제품이 개발되어 시장에 출시되기까지는 많은 프로세스를 거치게 됩니다. 개발 업무를 처음 진행하시는 스타트기업이나 대부분의 담당자(기획자, 엔지니어 등) 분들이 가장 많이 오해하시는 부분 중 하나라면 외주업체에 의뢰하면 신경쓸 필요도 적고 제품이 금방 나올 것이라는 착각입니다. 상당시 답변을 드리기가 대단히 어렵고 난감한 고객분들이 바로 이러한 케이스가 아닐까 합니다.
 
 디자인 컨셉을 바탕으로 클라이언트의 니즈(needs)를 파악하고 이를 개발과정에 녹여내기란 결코 쉬운 일은 아닙니다. 고객분들마다 요구하시는 다양한 제품군, 디자인, 기능성, 가격 등의 많은 조건들을 적절하게 적용한다는 것은 개발사 입장에서도 매번 새로운 도전이 아닐까 생각됩니다.
 
 오늘은 프로토타입 제작 시 알아두면 좋은 시제품제작 정보를 소개드려볼까 합니다. 총 4개 분량의 타이틀로 구성하여 프로토타입의 의의와 필요성, 공정, 주의 사항, 활용 방법 등을 중심으로 개발 업무 과정에서 시제품제작에 조금이나마 도움이 되실 수 있는 정보를 위주로 이야기를 해보도록 하겠습니다.
    

프로토타입(prototype) 반드시 필요한가? 
 시제품을 정의해보면 “시험삼아 만들어 본 제품” 이라고 할 수 있습니다. 이 외에도 프로토타입(protoypte), 목업(mock-up), 샘플(sample), 시험품, 시작품 등 많은 용어가 있으며 샘플 하나를 제작하는 과정이 이렇게 다양한 용어로 분류되는 이유는 시제품을 만드는 다양한 작업공정과 더불어 제품의 성능성 및 기능성 확인을 위한 테스트 샘플, 바이어, 잠재고객을 대상으로 하는 전시홍보물로 써의 목적, 그외에도 디자인 확인, 설계 검증까지. 시제품 제작시에는 결과물에 요구되는 위와 같은 여러 가지 목적에 따라서 공정부터 소재, 도색, 기간, 비용에 차이가 발생합니다. 
 

usb젠더 샘플제작 사례입니다. 좌측은 1차 샘플이며 우측은 2차 샘플입니다. 
 

 
 설계시 참고용도로 시중에 판매되고 있는 usb 제품을 구매하여 분해해봤습니다. 내부 젠더 간에 실리콘을 활용한 결속작업이 진행된 것을 알 수 있습니다. 
 

 1차 설계도입니다. 비교적 설계 난이도는 매우 간단한 편에 속하기 때문에 작업과정에서 큰 어려움을 없을 것이라고 내부적으로 판단했습니다. 
 

 시험품의 설계 검증을 위해 SLA방식의 3D프린터를 활용하여 프로토타입을 제작했습니다. 내부에 부속품을 장작하고 젠더간의 결속 작업을 위해 실리콘을 분사한 뒤 커버를 닫았습니다.

그런데 여기서 한가지 문제가 발생하게 됐습니다. 위 사진을 보시면 실리콘 층이 커버
안쪽을 비집고 나와 내부 홀을 막아버리는 문제가 발견된 것입니다. 설계 과정에서 전혀 예상하지 못했던 문제였기에 저희는 샘플을 토대로 내부 구조 변경을 위해 설계도를 일부 수정했습니다.
 
 이렇게 비교적 간단해 보이는 작업에도 설계 과정에서는 예상할 수 없었던 문제들이 발견되는 것은 사실 개발과정에서는 아주 흔하게 볼 수 있습니다. 프로토타입 제작의 필요성은 바로 위에 소개드린 사례를 통해서 충분히 이해를 하실 수 있으실거라고 생각합니다.

샘플제작에 사용되는 대표적인 제작 공정 

 프로토타입(prototype)을 제작하는 방법은 여러 가지 방법들이 있지만 그중에서 주로 사용되고 있는 3D프린팅과 CNC가공 2가지 공정에 대해서 소개드리도록 하겠습니다.
 

적층가공-AM(additive manufacturing)
  일반적으로 3D프린터라고 많이 알고 있는데요. 정확한 명칭으로는 적층가공 또는 쾌속조형기술(RP) 등이 있습니다. 플라스틱과 같은 폴리머 계열의 열가소성/열경화성 수지를 적층하는 형식으로 3차원의 형상을 구현하는 제조 방법으로 디자인 구현성이 뛰어나며 비교적 간단한 작업으로 쉽게 샘플제작이 가능하다는 이점이 있습니다.
 

절삭가공-CNC

  바이트 등의 공구를 사용, 원재료(주로 판형태의 소재를 주로 사용함)를 외부에서 내부로 조금씩 깍아내면서 마치 조각하듯이 형상을 구현하는 산업분야에서 가장 많이 활용되는 대표적인 제조 공정 중 하나입니다.

 

 적층가공과 절삭가공 비교
각각의 공정에서 두드러지게 나타나는 특징들을 비교해보겠습니다.
 

< SLA 3D프린팅 (좌) / CNC가공 PP (우) >

 
외형 구현도

 제품의 외형을 구현하는 범위는 3D프린터가 CNC보다 훨씬 넓습니다. 소재를 쌓아올리는 제조 방식과 깎아서 만들어내는 메커니즘의 구조적인 특징으로 인해서 디자인 구현범위의 차이가 크게 나타납니다. CNC작업은 아무래도 공구를 소재를 깎아내야 하기 때문에 만약 제품의 디자인적인 특징으로 인해서 바이트가 가공 범위에 닿을 수 없는 경우에는 가공 작업이 불가능한 반면에 3D프린터는 이러한 제약이 거의 없다고 볼 수 있습니다.

 

소재 활용도

 소재 활용도는 CNC쪽이 우세합니다. ABS, PC, PP 등과 같은 플라스틱은 물론 AL(알루미늄), SUS(스텐), SS(철) 등 금속까지 제품에 요구되는 스펙에 맞는 물성의 소재를 적절하게 선택하여 형상을 구현하는 반면에 3D프린터는 폴리머 계열(ex abs,레진 등)의 한정적인 재료를 주로 사용하며 PC와 같은 투명소재나 폴리젯 방식 등을 활용하면 특수소재, SLS방식을 통한 금속제작 까지 가능하기는 하지만 아직까지는 품질과 비용적인 부분을 생각하면 효율성은 그다지 높지 않은 편입니다.
 

< 금속프린팅 출력 사례(좌) / 알루미늄 5축가공 사례 임펠러(우) >

품질

 소재를 적층하는 독특한 제작 방식은 디자인 구현범위를 넓혀주는 장점이 있지만 반대로 적층 된 소재간에 발생되는 미세한 단차 차이로 인한 정밀도 및 표면조도(품질) 저하라는 심각한 문제를 야기합니다. 
 

< 레이어 간의 단차로 인해 발생하는 표면 품질의 저하(FDM 사례) >

내구성

 위와 같은 문제로 인해 내구성 부분도 많이 떨어집니다. 특히나 결방향으로 가해지게 되는 하중에는 훨씬 더 취약한 측면이 있기 때문에 각종 실험 및 테스트를 목적으로 하는 경우에는 이러한 문제까지도 꼼꼼하게 따져봐야 합니다.
 

생산성

 이부분은 3D프린터와 CNC중 어느 작업이 우수하다고 분류하기에는 어려운 부분이 있습니다. 일반적으로 3D프린터는 다품종 소량생산에 적합한 제작 방식이며 CNC가공은 대량생산에 효율적인 제조 공정입니다.
 

<다음 포스팅에 계속>