바인더 제팅 3D 프린팅 완전 이해: 원리, 장점, 한계

이 입문 글에서 바인더 제팅 3D 프린팅의 기본 원리를 다룹니다. 읽고 나면 바인더 제팅 공정의 기본 메커니즘과 이것이 장점과 한계에 어떻게 연결되는지 이해하실 수 있습니다.

바인더 제팅 작동 원리

바인더 제팅 공정은 다음과 같이 작동합니다.

1. 먼저 리코팅 블레이드가 빌드 플랫폼 위에 얇은 분말 층을 펼칩니다.
2. 그런 다음 잉크젯 노즐(일반 2D 데스크톱 프린터 노즐과 유사)을 장착한 캐리지가 베드 위를 지나며 결합제(접착제) 방울을 선택적으로 증착해 분말 입자들을 결합시킵니다. 풀컬러 바인더 제팅에선 이 단계에서 컬러 잉크도 함께 증착됩니다. 각 방울 크기는 지름 약 80μm로 양호한 해상도 달성 가능.
3. 층이 완료되면 빌드 플랫폼이 아래로 이동하고 블레이드가 표면을 다시 코팅. 파트 전체가 완료될 때까지 반복.
4. 프린팅 후 파트는 분말에 싸인 채로 남아 경화되며 강도를 얻습니다. 이후 파트를 분말 빈에서 꺼내 압축 공기로 미결합 여분 분말을 세척합니다.

소재에 따라 후가공 단계가 보통 필요합니다. 예: 금속 바인더 제팅 파트는 소결(sintering)(또는 다른 열처리)하거나 저융점 금속(일반적으로 청동)으로 침투(infiltration)해야 합니다. 풀컬러 시제품도 아크릴로 침투시키고 코팅해 색상 선명도 개선. 주조용 샌드 코어와 몰드는 프린팅 후 보통 바로 사용 가능.

이유는 파트가 프린터에서 나올 때 그린 상태(green state)이기 때문입니다. 그린 상태의 바인더 제팅 파트는 기계적 물성이 나쁨(매우 취약)하고 다공성이 높습니다.

바인더 제팅 3D 프린터 개요도

바인더 제팅 3D 프린팅의 특징

프린터 파라미터

바인더 제팅에서 거의 모든 공정 파라미터는 머신 제조사가 미리 설정합니다.

일반적인 층 높이는 소재에 따라 다름: 풀컬러 모델 100마이크론, 금속 파트 50마이크론, 주조용 몰드 소재 200~400마이크론.

바인더 제팅이 다른 3D 프린팅 공정 대비 가진 핵심 장점은 결합이 상온에서 일어난다는 점입니다. 이는 FDM, SLS, DMLS/SLM의 휨(warping)이나 SLA/DLP의 컬링(curling) 같은 열 효과 연관 치수 왜곡이 바인더 제팅엔 문제가 안 됨을 의미합니다.

그 결과 바인더 제팅 머신의 빌드 볼륨은 모든 3D 프린팅 기술 중 최대급(최대 2200×1200×600mm). 이런 대형 머신은 주로 샌드 캐스팅 몰드 생산에 쓰입니다. 금속 바인더 제팅 시스템도 DMLS/SLM 시스템보다 큰 빌드 볼륨(최대 800×500×400mm)을 가져 다수 파트 병렬 제조 가능. 다만 후가공 단계 탓에 최대 파트 크기는 길이 50mm 이하로 제한 권장.

게다가 바인더 제팅은 서포트 구조가 불필요: 주변 분말이 파트에 필요한 모든 지지를 제공(SLS와 유사). 이는 금속 바인더 제팅과 다른 금속 3D 프린팅 공정(보통 광범위한 서포트 구조 필요)의 핵심 차이로, 기하학적 제약이 거의 없는 자유형 금속 구조물 생성 가능. 금속 바인더 제팅의 기하학적 부정확성은 뒤에서 논의할 후가공 단계에서 주로 옵니다.

바인더 제팅 파트가 빌드 플랫폼에 부착될 필요 없어 빌드 볼륨 전체 활용 가능. 따라서 바인더 제팅은 저~중량 배치 생산에 적합. 바인더 제팅의 풀 역량 활용을 위해 머신 전체 빌드 볼륨(빈 패킹)을 효과적으로 채우는 방안을 고려하는 게 매우 중요.

높은 치수 정확도의 미세 홀을 가진 소형 금속 바인더 제팅 파트 (Digital Metal 제공 이미지)

풀컬러 바인더 제팅

바인더 제팅은 머티리얼 제팅과 유사하게 풀컬러 3D 프린트 파트 생산 가능. 저렴한 비용 덕분에 피규어와 지형도 3D 프린팅에 자주 쓰입니다.

풀컬러 모델은 사암(sandstone) 분말이나 PMMA 분말로 프린팅. 메인 프린트헤드가 결합제 분사, 세컨더리 프린트헤드가 컬러 잉크 분사. 서로 다른 색상 잉크 조합으로 2D 잉크젯 프린터처럼 매우 다양한 색상 구현 가능.

프린팅 후 파트는 시아노아크릴레이트(순간접착제)나 다른 침투제로 코팅해 파트 강도 향상과 색상 선명도 증진. 추가로 세컨더리 에폭시 레이어를 더해 강도와 색상 외관 추가 개선 가능. 이런 추가 단계에도 풀컬러 바인더 제팅 파트는 매우 취약해 기능성 애플리케이션엔 비추천.

풀컬러 프린트 제작하려면 색상 정보를 포함한 CAD 모델 제공 필요. CAD 모델에 색상 적용하는 두 가지 방법: 면 단위 접근법 또는 텍스처 맵. 면 단위 색상 적용은 빠르고 구현 쉽지만 텍스처 맵이 더 많은 제어와 디테일 가능. 네이티브 CAD 소프트웨어별 구체적 지침 참조.

바인더 제팅으로 사암에 프린팅된 풀컬러 프린트

샌드 캐스팅 코어와 몰드

대형 샌드 캐스팅 패턴 생산은 바인더 제팅의 가장 흔한 용도 중 하나. 저렴한 비용과 속도로 기존 기술론 매우 어렵거나 불가능한 정교한 패턴 설계에 훌륭한 솔루션.

코어와 몰드는 일반적으로 모래나 실리카로 프린팅. 프린팅 후 몰드는 보통 즉시 주조 준비 완료. 주조 금속 컴포넌트는 주조 후 몰드 파쇄로 분리. 일회용 몰드라도 기존 제조 대비 시간·비용 절감 효과가 상당.

엔진 블록 주조용 다중 파트 샌드 캐스팅 어셈블리 (ExOne 제공 이미지)

금속 바인더 제팅

금속 바인더 제팅은 다른 금속 3D 프린팅 공정(DMLS/SLM) 대비 최대 10배 경제적. 게다가 빌드 크기가 상당히 크고 프린팅 중 서포트 구조 불필요로 복잡한 형상 생성 가능. 이 덕분에 금속 바인더 제팅은 저~중량 금속 생산에 매우 매력적인 기술.

금속 바인더 제팅 파트의 주요 단점은 기계적 물성이 하이엔드 애플리케이션에 부적합하다는 점. 하지만 생산된 파트 물성은 금속 사출 성형(MIM) 부품과 동등한데, MIM은 금속 부품 대량 생산에 가장 널리 쓰이는 제조 방식 중 하나입니다.

침투 & 소결

금속 바인더 제팅 파트는 프린팅 후 침투나 소결 같은 2차 공정이 필요해 양호한 기계적 물성 확보. 프린팅 직후 파트는 기본적으로 폴리머 접착제로 결합된 금속 입자들로 구성되기 때문.

• 침투: 프린팅 후 파트를 퍼니스에 넣어 바인더 소각으로 보이드 생성. 이 시점 파트는 약 60% 다공성. 청동을 모세관 작용으로 보이드에 침투시켜 낮은 다공성과 양호한 강도의 파트 얻음.
• 소결: 프린팅 완료 후 파트를 고온 퍼니스에 넣어 바인더 소각하고 남은 금속 입자들을 소결(결합)시켜 매우 낮은 다공성의 파트 얻음.

스테인리스강으로 프린팅되고 청동으로 침투된 오일·가스 스테이터. 바인더 제팅 파트 특유의 표면 마감 확인 가능 (ExOne 제공 이미지)

금속 바인더 제팅의 특성

정확도와 공차는 모델에 따라 크게 달라 예측하기 어렵습니다. 기하학에 크게 의존하기 때문. 예: 길이 25~75mm 파트는 침투 후 0.8~2% 수축, 더 큰 파트는 평균 3% 수축 추정. 소결 시 파트 수축 약 20%. 파트 치수는 머신 소프트웨어가 수축 보상하지만, 불균일 수축이 문제될 수 있어 설계 단계에서 바인더 제팅 머신 오퍼레이터와 협력해 고려해야 함.

후가공 단계도 부정확성 원인 가능. 예: 소결 시 파트 고온 가열로 연해짐. 이 부드러운 상태에서 미지지 영역이 자중으로 변형될 수 있음. 게다가 파트가 소결 중 수축하며 퍼니스 플레이트와 파트 하부 표면 간 마찰로 휘어짐(warping) 발생 가능. 역시 바인더 제팅 머신 오퍼레이터와의 소통이 최적 결과 위해 핵심.

소결 또는 침투된 바인더 제팅 금속 파트는 내부 다공성을 가짐(소결 97% 밀도, 침투 약 90%). 이는 금속 바인더 제팅 파트 기계적 물성에 영향 - 보이드가 크랙 개시점 될 수 있음. 피로·파단 강도와 파단 신율이 내부 다공성 영향 가장 많이 받는 물성. 첨단 야금 공정(열간 등방 압축 HIP 등)으로 내부 다공성 거의 없는 파트 생산 가능. 하지만 기계적 성능이 중요한 애플리케이션에선 DMLS나 SLM이 추천 솔루션.

DMLS/SLM 대비 금속 바인더 제팅의 장점은 생산 파트의 표면 거칠기. 일반적으로 금속 바인더 제팅 파트는 후가공 후 Ra 6μm 표면 거칠기, 비드 블라스팅 단계 추가 시 Ra 3μm까지 감소. 비교해 DMLS/SLM 프린팅 직후 표면 거칠기는 약 Ra 12~16μm. 이는 내부 기하학이 있는 파트(예: 내부 채널)에 특히 유리한데, 후가공이 어렵기 때문.

아래 표는 스테인리스강 파트의 주요 기계적 물성 차이를 바인더 제팅과 DMLS/SLM으로 비교한 것입니다.

	바인더 제팅 스테인리스강 316 (소결)	바인더 제팅 스테인리스강 316 (청동 침투)	DMLS/SLM 스테인리스강 316L
항복 강도	214MPa	283MPa	470MPa
파단 신율	34%	14.5%	40%
탄성 계수	165GPa	135GPa	180GPa