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적층 가공이 금속분말 사출성형을 대체한다? 그것도 사무실에서? – Desktop Metal의 Studio System +™ 금속 3D 프린터

제목과 같은 말도 안 되는 일이 현실이 될 때도 있다. 우리는 MIT 출신이 뭔가를 한다고 하면 왠지 관심이 더 가긴 한다. 하지만 그들의 모든 결과물이 대단한 건 아니다. 그런데, 이번에는 좀 다르다. 데스크탑메탈 이라는 회사가 적층 가공 분야에서 주목을 받는 이유를 이번 기사를 준비하면서 알게 되었다. 그들은 새로운 콘셉트 하나로 골치 아픈 여러 가지 문제를 해결함과 동시에 많은 기회를 만들어냈다.

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‘금속분말 사출성형을 사무실에서 한다’는 상상을 현실로 만들어버린 것이 데스크탑메탈이다.

Desktop Metal(이하 데스크탑메탈)은 2015년 미국에서 MIT 출신 엔지니어들을 중심으로 설립되었다. 이후 Google, BMW, GE 등 Global 기업들로부터 3,000억원 이상의 대규모 투자를 받아 주목을 받기 시작했다. MIT의 세계적인 금속 분야 교수진과 150명 이상의 연구진에 의해 금속분말 사출성형(MIM, Metal Injection Molding) 공법을 접목한 금속 3D프린터를 개발했다. 또한 사무실에서 사용이 가능할 정도로 보다 대중적인 공정 운영이 가능하도록 적층 방법을 고안하고 제품을 설계한 것이 특징이다. 이 회사의 제품 라인업은 ‘Studio System +™’와 본격 산업 생산용 ‘Production System™’ 시리즈가 있다. 이번 기사에서는 Studio System +™에 대해 살펴본다.

BMD는 FDM 방식과 유사한 금속 조형 기술이다.
BMD는 FDM 방식과 유사한 금속 조형 기술이다.

새로운 접근 – Studio System +™
Studio System +™는 적층 방식부터 새롭다. BMD(Bound Metal Deposition) 방식의 금속 3D 프린팅이다. 금속 파우더와 왁스, 폴리머 바인더가 혼합된 봉재 형태의 소재를 삽입한 후 압출함과 동시에 노즐의 열을 이용해 녹여 마치 FDM 방식처럼 레이어 별로 출력하는 것이 특징이다. 먼저 봉재 형태의 소재가 들어있는 카트리지를 프린터에 장착한다.

printer
프린터
봉재 형태의 소재가 들어있는 카트리지를 프린터에 장착한다. 편리하다.
봉재 형태의 소재가 들어있는 카트리지를 프린터에 장착한다. 편리하다.
두 개의 헤드가 있다. 하나는 금속 소재가 다른 하나는 인터페이스 미디어로 불리는 세라믹 소재가 출력된다.
두 개의 헤드가 있다. 하나는 금속 소재가 다른 하나는 인터페이스 미디어로 불리는 세라믹 소재가 출력된다.

Studio System +™의 Printer (프린터)는 두 개의 소재 출력용 헤드를 가지고 있는데 하나의 헤드에서는 금속 소재가 하나의 헤드에서는 인터페이스 미디어로 불리는 세라믹 소재가 출력된다. 세라믹 소재 층을 출력하는 이유는 적층이 끝난 후 서포트를 쉽게 분리하기 위한 ‘Separable Supports™’ 기법의 일환이다. 이 프린터의 적층 속도는 16cm3/h이고 빌드 사이즈는 289×189×195mm, 적층 두께는 0.25mm, 노즐의 High resolution 헤드 사용 시 50µm이다.

디바인더
디바인더
디바인더에서는 솔벤트 용액에 파트를 담가 왁스를 용해시킨다.
디바인더에서는 솔벤트 용액에 파트를 담가 왁스를 용해시킨다.

적층이 완료된 제품은 Studio System +™의 Debinder (디바인더, 탈지 장치)로 옮긴다. 디바인더에서는 솔벤트 용액에 적층된 파트를 담가서 왁스를 용해시킨다. 이 과정에서 약 80%의 왁스는 제거된다. 그 다음 공정은 Studio System +™의 Furnace (소결로)에서 이루어지는 소결 과정이다. 소결 공정을 사무실에서 가능하게 했다는 것이 놀랍다. 환기 시설이나 추가 설비가 전혀 필요 없다는 게 이 회사의 설명이다. 또한, BMD 공법의 특징상 적층 과정에서 레이저를 사용하지 않았기 때문에 파트에 잔류응력이 남아있지 않는다는 것도 유리한 점이다. 최대 1,400℃에서 소결 과정을 거치게 된 파트의 밀도는 96~99.8%에 이른다.

소결로
소결로
최대 1,400℃에서 소결 과정을 거치게 된 파트의 밀도는 96~99.8%에 이른다.
최대 1,400℃에서 소결 과정을 거치게 된 파트의 밀도는 96~99.8%에 이른다.
환기 시설이나 추가 설비 없이 사무실에서 소결 공정을 마무리 했다.
환기 시설이나 추가 설비 없이 사무실에서 소결 공정을 마무리 했다.

서포트 제거의 마법 – ‘Separable Supports’
손으로 간단히 서포트를 제거할 수 있다. 이는 앞서 이야기한 두 개의 프린팅 헤드로 각각 금속 재료와 세라믹 재료를 압출하는 공정 덕분이다. 세라믹 재료는 모델과 서포트 경계층을 형성하게 되는데, 소결로에서 소결(sintering) 과정을 거치는 동안 가루 형태로 부서지게 된다. 기존의 PBF 방식과 같은 금속 3D 프린팅 결과물에서 서포트를 떼어내는 후처리 작업은 꽤 손이 많이 간다. 그러나, 손으로 제거할 수 있다는 것은 상당한 메리트다.1907_24

서포트 제거까지 마치면 공정이 마무리된다. 전체적인 적층 방법과 공정으로 볼 때 기존 MIM 방식 금속생산 프로세스를 3D 프린팅에 접목했다고 볼 수 있다. BMD 방식은 산업용 FDM 방식 3D 프린터와 유사한 해상도와 치수 정밀도를 나타내고, 금속분말 사출성형 방식과 흡사한 파트의 밀도를 보여주며, 가공 합금강과 흡사한 기계적 물성을 나타낸다. 이러한 다양한 방식이 융합된 효과로 기능성 시제품, 지그/픽스쳐, 소형 금형, 소량 생산에 다양하게 사용될 수 있다. 사용 가능 재료는 현재 17-4 PH (SUS630, 스테인리스강), SUS316L (스테인리스강)이 출시되었고, 앞으로 AISI4140 (SCM440, 크롬몰리브덴강), Inconel 625 (니켈합금강), H13 공구강, 구리 합금 등이 출시될 예정이다.

Studio System +™의 치명적인 매력
데스크탑메탈 장비의 국내 총판인 프로토텍의 노두숙 부장은 “파우더를 사용하는 금속 3D 프린터가 가지고 있는 고질적인 문제 중 하나가 작업장에 분말이 날리는 문제다. 분말을 잘 관리해야 하는 부분도 부담이 될 수 있다. 또한, 적층 완료 후 서포트 제거가 어려워 후처리에도 어려움이 있었다. 반면 데스크탑메탈의 Studio System +™ 시스템은 헤드에 가해지는 열로 바인더를 녹이므로 위험한 레이저 없이 적층한다는 점, 봉재 형태의 재료를 사용해 분말이 날리지 않아 마스크 착용이나 환기 시스템이 불필요하다는 점, 마지막으로 서포트 절단을 위한 추가 부대설비가 필요 없다는 등 많은 장점을 가지고 있다.”라고 말했다. 이런 장점을 가지고 공정 전체를 일반 사무실과 같은 환경에서 진행할 수 있다는 컨셉, ‘금속분말 사출성형을 사무실에서 한다’는 어쩌면 말도 안 되는 상상을 현실로 만들어버린 것이다.

About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.