KR101827265B1 - Dual ceramic mold using 3d printing and method for manufacturing metal product using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a dual ceramic mold using 3D printing, and a method to manufacture a metal product using the same. According to the present invention, the dual ceramic mold comprises: a three-dimensional ceramic mold; and a metal-casting frame. The metal casting frame is made of normal refractory materials with high strength. The present invention is able to precisely manufacture the three-dimensional ceramic mold with high strength using 3D printing and to manufacture a metal product with a hollow part in the same shape as that of the three-dimensional ceramic mold through a solvent extraction process. According to the present invention, the method to manufacture the metal product comprises: (a) a step of manufacturing the three-dimensional ceramic mold from ceramic powder by using 3D printing; (b) a step of placing the three-dimensional ceramic mold in an internal space of the metal-casting frame to inject molten metal into the internal space of the metal-casting frame and to cool the molten metal; and (c) a step of separating the cooled metal from the metal-casting frame to put the metal including the three-dimensional ceramic metal into alkaline solution and to solvent-extract the three-dimensional ceramic mold. A surface of the three-dimensional ceramic mold is treated with a mineral ceramic composition.

Description

3D 프린팅을 이용한 이중 세라믹 금형 및 이를 이용한 금속 제품의 제조 방법{DUAL CERAMIC MOLD USING 3D PRINTING AND METHOD FOR MANUFACTURING METAL PRODUCT USING THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a double ceramic mold using 3D printing, and a method of manufacturing a metal product using the same. BACKGROUND ART [0002]
본 발명은 이중 세라믹 금형을 이용한 금속 제품을 제조하는 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3D 프린팅을 이용하여 제조된 이중 세라믹 금형 및 이를 이용한 금속 제품의 제조 방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technique for manufacturing a metal product using a dual ceramic mold, and more particularly, to a dual ceramic mold manufactured using 3D printing and a method for manufacturing a metal product using the same.
금형은 합성 수지, 금속 등의 제품을 원하는 형상으로 제조하기 위한 것으로, 금형의 주입홀을 통해 수지나 용융된 금속을 주입하여 금형의 형상에 맞게 제품을 제조한다. 이러한 금형은 예를 들어, 플라스틱 사출용 금형, 프레스 금형 등이 있으며, 금속소재를 기계 가공하여 금형을 제조하게 된다. The mold is used to produce products such as synthetic resin and metal in a desired shape. The metal is injected through the injection hole of the mold to manufacture the product according to the shape of the mold. Such a mold includes, for example, a plastic injection mold, a press mold, and the like, and a metallic material is machined to produce a mold.
그러나, 금속소재를 기계 가공하여 금형을 제조하는 경우 시간이 많이 소요되고 복잡한 형상의 금형을 제조하는데 한계가 있다. 또한, 치수가 맞지 않게 금형이 제조되는 경우에는 처음부터 다시 기계 가공하여 제작하므로 작업성 및 생산성이 저하되는 문제점이 있다. However, when a metal material is machined to manufacture a metal mold, it is time-consuming and has a limitation in manufacturing a metal mold having a complicated shape. In addition, when the mold is manufactured so that the dimensions do not match, there is a problem that workability and productivity are deteriorated because it is manufactured by machining from the beginning.
최근에는 작업성 및 금형의 강도 향상을 위해, 3D 프린팅 기술이 금형 제조 방법에 적용되고 있다. 3D 프린팅은 제품의 데이터를 저장한 컴퓨터를 이용하여 3차원 입체 형상의 제품을 제작하는 기술로, 기존의 금형을 깎아서 가공하는 방식이 아닌 한 층씩 쌓아가는 방식이다. 3D 프린팅은 제품의 제작 비용 및 시간이 절감되고, 맞춤형 제작이 용이한 장점이 있으며, 항공산업과 의료분야 부품 제작 등에 이용되고 있다.Recently, in order to improve the workability and the strength of the mold, 3D printing technology has been applied to a mold manufacturing method. 3D printing is a technology to produce products with three-dimensional shape using a computer that stores product data. It is a method of stacking layers instead of machining existing molds. 3D printing has advantages such as reduced production cost and time, easy customization, and is used in aerospace and medical parts production.
한편, 제품의 정밀성 및 작업성을 향상시키기 위해, 3D 프린팅 기술을 이용하여 금형 제품을 제조하고 있으나, 이는 수십~수백 ㎛의 치수정밀도가 요구되는 고정밀 금형 제품, 내부에 입체형상이 형성된 금속 제품 등을 제조하는데 한계가 있다. Meanwhile, in order to improve precision and workability of a product, a mold product is manufactured using 3D printing technology. However, it is difficult to manufacture a high-precision mold product requiring dimensional accuracy of several tens to several hundreds of micrometers, a metal product having a three- There is a limit in manufacturing.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제 10-2015-0106829호(2015.09.22. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 3차원 성형물 제조모듈 및 3차원 성형물의 몰드 제조 장치, 그리고 이를 이용한 3차원 성형물 제조 방법, 3차원 성형물의 몰드 및 금형 제조 방법이 개시되어 있다. As a background art related to the present invention, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2015-0106829 (published on May 22, 2015) discloses a three-dimensional molded product manufacturing module and a three- A method of manufacturing a three-dimensional molding, and a method of manufacturing a mold.
본 발명의 목적은 3D 프린팅을 이용한 이중 세라믹 금형을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a dual ceramic mold using 3D printing.
본 발명의 다른 목적은 상기 이중 세라믹 금형을 이용하여 중공이 형성된 금속 제품을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a hollow metal product using the above-described dual ceramic mold.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 세라믹 금형과 동일한 형상을 갖는 중공이 형성된 금속 제품의 제조 방법에 있어서, (a) 3D 프린팅을 이용하여 세라믹 분말로부터 3차원 세라믹 금형을 제조하는 단계; (b) 금속 주조용 틀 내부 공간에 상기 3차원 세라믹 금형을 배치한 후, 상기 금속 주조용 틀 내부 공간에 용융된 금속을 주입하고 냉각시키는 단계; 및 (c) 냉각된 금속을 금속 주조용 틀로부터 분리한 후, 상기 3차원 세라믹 금형이 포함된 금속을 알칼리 용액 (alkaline solution)에 투입하여 상기 3차원 세라믹 금형을 용매 추출하는 단계;를 포함하고, 상기 3차원 세라믹 금형은 무기질 세라믹 조성물로 표면 처리되는 것을 특징으로 한다. In order to accomplish the above object, there is provided a method of manufacturing a hollow metal product having the same shape as a three-dimensional ceramic mold according to the present invention, comprising the steps of: (a) preparing a three- dimensional ceramic mold from ceramic powder using 3D printing; step; (b) placing the three-dimensional ceramic mold in an inner space of the metal casting mold, and then injecting molten metal into the inner space of the metal casting mold for cooling; And (c) separating the cooled metal from the mold for metal casting, and then introducing the metal containing the three-dimensional ceramic mold into an alkaline solution to solvent-extract the three-dimensional ceramic mold , And the three-dimensional ceramic mold is surface-treated with an inorganic ceramic composition.
상기 세라믹 분말의 재질은 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 산화크롬(Cr2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화철(FeO), 산화주석(SnO2), 이산화타이타늄(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 산화탄탈륨(Ta2O5), 루테늄산화물(RuO2) 및 란탄족 산화물 중 1종 이상을 포함할 수 있다.The material of the ceramic powder is silica (SiO 2), alumina (Al 2 O 3), chromium oxide (Cr 2 O 3), magnesium oxide (MgO), calcium oxide (CaO), iron oxide (FeO), tin oxide (SnO 2 ), titanium dioxide (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), ruthenium oxide (RuO 2 ) and lanthanide oxide have.
상기 알칼리 용액은 증류수와 수산화나트륨(NaOH)을 포함하되, 상기 증류수와 수산화나트륨 100중량%에 대하여, 상기 수산화나트륨은 30~50중량%로 포함될 수 있다.The alkali solution includes distilled water and sodium hydroxide (NaOH), and the sodium hydroxide may be contained in an amount of 30 to 50 wt% based on 100 wt% of the distilled water and sodium hydroxide.
상기 (c) 단계 이후에, (d) 상기 금속 내부에 상기 알칼리 용액을 투입하여 금속 내부로부터 상기 3차원 세라믹 금형을 완전히 용매 추출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
After step (c), (d) completely injecting the alkali solution into the metal to completely extract the three-dimensional ceramic mold from the inside of the metal.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 중공이 형성된 금속 제품을 제조하기 위한 이중 세라믹 금형에 있어서, 상기 이중 세라믹 금형은 금속 주조용 틀 및 상기 틀 내부 공간에 배치된 3차원 세라믹 금형을 포함하고, 상기 3차원 세라믹 금형은 세라믹 분말을 포함하는 분말 혼합체로부터 3D 프린팅을 이용하여 제조되고, 상기 3차원 세라믹 금형은 무기질 세라믹 조성물로 표면 처리되는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, A dual ceramic mold for manufacturing a hollow metal product, the double ceramic mold comprising a metal casting mold and a three-dimensional ceramic mold disposed in the cavity, wherein the three-dimensional ceramic mold includes a ceramic powder Wherein the three-dimensional ceramic mold is surface-treated with an inorganic ceramic composition.
상기 세라믹 분말의 재질은 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 산화크롬(Cr2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화철(FeO), 산화주석(SnO2), 이산화타이타늄(TiO2), 지르코니아(ZrO2) 및 산화하프늄(HfO2), 산화탄탈륨(Ta2O5), 루테늄산화물(RuO2) 및 란탄족 산화물 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
The material of the ceramic powder is silica (SiO 2), alumina (Al 2 O 3), chromium oxide (Cr 2 O 3), magnesium oxide (MgO), calcium oxide (CaO), iron oxide (FeO), tin oxide (SnO 2 ), titanium dioxide (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ) and hafnium oxide (HfO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), ruthenium oxide (RuO 2 ) and lanthanide oxide have.
본 발명에 따르면 이중 세라믹 금형을 이용하여 중공이 형성된 금속 제품을 제조할 수 있다. 특히, 3D 프린팅을 이용하여 고강도(High strength)를 갖는 3차원 세라믹 금형을 정밀 제조하고, 용매 추출 과정을 통해 3차원 세라믹 금형과 동일한 형상의 중공을 갖는 금속 제품을 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 3D 프린팅을 이용하여 3차원 세라믹 금형을 제조함으로써, 정밀성 및 생산성이 향상되는 효과가 있다.
According to the present invention, it is possible to produce a hollow metal product using a double ceramic mold. In particular, a 3D ceramic mold having a high strength can be precisely manufactured using 3D printing, and a metal product having the same shape as a three-dimensional ceramic mold can be manufactured through a solvent extraction process. In addition, in the present invention, precision and productivity are improved by manufacturing a three-dimensional ceramic mold using 3D printing.
도 1은 본 발명에 따른 중공이 형성된 금속 제품을 나타낸 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 금속 제품의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 이중 세라믹 금형을 이용하여 금속 제품을 제조하는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
1 is a side view of a hollow formed metal article in accordance with the present invention.
2 is a flowchart showing a method of manufacturing a metal product according to the present invention.
3 is a schematic view illustrating a process of manufacturing a metal product using the dual ceramic mold according to the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 이중 세라믹 금형 및 이를 이용한 금속 제품의 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
Hereinafter, a dual ceramic mold using 3D printing according to a preferred embodiment of the present invention and a method of manufacturing a metal product using the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 금속 제품의 제조 방법을 나타낸 순서도이다. 도 3은 본 발명에 따른 이중 세라믹 금형을 이용하여 금속 제품을 제조하는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다. 2 is a flowchart showing a method of manufacturing a metal product according to the present invention. 3 is a schematic view illustrating a process of manufacturing a metal product using the dual ceramic mold according to the present invention.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 금속 제품의 제조 방법은 3D 프린팅을 이용하여 3차원 세라믹 금형을 제조하는 단계(S110), 금속 주조용 틀 내부 공간에 3차원 세라믹 금형을 배치한 후, 용융된 금속을 주입하는 단계(S120) 및 3차원 세라믹 금형을 용매 추출하는 단계(S130)를 포함한다.
Referring to FIGS. 2 and 3, a method of manufacturing a metal product according to the present invention includes the steps of fabricating a three-dimensional ceramic mold using 3D printing (S110), arranging a three-dimensional ceramic mold A step S120 of injecting the molten metal, and a step S130 of solvent extraction of the three-dimensional ceramic mold.
3D 프린팅을 이용하여 3차원 세라믹 금형을 제조하는 단계(S110)A step of fabricating a three-dimensional ceramic mold using 3D printing (S110)
3D 프린팅을 이용하여 세라믹 분말로부터 3차원 세라믹 금형을 제조하며, 제조된 금형을 용매 추출 단계에서 알칼리 용액(alkaline solution)에 투입하면 세라믹 분말은 알칼리 용액에 용해되어 용매로 추출된다. 이러한 과정을 통해 3차원 세라믹 금형이 소실된다. A 3D ceramic mold is prepared from ceramic powder by using 3D printing. When the prepared mold is put into an alkaline solution in the solvent extraction step, the ceramic powder is dissolved in an alkali solution and extracted as a solvent. Through this process, the three-dimensional ceramic mold disappears.
상기 3차원 세라믹 금형은 이후에 용매 추출과정을 통해, 냉각된 금속으로부터 분리된다. 이때, 3차원 세라믹 금형을 금속으로부터 용이하게 분리하기 위해, 3차원 세라믹 금형 표면을 무기질 세라믹 조성물로 표면 처리하는 것이 바람직하다. 표면 처리는 대략 0.1~10㎛ 두께의 코팅층을 형성하는 것을 의미하며, 무기질 세라믹 조성물은 고온의 금속 용융액과 접촉 후에 냉각 과정을 통해 금속 제품이 제조되는 과정 중에 제거되지 않는 안정성이 요구된다. 이와 같은 무기질 세라믹 조성물은 알칼리 용액(alkaline solution)과 반응성이 우수하고, 주입되는 용융된 금속과는 반응성이 낮은 조성물일 수 있다. 표면 처리는 무기질 세라믹 조성물을 3차원 세라믹 금형 표면에 분사 및 도포하여 수행되거나, 3D 프린팅에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 무기질 세라믹 조성물은 티이오에스(TEOS, Tetraethylorthosilicate), 아연 아세테이트(Zinc acetate), 탄화붕소(B4C), 황화텅스텐(WS2, Tungsten Sulfide), 산화아연(ZnO, Zinc oxide), 티타늄옥사이드(TiO2, Titanium oxide), 보론나이트라이드(hBN, hexagonal Boron Nitride), CaF2, MgF2 등의 무기질 불화물, 실리카(Silica), 글리시돌(Glycidol), 에탄올(ethanol) 등을 포함할 수 있다.The three-dimensional ceramic mold is then separated from the cooled metal through a solvent extraction process. At this time, in order to easily separate the three-dimensional ceramic mold from the metal, it is preferable to surface-treat the surface of the three-dimensional ceramic mold with the inorganic ceramic composition. The surface treatment means forming a coating layer having a thickness of about 0.1 to 10 mu m, and the inorganic ceramic composition is required to have stability not to be removed during the process of manufacturing the metal product through the cooling process after contact with the hot metal melt. Such an inorganic ceramic composition may be a composition having a high reactivity with an alkaline solution and a low reactivity with a molten metal to be injected. The surface treatment may be performed by spraying and applying the inorganic ceramic composition onto the surface of the three-dimensional ceramic mold, or may be performed by 3D printing. For example, the inorganic ceramic composition may include a ceramic material selected from the group consisting of TEOS, tetraethylorthosilicate, zinc acetate, boron carbide (B 4 C), tungsten sulfide (WS 2 ), zinc oxide (ZnO) Inorganic fluorides such as titanium oxide (TiO 2 , Titanium oxide), hexagonal boron nitride (HBN), CaF 2 and MgF 2 , silica (Silica), glycidol, ethanol can do.
상기 세라믹 분말의 재질은 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 산화크롬(Cr2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화철(FeO), 산화주석(SnO2), 이산화타이타늄(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 산화탄탈륨(Ta2O5), 루테늄산화물(RuO2) 및 란탄족 산화물 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 이외에도 세라믹 분말의 재질은 일산화납(PbO), 산화아연(ZnO), 과산화스트론튬(SrO2), 산화비스무트(Bi2O3) 등과 같은 산화물계 세라믹 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 란탄족 산화물의 예로는 산화세륨(CeO2), 산화란타늄(La2O3) 등이 있다.The material of the ceramic powder is silica (SiO 2), alumina (Al 2 O 3), chromium oxide (Cr 2 O 3), magnesium oxide (MgO), calcium oxide (CaO), iron oxide (FeO), tin oxide (SnO 2 ), titanium dioxide (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), ruthenium oxide (RuO 2 ) and lanthanide oxide have. In addition, the material of the ceramic powder may include at least one of oxide ceramics such as lead monoxide (PbO), zinc oxide (ZnO), strontium peroxide (SrO 2 ), bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) Examples of lanthanide oxides include cerium oxide (CeO 2 ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), and the like.
상기 3D 프린팅은 층 쌓기(layer-by layer) 방식으로 계속 쌓아 올려 3차원 제품을 제작하는 기술로서, 이를 이용하여 복잡한 형상 및 미세한 크기의 3차원 세라믹 금형(10)을 제조할 수 있다. 3D 프린팅은 원료에 따라 액체, 파우더, 고체로 나뉘며, 레이저, 열, 빛 등의 소스를 기반으로 응고 및 적층하는 방식이 있다. The 3D printing is a technology for continuously forming a three-dimensional product by layer-by-layer deposition, and can produce a 3D ceramic mold 10 having a complicated shape and a fine size. 3D printing is classified into liquid, powder, and solid depending on the raw material, and there is a method of solidifying and laminating based on sources such as laser, heat, and light.
3D 프린팅 과정은 다음과 같이 수행될 수 있다. 먼저, 세라믹 분말을 공급릴을 통해 공급하고, 공급되는 세라믹 분말을 작업대에 대하여 용융시켜 배출한다. 배출은 XYZ 세가지 방향으로 위치 조절되는 3차원 이송기구에 장학된 노즐에서 수행된다. 상기 3차원 이송기구는 3차원 프로그램으로부터 산출된 경로에 따라 자유 이동하며, 프린팅 속도, 공급릴의 위치 등의 공정 변수들은 3차원 프로그램에 의해 실시간으로 제어될 수 있다. 배출에 의해 2차원 평면형태를 만들면서 작업대 상에 용융된 세라믹 분말이 한 층씩 적층되며, 3차원 형상의 제품을 제조할 수 있다.The 3D printing process can be performed as follows. First, the ceramic powder is supplied through a supply reel, and the ceramic powder to be supplied is melted and discharged to the work table. The ejection is carried out in a nozzle supervised by a three-dimensional transport mechanism which is positioned in three directions X, Y and Z. The three-dimensional transport mechanism is free to move along the path calculated from the three-dimensional program, and the process parameters such as the printing speed and the position of the supply reel can be controlled in real time by the three-dimensional program. By forming the two-dimensional planar shape by discharging, the molten ceramic powder is stacked on the working table one by one, and a three-dimensional product can be manufactured.
종래에는 금속소재를 주조법으로 제조하기 위해 금형을 제조하였으나, 이는 제조 수율 및 생산성이 저하되고, 정밀성 또한 우수하지 못한 단점이 있다. 본 발명에서는 3D 프린팅을 이용하여 3차원 세라믹 금형을 제조함으로써, 정밀성, 생산성 및 제조 수율을 향상시키는 효과가 있다.
Conventionally, a metal mold is manufactured for manufacturing a metal material by a casting method, but this has a disadvantage in that the production yield and productivity are lowered and the precision is not excellent. In the present invention, precision, productivity, and manufacturing yield are improved by manufacturing a three-dimensional ceramic mold using 3D printing.
금속 주조용 틀 내부 공간에 3차원 세라믹 금형을 배치한 후, 용융된 금속을 주입하는 단계(S120)A step (S120) of injecting the molten metal after disposing the three-dimensional ceramic mold in the inner space of the metal casting mold,
다음으로, 금속 주조용 틀(20)의 내부 공간에 상기 3차원 세라믹 금형(10)을 배치한 후, 상기 틀(20)의 내부 공간에 용융된 금속을 주입하고 냉각시킨다.Next, after placing the three-dimensional ceramic mold 10 in the inner space of the metal casting mold frame 20, molten metal is injected into the inner space of the mold frame 20 and cooled.
금속 주조용 틀(20)은 고강도(High strength)를 갖는 통상의 내화물(Refractory) 소재로 형성되며, 예를 들어 알루미나, 실리카 등을 주성분으로 하는 재질로 형성될 수 있다. 한편, 금속 주조용 틀(20) 내부 공간에는 용융된 금속이 주입되는데, 주입시 틀 형상의 무너짐을 방지하기 위해서는 틀(20)의 용융점이 용융된 금속의 용융점보다 적어도 120℃ 이상 높은 것이 바람직하다. 또한, 용융된 금속 주입시 상기 3차원 세라믹 금형(10)의 무너짐을 방지하기 위해서는 상기 3차원 세라믹 금형(10)의 용융점은 용융된 금속의 용융점보다 적어도 120℃ 이상 높은 것이 바람직하다. The metal casting mold frame 20 is formed of a normal refractory material having high strength and may be formed of a material mainly composed of alumina, silica, or the like, for example. The molten metal is injected into the inner space of the metal casting mold 20. To prevent the mold 20 from being crushed during injection, the melting point of the mold 20 is preferably at least 120 ° C. higher than the melting point of the molten metal . The melting point of the three-dimensional ceramic mold 10 is preferably at least 120 ° C higher than the melting point of the molten metal in order to prevent the three-dimensional ceramic mold 10 from being collapsed when the melted metal is injected.
상기 용융된 금속의 재질은 니켈(Ni)계 합금 또는 철(Fe)계 합금일 수 있으며, 이외에 크롬(Cr), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 납(Pb), 주석(Sn), 베릴륨(Be), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 이트륨(Y), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 레늄(Re), 루테늄(Ru), 로듐(Rh) 및 란탄계 희유금속(rare metal) 중 1종의 금속을 포함하거나, 1종 이상의 금속으로 이루어진 합금일 수도 있다. 상기 란탄계 희유금속에는 란타넘(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd) 등이 있다.The molten metal may be a nickel (Ni) alloy or an iron (Fe) alloy. In addition, the molten metal may be at least one selected from the group consisting of chromium (Cr), cobalt (Co), titanium (Ti), aluminum (Al) (Au), Ag, Pt, Pd, Mo, Mg, Zn, Pb, Sn, Ber, Of the rare metals of zirconium (Zr), tungsten (W), yttrium (Y), hafnium (Hf), tantalum (Ta), rhenium (Re), ruthenium (Ru), rhodium (Rh) Or may be an alloy of one or more metals. The lanthanum rare metals include lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), and neodymium (Nd).
상기 용융된 금속은 금속 주조용 틀(20)의 높이까지 주입될 수 있으며, 상기 용융된 금속은 점도 조절을 위해, 폴리비닐알코올, 폴리메타아크릴산 등의 바인더 및 에탄올, 톨루엔 등의 용매와 혼합될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The molten metal may be injected up to the height of the mold 20 for metal casting, and the molten metal may be mixed with a binder such as polyvinyl alcohol, polymethacrylic acid and the like and a solvent such as ethanol and toluene But is not limited thereto.
상기 냉각은 공랭식, 오일식 또는 수냉식으로 상온까지 급냉될 수 있다.
The cooling can be quenched to room temperature with air cooling, oil or water cooling.
3차원 세라믹 금형을 용매 추출하는 단계(S130)The solvent extraction of the three-dimensional ceramic mold (S130)
다음으로, 냉각된 금속을 금속 주조용 틀(20)로부터 분리한 후, 상기 3차원 세라믹 금형이 포함된 금속을 알칼리 용액(alkaline solution)에 투입하여 상기 3차원 세라믹 금형을 용매 추출한다. 냉각된 금속은 금속 주조용 틀(20)을 쪼개어 제거함으로써 분리된다. 분리된 금속을 알칼리 용액에 투입하여 세라믹 소재가 알칼리 용액에 용해됨으로써, 금속 제품 내부에 중공이 형성된다. 이후에, 상기 중공이 형성된 금속 내부에 상기 알칼리 용액을 투입하여 금속 내부로부터 상기 3차원 세라믹 금형을 완전히 용매 추출하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 세라믹 소재를 완전히 용해시킬 수 있으며, 복잡한 형상의 용매 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 이때, 3차원 세라믹 금형에서 표면 처리에 의해 형성된 코팅층 역시, 알칼리 용액에 용해된다.Next, after the cooled metal is separated from the mold casting mold 20, the metal containing the three-dimensional ceramic mold is injected into an alkaline solution to solvent-extract the three-dimensional ceramic mold. The cooled metal is separated by removing the metal casting mold frame 20. The separated metal is put into an alkali solution to dissolve the ceramic material in the alkali solution, thereby forming a hollow in the metal product. The method may further include the step of completely dissolving the three-dimensional ceramic mold from the inside of the metal by injecting the alkali solution into the hollow formed metal. As a result, the ceramic material can be completely dissolved and the solvent extraction efficiency of a complicated shape can be improved. At this time, the coating layer formed by the surface treatment in the three-dimensional ceramic mold is also dissolved in the alkali solution.
이후, 중공이 형성된 금속 제품을 증류수, 에탄올 등으로 세척한 후 건조시킬 수 있다. Thereafter, the hollow metal product may be washed with distilled water, ethanol, or the like, and then dried.
상기 알칼리 용액은 증류수와 수산화나트륨(NaOH)를 포함하며, 세라믹 소재가 용해되는 알칼리 용액이라면 제한 없이 선택될 수 있다. 상기 알칼리 용액에 수산화나트륨이 포함되는 경우, 상기 증류수와 수산화나트륨 100중량%에 대하여, 상기 수산화나트륨은 30~50중량%로 포함될 수 있다. 수산화나트륨이 30중량% 미만으로 포함되는 경우, 알칼리 용액에 대한 세라믹 소재의 용해성이 저하될 수 있다. 반대로, 50중량%를 초과할 경우, 용매 추출의 효과 없이 과다한 비용이 소요되어 바람직하지 못하다.The alkali solution includes distilled water and sodium hydroxide (NaOH), and can be selected without limitation as long as it is an alkali solution in which the ceramic material is dissolved. When sodium hydroxide is contained in the alkali solution, sodium hydroxide may be contained in an amount of 30 to 50% by weight based on 100% by weight of the distilled water and sodium hydroxide. If sodium hydroxide is contained in an amount of less than 30% by weight, the solubility of the ceramic material in the alkali solution may be lowered. On the other hand, if it exceeds 50% by weight, it is undesirable that an excessive cost is required without effect of solvent extraction.
이처럼, 본 발명의 금속 제품의 제조 방법은 3D 프린팅을 이용하여 3차원 세라믹 금형을 정밀 제조하고, 용매 추출 과정에 의해 3차원 세라믹 금형과 동일한 형상을 갖는 중공이 형성된 금속 제품을 제조한다. 이에 따라, 수십~수백 ㎛의 치수정밀도가 요구되는 고정밀 금형 제품을 제조할 수 있다.
As described above, in the method of manufacturing a metal product of the present invention, a three-dimensional ceramic mold is precisely manufactured by using 3D printing, and a hollow metal product having the same shape as a three-dimensional ceramic mold is produced by a solvent extraction process. Accordingly, it is possible to manufacture a high-precision mold product requiring dimensional accuracy of several tens to several hundreds of micrometers.
본 발명에 따른 중공이 형성된 금속 제품을 제조하기 위한 이중 세라믹 금형은 전술한 바와 같이, 금속 주조용 틀 및 상기 틀 내부 공간에 배치된 3차원 세라믹 금형을 포함한다. 이때, 상기 3차원 세라믹 금형은 3D 프린팅을 이용하여 세라믹 분말로부터 제조됨으로써, 제조 수율 및 생산성, 정밀성이 우수한 효과가 있다. 상기 3차원 세라믹 금형은 무기질 세라믹 조성물로 표면 처리되어, 금속으로부터 용이하게 분리될 수 있다.As described above, the dual ceramic mold for manufacturing the hollow-formed metal product according to the present invention includes a metal casting mold and a three-dimensional ceramic mold disposed in the internal space of the mold. At this time, since the 3D ceramic mold is manufactured from ceramic powder using 3D printing, it has an excellent production yield, productivity and precision. The three-dimensional ceramic mold is surface-treated with an inorganic ceramic composition, and can be easily separated from a metal.
용매 추출 단계에서 3차원 세라믹 금형을 알칼리 용액에 투입하면 세라믹 소재는 알칼리 용액에 용해되어 용매로 추출된다. 이에 따라, 본 발명의 금속 제품 내부에는 3차원 세라믹 금형과 동일한 형상을 갖는 중공이 형성된다. 상기 세라믹 분말의 재질은 전술한 바와 같이, 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 산화크롬(Cr2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화철(FeO), 산화주석(SnO2), 이산화타이타늄(TiO2), 산화이트륨(Y2O3), 지르코니아(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 산화탄탈륨(Ta2O5), 루테늄산화물(RuO2) 및 란탄족 산화물 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
When the three-dimensional ceramic mold is injected into the alkali solution in the solvent extraction step, the ceramic material is dissolved in the alkali solution and extracted with the solvent. Accordingly, a hollow having the same shape as the three-dimensional ceramic mold is formed in the metal product of the present invention. As the material for the ceramic powder described above, silica (SiO 2), alumina (Al 2 O 3), chromium oxide (Cr 2 O 3), magnesium oxide (MgO), calcium oxide (CaO), iron oxide (FeO) , Tin oxide (SnO 2 ), titanium dioxide (TiO 2 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), ruthenium oxide 2 ) and one or more of the lanthanide oxides.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It is to be understood that the invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.
10 : 3차원 세라믹 금형
20 : 금속 주조용 틀
30 : 중공
40 : 금속 제품
10: 3D ceramic mold
20: Frame for metal casting
30: hollow
40: Metal products

Claims (6)

  1. 3차원 세라믹 금형과 동일한 형상을 갖는 중공이 형성된 금속 제품의 제조 방법에 있어서,
    (a) 3D 프린팅을 이용하여 세라믹 분말로부터 3차원 세라믹 금형을 제조하는 단계;
    (b) 금속 주조용 틀 내부 공간에 상기 3차원 세라믹 금형을 배치한 후, 상기 금속 주조용 틀 내부 공간에 용융된 금속을 주입하고 냉각시키는 단계; 및
    (c) 냉각된 금속을 금속 주조용 틀로부터 분리한 후, 상기 3차원 세라믹 금형이 포함된 금속을 알칼리 용액(alkaline solution)에 투입하여 상기 3차원 세라믹 금형을 용매 추출하는 단계;를 포함하고,
    상기 알칼리 용액은 증류수와 수산화나트륨(NaOH)을 포함하되, 상기 증류수와 수산화나트륨 100중량%에 대하여, 상기 수산화나트륨 30~50중량%를 포함하며,
    상기 (c) 단계 이후에,
    (d) 상기 금속 내부에 상기 알칼리 용액을 투입하여 금속 내부로부터 상기 3차원 세라믹 금형을 완전히 용매 추출하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 3차원 세라믹 금형은 무기질 세라믹 조성물로 표면 처리되어 0.1~10㎛의 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 제품의 제조 방법.
    A method of manufacturing a hollow metal product having the same shape as a three-dimensional ceramic mold,
    (a) fabricating a three-dimensional ceramic mold from ceramic powder using 3D printing;
    (b) placing the three-dimensional ceramic mold in an inner space of the metal casting mold, and then injecting molten metal into the inner space of the metal casting mold for cooling; And
    (c) separating the cooled metal from the mold for metal casting, and then introducing the metal containing the three-dimensional ceramic mold into an alkaline solution to solvent-extract the three-dimensional ceramic mold,
    Wherein the alkali solution comprises distilled water and sodium hydroxide (NaOH), wherein the alkali solution comprises 30 to 50% by weight of the sodium hydroxide based on 100% by weight of the distilled water and sodium hydroxide,
    After the step (c)
    (d) completely dissolving the three-dimensional ceramic mold from the inside of the metal by injecting the alkali solution into the metal,
    Wherein the three-dimensional ceramic mold is surface-treated with an inorganic ceramic composition to form a coating layer having a thickness of 0.1 to 10 占 퐉.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 분말의 재질은 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 산화크롬(Cr2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화철(FeO), 산화주석(SnO2), 이산화타이타늄(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 산화탄탈륨(Ta2O5), 루테늄산화물(RuO2) 및 란탄족 산화물 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 제품의 제조 방법.
    The method according to claim 1,
    The material of the ceramic powder is silica (SiO 2), alumina (Al 2 O 3), chromium oxide (Cr 2 O 3), magnesium oxide (MgO), calcium oxide (CaO), iron oxide (FeO), tin oxide (SnO 2 ), at least one of titanium oxide (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), ruthenium oxide (RuO 2 ) ≪ / RTI >
  3. 삭제delete
  4. 삭제delete
  5. 중공이 형성된 금속 제품을 제조하기 위한 이중 세라믹 금형에 있어서,
    상기 이중 세라믹 금형은 금속 주조용 틀 및 상기 틀 내부 공간에 배치된 3차원 세라믹 금형을 포함하고,
    상기 3차원 세라믹 금형은 세라믹 분말로부터 3D 프린팅을 이용하여 제조되고, 상기 3차원 세라믹 금형은 무기질 세라믹 조성물로 표면 처리되어 0.1~10㎛의 코팅층이 형성되는 것을 특징을 하는 금속 제품 제조용 이중 세라믹 금형.
    A dual ceramic mold for producing a hollow formed metal product,
    Wherein the double ceramic mold includes a metal casting mold and a three-dimensional ceramic mold disposed in the mold interior space,
    Wherein the three-dimensional ceramic mold is manufactured from a ceramic powder by using 3D printing, and the three-dimensional ceramic mold is surface-treated with an inorganic ceramic composition to form a coating layer of 0.1 to 10 탆.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 세라믹 분말의 재질은 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 산화크롬(Cr2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화철(FeO), 산화주석(SnO2), 이산화타이타늄(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 산화탄탈륨(Ta2O5), 루테늄산화물(RuO2) 및 란탄족 산화물 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 제품 제조용 이중 세라믹 금형.
    6. The method of claim 5,
    The material of the ceramic powder is silica (SiO 2), alumina (Al 2 O 3), chromium oxide (Cr 2 O 3), magnesium oxide (MgO), calcium oxide (CaO), iron oxide (FeO), tin oxide (SnO 2 ), at least one of titanium oxide (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), ruthenium oxide (RuO 2 ) Features dual ceramic molds for manufacturing metal products.
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