금속 바인더 분사에 대해 알아야 할 모든 것

위 이미지:Digital Metal의 시스템을 사용하여 3D 프린팅한 M5 나사 [이미지 제공:Digital Metal]

금속 바인더 분사는 르네상스를 겪고 있습니다. 지난 10년 동안 많은 새로운 회사가 경쟁 모드에 진입했으며 각각이 이 기술에 대한 고유한 견해를 가지고 있습니다.

이러한 활동은 부분적으로 이 기술이 제공하는 많은 수익성 있는 기회에 의해 촉진됩니다. 첫째, 금속 바인더 분사 공정의 고속 및 정밀성은 새로운 대량 생산 방법으로 확립하는 데 도움이 될 수 있습니다.

그러나 어떤 발전이 이 기술의 성공을 주도하고 있습니까?

오늘 우리는 금속 바인더 젯팅이 어떻게 발전해 왔으며 왜 이것이 새로운 제조 기술로 부상하고 있는지 알아볼 것입니다.

금속 바인더 분사의 기원

금속 바인더 분사 기술의 기원은 1993년 MIT(Massachusetts Institute of Technology)에서 금속 분말을 사용하여 3차원 물체를 만드는 잉크젯 기반 프로세스를 개발한 것으로 거슬러 올라갑니다.

흥미롭게도 "3D 인쇄"라는 용어는 원래 MIT에서 금속 바인더 분사 기술과 관련하여 만들어졌습니다.

제조 회사인 Extrude Hone Corporation은 1996년에 MIT의 기술에 대한 독점 라이선스를 획득했습니다. 그 이후로 회사는 1999년에 Motorola에 납품된 최초의 3D 프린터인 ProMetal RTS-300과 함께 금속 바인더 분사 시스템을 개발 및 상용화했습니다.

2005년 Extrude Hone Corporation에서 분사한 ExOne은 2010년대 초까지 금속 바인더 분사 서비스 및 시스템을 제공한 유일한 회사였습니다. 그 당시 이 기술에 대한 초기 MIT 특허가 만료되기 시작하여 새로운 회사가 시장에 진입할 수 있었습니다.

그 이후로 금속 바인더 분사는 이 기술을 산업 전반의 생산에 진정으로 적합하게 만들겠다는 비전으로 부활했습니다.

금속 바인더 분사는 어떻게 작동합니까?

금속 결합제 분사에서 액체 결합제는 분말 입자를 층별로 결합하기 위해 선택적으로 적용됩니다.

이 프로세스는 프린트 헤드가 전략적으로 바인더 방울을 파우더 베드에 증착하는 얇은 파우더 층을 펴는 것으로 시작됩니다. 그런 다음 인쇄판이 낮아지고 또 다른 분말 층이 펼쳐집니다.

이 과정은 부품이 완성될 때까지 반복되며 사용하지 않은 분말(약 95%)이 재활용됩니다.

금속 바인더 분사를 사용하면 방금 인쇄된 부품이 취약한 녹색 상태로 남고 부품을 강화하기 위해 소결 및 침투와 같은 후속 후처리가 필요합니다.

금속 외에도 바인더 분사는 모래 및 세라믹과 같은 다양한 다른 재료와 함께 사용할 수 있습니다.

금속 바인더 분사를 위한 후처리 단계

기존의 바인더 분사 기술은 프린트 헤드를 사용하여 액체 바인더를 분말 층에 도포하는 방식으로 작동합니다.

그러나 Binder Jetting 기술로 금속을 인쇄할 때 부품은 초기에 녹색 상태로 인쇄되기 때문에 다양한 후처리 단계가 필요합니다. 이는 기계적 특성이 낮고 종종 약하고 부서지기 쉬운 것을 의미합니다. 후처리 단계는 부품 강화를 목표로 하며 경화, 소결, 침투 및 기타 마무리 공정을 포함합니다.

1. 경화

경화는 녹색 부품의 강도를 증가시켜 인쇄 베드에서 안전하게 제거할 수 있습니다. 이 과정에서 부품은 약 200°C의 오븐에서 몇 시간 동안 경화되어 훨씬 더 강한 부품이 됩니다.

2. 소결

경화에도 불구하고 금속 부품은 여전히 ​​높은 다공성을 유지합니다. 그러나 소결 또는 침투 공정을 통해 부품의 다공성을 크게 줄일 수 있습니다. 일반적으로 소결 공정은 분위기가 제어된 용광로에서 이루어지며, 여기서 부품은 약 100°C에서 24-36시간 동안 열처리되고 결합제가 연소됩니다. 이는 금속 입자를 함께 융합하는 데 도움이 되며 다공성이 낮은 강한 금속 부품을 생성합니다. 그러나 소결은 부품에 불균일한 수축을 일으킬 수 있고 예측하기 어려울 수 있습니다. 따라서 설계 단계에서 이를 고려해야 합니다.

3. 침투

고밀도를 달성하려면 결합제가 연소되어 남은 공극을 채우기 위해 부품을 침투시켜야 합니다. 이것은 일반적으로 부품에 남아 있는 공극을 침투시키기 위해 용융 청동을 적용하여 수행됩니다. 이러한 후처리 단계를 거치면 금속 부품의 기계적 특성이 크게 향상됩니다. 예를 들어, 스테인리스 스틸의 청동 침투는 95%의 최종 밀도를 달성할 수 있습니다.

4. 마무리

마지막으로 선택 사항이지만 부품을 연마하고 금이나 니켈로 도금하여 미학적으로 만족스러운 표면 마감을 할 수 있습니다.

금속 바인더 분사가 생산 기술로 떠오른 이유는 무엇입니까?

금속 바인더 젯팅은 여러 가지 고유한 이점을 제공하여 생산 응용 분야에 쉽게 채택할 수 있습니다.

첫째, 바인더 분사는 인쇄 과정에서 금속 분말을 녹이지 않아 잔류 응력 축적과 관련된 문제를 제거합니다.

둘째, 인쇄된 부품이 사용되지 않은 느슨한 분말로 둘러싸여 있기 때문에 금속 바인더 분사 공정에 지지 구조가 필요하지 않습니다. 이러한 두 가지 이점은 사후 처리를 최소화하는 데 도움이 됩니다.

또한 바인더 분사기는 SLM 또는 DED 공정을 기반으로 하는 3D 프린터보다 저렴합니다. 그 이유 중 하나는 값비싼 레이저나 전자빔을 사용하지 않기 때문입니다.

최신 금속 바인더 분사 기계도 MIM(금속 사출 성형) 분말을 사용할 수 있습니다. 이들은 가스 분무와 같은 값비싼 생산 방법을 사용하여 일반적으로 소량 생산되는 3D 인쇄용으로 특별히 개발된 금속 분말보다 훨씬 저렴합니다.

따라서 MIM 분말로 전환하면 제조업체에서 이 기술의 운영 비용을 더욱 낮출 수 있습니다.

저렴한 공급 원료 외에도 바인더 분사는 전통적으로 제조된 금속 부품에서 볼 수 있는 것과 유사한 기계적 특성으로 매우 정확한 부품을 인쇄할 수 있는 능력을 자랑합니다.

마지막으로 금속 바인더 분사 공정의 속도는 일반적으로 다른 금속 3D 프린팅 공정보다 빠릅니다. 이러한 모든 이점이 결합되어 매우 확장 가능하고 생산 가능한 기술이 탄생했습니다.

금속 바인더 분사를 발전시키는 최신 개발

2010년대는 금속 바인더 분사의 새로운 시대를 열었습니다. 신생 기업에서 보다 확고한 기업에 이르기까지 많은 기업이 금속 바인딩 분사 기술로 현재 가능한 것의 한계를 뛰어넘기 위해 적극적으로 모색하고 있습니다.

ExOne은 계속해서 혁신합니다

ExOne은 금속 바인더 분사 분야에서 가장 오래된 플레이어 중 하나입니다. 그 역사 동안 ExOne은 4가지 금속 바인더 분사 시스템을 출시했으며 각각은 이전 시스템에서 진화했습니다.

예를 들어, 2018년 회사는 ExOne에서 차세대 금속 바인더 분사 시스템을 표시하는 Innovent+를 도입했습니다. 시스템은 ExOne의 이전 M-Flex 3D 프린터보다 느리지만 두 가지 중요한 새로운 기능이 있습니다.

첫째, 분말 유동성을 개선하고 재료 교체를 단순화하기 위해 개발된 초음파 리코터가 장착되어 있습니다. ExOne은 새로운 리코터가 시장에서 가장 진보된 분말 디스펜싱 기술을 대표한다고 말합니다.

리코터는 재료 호환성을 높이기 위해 4가지 스크린 구성으로 제공됩니다. 이 기능은 또 다른 핵심 개발로 작용합니다. 기계는 표준 MIM 분말을 처리할 수 있습니다.

다른 분말 베드 금속 3D 프린터, 특히 레이저나 전자빔을 사용하는 프린터는 일관되게 작동하기 위해 특별히 제조된 분말이 필요합니다. 그러나 이러한 분말은 종종 전통적인 금속 처리 기술의 재료보다 훨씬 비쌉니다.

Innovent+가 MIM 분말을 지원할 수 있도록 함으로써 ExOne은 기계 사용자에게 비용 절감과 더 큰 재료 유연성을 도입할 수 있습니다.

혁신을 계속하는 이 회사는 Innovent+ 이면의 기술을 생산 수준의 X1 25PRO 3D 프린터로 확장했습니다. 지난 달에 소개된 이 기계는 400 x 250 x 250 mm의 대형 빌드 볼륨에 최대 10가지 다른 재료를 인쇄할 수 있습니다.

이 시스템을 통해 회사는 고해상도, 엄격한 허용 오차 및 개선된 표면 마감을 가진 산업용 금속 부품의 생산을 가능하게 하는 것을 목표로 하고 있습니다.

디지털 금속:금속 바인더 분사 자동화

금속 바인더 분사 개발에서 두각을 나타내는 또 다른 회사는 선도적인 금속 분말 생산업체인 Höganäs Group의 자회사인 Digital Metal입니다.

Digital Metal은 2012년에 설립되었으며 2013년에 금속 바인더 분사 기술을 서비스로 제공하기 시작했습니다.

2017년 Digital Metal은 작고 복잡한 부품의 시리즈 생산을 위한 DM P2500 3D 프린터를 출시했습니다.

기계는 0.042mm 두께의 금속 분말 층을 펴서 작동합니다. 그런 다음 부품의 형상에 따라 바인더가 분사됩니다. 이 프로세스는 정확하고 반복 가능한 것으로 보고되어 35마이크론의 분해능으로 매우 작지만 믿을 수 없을 정도로 상세한 부품을 만들 수 있습니다.

후속 소결 공정은 Ra 6.0 미크론의 평균 표면 거칠기를 생성하며, 내부 채널과 같은 많은 최종 사용 부품 및 기능에 충분히 미세합니다.

Digital Metal은 자사의 금속 3D 프린터가 항공 우주, 사치품, 치과 도구 및 산업 장비를 포함한 다양한 산업 분야에서 이미 300,000개 이상의 구성 요소를 생산했다고 말합니다.

기술을 발전시키기 위해 Digital Metal은 작년에 완전 자동화된 생산 개념을 시작했습니다.

이 개념에 따르면 로봇은 프린터에 빌드 상자를 공급한 다음 사후 처리를 위해 제거하는 등 대부분의 프로세스 단계를 처리합니다. 목표는 모든 수동 작업을 제거하여 연속적인 대량 생산을 용이하게 하는 것입니다.

이 손 없는 생산 라인을 출시함으로써 Digital Metal은 금속 바인더 분사 기술로 큰 도약을 이루었습니다.

HP의 Metal Jet:3D 프린팅을 비용 경쟁력 있는 생산 선택으로 만들기

HP는 2016년 폴리머 부품용 Multi Jet Fusion 기술을 공개한 후 2018년에 추가 제품의 다음 확장인 Metal Jet 3D 프린팅 시스템을 도입했습니다.

새로운 금속 3D 프린터는 바인더 분사 기술로 구동됩니다. 그러나 HP가 이 기술에 도입한 고유한 이점은 혁신적인 프린트 헤드 및 잉크 기술에 있습니다.

바인더 분사 기술은 본질적으로 빠르지만 HP는 프린트 헤드 기술에 대한 지식을 적용하여 더 빠르게 만들었습니다. Metal Jet 시스템에는 각각 5,280개의 노즐이 있는 6개의 프린트 헤드가 장착되어 있습니다. 이러한 여러 줄의 노즐을 사용하면 프린터의 생산성과 안정성이 향상됩니다.

또한 HP는 잉크 기술에 대한 전문성을 활용하여 소결 프로세스를 더 빠르고 저렴하게 만드는 혁신적인 결합제를 개발했습니다.

“금속 사출 성형을 사용하면 일반적으로 10중량% 이상의 바인더를 태워야 합니다. HP의 금속 글로벌 책임자인 팀 웨버(Tim Weber)는 AMFG와의 인터뷰에서 이렇게 말했습니다. .

이러한 발전이 결합되어 기존 생산 기술에 필적하는 경제성과 효율성을 달성하는 금속 3D 프린터가 탄생했습니다.

HP는 아직 기계를 판매하지 않습니다. 대신 회사는 부품 생산 서비스를 시작하여 2020년에 3D 프린터를 상용화할 수 있도록 했습니다. HP가 Metal Jet에 대해 한 주장을 고려할 때 이 기술은 높은 수준에서 금속 3D 인쇄에 대한 지속 가능한 가치 제안을 여는 열쇠가 될 수 있습니다. - 대량 생산.

3DEO:바인더 분사와 밀링 결합

많은 회사들이 금속 3D 프린팅을 다른 제조 기술과 경쟁력 있게 만들기 위해 노력하고 있습니다. 그러한 회사 중 하나가 2016년에 설립된 3DEO로, 금속 바인더 분사를 통해 대량 생산을 가능하게 하는 것을 목표로 합니다.

이를 달성하기 위해 회사는 프로세스를 완전히 재창조했습니다. 잉크젯을 사용하여 바인더를 선택적으로 증착하는 대신 3DEO의 기계는 독점 스프레이 시스템을 사용하여 전체 레이어에 바인더를 고르게 도포합니다.

그 결과 금속 분말의 단단하고 얇은 층을 만든 다음 마이크로 엔드밀을 사용하여 밀링합니다. CNC 작업은 각 레이어의 부품 모양을 잘라냅니다.

Intelligent Layering이라고 하는 이 기술은 바인더 젯팅과 CNC 밀링을 하이브리드 시스템에 결합한 첫 번째 사례를 나타냅니다. 이러한 조합을 통해 3DEO는 소결 후 밀도가 99.5% 이상인 매우 정밀한 소형 금속 부품을 만들 수 있습니다.

3DEO의 Intelligent Layering 기술은 현재 회사의 생산 서비스를 통해서만 고객에게 제공됩니다. 자체 생산 서비스로 기술을 제한함으로써 3DEO는 플랫폼을 매우 유연하게 유지하면서 고품질의 인쇄 부품을 보장합니다.

현재 3DEO는 금속 3D 프린팅 업계에서 가장 큰 주문을 받고 있으며 최근에는 28,000개의 부품에 대한 구매 주문을 따냈습니다.

이 회사는 기계를 판매할 계획은 없지만 증가하는 생산량은 바인더 젯팅이 기존 방식으로 제조된 구성 요소와 동등한 수준의 생산 부품을 제공할 수 있는 능력을 입증하는 역할을 합니다.

Desktop Metal:놀라운 속도로 금속 부품 인쇄

보스턴에 기반을 둔 신생 기업인 Desktop Metal은 대규모 생산을 위한 3D 프린팅의 약속을 이행하는 것을 목표로 2015년에 설립되었습니다. 이를 달성하기 위해 회사는 매우 빠른 생산 시스템을 개발했습니다.

금속 3D 프린터의 이면에 있는 기술은 회사에서 일반적인 바인더 분사 프로세스보다 빠른 버전인 SPJ(Single Pass Jetting)라고 부르는 것입니다.

이 시스템에는 2개의 전체 너비 프린트 헤드, 고급 분말 살포기 및 빌드 영역 전체에 한 번의 빠른 패스로 분말을 효과적으로 퍼뜨리고 인쇄하는 방탄 시스템이 함께 제공됩니다.

빌드 볼륨이 750 x 330 x 250mm인 이 양방향 시스템은 최대 12,000cm3/hr의 고해상도 인쇄를 가능하게 하며, 이는 시간당 60kg 이상의 금속 부품에 해당합니다. 이러한 속도는 시장에 나와 있는 다른 금속 3D 프린터보다 훨씬 빠르기 때문에 복잡한 금속 부품을 대량으로 생산하는 데 이상적입니다.

또한 생산 시스템은 반응성 금속의 안전한 인쇄를 위해 가스 재활용 및 용매 회수를 특징으로 하는 산업 불활성 환경을 갖춘 최초의 바인더 제트 시스템입니다. 이것은 알루미늄과 같은 더 넓은 범위의 금속을 인쇄할 수 있는 기회를 제공합니다.

Desktop Metal은 생산 시스템을 통해 상당한 속도 향상을 추가하여 금속 바인더 분사 기술의 이점을 극대화했습니다.

Desktop Metal은 최근에야 생산 시스템을 구매할 수 있게 되었기 때문에 생산 속도 주장이 입증되는지 확인하는 데 시간이 걸릴 것입니다. 그러나 그렇다면 생산 시스템은 오늘날 시장에서 사용할 수 있는 가장 빠른 바인더 젯팅 3D 프린터가 될 것입니다.

미래를 내다보고

금속 바인더 분사는 생산에 적합한 핵심 금속 3D 프린팅 기술 중 하나가 되고 있습니다. 이를 가능하게 하는 것은 높은 인쇄 속도에 도달하고 고정밀 구성 요소를 만드는 기술의 고유한 기능입니다.

금속 바인더 분사의 성공을 이끄는 또 다른 핵심 개발은 이미 잘 알려진 비교적 저렴한 MIM 분말과의 호환성입니다.

많은 회사들이 금속 바인더 분사의 획기적인 잠재력을 인식하고 현재 그것이 제공하는 기회를 포착하기 위해 열심히 노력하고 있습니다.

앞으로 우리는 이러한 회사들이 금속 바인더 분사를 더욱 발전시키는 것을 보게 될 것입니다. 궁극적으로 이는 기술이 전체 제조 시장에서 귀중한 몫을 차지하는 데 도움이 될 것입니다.

>>Definitive Metal 3D 프린팅 가이드에서 금속 3D 프린팅에 대해 자세히 알아보세요.