신속 프로토타이핑 재료: 종류, 장점 및 선택 가이드

신속 프로토타이핑 재료

시제품 성능의 기반은 적절한 재료입니다. 신속한 프로토 타이핑 쾌속 조형 기술은 디지털 설계를 물리적 부품으로 신속하게 변환하지만, 잘못된 재료를 사용하면 검증 과정이 복잡해지고 비용이 많이 드는 재작업이 발생할 수 있습니다. 

사용 가능한 재료로는 금속, 플라스틱, 수지, 세라믹, 복합재료, 생체재료, 왁스, 종이 및 분말 등이 있습니다. 엔지니어들은 이러한 재료를 사용하여 본격적인 생산에 앞서 시각적이고 기능적인 모델을 개발합니다. 시간과의 싸움에서 이기고 고객에게 가치를 제공하려는 제조업체는 원하는 부품을 잘못 표현하거나 아주 작은 부하에도 고장 나는 시제품을 만들 여유가 없습니다. 

강성이 뛰어난 복합 소재부터 가공성이 우수한 플라스틱에 이르기까지, 각 쾌속 조형 소재는 제품 개발 과정의 특정 단계에 적합합니다. 적절한 소재를 선택하면 디자인 반복 작업을 촉진하고 비용을 절감할 뿐만 아니라 이해관계자의 관심을 끌 수 있습니다. 

이 가이드에 제공된 재료 옵션 분석을 통해 각 범주의 옵션, 장점 및 한계를 알아볼 수 있습니다. 이를 통해 다음 프로젝트에서 프로토타입 제작에 적합한 재료를 선택하는 데 도움이 될 것입니다. 

신속한 프로토 타이핑이란 무엇입니까?

쾌속 프로토타이핑은 디지털 설계를 물리적 부품으로 신속하게 변환하는 제조 기술입니다. 이 기술은 기존 금형 제작 방식과 관련된 소요 시간과 비용을 절감할 수 있습니다. 

신속 프로토타이핑은 본질적으로 다섯 단계로 구성됩니다.

신속 프로토타이핑 단계

널리 사용되는 신속 프로토타이핑 공정에는 판금 가공, CNC 가공, 3D 프린팅, 저비용 금형을 이용한 사출 성형 등이 있습니다. 제조업체는 신속한 프로토타이핑을 통해 얻은 시각적 및 기능적 모델을 사용하여 형태, 적합성 및 기능을 테스트합니다. 이는 본격적인 생산에 앞서 중요한 단계입니다. 

신속한 프로토타이핑의 이점

신속 프로토타이핑은 개념과 실제 제품 사이의 간극을 메워줍니다. 이를 통해 시장 출시 속도 향상, 비용 효율성 증대, 품질 개선, 테스트 및 검증 강화, 맞춤화, 지속 가능성 확보, 그리고 원활한 소통 등 다양한 비즈니스 이점을 누릴 수 있습니다.

금속 프로토타입

신속 프로토타이핑에 가장 일반적으로 사용되는 금속 세 가지는 알루미늄, 스테인리스강, 티타늄입니다. 금속 프로토타이핑 내열성, 내구성 및 강도와 같은 이점을 제공합니다. 

다음은 신속 프로토타이핑에 사용되는 각 금속이 프로젝트에 어떻게 적용되는지 보여주는 예입니다. 

알루미늄 금속 프로토타입 

알루미늄이 쾌속 프로토타이핑 소재로 가장 선호되는 이유는 뛰어난 가공성, 비교적 저렴한 가격, 내식성, 그리고 최대 1.8에 달하는 높은 강도 대 무게비 때문입니다.3]

알루미늄 프로토타입

엔지니어들은 일관된 치수 공차와 기계적 성능을 위해 ASTM B221 표준에 따라 제조된 압출 알루미늄 소재를 자주 사용합니다.2]

스테인리스강 금속 프로토타입

스테인리스강 금속 프로토타입은 부품이 부식, 반복적인 기계적 스트레스 및 일반적으로 가혹한 조건을 견뎌야 하는 경우에 사용됩니다. 스테인리스강은 강도가 높기 때문에 공구 마모가 심하고 가공 시간이 길어질 수 있습니다. 

티타늄 금속 프로토타입 

이러한 금속 프로토타입은 생체 적합성, 내식성 및 강도 대 무게 비율 면에서 다른 금속과 비교할 수 없는 성능을 제공합니다. 이 금속 프로토타입은 항공우주 및 의료 산업에서 널리 사용됩니다.

티타늄 의료용 프로토타입

티타늄은 가공 속도가 상대적으로 느리고 가격이 비싸기 때문에 주로 검증 중심의 프로토타입 제작에 사용되는 것은 당연합니다. 초기 단계의 프로토타입은 가격이 저렴하고 가공이 용이한 다른 소재로 제작하는 것이 더 효과적입니다. 

플라스틱 프로토 타이핑

가장 많이 사용되는 5가지 옵션 플라스틱 제품 프로토타이핑 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS) 등이 있습니다.4]

플라스틱이 쾌속 조형에 가장 흔하게 사용되는 재료인 데에는 두 가지 이유가 있습니다. 바로 다양한 등급으로 구할 수 있다는 점과 가공이 용이하다는 점입니다. 

폴리카보네이트(PC) 플라스틱 프로토타이핑

PC의 가장 두드러진 특성 중 하나는 뛰어난 충격 저항성입니다. 게다가, 이 소재는 본래 투명하며 -30°C에서 120°C에 이르는 넓은 작동 온도 범위에서 탁월한 성능을 제공합니다.5]

폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 플라스틱 프로토타이핑

이 소재는 유리와 유사한 아크릴 소재로, 플라스틱 프로토타이핑에서 유리를 대체하는 데 자주 사용됩니다. 뛰어난 광학적 투명도를 자랑하며, 폴리프로필렌(PC)보다 깨지기 쉬울 수 있지만, 우수한 내후성 및 자외선 저항성 덕분에 실외 고속 프로토타이핑에 적합합니다. 

아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 플라스틱 프로토타이핑

ABS 플라스틱 시제품

ABS는 뛰어난 가공성, 강도 및 비용 효율성 덕분에 기능성 프로토타입 제작에 제조업체들이 선호하는 소재입니다. PC와 마찬가지로 ABS는 충격 강도가 우수합니다. 이 저렴한 소재는 가공 및 3D 프린팅도 용이합니다. 게다가 표면 마감도 균일합니다. 

폴리프로필렌(PP) 플라스틱 프로토타이핑

폴리프로필렌은 피로 저항성이 높아 스냅핏 설계 및 리빙 힌지 제작에 적합합니다. 또한 우수한 내화학성은 가혹한 환경에 사용될 부품의 신속한 프로토타이핑에 중요한 요소입니다. 이 플라스틱의 문제점은 PC나 ABS에 비해 치수 안정성이 떨어진다는 점입니다. 

폴리스티렌(PS) 플라스틱 프로토타이핑

비용 효율성과 가공 용이성 덕분에 폴리스티렌(PS)은 초기 개념 프로토타입 제작에 적합한 소재입니다. 하지만 취성이 강해 기계적 검증 용도에는 적합하지 않습니다. 따라서 엔지니어들은 형태 및 적합성 검증 프로젝트에 주로 사용합니다. 

일반적인 시제품 제작용 플라스틱의 전형적인 특성

다음 표는 일반적인 시제품 제작용 플라스틱의 전형적인 특성을 보여줍니다. 

[4]

신속 프로토타이핑용 수지

레진은 금속이나 플라스틱으로는 따라올 수 없는 정밀한 공차와 뛰어난 표면 마감을 제공합니다. DLP든 SLA든, 제조업체가 쾌속 조형에 레진을 선택하는 구체적인 이유는 다음과 같습니다.

• 상세한 시각적 모델에 대한 요구 사항
• 높은 치수 정밀도와 뛰어난 표면 마감
• 특수 제형(표준형, 연성형, 주조형 등)에 대한 요구 사항

하지만, 쾌속 조형에 사용되는 수지는 자외선에 민감하고 취성이 강하기 때문에 기능성 시제품 제작에는 적합하지 않습니다.

신속 프로토타이핑용 세라믹

세라믹은 단열 및 극한의 내열성이 요구되는 설계에 있어 탁월한 시제품 제작 소재입니다. 세라믹이 견딜 수 있는 온도는 대부분의 플라스틱이나 금속이 견딜 수 있는 온도보다 높습니다. 

기계적 강도를 고려한다면 세라믹 프로토타입은 최선의 선택이 아닙니다. 

세라믹 시제품

신속 프로토타이핑용 복합재료

복합재료는 강하고 단단하지만, 순수 금속만큼 무겁지는 않습니다. 다음과 같은 옵션이 있습니다. 탄소 섬유 프로토타이핑 그 외 신속 프로토타이핑 응용 분야로는 잘게 썬 탄소/폴리우레탄 혼합물, 탄소 섬유 강화 나일론, 유리 비드/유리 섬유 충전 폴리머 등이 있습니다.

• 잘게 썬 탄소/폴리우레탄 혼합물
• 탄소 섬유 강화 나일론
• 유리구슬/유리섬유 강화 폴리머

탄소 섬유 프로토타입 제작 고강도 경량 프로토타입 제작에 특히 적합합니다. 

신속 프로토타이핑을 위한 생체 재료

생체 재료는 신속 조형 분야에서 점점 더 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 이러한 신속 조형 재료의 주요 이점은 환경에 미치는 영향을 줄일 수 있다는 것입니다. 

생체 재료를 이용한 쾌속 조형의 몇 가지 특징:

• 컨셉 모델에 이상적입니다.
• 석유 기반 플라스틱보다 환경 발자국이 적습니다.
• 기계적 강도와 내열성이 떨어짐 

생체 재료의 예로는 바이오 기반 PA와 PLA가 있습니다. 

신속 프로토타이핑용 왁스

왁스는 정밀 주조 패턴 제작에 필수적인 재료입니다. 왁스가 쾌속 조형 재료로 높이 평가받는 주요 이유는 깨끗하게 연소되는 특성과 탁월한 표면 마감을 제공하기 때문입니다. 하지만 왁스는 깨지기 쉬워서 기능성 시제품 제작에는 적합하지 않습니다. 하지만 왁스가 금속 주조 부품을 빠르게 만드는 데 도움이 된다는 점에는 모두 동의할 것입니다. 

신속 프로토타이핑용 종이 및 분말

이 소재는 쾌속 프로토타이핑에서 활용도가 제한적이지만, 그럼에도 불구하고 사용되고 있습니다. 초기 프로토타입 제작을 위한 시각적 모델을 빠르고 비용 효율적으로 만들 수 있는 수단입니다. 하지만 이러한 모델은 기계적 강도가 제한적이기 때문에 기능성 프로토타입으로는 적합하지 않습니다.

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쾌속 프로토타이핑 재료의 장단점 

다음 표는 금속의 경우 높은 강도와 ​​높은 비용, 생체 재료의 경우 낮은 환경 영향과 낮은 강도 등 다양한 재료에 대한 신속 프로토타이핑의 장단점을 보여줍니다. 

신속 프로토타이핑 재료 선택 시 고려 사항 

시제품 제작 단계에서 재료를 선택할 때 고려해야 할 요소는 속도, 기능성, 비용, 표면 마감, 환경 노출 및 기계적 스트레스입니다.  

• 속도 재료를 조달, 가공, 인쇄 또는 사출 성형하는 속도는 팀이 실행할 수 있는 설계 반복 횟수를 결정하는 요소 중 하나입니다.  
• 기능 시제품의 외관이 중요한 만큼, 사용된 재료 또한 실제 생산이 완료된 후 부품의 성능을 그대로 재현해야 합니다. 
• 비용 재료 및 가공 비용은 시제품의 용도를 반영해야 합니다. 시제품 단계에서 양산형 재료를 사용하는 것은 일반적으로 불필요합니다. 
• 표면 처리 – 일부 시제품은 양산품과 유사한 외관을 요구할 수 있지만, 그렇지 않은 시제품도 있습니다. 검토자나 이해관계자가 시제품을 요구하는 경우, 표면 마감이 일치하는 재료를 사용하도록 요청하는 것이 좋습니다. 
• 환경 노출 화학 물질, 습도, 염도 등과 같은 요소들이 실제 환경의 특징입니다. 시제품 소재는 이러한 환경 조건을 견딜 수 있어야 합니다. 

환경 조건이 중요합니다

• 기계적 스트레스 시제품을 실제로 사용한다는 것은 기계적 힘에 노출된다는 것을 의미합니다. 따라서 기능성 시제품에 사용되는 재료는 이러한 요구 사항을 충족해야 합니다. 

목적에 따른 신속 프로토타이핑 재료 선택: 표 분석

아래 표는 용도에 따라 권장되는 쾌속 프로토타이핑 재료를 보여줍니다. 

*부품에 기계적 및 열적 검증이 모두 필요한 경우 단일 용도 재료 대신 PC 또는 티타늄을 선택하십시오. 

다양한 재료에 대한 프로토타입 제작 과정

시제품 제작 속도와 비용을 결정하는 주요 공정은 CNC 가공, 사출 성형, 3D 프린팅 및 판금 가공입니다. 그렇다면 이러한 방법들은 쾌속 조형 소재와 어떻게 연관될까요?  

CNC 가공

CNC 가공은 다양한 재료와의 높은 호환성 덕분에 신속한 프로토타입 제작에 적합한 신뢰할 수 있는 가공 방식입니다. 또한 비교적 빠른 속도를 자랑하여 신속한 프로토타입 제작에 필요한 조건을 완벽하게 충족합니다. 

CNC 가공 시제품 제작 단계는 다음과 같습니다.

• 1단계디자인 아이디어 구상
• 2단계: 3D 파일 제작
• 3단계특정 CNC 가공 공정(선삭, 밀링, 드릴링 등) 식별
• 4단계CNC 프로그래밍
• 5단계프로토타입 제작 
• 6단계: 테스트 

CNC 프로토타입 가공

사출 성형 

사출 성형은 대량 생산을 위한 플라스틱 부품의 품질 검증 방법입니다. 주로 성형 성능 및 생산 등급 재료의 적합성을 시험하는 데 사용됩니다. 시제품 제작용 금형은 일반적으로 양산용 금형보다 가격이 저렴합니다. 알루미늄으로 제작할 수 있습니다. 

3D 프린팅

3D 프린팅은 빠른 속도와 전용 툴링 없이도 복잡한 형상을 구현할 수 있다는 점에서 매력적입니다. 또한 다양한 플라스틱, 복합재료 및 수지에 적합합니다. 3D 프린팅으로 제작된 부품 중 일부는 생산 등급의 기계적 성능을 충족할 수 있지만, 제조업체는 일반적으로 신속한 프로토타입 제작을 위해 3D 프린팅을 선택합니다. 

판금 제조

판금 제작

시제품 제작에서 판금 가공은 케이스, 패널, 브래킷과 같은 부품에 유용합니다. 최종 부품 생산과 마찬가지로 절단 및 벤딩과 같은 공정이 사용됩니다. 

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신속 프로토타이핑 소재의 미래 동향 

재료 과학의 발전 덕분에 시제품과 최종 부품 사이의 간격이 좁아지고 있습니다. 유연한 수지, 생분해성 플라스틱, 최신 복합 재료 등이 그 예입니다. 더 가벼운 디자인과 내구성 있는 프로토타입은 차세대 고속 프로토타이핑 소재의 핵심입니다. 

• 유연한 수지 DLP 및 SLA 프린팅은 취성이 강한 것이 특징이지만, 최신 레진은 더 유연합니다. 
• 생분해 성 플라스틱 지속가능성에 대한 압력이 커짐에 따라, 더욱 강하고 내열성이 뛰어난 생분해성 플라스틱이 제조 분야에서 사용 가능해지고 있습니다. 
• 현대 복합소재 최신 충전 폴리머 및 섬유 강화 배합 덕분에 시제품과 양산형 부품 간의 격차가 줄어들었습니다. 
• 더 가벼운 디자인과 내구성 있는 프로토타입 일반적으로, 신속 프로토타이핑 소재는 기능 테스트에 더욱 적합해지고 있으며, 강도 대비 무게 비율이 높은 더욱 견고한 설계가 보편화되고 있습니다.

맺음말 

사용하는 재료는 시제품의 외관과 성능을 좌우할 수 있습니다. 반복 제작 속도와 최종 제품과의 유사성은 이러한 재료 선택과 밀접한 관련이 있습니다. 알루미늄, 스테인리스강 및 기타 금속은 기능성 프로토타입에 필요한 기계적 강도를 제공합니다. PS 및 ABS와 같은 플라스틱은 가공성과 비용 효율성이라는 독특한 조합을 제공합니다. 엔지니어들은 높은 정밀도와 특수 프로젝트를 위해 각각 수지와 복합 재료를 활용합니다. 

요점은 선택지가 많으므로 시제품의 기능에 맞는 재료를 선택해야 한다는 것입니다. 아이디어를 실제 제품으로 구현하는 과정을 계획하실 때, 저희는 다음과 같은 도움을 드릴 수 있습니다. 신속한 프로토 타이핑 서비스 소재 선택 등 필요한 모든 정보를 제공해 드립니다. 디자인 파일을 업로드하시면 24시간 이내에 무료 견적을 받아보실 수 있습니다. 

리소스 

[1]https://irp-cdn.multiscreensite.com/c0227285/files/uploaded/Polycarbonate%20Sheet%20Extruded%20-%20clear%20Edited.pdf

[2]https://store.astm.org/b0221m-13.html

[3]https://www.researchgate.net/publication/327805143_Failure_predictions_in_warm_forming_of_7075-T6_aluminum_structural_parts

[4]https://kunststoff-profi.de/en/materials/

[5]https://www.directplastics.co.uk/data-sheets