제조 보조 도구는 생산 및 조립 공정에서 사용되는 지그, 고정구, 게이지, 템플릿, 로봇 팔 끝단 공구(EOAT)와 같은 도구들을 말합니다. 이는 최종 사용이나 고객에게 제공되는 부품이 아니라, 공장 현장의 정밀도, 반복성, 안전성 및 효율성을 향상시키기 위해 설계된 공정 전용 도구입니다. 전통적으로 제조 보조 도구는 금속을 가공하여 제작되었으나, 현대적인 제조 보조 도구는 경량화를 달성하고 복잡한 형상을 구현하며, 소량 생산이나 요구 사항이 빈번하게 변경되는 경우 비용과 리드 타임을 줄이기 위해 3D 프린팅으로 제작되는 경우가 점점 늘고 있습니다.
주요 제조 보조 장비의 유형으로는 지그, 고정구, 게이지, 템플릿, 로봇 팔 끝단 공구(EOAT), 조립 보조 장비 및 성형 공구가 있습니다.
각 제조 보조 도구는 수행해야 할 특정 역할이 있습니다. 공구를 안내하거나, 부품을 제자리에 고정하거나, 치수를 확인하거나, 자동화를 지원하거나, 조립 오류를 방지하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이들은 일관성을 높이고, 품질 관리를 지원하며, 생산이 원활하게 진행되도록 돕습니다. 몇 가지 일반적인 예를 살펴보겠습니다.
지그는 절삭 공구나 드릴 공구를 안내하여 매번 동일한 위치와 각도에서 작업이 이루어지도록 합니다.
드릴 지그가 좋은 예입니다. 전통적으로 경화 처리된 드릴 지그를 가공하는 데는 수주가 소요될 수 있습니다. 부품 설계가 변경되면 재작업으로 인해 비용과 지연이 발생합니다. 적층 제조를 활용하면 복잡한 형상, 통합 부싱, 인체공학적 기능을 몇 시간 만에, 때로는 단일 부품으로 출력할 수 있습니다.
고정구는 부품을 제자리에 고정합니다. 공작물 고정 장치는 가공, 용접 또는 조립 과정에서 부품을 안정적으로 고정합니다.
하지만 기존 방식으로 제작할 경우 공급업체의 리드 타임이 길어지고, 작업자의 피로와 부담을 유발하는 무거운 강철 공구가 사용되며, 변경이 필요할 때 비용이 많이 드는 재설계가 수반되는 경우가 많습니다.
반면, 3D 프린팅으로 제작된 고정구는 기계 가공된 금속 제품에 비해 무게를 50~80%까지 줄일 수 있습니다. 이를 통해 자재 취급, 전환 속도 및 작업자 안전이 향상됩니다.
전담 CAD 전문가가 없는 팀의 경우, GrabCAD Fixturemate를 사용하면 지그 설계를 훨씬 간단하게 할 수 있습니다. 이 도구를 사용하면 고급 CAD 설계 기술 없이도 맞춤형 지그를 빠르게 제작할 수 있습니다.
게이지 및 검사 고정구는 치수 정확도와 반복성을 측정합니다. 이는 구멍 직경, 나사산, 표면 높이 또는 여러 특징을 동시에 측정할 수 있습니다.
소량 생산이나 신제품 출시의 경우, 프로그램의 수명을 고려할 때 알루미늄 검사 게이지와 고정구를 기계 가공하는 것은 지나친 투자일 수 있습니다. 3D 프린팅을 사용하면 맞춤형 게이지의 생산 속도를 훨씬 높일 수 있으며, 특히 기계 가공하기 까다로운 복잡한 형상의 경우 더욱 그렇습니다.
템플릿은 표시, 트리밍, 드릴링, 라우팅 또는 정렬에 사용되는 간단한 위치 지정 도구입니다. 이는 고정밀 물리적 부품이 필요한 제작, 복합 재료, 판금, 목공 및 대형 조립 분야에서 흔히 사용됩니다.
전통적으로 템플릿은 알루미늄, 강철 또는 복합 보드로 절단됩니다. 따라서 소량 생산이나 대형 부품의 경우, 기계 가공은 시간이 많이 소요되고 재료 낭비가 심할 수 있습니다.
적층 제조를 활용하면 대형 사이즈의 템플릿도 신속하게 제작할 수 있으며, 복잡한 윤곽, 정렬 마킹 및 부품별 형상도 쉽게 구현할 수 있습니다.
로봇 팔 끝단 공구(EOAT)는 그리퍼, 진공 공구, 기계식 핑거 또는 맞춤형 집게 장치와 같이 로봇에 장착되어 부품과 실제로 상호 작용하는 하드웨어입니다. 자동화 환경에서 EOAT는 생산 사이클 시간, 중량 제한 및 가동 시간에 직접적인 영향을 미칩니다.
전통적으로 EOAT는 알루미늄을 가공하여 여러 부품으로 조립됩니다. 내구성은 뛰어나지만, 필요한 것보다 무거운 경우가 많습니다.
적층 제조를 활용하면 공작물과 로봇을 동시에 고려하여 툴을 설계할 수 있습니다. 무게를 줄여 로봇의 부하를 경감하고, 내부에 진공 채널을 통합하며, 여러 부품을 하나의 구조물로 결합하고, 복잡한 형상에 맞춰 접촉면을 성형할 수 있습니다.
EOAT의 무게가 가벼워지면 로봇에 가해지는 부하가 줄어들어 가속 성능이 향상되고 장기적으로 마모가 감소할 수 있습니다.
조립 보조 장치는 수동 또는 반자동 조립 과정에서 작업자를 지원합니다.
이 도구들은 체결 시 부품을 제자리에 고정하거나, 부품이 잘못 설치되지 않도록 방향을 강제하거나, 배선이나 튜브를 안내하거나, 다단계 조립 순서를 지원할 수 있습니다.
바쁜 공장 현장에서는 사소한 실수가 누적될 수 있으므로, 조립 보조 도구는 작업자의 기억이나 체크리스트에 의존하기보다는 잘못된 조립을 물리적으로 방지하기 위해 포카요케(일본어로 "실수 방지") 원칙에 따라 설계되는 경우가 많습니다.
우리는 가공된 조립 고정구가 일반적으로 처리하는 하중에 비해 과도하게 제작되는 경우가 많다는 것을 발견했습니다. 적층 제조를 사용하면 정확한 부품 형상에 맞춰 가볍고 인체공학적인 도구를 더 쉽게 설계할 수 있어 시간, 재료비 및 작업자의 피로를 줄일 수 있습니다.
성형 공구에는 소프트 조, 벤딩 공구, 트림 고정구, 레이업 금형, 열성형 공구 및 기타 부품 성형 보조 도구가 포함됩니다.
대량 생산에서는 수백만 회 사이클을 견딜 수 있도록 제작된 경화강 공구가 여전히 적합합니다. 하지만 모든 작업이 그 규모로 진행되는 것은 아니며, 소량 생산, 브리지 툴링, 시제품에서 양산으로의 전환, 또는 형상이 지속적으로 변경되는 프로그램의 경우, 완전히 경화된 공구를 기계 가공하는 것은 시간과 예산을 낭비할 수 있습니다.
적층 제조는 다음과 같은 용도로 점점 더 많이 사용되고 있습니다:
3D 프린팅은 속도가 빠르고, 공구 형상을 부품에 정밀하게 맞출 수 있으며, 신속하게 반복 작업을 수행할 수 있고, 초기 단계에서 금속 공구에 과도한 투자를 피할 수 있다는 장점 덕분에 매력적인 대안입니다.
제조 보조 도구는 조립, 가공, 검사, 용접, 포장, 자재 취급 및 로봇 자동화 등 다양한 분야에서 사용됩니다. 이러한 도구는 작업의 반복성을 보장하고, 불량품을 줄이며, 사이클 타임을 관리하고, 생산 현장의 원활한 운영을 유지합니다. 적층 제조를 통해 생산할 경우, 납품 기간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라 생산 요구 사항의 변화에 따라 신속하게 대응할 수 있습니다.
조립 라인에서는 반복성이 매우 중요합니다. 지그와 공작물 고정 장치는 부품을 일관되게 위치시켜 작업자가 추측 없이 부품을 조이거나 접착, 조립할 수 있도록 합니다. 부품이 올바르게 고정되면 사이클 타임이 안정화되고 편차가 줄어듭니다.
기존 가공 방식의 과제는 속도입니다. 신제품 변종이 출시되거나 구멍 배열이 변경되면, 고정 장치를 재가공하거나 교체해야 할 수 있습니다. 적층 제조를 활용하면 조립 보조 도구와 고정 장치를 신속하게 업데이트할 수 있어 가동 중지 시간을 줄이고 라인의 원활한 운영을 유지할 수 있습니다.
검사 지그와 게이지를 통해 부품이 치수 요구 사항을 충족하는지 확인합니다. 검사 공구 제작이 지연되면 검증 속도가 느려지고 초기 생산 단계에서는 수동 측정에 더 많이 의존하게 됩니다.
적층 제조를 활용하면 복잡한 형상의 검사 지그라도 몇 주가 아닌 며칠 만에 제작할 수 있습니다. 이는 검증 속도 향상, 뛰어난 일관성 확보, 치수 문제의 조기 탐지로 이어집니다. 발레오(Valeo)의 경우, 검사 시간을 25분에서 단 20초로 단축했습니다.
고정 장치와 강성 패턴은 용접 또는 접착 과정에서 부품을 올바른 위치에 고정합니다. 부품이 이동하거나 잘못 배치되면 변형, 정렬 불량 및 재작업이 발생하게 됩니다.
기존의 용접 또는 기계 가공된 고정 장치는 내구성이 뛰어나지만, 대개 무겁고 제작에 시간이 오래 걸립니다. 3D 프린팅으로 제작된 위치 조정 도구는 훨씬 더 빠르게 제작할 수 있으며, 더 가볍고 다루기 쉽게 설계되었습니다.
소량에서 중량 생산 작업의 경우, 이를 통해 정확도를 유지하면서도 셋업 시간을 단축하고 툴링 비용을 절감할 수 있습니다.
가공을 중심으로 운영되는 작업장에서도 제조 보조 도구는 중요한 역할을 합니다. 소프트 조, 드릴 지그 및 맞춤형 공작물 고정 장치는 CNC 가공 및 2차 공정 동안 부품을 안정적으로 고정합니다. 이러한 도구의 제작이 지연되면 기계가 가동되지 않거나 작업자가 임시방편으로 대처해야 합니다.
적층 제조를 활용하면 소프트 조와 드릴 가이드를 몇 주가 아닌 며칠 만에 신속하게 생산할 수 있습니다. 이를 통해 내부 공구 제작 대신 생산 부품에 CNC 용량을 할당할 수 있어 병목 현상을 줄이는 데 도움이 됩니다.
제조 보조 도구는 공정 간에도 사용되며, 여기에는 자재 취급, 운송 및 포장 과정에서 부품을 보호하는 맞춤형 트레이, 네스트 및 지지대가 포함됩니다.
적층 제조를 통해 부품의 정확한 형상에 딱 맞는 경량 맞춤형 지지대를 더 쉽게 제작할 수 있습니다. 이는 보호 기능을 향상시키고 낭비를 줄여줍니다.
자동화 셀에서 EOAT(End-of-Arm Tooling)는 부품을 단단히 잡아야 하며 하루에 수천 번 같은 동작을 반복해야 합니다.
전통적으로 EOAT는 알루미늄으로 가공되는데, 성능은 좋지만 필요 이상으로 무거울 수 있습니다. 적층 제조를 통해 툴을 부품의 형상에 정확히 맞추고, 종종 더 가볍게 제작할 수 있습니다.
공구 무게가 가벼워지면 로봇에 가해지는 부하가 줄어듭니다. 고속 셀의 경우, 이는 동작 성능을 향상시키고 장기적으로 시스템에 가해지는 부담을 줄이는 데 도움이 됩니다.
3D 프린팅으로 제작된 현대식 제조 보조 도구는 생산 효율을 높이고, 정밀도를 향상시키며, 인적 오류를 줄이고, 안전성을 강화하며, 금형 비용을 절감하고, 설계 변경에 더 빠르게 대응할 수 있게 해줍니다.
공장 현장의 모든 기계 가공 공구를 교체하라는 것은 아닙니다. 대량 생산, 고온 환경, 또는 극한의 하중이 가해지는 용도에는 여전히 경화강과 알루미늄이 적합합니다. 하지만 적층 제조를 활용하면, 공구를 구하는 데 6주가 걸렸다는 이유로 공구를 보호하는 대신, 단 몇 시간만 투자하여 공구를 더 정밀하게 다듬어 성능과 적합성을 높일 수 있습니다.
적층 제조 금형에 대한 가장 큰 반대 의견 중 하나는 소재의 강도 문제입니다. 실제로 모든 금형 용도에 알루미늄이나 강철이 필요한 것은 아닙니다. 많은 제조 보조 도구는 최대 인장 강도보다는 강성을 중시하며, 엔지니어링 등급 폴리머와 탄소 섬유 강화 소재는 실제 생산 현장에서 필요한 강성, 내충격성 및 열적 안정성을 제공합니다. 핵심은 무조건 금속을 선택하는 대신 용도에 맞는 소재를 선정하는 것입니다.
3D 프린팅 금형은 표준 열가소성 수지, 엔지니어링 등급 폴리머, 고성능 복합재, 유연성 소재, 생산용 레진 등 다양한 소재를 사용하여 제작할 수 있습니다. 최적의 소재 선택은 기계적 하중, 노출 온도, 내화학성, 그리고 생산 현장에서 요구되는 내구성에 따라 달라집니다.
표준 열가소성 수지는 경량 제조 보조 도구로 이상적인 경우가 많습니다.
ABS, ASA 또는 표준 나일론과 같은 소재는 조립 보조 도구, 중간 하중용 드릴 지그, 템플릿 및 경질 패턴, 기본 검사 고정구, 트리밍 및 라우팅 가이드에 일반적으로 사용됩니다.
기계적 응력이 제한적이고 열 노출이 적은 공구의 경우, 표준 열가소성 수지가 충분하며, 제작 시간이 짧고 재료비가 저렴하여 소량 생산이나 지속적으로 발전하는 프로그램에 적합합니다.
FDM 기술을 사용하면 강화 나일론과 같은 엔지니어링 등급 폴리머 및 기타 소재를 얻을 수 있어, 이는 기존 기계 가공을 대체할 수 있는 강력한 대안이 됩니다. 이 소재들은 높은 강성 대 중량 비율, 강력한 내충격성, 우수한 피로 성능, 내화학성 및 뛰어난 치수 안정성을 보여줍니다.
따라서 이러한 소재는 공작물 고정 지그, 구조 조립 지그, CNC 소프트 조, 생산용 드릴 지그 또는 대형 제조 보조 도구 제작에 특히 적합합니다.
다수의 문서화된 툴링 적용 사례에서, 기업들은 가공된 알루미늄 지그를 FDM으로 제작된 대체품으로 교체했을 때 최대 70%의 비용 절감과 리드 타임을 몇 주에서 며칠로 단축했다고 보고합니다.
오븐이나 고온 경화 공정 근처에 위치하지 않는 대부분의 구조용 공구의 경우, 이 범주는 광범위한 사용 사례를 포괄합니다.
열, 화학 물질 노출 또는 기계적 응력이 증가할 때 고성능 열가소성 수지가 그 진가를 발휘합니다. 수지 및 첨단 고성능 폴리머와 같은 소재는 높은 열변형 온도, 강력한 기계적 특성, 뛰어난 내화학성 및 장기적인 내구성을 제공합니다.
이로 인해 공장 현장, 특히 다음 용도에 이상적입니다:
복합 재료, 특히 탄소섬유 강화 폴리머는 강성이 뛰어나 적층 제조 공구 제작에 널리 사용됩니다. 이러한 재료는 뛰어난 강성, 낮은 처짐, 그리고 금속에 비해 상당한 경량화 효과를 제공하므로 대형 공작물 고정 장치, 장스팬 공구, EOAT 및 로봇 그리퍼에 점점 더 많이 채택되고 있습니다.
강도보다 강성이 더 중요한 경우, 복합 재료가 종종 최상의 재료 선택이 됩니다.
유연한 소재는 공구가 경직된 접촉 대신 제어된 유연성을 필요로 할 때 사용됩니다. 이러한 소재는 일반적으로 완성된 부품이 긁히거나 손상될 수 있는 그리퍼 패드, 보호 인터페이스 및 부품 접촉면에 적용됩니다.
진동을 흡수하고 압력을 더 고르게 분산함으로써, 이러한 소재는 외관상의 결함과 불량품을 줄이는 데 도움이 됩니다. PolyJet용 ToughONE과 같은 내구성 있는 소재는 정밀한 디테일과 향상된 인성을 결합하여 정밀 검사 고정구 및 혼합 소재 제조 보조 도구로 적합합니다.
표면 마감과 치수 정밀도가 가장 중요한 경우 생산용 레진 및 포토폴리머가 사용됩니다. 이 소재들은 검사 지그, 측정 게이지, 미세 구조 드릴 가이드, 그리고 복잡한 형상을 검증해야 하는 공구에 매우 적합합니다.
산업용 SLA 플랫폼과 같은 고해상도 시스템은 매끄러운 표면과 엄격한 공차를 갖춘 대형 정밀 공구를 제작할 수 있습니다. 품질 검사 응용 분야에서는 이러한 수준의 디테일과 반복성이 최대 구조적 강도보다 더 중요한 경우가 많습니다.
