Fraunhofer 적층 생산 기술 연구소(IAPT)는 3D 프린팅이 고급 스포츠카의 도어 힌지를 재설계하여 기술 성능과 제조 비용을 개선할 수 있는 방법을 보여주었습니다.
부품 재설계 프로젝트 동안 IAPT 엔지니어는 도어 힌지의 형상부터 빌드 방향 및 프로세스 매개변수에 이르기까지 모든 것을 최적화하여 비용과 중량 절감을 극대화했습니다.
궁극적으로 이 작업은 구성 요소 자체의 형상뿐만 아니라 3D 인쇄 부품 비용에 영향을 미치는 덜 분명한 요소를 조명하는 것을 목표로 합니다.
자동차 생산 간소화
자동차 산업은 다양한 응용 분야에 이 기술을 사용하여 수년에 걸쳐 적층 제조를 채택한 많은 산업 중 하나입니다. 그러나 지금까지 3D 프린팅이 각 부품의 비용을 낮게 유지하지 않으면서 기존의 자동차 생산 기술의 처리량을 아직 제공하지 못했기 때문에 현재까지 많은 사용 사례가 소규모 배치로 제한되었습니다. 따라서 Fraunhofer 프로젝트는 기술 전체가 현재 자동차 부문에서 충분히 활용되지 않고 있으며 대량 생산 애플리케이션이 아직 초기 단계에 있음을 보여줄 수 있습니다.
새로운 모델의 개발 단계는 최대 5년이 걸릴 수 있으므로 가장 먼저 확립된 사용 사례는 신속한 프로토타이핑입니다. R&D 동안 부품의 여러 프로토타입이 불가피하게 개발 및 테스트됩니다. 이는 최소 리드 타임으로 신속한 설계 반복을 의미합니다. 이것이 적층 제조의 주요 판매 포인트 중 하나입니다.
또한 자동차 제조업체는 지그 및 고정 장치와 같은 3D 인쇄 제조 도구를 사용하여 생산 및 조립 워크플로를 지원합니다. 한때 주조되었지만 지금은 사용되지 않는 애프터마켓 부품에도 잠재적인 응용 프로그램이 있습니다. 3D 프린팅의 역동적이고 유연한 특성 덕분에 부품 공급업체는 주문형 프린팅을 할 수 있어 물리적 구성 요소 재고가 전혀 필요하지 않습니다.
3D 프린팅된 도어 경첩
설계 작업을 시작하기 전에 Fraunhofer 엔지니어는 IAPT에서 파생된 3D Spark에서 개발한 부품 선별 소프트웨어를 사용하여 시연 연구에 적합한 자동차 부품을 식별했습니다.
프로젝트 초기 단계에서 팀은 먼저 제작실의 구성 요소에 대한 가장 비용 효율적인 방향을 식별했습니다. 엔지니어는 필요한 지지 구조와 단일 빌드에 들어갈 수 있는 부품 수를 고려했습니다. 이 초기 방향 최적화 단계는 이러한 고려 사항이 없는 3D 인쇄 빌드에 비해 15%의 비용 절감 효과를 가져왔습니다.
다음은 힌지 암 자체의 토폴로지 최적화입니다. 불필요한 재료를 제거하고 힘의 흐름을 시뮬레이션하는 데 필요한 부분만 강화함으로써 엔지니어들은 힌지 암의 무게를 35%까지 줄일 수 있었습니다. 이후에 재료를 절약하고 인쇄 시간을 단축하여 비용을 20% 더 절감했습니다.
Fraunhofer 팀은 또한 후처리 감소(지지 구조 감소) 및 작업에 가장 적합한 금속 분말 재료 선택과 관련된 추가 비용 절감을 계산했습니다(각각 10%).
흥미롭게도 이 연구는 3D 프린팅 프로세스에 사용된 빌드 매개변수도 잠재적인 비용 절감에 기여한다는 사실을 발견했습니다. 예를 들어, 더 두꺼운 레이어, 더 빠른 스캔 속도, 레이저 빔 프로파일의 변형은 모두 제작 시간을 단축하고 인쇄 비용을 15% 추가로 줄이는 데 도움이 됩니다.
궁극적으로 이 비용 중심적인 설계 접근 방식을 통해 IAPT 엔지니어는 동일한 최적화 없이도 3D 프린팅된 제품보다 80% 더 저렴한 비용으로 힌지를 3D 프린팅할 수 있었습니다. CNC 밀링 가공품과 비교할 때 이 프로젝트는 각각 50% 및 35%의 비용 및 중량 절감을 달성했습니다.