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Nikkei X-TECH_2023.2.8

금속 3D프린터로 금형 보수
리드타임 90% 감소, 금형 수명 3배

금형 업체인 후지(사이타마현)가 금속 3D프린터로 금형을 보수하는 작업을 시작했다. 손상된 부분에 금속을 적층 조형해 절삭 가공으로 마무리한다. 기존의 TIG 용접 보수와 비교하면 열피로를 줄일 수 있어 금형 수명을 3배로 늘릴 수 있다고 한다.

게다가 수작업이 줄기 때문에 수리 완료까지의 리드타임도 기존의 약 10%면 된다. 실제로 자동차 관련 업체의 주조용 금형을 3D프린터로 보수해 실제 생산에서 문제없이 사용할 수 있는 것을 확인했다.

후지는 22년 6월경 DMG모리정기의 'LASERTEC 65 DED hybrid'를 도입했다. 이 장치는 분말 재료를 분사한 위치에 레이저를 조사해 육성(肉盛, Overlay) 용접처럼 재료를 적층시키는 ‘지향성 에너지 퇴적(DED)’ 방식의 금속 3D프린터에 5축 가공기를 접목한, 이른바 ‘하이브리드 금속 3D프린터’다. One Chuck으로 적층 조형과 금속 가공을 할 수 있다.

도입한 배경에는 그러한 메리트와 함께 ‘만일 3D프린터로서 이용할 기회가 적더라도, 5축 가공기로서 사용해 높은 가동률을 유지할 수 있다’는 의도도 있었다.

금속 3D프린터 조형에서 레이저의 빔 직경은 매우 작고 용융된 적층 재료는 순식간에 굳어진다. 때문에 기존의 TIG 용접에 비해, 수리 시 금형에 가해지는 열의 의한 데미지를 대폭 억제할 수 있어 금형의 수명을 3배 정도로 늘릴 수 있다고 한다.

수리에 소요되는 기간 단축도 큰 장점이다. 통상, 금형 수리는 전문 기술자가 손상된 부분을 용접으로 채운 뒤에 별도 기계 가공으로 표면을 마감한다. 수리 기간은 1~3일 정도였다.

반면 하이브리드 금속 3D프린터를 사용하면 금속 적층부터 마감 가공까지 절차 변경 없이 1대의 기계로 끝낼 수 있다. 수리에 필요한 리드타임은 8분의 1에서 10분의 1 정도다. 보수에 드는 비용은 제품에 따라 다르지만 기존과 동등하거나 조금 비싼 정도라고 한다.

재료 개발에서는 다이도특수강(Daido Steel)과 협력했다. 금형 수리에서는 다이도특수강이 개발한 3D프린터용 신재료 ‘HTC45’를 사용한다. 이 재료는 금형에 널리 사용되는 합금강 ‘SKD61’계 금속분말이다. 열전도율은 SKD61의 1.5배, 3D프린터에 의한 금형 조형에서 사용되는 마레이징강(Marageing Steel)의 2배로 높다.

열 확산이 빠르고 열응력을 억제할 수 있어, 사용할 때 균열을 방지할 수 있다. 토대(베이스) 위에 금속을 적층(육성)한 시험 조각을 580℃로 가열한 뒤 3초 수냉하는 사이클을 반복하는 내구시험에서는, 마레이징강의 육성 부분은 2000 사이클에서 균열이 간 반면에 HTC45의 육성 부분은 6000 사이클까지 균열이 가지 않았다.

-- 바이메탈 금형도 자동차 업체들이 주목 --
후지는 이미 LASERTEC 65 DED hybrid를 사용해 고객의 주조용 금형을 보수한 실적을 갖고 있다. 이를 의뢰한 자동차 관련 업체는 보수 후의 금형으로 수백 번 주조해 문제없이 사용할 수 있다고 확인했다. “이 자동차 관련 업체는 설계 변경한 금형을 재조립할 때도 금속 3D프린터 이용을 생각하고 있다”(후지의 담당자).

예를 들면, 금형 돌기가 하나 늘어나는 작은 설계 변경이라면 금형을 통째로 다시 만들거나 용접으로 돌기를 추가하는 것보다 금속 3D프린터로 수리하는 편이 더 빠르다. 후지는 그러한 미래를 전망해, 금속 3D프린터를 사용한 금형 보수를 시도한 것으로 보인다.

DED 방식의 금속 3D프린터를 사용하면 기존 가공법으로는 불가능했던 바이메탈 금형 제작도 가능하다. 구체적으로는 금형 내부를 열전도성이 높은 구리(Cu) 합금, 표면을 공구강(Tool Steel)으로 조형하면 냉각 효과가 높은 금형이 된다.

냉각 효과가 높은 금형을 사용함으로써 주조 시에 생기는 구멍 같은 불량을 줄이고 수율을 높일 수 있다. 이외에도 부드러운 모재를 딱딱한 재료로 코팅해 내마모성을 높이면서 재료비를 낮추는 활용도 가능하다. 바이메탈 금형에는 많은 자동차 업체가 관심을 보이고 있다고 한다.

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