KR101467978B1 - 3차원프린터에 의해 제조된 금형을 이용한 분말사출성형장치 및 그에 의한 분말사출성형방법 - Google Patents

3차원프린터에 의해 제조된 금형을 이용한 분말사출성형장치 및 그에 의한 분말사출성형방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분말사출성형(PIM) 장치와 현재 신기술로 주목받고 있는 3D 프린팅 기술의 접목을 통하여 사출성형장치로 다양한 부품의 쾌속생산을 가능하도록 하는 분말사출성형장치를 제시한다. 이를 위해, 본 발명은 좌우 이동 및 회전이 가능한 금형고정판을 이용하여 분말사출을 수행함이 특징이다. 금형 고정판이 수평상태가 되도록 하여, 생산할 제품의 금형을 직접 금형고정판위에 프린팅되도록 하고, 이를 직각 회전 및 사출구 쪽으로 전진하여 사출성형을 하도록 한다. 많은 양의 부품을 생산한 후 다른 제품을 동일 사출기로 생산시, 다시 금형을 후진하고 수평상태로 회전하여 기존의 금형제거 및 새로운 제품의 금형을 3D 프린팅하고 사출위치로 이동 및 대량생산을 하도록 한다. 이러한 금형-분말사출성형장치를 통해 별다른 금형가공이나 교체작업을 위한 인력의 투입 없이 짧은 시간에 다양한 대량생산 할 수 있도록 하는 다품종-대량생산장치가 제시된다.

Description

3차원프린터에 의해 제조된 금형을 이용한 분말사출성형장치 및 그에 의한 분말사출성형방법{Powder injection mold and method of injedtion molding therof}
본 발명은 분말사출성형 장치와 3차원 프린팅 기술을 접목하여 사출성형장치로부터 다양한 부품을 신속히 생산할 수 있는 금형 분말사출성형장치에 대한 것이다.
본 발명은 분말사출성형 장치로 다양한 형상을 가진 부품을 쾌속 생산하기 위하여, 분말사출성형기술의 금형장치의 일부를 변형 및 개발을 하여 다양한 제품을 단 시간내에 제조할 수 있는 새로운 다품종 대량생산용 분말사출성형 제조장치에 대한 것이다. 플라스틱 사출성형기술과 분말공정을 결합한 분말사출성형(Powder Injection Molding)기술은 복잡한 형상의 금속 및 세라믹 부품을 대량 생산하기 위한 양산기술로 자리매김 하고 있다.
PIM 기술은 크게 피드스탁을 준비하는 단계와 사출성형을 하는 단계그리고 후처리를 위해 탈지와 소결을 하는 단계로 이루어진다. 첫 번째 단계인 피드스탁을 준비하는 단계에서는 금속 또는 세라믹 분말을 고분자(Polymer), 왁스(Wax)와 같은 유기 바인더(Binder)와 혼합(Mixing)하여 피드스탁(Feedstock)을 제조한다. 두 번째 단계인 사출성형(Injection Molding)하는 단계에서는 금속이나 세라믹 분말과 유기바인더가 결합된 피드스탁을 고온에서 원하는 부품의 금형에 사출성형을 한다.
세 번째 단계인 탈지와 소결단계에서는 열을 이용하여 금속이나 세라믹 분말만 남기고 유기바인더를 제거하는 탈지(Debinding)와 기계적 강도를 갖도록 하는 치밀화(Densification) 과정인 소결(Sintering)을 한다.
본 발명은, 이 세 단계중 두 번째 단계인 사출성형 단계에서 한가지의 금형이 아닌, 보다 다양한 금형을 사출성형기기에서 직접 형성하고, 바로 사출성형이 가능하도록 하는 일련의 장치를 개발한다. 3D(3차원) 프린팅 기술은 최근 미국에서 핵심 기술로 인정받으며, 제조업의 새로운 패러다임을 주도한다고 언론에 공개된 기술이다. 기존의 3D(3차원) 프린팅 기술은 주로 폴리머 계열의 재료만 사용할 수 있고, 개발하고자 하는 제품의 프로토타입 등을 생산하는데에 활용되어 왔다. 그러나 최근 폴리머 뿐만 아니라, 세라믹이나 금속등의 다양한 소재를 3D(3차원) 프린팅 기술로 제조할 수 있도록 개발되었다. 금속이나 세라믹 3D(3차원) 프린팅 기술은 금속 분말과 레이저 소결법(Laser Sintering)을 사용하여 분말을 한층씩 쌓고, 레이저로 소결, 다시 쌓고 레이저로 소결하는 반복적인 작업을 통한 생산 기술이다.
없음.
본 발명은 3D(3차원) 프린팅의 기술과 기존 분말사출성형의 기술을 접목하여 다양한 품종을 대량생산할 수 있는 금형-분말사출성형장치를 개발하기 위해 안출 된 것으로서, 본 발명의 목적은, 1) 분말사출성형의 금형 제작및 교체작업의 까다로운 문제를 해결하며, 2) 사출성형장치의 금형을 기기자체가 제작하는 방법을 제공하고, 3) 이를 통해 다양한 품종을 빠른 속도로 생산을 요구하는 산업에 활용 가능한 새로운 형태의 분말사출성형장치를 통한 다품종 대량생산장치를 개발하는 데에 있다.
상기 목적들은 다음의 본 발명의 구성에 의하여 달성될 수 있다.
제작하고자 하는 제품에 대하여 디자인하고, 금형제작을 위하여 제품의음각을 그래픽으로 계산하여 음각몰드(3차원) 형상을 도출하는 단계(s100);
분말사출성형장치(300)에 사출측플레이트(205)를 장착하고, 사출물질을 피스스탁(355)에 인입하는 단계(s200);
회전축(210)을 중심으로 금형고정판(200) 위에 3차원 프린팅이 가능하도록 3D(3차원) 프린트 헤드를 설치하는 단계(s300);
3D(3차원) 프린터가 상기 금형고정판(210) 위에 프린팅함으로써, 제품 금형(150)이 제조되는 단계(s400);
프린트된 금형(150)을 사출측플레이트(205)에 접촉시키면서 장착하는 단계(s500);
분말사출성형장치에 의하여 제품을 생산하는 단계(s600);를 포함한다.
본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:
즉 본 발명은 사출성형장치의 금형제작 및 설치의 어려움을 해결하기 위해 사출기 자체가 3D(3차원) 프린팅을 통해 금형을 제작할 수 있도록 하였으며, 이러한 전략은 종래에 채택된 바 없다. 또한, 금형의 재료를 3D(3차원) 프린터의 다양한 재료(금속, 세라믹, 플라스틱)을 사용하여, 다양한 특성을 갖는 금형 제작 및 사출성형을 통한 새로운 부품의 대량생산을 가능하게 한다.
본 발명에 따르면, 다품종 소량생산과 소품종 대량생산의 벽을 넘어선 다품종 대량생산을 가능하도록 분말사출성형기술의 기술적 진보를 이룰 수 있다.
도 1은 본 발명의 금형장치에 의한 사출성형 순서를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 회전 및 병행운동 가능한 금형고정판(turnalble plate)의 움직임 및 사출성형기와의 결합 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 분말사출에 사용되는 금속분말(17-4PH stainless powder)의 예시를 도시한 것이다.
이하 본 발명의 실시예를 설명한다. 다만 본 발명의 권리범위는 특허청구범위와 균등한 범주로 파악되어야 한다.
본 발명은 기존의 분말사출성형시 필요한 장시간의 금형 제작의 가공시간 및 설치의 어려움과 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 발명이 개발되었다.
도 1은 본 발명의 금형장치에 의한 사출성형 순서를 도시한 것이고 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 회전 및 병행운동 가능한 금형고정판(turnalble plate)의 움직임 및 사출성형기와의 결합 상태를 설명하기 위한 도면이며 도 3은 분말사출에 사용되는 금속분말(17-4PH stainless powder)의 예시를 도시한 것이다.
본 발명에 의한 분말사출성형 단계를 요약하면 다음과 같다.
제작하고자 하는 제품에 대하여 디자인하고, 금형제작을 위하여 제품의음각을 그래픽으로 계산하여 음각몰드(3차원) 형상을 도출하는 단계(s100);
분말사출성형장치(300)에 사출측플레이트(205)를 장착하고, 사출물질을 피스스탁(355)에 인입하는 단계(s200);
회전축(210)을 중심으로 금형고정판(200) 위에 3D(3차원) 프린팅이 가능하도록 3D(3차원) 프린트 헤드를 설치하는 단계(s300);
3D(3차원) 프린터가 상기 금형고정판(200) 위에 프린팅함으로써, 제품 금형(150)이 제조되는 단계(s400);
프린트된 금형(150)을 사출측플레이트(205)에 접촉시키면서 장착하는 단계(s500);
분말사출성형장치에 의하여 제품을 생산하는 단계(s600);를 포함한다.
s100 단계에서는 제작하고자 하는 제품의 모양을 CAD 혹은 솔리드웍스와 같은 상용프로그램을 통해 디자인하거나 3D(3차원) 스캐너를 통해 스캐닝하여 제품의 3차원 형상을 얻을 수 있다.
s200단계에서는 분말사출성형장치(300)에 사출측플레이트(205)를 장착하고, 사출물질을 피스스탁(355)에 인입하는 단계인데, 사출측플레이트(205)는 도 2에서와 같이 수직으로 장착되어, 금형고정판(200)과는 달리 회전 혹은 병진운동을 할 필요는 없다.
s300, s400 단계에서는 회전축(210)을 중심으로 금형고정판(200) 위에 3D(3차원) 프린팅이 가능하도록 3D(3차원) 프린트 헤드(100)를 설치하는 단계(s300)로서, 프린트헤드는 금형고정판(200)의 중심 위치 상부에 배치되고, 전후 좌우로 움직이면서 금형으로 제작될 물질을 토출하게 된다.
최종생산될 제품에 대한 음각몰드에 해당하는 것이 금형이며, 이러한 금형을 금형고정판(200) 위에 실제 프린팅하는 과정에 사용되는 음각몰드(금형, 150) 재료로는 세라믹, 탄소강, 합금강 등이 사용될 수 있다.
s500 단계에서는 프린트된 금형(150)을 사출측플레이트(205)에 접촉시키면서 장착하게 된다.
금형고정판(200)에는 금형고정판을 회전시키기 위한 회전축(210)이 형성되어 있다. 이러한 회전축은 모터 수단(미도시)에 의하여 회전되며, 회전축을 중심으로 금형고정판을 회전(R 방향)시킬 수 있다.
또한 금형고정판을 병진운동시킬 수단(미도시)이 더 필요하다. 이러한 금형고정판 이송수단은 금형고정판의 전후좌우 운동을 담당하게 되며, 통상적인 기어장치를 이용한 이송장치를 이용할 수 있으므로 상세한 설명을 생략한다.
상기와 같은 금형고정판(200) 및 그 상부의 금형(150)을, 회전수단과 이송수단을 이용하여, 분말사출성형장치에 장착되어 있는 사출측플레이트(205) 일측에 금형(150)이 접촉되도록 장착한다. 이송수단과 회전수단은 모터를 이용하는 것이 바람직하지만 수동조작용 기구를 사용하는 것을 배제하지 아니한다.
도 2에서는 금형고정판(200)을 회전하면서 이동시키는 순서가 A 내지 D 단계로 도시되어 있다.
금형고정판 회전중에는 그 상부에 안착되어 있는 금형(150)이 낙하하지 않도록 소정의 금형고정수단(미도시)을 사용하여야 할 것이다.
도 2의 (D)단계를 살펴보면 금형고정판(200)과 금형(150)은 사출측 플레이트(205)와 대면한 위치에 있다. 금형(150)의 상부면은 사출측 플레이트(205) 의 사출구(340)로부터 흘러나올 사출물질(358)을 가두어 둘 부분에 해당한다.
기존의 분말사출성형에서는 금형을 고정하는 금형고정판이 수평으로만 이동이 가능했었고, 금형고정판은 단지 금형을 고정하는 역할만을 수행하였다. 그러나 본 발명에서의 금형고정판은 금형(150)이 3D(3차원) 프린트에 의하여 프린팅되어 나올 때 금형지지판의 역할을 수행하면서, 또한 위치이동을 하여, 분말사출성형장치(300) 측의 사출측플레이트(205)와 대면하면서 금형을 고정시키는 역할을 동시에 수행한다.
s600단계는 분말사출성형장치에 의하여 제품을 생산하는 단계로서, 이 단계에서는 분말사출성형장치(300)에 의하여 소정의 온도조건 및 사출물질 인출속도조건 등을 고려하여 사출을 행하는 단계이다. 이 단계는 통상의 분말사출성형공정으로서 상세한 설명을 생략한다.
만약 제품의 디자인을 변경할 경우, 변경할 제품의 디자인을 사출기에 입력하고, 사출기가 직접 금형고정판위에 금형을 프린트 및 사출구로 배치하여 대량 생산하는 단계를 포함한다.
도 2에서와 같이, 사출물질로서는 수나노~수마이크로 사이즈의 금속 또는 세라믹 분말이 사용된다. 이는 분말사출성형에서 통상의 기술을 적용하는 단계로서, 제품의 종류에 따라 추가적인 탈지(Debinding)와 소결(Sintering)의 단계가 필요하며, 이는 대규모의 탈지로, 소결로를 활용하여 많은 양의 제품을 한꺼번에 처리할 수 있도록 할 수 있다.
이상의 예에서는 기존의 분말사출성형 장치의 금형을 수작업으로 제작 및 탈-착하던 번거로움을 대체할 수 있는 금형-분말사출성형장치 개발을 구체적으로 설명하였다. 자동금형제작을 위해 3D(3차원) 프린트 헤드를 사출성형장치와 접목하였고, 금형고정판 움직임에 회전을 추가하여 임의로 금형을 수정하고 사출성형이 가능하도록 하였다.
본 발명이 상기 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 도시되지는 않았지만 금형고정판이 위아래로 회전하도록 구성한 것을 레일위에서 좌우로 움직이도록 하고, 사출구의 왼쪽이나 오른쪽에 3D(3차원) 프린트 헤드를 장착하여 금형고정판이 레일위에서 왼쪽, 오른쪽으로 움직이며 금형프린트와 사출을 하는 등의 구성방법도 적용할 수 있다.
100:3D(3차원) 프린트헤드 150:금형
200:금형고정판 205:사출측플레이트
210:회전축 300:분말사출성형장치
340:사출구 350:피드스탁입구 358:사출물질

Claims (5)

  1. 제작하고자 하는 제품에 대하여 디자인하고, 금형제작을 위하여 제품의음각을 그래픽으로 계산하여 음각몰드(3차원) 형상을 도출하는 단계(s100);
    분말사출성형장치(300)에 사출측플레이트(205)를 장착하고, 사출물질을 피스스탁(355)에 인입하는 단계(s200);
    회전축(210)을 중심으로 금형고정판(200) 위에 3차원프린트를 이용하여 프린팅이 가능하도록 3D(3차원) 프린트 헤드를 설치하는 단계(s300);
    3D(3차원) 프린터가 상기 금형고정판(200) 위에 프린팅함으로써, 제품 금형(150)이 제조되는 단계(s400);
    프린트된 금형(150)을 사출측플레이트(205)에 접촉시키면서 장착하는 단계(s500);를 포함하는
    3차원프린터에 의해 제조된 금형을 이용한 분말사출성형방법.
  2. 제작하고자 하는 제품에 대하여 디자인하고, 금형제작을 위하여 제품의 음각을 그래픽으로 계산하여 음각몰드(3차원) 형상을 도출하는 단계(s100);
    분말사출성형장치(300)에 사출측플레이트(205)를 장착하고, 사출물질을 피스스탁(355)에 인입하는 단계(s200);
    회전축(210)을 중심으로 금형고정판(200) 위에 3차원프린트를 이용하여 프린팅이 가능하도록 3D(3차원) 프린트 헤드 설치 및 프린트헤드 하부에 금형고정판(200)을 설치하는 단계(s300);
    3D(3차원) 프린터가 상기 금형고정판(200) 위에 프린팅함으로써, 제품 금형(150)이 제조되는 단계(s400);
    프린트된 금형(150)을 사출측플레이트(205)쪽으로 이동시키면서, 사출측플레이트와 장착하는 단계(s500);를 포함하는 3차원프린터에 의해 제조된 금형을 이용한 분말사출성형방법에 있어서,
    s500단계에서의 금형의 이동은,
    3차원 프린트 장치에 형성되는 프린트헤드(100)의 직하부에 형성되어 프린트헤드로부터 인출되는 금형용 재료를 지지하는 판상의 금형고정판(200);
    상기 금형고정판을 회전하기 위한 회전수단;
    상기 금형고정판을 병진운동 시키기 위한 이송수단;을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는
    3차원프린터에 의해 제조된 금형을 이용한 분말사출성형방법.
  3. 3차원 프린트 장치에 형성되는 프린트헤드(100)의 직하부에 형성되어 프린트헤드로부터 인출되는 금형용 재료를 지지하는 판상의 금형고정판(200);
    상기 금형고정판을 회전하기 위한 회전수단;
    상기 금형고정판을 병진운동 시키기 위한 이송수단을 포함하는
    3차원프린트에 의해 제조되는 금형을 이용한 분말사출성형기의 이송장치.
  4. 제작하고자 하는 제품에 대하여 디자인하고, 금형제작을 위하여 제품의음각을 그래픽으로 계산하여 음각몰드(3차원) 형상을 도출하는 단계(s100); 분말사출성형장치(300)에 사출측플레이트(205)를 장착하고, 사출물질을 피스스탁(355)에 인입하는 단계(s200); 회전축(210)을 중심으로 금형고정판(200) 위에 3D(3차원) 프린팅이 가능하도록 3D(3차원) 프린트 헤드를 설치하는 단계(s300); 3D(3차원) 프린터가 상기 금형고정판(200) 위에 프린팅함으로써, 제품 금형(150)이 제조되는 단계(s400); 프린트된 금형(150)을 사출측플레이트(205)에 접촉시키면서 장착하여, 금형이 사출측플레이트와 금형고정판(200) 사이에 고정되도록 하는 단계(s500); 분말사출성형장치에 의하여 제품을 생산하는 단계(s600);를 포함하되,

    s300, s400 단계에서는 회전축(210)을 중심으로 금형고정판(200) 위에 3D(3차원) 프린팅이 가능하도록 3D(3차원) 프린트 헤드(100)를 설치하는 단계(s300)로서, 프린트헤드는 금형고정판(200)의 중심 위치 상부에 배치되고, 전후 좌우로 움직이면서 금형으로 제작될 물질을 토출하며, 금형 재료로는 세라믹 또는 탄소강 또는 합금강 중 어느 하나인 3차원프린터에 의해 제조된 금형을 이용한 분말사출성형방법.
  5. 분말사출성형방법에 의하여 제조된 제품에 있어서
    상기 청구항 1 , 청구항 2, 청구항 4 중 어느 한 항에 의하여 제조되는
    분말사출성형방법에 의하여 제조되는 제품.
KR1020130097781A 2013-08-19 2013-08-19 3차원프린터에 의해 제조된 금형을 이용한 분말사출성형장치 및 그에 의한 분말사출성형방법 KR101467978B1 (ko)

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