바인더 젯팅 3D 프린팅 이해:원리, 이점 및 제한 사항

Binder Jetting 3D 프린팅에 대한 이 소개에서는 기술의 기본 원리를 다룹니다. 이 기사를 읽고 나면 바인더 제팅 프로세스의 기본 메커니즘과 이러한 메커니즘이 장점 및 한계와 어떤 관련이 있는지 이해하게 될 것입니다.

바인더 분사는 어떻게 작동하나요?

바인더 제트 프로세스의 작동 방식은 다음과 같습니다.

I. 먼저, 재코팅 블레이드가 빌드 플랫폼 위에 얇은 파우더 층을 펼칩니다.

II. 그런 다음 잉크젯 노즐(데스크톱 2D 프린터에 사용되는 노즐과 유사)이 장착된 캐리지가 베드 위를 지나가면서 분말 입자를 서로 결합시키는 결합제(접착제) 방울을 선택적으로 증착합니다. 풀 컬러 바인더 제팅에서는 이 단계에서 컬러 잉크도 침전됩니다. 각 방울의 크기는 직경이 약 80μm이므로 좋은 분해능을 얻을 수 있습니다.

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

IV. 프린팅 후 부품은 분말에 캡슐화되어 경화되어 강도를 얻습니다. 그런 다음 해당 부품을 파우더통에서 꺼내어 결합되지 않은 여분의 파우더를 가압 공기를 통해 청소합니다.

재료에 따라 일반적으로 후처리 단계가 필요합니다. 예를 들어 금속 바인더 분사 부품은 소결해야 합니다. (또는 다른 방법으로 열처리) 또는 침윤 녹는점이 낮은 금속(일반적으로 청동)을 사용합니다. 풀 컬러 프로토타입에도 아크릴을 침투시키고 코팅하여 색상의 생동감을 향상시킵니다. 사형 주조 코어 및 주형은 일반적으로 3D 프린팅 후에 사용할 수 있습니다.

이는 부품이 프린터에서 나올 때 "녹색" 상태이기 때문입니다. 녹색 상태의 바인더 분사 부품 기계적 특성이 좋지 않고(매우 부서지기 쉬움) 다공성이 높습니다.

Binder Jetting 3D 프린터의 개략도

Binder Jetting 3D 프린팅의 특징은 무엇인가요?

프린터 매개변수

바인더 제팅에서는 거의 모든 프로세스 매개변수가 기계 제조업체에 의해 사전 설정됩니다.

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

다른 3D 프린팅 공정에 비해 Binder Jetting의 주요 장점은 실온에서 접착이 이루어진다는 것입니다. . 이는 열 효과(예:FDM, SLS, DMSL/SLM의 뒤틀림 또는 SLA/DLP의 말림)와 관련된 치수 왜곡이 바인더 제팅에서는 문제가 되지 않음을 의미합니다.

그 결과 빌드 볼륨 바인더 분사기의 크기는 모든 3D 프린팅 기술에 비해 가장 큽니다(최대 2200 x 1200 x 600mm). 이러한 대형 기계는 일반적으로 모래 주조 주형을 생산하는 데 사용됩니다. Metal Binder Jetting 시스템은 일반적으로 DMSL/SLM 시스템(최대 800 x 500 x 400mm)보다 빌드 볼륨이 더 크므로 한 번에 여러 부품을 병렬 제조할 수 있습니다. 그러나 관련 후처리 단계로 인해 최대 부품 크기는 권장 길이인 최대 50mm로 제한됩니다.

또한 바인더 제트에는 지원 구조가 필요하지 않습니다. :주변 파우더가 부품에 필요한 모든 지지력을 제공합니다(SLS와 유사). 이는 일반적으로 지지 구조를 광범위하게 사용해야 하며 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 이후 섹션에서 설명하는 것처럼 주로 후처리 단계에서 발생합니다.

Binder Jetting의 부품을 빌드 플랫폼에 부착할 필요가 없으므로 전체 빌드 볼륨을 활용할 수 있습니다. 따라서 Binder Jetting은 중소규모 배치 생산에 적합합니다. . 바인더 제팅의 모든 기능을 활용하려면 기계의 전체 빌드 볼륨을 효과적으로 채우는 방법(빈 포장)을 고려하는 것이 매우 중요합니다.

치수 정확도가 매우 높은 미세한 구멍이 있는 소형 금속 바인더 제트입니다.

이미지 제공:디지털 메탈

풀 컬러 바인더 분사

Binder Jetting은 Material Jetting과 유사한 방식으로 풀 컬러 3D 프린팅 부품을 생산할 수 있습니다. 가격이 저렴하기 때문에 인형이나 지형도를 3D 프린팅하는 데 자주 사용됩니다.

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

프린팅 후 부품은 시아노아크릴레이트(슈퍼 글루) 또는 다른 침투제로 코팅되어 부품 강도를 향상시키고 색상의 생동감을 향상시킵니다. 강도와 색상 외관을 더욱 향상시키기 위해 보조 에폭시 층을 추가할 수도 있습니다. 이러한 추가 단계를 수행하더라도 풀 컬러 바인더 분사 부품은 매우 부서지기 쉬우므로 기능성 애플리케이션에는 권장되지 않습니다.

풀 컬러 인쇄물을 제작하려면 색상 정보가 포함된 CAD 모델이 제공되어야 합니다. 색상은 면별 접근 방식 또는 텍스처 맵이라는 두 가지 방법을 통해 CAD 모델에 적용할 수 있습니다. 면별로 색상을 적용하는 것은 빠르고 쉽게 구현할 수 있지만 텍스처 맵을 사용하면 더 많은 제어와 세부 정보를 얻을 수 있습니다. 구체적인 지침은 기본 CAD 소프트웨어를 참조하세요.

바인더 제팅(Binder Jetting)을 사용하여 사암에 인쇄된 풀 컬러 인쇄물

사형 주조 코어 및 주형

대형 모래 주조 패턴의 생산은 바인더 분사의 가장 일반적인 용도 중 하나입니다. 저렴한 비용과 공정 속도로 인해 전통적인 기술을 사용하여 생산하기가 매우 어렵거나 불가능한 정교한 패턴 디자인을 위한 탁월한 솔루션이 됩니다.

코어와 몰드는 일반적으로 모래나 실리카로 인쇄됩니다. 프린팅 후 금형은 일반적으로 즉시 주조 준비가 됩니다. 주조된 금속 부품은 일반적으로 주조 후 주형을 깨뜨려 제거됩니다. 이러한 금형은 단 한 번만 사용하더라도 기존 제조에 비해 시간과 비용이 상당히 절약됩니다.

엔진 블록을 주조하는 데 사용되는 다중 부품 모래 주조 어셈블리.

이미지 제공:ExOne

금속 바인더 분사

금속 바인더 제팅은 최대 10배 더 경제적 다른 금속 3D 프린팅 공정(DMSL/SLM)보다 더욱이 Binder Jetting의 제작 크기는 상당히 크고 생산된 부품에는 지지 구조가 필요하지 않습니다. 인쇄하는 동안 복잡한 형상을 생성할 수 있습니다. 이로 인해 금속 바인더 제팅은 중소형 금속 생산에 매우 매력적인 기술입니다. .

금속 바인더 분사 부품의 주요 단점은 기계적 특성으로 고급 응용 분야에는 적합하지 않습니다. 그럼에도 불구하고, 생산된 부품의 재료 특성은 금속 부품 대량 생산을 위해 가장 널리 사용되는 제조 방법 중 하나인 금속 사출 성형으로 생산된 금속 부품과 동일합니다.

침투 및 소결

금속 바인더 분사 부품은 프린팅 후 침투와 같은 2차 공정이 필요합니다. 또는 소결 , 인쇄된 부품은 기본적으로 고분자 접착제로 결합된 금속 입자로 구성되므로 우수한 기계적 특성을 달성하기 위한 것입니다.

침입: 프린팅 후, 부품은 용광로에 배치되고, 여기서 바인더는 연소되어 빈 공간을 남깁니다. 이 시점에서 부품의 다공성은 약 60%입니다. 그런 다음 청동을 사용하여 모세관 작용을 통해 공극에 침투함으로써 다공성이 낮고 강도가 좋은 부품을 만듭니다.

소결: 인쇄가 완료된 후 부품은 고온의 용광로에 배치되며, 여기서 바인더는 연소되고 나머지 금속 입자는 함께 소결(결합)되어 다공성이 매우 낮은 부품이 생성됩니다.

스테인레스 스틸로 인쇄하고 청동으로 침투한 오일 및 가스 고정자. 바인더 분사 부품의 일반적인 표면 마감을 확인하세요.

이미지 제공:ExOne

금속 바인더 제팅의 특성

정확도와 공차는 모델에 따라 크게 달라질 수 있으며 형상에 따라 크게 달라지므로 예측하기 어렵습니다. 예를 들어 길이가 최대 25~75mm인 부품은 침투 후 0.8~2% 수축되는 반면, 더 큰 부품은 평균 3%의 예상 수축률을 갖습니다. 소결의 경우 부품 수축률은 약 20%입니다. 수축으로 부품의 치수가 보정됩니다. 그러나 불균일한 수축은 문제가 될 수 있으므로 설계 단계에서 바인더 분사기 작업자와 협력하여 이를 해결해야 합니다.

후처리 단계도 부정확성의 원인이 될 수 있습니다. 예를 들어, 소결하는 동안 부품은 고온으로 가열되어 부드러워집니다. 이 부드러운 상태에서는 지원되지 않는 영역 자체 무게로 인해 변형될 수 있습니다. 더욱이, 소결 중에 부품이 수축함에 따라 용광로의 판과 부품의 하부 표면 사이에 마찰이 발생하여 뒤틀림이 발생할 수 있습니다. . 여기서도 최적의 결과를 보장하려면 바인더 분사기 작업자와의 의사소통이 중요합니다.

소결되거나 침투된 바인더 분사 금속 부품에는 내부 다공성이 있습니다. (소결은 밀도가 97%인 부품을 생산하고, 침투는 약 90%를 생산합니다.) 이는 공극이 균열을 일으킬 수 있으므로 금속 바인더 분사 부품의 기계적 특성에 영향을 미칩니다. 피로, 파괴 강도, 파단 연신율은 내부 다공성에 의해 가장 큰 영향을 받는 재료 특성입니다. 내부 다공성이 거의 없는 부품을 생산하기 위해 고급 야금 공정(예:열간 등압 성형 또는 HIP)을 적용할 수 있습니다. 그러나 기계적 성능이 중요한 애플리케이션의 경우 DMLS 또는 SLM이 권장되는 솔루션입니다.

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

아래 표에는 Binder Jetting 및 DMLS/SLM으로 프린팅된 스테인레스강 부품의 주요 기계적 특성의 차이점이 요약되어 있습니다.

<머리> <일> 바인더 제트 스테인레스 스틸 316(소결) 바인더 분사 스테인레스 스틸 316(청동 침투) DMLS/SLM 스테인레스 스틸 316L 항복 강도 214 MPa 283 MPa 470 MPa 파단 신율 34% 14.5% 40% 탄성률 165GPa 135GPa 180GPa