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ISSN : 1229-6783(Print)
ISSN : 2288-1484(Online)
Journal of the Korea Safety Management & Science Vol.25 No.2 pp.153-158
DOI : http://dx.doi.org/10.12812/ksms.2023.25.2.153

A Study for Improving the Durability of Print Heads in Binder Jet 3D Printers Method

Jung-Chul Hwang*, Tae-Sung Kim**
*Student, Kumoh National Institute of Technology
**Professor, Kumoh National Institute of Technology
†Corresponding Author : Jung-Chul Hwang, No. 1202, 109-dong, Gulhwa 4-gil, Nam-gu, Ulsan, E-mail: skjuok9930@naver.com
April 24, 2023 June 14, 2023 June 22, 2023

Abstract

This research was conducted to reduce the defect rate caused by nozzle clogging of printing heads used in binder jet 3D printers. The binder jet 3D printing technology may adhere to the printing head nozzle by dispersing powder due to mechanical operation such as transferring the printing head and supplying powder, and may cause nozzle clogging by natural curing at the nozzle end depending on the type of binder used. To solve this problem, this study created a cleaning module exclusively for printing heads to check whether the durability of printing heads is improved through analysis of printing results before and after using the cleaning module. To this end, this research used a thermal bubble jet printing head, and the used powder was studied using gypsum powder.
Binder Jet 3D Printer, Printing Head, Cleaning Module, Thermal Bubble Jet

바인더 젯 3D 프린터의 프린팅 헤드 내구성 향상을 위한 연구

황정철*, 김태성**
*금오공과대학교 산업공학과

초록

1. 서 론 

 3D 프린팅 공정은 다양하게 많은 연구가 이루어지고 있으며, 상업화 및 실용성을 위한 연구에 중점을 두고 있다. 
 기존의 기계가공과 비교해 볼 때 파우더 기반의 3D 프린팅 공정은 상업화에 성공한 대표적인[1] 공정으로 많은 장점을 있다.
 형상에 관계없이 고속으로 파트를 제작가능하며, 파우더 기반의 공정에서 파우더 재질을 활용할 수 있다. 그럼에도 불구하고 파우더 기반의3D 프린팅 기술은 표면 거칠기, 치수 정밀도, 잔류 응력 및 후처리 공정에 의한 변형, 낮은 강도, 건조시간등의 문제로 아직까지 작업자의 요구를 만족시키기 위한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 레이어마다 반복적으로 이루어지는 접착제와 파우더간의 결합력이 낮은 것이 주요 원인중 하나로, 접착제의 성능을 높여 낮은 결합력의 문제를 해결했다 하더라도 기계적인 움직임에 의한 분진 발생에 따른 프린팅 헤드 노즐 끝단에서의 노즐 막힘 현상이 발생되는 문제점은 여전히 내포하고 있다. 이러한 문제점은 결국 프린팅 결과물의 퀄리티를 저하시키는 근본적인 원인으로 작용하고 있을 뿐만 아니라, 프린팅 헤드의 내구성을 현저히 저하시키는 문제점으로 대비책이 강구되어야 한다.
 따라서, 본 연구에서는 써멀 버블젯 방식의 멀티 노즐을 이용하여 고속 3D 프린팅 시스템에서 파우더 분진에 의한 노즐 막힘 현상, 바인더의 자연 경화에 의한 노즐 막힘 현상 등 프린팅 헤드의 내구성과 직접적으로 관련있는 요소들을 해결할 수 있도록 써멀 버블젯 방식의 멀티 노즐 시스템에 적합한 클리닝(Cleaning) 모듈을 개발, 적용하여 클리닝 모듈의 평가를 통한 프린팅 헤드 내구성 향상을 위한 실험적 연구를 수행하고자 한다.       
 

2. 써멀 버블젯기반의 3D 프린터 

2.1 써멀 버블젯의 개요 

 HP사와 Canon사는 잉크젯 프린터를 적용한 방식으로 협소한 면적을 히터를 이용해서 가열하여 부분적으로 액체를 기포화시키고 그 늘어난 거품의 부피로 재료를 밀어넣는 필요한 압력을 만든다.[1]
 직접적인 구동 부분이 없어 단순히 잉크저장소에 히터를 만들면 되므로 제작이 쉽고, 또한 높은 면적밀도로 갖는 노즐헤드를 형성할 수 있다.[4] 
 일반적으로 헤드부의 저항에 전기신호가 가해지면 순간적으로 300~400도까지 온도가 올라가게 되어 버블이 발생하게 되는데, 이 버블의 힘으로 헤드 밖으로 토출되는 방식으로 액체의 변형우려가 있어 내열성 및 화학적인 변화에 민감하지 않은 액체만 사용 가능하여 단점을 해결하기 위한 연구가 필요하다.[6] 
 분사제어에 있어서 직접 열을 이용해서 간접적으로 구동함으로 직접적인 액체를 구동하는것에 비하여 유연성이 적다.[7]
 마이크로드롭의 분사 방향과 버블의 생성 방향에 따라 구분할 수 있으며, 크게 세 가지 형태로 그 개념도를 Figure 1에 표시하였다.[8][9]     
 
 

2.2 3D 프린팅 시스템 기구부 구성 

 선가공하는 레이저 장비와는 다르게 프린팅 헤드를 이용한 바인더 젯 장비는 형상제작에 빠른 특징을 가지고 있다.[11] 큰 면적의 부품도 프린팅 범위와 헤드 개수를 늘리는 것으로 매우 쉽게 해결할 수 있다. 본 논문에서는 기구부 제작을 위해 Figure 2와 써멀 버블젯 기반의 3D 프린터와 같이 기구부를 제작하였다.[12] 써멀 버블젯 기반의 3D프린팅 시스템의 기구부는 5축(X,Y축, 파우더 공급축, 형상 빌드축, 파우더 평탄화롤축)으로 구성되어 있으며, 시스템은 고속 프린팅을 위한 파우더 공급을 위한 롤러부(roller part)와 X,Y 스테이지, 빌딩룸과 일정 두께로 적층하기 위하여 상,하로 움직이는 피딩룸(feeding room)으로 구성되어져 있다[10]. 
 잉크젯 프린터헤드를 장착한 상태에서 프린팅을 위한 스테이지는 롤러부가 장착된 X축과 고속 이송이 요구되는 Y축으로 구성되어진다. 구동방식에서는 타이밍 벨트 시스템을 채택하여 저가의 고속 시스템 구현하였다.[2]
 롤러부는 롤러에 달라붙는 파우더를 제거하기 위한 클리닝 장치, 파우더공급을 위한 롤러와 피딩룸 및 빌딩룸 외부로의 파우더 누설을 방지하기 위한 롤러 가이드로, 롤러 가이드는 스프링을 사용하여 양쪽에서 피딩룸 및 빌딩룸의 벽면을 밀어주는 방법으로 구성하였다.[3] 
 가이드 링이 밀착은 X축 이송에 마찰력을 가중 시키게 하며, 너무 약할 경우에는 파우더 누설이 증가시킬 수 있다.   
 
 
 빌딩룸에 레이어 두께를 일정하게 파우더베드를 형성하는 것과 평탄하게 파우더 표면을 만드는 것은 롤러부의 역할이다. 
 Z축의 위치정밀도에 의해 파우더 베드의 두께는 결정되나, 표면의 평탄도는 롤러의 회전속도와 이송속도, 롤러의 표면상태, 파우더 입자의 크기 균일성등의 영향을 받는다.[5] 
 피딩룸 파우더 한 레이어에 대한 공급 레이어 의 두께는 파우더 베드 형성을 위해 외부로의 누설을 고려한 빌딩룸의 레이어 두께의 1.5배로 맞추어 설정하였다. 
 롤러 회전속도는 190rpm으로 고정시킨 상태에서 롤러 이송속도를 변화시키면 이송속도가 0.26∼0.31㎧ 일 때 파우더베드가 형성됨을 확인 할 수 있다.[6] 
 

2.3 써멀 버블 젯 헤드 제어 

 파우더 표면에 바인더를 선택적으로 분사하기 위하여 Figure 3과 같이 HP사는 버블 젯 프린터 헤드는 사용하였다. 
 버블젯 방식의 프린터 헤드는 헤드 부의 얇은 박막부에 저항에 전기신호가 가해지면 히터의 온도를 급상승으로 버블이 히터 벽면에 형성하게 된다.[11]
 기포의 생성에 의한 압력 강하로 분사가능한 액체의 방울이 노즐을 통해 밖으로 분사된다.[9] 
 
 
 각 노즐의 on/off 제어는 스테이지에 장착된 엔코더를 통하여 헤드 위치 정보를 받아 비트맵 정보와 비교한 후 실시한다.
 각 카트리지간의 정렬과 스테이지의 등속주행은 고품질의 프린팅을 위해서는 매우 중요하다.[9]   
 각 카트리지간의 정렬은 스티칭이라 하며, 정확하게 상,하 카트리지간의 경계면을 일치시켜주도록 기구적으로 설계는 카트리지당 2개의 노즐이 중첩 되도록 하여 안정성을 높였다.
 프린터 헤드는 HP-Desktop용 45-series를 실험에 사용했으며, 인쇄 헤드 시스템에서 중첩된 노즐의 개략도는 Fig. 4와 같다.
 카트리지 당 300개의 노즐은 고속 프린팅을가능하게 한다. 분사량이 가변되는 것은 3차원 프린팅에서 레이어 두께의 변화에 대응할 수 있다.[9] 프린터 헤드에 가하는 펄스 신호는 분사량 측정을 위한 제어입력으로 하여. 측정결과를 Figure 5에 나타냈으며, 약 4.7㎲ 정도의 신호일때 최대 분사량인 것을 알 수 있었다.   
 
 
 

2.4 써멀 버블 젯 헤드 클리닝 모듈   

 써멀 버블 젯 헤드 클리닝 모듈 제작을 위해 Fig. 6과 같이 컨셉 설계를 진행한 후 실제 제작을 진행하였다. 클리닝 모듈은 프린팅 헤드의 특성을 고려하여 크게 Wiping & Cleaner Remove part, Purging part, Cleaning part 및 Nozzle packing part로 구성되어 있다.   
 
 
 Wiping & Cleaner Remove 단계에서는 Purging 후 프린팅 헤드 노즐 끝단에는 상대적으로 많은 바인더가 잔존하게 되며, 이를 제거하여 최종적으로 깨끗한 상태의 노즐로 복귀 시켜 주는 단계로, 실리콘 러버로 제작된 Blade를 이용하여 노즐 끝단을 청소하면서 묻어 있는 Cleaner의 잔존물을 제거 시켜 주는 역할을 하게 된다. Purging 단계에서는 Cleaning 된 프린팅 헤드 노즐이 막혀 있는지, 설사 막혀 있지 않더라도 이물질에 의해 Jetting양이 달라지는경우를 사전에 방지코자 프린팅 헤드 노즐에 대해 같은 압력, 같은 유량으로 일정하게 Jetting을 시켜 줌으로써 노즐에 대한 안정성을 확보할 수 있도록 해주는 단계이다. 
 Cleaning 단계에서는 프린팅 헤드 노즐에 달라붙어 있는 미세 분말을 제거하기 위한 단계로, 액체 상태의 Cleaner가 담겨있는 수조에 극세사 천이 Roll과 Roll 사이를 이동할 때 프린팅 헤드가 Tension을 유지하면서 헤드 노즐 끝단과 Cleaner가 적셔 있는 극세사 천과의 선/면 접촉을 통해 헤드 노즐 끝단을 청소해 주는 단계이다. 끝으로 Nozzle Packing 단계에서는 프린팅 종료 후 장비의 휴지 시간에 노즐 끝단에서의 바인더에 의한 노즐 막힘 현상을 최소화 하고 노즐 끝단이 항상 건조되지 않은 상태로 유지 시켜 주기 위해 노즐 끝단을 실리콘 러버 패킹 디바이스를 이용하여 노즐을 보호시켜 주는 단계로 구성되어 있다.       
 

3. 제작 및 테스트 

3.1 클리닝 모듈 제작 

 Figure 7은 실제 제작된 Cleaning module의 사진을 나타낸 것이며, Figure 8은 Cleaning module이 바인더 젯 3D 프린터에 장착된 사진을 나타낸 것이다.   
 
 

3.2 클리닝 모듈 구동 테스트   

 프린팅 도중 헤드 노즐 끝단에 달라붙어 있는 파우더를 제거하기 위해 프린팅 헤드가 클리너 챔버로 이동하게 되며, 이때 헤드 노즐 끝단이 클리너 액체와 접촉하는 접촉면인 노즐 끝단이 클리너 액체에 담기는 정도(높이)와 담기는 시간을 최적화하는 연구를 수행하였다. 
 노즐 끝단이 클리너 액체에 너무 깊이 담겨 있으면, 노즐 끝단을 감싸고 있는 플라스틱 하우징도 클리너 액체에 접촉이 되게 되며, 이때에는 플라스틱 하우징에 클리너가 남아 있게 되어, 프린팅 중 또는 헤드 이동 시 클리너가 중력에 의해 바닥이나 파우더 표면위에 떨어지게 되는 사례가 발생하게 되며, 만약 파우더 표면 위에 클리너가 떨어지게 되면, 그 동안 프린팅 한 결과물에 대해 데미지를 주게 된다. 또한, 프린팅 헤드가 클리너 액체에 너무 오랫동안 담겨 있으면 점도 차에 의해 프린팅 헤드로부터 바인더가 클리너 액체에 분사하게 되며, 처음 2~3번 정도는 상관없으나, 이러한 과정이 반복되어 쌓이게 되면 프린팅 헤드가 최소한 보유하고 있어야 하는 바인더 양을 충족할 수 없어서 프린팅 도중 바인더가 제대로 분사되지 못하는 경우가 발생하게 된다. 
 이러한 이유로 프린팅 헤드 노즐 끝단이 클리너 액체에 담기는 정도(높이)와 담기는 시간에 대한 공정 조건은 매우 중요하기 때문에 제작한 클리너 챔버의 높이를 조절하기 위한 상/하 움직임에 대한 최적화가 반드시 필요하며, 이를 위해 클리너 액체의 양과 클리너 챔버가 상승하는 최대 높이를 고려하여 프린팅 헤드 노즐 끝단과의 접촉면적을 확인해야 하며, 상/하 움직임에 대한 Stroke는 30mm, 챔버의 최대 깊이는 약 14mm이고 챔버에 클리너를 절반 채우면 7mm이므로 각 길이를 고려하여 상승 높이를 여유분을 고려 22mm로 셋팅하였다. 
 또한 1차 Blade의 각도에 따른 접촉 각도 최적화 공정 연구를 위해 블레이드 각도에 따른 모듈 공정 최적화 연구를 수행하였다. 
 1차 블레이드 각도 조절은 파우더가 클리너 챔버에서 클리너 액체를 머금은 노즐 끝단을 청소해 주는 단계로 접촉각이 일정하지 않거나 블레이드 처짐이 발생하게 되면 노즐 끝단의 일정한 청소가 불가능 하기 때문에 이에 대한 최적 의 각도를 찾는 것이 중요하다. 
 또한 블레이드 높이에 대한 고려도 반드시 필요하여, 이에 대한 모듈 최적화를 위해 다양한 높이, 각도에 대한 연구를 반복수행하여 아래와 같이 블레이드 각도가 약 40도인 지점에서 최적의 결과를 도출할 수 있었으며, 실제 파우더로 인해 오염된 헤드를 바탕으로 테스트 한 결과 육안으로 확인했을 때 클리닝이 매우 깨끗하게 되는 것이 확인되며, 테스트의 결과는 Figure 9의 블레이드 각도에 따른 결과와 와 Figure 10에 블레이드 각도 테스트 결과를 나타내었다.     
 
 

3.3 클리닝 모듈 프린팅 테스트   

 상기와 같이 기본적인 구동 테스트를 완료 후에 실제 공정 중 클리닝 모듈이 제대로 작동하는지 확인하는 테스트를 수행하였다. 실제 프린팅 영역인 (120*120*150mm)에서 프린팅할 때, 오류 없이 프린팅 가능한 횟수를 측정하였으며, 이를 확인하기 위해 장비에 연속 카메라를 설치하고(Fig. 11) 전체 영역에 원통형 적층물을 제작하는 시간동안 클리닝 이미지를 확인하는 방법으로 테스트를 수행하였다. 
 테스트 결과 1 layer 당 프린팅 시간은 약 34초이며, 5 Layer 당 1회 클리닝을 수행했을 때 총 300회 동안 (적층 회수 1,500회) 이상 프린팅을 하더라도 프린팅 헤드의 노즐이 막히는 현상이 현저히 줄어든다.(Figure 12).   
 
 
 또한, 클리닝 여부에 따른 결과를 확인하기 위해 실제 압축강도 샘플(∅50mm)을 출력하여 클리닝 여부에 따른 출력물의 퀄리티를 확인하는 테스트를 수행하였다.
 출력은 클리닝을 하지 않은 상태로 연속적으로 수행하였으며, 연속적으로 프린팅 할 때 노즐 막힘에 따른 출력물에 이상이 생길 때까지 수행하였고, <Table 1>의 세척의 비교와 Figure 13에 인쇄샘플 테스트 결과를 나타내었다.     
 
 

4. 결론 

 본 연구에서는 바인더 젯 3D 프린터의 프린팅 헤드 내구성 향상을 위한 연구에서 다음과 같이 결론을 도출할 수 있었다. 
  1. 동일한 적층 두께에서 클리닝 모듈 적용 전/ 후 1layer 당 평균 프린팅 시간은 적용 전이 약 7초 정도 빠르게 나타났다.
  2. 동일한 조건에서 클리닝 모듈 적용 전 출력 물은 약 120분 이후에 프린팅 퀄리티가 떨어지는 것으로 보아, 클리닝 시스템 적용 전 평균 노즐 수명은 약 120분인 것으로 사료 된다.
  3. 동일한 조건에서 클리닝 모듈 적용 후 출력 물은 약 4시간 동안 노즐 막힘없이 출력이 가능하며, 그 결과를 확인할 수 있었다.
  4. 이렇게 얻은 결과를 바탕으로 200층까지 적층하는 동안 5층 적층 후 1번 클리닝을 수행하여 출력을 하였을 때에는 클리닝을 하지 않았을 때 보다 결과물이 좋다는 것을 알 수 있다.
  5. 이러한 결과를 바탕으로 본 과제를 통해 구성한 클리닝 모듈의 전/후 비교를 통해 결과물의 성능을 검증할 수 있었다.
  주조용 바인더 젯 3D 프린터 제작시 클리닝 모듈 적용하면 주형 생산시 고가의 소재 불량률 감소와 생산성 향성에 도움이 된다는 것을 확인 할 수 있었다.  

Figure

Table

Reference

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  1. SEARCH

  2. Online Submission

    http://submission.koreasafety.or.kr

  3. KSSM

    The Korean Society of Safety ManagementWaste Society

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