Rapid Prototyping이란? - 유형 및 작업

래피드 프로토타이핑이란?

신속한 프로토타이핑은 3D CAD(Computer-Aided Design)를 사용하여 물리적 부품, 모델 또는 어셈블리를 빠르게 제작하는 것입니다. 부품, 모델 또는 어셈블리의 생성은 일반적으로 3D 프린팅으로 더 잘 알려진 적층 제조를 사용하여 완료됩니다.

Rapid prototyping은 제품을 빠르게 평가하는 데 사용할 수 있는 것을 만드는 프로세스입니다. 엔지니어링 내에서 프로토타입은 제품의 초기 버전입니다. 신속한 프로토타이핑을 통해 기업은 기술을 테스트하고 분석할 수 있습니다.

디자인이 제안된 최종 제품과 밀접하게 일치하면 프로토타입과 최종 제품 사이에 뚜렷한 차이가 있는 저충실도 프로토타입과 대조적으로 고충실도 프로토타입이라고 합니다.

즉, Rapid prototyping은 테스트 방법입니다. 고객과 함께 제품의 미래와 성공을 분석할 수 있습니다. 결과적으로 분석이 잘 작동할지 여부를 알려줍니다. 회사는 제품 개발의 모든 단계에서 이 프로세스를 사용합니다.

효율성은 프로세스를 더 저렴하고 빠르게 만듭니다. 이렇게 하면 제품을 만들 때 유연성과 오류를 위한 더 많은 공간이 허용됩니다. 장기적으로 이것은 다른 방법보다 더 유익합니다.

신속한 프로토타이핑에는 세 가지 주요 단계가 있습니다. 첫 번째는 프로토타입을 만드는 것입니다. 그들은 회사가 테스트할 솔루션을 개발함으로써 이를 수행합니다.

다음 단계는 검토입니다. 많은 회사에서 사용자 및 이해 관계자와 프로토타입을 공유하여 이를 수행합니다. 이를 통해 피드백을 얻을 수 있으므로 제품을 수정하고 고객을 위해 개선할 수 있습니다.

마지막 단계는 정제입니다. 회사에서 받은 피드백에 따라 제품을 수리하거나 변경할 수 있습니다. 이것은 또한 미래 디자인을 개선하는 데 도움이 될 것입니다.

 

 

Rapid Prototyping의 작동원리

3D 프린팅이라고도 하는 래피드 프로토타이핑은 적층 제조 기술입니다. 프로세스는 모델링 또는 CAD(Computer-Aided Design) 소프트웨어에서 가상 설계를 가져오는 것으로 시작됩니다. 3D 프린팅 기계는 CAD 도면에서 데이터를 읽고 일련의 횡단면에서 물리적 모델을 구성하는 액체, 분말 또는 시트 재료의 연속 레이어를 배치합니다.

CAD 모델의 가상 단면에 해당하는 이러한 레이어는 자동으로 결합되어 최종 모양을 만듭니다.

Rapid Prototyping은 STL 파일 형식으로 구현된 표준 데이터 인터페이스를 사용하여 CAD 소프트웨어에서 3D 프로토타이핑 기계로 변환합니다. STL 파일은 삼각형 면을 사용하여 부품 또는 어셈블리의 모양을 근사화합니다.

일반적으로 Rapid Prototyping 시스템은 몇 시간 내에 3D 모델을 생성할 수 있습니다. 그러나 이것은 사용 중인 기계의 유형과 생산되는 모델의 크기와 수에 따라 크게 다를 수 있습니다.

적층 제조가 가장 일반적인 신속한 프로토타이핑 프로세스인 반면, 프로토타입을 생성하는 데 보다 일반적인 다른 방법을 사용할 수 있습니다.

 

다양한 유형의 래피드 프로토타이핑

1. 광조형(SLA) 또는 Vat 광중합
이 빠르고 저렴한 기술은 상업용 3D 프린팅의 첫 번째 성공적인 방법이었습니다. 컴퓨터 제어 자외선(UV) 빛을 사용하여 층별로 응고되는 감광성 액체 욕조가 사용됩니다.
SLA는 컴퓨터 제어 레이저를 사용하여 UV 경화형 포토폴리머 수지 풀에 부품을 만드는 산업용 3D 프린팅 또는 적층 제조 공정입니다. 레이저는 액체 수지 표면에서 부품 디자인의 단면을 추적하고 경화하는 데 사용됩니다.
그런 다음 응고된 층을 액체 수지의 표면 바로 아래로 낮추고 이 과정을 반복합니다. 새로 경화된 각 층은 그 아래의 층에 부착됩니다. 이 프로세스는 부품이 완료될 때까지 계속됩니다.

장점
컨셉 모델, 코스메틱 프로토타입 및 복잡한 디자인의 경우 SLA는 다른 적층 프로세스에 비해 복잡한 형상과 우수한 표면 마감을 가진 부품을 생산할 수 있습니다. 비용은 경쟁력이 있으며 기술은 여러 소스에서 사용할 수 있습니다.

단점
프로토타입 부품은 엔지니어링 등급 수지로 만든 부품만큼 강하지 않을 수 있으므로 SLA를 사용하여 만든 부품은 기능 테스트에 제한적으로 사용됩니다. 또한 부품이 부품의 외부 표면을 고형화하기 위해 UV 주기를 거치는 동안 기본 제공 SLA는 UV 및 습도 노출을 최소화하여 열화되지 않도록 사용해야 합니다.

2. 선택적 레이저 소결(SLS)
금속 및 플라스틱 프로토타이핑 모두에 사용되는 SLS는 분말 베드를 사용하여 레이저로 프로토타입을 층별로 생성하여 분말 재료를 가열하고 소결합니다. 그러나 부품의 강도는 SLA만큼 좋지 않은 반면 완제품의 표면은 일반적으로 거칠고 완성을 위해 2차 작업이 필요할 수 있습니다.
SLS 과정에서 컴퓨터 제어 CO2 레이저는 나일론 기반 분말의 온상을 위에서 아래로 끌어당겨 분말을 고체로 가볍게 소결(융합)합니다. 각 레이어 후에 롤러는 침대 위에 새로운 파우더 레이어를 놓고 이 과정을 반복합니다.
SLS는 실제 엔지니어링 열가소성 플라스틱과 유사한 경질 나일론 또는 엘라스토머 TPU 분말을 사용하므로 부품은 더 큰 인성과 정확성을 나타내지만 표면이 거칠고 미세한 디테일이 부족합니다. SLS는 대규모 제작 볼륨을 제공하고 고도로 복잡한 형상의 부품을 생산할 수 있으며 내구성 있는 프로토타입을 만들 수 있습니다.

장점
SLS 부품은 SLA 부품보다 더 정확하고 내구성이 있습니다. 이 프로세스는 복잡한 형상으로 내구성 부품을 만들 수 있으며 일부 기능 테스트에 적합합니다.

단점
부품은 거친 질감이나 모래 같은 질감을 가지며 공정에는 제한된 수지 선택이 있습니다.

3. 직접 금속 레이저 소결(DMLS)
DMLS는 금속 프로토타입과 기능성 최종 사용 부품을 생산하는 적층 제조 기술입니다. DMLS는 분무된 금속 분말의 표면에 그리는 레이저 시스템을 사용합니다. 그것이 그리는 곳에서는 분말을 고체로 용접합니다.
각 레이어 후에 블레이드는 새로운 파우더 레이어를 추가하고 이 과정을 반복합니다. DMLS는 대부분의 합금을 사용할 수 있으므로 프로토타입은 생산 구성 요소와 동일한 재료로 만들어진 완전한 기능의 하드웨어가 될 수 있습니다.
또한 제조 가능성을 염두에 두고 설계한 경우 필요한 경우 생산량을 늘릴 때 금속 사출 성형으로 전환할 가능성도 있습니다.

장점
DMLS는 기능 테스트에 사용할 수 있는 다양한 금속으로 강력한(일반적으로 97% 밀도) 프로토타입을 생산합니다. 구성 요소가 레이어별로 만들어지기 때문에 주조하거나 다른 방식으로 가공할 수 없는 내부 기능과 통로를 설계할 수 있습니다. 기계적 특성 부품은 기존의 성형 부품과 동일합니다.

단점
DMLS 부품을 몇 개 이상 생산할 경우 비용이 증가할 수 있습니다. 직접 금속 공정의 분말 금속 기원으로 인해 이러한 부품의 표면 마감이 약간 거칠습니다. 프로세스 자체는 상대적으로 느리고 일반적으로 값비싼 후처리가 필요합니다.

 

4. 융합 증착 모델링(FDM) 또는 재료 분사
이 저렴하고 사용하기 쉬운 프로세스는 대부분의 비산업용 데스크탑 3D 프린터에서 찾을 수 있습니다. 열가소성 필라멘트 스풀이 사용되어 압력 노즐 하우징에서 용융되어 생성된 액체 플라스틱이 컴퓨터 증착 프로그램에 따라 층별로 증착됩니다.
초기 결과는 일반적으로 해상도가 낮고 좋지 않았지만 이 프로세스는 빠르게 개선되고 빠르고 저렴하므로 제품 개발에 이상적입니다.
FDM은 열가소성 수지(ABS, 폴리카보네이트 또는 ABS/폴리카보네이트 블렌드)를 층으로 녹이고 재응고하여 완성된 프로토타입을 형성하는 압출 방법을 사용합니다. 실제 열가소성 수지를 사용하기 때문에 바인더 젯팅보다 강하고 기능 테스트에 사용이 제한될 수 있습니다.

장점
FDM 부품은 가격이 비교적 저렴하며 일부 기능 테스트에 적합할 수 있습니다. 이 프로세스는 복잡한 형상을 가진 부품을 만들 수 있습니다.

단점
부품의 표면 마감이 좋지 않아 파문 효과가 뚜렷합니다. 또한 SLA 또는 SLS보다 더 느린 추가 프로세스이며 기능 테스트에 대한 적합성이 제한적입니다.

5. 사출 성형
급속 사출 성형은 생산 사출 성형과 마찬가지로 열가소성 수지를 금형에 주입하여 작동합니다. 공정을 "신속하게" 만드는 것은 금형을 생산하는 데 사용되는 기술로, 주로 생산 금형에 사용되는 기존 강철 대신 알루미늄으로 만들어집니다.
성형 부품은 강하고 마감이 뛰어납니다. 또한 플라스틱 부품에 대한 업계 표준 생산 공정이므로 상황이 허용하는 경우 동일한 공정에서 프로토타이핑하는 고유한 이점이 있습니다.
거의 모든 엔지니어링 등급 플라스틱 또는 액체 실리콘 고무(LSR)를 사용할 수 있으므로 설계자는 프로토타이핑 프로세스의 재료 제한에 제약을 받지 않습니다.

장점
성형 부품은 다양한 엔지니어링 등급 재료로 만들어지고 표면 조도가 우수하며 생산 단계에서 제조 가능성을 잘 예측할 수 있습니다.

단점
어떤 적층 공정이나 CNC 가공에서는 발생하지 않는 급속 사출 성형과 관련된 초기 툴링 비용이 있습니다. 따라서 대부분의 경우 사출 성형으로 이동하기 전에 적합성과 기능을 확인하기 위해 1~2회의 신속한 프로토타입(감산 또는 추가)을 수행하는 것이 좋습니다.

6. 바인더 분사
이 기술을 사용하면 한 번에 하나 이상의 부품을 인쇄할 수 있지만 만들어진 부품은 SLS로 만든 부품만큼 강력하지 않습니다. 바인더 분사는 노즐이 미세 액체 방울을 분사하는 분말 베드를 사용하여 분말 입자를 함께 결합하고 부품의 층을 형성합니다.
그런 다음 각 층은 다음 분말 층이 적용되고 공정이 다시 시작되기 전에 롤러로 압축될 수 있습니다. 부품이 완성되면 오븐에서 경화시켜 바인더를 태우고 분말을 통합 부품으로 융합할 수 있습니다.

7. 폴리젯
Polyjet은 프린트 헤드를 사용하여 자외선을 사용하여 경화된 포토폴리머 수지 층을 차례로 스프레이합니다. 레이어가 매우 얇아서 해상도가 좋습니다. 재료는 부품 완성 후 제거되는 겔 매트릭스에 의해 지지됩니다. Polyjet으로 엘라스토머 부품이 가능합니다.

장점
이 프로세스는 가격이 적당하고 유연하고 단단한 재료로 오버몰딩된 부품의 프로토타입을 만들 수 있으며 다양한 색상 옵션으로 부품을 생산할 수 있으며 복잡한 형상을 쉽게 복제할 수 있습니다.

단점
Polyjet 부품은 강도가 제한되어(SLA와 유사) 기능 테스트에 적합하지 않습니다. PolyJet은 복잡한 형상의 부품을 만들 수 있지만 설계의 최종 제조 가능성에 대한 통찰력은 제공하지 않습니다. 또한 시간이 지남에 따라 빛에 노출되면 색상이 노란색일 수 있습니다.

 

래피드 프로토타이핑이 중요한 이유

빠르게 변화하는 현대 소비자 시장에서 기업은 경쟁력을 유지하기 위해 더 빠르게 신제품을 개발하고 출시해야 합니다. 더 빠른 제품 개발과 기술 혁신이 기업의 성공의 열쇠이기 때문에 신속한 프로토타이핑은 신제품 개발에서 가장 중요한 요소가 됩니다. 신속한 프로토타이핑을 통해 다음 목표를 달성합니다.

▷ 더 빠른 신제품 개발 - 프로토타이핑은 신제품 개발 프로세스를 가속화하기 때문에 성공적인 제품을 만드는 과정에서 중요한 역할을 합니다.
▷ 디자인의 형태, 핏, 기능에 대한 초기 디자인/컨셉 검증
▷ 기술 요구 사항 및 비즈니스 목표에 대한 최종 단계 제품 검증
▷ 기능 테스트를 통해 개념의 목표를 테스트하고 사양을 완성할 수 있습니다.
▷ 프로토타입은 최종 사용자, 클라이언트, 고객, 사용자 참가자에게 피드백을 얻을 수 있는 실습 사용자 경험을 제공합니다.

 

래피드 프로토타이핑의 장점

▷ 설계 및 개발 시간 단축
▷ 전체 제품 개발 비용 절감
▷ 위험 제거 또는 감소
▷ 기능 테스트 허용
▷ 사용자 참여 개선 및 증가
▷ 인적 요소 및 인체 공학을 평가하는 능력

 

래피드 프로토타이핑의 단점

▷ 정확도 부족
▷ 추가된 초기 비용
▷ 일부 신속한 프로토타이핑 프로세스는 여전히 비용이 많이 들고 경제적이지 않습니다.
▷ 표면 마감 및 강도와 같은 재료 속성은 일치할 수 없습니다.
▷ 숙련된 노동력이 필요합니다
▷ 사용할 수 있는 재료의 범위가 제한됨
▷ 프로토타입을 만들 수 없기 때문에 일부 주요 기능을 간과합니다.
▷ 최종 사용자 혼란, 완료된 프로젝트로 착각하는 고객/개발자가 사용자 목표에 대한 오해