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세라믹 적층가공, 어떤 프로세스로? – 3DCERAM의 세라믹 3D 프린팅 솔루션

3D 프린팅 솔루션을 전문으로 공급하는 에이엠코리아는 지난 3월 개최한 웨비나를 통해 3DCERAM이라는 기업의 세라믹 재료 적층 솔루션을 선보여 관심을 받았다. 3DCERAM은 전체 세라믹 프로세스를 제공하는 기업으로 세라믹 재료 배합, 세라믹 3D 프린팅 생산, 그리고 파트 제작 서비스를 하고 있다.

세라믹 SLA 3D 프린터 기술
SLA 방식의 3D 프린터는 우리말로 ‘광 조형 장치’, 다시 말해 ‘빛으로 형상을 만드는 장치’라고 표현할 수 있는 방식의 기술이다. 주로 자외선(UV) 레이저를 데이터에 따라 액체 수지에 조사하여 굳어진 수지들이 한층 한층 쌓여지면서 3차원 형상을 구현하여 만들어진다. 

세라믹 SLA 3D 프린터는 액체 수지 대신 광경화성 재료(세라믹 페이스트)를 사용하여 프린팅을 진행한다. 그런 후 세라믹 페이스트 내부에 있는 수지 제거를 위하여 디바인딩(Debinding, 탈지) 과정을 거치게 되고 세라믹 파트 내부의 치밀화를 위한 신터링(Sintering, 소결) 과정을 거쳐 하나의 제품이 완성되게 된다. 

세라믹 SLA 3D 프린터는 세라믹 페이스트를 사용하여 프린팅을 진행한 후 내부의 수지 제거를 위한 디바인딩, 내부의 치밀화를 위한 신터링 과정을 거쳐 하나의 제품이 된다.
세라믹 SLA 3D 프린터는 세라믹 페이스트를 사용하여 프린팅을 진행한 후 내부의 수지 제거를 위한 디바인딩, 내부의 치밀화를 위한 신터링 과정을 거쳐 하나의 제품이 된다.

세라믹 SLA의 공정
일반적으로 STL과 같은 3D CAD 데이터를 준비하여 파트 위치를 캐드 프로그램에서 결정하고 일반적인 SLA 타입과는 다른 3DCERAM이 특허 받은 프리링크(Free Link) 서포트를 구성하게 된다. 이 서포트 구조는 세라믹 페이스트의 고밀도 특성을 이용하는 것으로 파트와 파트 사이의 직접 연결 없이 제작 중에 파트 부분을 지지할 수 있다. 그런 다음 파트와 서포트를 적층 제작할 수 있도록 슬라이싱 한 후 각각의 재료 및 장비 특성에 맞게 파라미터를 구성한다. 

프린팅 과정이 완료된 다음 자외선 레이저에서 나온 빛이 X축과 Y축 미러를 통해 페이스트 탱크로 부터 공급된세라믹 페이스트를 작업대 위에서 미리 처리된 데이터의 모양대로 붙여 한층 한층 쌓아 나가 세라믹 그린 파트를 만든다. 3D 프린팅을 통해 만들어진 세라믹 그린 파트는 약하기 때문에 조심스럽게 파트로 부터 서포트와 파트 주변에 묻어있는 페이스트를 제거해 낸다. 이때 파트 주변에 붙어 있던 재료들은 재사용이 가능하다.

마지막으로 세라믹 그린 파트에 있는 수지 제거를 위한 디바인딩 과정과 세라믹 파트의 수축 및 파트 내부의 치밀화를 위한 신터링 과정이 완료되면 모든 세라믹 적층 공정이 완료된다. 

3DCERAM의 3DMIX
3DCERAM은 세라믹 프린터에서 가장 중요한 요소인 세라믹 재료들을 세라믹 파우더와 레진, 그리고 컴파운드를 배합하여 우리가 원하는 특성을 가진 3D 프린팅에서 사용 가능한 재료로 만들어 생산하고 있다. 이 부분에서 3DCERAM은 많은 노하우를 가지고 있다. 현재 상용화되어 있는 3D 프린팅 제료의 제공뿐만 아니라 소비자의 요구에 따른 재료 개발도 진행하고 있다.

3DCERAM의 3DMIX 세라믹 재료 중에서는 알루미늄 라이트라이드(Aluminium Nitride)와 실리콘 나이트라이드(Silicon Nitride)는 주로 항공 분야에서 사용되고 있으며, 실리콘(Silicon)과 지르코니아(Zirconia)는 일반 산업분야에서 그리고 HAP와 TCP는 주로 의료 분야에 사용되고 있다. 

3DCERAM 세라믹 3D 프린터
3DCERAM의 3D 프린터 중 C3600 ULTIMATE는 산업체의 요구에 따라 대량 생산 및 대량 파트 제작을 위해 개발된 세라믹 3D 프린터이다. 각각의 독립된 4개의 광학계를 가지고 있어 빠른 속도로 파트를 제작할 수 있으며 빌딩 플랫폼의 크기는 600X600X300mm로 되어있어 대량 파트 제작에 적합한 장비다.

 3DCERAM의 세라믹 3D 프린터 C3600 ULTIMATE는 산업체의 요구에 따라 대량 생산 및 대량 파트 제작을 위해 개발되었다.
3DCERAM의 세라믹 3D 프린터 C3600 ULTIMATE는 산업체의 요구에 따라 대량 생산 및 대량 파트 제작을 위해 개발되었다.

3D 세라믹 프린팅 활용사례 – 항공우주 산업
항공우주 산업을 위한 광학 기기의 경우 장비의 무게와 부피를 줄여야 하며, 영상이 흔들리지 않도록 유지하는 것도 필수적인 요구사항이다. 이를 위해서는 최적화된 광학기기를 설계해야하는데, 우선 영상의 안전성을 개선하고 보정하기 위한 고강성, 열악한 기계 및 열적 환경을 견딜 수 있는 고강도, 그리고 극심한 온도 변화에서도 영상이 변화되지 않도록 하는 낮은 열팽창계수를 가진 물질이 요구된다. 이를 위해서 세라믹 재료를 사용하게 된다. 

기존의 일반적인 세라믹 제조 공정에서는 가공을 통하여 원래 무게의 90%를 제거하게 되는데, 이럴 경우 세라믹에 균열이 발생할 위험이 높다. 하지만, 세라믹 3D 프린팅에서는 미러 가공 시 필요한 재료의 10% 만을 가지고 직접 적층할 수 있다. 미러의 제작 과정은 3D 세라믹 프린터를 이용하여 프린팅한 후 표면을 연마하여 거칠기를 수 나노미터로 줄인다. 그리고, 금속 응착을 통한 코팅을 하여 빛의 반사율을 항상 시킨다. 마지막으로 각 부품들을 통합하여서 제작하게 된다.


CAD 파일
CAD 파일
프린팅 및 세척
프린팅 및 세척
디바인딩 및 신터링
디바인딩 및 신터링
조립
조립 ▶︎ 인공위성에서 사용하는 미러 가공을 위해 필요한 재료의 10% 만을 가지고 직접 적층할 수 있는 세라믹 3D 프린팅 기술이 사용된다.

About 이상준 기자

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

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