바인더 젯팅 3D 프린팅 소개

바인더 제팅이란 무엇입니까?

바인더 제팅은 적층 제조 공정 제품군입니다. 바인더 제팅에서 바인더는 분말 베드에 선택적으로 증착되어 이러한 영역을 함께 결합하여 한 번에 한 층의 고체 부품을 형성합니다. Binder Jetting에 일반적으로 사용되는 재료는 금속, 모래 및 세라믹으로 세분화되어 있습니다.

Binder Jetting은 풀 컬러 프로토타입 제작을 포함하여 다양한 애플리케이션에 사용됩니다. (예:인형), 대형 모래 주조 코어 및 주형 생산 저비용 3D 프린팅 금속 부품 제조.

이러한 다양한 응용 프로그램으로 인해 기능을 사용하려는 디자이너에게 필수적입니다. Binder Jetting을 최대한 활용하여 프로세스의 기본 역학과 이것이 핵심 이점 및 제한 사항과 어떻게 연결되는지 이해 .

바인더 제팅은 어떻게 작동합니까?

바인더 제팅 프로세스의 작동 방식은 다음과 같습니다.

I. 먼저, 재코팅 블레이드가 빌드 플랫폼 위에 얇은 분말 층을 퍼뜨립니다.

Ⅱ. 그런 다음, 잉크젯 노즐(데스크탑 2D 프린터에 사용되는 노즐과 유사)이 있는 캐리지가 베드 위를 지나가며 분말 입자를 함께 결합하는 결합제(접착제) 방울을 선택적으로 증착합니다. 풀 컬러 Binder Jetting에서 컬러 잉크도 이 단계에서 증착됩니다. 각 방울의 크기는 직경이 약 80μm이므로 좋은 해상도를 얻을 수 있습니다.

III. 레이어가 완료되면 빌드 플랫폼이 아래쪽으로 이동하고 블레이드가 표면을 다시 코팅합니다. 그런 다음 전체 부분이 완료될 때까지 프로세스가 반복됩니다.

IV. 인쇄 후 부품은 분말로 캡슐화되고 경화되어 강도를 얻습니다. 그런 다음 부품을 파우더 빈에서 꺼내고 압축되지 않은 여분의 파우더를 압축 공기를 통해 청소합니다.

재료에 따라 일반적으로 후처리 단계가 필요합니다. 예를 들어 금속 바인더 분사 부품은 소결해야 합니다. (또는 열처리) 또는 침투 용융 온도가 낮은 금속(일반적으로 청동). 풀 컬러 프로토타입도 아크릴로 침투시키고 코팅하여 색상의 생동감을 향상시킵니다. 모래 주조 코어와 주형은 일반적으로 3D 인쇄 후에 사용할 수 있습니다.

이는 부품이 프린터를 떠날 때 "녹색" 상태에 있기 때문입니다. 녹색 상태의 바인더 분사 부품 기계적 특성이 좋지 않고(매우 부서지기 쉬움) 다공성이 높습니다.

바인더 제팅의 특성

프린터 매개변수

Binder Jetting에서 거의 모든 공정 매개변수는 기계 제조업체에서 사전 설정합니다.

일반적인 레이어 높이 재료에 따라 다릅니다. 풀 컬러 모델의 경우 일반적인 레이어 높이는 100미크론, 금속 부품의 경우 50미크론, 모래 주조 몰드 재료의 경우 200-400미크론입니다.

다른 3D 프린팅 공정에 비해 Binder Jetting의 주요 이점은 결합이 실온에서 일어난다는 것입니다. . 이는 열 효과와 관련된 치수 왜곡(예:FDM, SLS, DMSL/SLM의 뒤틀림 또는 SLA/DLP의 말림)이 바인더 젯팅에서 문제가 되지 않는다는 것을 의미합니다.

결과적으로 빌드 볼륨 Binder Jetting 기계의 수는 모든 3D 프린팅 기술(최대 2200 x 1200 x 600mm)과 비교할 때 가장 큰 것입니다. 이 대형 기계는 일반적으로 모래 주조 금형을 생산하는 데 사용됩니다. Metal Binder Jetting 시스템은 일반적으로 DMSL/SLM 시스템(최대 800 x 500 x 400mm)보다 빌드 볼륨이 더 크기 때문에 한 번에 여러 부품을 병렬로 제조할 수 있습니다. 그러나 최대 부품 크기는 관련된 후처리 단계로 인해 권장 길이가 최대 50mm로 제한됩니다.

또한 Binder Jetting에는 지지 구조가 필요하지 않습니다. :주변의 분말은 부품에 필요한 모든 지원을 제공합니다(SLS와 유사). 이것은 일반적으로 지지 구조를 광범위하게 사용해야 하고 기하학적 제한이 거의 없는 자유형 금속 구조를 생성할 수 있는 금속 바인더 제팅과 기타 금속 3D 프린팅 공정 간의 주요 차이점입니다. 금속 바인더 제팅의 기하학적 부정확성은 뒷부분에서 논의되는 바와 같이 주로 후처리 단계에서 발생합니다.

Binder Jetting의 부품은 빌드 플랫폼에 부착할 필요가 없기 때문에 전체 빌드 볼륨을 활용할 수 있습니다. 따라서 Binder Jetting은 중소 규모 배치 생산에 적합합니다. . Binder Jetting의 모든 기능을 활용하려면 기계의 전체 빌드 볼륨(빈 포장)을 효과적으로 채우는 방법을 고려하는 것이 매우 중요합니다.

풀 컬러 바인더 분사

Binder Jetting은 Material Jetting과 유사한 방식으로 풀 컬러 3D 인쇄 부품을 생산할 수 있습니다. 저렴한 비용으로 피규어나 지형도를 3D 프린팅하는 데 자주 사용됩니다.

풀 컬러 모델은 사암 분말 또는 PMMA 분말을 사용하여 인쇄됩니다. 주 프린트 헤드는 먼저 결합제를 분사하고 보조 프린트 헤드는 컬러 잉크를 분사합니다. 다양한 색상의 잉크를 결합하여 2D 잉크젯 프린터와 유사한 방식으로 매우 다양한 색상을 생성할 수 있습니다.

인쇄 후 부품은 부품 강도를 개선하고 색상의 생동감을 향상시키기 위해 시아노아크릴레이트(고급 접착제) 또는 다른 침투제로 코팅됩니다. 그런 다음 2차 에폭시 층을 추가하여 강도와 색상 외관을 더욱 개선할 수도 있습니다. 이러한 추가 단계를 수행하더라도 풀 컬러 Binder Jetting 부품은 매우 부서지기 쉬우므로 기능성 응용 분야에는 권장되지 않습니다.

풀 컬러 인쇄물을 생성하려면 색상 정보가 포함된 CAD 모델을 제공해야 합니다. 색상은 면별 접근 방식 또는 텍스처 맵의 두 가지 방법을 통해 CAD 모델에 적용할 수 있습니다. 면별로 색상을 적용하는 것은 빠르고 쉽게 구현할 수 있지만 텍스처 맵을 사용하면 더 많은 컨트롤과 세부 사항이 가능합니다. 특정 지침은 기본 CAD 소프트웨어를 참조하십시오.

모래 주조 코어 및 주형

큰 모래 주조 패턴의 생산은 바인더 제팅의 가장 일반적인 용도 중 하나입니다. 프로세스의 낮은 비용과 속도는 전통적인 기술을 사용하여 생산하기가 매우 어렵거나 불가능한 정교한 패턴 디자인을 위한 탁월한 솔루션입니다.

코어와 몰드는 일반적으로 모래 또는 실리카로 인쇄됩니다. 인쇄 후 금형은 일반적으로 즉시 주조할 수 있습니다. 주조된 금속 부품은 일반적으로 주조 후 주형을 깨뜨려 제거합니다. 이러한 금형은 한 번만 사용하더라도 기존 제조 방식에 비해 상당한 시간과 비용 절감 효과를 볼 수 있습니다.

금속 바인더 분사

Metal Binder Jetting은 최대 10배 더 경제적입니다. 다른 금속 3D 프린팅 공정(DMSL/SLM)보다 또한 Binder Jetting의 빌드 크기가 상당히 크고 생산된 부품에는 지지 구조가 필요하지 않습니다. 인쇄하는 동안 복잡한 형상을 만들 수 있습니다. 이는 금속 바인더 제팅을 중소 금속 생산에 매우 매력적인 기술로 만듭니다. .

금속 바인더 제팅 부품의 주요 단점은 기계적 특성으로 고급 응용 분야에는 적합하지 않습니다. 그럼에도 불구하고 생산된 부품의 물성은 금속 부품의 대량 생산에 가장 널리 사용되는 제조 방법 중 하나인 금속 사출 성형으로 생산되는 금속 부품과 동등합니다.

침투 및 소결

Metal Binder Jetting 부품은 인쇄 후 침투와 같은 2차 공정이 필요합니다. 또는 소결 , 인쇄된 부품이 기본적으로 폴리머 접착제로 결합된 금속 입자로 구성되어 있기 때문에 우수한 기계적 특성을 달성합니다.

침투: 인쇄 후 부품을 용광로에 넣고 바인더를 태워 공극을 남깁니다. 이 시점에서 부품은 약 60% 다공성입니다. 그런 다음 청동을 사용하여 모세관 작용을 통해 공극에 침투하여 다공성이 낮고 강도가 좋은 부품을 만듭니다.

소결: 인쇄가 완료된 후 부품을 고온 용광로에 넣고 바인더를 태우고 나머지 금속 입자를 함께 소결(접착)하여 다공성이 매우 낮은 부품을 만듭니다.

금속 바인더 분사의 특성

정확도와 공차는 모델에 따라 크게 다를 수 있으며 지오메트리에 크게 의존하기 때문에 예측하기 어렵습니다. 예를 들어 길이가 최대 25~75mm인 부품은 침투 후 0.8~2% 수축하는 반면 더 큰 부품의 예상 평균 수축은 3%입니다. 소결의 경우 부품 수축은 약 20%입니다. 부품의 치수는 수축에 대해 보상됩니다. 기계의 소프트웨어에 의해 이루어지지만 불균일한 수축이 문제가 될 수 있으며 Binder Jetting 기계 운영자와 협력하여 설계 단계에서 설명되어야 합니다.

사후 처리 단계도 부정확성의 원인이 될 수 있습니다. 예를 들어, 소결 중에 부품이 고온으로 가열되어 부드러워집니다. 이 부드러운 상태에서 지지되지 않는 영역 자체 무게로 인해 변형될 수 있습니다. 또한, 소결 중에 부품이 수축함에 따라 여기에서 용광로의 플레이트와 부품의 하부 표면 사이에 마찰이 발생하여 뒤틀림이 발생할 수 있습니다. . 다시 말하지만, 최적의 결과를 보장하기 위해서는 바인더 분사기 작업자와의 커뮤니케이션이 핵심입니다.

소결되거나 침투된 Binder Jetting 금속 부품에는 내부 다공성이 있습니다. (소결은 97% 조밀한 부품을 생성하는 반면 침투는 약 90%). 이는 보이드가 균열 시작으로 이어질 수 있기 때문에 금속 바인더 제팅 부품의 기계적 특성에 영향을 미칩니다. 피로 및 파괴 강도 및 파단 신율은 내부 다공성의 영향을 가장 많이 받는 재료 특성입니다. 내부 다공성이 거의 없는 부품을 생산하기 위해 고급 야금 공정(예:열간 등방압 압축 또는 HIP)을 적용할 수 있습니다. 기계적 성능이 중요한 애플리케이션의 경우 DMLS 또는 SLM이 권장되는 솔루션입니다.

DMLS/SLM에 비해 Metal Binder Jetting의 장점은 표면 거칠기입니다. 생산된 부품의. 일반적으로 금속 바인더 분사 부품은 후처리 후 Ra 6 μm의 표면 거칠기를 가지며 비드 블라스팅 단계를 사용하면 Ra 3 μm로 감소될 수 있습니다. 이에 비해 DMLS/SLM 부품의 인쇄된 표면 거칠기는 대략 Ra 12-16 μm입니다. 이는 내부 형상이 있는 부품에 특히 유용합니다. , 예를 들어 후처리가 어려운 내부 채널.

아래 표는 Binder Jetting 및 DMLS/SLM으로 인쇄된 스테인리스 스틸 부품의 주요 기계적 특성의 차이점을 요약한 것입니다.

<머리> <일>

바인더 분사 스테인리스 스틸 316(소결)	바인더 분사 스테인리스 스틸 316(청동 침투)	DMLS/SLM 스테인리스 스틸 316L
항복 강도	214MPa	283MPa	470MPa
파단 신율	34%	14.5%	40%
탄성계수	165GPa	135GPa	180GPa

일반 바인더 분사 재료

Binder Jetting 분말은 다양한 재료로 제공됩니다. 부품의 최종 적용은 가장 적합한 분말을 정의합니다. 세라믹 분말의 비용은 일반적으로 낮습니다. 금속 분말은 DMSL/SLM 재료보다 비싸지 만 경제적입니다. SLS 공정과 달리 접착되지 않은 분말을 100% 재활용할 수 있어 더 많은 재료를 절약할 수 있습니다.

재료	특성
풀 컬러 사암	풀 컬러 비기능 모델 매우 취성
실리카 모래	매우 높은 열 저항 모래 주조 응용 분야에 탁월
스테인리스 스틸(청동 침투)	우수한 기계적 특성 가공 가능 ~10% 내부 다공성
스테인리스 스틸(소결)	매우 우수한 기계적 특성 높은 내식성 ~3% 내부 다공성
인코넬 합금(소결)	우수한 기계적 특성 우수한 온도 저항 높은 내화학성
텅스텐 카바이드(소결)	매우 높은 경도 절삭 공구 생산에 사용

바인더 젯팅의 이점 및 제한 사항

이 기술의 주요 장점과 단점은 다음과 같이 요약되어 있습니다.

Binder Jetting은 일부 비용으로 금속 부품과 풀 컬러 프로토타입을 생산합니다. 각각 DMLS/SLM 및 Material Jetting과 비교합니다.
Binder Jetting은 대형 부품을 제조할 수 있습니다. 및 복잡한 금속 기하학 , 열 효과(예:뒤틀림)의 제한을 받지 않기 때문입니다.
Binder Jetting의 제조 능력은 중소 규모의 일괄 생산에 탁월합니다. .

Metal Binder Jetting 부품은 낮은 기계적 특성을 가집니다. DMSL/SLM 부품보다 다공성이 높기 때문입니다.
대략적인 세부정보만 부품이 녹색 상태에서 매우 부서지기 쉽고 사후 처리 중에 파손될 수 있으므로 Binder Jetting으로 인쇄할 수 있습니다.
다른 3D 프린팅 프로세스와 비교하여 Binder Jetting은 제한된 재료 선택을 제공합니다. .

Binder Jetting의 주요 특징은 아래 표에 요약되어 있습니다.

<머리> <일>

바인더 분사
자료	금속, 도자기(모래)
치수 정확도	금속:± 2% 또는 0.2 mm(± 0.5% 또는 ± 0.05까지) 풀 컬러:± 0.3 mm 모래:± 0.3 mm
일반적인 빌드 크기	금속:400 x 250 x 250mm(최대 800 x 500 x 400mm) 풀 컬러:200 x 250 x 200mm(최대 500 x 380 x 230mm) 모래:800 x 500 x 400(최대 ~ 2200 x 1200 x 600mm)
공통 레이어 두께	금속:35 - 50 μm 풀 컬러:100 μm 모래:200 - 400 μm
지원	필수

경험 규칙

• 매우 높은 성능이 필요하지 않은 애플리케이션의 경우 금속 부품을 저렴한 비용으로 3D 프린팅하려면 금속 바인더 젯팅을 선택하십시오.
  
• 금속 3D 프린팅 부품의 경우 Binder Jetting은 제조 공정 중 열 효과가 문제가 되지 않기 때문에 DMLS/SLM보다 설계 자유도가 더 높습니다.
  
• 풀 컬러 바인더 분사 부품은 매우 부서지기 쉽고 시각적 목적으로만 적합합니다.
  
• Binder Jetting을 사용하여 매우 큰 모래 주조 코어와 주형을 생산합니다.