정밀도 및 안정성: FDR 3D 프린팅으로 가능해진 전기 커넥터의 미래

"인간에게는 모델이 필요합니다. 빠른 발전을 원한다면 산업용 3D 프린팅을 피할 수 없습니다. 이것이 바로 우리의 주력 기술입니다. 일반 선택적 레이저 소결은 이미 우리에게 깊은 인상을 주었지만, FDR은 미세도, 정밀도, 속도 면에서 한 단계 더 발전했습니다.."

올라프 조슈케 | 프로토타입 제작 책임자 WAGO GmbH & Co. KG

도전 과제

두 개의 전기 도체를 연결하는 것은 언뜻 간단해 보이지만 자세히 살펴보면 혁신, 기능, 안전 및 품질에 대한 요구가 높습니다. 전기가 흐르는 곳에는 당연히 정확한 규정이 존재합니다. 연결은 실용적, 사실적, 법적 안전 요건을 충족해야 합니다: "케이블은 부하가 걸린 상태에서도 단순히 접점에서 미끄러져서는 안 됩니다."라고 WAGO GmbH & Co. KG의 프로토타입 건설 책임자 올라프 조쉬케는 설명합니다. "또한 접점 윤곽은 적절한 품질이어야 합니다. 이를 보장하지 않으면 인명 및 재산 피해가 발생할 수 있습니다." 그는 7명으로 구성된 팀과 함께 디자인 및 기능 프로토타입을 제작하고, 내부 및 외부 실험실에서 기능 및 안전 테스트를 통과해야 하는 테스트 샘플을 제작하며, 그 전에는 신제품을 판매할 수 없습니다.

따라서 WAGO와 시장 파트너가 개발한 제품에 대한 안전 테스트는 광범위하고 빈번하게 이루어집니다. 몇 가지 과제를 해결해야 합니다: 가정 내 계량 스테이션이든 철도 차량의 제어 캐비닛이든 전기 배전을 위한 공간은 점점 더 작아지고 있습니다. 동시에 해당 제품을 개발, 테스트하고 시장에 출시하는 데 사용할 수 있는 시간은 점점 줄어들고 있습니다. 올라프 조슈케는 "속도를 높이려면 적층 가공을 피할 수 없습니다."라고 요약합니다. 또한 샘플은 테스트 엔지니어뿐만 아니라 전문 소매업체 및 기타 구매자를 설득해야 하므로 최종 시리즈 제품과 최대한 일치해야 합니다.

케이블 스트레인 릴리프의 설계는 설치 공간을 최대한 줄이면서 새로운 정션 박스를 개발하는 데 특히 어려운 과제였습니다: 도체가 소켓에 삽입되면 제자리에 단단히 고정되어야 합니다. 이는 클램핑 메커니즘을 통해 이루어집니다. 이는 인터로킹 기어를 통해 제자리에 고정됩니다. 도체에 가해지는 모든 인장력은 절연체에서 이 고정 장치에 의해 흡수되어야 합니다. 접점 자체가 변형되지 않아야 합니다. 크기 요건을 충족하려면 탭에 적용되는 기어도 가능한 한 작아야 합니다. 동시에 관련 안전 규정을 준수하기 위해서는 높은 수준의 안정성이 필요합니다. 대량 생산에서는 기존 공정에 대한 비용을 대량으로 분산할 수 있기 때문에 이러한 요구 사항 카탈로그를 구현할 수 있습니다. 하지만 프로토타입 제작에서는 어떨까요?

솔루션

"개발 과정에서 초기 테스트와 최적화 과정에서 자연스럽게 부품을 변경합니다. 적층 제조는 이 과정에서 이점이 있는 것으로 알려져 있습니다. 하지만 무엇보다도 기능 및 실험실 테스트를 위해 특정 배치 크기가 필요합니다. 10~50개 정도의 부품이 필요한데, 물론 이 부품들은 서로 완전히 동일해야 합니다. 예를 들어 미세 기어링에 필요한 높은 정밀도는 최근까지 불가능했습니다."라고 올라프 조슈케는 설명합니다. FDR만이 산업용 3D 프린팅의 장점을 매우 세밀한 부품을 사용하는 애플리케이션에 통합할 수 있게 해 주었습니다.

이 시점에서 FORMIGA P 110 FDR 사용한 적층 가공의 미세한 디테일 해상도 공정은 완벽한 선택입니다: 부품이 매우 작기 때문에 한 번에 필요한 수량을 생산하기 위해 작은 빌딩 챔버만 있으면 됩니다. 또한 프로토타입의 다른 부품과 "완벽한 타이밍 일치"를 이룰 수 있습니다. 요구 사항에 따라 더 거친 선택적 레이저 소결(SLS)을 포함한 다른 공정을 사용하여 생산합니다. "예를 들어 큰 파트 1의 경우 기존 SLS로 충분하고, 작은 파트 2의 경우 FDR을 사용합니다. SLS는 고해상도 3D 프린팅보다 빠르지만 부품 크기 때문에 거의 같은 시간에 샘플을 얻을 수 있습니다."라고 올라프 조슈케는 생생하게 설명합니다.

프로토타이핑 팀은 각 경우에 어떤 공정을 사용할지 미리 결정합니다: 재료뿐만 아니라 이에 대한 결정은 나중에 사용 목적에 따라 CAD 계획에서 이미 이루어집니다. 궁극적으로 결정적인 문제는 필요한 품질을 필요한 수량으로 어떻게 합리적으로 제공할 수 있는가 하는 것입니다. 따라서 올라프 조슈케의 팀은 개별 공정과 재료의 강점을 구체적으로 활용할 수 있습니다. "FDR은 정밀도, 높은 선명도 및 기능적 통합의 황금 비율이며, 소재로서 PA 1101은 이에 매우 적합합니다. 훨씬 더 정확한 프로토타이핑 방법도 있습니다. 그러나 예를 들어 기능 통합이 누락되어 있습니다. 표준 SLS는 더 빠르지만 정확도가 떨어집니다."라고 프로토타입 제작 책임자는 덧붙입니다.

결과

그리고 이 고해상도 3D 프린팅 공정의 황금률은 원하는 목표에 도달했습니다: WAGO는 원하는 시간 내에, 필요한 공차 내에서, 필요한 수량으로 기어와 플레이트 샘플을 성공적으로 생산할 수 있었습니다. 이러한 방식으로 이후 시리즈 제품보다 수명 측면에서 결코 뒤떨어지지 않는 내구성이 뛰어난 부품이 탄생했습니다. 생산 및 후처리는 이틀 정도밖에 걸리지 않았고, 다른 절차는 1~2주가 소요되었습니다. 후처리에 대해 말하자면: 적층 제조를 위한 FDR 공정의 높은 해상도 덕분에 이후 부품에 대한 작업은 거의 필요하지 않았습니다.

올라프 조슈케가 이를 확인합니다: "EOS 제품은 FDR 없이도 항상 매우 우수한 품질을 제공했습니다. 우리는 항상 후처리를 통해 인상적인 결과물을 얻었습니다. 미세 디테일 해상도를 사용하면 더욱 향상됩니다. 이후 시리즈 구성 요소의 품질에 비해 약 80%의 프로토타입을 제작할 수 있는 매우 우수한 가치를 달성했습니다. 이는 제품 개발자들에게도 매우 고무적이었습니다." SLS의 고해상도 기술이 우수한 또 다른 이유는 후처리에 있습니다: 이 공정을 통해 요철을 화학적으로 평활화할 수 있습니다. 이로 인해 약간의 '흐릿함'이 발생하므로 FDR을 통한 생산만큼 정밀하지 않습니다.

이러한 방식으로 WAGO 부품은 샘플 테스트에 필요한 제품 특성도 확보했습니다: 섬세한 러그와 톱니는 필요한 강도를 제공합니다. 동시에 이 부품은 매우 높은 품질로 제조되어 매끄럽게 맞물려 견고하며, 후킹은 필요한 도체 클램핑력을 제공합니다. 또한 여러 내부 및 외부 테스트를 통해 적층 제조 부품의 수명이 길면 대량 생산에서도 지속된다는 것이 입증되었습니다. 따라서 혁신적인 FDR 공정은 산업용 3D 프린팅의 정밀도와 속도를 더욱 향상시키고 완벽하게 통합된 기능을 제공한다는 약속을 지켰습니다.

"EOS 제품은 FDR 없이도 항상 매우 우수한 품질을 제공했습니다. 우리는 항상 후처리를 통해 인상적인 결과물을 얻었습니다. 미세 디테일 해상도를 사용하면 더욱 좋습니다. 이후 시리즈 구성 요소의 약 80%의 품질로 프로토타입을 제작할 수 있는 매우 우수한 가치를 달성했습니다. 이는 제품 개발자들에게도 매우 고무적이었습니다."

올라프 조슈케 | 프로토타입 제작 책임자 WAGO GmbH & Co. KG