샌드 3D 프린팅 기술을 적용하여 중자 또는 몰드를 생산할 경우 목·금형 제작을 위한 초기 투자 비용을 절감할 수 있으나, 중자나 몰드의 재료 비용은 목·금형 방식 대비 높을 수 밖에 없다. 따라서, 양산 공정에 샌드 3D 프린팅 기술을 적용하더라도 전체 제조 비용 관점에서 기존 목·금형 방식 대비 경쟁력을 확보할 수 있는 솔루션을 개발해야 한다.

샌드 3D 프린팅을 통해 중자 또는 몰드를 제작할 경우, 제조 비용 관점에서 가장 직접적으로 영향을 미치는 인자는 출력물의 크기이다. 본 연구에서는 샌드 3D 프린팅 기술 융합 양산 공정 생산성을 극대화하기 위해 출력물의 크기에 따른 2가지 DfAM 설계 유형을 구분하여 제안한다. 유형1은 제품의 크기가 작고, 생산 수량이 적은 경우로 중자뿐만 아니라 외형 몰드 전체를 분할 설계하여 제작하는 방식이다. 유형2는 제품의 크기가 크고, 생산 수량이 많은 경우로 제조 비용 절감 및 생산성 확보를 모두 충족시키기 위해 외형 몰드는 기존 목·금형 방식으로 제작하고, 내부 중자는 DfAM 일체화 설계로 제작하는 방식이다. 이때, 샌드 3D 프린팅과 목·금형 생산 등 두 가지 이상의 서로 다른 제조기술이 융합 적용된 몰드를 ‘하이브리드 몰드’*라 정의한다.⁸

생산하고자 하는 제품마다 형상 복잡도와 부가가치 등이 모두 다르기 때문에, 앞서 제안한 2가지 양산 공정 유형에 대하여 명확한 구분 기준을 제시하기는 어렵다. 따라서, 구체적인 기준을 도출하기 위해서는 우선적으로 생산 제품을 구체화할 필요가 있다.

본 연구에서는 제안한 2가지 DfAM 설계 유형을 구분하여 적용해보고, 실제로 양산 공정에 적용하였을 경우 효과성 확보가 가능한지를 확인하기 위하여 형상 복잡도가 상당히 높으면서 크기별로 다양한 제품이 존재하는 중속엔진 실린더 헤드 제품을 고려하였다.

현재 실제로 생산 중인 다양한 실린더 헤드 제품에 대하여 샌드 3D 프린팅 기반 제조 비용을 분석해 본 결과, 직경 170 mm 엔진의 실린더 헤드 제품이 전체 몰드를 샌드 3D 프린팅으로 생산하는 유형1 방식으로 적용해도 제조 비용 경쟁력을 확보할 수 있는 최대 크기라는 것을 확인하였다. 즉, 직경 170 mm 헤드의 크기를 기준으로 몰드 전체를 DfAM 분할 설계하는 유형1과 내부 중자만을 DfAM 일체화 설계하는 유형2의 구분 기준을 설정하였다.

Fig. 4 
Two types of DfAM design methods proposed for cylinder heads by reference size

실린더 헤드는 엔진 부품 중에서도 형상이 매우 복잡하여 주조용 몰드 제작 시 많은 중자 개수로 인해 조립과 합형 작업이 까다로운 제품이다. 직경 170 mm 엔진의 실린더 헤드에 대해 검토한 결과, 제품의 사이즈가 작아 전체 몰드를 DfAM 분할 설계하여 샌드 3D 프린팅으로 제작하더라도 제조 비용 경쟁력 확보가 가능함을 확인하였다. 이를 바탕으로 몰드 전체를 분할 설계하는 유형1 방식을 적용하기로 결정하고, 몰드를 크게 3개의 부분 일체화된 중자로 분할 설계하였다.

이론적으로는 전체를 하나의 일체화 몰드로 설계할 수 있지만 실제로 많은 테스트를 실시해본 결과, 샌드 3D 프린팅 후 출력물 주변의 모래를 제거하는 작업에 있어서 몰드의 형상에 따라 모래가 완벽하게 제거되지 않는 문제가 발생하였다. 모래가 완벽하게 제거되지 않으면 주조품의 결함으로 연결되기 때문에 몰드 제작 시 반드시 모래가 모두 제거되었음을 시각적으로 확인할 수 있는 형상이어야 한다. 따라서 몰드의 일체화 설계 시에는 이를 고려한 최소한의 분할 설계를 도출해야 하며, 직경 170 mm 엔진 실린더 헤드의 경우에는 전체 몰드를 3개의 부분 형상으로 분할 설계하였다.

보다 상세하게 분할 설계 시의 고려사항을 살펴보면 1) 모래 제거 여부 확인을 위해 시각적으로 고립된 형상 구조가 없도록 최소 분할 설계를 하되, 2) 실린더 헤드의 가공면이 분할면이 되도록 설계하여 비가공면에서는 분할면으로 인한 버나 핀이 발생하지 않도록 하고, 3) 현장에서 합형 작업 시 파손이 될 수 있는 중자나 몰드의 특이 형상 부위는 별도의 중자로 분리하여 설계하되, 4) 합형 생산성을 극대화하기 위한 형상으로 분할 설계하였다.

Fig. 5는 직경 170 mm 엔진 실린더 헤드에 대한 전체 몰드의 분할 설계 결과와 해당 분할 설계를 기반으로 샌드 3D 프린팅 출력하여 제작한 몰드, 그리고 해당 몰드를 이용하여 금속 주조를 통해 제작한 실린더 헤드 최종 제품의 사진을 보여준다.

Fig. 5 
Ø170 mm engine cylinder head by DfAM design (Type 1)

직경 170 mm 엔진 실린더 헤드의 샌드 3D 프린팅 융합 제조 공정에 대하여 기존 목·금형 제조 방식과의 비교 분석 결과는 Table 1과 같다. 기존 방식의 경우에는 외형 몰드 2개와 중자 28개로 총 30개 수량으로 조립 및 합형을 진행해야 하지만, 본 연구에서 제안한 유형1 방식을 적용한 경우에는 부분 일체화 몰드를 포함하여 총 18개의 수량으로 조립 및 합형 작업을 진행할 수 있었다. 즉, 40%의 몰드/중자 수를 줄이는 효과가 있고, 이로 인한 합형 시간은 기존 방식 2시간 대비 유형1 방식은 0.5시간으로 75% 이상 단축 효과를 얻을 수 있었다. 가스빼기 홀의 경우에는 목·금형 방식에서는 40분간의 수작업이 필요하나, 유형1 방식에서는 3D 모델상에 선반영하여 별도의 작업이 필요치 않았다. 품질 관점에서는 주요 부위의 주물살 두께 편차를 측정한 결과, 목·금형 방식에서는 ±2.5 mm 이내인 반면, 유형1 방식에서는 ±0.5 mm 이내로 측정이 되어 우수한 품질 확보가 가능함을 확인하였다. 이는 주요 부위의 형상이 일체화 설계 제작되어 합형 공차가 제거되었기 때문으로 설명할 수 있다. 또한, 샌드 3D 프린팅에서 사용되는 주물사의 입도가 기존 방식의 주물사 입도보다 매우 곱기 때문에 비가공면의 조도 품질 관점에서도 유형1 방식으로 제작한 제품이 우수하였다.

제품 양산 관점에서 가장 중요한 제조 비용 비교 분석 결과는 Fig. 6과 같다. 제조 비용은 재료비와 인건비로 구분하여 비교분석하였다. 재료비는 샌드 3D 프린팅 기반 유형1 방식이 기존 방식 대비 다소 높았지만, 인건비 관점에서는 기존 방식 대비 월등히 낮았고, 재료비와 인건비를 모두 합한 결과로는 29% 이상의 제조원가 절감으로 경제성 확보가 가능함을 확인하였다.

Fig. 6 
Comparison on production cost for Ø170 mm cylinder head

참고로 170 mm 엔진 실린더 헤드의 재질은 GCD500, 주입온도는 1,360^oC, 형해체 온도는 150^oC 이하로 진행하였고, 수십개 단위로 소량 생산하는 제품이다.

직경 230 mm 엔진 실린더 헤드의 경우, 제품의 크기는 직경 170 mm 엔진 실린더 헤드 대비 다소 크고, 생산 수량 또한 많은 제품으로, 유형1 방식을 적용할 경우에는 재료비가 목·금형 방식 대비 월등히 높아져 제조 비용 경쟁력을 확보할 수 없음을 확인하였다.

따라서, 샌드 3D 프린팅으로 제작할 몰드의 체적을 효과적으로 줄이기 위해 외형 몰드는 기존의 목형 방식을 적용하고, 내부에 조립되는 많은 수의 중자만을 일체화 DfAM 설계로 샌드 3D 프린팅 제작하는 하이브리드 몰드 방식(유형2)을 적용하기로 결정하였다. 3D 프린팅 관점에서는 외형 몰드가 프린팅 비용이 가장 큰 부위이므로, 외형 몰드만 제외하여도 재료비를 크게 줄 일 수 있다.

생산성 관점에서는 직경 230 mm 엔진 실린더 헤드의 내부 형상이 매우 복잡한 관계로 제품 하나의 몰드를 제작하기 위해 조립해야 하는 중자의 수가 무려 22개나 된다. 기존 목·금형 방식으로 제작할 경우에는 22개의 중자 제작을 위해서 22세트의 중자 금형을 이용하여 각각 중자를 제작한 후, 다시 해당 22개의 중자를 외형 몰드 내에 하나씩 조립하는 수작업을 수행해야만 한다. 중자 조립 및 합형 공정은 모두 까다로운 수작업을 요구하기 때문에 제품의 전체 주조 공정 시간 중 60%를 차지할 정도로 낮은 생산성의 원인으로 작용하고 있다.

유형2 방식에서는 상기 22개 중자를 수작업으로 조립하는 공정을 제거하기 위하여 대부분의 중자를 하나의 중자로 일체화 설계하고, 샌드 3D 프린팅으로 제작한 일체화 중자를 외형 몰드에 조립하는 방식을 적용하였다. 이때, 이론적으로는 22개를 1개의 일체화 중자로 설계하는 것이 가능하나, 실제로 현장에서 외형 몰드와의 조립 작업을 수행해본 결과, 외형 몰드와의 조립면 부위에서 일체화 중자가 파손될 우려가 있음을 확인하여 조립면 부위 일부 형상은 별도의 조각 중자로 분할 설계하였다.

Fig. 7은 직경 230 mm 엔진 실린더 헤드에 대해 기존 목·금형 방식의 22개 중자를 하나의 일체화 중자와 조립 편의 향상용 조각 중자 3개로 설계한 형상을 나타내며, Fig. 8은 목형으로 제작한 외형 몰드에 조립된 샌드 3D 프린팅 일체화 중자와 해당 몰드를 이용하여 제작한 실린더 헤드 사진을 나타낸다. 230 mm 엔진 실린더 헤드의 샌드 3D 프린팅 융합 제조 공정에 대하여 기존 제조 방식과 비교 분석한 결과는 Table 2와 같다. 기존 방식의 경우에는 외형 몰드 2개와 중자 22개로 총 24개 수량으로 조립 및 합형을 진행해야 하지만, 샌드 3D 프린팅 융합 유형2 방식을 적용한 경우에는 일체화 중자를 포함하여 중자 4개와 외형 몰드 2개로 총 6개의 수량으로 조립 및 합형 작업을 진행할 수 있다. 즉, 75%의 몰드/중자 수를 줄이는 효과가 있고, 이로 인한 합형 시간은 기존 방식 2.25시간 대비 유형2 방식 0.5시간으로 78% 이상 단축시킨 결과를 얻을 수 있었다. 가스빼기 홀의 경우에는 목·금형 방식에서는 42분간의 수작업이 요구되나, 유형2 방식에서는 3D 모델상에 선반영하여 별도의 작업이 필요치 않았다. 품질 관점에서는 주요 부위의 주물살 두께(특히 폭발면 살 두께) 편차를 측정한 결과, 목·금형 방식에서는 ±2.5 mm 이내인 반면, 유형2 방식에서는 ±0.5 mm 이내로 측정이 되어 우수한 품질 확보가 가능함을 확인하였다. 이는 주요 부위의 형상이 일체화 설계 제작되어 합형 공차가 제거되었기 때문으로 설명할 수 있다.

Fig. 7 
DfAM integrated design of Ø230 mm engine cylinder head

Fig. 8 
Hybrid mold and product of Ø230 mm engine cylinder head

제품 양산 관점에서 가장 중요한 제조 비용 비교 분석 결과는 Fig 9와 같다. 제조 비용은 재료비와 인건비로 구분하여 비교 분석하였다. 재료비 관점에서는 샌드 3D 프린팅 기반 유형2 방식이 기존 방식 대비 높았지만, 인건비 관점에서는 기존 방식 대비 월등히 낮았고, 재료비와 인건비를 모두 합한 결과로는 14% 이상의 제조원가 절감으로 경제성 확보가 가능함을 확인하였다.

Fig. 9 
Comparison on production cost for Ø230 mm cylinder head

참고로 230 mm 엔진 실린더 헤드의 재질은 GC300, 주입온도는 1,370^oC, 형해체 온도는 200^oC 이하로 진행하였고, 연간 수천개로 연속 생산하는 제품이다.