3D 프린팅의 이해 프로세스 및 주요 특징

개요

3D 프린팅에 분말 재료를 사용하는 위에서 언급한 SLS 공정은 레이저를 사용하기 때문에 상대적으로 비용이 많이 듭니다. 그러나 결합제를 사용하여 분말 입자를 접착하고 층을 쌓아 모양을 만드는 것은 이론적으로 타당합니다. 1993년 4월 20일, MIT의 엠마누엘 삭스 교수와 그의 팀은 3DP로 알려진 '3차원 프린팅 기법'에 대한 미국 특허를 받았습니다.

이 발명은 당시 널리 보급된 잉크젯 프린터에서 영감을 받아 카트리지의 잉크를 액체 바인딩제로 대체했습니다. 이 바인더를 프린트 헤드를 통해 가루로 된 베드에 압출하면 3차원 물체를 인쇄할 수 있었습니다. 마찬가지로 원색 바인더와 정밀한 디지털 컬러 매칭을 활용하면 종이에 컬러 잉크젯 인쇄를 하는 것처럼 파우더에 컬러 인쇄를 할 수 있었습니다.

이 3D 프린팅 프로세스는 기존 프린터와 매우 유사하며, 특허 제목인 '3D 프린팅'은 직관적이고 이해하기 쉽습니다. 그 이전에는 3D 프린팅 기술이 래피드 프로토타이핑으로 알려져 있었습니다. 이후 '3D 프린팅'이라는 용어가 널리 사용되면서 모든 쾌속 프로토타이핑 기술을 3D 프린팅으로 통칭하고, 장치 자체를 3D 프린터라고 부릅니다.

2012년 미국 재료 시험 협회(ASTM)는 적층 제조 용어 표준(ASTM F2792-12a)에서 이 3D 프린팅 공정을 "바인더 제팅"이라고 정의했습니다.

이론적으로 바인더 제팅 공정은 세라믹, 금속, 석고, 플라스틱, 모래 등 다양한 분말 소재를 3D 프린팅하는 데 사용할 수 있습니다. 1995년 MIT의 라이선스를 받아 석고 파우더를 이용한 바인더 제팅의 상용화에 주력하는 Z Corporation이 설립되었습니다.

1997년부터 흑백 보급형 Z프린터 310 Plus와 2005년 세계 최초의 컬러 3D 프린터인 스펙트럼 Z510을 포함한 일련의 바인더 제팅 프린터를 출시했습니다(그림 5-31 컬러 프린터 및 출력 모델 참조). 이는 3D 프린팅의 진화에 있어 중요한 단계로, 생생하고 다채로운 색상을 구현했습니다. 2012년 Z Corporation은 3D Systems에 인수되어 Color-Jet 시리즈 프린터를 더욱 발전시켰습니다.

현재 3D Systems 웹 사이트에서 판매되는 Color-Jet 시리즈의 사양은 표 5-1에 나와 있습니다.

표 5-1: 3D Systems의 컬러젯 시리즈 프린터 공식 사양.

1996년 익스트루드 혼 코퍼레이션은 MIT로부터 바인더 분사 방식으로 형성된 금속 분말 소재를 연구하고 상용화할 수 있는 라이선스를 취득하여 1997년 세계 최초의 금속 분말 바인더 분사 장치인 ProMetal RTS-300을 출시했습니다.

2003년 엑스원 컴퍼니는 3D 프린팅 산업에만 집중하는 Extrude Hone에서 분사하여 세계 최초의 사암 3D 프린터인 S15를 출시했습니다. 이후 ExOne은 금속 및 사암 소재의 바인더 젯팅을 전문으로 하며 점차 3DP 기술의 선두주자가 되었습니다. 그림 5-32는 ExOne Innovent+ 프린터와 이 회사에서 프린트한 금속 모델 중 일부를 보여줍니다.

1999년에 설립된 독일 기업 복셀젯은 MIT에서 라이선스를 취득하고 주조 주형용 모래 3D 프린터 개발에 전념해 왔습니다. 이 회사는 바인더 분사 기술을 사용하여 전통적인 금속 주조 공정에 사용되는 모래 주형을 프린팅합니다.

최근 몇 년 동안 바인더 제팅 기술은 중국 내에서 우한 이즈 기술 유한회사, 아이시카이 기술 유한회사, 광동 펑화 주올리 기술 유한회사, 닝샤 공유 그룹과 같은 회사가 주도하면서 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다.

또한 화중과학기술대학 연구팀은 2012년부터 바인더 분사 기술을 연구해 왔으며, 처음에는 석고, 폴리머, 주물 모래를 사용한 프린팅에 중점을 두었다가 현재는 금속 바인더 분사 기술에 집중하고 있습니다. 2017년에는 우한 이즈 테크놀로지와 협력하여 다음과 같은 재료로 인쇄할 수 있는 금속 바인더 제팅 프린터를 출시했습니다. 316L 스테인리스 스틸420 스테인리스 스틸, 구리 및 티타늄 합금으로 제작되었습니다.

아래는 금속 바인더 분사 기술을 개발 중인 국내외 기업의 기술 세부 사항을 비교한 표입니다.

표 5-2: 일부 국내외 R&D 기업의 금속 접착 스프레이 성형 기술에 대한 기술 세부 사항 비교 차트

프로세스 및 특성

(1) 프로세스

그림 5-33에 표시된 것처럼 엠마누엘 삭스 교수의 3DP 특허의 초록 도식을 살펴보면 핵심 정보를 확인할 수 있습니다: "...결합된 분말 재료의 층을 생성..."은 분말 재료를 사용하여 층별 축적 공정을 통해 결합된 분말 재료의 층을 생성하는 것을 나타냅니다.

파우더의 모양이 어떻게 형성되는지에 대한 의문이 생깁니다: "...바인더 재료를 증착..."은 레이저를 사용하는 대신 각 층의 선택된 영역에 바인더 재료를 분배하여 분말을 모양으로 결합한다는 것을 암시합니다. 초록은 또한 강도를 높이기 위해 "...예를 들어 가열을 통해..."와 같이 재료를 추가로 가공할 수 있다고 언급합니다.

그림 5-34는 다음과 같이 3DP 프로세스를 자세히 설명합니다:

데이터 준비. 부품의 3차원 모델을 가져와 2차원 슬라이스로 가공합니다.

파우더 놓기. 분말은 호퍼 또는 공급 실린더에 저장되며, 호퍼는 위에서 일정량의 분말을 분말 베드에 방출하는 방식(공급 방식)과 공급 피스톤을 일정 높이로 올려서 미리 설정된 양의 분말을 분사하는 방식(파우더 레이어링 방식)의 두 가지 적용 방법이 있습니다(그림 5-34(a) 및 (b)에 표시됨).

그런 다음 롤러가 파우더 베드의 성형 영역에 파우더를 펴고 압축합니다.

2차원 이동. 바인더가 장착된 프린트 헤드는 명령 파일에 의해 X 및 Y 방향으로 움직이며 바인더를 분사하여 파우더를 모양에 맞게 접착합니다. 분사되지 않은 부분은 느슨한 상태로 남아 다음 레이어를 지원합니다(컬러 모델 인쇄의 경우 세 가지 기본 컬러 바인더가 사용됨).

Z 방향으로 이동합니다. 파우더 베드가 Z 방향으로 한 층 내려가고 성형 영역이 새로운 파우더 층으로 보충되며 파우더 층이 수평을 유지합니다.

레이어 간 본딩. 프린트 헤드가 새로운 X 및 Y 명령에 따라 움직이며 바인더를 분사하여 현재 파우더 층을 모양에 맞게 접착하는 동시에 위 층에 접착하여 층간 접착을 달성합니다.

최종 3차원 부품이 나올 때까지 위 과정을 반복합니다.

예열되거나 레이저 조사에 노출되지 않은 3DP 프린팅의 미사용 분말 재료는 완전히 재활용하여 재사용할 수 있어 이론적으로 100% 재료 활용률을 달성할 수 있습니다. 3D 프린팅 후 부품은 일반적으로 세 단계의 추가 후처리가 필요합니다:

과도한 파우더 제거.

부품이 파우더에 완전히 묻혀 있기 때문에 후속 인쇄 시 재활용 및 재사용을 위해 글로브 박스 내에서 브러시, 에어건 등을 사용하여 부품 표면에 남아있는 파우더를 제거해야 합니다.

힘 강화.

3DP 프린팅 부품은 기공이 많고 상대적으로 약하기 때문에 보강을 위한 후처리가 필요한 경우가 많습니다. 석고와 같은 무기 분말 재료로 프린트된 부품의 경우 부품을 관통하는 용도에 따라 다양한 순간 경화 인필트란트가 선택됩니다.

예를 들어 컬러 모델에 적합한 인필트란트는 강도, 색상 및 색상 안정성을 향상시킬 수 있고, 기능성 모델용 인필트란트는 모델 강도를 크게 향상시킬 수 있으며, 친환경 인필트란트는 함침 또는 스프레이에 사용하여 표면 경도 및 모듈러스를 향상시킬 수 있습니다.

금속 분말 인쇄 부품은 일반적으로 부품 강도와 밀도를 높이기 위해 탈지, 고온 소결, 열간 등방성 프레스, 침투 또는 구리 함침과 같은 추가 후처리 단계가 필요합니다.

표면 마감.

일반적으로 샌드블라스팅, 연마, 도장, 기계 가공을 조합하여 부품 표면의 품질과 정확성, 부드러움과 색상을 더욱 개선합니다.

(2) 프로세스 특성

3DP 프로세스에는 5가지 주목할 만한 장점이 있습니다:

풀컬러 인쇄 기능.

3DP는 풀 컬러 인쇄를 실현하여 제품 디자인 창의성을 컬러로 완벽하게 표현할 수 있으며 문화 창작, 영화, 애니메이션 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다.

다양한 소재와 금속 기능성 부품.

3DP 프로세스는 금속 분말을 포함한 거의 모든 분말 재료로 인쇄할 수 있으므로 기능적 응용 분야가 크게 확장됩니다.

지원이 필요하지 않습니다.

언바운드 파우더는 자연스러운 지지대 역할을 하므로 추가적인 보조 지지대가 필요하지 않으므로 인쇄 과정에서 인쇄 효율이 높고 재료 비용이 저렴합니다.

복잡한 구조물 제조에 적합합니다.

3DP 공정은 부품의 복잡성에 대한 제한이 거의 없으므로 다양한 복잡한 모양 다공성 부품, 속이 비어 있는 부품, 중첩된 부품과 같은 부품에 적합합니다. 신제품 개발이나 개별 및 소량 부품 생산에 적합합니다.

레이저가 필요 없고 비용이 저렴합니다.

3DP 공정은 레이저를 사용하지 않아 장비 운영 및 유지보수 비용이 절감되고, 바인더 분사 헤드가 레이저 포인트 스캔이 아닌 어레이 스캔을 수행할 수 있어 인쇄 효율이 높고 비용이 저렴합니다.

그러나 3DP 프로세스에는 다음과 같은 몇 가지 제한 사항과 단점도 있습니다:

부품의 기계적 특성이 좋지 않습니다.

강도와 인성은 상대적으로 낮으며 일반적으로 샘플 디스플레이 또는 주조 금형(예: 모래 주형)에만 적합합니다. 기능 테스트가 불가능하며 금속 인쇄 부품은 최종 강도와 밀도를 달성하기 위해 소결로에서 추가 소결 및 구리 침투가 필요합니다.

표면 품질 저하.

부품은 분말 결합으로 형성되기 때문에 표면에 일정한 입자 질감이 있어 광중합 기술로 인쇄된 부품의 매끄러움을 구현하기 어렵습니다.

비효율적인 대량 자료 저장.

파우더 베드 보관을 사용하고 파우더 재료의 표면 활성을 고려할 때, 벌크 재료 보관은 크고 까다롭습니다. 호퍼 공급 메커니즘은 저장 문제를 어느 정도 극복했지만 파우더 베드 저장의 기본 원칙을 바꾸지는 못합니다.