접착제 분사란? 공정, 장점, 활용 분야

접착제 분사(BJ)는 폴리머, 금속, 세라믹, 모래 부품을 프린팅하는 데 사용되는 다재다능한 적층 제조 기술입니다. 접착제 분사 3D 프린팅 기술은 분말 소재를 사용하며, 프린트 헤드가 그 위에 액상 결합제(바인더)를 선택적으로 분사하여 인접한 분말 입자들을 서로 융착시켜 결합시킵니다. 분말 소재를 사용하면서 동시에 결합제로 입자를 붙인다는 점에서 분말 베드 융합과 재료 분사 기술이 결합된 방식이라고 이해하시면 더 쉽습니다.

(출처: Protolabs Network)

접착제 분사 3D 프린팅 기술은 분말 소재를 사용하기 때문에 서포트 구조가 필요 없으며, 따라서 복잡한 형상을 프린팅할 수 있습니다. 이 BJ 기술은 부품의 배치 생산에 이상적이며, 다른 레이저 기반 3D 프린팅 공정과 비교해 현저히 빠른 적층 속도와 낮은 운영 비용을 실현하는 몇 안 되는 3D 프린팅 기술 중 하나입니다.

접착제 분사란? 3D 프린팅의 원조 기술 이해하기

접착제 분사 기술은 누구나 일상적으로 사용하는 2D 잉크젯 프린터에서 출발했습니다. 접착제 분사도 비슷한 원리로 작동하지만, 이 기술은 Z축 방향으로도 프린팅한다는 점이 다릅니다.

접착제 분사 기술은 매사추세츠 공과대학교에서 개발되어 1993년에 특허를 받았습니다. 기본 원리는 잉크를 종이 위에 얹는 널리 알려진 2D 잉크젯 프린팅 기술과 유사하지만, 접착제 분사에서는 결합제를 분말 소재 위에 얹으며 세 방향 모두로 프린팅할 수 있어 입체적인 고체 부품을 만들어 냅니다.

접착제 분사 적층 제조 공정의 핵심 차별점:

상온 프린팅: 접착제 분사는 상온에서 부품을 프린팅하므로 3D 프린팅에서 흔히 나타나는 변형과 응력 문제를 피할 수 있습니다.

폭넓은 소재 선택: 금속부터 폴리머, 복합재, 모래까지 다양한 소재와 등급으로 프린팅할 수 있습니다.

자체 지지 적층: 베드가 분말로 가득 차 있기 때문에 프린팅된 부품이 스스로를 지지합니다. 따라서 서포트 구조가 필요 없어 소재와 비용, 후처리 시간을 크게 절약할 수 있습니다.

압도적인 속도: 금속 3D 프린팅 기술 가운데 가장 빠르며, 따라서 소량 배치로도 부품을 프린팅할 수 있습니다.

대형 빌드 볼륨: 접착제 분사 장비는 크기도 상당합니다. 대체로 300 x 250 x 250mm 베드에서 시작해 2200 x 1000 x 800mm 이상까지 올라가기도 합니다.

접착제 분사(BJ)는 어떻게 작동합니까? BJ 공정 파헤치기

(접착제 분사 공정/Dassault Systems)

접착제 분사의 작업 흐름을 단계별로 살펴보겠습니다. 어떤 용도에 이 기술이 잘 맞는지 이해하는 데도 도움이 될 것입니다.

접착제 분사 3D 프린팅의 5단계 작업 흐름

1. 파일 준비 및 슬라이싱

3D 프린팅 공정은 기술을 막론하고 언제나 CAD 파일에서 시작합니다. STEP 파일 형식을 사용하여 슬라이싱 소프트웨어에 업로드하시는 것이 좋습니다. 슬라이싱 소프트웨어는 모델을 수천 개의 얇은 층으로 나누고, 접착제 분사 프린터가 이해할 수 있도록 G코드 형태의 명령을 생성합니다.

2. 분말 도포

이 파일이 프린터에 연결되고 프린팅이 시작되면 리코터가 작동하여 프린터 베드 또는 빌드 플랫폼 전체에 얇은 분말 층을 펼칩니다. 이것이 첫 번째 층이며, 두께는 슬라이싱 소프트웨어에서 설정한 층 두께와 같습니다.

3. 선택적 결합제 분사

첫 번째 층이 준비되면 프린트 헤드가 베드 위를 이동하면서 인접한 분말 입자들이 서로 융착되도록 필요한 지점에 정확히 액상 결합제(바인더)를 분사합니다. 개별 층의 프린팅 방식은 잉크젯 프린팅과 유사합니다. 일부 고급 장비는 초당 6억 7천만 개의 액적을 분사할 수 있습니다.

4. 층 완료 및 하강

첫 번째 층에 결합제 분사가 끝나면 프린트 헤드는 원위치로 돌아가고, 베드 전체가 층 두께만큼 아래로 내려갑니다. 리코터가 작동하여 이전 층 위에 새로운 분말 층을 펼칩니다. 이 층부터는 부품 전체가 완성될 때까지 같은 과정이 계속 반복됩니다.

5. 부품 인출

마지막으로, 부품이 완성되어도 여전히 분말 더미 속에 묻혀 있습니다. 흩어진 분말 속에서 부품을 꺼내야 하므로 후처리 공정으로 넘어가며, 여기서 남은 분말을 제거해 재사용으로 보내고 부품에 묻은 잉여 분말을 세척합니다. 세척이 끝나면 부품은 다음 후처리를 받을 준비가 됩니다.

후처리 요구사항

잉여 분말을 세척했다고 해서 부품이 완성된 것은 아닙니다. 이 상태의 부품은 아직 충분히 강하지 않아 "그린" 파트라고 부릅니다. 사용 가능한 강도를 갖추려면 추가 공정이 필요합니다.

금속 부품의 경우:

경화 – 저온 오븐에서 결합제의 결합력을 강화합니다

소결 – 고온으로 결합제를 태워 없애고 금속 입자들을 융착시킵니다

함침 – 남아 있는 기공을 청동이나 다른 소재로 채우기도 합니다

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접착제 분사 3D 프린팅의 장점과 단점은 무엇입니까？

다른 모든 기술과 마찬가지로 접착제 분사에도 고유한 장점과 한계가 있습니다. 적층 제조에서 접착제 분사 공정을 언제 사용하고 언제 사용하지 말아야 할지 정보에 근거해 판단하실 수 있도록 이를 설명해 드리겠습니다.

(Digital Metal 장비로 3D 프린팅한 M5 나사/AMFG)

접착제 분사 3D 프린팅의 장점

속도와 생산량

접착제 분사 기술은 기능성 산업 부품을 대량으로 제조하는 데 이상적입니다. 3D 프린팅 세계에서 물량이 늘어날수록 강점을 발휘하는 기술입니다. 다른 기술이라면 더디게 느껴질 배치 규모에서도 빠른 속도를 제공합니다.

비용 효율성

접착제 분사는 3D 프린터 중에서도 가장 비싼 축에 속하지만, 그것이 이야기의 전부는 아닙니다. 가격과 한 번에 프린팅할 수 있는 부품 수량을 다른 금속 3D 프린팅 기술과 함께 놓고 보면, 동등한 부품 기준으로 금속 접착제 분사는 대체로 DMLS/SLM 공정보다 10배 저렴합니다. 잘못 쓴 것처럼 보일 수 있지만 사실입니다.

스테인리스강 MIM 분말은 킬로그램당 5~10유로에 불과한 반면, 다른 금속 장비에 필요한 분말은 50~100유로입니다. 이것만으로도 소재 비용을 80~90% 줄일 수 있습니다. 연간 수천 개의 브래킷이나 하우징을 생산하는 제조사라면 수십만 달러의 절감으로 이어집니다. GE Additive 같은 기업은 적합한 부품을 접착제 분사로 전환한 뒤 부품당 비용을 70% 이상 절감했다고 밝혔습니다.

최근 BMW는 17대의 프린터로 대규모 양산 라인에서 하루에 약 4,000개의 사형 코어를 프린팅한다고 공개했습니다.

설계 자유도

접착제 분사 공정은 분말 소재 자체가 부품을 지지하므로 서포트 구조가 필요 없습니다. 덕분에 자유 곡면 형상, 언더컷, 맞물린 조립체처럼 전통적인 제조 엔지니어에게는 악몽 같았을 설계를 구현할 기회가 활짝 열립니다.

대형 빌드 볼륨

접착제 분사 장비는 매우 클 수 있습니다. 사형 프린팅 장비는 2200 x 1200 x 600mm까지의 볼륨을 다룰 수 있습니다. 여러 부품을 한 번에 적층하거나 단일 대형 부품을 만들어 보십시오.

소재 효율성

결합되지 않은 분말 소재의 95% 이상이 재사용 가능하며 곧바로 소재 공급으로 되돌아갑니다. 폐기물이 극히 적은 기술이며, 이는 곧 비용 절감으로 이어지고 전체 생산 물량에서 부품당 비용을 낮추는 규모의 경제를 어느 정도 제공합니다.

접착제 분사 3D 프린팅의 단점

표면 마감과 기공

대부분의 3D 프린팅 기술에서 표면 마감은 거칠며, 접착제 분사도 마찬가지입니다. 분말 기반 기술이기 때문에 분말이 프린팅된 부품 표면에 질감을 남깁니다. 따라서 매끄러운 표면을 얻으려면 모든 접착제 분사 부품에 표면 처리를 해야 합니다.

이방성

소재 물성이 이방성(측정 방향에 따라 물성이 달라지는 성질)을 보일 수 있으며, 특히 연신율에서 방향에 따른 차이가 뚜렷하게 나타납니다.  

후처리 요구사항

접착제 분사에서는 후처리가 특히 중요하며, 경화와 소결이 프린팅 자체보다 오래 걸리는 경우도 있습니다. 프린팅에서 얻은 속도 이점을 상쇄합니다.

접착제 분사 소재: 금속부터 모래까지

(TriTech 접착제 분사 티타늄 부품/TriTech)

접착제 분사 기술은 다양한 소재를 처리하며, 소재 선택은 공정 조건과 최종 부품 특성 모두에 큰 영향을 미칩니다.

금속 소재

a. 스테인리스강

SS 17-4PH: 석출 경화를 통해 높은 강도를 제공하여 까다로운 엔지니어링 용도에 적합합니다.

SS 316L: 밀도 96% 이상의 소재로 뛰어난 내식성을 제공하며 의료기기와 식품 가공 설비에 이상적입니다.

공구강

M2: 절삭 공구와 내마모 부품에 적합한 고속도강입니다.

H13: 사출 성형과 다이캐스팅 용도에 최적화된 열간 공구강입니다.

b. 모래 및 주물 소재

모래 접착제 분사는 금속 주조 작업에서 기존의 모형(패턴) 제작을 없애 줍니다. 이 기술로 사형 몰드와 코어를 3D 프린팅한 뒤, 전통적인 사형 주조와 동일하게 사실상 어떤 금속이든 주조할 수 있습니다. 이를 위해 접착제 분사 장비는 다음과 같은 모래를 사용합니다.

규사: 가장 널리 쓰이는 모래로 일반적인 주조 용도에 적합합니다

크로마이트사: 중간 가격대의 모래로 주로 고온 주조 요구사항에 사용됩니다

지르콘사: 가장 비싼 모래로, 엄격한 치수 공차가 요구되는 고정밀 주조에만 사용됩니다

c. 세라믹 및 특수 소재

탄화규소(SiC)와 산화물계 세라믹은 적절한 결합제 시스템을 사용하면 문제없이 처리됩니다. 또한 이 기술은 지속 가능한 제조 용도를 위한 금속-폴리머 복합재와 목재 기반 복합재의 가공도 가능하게 합니다.

구체적인 용도의 요구사항에 맞는 소재 선택지와 가공 역량을 살펴보십시오.

실제 활용: 접착제 분사는 어디에 쓰입니까?

접착제 분사 기술의 실제 활용 사례를 몇 가지 소개해 드립니다.

금속 주조 및 주물 용도

사형 몰드와 코어

사형 주조는 오래된 금속 부품 제조 기술이지만, 고대에 발견된 이래 크게 달라지지 않았습니다. 접착제 분사를 통해 이 기술은 꼭 필요했던 혁신을 맞이하고 있습니다. 사형 몰드와 코어를 만드는 일은 지루한 작업입니다. 세심한 주의가 필요하고 파손 가능성도 높습니다.

접착제 분사는 이제 패턴 없는 제조를 제공하며 시제품과 소량 생산 영역을 완전히 대체해 가고 있습니다. 사형 몰드와 코어를 곧바로 만들고 약간의 후처리를 거친 뒤 원하는 금속을 부어 부품을 제조할 수 있습니다.

인베스트먼트 주조 패턴

절삭 가공이 불가능한 냉각 유로를 갖춘 항공우주용 터빈 블레이드, 환자별 형상을 반영한 의료용 임플란트, 전통적인 방식으로는 공구 제작에 막대한 비용이 드는 정밀 부품까지 이제는 비교적 수월하게 주조할 수 있으며, 그 과정에서 시간과 노력과 비용을 모두 절약할 수 있습니다.

양산 제조

자동차 산업

자동차 제조사들은 조립 속도를 높이는 지그와 픽스처, 시험용 시제품 부품, 양산용 브래킷과 하우징, 사출 금형 인서트 등을 만들기 위해 접착제 분사 장비를 24시간 가동합니다. 앞서 말씀드린 대로 BMW는 사형 몰드와 코어를 프린팅하기 위해 약 17대의 접착제 분사 장비를 운용하고 있습니다.

의료 및 치과 용도

의료 분야는 개인의 해부학적 구조에 맞춘 보철물, 정밀 시술을 위한 수술 가이드, 방출 제어형 의약 정제, 대기 중에 완성되는 치과 크라운 등을 만들며 맞춤화를 적극 받아들이고 있습니다.

시제품 제작 및 신제품 개발

항공우주, 항공, 방위 분야의 중공업 용도에서는 복잡한 부품을 제조하는 데 많은 어려움을 겪습니다. 끊임없이 혁신하고 개선을 반복하는 분야이므로 시제품 제작과 신제품 개발이 일상적입니다. 접착제 분사는 이러한 체계에 완벽하게 들어맞으며 시제품을 빠르게 뽑아내어 신제품 개발 주기를 앞당길 수 있습니다.

접착제 분사와 다른 기술 비교 분석

접착제 분사는 경쟁 기술과 비교하면 어떨까요? 같은 기준으로 비교해 보겠습니다.

접착제 분사 vs. 분말 베드 융합(PBF)

속도와 생산성

분말 베드 융합(PBF)은 프린팅 중에 CO2 또는 파이버 레이저로 분말을 녹이는데, 이 과정에서 잔류 응력이 생기고 서포트 구조가 필요해집니다. 접착제 분사의 저온 공정은 이 두 문제를 모두 없앱니다.

비용 고려사항

다품종 소량 부품을 프린팅하려면 접착제 분사가 이상적인 선택입니다. PBF는 정교하고 고성능인 부품이 아주 소량 필요할 때 적합합니다.

접착제 분사 vs. 재료 분사

재료 분사는 UV로 경화되는 광경화성 수지를 사용하여 투명 부품과 미세한 디테일에 뛰어나지만 부서지기 쉽습니다. 접착제 분사는 적절한 후처리를 거치면 진정한 기능성 소재와 최종 사용 부품을 제공합니다.

두 방식의 차이를 더 깊이 알고 싶으시다면 직접 비교 자료를 살펴보십시오. 접착제 분사 vs. 재료 분사.

접착제 분사 생태계: 장비, 기업, 서비스

(HP 메탈 제팅 장비/HP)

업계의 선도 기업들을 살펴보겠습니다.

주요 장비 제조사

ExOne (Desktop Metal 계열)

ExOne은 20년간 접착제 분사 분야를 이끌어 왔습니다. Desktop Metal은 그 잠재력을 알아보고 2021년에 5억 7,500만 달러에 인수했습니다.

제품 라인업은 다음과 같습니다.

 Innovent+ – 누구나 처음 접하는 연구용 주력 장비

 X1 시리즈 – 본격적인 양산을 위한 대형 장비

 S 시리즈 – 주물 작업을 위한 초대형 사형 프린팅 장비

그 밖의 주요 기업

 Voxeljet은 산업용 접착제 분사 장비를 제작하는 독일 OEM 기업입니다.

 FZHL은 중국의 선도적인 3D 프린터 제조사로, 다양한 크기의 접착제 분사 3D 프린터를 폭넓게 제공합니다.

 HP는 독자적인 멀티 젯 퓨전 기술을 개발했습니다.

 Digital Metal 역시 다양한 용도에 쓰이는 고정밀 접착제 분사 3D 프린터를 제공합니다.

결론: 접착제 분사 3D 프린팅 기술의 미래

접착제 분사는 가장 이른 시기에 개발된 기술 중 하나이며, 오늘날 항공, 해양, 우주, 방위 등 핵심 영역에 영향을 미치고 있습니다. 가장 큰 장점은 다른 3D 프린팅 기술로도 제작이 어렵거나 비용이 많이 드는 복잡한 부품을 비용 효율적으로 제조할 수 있다는 점입니다.

기술이 더 발전하고 저렴해지며 소재 라이브러리가 확장될수록 활용 사례도 늘어나고 도입도 확산될 것입니다.

복잡한 금속 부품을 빠르게 제조하고 신제품 개발 비용을 줄이고자 하는 고객이라면 접착제 분사가 최적의 기술입니다.

접착제 분사가 제조를 어떻게 바꿀 수 있는지 문의해 주십시오. 지금 검토를 시작하시고 전문가와 상담하여 이 기술을 어떻게 활용하실 수 있는지 확인해 보십시오.