고퀄리티와 납기 단축의 두마리 토끼를 잡은, 누유방지 트레이

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기계 / 산업
♦ 제품용도 : 사내벤처 제품개발 전시목업
♦ 제조방식 : 3D프린팅(SLA, FDM, MJP), CNC, ABS 계열
♦ 중점사항 : 리드타임 단축을 위한 병렬 공정

목차

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• 제작 배경
•   1. 제작 상황
•   2. 제품 용도
   
• 제작 과정
•   1. 3D 모델링
•   2. 목업 제작
•   3. 도색

• 제작 결과
•   1. 최종 제품
•   2. 제품 활용
   
• 마치며

 

제작 배경

한국전력공사의 의뢰를 받아 누유 방지 트레이 디자인 목업을 제작했습니다.

누유 방지 트레이는 폐변압기의 절연유를 안전하게 처리하기 위한 제품으로, 광주에서 개최되는 빛가람 국제전력기술 엑스포(이하 BIXPO)에 출품하기 위하여 신속한 제작을 필요로 했습니다.

 

1. 제작 상황

원래 대회 출품 용도 목업의 경우에는 마감일을 빠듯하게 잡고 문의 주시는 경우가 많습니다. 그러나 이번에는 소형 샘플 3세트를 모델링, 프린팅, 후가공, 도색까지 진행해야 하는 건임에도 마감 기한이 기존 제작 기간의 반절에 달했습니다. 다시 말해 촉박한 일정을 맞추면서 퀄리티도 모두 챙겨야 하는 상황이었습니다.

 

작업 진행 과정

목표 달성을 위해 특별히 신경을 기울여 맞춤 솔루션을 제공했습니다. 사진만으로 3D모델링을 완료하고, 각 부품의 특성에 맞는 공정을 선별했습니다. 적합한 ABS 블럭을 시간 내에 확보하고, 원통 형상의 투명한 커버를 위해 아크릴을 재단했습니다. 전시 퀄리티를 위해 여러 단계의 표면 처리 과정을 거쳤으며, 의뢰 기업의 목적에 맞는 색상과 체결 방법 등을 제안했습니다.

그렇게 공정을 최적화한 끝에 2개 아크릴 커버, 3개의 변압기와 누유방지 트레이 모형을 제작 납품한 건입니다.

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2. 제품 용도

변압기의 폐절연오일(이하, 폐오일)은 본래 절연유입니다. 전기가 손실되지 않도록 돕는 동시에 변압기가 과열되지 않도록 냉각을 돕는 역할을 하는 물질입니다. 유용하게 사용되던 폐오일이 문제가 되는 이유는 바로 환경적 노출 때문입니다.

폐오일은 누유되는 순간 환경 오염을 발생시킵니다. 절연유로 사용하던 치명적인 발암물질 폴리염화비페닐류(PCBs)이 그 예시 중 하나입니다. 인체에 유해한 물질이기에 수거와 보관에 각별한 주의를 기울여야 함에도 불구하고, 기존에는 폐변압기 수거 후에 폐오일이 바닥에 스며들 때까지 방치하는 경우가 많았습니다.

폐변압기 절연유 누출 사진

의뢰 기업은 위험도가 높은 폐오일 노출을 방지하고자 했습니다. 그래서 기존 트레이를 대체할 누유방지 트레이를 제작하고자 하는 아이디어를 내셨습니다. 폐변압기를 수거하는 과정에서부터 작업자의 안전을 보장하고, 보관 과정에서는 환경을 보호할 수 있도록 폐오일의 노출을 최소화할 수 있는 실용적인 방안이었습니다.

이 아이디어를 실제 제품 양산으로 옮기기 위해서는 대회에서 좋은 평가를 받아야 했습니다. 그러나 막상 기한 내에 좋은 퀄리티의 전시 물품을 제작할 방안을 찾지 못해 어려움을 겪고 계셨습니다.

한양3D팩토리는 의뢰 기업의 목표를 확인하고, 빠른 마감과 퀄리티, 두 마리의 토끼를 잡는 솔루션을 제공드렸습니다.

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제작 과정

1. 3D 모델링

3D 프린팅은 2D 도면이 아닌 3D 모델링을 바탕으로 제품을 제작합니다. 설계에 들어가기 전, 의뢰 기업은 아이디어와 기존 변압기 사진 자료를 제공해 주셨습니다. 일반적인 제작의 경우에는 사진만으로 제작을 진행하기가 어려운 편이지만, 한양3D팩토리는 설계 인프라를 갖추고 있기에 실물 제품과 2D 도면은 물론, 사진만으로도 역설계 서비스를 제공하고 있습니다.

이번 의뢰 기업도 이러한 설계 능력을 기대하고 연락을 주셨으나, 변압기 자체가 복잡한 생김새를 지니고 있는 물품인지라 사진만으로 변압기 세부 치수를 가늠하기에는 어려움이 있었습니다.

이에 유관 제품 구성도를 참고하여 해당 규격을 기반으로 삼기로 결정했습니다. 다양한 변압기 중 제공받은 사진과 가장 비례가 유사한 변압기를 선정하고, 그 도안을 참고하여 3D 모델링에 착수했습니다. 이처럼 레퍼런스를 골라 각 부분의 비율을 참고하고 작업을 진행하면 더욱 실물에 가까운 설계를 진행할 수 있습니다.

 

1) 참고 자료

개발 제품 구성 품목 구조도

유관 제품 구성 품목의 세부 구조도입니다. 비율은 구조도를 참고하되, 전체적인 외관이 제공받은 변압기와 동일할 수 있게끔 모델링 제작에 주의를 기울였습니다. 또 모형이니만큼 실제 제품보다 작은 스케일로 제작해야 하는 점도 염두에 뒀습니다.

변압기는 거리에서 쉽게 볼 수 있는 주상변압기의 형태를 하고 있습니다. 전봇대에 서너 개씩 위치해 있는 일반적인 변압기와 같은 제품입니다. 구성을 보자면 변압기, 방열판, 부싱, 연결 고리로 구성되어 있습니다. 부싱은 상판 위에 위치한 검은 주름관을 의미하며, 전기가 통하지 않도록 하는 절연 부품입니다.

 

2) 모델링 과정

전체 모델링

변압기 및 누유방지 트레이 3D 모델링

각각의 파트를 분할하여 모델링을 진행한 후 완성 제품까지 어셈블 작업을 해준 모습입니다. 각각의 부품을 3D프린팅에 최적화된 형태로 제작해야 재료와 시간 낭비를 줄일 수 있습니다. 특히나 해당 제품처럼 단면을 보여주는 제품일수록 단면도 및 다각도 검토가 필요합니다. 결과물의 형태를 예상하고 제작 단계에서 문제될 만한 부분은 없는지 확인하는 과정을 거칩니다.

만약 검토 과정에서 단면도에서 타공이나 부착면이 잘 보인다면 어셈블된 모델링 파트 위치를 변경하거나 설계를 고민하는 등 추가적인 수정에 돌입하게 됩니다.

 

누유방지 트레이

누유방지 트레이 3D 모델링 상세

가장 중요한 트레이의 경우 누유된 폐오일이 담기도록 중앙 거름망 쪽으로 테이퍼를 주고, 우하단 수도꼭지로 내부 폐오일을 빼내는 방식으로 설계했습니다. 육안으로 확인하기 힘든 미세한 경사를 따라 폐오일이 흘러 가면, 추후 타공을 진행할 중앙 부분에 도달할 수 있게끔 구현했습니다. 중앙에 도착한 오일들은 구멍을 통해 트레이 내부의 공동으로 모입니다. 이렇게 모인 오일은 트레이 옆에 달릴 밸브로 안전하게 수거하는 구조입니다.

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2. 목업 제작

본래 하나의 제품에 여러 제작 방식을 사용하는 경우는 많지 않습니다. 합리적인 가격대의 제작과 일관성 있는 품질을 위해 가장 적합한 제작 방식을 추천 드리곤 합니다.

다만 이번 같은 경우는 마감일을 반으로 줄여야 하는 특수 상황에 더하여 도색, 조립 검토 등의 후처리 과정이 남아 있었습니다. 투명한 커버를 이용해 전체적인 변압기의 구조를 보여주는 목업이 존재해야 했고, 반으로 갈라 내부를 보여주는 단면도 목업 또한 필요했습니다. 그래서 다양한 요구 사항에 부응하기 위해 병렬 공정을 진행하는 쪽으로 솔루션을 제공했습니다.

 

1) FDM

 

변압기 방열판은 FDM으로 생산했습니다. 방열판은 변압기의 양 옆에 붙는 평평한 부품입니다. 사이드에 붙는 단순한 판 형상 부품으로 여러 장을 출력해야 하고, 관람객의 시선이 잘 닿지 않을 부분에 위치하고 있기 때문에 FDM 방식을 제안드렸습니다.

FDM 방식으로 생산한 제품은 표면 퀄리티가 비교적 러프한 대신 빠른 생산이 가능하다는 장점을 지니고 있습니다. 마침 형상도 복잡하지 않아, 샌딩 이후에는 퀄리티 차이가 크지 않을 것을 고려해 이 공법을 선택했습니다.

2) SLA

 

세부 부품과 트레이 본품 등 복잡한 형상을 가진 부품은 SLA 방식으로 제작했습니다. 타 방식보다 정교한 출력에 유리하여 추천을 드렸습니다. 일반적인 경우였다면 제품 전체를 해당 방식으로 출력했을 테지만, 이번은 특수한 상황이기에 마감 기간에 맞출 수 있는 일부 부품만 선택하여 진행했습니다.

SLA로 출력한 제품은 표면이 매끄럽고 섬세해 디자인 목업에 적합합니다. 빠르게 섬세한 디자인의 제품을 구현할 수 있어 의료기기나 시제품, 디자인 목업에 주로 추천하는 공법입니다.

3) CNC

 

시간 내에 제작물을 만들기 위해서는 장비를 분산하여 운용해야 했습니다. 그래서 변압기의 헤드 부분은 NC라우터로 ABS 블록을 가공해 구현했습니다. 변압기 헤드는 비교적 형상이 단순하면서, 방열판보다는 시선이 잘 닿는 부분에 위치한 부품입니다.

NC라우터는 CNC의 일종으로 드릴 헤드를 이용하여 깎아내는 방식입니다. 3D 프린터와는 달리 복잡한 형상을 제조하기 어렵지만, 단순한 형상 구현에 있어서는 비교적 속도가 빠른 편입니다.

그 밖에도 투명한 커버는 레이저 커터로 아크릴을 커팅해 구현하는 등 가능한 방식을 총동원해 의뢰 기업이 원하는 결과물을 얻을 수 있도록 조치했습니다.

아크릴을 제외한 모든 공정의 재료는 가급적 부품 간의 퀄리티 차이를 줄이고자 결과물 차이가 크지 않도록 ABS로 통일했습니다. ABS는 후처리가 쉬운 장점을 가지고 있어 깔끔한 형상 구현에 많이 사용되는 물질입니다. 이를 바탕으로 전자 제품 관련 부품, 피규어 등 여러 목적으로 광범위하게 사용되고 있습니다. [ABS 계열 소재 알아보기]

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3. 도색

도색 과정은 샌딩 작업, 퍼티 작업, 서페이서 작업, 도색 작업, 이렇게 네 단계로 진행됩니다.

앞선 세 단계는 표면 정리 과정으로 묶을 수 있습니다. 해당 의뢰에서는 대회 출품을 위해, 참관객에게 신뢰성을 줄 만한 퀄리티의 제품을 원하셨습니다. 그렇다 보니 여러 단계의 표면 정리 과정을 진행하며 제작에 더욱 공을 들였습니다.

 

표면 정리 과정을 진행하는 이유

샌딩, 퍼티 도포, 서페이서 도포에 이르는 표면 정리의 목적은 도색 이전 출력물의 표면을 고르게 다듬는 작업입니다. 처음 3D 프린팅을 이용해 뽑은 제품은 정밀하고 복잡한 형상이 구현되어 있는 대신, 지지대가 붙어 있거나 표면이 고르지 못한 경우가 많습니다.

즉, 상기 단계를 진행함에 따라 제품의 표면 퀄리티가 점진적으로 개선됩니다. 시제품이나 목업 수준에서는 표면 정리를 많이 진행하지 않아도 사용에 지장이 없는 경우가 있습니다. 반면 해당 제품과 같은 전시용 목업이나 실사용 제품의 경우에는 표면 정리에 더욱 공을 들여야 합니다.

 

표면 정리 작업 진행 과정 (방열판, FDM)

특히 FDM의 경우 타 출력 방식에 비해 적층 레이어가 잘 나타나는 경향이 있습니다. FDM은 플라스틱 필라멘트를 녹여 고르게 층을 쌓는 3D 프린팅 방식입니다. 그래서 다른 방식에 비해 층과 선 모양이 상대적으로 두드러지는 출력물을 보여줍니다. 그대로 도색에 들어가면 도료가 고르게 도포되지 못할 수 있기 때문에, 일정한 수준의 표면 퀄리티를 위해서는 표면 정리 과정을 필수적으로 진행해야 합니다.

반대로 표면이 너무 매끄러울 경우에도 도장면이 표면에서 떨어질 수 있다는 문제가 발생합니다. 어느 한쪽의 극단으로 치우친 표면은 추후 도색의 질을 떨어뜨릴 수 있습니다. 균힐한 표면 조도를 유지하는 게 무엇보다 중요하기에, SLA 방식 출력물과 투명 아크릴 커버에도 표면 정리 과정을 적용했습니다.

 

1) 샌딩

샌딩은 제품의 거친 정도를 조절하는 작업입니다. 각 출력물에 맞는 거칠기의 사포를 이용해 거친 면부터 부드러운 면으로 샌딩 도구를 바꾸어가며 여러 번 샌딩을 진행했습니다. 이어질 도색 과정에 앞서 서포터가 붙어 있는 출력물에서는 지지대를 제거하고, 특별히 모난 부분이 있다면 사포로 갈아냅니다. 이 과정에서 서포터 제거 흔적 외에도 출력물 표면에 있는 적층무늬 등의 요철을 일차적으로 제거하고, 대략적인 거칠기를 맞춥니다.

다른 표면 처리 작업 후 다시금 샌딩 작업을 하는 경우가 있습니다. 이번 사례와 같이 후처리에 공을 들이는 경우 샌딩 작업은 한 번으로 끝나지 않으며 통상 600방 정도까지 샌딩을 진행합니다.

※ 방: 사포 표면의 거친 정도를 나타내는 단위입니다. 숫자가 클수록 표면이 부드럽습니다.

 

2) 퍼티 작업

퍼티 작업으로 샌딩 이후에도 혹시 남아있을지 모르는 미세한 요철을 메웠습니다. 작업에 앞서 점토와 비슷한 질감을 가진 퍼티가 조금 더 바르기 편한 질감이 되도록 농도를 조절했습니다. 그 뒤 가능한 고르게 발라지도록 신경써서 칠하고 말렸습니다. 퍼티가 마른 후에는 표면의 두께를 다시 균일하게 만들기 위해 샌딩을 진행했습니다.

퍼티는 접합제의 일종이지만, 무언가를 붙이는 용도라기보단 틈을 메꾸는 역할에 가깝습니다. 샌딩과 달리 튀어나온 부분을 갈아낸다기보단, 들어간 부분을 채워 채색에 적합한 환경을 조성하는 작용을 합니다.

 

3) 서페이서

마지막으로 서페이서를 뿌려 퍼티가 긁힌 자국 등을 가리고 점착성을 높일 준비를 했습니다. 서페이서가 골고루 살포되어, 퍼티 작업으로 인해 생긴 얼룩덜룩한 표면 색상을 정리해줄 수 있도록 작업을 진행했습니다.

서페이서는 이후의 채색이 쉬워지도록 돕는 락카 계열의 도료입니다. 1000방 정도의 고운 입자감과 우수한 도료 안착성을 가지고 있습니다. 퍼티와 마찬가지로 표면의 두께를 미세하게 다르게 만들기 때문에, 이 사례와 달리 제품 일부에만 서페이서를 도포하는 경우에는 추가적인 샌딩을 진행해줘야 합니다.

 

이렇게 서페이서까지 도포가 완료되면 도색을 위한 준비가 끝났다고 볼 수 있습니다.
 

4) 도색

표면 정리 과정이 끝나고 도색에 착수했습니다. 에어브러시를 이용해 도료를 표면에 도포해주면 육안으로는 소재를 유추할 수 없을정도로 제품 표면을 아주 매끄럽게 구현할 수 있습니다.

에어브러시로 도료를 도포하면 도료가 미세한 입자로 균일하게 분포되기 때문에, 고른 표면 분포를 기대할 수 있습니다. 도료를 붓 대신 스프레이를 사용하여 칠하는 과정이라고 보면 이해하기 쉽습니다.

 

누유방지 트레이

누유방지 트레이가 제품의 핵심을 담당하는 만큼, 의뢰 기업은 시선을 끌면서도 안전 장비의 느낌을 주는 색상을 원하셨습니다. 그래서 두 가지 조건을 모두 충족하는 노란 색상을 선정하고 추천 드렸으며, 컨펌을 받아 그대로 진행했습니다. 도색 과정 중에도 눈에 띄는 트레이의 노란색을 확인하실 수 있습니다.

 

트레이 커버

개발제품의 덮개 부분을 담당할 아크릴 원통은 전봇대와 동일한 회색 색상으로 도색을 진행했습니다. 원통의 절반은 내부 구조물이 보일 수 있도록 투명하게 유지해야 하기에 마스킹 테이프를 활용했습니다. 절반이 되는 지점을 계산하여 마스킹 테이프를 부착하고, 목표 지점에서 테이프로 약간 침범할 정도의 범위에 도색을 진행했습니다. 이후 마스킹 테이프를 제거해 깔끔하게 마감했습니다.

 

세부 부품

메탈릭 컬러를 사용하여 수도꼭지와 같은 금속 질감을 구현했습니다. 고퀄리티 결과물을 위해서는 꼼꼼한 표면 정리 과정이 선행되어야 합니다. 더불어 에어브러시를 다루는 요령이 있어야 노즐이 막히거나 고르게 분사되지 않는 등의 문제를 피할 수 있습니다. 이번 사례는 전담 인력이 말끔하게 도색을 완료한 걸 확인하실 수 있습니다.

 

CI 시그니처

CI 시그니처 마스킹 작업은 앞서 마스킹 테이프를 붙이고 진행했던 변압기 커버와 똑같은 원리로 진행했습니다. 먼저 제공 받은 CI 시그니처를 사이즈에 맞게 인쇄했습니다. 이를 오려내고 마스킹 된 부분에 색을 입힌 다음 작업을 완료했습니다. 시그니처 색상에 맞춰 도료를 준비하고, 흰색, 적색, 청색 순으로 도색을 진행했습니다.

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제작 결과

1. 최종 제품

 

누유방지 트레이 완성품

설계부터 제품 완성까지 의뢰 기업과 함께하며 완성한 누유방지 트레이입니다. 제품 퀄리티를 높이면서 의뢰 목적에 맞는 설계까지 솔루션을 드린 건이라, 의뢰 기업에서도 더없이 만족스러워 하셨습니다. 이외에 촉박한 기한과 다양한 형태의 요청 등 여러 애로 사항이 있었음에도 문제 없이 요청사항을 모두 반영했습니다.

 

제품 디테일

누유방지 트레이 디테일

트레이가 깔끔하게 완성된 모습을 확인할 수 있습니다. 해당 모형은 타공된 구멍 등 세부 디테일을 위에서 보면서 확인할 수 있게 제작되었습니다. 우하단의 수도꼭지로 내부에 고인 폐기름을 빼내는 등의 제품 기본 원리를 설명하기 좋습니다.

누유방지 트레이의 상단면을 자세히 살펴보면, 중앙 근처에 작은 원이 여럿 위치해 있음을 확인할 수 있습니다. 원형 자석을 통해 미관을 해치지 않으면서 전시물의 관람을 용이하게 돕기 위한 장치입니다.

단면 모형은 변압기 내부와 누유 방지 트레이의 공동을 확인하기 편한 방식으로 제작되어 있습니다. 변압기 단면을 살펴보면, 흑색 웨이브 패턴이 폐오일이 고인 변압기 내부를 직관적으로 나타내고 있습니다. 트레이의 중앙은 배수구처럼 다른 면보다 낮게 위치해 있고, 그 밑으로는 공동이 자리하고 있어 폐오일이 흘러 들어가는 원리를 쉽게 이해할 수 있습니다.

 

자석 결합 설계

전시장에서는 누유 방지 트레이 위에 변압기 모형이 올라가고, 그 위를 아크릴 덮개로 감싸둡니다. 그러다 관심을 보이는 관람객이 생기면 덮개를 들어올려 자세히 볼 수 있도록 합니다. 이때 설명이 필요하다면, 변압기와 누유 방지 트레이를 가리키며 설명하거나 트레이만 따로 떼어 설명합니다.

전시회 참관객에게 제품을 시연하기 위해서는 탈부착이 용이할 필요가 있었습니다. 이를 위해 논의 과정에서부터 자석 삽입을 고려하여 결속감을 주었습니다. 

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2. 제품 활용

1) 전시부스 출품

의뢰 기업은 한양3D팩토리가 제작한 누유방지 트레이로 수상까지 하셨습니다. 당시 발명대전에는 60여 가지의 제품이 출품되었고, 그 중 이번 제품이 수상을 하게 되었습니다.

BIXPO 출품 및 수상

 

완성된 목업은 빛가람 국제 전력기술 엑스포, BIXPO에서 전시되었습니다. 한국전력공사 본사가 위치한 나주를 글로벌 에너지 허브로 만들기 위한 엑스포로, 신기술전시회, 국제 발명대전, 글로벌 컨퍼런스 등이 진행됩니다. 누유 방지 트레이가 전시되던 당시에는 48개 참가국, 70명의 CEO&CTO, 300개 참가기업, 600개 전시부스로 진행된 규모 있는 행사였습니다.

 

2) 사내 상시 전시

다양한 공정의 복합적인 사용으로 제작된 누유방지 트레이는 행사가 끝나고 나서는 특별히 의뢰 기업 내 전시 공간에 진열되었습니다.

한국전력공사 안산지사 내 전시 공간으로, 창의제조실이라는 이름을 가지고 있는 공간입니다. 이곳은 누유 방지 트레이와 같은 사내 벤처 아이디어 제품들을 전시하는 공간으로 활용될 예정입니다. 또한 의뢰 기업은 이번 성공을 토대로 누유 방지 트레이를 산업 전반에 안전하게 적용하고 확장해 나갈 계획입니다.

전시 현황 및 제품 패키지

 

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마치며

누유방지 트레이는 추후 의뢰 기업과 기술 교류 협약까지 체결하는 계기가 되었습니다. 제한된 시간 내에 전시물을 만들어야만 하는 의뢰 기업의 목적을 함께 이루기 위해, 한양3D팩토리의 여러 제작 수단과 노하우를 최대한 활용하여 도와드린 사례입니다.

변압기 목업 추가 납품 사례

이후 변압기 모형 제작을 재요청 받기도 했습니다. 부속품과 디테일이 간소화되고, 제작 수단은 하나로 통일하여 균일한 표면 퀄리티로 납품했습니다. 이처럼 기존 건과 유사한 종류의 의뢰는 더 신속하게 진행이 가능합니다.

한양3D팩토리는 각 의뢰에 최적화된 최선의 전문 제조 솔루션을 제공하고 있습니다. 아래 배너를 통해서 3D 프린팅 상담을 신청하시면 빠른 문의가 가능합니다.

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