KR101453532B1 - 전자 교반을 이용한 액상 또는 레오로지 소재의 박막 부품 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자 교반을 이용하여 액상 또는 레오로지 소재를 금형장치에 공급하고 금형장치에서 진공상태를 유지하면서 얇은 박막 부품을 성형하도록 된 액상 또는 레오로지 소재의 박막 부품 제조장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 액상 또는 레오로지 소재의 박막 부품 제조장치는, 제조하고자 하는 박막 부품과 대응하는 형태의 캐비티를 구비한 금형과; 상기 금형으로 공급될 용융 금속이 저장되는 도가니와; 일단이 상기 도가니와 연결되고 타단이 상기 금형으로 연결되어 도가니로부터 금형으로 소재를 공급하며, 세라믹 재질의 내측 슬리브관과, 상기 내측 슬리브관의 외면을 둘러싸며 상기 내측 슬리브관의 외면으로 연통되는 홈이 형성되어 있는 비자성체 재질의 외측 슬리브관으로 이루어진 슬리브와; 상기 슬리브의 외측에 설치되어 외부에서 인가되는 전원에 의해 자기장을 형성하여 상기 슬리브를 통해 금형으로 공급되는 용융 금속의 결정립을 제어하는 전자교반기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전자 교반을 이용한 액상 또는 레오로지 소재의 박막 부품 제조장치{Production equipment for thin plate and parts with liquid and rheology materials by using electromagnetic stirring system}

본 발명은 박막 및 부품 제조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자 교반을 이용하여 액상 또는 레오로지 소재를 금형장치에 공급하고 금형장치에서 진공상태를 유지하면서 얇은 박막 부품을 성형하도록 된 액상 또는 레오로지 소재의 박막 부품 제조장치에 관한 것이다.

액체 상태로부터 원하는 형상의 부품을 직접 제조하는 주조공법은 용탕이 캐비티 내부로 유입될 때 난류로 인한 공기의 포집과 수축에 의한 결함 및 용탕의 과열도 때문에 금형의 수명을 단축시키는 결점이 있었고, 또한 고체를 정형가공하는 단조공정의 경우 높은 성형압력을 요구하는 정밀 부품의 생산에 어려움이 있었으며, 절삭과 같은 후가공에 의한 생산성의 저하와 이로 인한 경제적 손실이 따르는 등 다수의 문제점이 있었다.

이러한 문제점들을 해결할 수 있는 방법으로 근자에 들어서 반응고(半凝固) 공정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 반응고 성형공정은 기존의 단조공정에 비하여 적은 하중으로도 복잡한 형상의 부품을 한 공정으로 만들 수 있고, 액체 상태보다 높은 점성으로 인하여 캐비티 내부로 충전 시 유동형태가 난류로 발달하지않아 제품 내부에 기공 및 가스를 포함하여 발생되는 결함이 적고, 성형의 초기온도가 낮기 때문에 금형의 열피로를 줄여 금형에 크랙이 발생하는 등의 현상을 방지하므로 금형의 수명을 높일 수 있는 성형공정이다. 특히 전자 교반을 이용한 반응고 공정은 성형 시 수지상 조직을 제어하여 가압함으로써 균일화 및 미세화되며 구형화된 조직을 얻을 수 있다는 장점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제2012-0019943호에는 반용융 공정 시 소착 등의 문제가 야기되는 슬리브의 온도제어시스템 및 슬리브 표면 코팅이 아닌 내부에 세라믹파이프를 포함하고 있는 슬리브를 제작하여 소재의 유동성을 향상시키고, 소재의 온도를 균일하게 유지하여 전자교반 효과를 향상시키도록 한 진공금형장치를 이용한 액상 및 반응고 재료의 박막 및 부품 제조장치가 개시되어 있다.

그러나 이러한 종래의 박막 및 부품 제조장치에서 액체 상태로부터 원하는 기계적 성질의 레오로지 소재를 제조하는 전자교반기는 주입되는 소재의 온도와 장치의 작동시간에 따라 슬리브의 온도가 유동적이기 때문에 레오로지 소재의 결정 구조가 균일하지 않고, 이는 제품 제조시 제품의 기계적 성질의 저하를 초래하는 문제를 발생시킨다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 전자 교반을 수행하는 전자교반기에 설치된 특수 구조의 슬리브를 이용하여 미세하고 균일하게 결정립이 제어되어진 소재를 통하여 미세하고 강도가 높은 제품을 성형할 수 있는 전자 교반을 이용한 액상 또는 레오로지 소재의 박막 부품 제조장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전자 교반을 이용한 액상 또는 레오로지 소재의 박막 부품 제조장치는, 제조하고자 하는 박막 부품과 대응하는 형태의 캐비티를 구비한 금형과; 상기 금형으로 공급될 용융 금속이 저장되는 도가니와; 일단이 상기 도가니와 연결되고 타단이 상기 금형으로 연결되어 도가니로부터 금형으로 소재를 공급하며, 세라믹 재질의 내측 슬리브관과, 상기 내측 슬리브관의 외면을 둘러싸며 상기 내측 슬리브관의 외면으로 연통되는 홈이 형성되어 있는 비자성체 재질의 외측 슬리브관으로 이루어진 슬리브와; 상기 슬리브의 외측에 설치되어 외부에서 인가되는 전원에 의해 자기장을 형성하여 상기 슬리브를 통해 금형으로 공급되는 용융 금속의 결정립을 제어하는 전자교반기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 박막 부품 제조장치의 슬리브가 세라믹 재질의 내측 슬리브관과 비자성체의 외측 슬리브관의 2중관 구조를 가지며, 외측 슬리브관에는 내측 슬리브관의 외면으로 연통되는 홈이 형성된 구조를 가짐으로 해서 용융 금속의 유동성이 향상되고 소착방지 효과를 얻을 수 있음과 더불어 전자교반기에 의해 생성된 자기장의 자속 밀도의 저하를 방지하여 미세하고 균일하게 용융 금속의 결정립을 제어하고, 이로써 전자교반 효과가 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

또한 상기와 같은 특수한 구조를 갖는 슬리브를 통해 교반효과를 상승시킬 수 있으므로 전자교반기에 사용되는 부품수를 줄일 수 있으며, 적은 에너지를 사용하여도 교반효과가 탁월하기 때문에 에너지 절감 효과도 얻을 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 슬리브에 형성되는 냉각유로와 히팅유닛을 이용하여 슬리브의 온도를 제어할 수 있고, 이로써 슬리브를 통해 공급되는 용융 금속의 온도를 원하는 온도로 제어하여 금형에 공급할 수 있으므로 금형에서 성형되는 제품의 품질을 더욱 향상시킬 수 있는 효과도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 교반을 이용한 액상 또는 레오로지 소재의 박막 부품 제조장치를 나타낸 정면에서 본 종단면도이다.
도 2는 도 1의 박막 부품 제조장치의 주요 부분을 나타낸 요부 종단면도이다.
도 3은 도 1의 박막 부품 제조장치의 슬리브의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 슬리브의 평면도이다.
도 5 내지 도 9는 도 3의 슬리브의 다른 여러가지 실시예들을 나타낸 사시도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 부품 제조장치를 나타낸 정면에서 본 종단면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막 부품 제조장치를 나타낸 정면에서 본 종단면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전자 교반을 이용한 액상 또는 레오로지 소재의 박막 부품 제조장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 부품 제조장치를 나타낸 것으로, 먼저 도 1 및 도 2를 참조하면 본 발명의 박막 부품 제조장치는 제조하고자 하는 박막 부품과 대응하는 형태의 캐비티(10c)를 구비한 금형(10)과, 상기 금형(10)으로 공급될 용융 금속, 즉 용탕이 저장되는 도가니(4)와, 일단이 상기 도가니(4) 내부와 연결되고 타단이 상기 금형(10)으로 연결되어 도가니(4)로부터 금형(10)으로 소재를 공급하는 슬리브(3)와, 상기 슬리브(3)의 외측에 설치되어 외부에서 인가되는 전원에 의해 자기장을 형성하여 용융 금속의 결정립을 제어하는 전자교반기(1) 및, 상기 슬리브(3)와 전자교반기(1) 사이에서 슬리브(3)의 외면을 둘러싸도록 설치되어 슬리브(3)를 가열하는 히팅유닛(2)을 포함한 구성으로 이루어진다.

상기 도가니(4)에 저장되는 용융 금속은 고상과 액상의 경계이며 액상 내에 있는 고상의 크기가 40~120㎛ 이내인 레오로지(Rheology) 소재일 수 있으며, 본 발명의 박막 부품 제조장치는 레오로지 소재의 반응고 성형장치에 적용될 수 있다.

상기 금형(10)은 박막 부품 제조장치 본체(13)의 상부에 설치되며, 상부면에 캐비티(10c)가 형성되어 있는 하부 금형(10a)과, 상기 하부 금형(10a)의 상측에 유압실린더(12)에 의해 상하로 이동 가능하게 설치되어 하부 금형(10a)의 상부를 폐쇄하는 상부 금형(10b)을 포함한다. 상기 금형(10)의 일측에는 캐비티(10c) 내에 진공을 형성하기 위한 진공유닛(11)이 구성된다. 이 실시예에서 상기 진공유닛(11)은 상기 캐비티(10c)와 연통되는 진공라인(11a)과, 상기 진공라인(11a)과 연결되어 공기를 흡입하는 진공펌프(11b)와, 상기 진공펌프(11b)의 작동을 제어하는 컨트롤러(11c)를 포함한다.

상기 도가니(4)는 박막 부품 제조장치 본체(13)의 하부에 구성되는 보온로(8)의 상측에 설치된다. 상기 보온로(8)는 도가니(4) 내부의 용융 금속을 보온 저장할 수 있도록 히터(미도시)를 구비한다. 또한 상기 보온로(8)는 하부에 캐스터 휠(9)이 장착되어 이동이 용이하게 되어 있다.

상기 도가니(4)의 상측에는 도가니(4) 내부로 아르곤, 또는 질소 등의 가스를 공급하여 도가니(4) 내의 용융 금속을 슬리브(3)를 통해 이송하는 가스공급관(7)이 연결되어 있다. 상기 가스공급관(7)은 가스펌프(7a) 및 이 가스펌프(7a)의 작동을 제어하는 컨트롤러(7b)와 연결되어 도가니(4) 내부로 가스를 주입하는 작용을 한다.

상기 히팅유닛(2)은 상기 슬리브(3)의 외면을 둘러싸도록 설치되어 슬리브(3)를 통해 공급되는 용융 금속의 온도를 균일하게 유지하는 작용을 한다. 상기 히팅유닛(2)은 전열히터를 사용하여 구성할 수 있으며, 필요에 따라 전열히터를 제거하고 이 부분을 냉각유닛과 연결하여 냉각수를 공급할 수도 있다.

상기 전자교반기(1)는 외부에서 인가되는 전원에 의해 자기장을 형성하여 용융 금속의 결정립을 제어하는 작용을 하며, 공지의 전자교반기를 적용하여 구성될 수 있다.

상기 슬리브(3)는 하단부가 도가니(4) 내부로 연장된 용탕토출구(5)와 연결되고, 상단부가 상기 금형(10)에 연결된다. 도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이, 상기 슬리브(3)는 세라믹 재질의 내측 슬리브관(3b)과, 상기 내측 슬리브관(3b)의 외면을 둘러싸는 비자성체 재질의 외측 슬리브관(3a)의 2중관 구조로 이루어진다. 상기 슬리브(3)가 세라믹 재질의 내측 슬리브관(3b)과 비자성체의 외측 슬리브관(3a)으로 이루어짐으로써 용융 금속의 유동성이 향상되고 소착방지 효과를 얻을 수 있다.

상기 외측 슬리브관(3a)에는 상기 내측 슬리브관(3b)의 외면으로 연통되는 복수개의 홈(3c)이 관통되게 형성되어 있다. 즉, 내측 슬리브관(3b)의 외면은 상기 홈(3c)을 통해 외부로 노출된 구조를 갖게 된다. 상기 외측 슬리브관(3a)에 형성된 복수개의 홈(3c)은 상기 전자교반기(1)에 의해 형성된 자기장의 자속밀도 저하를 방지하여 미세하고 균일하게 결정립을 제어하고, 이를 통해 전자교반 효과를 향상시키는 작용을 한다.

이 실시예에서 상기 외측 슬리브관(3a)의 홈(3c)은 외측 슬리브관(3a)의 원주방향을 따라 연장된 곡선형(이 실시예에서 반원형)의 띠 형태로 형성된다. 하지만, 도 5에 도시된 것과 같이 외측 슬리브관(3a)의 홈(3c)이 외측 슬리브관(3a)의 축방향을 따라 나선형으로 연장된 띠 형태로 형성되거나, 도 6에 도시된 것과 같이 외측 슬리브관(3a)의 축방향을 따라 연장된 띠 형태로 형성될 수도 있다. 또는 도 7 내지 도 9에 도시된 것과 같이 상기 홈(3c)이 원형 또는 다각형의 구멍 형태를 가질 수도 있다.

다시 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 내측 슬리브관(3b)의 내부에는 슬리브(3) 온도를 냉각시켜 금형으로 공급되는 용융 금속의 온도를 제어하는 복수개(이 실시예에서 12개)의 냉각유로(3d)가 형성된다. 상기 냉각유로(3d)는 원주방향을 따라 일정 각도, 예를 들어 20~30°각도로 배치되며, 축방향을 따라 길게 연장된다. 상기 냉각유로(3d)들은 서로 연결되도록 구성될 수도 있지만 각각이 연결되지 않고 모두 개별화될 수도 있다.

상기 냉각유로(3d)는 냉각펌프(16a) 및 이 냉각펌프(16a)의 작동을 제어하는 컨트롤러(16b)로 구성된 냉각유닛과 연결되어 냉각유체(예를 들어 냉각수)를 공급받는다. 도면에 도시하지는 않았지만 상기 슬리브(3)에는 온도를 측정하는 온도센서가 추가로 설치될 수 있다.

상기 진공유닛(11)의 컨트롤러(11c)와 냉각유닛의 컨트롤러(16b), 가스펌프(7a)를 제어하는 컨트롤러(7b)는 박막 부품 제조장치의 전체 작동을 제어하는 컨트롤러에 통합 구성될 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 박막 부품 제조장치는 다음과 같이 작동한다.

상기 진공유닛(11)의 컨트롤러(11c)에 의해 진공펌프(11b)가 작동하여 금형(10)의 캐비티(10c) 내부에 진공이 형성된다. 그리고, 가스펌프(7a)가 동작하여 도가니(4) 내부로 아르곤 또는 질소 가스가 공급된다. 이에 따라 상기 도가니(4) 내부의 용융 금속이 가스 압력에 의해 슬리브(3)를 따라 유동하여 금형(10)의 캐비티(10c) 내부로 공급된다.

이 때, 전자교반기(1)에 의해 슬리브(3)의 주변에 자기장이 형성되어 용융 금속의 결정립 제어가 이루어지게 된다.

상기 금형(10)의 캐비티(10c) 내부로 공급된 용융 금속은 캐비티(10c)의 형태와 대응하는 박막 부품 형태로 성형된다. 상기 금형(10)에 용융 금속이 공급되어 성형될 때, 상기 금형(10)의 캐비티(10c)는 진공 상태에 있으므로 고속으로 용융 금속을 금형(10)에 주입할 수 있다.

상기와 같이 도가니(4)의 용융 금속을 금형(10)으로 공급하는 과정에서 슬리브(3)의 온도를 감지하여 슬리브(3)의 온도가 설정 온도 이상이 되면, 냉각펌프(16a)가 동작하여 내측 슬리브관(3b)의 냉각유로(3d)로 냉각유체가 공급되어 슬리브(3)를 냉각시켜 슬리브(3)를 통해 유동하는 용융 금속의 온도가 일정하게 유지된다.

물론 슬리브(3)를 통해 유동하는 용융 금속의 온도를 높일 필요가 있을 경우에는 히팅유닛(2)을 작동시켜 슬리브(3)를 가열하여 용융 금속의 온도를 상승시키면 된다.

이처럼 본 발명의 박막 부품 제조장치는 슬리브(3)의 온도 제어를 통해 슬리브(3)를 통해 공급되는 용융 금속의 온도를 원하는 온도로 제어하여 금형(10)에 공급할 수 있으므로 금형(10)에서 성형되는 제품의 품질을 향상시킬 수 있는 이점을 제공한다.

한편 전술한 실시예에서 상기 슬리브(3)는 일자형으로 이루어졌지만, 도 10에 다른 실시예로 도시된 것과 같이 슬리브(3)가 'ㄱ'자로 절곡된 형태를 가질 수 있다. 물론 이 경우에도 상기 슬리브(3)는 세라믹 재질의 내측 슬리브관(3b)과 비자성체의 외측 슬리브관(3a)의 2중관 구조를 가지며, 외측 슬리브관(3a)에는 내측 슬리브관(3b)으로 연통되는 홈(3c)이 형성된 구조를 갖는다.

이와 같이 슬리브(3)가 'ㄱ'자 형태로 절곡된 경우, 전자교반기(1)는 도 10에 도시한 것처럼 슬리브(3)의 수평한 부분에만 설치될 수도 있지만, 도 11에 도시한 것처럼 전자교반기(1)가 슬리브(3)의 수평한 부분과 수직한 부분 모두에 설치될 수도 있다.

전술한 것과 같이 본 발명의 박막 부품 제조장치는 슬리브(3)가 세라믹 재질의 내측 슬리브관(3b)과 비자성체의 외측 슬리브관(3a)의 2중관 구조를 가지며, 외측 슬리브관(3a)에는 내측 슬리브관(3b)으로 연통되는 홈(3c)이 형성된 구조를 가짐으로 해서 용융 금속의 유동성이 향상되고 소착방지 효과를 얻을 수 있음과 더불어 전자교반기(1)에 의해 생성된 자기장의 자속 밀도의 저하를 방지할 수 있는 이점을 갖고 있다.

이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

1:전자교반기 2:히팅장치
3:슬리브 3a:슬리브관
3b:세라믹파이프 3c : 홈
3d : 냉각유로 4:도가니
5:용탕토출구 6:진공실링
7:가스투입구 8:보온로
9:캐스터 10:금형
10a:하부금형 10b:상부금형
10c : 캐비티 11:진공유닛
11a:진공밸브 11b:진공펌프
11c:컨트롤러 12:유압실린더
13:프레임 14:이송플레이트
15:상부플레이트 16a : 냉각펌프

Claims (8)

1. 제조하고자 하는 박막 부품과 대응하는 형태의 캐비티를 구비한 금형(10)과;
   상기 금형(10)으로 공급될 용융 금속이 저장되는 도가니(4)와;
   일단이 상기 도가니(4)와 연결되고 타단이 상기 금형(10)으로 연결되어 도가니(4)로부터 금형(10)으로 소재를 공급하며, 세라믹 재질의 내측 슬리브관(3b)과, 상기 내측 슬리브관(3b)의 외면을 둘러싸며 상기 내측 슬리브관(3b)의 외면으로 연통되는 홈(3c)이 형성되어 있는 비자성체 재질의 외측 슬리브관(3a)으로 이루어진 슬리브(3)와;
   상기 슬리브(3)의 외측에 설치되어 외부에서 인가되는 전원에 의해 자기장을 형성하여 상기 슬리브(3)를 통해 금형(10)으로 공급되는 용융 금속의 결정립을 제어하는 전자교반기(1)를 포함하며;
   상기 외측 슬리브관(3a)의 홈(3c)은 외측 슬리브관(3a)의 원주방향을 따라 연장된 곡선형의 띠 형태로 형성된 것, 외측 슬리브관(3a)에 축방향을 따라 나선형으로 연장된 띠 형태로 형성된 것, 외측 슬리브관(3a)의 축방향을 따라 연장된 띠 형태로 형성된 것, 원형 또는 다각형의 구멍 형태를 갖는 것 중 어느 하나로 된 것을 특징으로 하는 전자 교반을 이용한 액상 또는 레오로지 소재의 박막 부품 제조장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 내측 슬리브관(3b)의 내부를 따라 냉각을 위한 유체가 유동하는 냉각유로(3d)가 형성된 것을 특징으로 하는 전자 교반을 이용한 액상 또는 레오로지 소재의 박막 부품 제조장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 냉각유로(3d)에 냉각유체를 공급하는 냉각유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 교반을 이용한 액상 또는 레오로지 소재의 박막 부품 제조장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 슬리브(3)는 'ㄱ'자로 절곡되게 형성된 것을 특징으로 하는 전자 교반을 이용한 액상 또는 레오로지 소재의 박막 부품 제조장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 전자교반기(1)는 슬리브(3)의 수직한 부분과 수평한 부분 모두에 설치된 것을 특징으로 하는 전자 교반을 이용한 액상 또는 레오로지 소재의 박막 부품 제조장치.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서, 상기 슬리브(3)와 전자교반기(1) 사이에서 슬리브(3)의 외면을 둘러싸도록 설치되어 슬리브(3)를 가열하는 히팅유닛(2)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 교반을 이용한 액상 또는 레오로지 소재의 박막 부품 제조장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 금형(10)의 캐비티(10c) 내에 진공을 형성하는 진공유닛(11)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 교반을 이용한 액상 또는 레오로지 소재의 박막 부품 제조장치.
   

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