접착제 분사 방식(BJ) 알아보기 : CJP, 3DP

ISO에서 3D프린팅 기술을 아래와 같이 7가지로 분류하기로 합의하였는데요,

① 접착제 분사식(Binder Jetting, BJ)

② 에너지 집중식 퇴적 방식(Directed Energy Deposition, DED)

③ 재료 압출식(Material Extrusion, ME)

④ 재료 분사식(Material Jetting, MJ)

⑤ 분말 소결식(Powder Bed Fusion, PBF)

⑥ 표면 접착식(Sheet Lamination, SL)

⑦ 광수지화 방식(Vat Photopolymerization, VP)

그중 오늘은 접착제 분사 방식(BJ방식)에 대해 알아보도록 하겠습니다.

BJ방식은 Binder Jetting의 약자로 잉크젯 헤드를 이용하여 액체 상태의 접착제를 파우더 재료에 선택적으로 분사하여 한층을 굳히면 베드가 한층 아래로 내려가고, 새로운 파우더를 얇게 도포한 후 다시 접착제를 분사하는 과정을 반복하면서 조형물을 적층하는 방식으로 1993년 미국 메사추세츠공과대학에서 ‘powder bed and inkjet head 3d printing’이라는 명칭으로 처음 개발된 기술입니다.

 

이 방식은 금속을 원료로 하는 산업장비로도 많이 되용되고 있으며 SLS와 동일하게 분말 재료를 경화시켜 나가는 방식이기 때문에 복잡하고 다양한 제품을 생산해 낼 수 있는 방식이기도 합니다.

 

원래는 1995년 Z Corporation이 독점 라이선스를 취득하고 ‘Three Dimensional printing’ 이름으로 상표화했지만 2012년 3D시스템즈에 인수되면서 CJP로 명칭이 바뀌게 되었으며 PBP, 3DP 모두 같은 기술을 뜻합니다.

사람들은 이 방식을 보고 잠재력이 큰 방식이라고들 말하는데요, 또 어떤 면에서 보면 BJ방식은 첨단 기술이라고 보기에는 부족해 보이기도 하지만 이 기술은 다른 것보다 후처리와 연계될 경우 아주 활용성이 높은 기술이 됩니다.

이 방식의 대표적인 장점은 원하는 소재와 원하는 색상을 낼 수 있다는 것인데요, 이 방식은 스케일 업이 쉬워서 건축물용 프린터로 만들 수 있으며 주물을 위한 모래를 바인더로 붙여 거푸집으로 활용가능합니다.

금속 분말을 바인더로 붙여서 금속 구조물을 만든 후 열처리를 통해 금속 조형물을 만들 ㅅ우 있고, 원리가 간단해 대면적화가 고속화되고 자가화가 가능해서 기존에 있는 공정과 잘 연계되기만 하면 산업적인 파급력이 상당한 3D프린팅 기술로 평가되고 있습니다.

1. 작동 원리

원리적으로는 베드에 분말을 얇고 평평하게 적층하는 방식과 잉크젯으로 접착제를 분사하는 방식을 결합한 것으로 분말을 적층하는 방식은 PBF방식과 같고, 접착제를 분사하는 방식은 MJ방식에서 사용된 잉크젯 헤드에 물질만 바꾸어 사용한 것입니다.

이 방식은 분말 그 자체가 서포트가 되기 때문에 별도의 지지대가 필요치 않습니다.

 

① 블레이드와 롤러 등을 이용해 스테이지에 분말을 평평하게 깐다.

② 평평하게 깔린 분말 위에 잉크젯 헤드로 접착제를 선택적으로 분사한다.

③ 접착제가 뿌려진 부분은 분말이 서로 붙어서 굳고, 접착제가 뿌려지지 않은 부분은 분말 상태로 있다.

④ 그 위에 다시 분말을 밀어 평평하게 깔고, 접착제를 원하는 패턴으로 뿌리면서 수직 위 방향으로 계속 적층한다.

2. 특징

① 낮은 운영 비용 : 서포트가 필요없고, 사용하지 않은 재료는 재활용이 가능하기 때문에 재료 낭비를 줄이고 마무리 시간을 단축할 수 있습니다.

② 고속 컬러 3D프린팅 : 프린팅 속도가 빠른 편인데 몇 시간 안에 모델을 생성할 수 있기 때문에 동시에 여러 번 반복하거나 큰 부품도 빨리 제작 가능합니다.

③ 안전하고 친환경적인 프린팅 : 천연 제품 기반으로 건축 자재의 파우더를 적재하고, 제거, 재활용함으로 친환경적이고, 사용하기가 편리하며 절삭 공구 또는 독성 화학 물질로 제거 할 물리적 서포트 구조물이 없습니다.

④ 풀 스펙트럼 컬러

 

1) 장단점

① 소재의 다양성 : 소재가 분말 형태로 공급되기 때문에 플라스틱, 세라믹, 금속 분말이 다 가능하다.

② 우수한 정밀도 : 분말들이 마이크로 스케일이므로 대단히 정교한 인쇄물 출력 가능하다.

③ 풀컬러 구현 : 잉크젯 헤드에 바인더를 넣고, 다양한 색소를 첨가할 수 있어 풀컬러 구현이 가능하다.

④ 별도의 지지대가 필요없다.

⑤ 대형 작업물 가능

⑥ 후가공 필요 : 다른 방식에 비해 강도가 높지 않기 때문에 내구성 보장을 위해 후처리 과정이 필요하고, 조형 과정이 완료되면 분말을 제거하고, 표면 처리를 해야 하는 번거로움이 있다.

3. CJP (Color Jet Printing)

컬러젯 조형 방식인 CJP는 프린터 헤드의 노즐에서 액체 상태의 컬러 잉크를 층마다 분하해서 컬러를 입히고, 액상의 바인더인 경화 물질을 재료에 분사하고 분말을 경화시켜 제품을 완성하는 방식입니다.

 

앞서 설명했듯이 MIT(메사추세츠공과대학)에서 처음 개발하고, Z Corporation에서 상품화했지만 3D시스템즈사에서 인수하면서 기술의 명칭이 CJP로 변경된 것이라 명칭만 다르지 기술의 뜻과 특징은 같습니다.

지금까지 접착제 분사 방식인 BJ방식에 대해 알아봤는데요, 어떻게 보면 SLS방식과 유사하면서 또 어떻게 보면 금속분말도 사용이 가능하니 금속 3D프린터 같기도 하고, 신기하네요

다음번에는 ISO에서 분류한 3d프린팅 기술 중 다른 기술에 대해 포스팅하도록 하겠습니다. 감사합니다.