975년생

∙ 구기계부품연구원 선임연구원

∙소성가공


6. Lee, S. H., Lee, J.W., Sung, J.H.: The application

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Proceeding of Autumn Symposium of the Korean

Society for Technology of Plasticity, 2012, 40~43

(in Korean)

∙이종원

∙1978년생


∙사출성형


∙이성희

∙1969년생

∙한국생산기술연구원 수석연구원

∙사출성형


∙성지

∙1975년생

∙한국생산기술연구원 수석연구원

∙ 재성형


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