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적층 가공, 이제는 양산에 도전한다 – MJF 방식의 양산용 3D 프린터 HP Jet Fusion 3D 5200

HP는 적층 가공 방식으로 멀티젯 퓨전(MJF, Multi Jet Fusion) 방식을 사용한다. 이는 HP가 개발한 적층 조형 방식으로 파우더를 사용하는 부분에서는 SLS 방식과 유사하다고 볼 수 있지만, 조형 방식과 결과물의 특징은 매우 다르고, 바인더를 사용한다는 측면에서는 주로 금속 조형 분야에서 많이 사용되는 바인더젯 방식과 유사하다고 볼 수 있다. 서포트가 필요 없는 방식이다. 

MJF 방식의 HP 3D 프린터는 잉크젯 헤드와 에이전트라고 불리는 잉크를 사용하게 되는데, 이 잉크 헤드는 HP가 30여 년간 프린터를 시장에 공급하면서 축적된 노하우를 바탕으로 제작되고 있다. 에이전트는 헤드에서 분사된 후 열을 가하면 에이전트가 분사된 부분의 플라스틱 재료를 녹이거나 반대로 녹지 못하게 막아주는 역할을 하게 된다.

MJF의 조형 방식
조형 방식은 우선 리코터가 파우더 소재를 0.08mm의 두께로 도포한 다음, 헤드가 두 번 왕복하면서 에이전트 뿌리고 할로겐 퓨징 램프로 열을 가해준다. 이때 두 가지 에이전트를 도포하는데 우선 검은색은 퓨징 에이전트로 열을 받아들여 증폭시켜주는 역할을 한다. 내부 챔버의 온도는 165℃인데 퓨징 에이전트가 도포된 부분은 192℃까지 온도가 올라가 소재를 녹이는 촉매 역할을 한다. 이 에이전트는 수용성으로 되어 있어 조형과 동시에 증발해 버린다. 반면 디테일링 에이전트는 온도가 더 이상 올라가지 않도록 막아 주는 역할을 하는 무색의 에이전트다. 결과적으로 퓨징 에이전트가 도포된 부분의 재료만 용해가 되고 이 과정을 반복해 조형이 되는 원리이다.

멀티젯 퓨전(MJF, Multi Jet Fusion) 방식의 공정

리코터가 파우더 소재를 깔아준다.
리코터가 파우더 소재를 깔아준다.
헤드는 일반 2D 프린터의 헤드와 동일하다고 보면 되는데, 한 번에 4만 개의 에이전트를 뿌린다. 할로겐램프 2개가 장착된 헤드로 열을 가한다.
헤드는 일반 2D 프린터의 헤드와 동일하다고 보면 되는데, 한 번에 4만 개의 에이전트를 뿌린다.
할로겐램프 2개가 장착된 헤드로 열을 가한다.
퓨징 에이전트가 도포된 부분만 조형이 완료된다.
퓨징 에이전트가 도포된 부분만 조형이 완료된다.
파우더 도포/에이전트 도포/열 조사/파트 응고
(좌부터)파우더 도포 – 에이전트 도포 – 열 조사 – 파트 응고

MJF 방식의 장점
HP의 MJF 방식 3D 프린터는 시제품 제작을 넘어 부품의 양산을 위한 장비를 컨셉으로 제작되었다. 이를 위해서는 우선 재료의 강성을 갖출 필요가 있다. 적층 가공 시 조형의 방향에 따라 결과물의 강성 차이가 발생하게 되는데, 일반적으로는 이방성 강도가 나오게 된다.  이렇게 조형 방향에 따라 강도가 다르게 나올 경우 완제품 제작 시 설계나 배치에 제약이 따르게 된다. 또한, 강성 자체도 완제품으로 사용하기 어려운 경우가 발생하게 될 수 있다. 

레이저의 열에너지로 재료를 소결하는 방식인 SLS는 조형 시 재료가 열 에너지 노출되는 시간이 60μsec로 극히 짧고 조형이 끝남과 동시에 해당 레이어의 경화가 완료된다. 하지만, MJF 방식은 레이저 소결 방식에 비해 재료가 열에 노출되는 시간이 60msec로 긴 편이고, 재료가 소결이 아닌 용해가 된다. 또한, 조형이 완료된다 하더라도 해당 레이어가 완전히 경화된 상태가 아니기 때문에 레이어와 레이어 간의 결합력이 훨씬 더 우수하다. 이 때문에 Z축 강도가 높아지면서 조금 더 등방성에 가까운 강도를 확보할 수 있는 것이다.

그다음으로 갖추어야 할 것은 재료의 밀도인데, 용해되는 방식이기 때문에 다른 방식에 비해 소재 내부의 밀도가 높게 나온다. 이 때문에 별도의 후처리 없이도 우수한 기밀성을 확보하게 된다. PA12 재료를 기준으로 후처리 없이 IP67의 우수한 보호 등급을 갖는다. 이런 수밀성 및 기밀성 때문에 HVAC 제품이나 공압을 이용하는 파트 제작에 강점을 가지고 있다.

SLS 방식의 내부 사진(좌)과 MJF 방식의 내부 사진(우)를 비교해 보았다. MJF의 공극이 훨씬 작은 것을 확인할 수 있다. 이는 밀도가 높다는 것인데, PA12 기준으로 SLS 방식의 일반적인 밀도는 0.90~0.95g/cm3 인데 비해, MJF의 밀도는 1.01g/cm3을 나타낸다. 방수 등급에서 레벨 6 이상을 달성하기 위한 기준이 1.00g/cm3 인데 HP의 MJF는 이를 충족한다.
SLS 방식의 내부 사진(좌)과 MJF 방식의 내부 사진(우)를 비교해 보았다. MJF의 공극이 훨씬 작은 것을 확인할 수 있다. 이는 밀도가 높다는 것인데, PA12 기준으로 SLS 방식의 일반적인 밀도는 0.90~0.95g/cm3 인데 비해, MJF의 밀도는 1.01g/cm3을 나타낸다. 방수 등급에서 레벨 6 이상을 달성하기 위한 기준이 1.00g/cm3 인데 HP의 MJF는 이를 충족한다.

마지막으로 양산을 위해서는 생산성을 갖추어야 한다. 일반적인 3D 프린팅 장비의 경우 조형하는 파트의 수량에 비례해서 전체 조형 속도가 늘어나게 마련인데, HP MJF 3D 프린터의 경우 헤드가 1회 이동 시 레이어 전체를 커버하기 때문에 조형하는 파트의 개수에 상관없이 일정한 속도를 가지게 된다. 이는 다시 말해 작은 파트를 대량으로 만들 경우에 여타 3D 프린팅 방식에 비해 빠른 속도를 확보할 수 있다는 것이다. 최근에 출시된 HP MJF 5200 장비의 경우 헤드가 1회 이동해서(One path 모드) 레이어의 조형이 완료되기 때문에 시간당 5cm(5,058㎤/hr)의 엄청나게 빠른 조형 속도를 나타낸다. 또한, 적층을 위한 전체 빌드 사이즈도 생산성을 좌우하는 데 HP MJF 5200의 경우 380 x 284 x 380mm의 대형 빌드 사이즈를 가지고 있다. 

강력한 포스트 프로세스와 생산 효율
파우더를 열로 제어하는 3D 프린터의 특성상 냉각 시간이 필수적으로 요구된다. 기존의 SLS 방식도 파트의 물성만 보면 완제품 제작에 사용할 수 있는 수준의 좋은 방식이지만 조형 시간과 냉각 시간이 거의 같다 보니 냉각하는 시간 동안 장비를 사용할 수 없어 장비 가동률이 낮을 수밖에 없었다. 반면 HP Jet Fusion 장비는 조형이 이루어지는 프린터와 출력에 사용할 재료를 담고 있는 빌드 유닛, 프로세싱 스테이션이 세트로 구성되어 있는데 빌드 유닛을 탈착할 수 있어, 조형이 완료된 후 냉각하는 시간 동안 다른 유닛을 장착해 프린팅할 수 있다.

프로세싱 스테이션에서는 빈 빌드 유닛에 재료를 채워 넣거나, 조형이 끝난 빌드 유닛 내부의 잔존 파우더를 제거하고 출력물의 후처리를 진행한다. 기존에 분말을 사용하는 장비들의 경우 파우더를 에어건으로 제거하고 재사용 재료와 새 재료를 섞는 과정이 외부에서 진행되기 때문에 파우더가 많이 날리게 된다. 하지만, HP의 프로세싱 스테이션의 경우 재료의 혼합 및 빌드 유닛에 적재하는 과정이 모두 장비 내부에서 이루어지기 때문에 파우더의 날림을 최소화한다. 파우더를 빨아들여 제거하는 언 패킹 작업도 프로세싱 스테이션에서 이루어지는데, 파우더가 완벽하게 제거되지는 않기 때문에 글라스 비드 블라스트 작업과 같은 후처리 작업이 필요하다.

HP MJF 프린터는 나일론(PA) 계열의 파우더 소재를 사용하는 데 새 재료와 재사용 재료를 혼합하여 빌드유닛에 채워주는 일련의 공정들은 자동으로 이루어지며, 이 과정 중 분진이 발생하지 않아 환경친화적이다. PA12 소재는 80%, PA11 소재는 70%의 높은 재료 재사용률을 가지고 있다.

냉각의 경우 하나의 빌드 유닛을 꽉 채워 조형한 경우 상온에서 냉각하는 데는 40여 시간이 소요된다. HP Jet Fusion 3D 5200의 프로세싱 스테이션이 제공하는 Fast cooling 기능을 사용하면 10시간 안에 냉각이 가능하다.

HP Jet Fusion 3D 5200. 조형만 이루어지는 프린터(좌)는 소재를 담고 있지 않다. 실제 출력은 빌드 유닛(중)에서 이루어지게 된다. 출력이 필요한 재료와 출력이 완료된 파트는 빌드 유닛 내부에 적재되어 있고, 출력이 끝나면 빌드 유닛을 탈거해 프로세싱 스테이션(우)에서 후처리 공정에 들어간다.
HP Jet Fusion 3D 5200. 조형만 이루어지는 프린터(좌)는 소재를 담고 있지 않다. 실제 출력은 빌드 유닛(중)에서 이루어지게 된다. 출력이 필요한 재료와 출력이 완료된 파트는 빌드 유닛 내부에 적재되어 있고, 출력이 끝나면 빌드 유닛을 탈거해 프로세싱 스테이션(우)에서 후처리 공정에 들어간다.

제조를 위한 3D 프린팅?
지금까지 3D 프린팅이 시제품 제작에 머물렀던 가장 큰 이유는 낮은 생산성과 상대적으로 높은 생산 단가이다. 하지만, MJF 기술의 경우 기존 3D 프린팅 방식에 비해서 매우 높은 생산성과 낮은 단가 그리고 우수한 물성을 제공하기 때문에 시제품을 넘어서 완제품이나 부품을 양산할 수 있게 해준다.

기존 양산 방법과 비교하면 초기 비용이 적고 바로 생산이 가능하기 때문에 소량 양산 시 필요한 비용과 시간을 줄이면서 또한 3D 프린팅 출력물은 데이터를 수정하기만 하면 바로 출력이 가능하기 때문에 그때그때 개선된 부품을 양산할 수 있다는 것도 큰 장점으로 볼 수 있다.

HP에서 3D 프린터 애플리케이션을 담당하고 있는 이주헌 과장은 “3D 프린터로 부품 또는 스페어 파트를 양산할 경우 금형이라든가 치공구를 보관할 필요가 없고 파일 형태로 보관하면 되기 때문에 흔히 말하는 ‘디지털 인벤토리’를 실현할 수 있다. 보통 완제품이나 부품의 경우 경량화가 요구되거나 생산량이 적은 고가의 차량 또는 전자장비, 아니면 맞춤 설계에 대한 수요가 높은 의료기기 등이 이런 용도로  3D 프린팅이 많이 사용되고 있는 분야이다.”라고 말했다.

국내 HP MJF 3D 프린터 실적용 사례
HP 3D 프린터 공식 파트너인 DKSH 코리아는 국내 굴지의 가전제품 기업을 비롯한 다수의 기업에 HP Jet Fusion 3D 장비를 납품했다. DKSH 코리아에서 기술영업을 담당하는 정재엽 부장은 “DKSH가 판매한 HP MJF 3D 프린터가 사용되는 용도를 파악해 본 결과, 종전의 파우더를 이용한 SLS 방식 장비나 Polyjet 방식 장비에 비해 시제품 수준이 아닌 양산에 더 가까운 용도로 사용되고 있는 것을 알 수 있다.”라고 말했다. 그는 “가전 대기업의 경우 HP MJF 장비의 수밀성과 내 압력 등의 특성을 이용해 대형 부품 양산을 위해 필수적인 금형 시제품 제작의 횟수를 극단적으로 줄여 비용과 시간을 크게 줄일 수 있었다. 또한, 언더컷이나 기하학적 구조의 제약으로 양산이 불가능했던 부품이나 생산이 중단된 오래된 부품을 금형 없이 소량 양산(7,000~10,000개)하는 등 다양한 양산 용도로 사용되고 있다.”라고 밝혔다.    

DKSH Additive Manufacturing Center
HP 3D 프린터 공식 파트너인 DKSH 코리아는 서울 금천구 가산동에 DKSH Additive Manufacturing Center를 오픈했다. 이곳에는 HP 3D 프린터의 최상위 라인인 HP Jet Fusion 3D 5200 시리즈 및 후처리 장비 등이 모두 준비되어 있어, MJF 방식의 HP 3D 프린터를 이용한 적층 제조 프로세스 전체에 대한 시연이 가능하다.

DKSH Additive Manufacturing Center에서는 HP 3D 프린터와 이를 이용한 MJF 방식의 적층 공정에 대한 데모 시연을 매달 2회 진행하고 있다. 참가자는 기술적인 내용에 대한 이론 과정을 포함한 3시간에 걸친 시연을 통해, HP SmartStream Build Manager 소프트웨어를 이용한 도면 준비와 준비된 도면을 장비로 전송한 후 적층을 진행하고, 적층이 완료되면 언 패킹(분발을 제거하는 과정) 및 샌드블라스트를 이용한 후처리까지 모든 과정을 경험해 볼 수 있다. 

또한, 이곳에서는 HP의 3D 프린터를 구매한 고객에 대한 교육은 물론, 구매 검토 단계에서 고객이 요청한 제품을 직접 생산해 보는 애플리케이션 센터 역할까지 진행하고 있다.

DKSH  AM Center에서는?

HP Jet Fusion 3D 5200 프린터(우)와 Build Unit(좌)
HP Jet Fusion 3D 5200 프린터(우)와 Build Unit(좌)
이곳에서는 HP MJF 방식으로 조형한 다양한 부품을 접해 볼 수 있다.
이곳에서는 HP MJF 방식으로 조형한 다양한 부품을 접해 볼 수 있다.
HP Jet Fusion 3D 5200 Processing Station. Fast Cooling 기능이 탑재되어 있다.
HP Jet Fusion 3D 5200 Processing Station. Fast Cooling 기능이 탑재되어 있다.
DKSH AM 센터에 설치된 HP Jet Fusion 3D 5200 Processing Station에서 작업자가 분발을 제거하는 과정인 ‘언 패킹’ 작업을 진행 중이다.
DKSH AM 센터에 설치된 HP Jet Fusion 3D 5200 Processing Station에서 작업자가 분발을 제거하는 과정인 ‘언 패킹’ 작업을 진행 중이다.
서울 금천구에 위치한 DKSH Additive Manufacturing Center
서울 금천구에 위치한 DKSH Additive Manufacturing Center

DKSH Additive Manufacturing Center에는 언제든지 방문 및 상담이 가능하며, DKSH 코리아 정재엽 부장 (jaeyup.jung@dksh.com, 010-4968-8660)에게 문의하면 된다. 

DKSH 코리아에서 기술영업과 AM 센터를 담당하고 있는 정재엽 부장
DKSH 코리아에서 기술영업과 AM 센터를 담당하고 있는 정재엽 부장

 

About 이상준 기자

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

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