Special 소재산업 제조혁신을 위한 3D 프린팅 기술개발 동향(2)

세라믹 바인더젯 3D프린팅의 공정 및 설계기법

조은혜_한국생산기술연구원 3D프린팅 제조공정센터 박사후연구원
김동현_한국생산기술연구원 3D프린팅 제조공정센터 센터장/수석연구원

1. 서론
3D 프린팅 기법은 한 층씩 재료를 쌓아 올려 3차원 입체를 만들어 내는 적층가공 기술의 일종으로 3D 스캐닝과 모델링 기술을 통해 매우 복잡한 형상을 빠르고 쉽게 만들어낼 수 있다. 이 기술은 과거 쾌속조형(Rapid Prototyping; RP) 세대에서부터 주로 제조업 분야에서 사용되어 왔으며 기술의 고도화와 더불어 출력물의 완성도를 높일 수 있는 소재의 다양화와 더불어 기존 공정기술의 한계를 극복할 수 있는 신개념 기술로써 각광받기 시작했다. 이는 새로운 적층제조(Additive manufacturing) 기술의 등장으로 해석되며 기존의 공법으로 불가능했던 복잡한 구조물의 설계와 제작까지 가능케 했다. 이러한 3D 적층제조 기술의 발달은 다양한 개인의 욕구를 충족시키며 맞춤형 다품종 소량생산 시대를 열었고, 기존 제조공정이 요구받던 제품의 복잡화 및 차별화를 위한 신기술로 제안되었다. ASTM F2792-12a 규정에 따르면 3D 프린팅의 기술분류는 ①재료의 공급방식, ②재료의 결합방식, ③에너지의 종류 및 세기, 세 가지 기준에 따라 다음 7가지 방식으로 나타난다[표 1][1].

이중 특히 간접 방식에 해당하는 세라믹 바인더 젯 공법은 분말 형태의 소재 위에 액체형태의 접착제를 토출시켜, 분말사이의 결합을 유도하여 3D 구조물을 형성 시키는 방식이다. 이는 다른 3D 프린팅 방식에 비해 낮은 비용으로 큰 구조물을 제작할 수 있는 이점을 가진다[2]. 그러나 기존 제조공법에서 제조가 불가능한 복잡한 형상을 제작 가능함에도 관련 장비 및 재료의 가격이 높아 전통적인 주조 방식을 완전히 대체하기에는 아직 어려움이 많다. 때문에 세라믹 분말 소재를 활용한 3D 적층제조 공정에서 성능향상 및 원가 절감을 얻기 위한 주조에 최적화된 모델을 구하는 것이 중요하다.

본 세라믹 바인더젯 3D 프린팅의 공정 및 설계기법 기고에서는 이러한 3D 프린팅 기술이 가지는 특징과 기술 개발 동향에 대해 간단히 살펴보고, 현재 개발 중인 공정 설계 기법의 미래 가능성에 대해 논의해 보도록 하겠다. 덧붙여 앞으로 세라믹 산업이 바인더젯 3D프린팅 산업을 통해 차세대 제조업 분야에서 기술적 주도권을 가질 수 있는 다양한 접근법에 대해서도 소개하고자 한다.

2-1. 바인더젯 3D프린팅 기술과 시장
적층 제조 방식은 원하는 최종 제품을 직접 제작하느냐 혹은 최종 제품의 생산을 위한 중간재를 적층하느냐에 따라 직접방식과 간접방식 두 가지로 구분될 수 있다[그림 1]. 전자의 직접방식은 금속이나 플라스틱 분말 또는 와이어를 열, 레이저, 전자빔, 플라즈마 등과 같은 에너지원을 사용하여 소재를 용융시킨 후 적층하는 방식이며 후자의 간접방식은 정밀주조(Precision Casting)용 왁스 패턴이나 사형(Sand mold)의 3D형상을 만드는 방식이다. 바인더젯 방식은 1993년 미국 메사추세츠공과대학(MIT)에서 ‘Powder Bed and Inkjet Head 3D Printing’이라는 명칭으로 처음 개발된 기술로 잉크젯 헤드를 이용하여 액체상태의 바인더를 고상 분말에 선택적으로 분사하고 새로운 분말 층을 도포하는 과정을 한층 마다 반복하며 조형물을 적층하는 기술로 개발되었다[3]. 3D 프린팅에서의 사형 주조방식은 전통적인 방식의 목형이나 금형을 제조하지 않고 모래를 적층한 후 접착제 역할을 하는 바인더를 선택적으로 분사하는 바인더젯 방식을 이용하여 적층 크기 및 시간을 크게 단축할 수 있고 현재 기술로 최대 4m의 크기까지 제작이 가능하다[그림 2]. 일반적으로 바인더젯 3D 프린팅 기술의 정밀도는 입자의 크기나 분말의 흐름성 및 공정조건에 의해 좌우되며 다공체 제작에 유리하다. 또한 주조 용탕의 온도와 강도를 견디기 위해서 높은 기계적 물성이 요구되는데 이를 상용화하고 있는 대표적인 회사로는 3D Systems, ExOne, Voxeljet이 있다. 이 중 ExOne社과 Voxeljet社에서는 주로 큰 규모의 세라믹 구조체를 제작하며 전통 주조 방식을 대체할 수 있는 사형 몰드의 개발을 하고 있으며[4, 5] 최근 4차 산업혁명의 요구에 따라 바인더젯 3D 프린터를 포함한 자동화 공정을 이용해 사형 코어를 제작하는 기술을 개발하기도 하였다[6]. 또한 국내 업체로는 센트롤[7]社에서도 사형금형 제작이 가능한 상업용 바인더젯 3D프린터 판매하고 있다[그림 2].

그림 1. Voxeljet社와 ExOne社의 각각 4m, 2m 급 바인더젯 프린터 이미지

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