Evaluation and Development of Multi Thermal Bubble Ink Jet 3D Printing System

◆ 특집 ◆ 3D 프린팅 장비 및 소재 기술

다중써멀버블 잉크젯방식의 3D 프린팅 시스템 개발 및 성능평가

Evaluation and Development of Multi Thermal Bubble Ink Jet 3D Printing System

신문관¹, 배성우², 김정수^3,

Mun Gwan Shin¹, Sung Woo Bae², and Jung Su Kim^3,

1 ㈜에버다임 (Industry Research Team, Everdigm Co., Ltd.) 2 한밭대학교 산학협력단 (Industrial University Cooperation, Foundation, Hanbat University) 3 ㈜펨스 인쇄전자연구팀 (Printed Electronics Research Team, PEMS Co., Ltd.)

 Corresponding author: [email protected], Tel: +82-42-863-5118 Manuscript received: 2015.8.10. / Revised: 2015.8.20. / Accepted: 2015.8.21.

Recently, 3D printing technology is a hot issue in various industrial fields. According to the user’s application, it allows for the free form fabrication method to be utilized in a wide range. The powder based fusion technique is one of the 3D printing methods. When using this method it is possible to apply the various binder jetting techniques such as piezo, thermal bubble jet, dispenser and so on. In this paper, a multi thermal bubble ink jet was integrated for jetting of powder binding material and developing a power fused 3D printing system. For high quality 3D printing parts, it needs an analysis and evaluation of the behavior of the thermal bubble ink jet head. In the experiment, a correlation between jetting binder quantity and layer thickness of powder was investigated, and a 3D part model was fabricated, which was used by measuring the scale factor.

KEYWORDS: Powder based fusion (파우더 기반 접착), 3DP (3 차원 프린팅), Thermal bubble ink jet (써멀 버블 잉크젯), Jetting drop (분사 드랍), Layer thickness (적층 두께)

기호설명 dpi = dot per inch

rpm = revolution per minute pl = pico liter

µs = micro second m/s = meter per second 1. 서론

오늘날, 30여개 이상의 다양한 3D 프린팅 공정 들이 개발되고 있다. 그 중 일부는 상업화에 성공 하였으나 대다수의 공정들은 상업화를 위한 연구 에 박차를 가하고 있다. 파우더 기반의 3D 프린팅 공정은 컨셉 모델러로써 상업화에 성공한 대표적 인 공정이며 기존의 기계가공과 비교해 볼 때 많 은 장점을 가지고 있다.¹ 형상에 관계없이 고속으 로 파트를 제작할 수 있으며, 파우더 기반의 공정 으로 다양한 파우더 재질을 활용할 수 있다. 그럼 __________

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하고, 제작물의 치수 정밀도와 표면조도 평가를 위한 실험적 연구를 수행 하고자 한다.

2. 써멀 버블젯 기반의 3D 프린터 2.1 써멀 버블젯 개요

잉크젯 프린터로 가장 유명한 HP사와 Canon사 가 채용한 방식으로 히터를 이용해서 협소한 면적 을가열하여 부분적으로 액체를 버블화 시키고 그 늘어난 버블의 부피로 분사에 필요한 압력을 만든 다.이 방식은 직접적인 구동 부분이 없고 단지 잉 크저장소(챔버)에 히터를 만들면 되기 때문에 제작 이용이하고 높은 밀도로 노즐헤드를 배열할 수 있 다. 반도체공정을 이용해서 히터, 마이크로채널등 을 만들 수 있기 때문에 히터를 구동하는 회로도 같이 집적할 수 있는 장점이 있다. 따라서 일반적 으로 써멀 버블 잉크젯 헤드의 경우 노즐과 챔버 가 일체화 되어 있으며 히터가 직접 액체와 접촉 하고 있지는 않지만 가열, 냉각 과정에서 액체의 변형이 생길 수 있어 열에 의한 화학적변화에 강 한 액체만 사용 가능하다는 단점이 있다. 직접적 으로 액체를 구동하는 것이 아니고 열을이용해서 간접적으로 구동하는 방식이므로 분사제어에 있어 서 유연성이 떨어진다. 버블의 생성 방향과 마이 크로드롭의 분사 방향에 따라 다음처럼 크게 세 가지 형태로 구분이 가능하고 그 개념도를 Fig. 1 에 표시하였다.^2-4

2.2 3D 프린팅 시스템 기구부 구성

본 논문에서는 써멀 버블젯 기반의 3D 프린터 의 기구부 제작을 위해 Fig. 2와 같이 3차원 모델 링 및 시뮬레이션을 통해 기계적인 간섭문제를 확 인한 후, Fig. 3과 같이 기구부를 제작하였다. 써멀 버블젯 기반의 3D프린팅 시스템의 기구부는 5축 (X,Y축, 파우더 공급축, 형상 빌드축, 파우더 평탄

화롤 축)으로 구성되어 있으며, 시스템은 고속 프 린팅을 위한 X,Y 스테이지와 파우더 공급을 위한 롤러부(roller part), 일정 두께로 적층하기 위하여 상,하로 움직이는 피딩룸(feeding room)과 빌딩룸으 로 구성되어져 있다.⁵

프린팅을 위한 스테이지는 잉크젯 프린터헤드 (printhead)를 장착한 상태에서 고속 이송이 요구되 는 Y축과 롤러부가 장착된 X축으로 이루어진다.

구동방식에서는 저가의 고속 시스템 구현을 위하 Fig. 2 3D modeling for thermal bubble jet 3D printer

Fig. 3 Print head installed in the thermal bubble jet 3D printer

여 타이밍 벨트 시스템을 채택하였다.

롤러부는 파우더공급을 위한 롤러와 피딩룸 및 빌딩룸 외부로의 파우더 누설을 방지하기 위한 롤 러 가이드(roller guide) 그리고 롤러에 달라붙는 파 우더를 제거하기 위한 클리닝 장치로 Fig. 4와 같 이 구성하였다. 롤러 가이드는 스프링을 사용하여 양쪽에서 빌딩룸 및 피딩룸의 벽면을 밀어주는 방 법을 채택하였다. 가이드 링이 벽면에 너무 강하 게 밀착 될 경우 X축의 이송에 마찰력을 가중 시 키게 되고, 또한 너무 약할 경우 파우더 누설이 증가할 수 있다.

롤러부의 역할은 빌딩룸에 일정한 레이어 두께 로 파우더베드(powder bed)를 형성하는 것과 평탄 한 파우더 표면을 만드는 것이다. 파우더 베드의 두께는 Z축의 위치정밀도에 의해 결정되나, 표면 의 평탄도는 파우더 입자의 크기 및 균일성, 롤러 의 회전속도와 이송속도, 그리고 롤러의 표면상태 등의 영향을 받는다.

파우더 베드 형성을 위해 피딩룸의 파우더 한 층에 대한 공급 레이어 두께는 외부로의 누설을 고려하여 빌딩룸의 레이어 두께의 1.5배로 설정하 였다. 그리고 롤러의 회전속도는 180 rpm으로 고정 한 상태에서 롤러의 이송 속도를 가변시켜 실험한 결과 Fig. 5와 같이 롤러의 이송속도가 0.25~0.3 ㎧ 일 때 최적의 파우더베드가 형성됨을 확인하였다.⁶

Fig. 5 The surface quality of the powder bed

Fig. 6 The inkjet print head system included HP thermal bubble jet cartridge

2.3 써멀 버블젯 헤드 제어

파우더 표면에 바인더를 선택적으로 분사하기 위하여 Fig. 6과 같이 HP사의 버블젯(bubble jet) 프 린터 헤드를 사용하였다. 버블젯 방식의 프린터 헤드는 챔버 또는 노즐 내에 설치된 얇은 박막의 히터에 순간적인(2~6㎲) 펄스를 가하여 히터의 온 도를 급상승 시켜 히터 벽면에 버블(bubble)을 형 성하게 된다. 생성된 버블에 의한 압력 강하로 챔 버 또는 노즐 내에 있는 액체가 노즐 밖으로 분사 되는 방식이다.

프린터 헤드는 스테이지에 장착된 엔코더를 통 해서 헤드의 위치 정보를 피드백 받아 비트맵 정 보와 비교한 후, 각 노즐을 on/off 제어한다. 고 품 질의 프린팅을 위해서는 기본적으로 스테이지의 등속주행과 각 카트리지간의 정렬이 중요하다. 각 카트리지간의 정렬은 스티칭(stitching) 이라고도 하 며, 상,하 카트리지간의 경계면을 정확히 일치시키 기 위하여 카트리지당 2개의 노즐이 중첩 되도록 기구적으로 설계하였다.

Fig. 4 Powder remover and spreading roll

1 2 3 4 5 6 0

20 40 60 80

Fire pulse length [us]

Dro plet dia met er [u m]

Fig. 8 The droplet diameter according to fire pulse length of the print head

Table 1 Specification of inkjet print head system

Items Specification Diameter of nozzle 40 ㎛

Number of nozzle 300/cartridge, total 900 Number of cartridge 3 ea (max. 12 ea)

Printing area 0.5 inch/cart., total 1.5 inch Resolution 600 x 600 dpi (42.3 ㎛) Communication Ethernet port, RS-232C port,

DIO port, Power port

실험에 사용된 프린터 헤드는 HP-DesktopⓇ용 45 series이며, 자세한 사양은 Table 1에 나타내었다.

카트리지 당 300개의 노즐을 가지고 있어 고속 프 린팅이 가능하다.⁶ 3차원 프린팅에서 레이어 두께 의 변화에 따라 분사량 또한 가변되어야 한다. 분 사량 측정을 위해 제어입력으로는 버블젯 프린터 헤드의 히터부에 가하는 펄스 신호(fire pulse length) 를 이용하였다. 측정결과 Fig. 8과 같으며, 약 4.6㎲

정도의 신호를 인가할 때 최대 분사량을 얻을 수 있었다.

3. 임의 형상 제작 및 성능 평가 3.1 치수 오차 측정 평가

(a)

(b)

Fig. 10 Dimensional errors of a fabricated part

3차원 구조물의 치수오차를 검증하기 위하여 레이어 두께와 접착 용액의 프린팅 양을 변화시켜 가며 Fig. 9와 같이 스케일 바를 제작하였다. 실험 결과, X, Y축 의 치수 오차는 대부분 X,Y 스테이지 의 위치 오차에 의해 발생됨을 확인하였으며 대략 100㎛ 이하의 오차를 가지고 있다. 하지만, Z축의 경우 1차적으로 Z축의 위치오차에 의한 영향도 받 지만, 주로 레이어 두께와 접착 용액의 분사량 관 계에 의해 발생되는 Z-growth 현상에 의한 오차가 지배적임을 확인하였다.^7,8 Fig. 10(a)는 레이어 두께 를 일정하게 하고, 분사량을 가변시킬 때의 치수 오차를 나타낸 것이며, Fig. 10(b)는 분사량을 일정 하게 두고, 레이어 두께를 가변시킬 때의 치수오

차 변화에 대한 측정 결과이다. 실험결과 분사량 을 일정하게 두고, 레이어 두께를 높이면 치수오 차는 감소되었으나 동시에 제품의 강도가 함께 낮 아짐을 알 수 있었다. 그러므로 레이어간의 층결 합을 유지하기 위해서는 일정량 이상의 치수오차 는 불가피하다.

3.2 표면 조도 측정 및 평가

Fig. 11과 같은 Form Talysurf series 2 표면조도계 를 이용하여 제작된 스케일 바 모델의 윗면에 대 한 표면 거칠기를 측정하였으며, 그 결과 Fig. 12과 같다. 표면 거칠기 측정의 기준으로는 중심선평균 거칠기 (Ra) 값을 사용하였다. 표면거칠기 측정결 과 Ra는 8.3 ㎛, Rz(10점 평균 거칠기)는 43.7 ㎛, Rt(중심선을 기점으로 상위 최대값과 하위 최대값 을 더한 결과)는 73.5 ㎛ 값을 얻었다.

4. 결론

본 논문에서는 파우더 접착 기반의 3D 프린터 를 개발 하기 위해 써멀버블 잉크젯을 이용하여 임의 형상 제작을 연구하였다. 써멀버블 잉크젯의 경우 파우더 접착을 위한 바인더의 분사가 용이

하였으며 이를 활용하여 파우더 접착 기반의 3D 프린팅 시스템을 구축하고 그 특성 평가를 위해 스케일바의 임의 형상을 제작 평가 하였다. 실험 결과 써멀버블 잉크젯의 잉크 분사량에 따른 Z축 오차가 임의 형상 단면의 X, Y축의 기구부 오차 보다 크게 발생함을 알 수 있었다. 제작된 스케일 바의 오차는 X, Y의 경우 약 100㎛ 이하의 오차를 가지나 Z축의 경우 최대 약 800 ㎛ 까지의 오차를 보임을 알 수 있다. 실험 결과에서 바인더의 분사 량을 조절 할 경우 치수 정확도를 높일 수는 있으 나 이에 따른 레이어 간의 접착력 및 제작 형상물 에 대한 기계적 강도가 떨어지는 단점을 가지고 있다. 향후에는 이러한 상관관계를 통해 보다 최 적화된 적층 두께와 바인더 분사량에 대한 연구를 수행하여 최대 강도와 최소 치수오차에 대해 규명 할 계획이다.

REFERENCES

1. Wohlers, T., “Wohlers Report 2003,” Wohlers Associates, pp. 13-16, 2003.

2. Tseng, F. G, “A Micro Droplet Injector System,”

Ph.D. Thesis, University of California, Los Angeles, 1998.

3. Chen, P.-H., Chen, W.-C., Ding, P.-P., and Chang, S.,

“Droplet Formation of a Thermal Sideshooter Inkjet Printhead,” International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 19, No. 4, pp. 382-390, 1998.

4. Kang, T. G, “Droplet Volume Adjustable Microinjectors Using Digital Microheater Array,” Ph.D. Thesis, Department of Mechanical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology, 2005.

5. Lee, W. H., Kim, J. S., Kim, D. S., and Lee, M. C.,

“Three Dimensional Printing Process Using Inkjet Technology,” J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 23, No. 8, pp. 33-38, 2006.

6. Lee, W. H., Kim, D. S., Lee, M. C., and Kim, J. S.,

“A Study on the Development of SFF System Based on 3DP Process,” J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol.

23, No. 7, pp. 168-176, 2006.

7. Williams, P. A., “Three Dimensional Printing: A New Process to Fabricate Prototypes Directly from CAD Models,” M.S. Thesis, Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 1990.

Fig. 11 Measurement of surface profile

Fig. 12 Surface profile of the scale bar