바인더 제팅(Binder Jetting) 머신 심층 가이드: 유형, 용도, 장단점

적층 제조의 이점과 환상적인 결과에 관심 있는 분이라면 선택할 수 있는 방식이 많습니다. 그중 주목할 만한 것이 바인더 제팅(Binder Jetting)으로, 액체와 분말의 세계를 섞어 예술, 항공우주, 의료, 산업 분야(그 이상)용 프린팅 제품을 만듭니다.

바인더 제팅에 덜 익숙한 분들을 위해 공정 내용, 장단점, 주로 적합한 응용 분야를 자세히 다루겠습니다.

바인더 제팅(BJ)이란?

바인더 제팅(BJ)은 수많은 3D 프린팅 기술 중 하나지만, 구체적으로 산업용 프린트 헤드로 액체 바인더(Binder)와 분말(Powder)을 결합 및 접착시키는 방식으로 작동합니다. 이 방식으로 모래, 금속, 복합재, 세라믹 부품을 프린팅할 수 있으며 고품질 빌드 제작이 완벽하게 가능합니다. 기존 시스템, 머신, 소프트웨어 예로 3D Systems의 ProJet MJP 5600, Stratasys의 J5 MediJet이 있습니다.

바인더 제팅(BJ) 작동 원리

바인더 제팅 작동 방식을 더 깊이 살펴보겠습니다. 바인더 제팅으로 부품을 프린팅하는 단계는:

1. 먼저 설계의 CAD 파일을 만듭니다. 이 파일이 슬라이싱되어 올바른 순서로 바인더 제팅 프린터에 지시를 보냅니다.
2. 롤러가 빌드 플랫폼에 얇고 균일한 분말 층을 깔아줍니다.
3. 프린트 헤드가 움직이며 슬라이싱된 물체 파일을 기반으로 분말의 특정 영역에 액체 바인더 접착제를 도포합니다.
4. 빌드 플랫폼이 한 층 두께만큼 내려갑니다.
5. 롤러가 또 다른 분말 층을 펴고 같은 단계가 반복됩니다. 바인더가 분말의 특정 부분에 떨어져 층층이 쌓여 완제품이 됩니다.
6. 완료되면 사용되지 않은 분말이 빌드 플랫폼에 남아 청소됩니다.

바인더 제팅 3D 프린팅의 장점

바인더 제팅 프린팅이 다른 방식 대비 가진 장점들입니다:

• 정밀한 치수의 빌드 제작 가능
• 상온에서 작동(휨과 잔류 응력 감소 도움)
• BJ로 대형 및 소형 빌드 모두 제작 가능
• 다른 3D 프린팅 기술 대비 훨씬 빠름
• 레이저 방식보다 저렴하고 에너지 효율적
• 세라믹, 금속 분말 같은 소재가 더 저렴함
• 미결합 분말이 천연 서포트 역할을 해 더 유연하고 폐기물 적음
• 사용 안 된 분말은 미래 프린팅 작업에 재사용 가능

바인더 제팅 3D 프린팅의 단점

장점 목록이 괜찮지만, 바인더 제팅의 단점도 인지해야 합니다:

• 바인더 제팅으로 만든 금속 빌드는 다공성이 높고 기계적 물성이 낮을 수 있음
• 구조용 부품엔 항상 옵션이 안 됨
• '그린(Green)' 상태에서 부품이 취약할 수 있음
• 후공정이 거의 항상 필요해 일정 연장
• 바인더 제팅은 보통 다른 3D 프린팅 방식보다 저해상도

바인더 제팅(BJ) 공정

바인더 제팅으로 부품을 프린팅하는 단계는 다음과 같습니다:

1. 부품의 CAD 파일을 만들고 슬라이싱합니다. 이 파일은 부품이 프린팅될 올바른 순서로 프린터에 지시를 보내는 데 사용됩니다.
2. 빌드 플랫폼에 분말 소재 얇은 층을 깔고 롤러로 고르게 분포시킵니다.
3. 프린트 헤드가 물체 슬라이싱 파일을 기반으로 필요한 분말 영역에 바인더 접착제를 선택적으로 도포합니다.
4. 빌드 플랫폼이 한 층 두께만큼 내려갑니다.
5. 이전 층 위에 또 다른 분말 층을 펴고, 액체 바인더로 분말 입자들이 결합해 물체를 형성합니다. 이 과정이 층층이 반복돼 전체 물체가 만들어집니다.
6. 미결합 분말은 물체 주변에 그대로 남습니다. 후공정 단계에서 제거됩니다.

바인더 제팅(BJ) 유형

사용할 바인더 제팅 머신 유형은 어떤 바인더와 분말을 쓰느냐에 따라 다릅니다. 바인더 제팅에 쓰이는 일반적인 바인더 유형:

폴리머 바인더(Polymer Binders)

폴리머 바인더는 보통 세라믹 분말과 짝을 이루며 열처리로 제거 가능. 점도가 낮아 BJ 프린팅으로 쉽게 도포 가능.

수계 바인더(Water-based Binders)

모래나 다른 광물 분말과 함께 작동. 환경 친화적이고 건조나 소결로 쉽게 제거 가능.

용제계 바인더(Solvent-based Binders)

금속, 세라믹 분말과 가장 잘 작동. '용제 탈바인더(Solvent Debinding)' 공정으로 제거 가능. 고체 함량이 높고 베드에 도포하기 쉽습니다.

푸란 바인더(Furan Binder)

푸르푸릴 알코올(Furfuryl Alcohol)로 만들어지며 주로 모래 분말과 함께 주조용 몰드와 코어 제작, 특히 복잡한 설계에 사용. 기계적 강도와 열 안정성이 좋고 열이나 산 촉매로 경화 가능. 주물에서 몰드를 꽤 쉽게 분리 가능.

실리케이트 바인더(Silicate Binder)

규산나트륨(Sodium Silicate)이나 규산칼륨(Potassium Silicate)으로 만들어지며 주조용 또 다른 옵션. 모래 분말과 잘 작동(몰드 제작 후 철금속에 좋음). 내화 특성이 좋고 고온에 문제없음. 건조나 산 촉매 첨가로 경화.

페놀 바인더(Phenolic Binder)

주조용 또 다른 옵션으로 페놀-포름알데히드 수지(Phenol-Formaldehyde Resins)로 만듦. 기계적 강도와 치수 안정성이 좋고 열로 경화. 고강도, 고온 제품 필요 시 훌륭함.

UV 바인더(UV Binder)

UV 라이트 접근 필요. 많은 소재와 작동 안 함(광중합체 레진이 최적). 하지만 고해상도 복잡한 부품 제작 가능.

바인더 제팅(BJ)에 사용 가능한 소재

바인더 제팅에 쓸 수 있는 소재가 많습니다. 주요 유형 정리:

• 금속: 스테인리스 스틸, 티타늄, 알루미늄, 구리 - 고강도, 내구성 부품 제작
• 세라믹: 타일, 위생 도기, 절연체 - 알루미나, 지르코니아, 실리콘 카바이드 등 사용
• 모래: 바인더(푸란, 실리케이트, 페놀 등)와 혼합해 주조용 몰드와 코어 제작
• 플라스틱: 폴리아마이드, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트 등 분말 - 소비재, 자동차, 의료 부품 제작
• 복합재: 탄소 섬유, 유리 섬유를 폴리머 바인더와 혼합

자세한 내용은 3D 프린팅 소재 전체 가이드를 참조하세요.

바인더 제팅 3D 프린팅 시스템 예시

아래는 바인더 제팅 3D 프린팅 시스템 예시입니다:

1. 3D Systems의 ProJet MJP 5600
2. Stratasys의 J5 MediJet

바인더 제팅 응용 분야

이 3D 프린팅 방식의 용도는 매우 많으며, 이 압축 목록은 일부만 다룹니다:

• 프로토타입
• 항공우주 부품
• 주조 패턴
• 주얼리
• 풀컬러 장식품
• 코어와 몰드
• 툴링

바인더 제팅 FAQ

바인더 제팅 비용은?

일반적으로 바인더 제팅 머신은 $100,000 이상. 사업주와 제조업체에게는 이 프린터들이 전력을 덜 쓰고 소재가 더 저렴해 종종 꽤 경제적입니다.

바인더 제팅은 빠른 3D 프린팅 공정인가?

네, 사실 바인더 제팅은 종종 가장 빠른 3D 프린팅 기술로 여겨집니다. 정밀도를 잃지 않고 짧은 시간에 대량 생산 가능.

바인더 제팅 3D 프린팅에 서포트가 필요한가?

아니오, 바인더 제팅은 일반적으로 추가 서포트 구조가 필요 없습니다. 프린트 베드에 깔리는 분말이 이미 서포트 역할을 하기 때문입니다. 따라서 여러 부품을 같은 분말 베드에서 동시에 프린팅할 수 있어 저~중량 배치 생산에 이상적입니다.

바인더 제팅은 금속만 작동하나?

아니오, 바인더 제팅은 금속보다 훨씬 많은 소재와 작동합니다. 모래, 세라믹, 일부 폴리머로도 프린팅 가능합니다.

캣 드 나오움(Kat de Naoum)

캣 드 나오움은 영국 출신 작가, 저자, 편집자, 콘텐츠 전문가로 20년 이상의 집필 경력을 가졌습니다. 다양한 제조 및 기술 조직을 위해 집필했으며 엔지니어링 세계를 사랑합니다. 집필 외에도 거의 10년간 패러리걸로 일했으며, 그중 7년은 선박 금융 분야였습니다. 다수의 인쇄물과 온라인 출판물에 기고했습니다. 킹스턴 대학교에서 영문학 및 철학 학사, 창작학 석사를 취득했습니다.

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