금속 바인더 제팅 마스터하기: 혁신, 응용, 산업 기회

위 이미지: Digital Metal 시스템으로 3D 프린팅된 M5 나사 [이미지 출처: Digital Metal]

금속 바인더 제팅이 르네상스를 맞고 있습니다. 지난 10년간 많은 신규 기업이 각자의 방식으로 이 기술 경쟁에 뛰어들었습니다.

이는 이 기술이 제시하는 수익성 높은 기회 덕분입니다. 우선 금속 바인더 제팅 공정의 높은 속도와 정밀도는 이를 새로운 대량 생산 공법으로 자리매김할 잠재력을 줍니다.

그렇다면 이 기술의 성공을 이끄는 개발 동향은 무엇일까요?

오늘은 금속 바인더 제팅이 어떻게 진화해 왔으며 왜 새로운 제조 기술로 떠오르는지 살펴봅니다.

금속 바인더 제팅의 기원

금속 바인더 제팅 기술의 기원은 1993년 매사추세츠 공과대학(MIT)이 잉크젯 기반 공정으로 금속 분말을 사용해 3차원 물체를 만드는 기술을 개발하면서 거슬러 올라갑니다.

흥미롭게도 "3D Printing"이라는 용어는 원래 MIT가 금속 바인더 제팅 기술을 지칭하며 만들었습니다.

제조 기업 Extrude Hone Corporation이 1996년 MIT 기술 독점 라이선스를 취득했습니다. 이후 금속 바인더 제팅 시스템을 개발·상용화해 1999년 첫 3D 프린터 ProMetal RTS-300을 Motorola에 납품했습니다.

2005년 Extrude Hone에서 분사한 ExOne은 2010년대 초반까지 금속 바인더 제팅 서비스와 시스템을 제공하는 유일한 기업이었습니다. 당시 초기 MIT 특허가 만료되면서 신규 기업들이 시장에 진입할 수 있게 되었습니다.

이후 금속 바인더 제팅은 산업 전반에서 진정한 생산 기술로 만들겠다는 비전으로 부활했습니다.

금속 바인더 제팅 작동 원리

금속 바인더 제팅에서는 액체 바인더가 분말 입자를 층별로 선택적으로 결합시킵니다.

공정은 얇은 분말 층을 펼치는 것으로 시작하며, 프린트 헤드가 분말 베드에 바인더 방울을 전략적으로 증착합니다. 프린팅 플레이트가 내려가고 또 다른 분말 층이 펼쳐집니다.

부품이 완성될 때까지 이 과정이 반복되며, 미사용 분말(약 95%)은 재활용됩니다.

금속 바인더 제팅으로 방금 출력된 부품은 취약한 '그린 상태'에 머물며 이후 경화, 소결, 침투 등 후공정을 거쳐 강도를 높여야 합니다.

금속 외에도 바인더 제팅은 모래, 세라믹 등 다양한 소재에 적용 가능합니다.

금속 바인더 제팅 후공정 단계

전통적 바인더 제팅 기술은 프린트 헤드로 액체 결합제를 분말 층에 도포합니다.

그러나 금속을 바인더 제팅으로 출력할 경우 부품은 처음에 그린 상태로 출력되어 기계적 물성이 낮고 매우 약하고 부서지기 쉽습니다. 후공정 단계는 부품을 강화하는 것을 목표로 하며 경화, 소결, 침투 및 기타 마무리 공정을 포함합니다.

1. 경화(Curing)

경화는 그린 파트 강도를 높여 프린팅 베드에서 안전하게 꺼낼 수 있게 합니다. 약 200°C 오븐에서 수시간 동안 경화하면 훨씬 강한 부품이 됩니다.

2. 소결(Sintering)

경화 후에도 금속 부품은 여전히 높은 다공성을 가집니다. 그러나 소결 또는 침투 공정으로 다공성을 크게 줄일 수 있습니다. 일반적으로 제어 분위기 용광로에서 약 100°C로 24~36시간 열처리하며 바인더를 태워 없앱니다. 금속 입자가 융합되어 낮은 다공성의 강한 금속 부품이 됩니다. 다만 소결은 불균일한 수축을 유발할 수 있고 예측이 어려워 설계 단계에서 고려해야 합니다.

3. 침투(Infiltration)

고밀도 달성을 위해 바인더가 타면서 생긴 빈 공간을 채워야 합니다. 보통 용융 청동을 침투시켜 잔여 공극을 메웁니다. 이러한 후공정 단계를 거치면 금속 부품의 기계적 물성이 크게 향상됩니다. 예를 들어 스테인리스강에 청동 침투 시 최종 밀도 95% 달성 가능.

4. 마무리(Finishing)

선택적으로 부품을 연마하고 금이나 니켈 도금해 심미적 표면 마감을 얻을 수 있습니다.

금속 바인더 제팅이 생산 기술로 떠오르는 이유

금속 바인더 제팅은 생산 적용을 촉진하는 여러 독특한 이점을 제공합니다.

첫째, 바인더 제팅은 프린팅 중 금속 분말을 녹이지 않아 잔류 응력 축적 관련 문제를 없앱니다.

둘째, 출력된 부품이 미사용 분말에 둘러싸여 있어 서포트 구조가 필요 없습니다. 이 두 이점 모두 후공정을 최소화하는 데 기여합니다.

또한 바인더 제팅 장비는 SLM이나 DED 기반 3D 프린터보다 저렴합니다. 고가의 레이저나 전자빔을 사용하지 않기 때문입니다.

최신 금속 바인더 제팅 장비는 금속 사출 성형(MIM) 분말도 사용 가능합니다. 이는 3D 프린팅 전용 금속 분말(일반적으로 가스 분무 등 고가 공법으로 소량 생산)보다 훨씬 저렴합니다.

MIM 분말로 전환하면 제조업체는 이 기술의 운영 비용을 추가로 낮출 수 있습니다.

저렴한 피드스톡 외에도 바인더 제팅은 기존 제조 금속 부품과 비교 가능한 기계적 물성을 가진 고정밀 부품 출력이 가능합니다.

마지막으로 금속 바인더 제팅 공정 속도는 일반적으로 다른 금속 3D 프린팅 공정보다 빠릅니다. 이러한 모든 이점이 결합되어 매우 확장 가능하고 생산 가능한 기술이 됩니다.

금속 바인더 제팅을 발전시키는 최신 개발 동향

2010년대는 금속 바인더 제팅의 새로운 시대를 열었습니다. 스타트업부터 기존 강자까지 여러 기업이 현재 가능한 한계를 넓히기 위해 적극적으로 노력 중입니다.

ExOne의 지속적인 혁신

ExOne은 금속 바인더 제팅 분야의 가장 오래된 플레이어 중 하나입니다. 역사상 네 가지 금속 바인더 제팅 시스템을 출시했으며 각각 전작의 진화형입니다.

예를 들어 2018년 Innovent+를 선보이며 ExOne의 신세대 금속 바인더 제팅 시스템을 열었습니다. 이전 M-Flex 3D 프린터보다 느리지만 두 가지 중요한 새 기능을 갖췄습니다.

첫째, 초음파 리코터를 장착해 분말 유동성 개선과 소재 교체 간소화를 실현했습니다. ExOne은 이 리코터가 시장에서 가장 진보한 분말 공급 기술이라고 주장합니다.

리코터는 4가지 스크린 구성으로 더 넓은 소재 호환성을 제공합니다. 이 기능은 또 다른 핵심 개발로 이어집니다: 표준 MIM 분말 처리가 가능해졌습니다.

레이저나 전자빔을 사용하는 다른 분말 베드 금속 3D 프린터는 일관된 작동을 위해 특수 제조 분말이 필요합니다. 그러나 그런 분말은 기존 금속 가공 소재보다 훨씬 비쌉니다.

Innovent+가 MIM 분말을 지원함으로써 ExOne은 사용자에게 비용 절감과 소재 유연성을 제공합니다.

혁신을 이어가며 Innovent+ 기술을 확장한 생산급 X1 25PRO 3D 프린터를 지난달 출시했습니다. 이 장비는 대형 400 x 250 x 250mm 빌드 볼륨에서 최대 10가지 소재를 출력할 수 있습니다.

이 시스템으로 고해상도, 엄격한 공차, 향상된 표면 마감의 산업용 금속 부품 생산을 목표로 합니다.

Digital Metal: 금속 바인더 제팅 자동화

금속 바인더 제팅 개발에 족적을 남긴 또 다른 기업은 선도적 금속 분말 제조사 Höganäs Group의 자회사 Digital Metal입니다.

Digital Metal은 2012년 설립되어 2013년부터 금속 바인더 제팅 기술을 서비스로 제공했습니다.

2017년 DM P2500 3D 프린터를 출시해 작고 복잡한 부품의 시리즈 생산을 겨냥했습니다.

이 장비는 0.042mm 두께의 금속 분말 층을 펼치고 부품 형상에 맞춰 바인더를 분사합니다. 이 공정은 정확하고 반복 가능해 35마이크론 해상도로 매우 작고 정교한 부품 제작이 가능합니다.

이후 소결 공정으로 평균 표면 조도 Ra 6.0마이크론을 달성해 많은 최종 사용 부품과 내부 채널 같은 특징에 충분합니다.

Digital Metal은 자사 금속 3D 프린터가 항공우주, 명품, 치과 도구, 산업 장비 등 다양한 산업에서 이미 30만 개 이상 컴포넌트를 생산했다고 밝혔습니다.

기술 발전을 위해 Digital Metal은 작년 완전 자동화 생산 컨셉을 선보였습니다.

이 컨셉에 따라 로봇이 빌드 박스 공급, 후공정을 위한 제거 등 대부분의 공정 단계를 처리합니다. 목표는 모든 수작업을 없애 지속적인 대량 생산을 실현하는 것입니다.

이 '노-핸드' 생산 라인 출범으로 Digital Metal은 금속 바인더 제팅 기술에 거대한 도약을 이뤘습니다.

HP Metal Jet: 3D 프린팅을 비용 경쟁력 있는 생산 선택지로

2016년 폴리머 부품용 Multi Jet Fusion 기술 공개 후, HP는 2018년 적층 제조 차세대 확장으로 Metal Jet 3D 프린팅 시스템을 선보였습니다.

새 금속 3D 프린터는 바인더 제팅 기술 기반이나, HP가 이 기술에 도입한 독자적 이점은 혁신적인 프린트 헤드와 잉크 기술에 있습니다.

바인더 제팅 기술은 본질적으로 빠르지만, HP는 프린트 헤드 기술 노하우를 적용해 더 빠르게 만들었습니다. Metal Jet 시스템은 5,280개 노즐을 가진 6개 프린트 헤드를 탑재합니다. 다중 노즐 열이 생산성과 신뢰성을 높입니다.

또한 잉크 기술 전문성을 활용해 소결 공정을 더 빠르고 저렴하게 만드는 혁신적인 결합제를 개발했습니다.

"금속 사출 성형에서는 일반적으로 중량 기준 10% 이상 바인더를 태워내야 하지만, 우리 경우는 1% 미만으로 한 자릿수 차이만큼 적어 소결이 더 빠르고 저렴하며 단순하다"며 Tim Weber, HP 글로벌 금속 총괄이 AMFG 인터뷰에서 말했습니다.

이러한 발전이 결합되어 기존 생산 기술과 비교 가능한 경제성과 효율을 달성하는 금속 3D 프린터가 탄생했습니다.

HP는 아직 장비를 판매하지 않고 부품 생산 서비스를 시작했으며, 2020년 상용화를 목표로 합니다. HP가 Metal Jet에 대해 주장한 바를 고려할 때 이 기술은 금속 3D 프린팅의 지속 가능한 가치 제안을 대량 생산에서 풀어낼 열쇠가 될 수 있습니다.

3DEO: 바인더 제팅과 밀링 결합

많은 기업이 금속 3D 프린팅을 다른 제조 기술과 경쟁력 있게 만들려 노력합니다. 2016년 설립된 3DEO도 금속 바인더 제팅으로 대량 생산을 실현하는 것이 목표입니다.

이를 위해 공정을 완전히 재발명했습니다. 잉크젯으로 바인더를 선택적으로 증착하는 대신, 3DEO 장비는 독자 스프레이 시스템으로 바인더를 층 전체에 균일하게 도포합니다.

결과는 단단하고 얇은 금속 분말 층이 되며, 이는 마이크로 엔드밀로 밀링됩니다. CNC 작업이 각 층의 부품 형상을 깎아냅니다.

이 기술은 'Intelligent Layering'이라 불리며 바인더 제팅과 CNC 밀링을 결합한 최초의 하이브리드 시스템입니다. 이러한 결합으로 3DEO는 소결 후 99.5% 이상 밀도의 매우 정밀한 소형 금속 부품을 만들 수 있습니다.

3DEO의 Intelligent Layering 기술은 현재 자사 생산 서비스를 통해서만 제공됩니다. 기술을 자사 생산 서비스에 한정함으로써 출력 부품 품질을 높게 유지하면서 플랫폼을 매우 유연하게 유지합니다.

현재 3DEO는 금속 3D 프린팅 업계 최대 규모 주문 중 일부를 수행 중이며, 최근 28,000개 부품 구매 주문을 수주했습니다.

장비 판매 계획은 없지만, 증가하는 생산량은 바인더 제팅이 기존 제조 부품과 동등한 생산 부품을 공급할 역량이 있음을 입증합니다.

Desktop Metal: 놀라운 속도로 금속 부품 프린팅

보스턴 기반 스타트업 Desktop Metal은 2015년 설립되어 대규모 생산을 위한 3D 프린팅의 약속을 이행하는 것을 목표로 합니다. 이를 위해 극도로 빠른 Production System을 개발했습니다.

이 금속 3D 프린터 뒤의 기술은 Single Pass Jetting(SPJ)이라 불리는 일반적인 바인더 제팅의 더 빠른 버전입니다.

시스템은 두 개의 풀-폭 프린트 헤드, 첨단 분말 공급기, 안티-밸리스틱 시스템을 갖춰 분말을 효과적으로 펼치고 빌드 영역을 가로지르며 단일 빠른 패스로 프린팅합니다.

750 x 330 x 250mm 빌드 볼륨의 이 양방향 시스템은 최대 12,000 cm³/hr 고해상도 프린팅을 가능케 하며, 이는 시간당 60kg 이상의 금속 부품에 해당합니다. 이러한 속도는 시판 중인 다른 금속 3D 프린터보다 몇 자릿수 빨라 복잡한 금속 부품의 대량 생산에 이상적입니다.

또한 Production System은 산업용 불활성 환경을 갖춘 최초의 바인더 제트 시스템으로 가스 재활용과 용제 회수 기능으로 알루미늄 같은 반응성 금속의 안전한 프린팅 길을 엽니다.

Desktop Metal은 Production System으로 금속 바인더 제팅 기술의 이점에 상당한 속도 개선을 더해 극대화했습니다.

Production System을 최근 구매 가능하게 했으므로 속도 주장이 입증되는 데는 시간이 걸릴 것입니다. 하지만 입증된다면 Production System은 오늘날 시장에서 가장 빠른 바인더 제팅 3D 프린터가 될 것입니다.

미래 전망

금속 바인더 제팅은 생산에 적합한 핵심 금속 3D 프린팅 기술 중 하나로 부상하고 있습니다. 이를 가능케 하는 것은 높은 프린팅 속도와 고정밀 부품 제작이라는 기술의 독보적 역량입니다.

또 다른 핵심 동인은 이미 잘 알려지고 상대적으로 저렴한 MIM 분말과의 호환성입니다.

여러 기업이 금속 바인더 제팅의 돌파구 잠재력을 인지하고 이를 선점하기 위해 열심히 노력 중입니다.

앞으로 이 기업들이 금속 바인더 제팅을 더욱 진화시킬 것입니다. 궁극적으로 이 기술이 전체 제조 시장에서 가치 있는 점유율을 차지하도록 도울 것입니다.

>>자세한 내용은 우리의 'Definitive Metal 3D Printing Guide'에서 확인하세요.