KR101851336B1 - 냉간 등방압 성형몰드 및 이를 이용한 분체의 성형방법 - Google Patents

Abstract

본원 발명은 냉간 등방압 성형몰드(Cold isostatic pressing mold) 및 이를 이용한 분체의 성형방법에 대한 것으로 보다 구체적으로는 상부 및 하부가 개구되고 내부가 비어 있으며 다수의 통공과 길이 방향의 슬릿(slit)이 내부와 외부를 서로 통하게 형성된 몰드 본체; 상기 몰드 본체의 상부에 결합되는 상부 캡핑부; 상기 몰드 본체의 하부에 결합되는 하부 캡핑부; 및 상기 몰드 본체, 상부 캡핑부 및 하부 캡핑부에 의하여 형성되는 몰드 본체의 내부 공간에 구비되고, 내부에 분체를 수납하여 밀봉이 가능하며, 상기 슬릿을 통하여 몸체의 일부가 몰드 본체의 외부에 위치하는 진공팩을 포함하여 구성되는 냉간 등방압 성형몰드 및 이를 이용한 분체의 성형방법에 대한 것이다.

Description

냉간 등방압 성형몰드 및 이를 이용한 분체의 성형방법{Cold isostatic pressing mold and powder compression molding method using the same}

본원 발명은 냉간 등방압 성형몰드(Cold isostatic pressing mold) 및 이를 이용한 분체의 성형방법에 대한 것이다.

보다 구체적으로는 상부 및 하부가 개구되고 내부가 비어 있으며 다수의 통공과 길이 방향의 슬릿(slit)이 내부와 외부를 서로 통하게 형성된 몰드 본체; 상기 몰드 본체의 상부에 결합되는 상부 캡핑부; 상기 몰드 본체의 하부에 결합되는 하부 캡핑부; 및 상기 몰드 본체, 상부 캡핑부 및 하부 캡핑부에 의하여 형성되는 몰드 본체의 내부 공간에 구비되고, 내부에 분체를 수납하여 밀봉이 가능하며, 상기 슬릿을 통하여 몸체의 일부가 몰드 본체의 외부에 위치하는 진공팩을 포함하여 구성되는 냉간 등방압 성형몰드 및 이를 이용한 분체의 성형방법에 대한 것이다.

세라믹스나 금속간 화합물, 고융점의 금속 등의 난가공성 재료를 이용해 공업 재료를 제조할 경우에 원료 분체를 최종 제품에 가까운 형상으로 성형 후 소결함으로써, 원하는 제품 형상을 선 공정으로 제작하는 시도가 이루어지고 있다. 일반적으로 분체를 가압 성형하는 방법으로서는 냉간 등방압 성형(Cold Isostatic Pressing: CIP)이나 건식 고무 몰드법, 금형 프레스법 등이 있다. 이 중에서 건식 고무 몰드법, 금형 프레스 법에서는 원하는 제품의 형상이 예를 들면 단순한 원주 형상으로 어스펙트비(직경에 대한 원주의 길이의 비)가 1.5 이상의 것을 성형할 경우에 가압면에 가해진 압력을 성형체 내부로 전파시켜 분체 성형체를 제작하기 때문에, 고무 또는 금속성 몰드에 원료 분체를 몇 차례로 나누어 넣어 순차, 가압하는 다단 액션법으로 사용할 수밖에 없어 작업이 복잡하거나 몰드에 들어가는 원료 분체의 양이 성형 초기와 후기가 서로 달라 성형체의 밀도가 불균일한 것이 되기 쉬운 결점이 있었다. 또한, 성형체에는 다단 액션으로 인한 프레스 가압면이 다수 존재하여 성형체가 그곳의 부분에서 파괴하기 쉬운 등의 문제점이 있었다. 또한, 이들 방법에서는 가압면의 형상 및 몰드에서 성형체를 이탈할 때의 성형체의 형상에 제한이 있어 매우 간단한 형상체 이외에는 성형할 수 없는 등의 문제점이 있었다.

한편, 냉간 등방압 성형(Cold Isostatic Pressing: CIP)의 경우는 성형체에 등방압으로 가압할 수 있어 금형 성형법과 비교하여 적은 압력으로 균일한 밀도 분포를 가지는 분체 성형체를 얻을 수 있는 장점이 있으므로 성형체에 복잡한 형상을 부여하기 위하여 지금까지 냉간 등방압 성형을 이용하는 방법이 사용되어 왔다. 일반적으로 냉간 등방압 성형에서는 원료 분체에 성형 압력의 전파 매체인 부동액이나 물, 또는 방청 에멀션 분산 용액이 침투하지 않도록, 우레탄 고무나 이소프렌 고무, 클로로프렌 고무, 실리콘 고무 등의 고무 몰드가 일반적으로 사용된다. 고무 몰드는 압력 매체 중에서 모든 방향에서 가압됨으로써 내부에 충전한 원료 분체와 함께 압축되고 고무 몰드 내벽의 형태가 성형체에 부여된다.

그러나 우레탄 고무나 이소프렌 고무, 클로로프렌 고무, 실리콘 고무 등의 고무 몰드를 사용한 경우, 가압 시에는 성형체와 고무 몰드가 고착되어, 감압 시에는 변형한 고무 몰드가 성형체와 고착한 채로 원래의 형상으로 돌아오기 때문에, 성형체에는 응력이 발생하고 균열이 발생한다. 이러한 성형체의 균열을 방지하기 위해, 예를 들면 스티로폼 등의 탄성적 복원력이 낮은 재료로 몰드를 제작하는 방법이 시도되고 있다. 그러나 스티로폼제의 몰드를 사용한 경우, 발포 스티로폼제의 몰드는 영구 변형하기 때문에 재사용하지 못하며, 성형 비용은 매우 비싼 것이 되어 버리는 결점이 있었다.

또한, 성형 고무 몰드를 밀봉하는데 있어 완전한 밀봉이 어렵고, 냉간 등방압 성형 장치를 이용하여 분체재료를 성형 후 성형체를 건조하고 탈형하는데 있어 성형체의 탈형이 매우 어려우며 작업시간이 길다는 어려움이 있고, 몰드의 두께가 두꺼우면 균일한 압력 전달이 되지 않아, 냉간 등방압 성형 후에 성형체가 깨지고, 두께가 너무 얇으면 형상제어가 어려운 문제점이 있으며, 냉간 등방압 성형 성형시 몰드 내에 분체재료의 불량과 유실량이 크다는 문제점이 있었다.

따라서 상기 문제점들을 해결하기 위해, 제작비용이 낮고 제작 시간이 단축되며 분체재료의 오염이 없으며, 균일한 압력을 전달하여 크랙(crack)이나 형상 제어가 가능한 냉간 등방압 성형용 몰드 개발의 필요성이 대두되고 있다.

일본 공개특허공보 특개평06-100903호. 한국 공개특허공보 제2013-0085573호.

본원 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 개발된 것으로, 성형체와 고무 몰드의 고착에 의한 성형체의 균열을 방지하고, 재사용이 가능한 냉간 등방압 성형 몰드를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 분체재료를 성형 후 성형체를 건조하고 탈형하는데 있어 성형체의 탈형이 매우 용이하고 작업시간을 단축시킬 수 있는 냉간 등방압 성형 몰드를 제공하고자 한다.

또한, 균일한 압력 전달을 위한 최적의 두께를 가지며, 성형시 몰드 내의 분체 재료의 유실 및 성형체의 불량을 최소화하고 균일한 압력의 전달과 형상제어가 가능한 냉간 등방압 성형 몰드를 제공하고자 한다.

본원 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위하여 상부 및 하부가 개구되고 내부가 비어 있으며 다수의 통공과 길이 방향의 슬릿(slit)이 내부와 외부를 서로 통하게 형성된 몰드 본체; 상기 몰드 본체의 상부에 결합되는 상부 캡핑부; 상기 몰드 본체의 하부에 결합되는 하부 캡핑부; 및 상기 몰드 본체, 상부 캡핑부 및 하부 캡핑부에 의하여 형성되는 몰드 본체의 내부 공간에 구비되고, 내부에 분체를 수납하여 밀봉이 가능하며, 상기 슬릿을 통하여 몸체의 일부가 몰드 본체의 외부에 위치하는 진공팩을 포함하여 구성되는 냉간 등방압 성형몰드를 제공한다.

또한, 본원 발명은 분체를 고무 또는 합성수지 재질의 진공팩에 수납하여 밀봉하는 분체 밀봉단계; 진공팩에 수납 및 밀봉된 분체를 냉간 등방압 성형몰드에 배치하는 분체 배치단계; 및 배치된 분체를 냉간 등방압으로 성형하는 냉간 등방압 성형단계를 포함하는 분체의 냉간 등방압 성형방법을 제공한다.

본원 발명에 따른 상기 냉간 등방압 성형몰드는 외면의 길이 방향의 슬릿(slit)이 내부와 외부를 서로 통하게 형성되어 있고, 다수의 통공이 형성되어 있어, 형상 제어를 유리하며, 통공을 통하여 균일한 압력 전달이 되어 수축률이 우수하고 크랙(crack)이 없는 형상 제어된 성형체 제조를 가능하게 하는 장점이 있다.

또한, 몰드의 재질을 우레탄 고무, 이소프렌 고무, 클로로프렌 고무, 실리콘 고무를 포함하는 고무 탄성체 등으로 제조하여 몰드의 제작비용이 적게 들며 분체의 오염도를 낮출 수 있다.

또한, 몰드 내에 진공팩을 넣어 냉간 등방압 성형을 함으로써, 누수에 따른 불량 제거가 가능하며, 정전기 등에 의한 냉간 등방압 성형 후 분체의 유실을 최소화 할 수 있으며, 냉간 등방압 성형 후 성형체 제거 시 건조과정이 필요 없어 제조 공정이 간단하고 제조 시간이 단축되는 효과가 있다.

또한, 분체재료를 성형 후 성형체를 건조하고 탈형하는데 있어 성형체의 탈형이 매우 용이하고 작업시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본원 발명의 일 구현예에 따른 종래의 냉간 등방압 성형에 따른 결과를 나타낸 사진이다.
도 2는 본원 발명의 일 구현예에 따른 진공팩을 이용하여 분체를 성형한 결과를 나타낸 사진이다.
도 3은 본원 발명의 일 구현예에 따른 냉간 등방압 성형몰드의 형상을 나타낸 것이다.

이하, 본원 발명에 대해 상세하게 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본원 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1은 본원 발명의 일 구현예에 따른 비교예 1로 냉간 등방압 성형에 따른 결과를 나타낸 사진으로 이는 종래기술과 동일하게 탄성이 있는 우레탄 몰드(mold)를 사용하여 분체를 성형한 결과이다. 성형결과는 원기둥 형태로 성형되지 않고 길이 방향으로 크랙(crack)이 관찰되었다.

도 2는 본원 발명의 일 구현예에 따른 비교예 2로 진공팩을 이용하여 분체를 성형한 결과를 나타낸 사진이다. 성형한 결과는 크랙 없이 원기둥 형태로 성형이 가능하였고, 이때 부피는 약 40% 감소하였으나 구체적인 형상의 제어를 위해서는 몰드가 추가로 필요함을 알 수 있었다.

도 3은 본원 발명의 일 구현예에 따른 냉간 등방압 성형몰드의 형상을 나타낸 것이다. 본원 발명에 따른 냉간 등방압 성형몰드는 상부 및 하부가 개구되고 내부가 비어 있으며 길이 방향의 슬릿(slit)(11)과 다수의 통공(12)이 내부와 외부를 서로 통하게 형성된 몰드 본체(10); 상기 몰드 본체의 상부에 결합되는 상부 캡핑부(20); 상기 몰드 본체의 하부에 결합되는 하부 캡핑부(30); 및 상기 몰드 본체, 상부 캡핑부 및 하부 캡핑부에 의하여 형성되는 몰드 본체의 내부 공간에 구비되고, 내부에 분체(40)를 수납하여 밀봉이 가능하며, 상기 슬릿을 통하여 몸체의 일부가 몰드 본체의 외부에 위치하는 진공팩(50)을 포함하여 구성될 수 있다.

이때 상기 슬릿(slit)(11)은 분체(40)가 수납되어 밀봉된 진공팩(50)의 일부분을 몰드 본체 밖으로 빼내어 냉간 등방압 성형시 몰드 내에서 겹쳐지지 않도록 하여 형상 제어에 있어서 효과적이도록 하는 구성이고, 통공(12)은 냉간 등방압 성형으로 분체가 수축시 발생된 몰드 내부의 빈 공간을 통공(12)을 통하여 최대한 제거가 가능하여 균일한 압력 전달이 되어 수축률이 우수하고 크랙이 없는 형상이 제어된 성형체의 제조가 가능하도록 하는 필수적인 몰드 본체의 형상이다.

본원 발명에 따른 냉간 등방압 성형몰드에 있어서, 상기 몰드 본체와 하부 캡핑부는 일체로 이루어질 수 있다. 도 3에서는 상부 캡핑부(20)와 하부 캡핑부(30)가 별도로 구성되는 일례를 나타내었으나, 필요에 따라 하부 캡핑부(30)는 몰드 본체와 일체로 형성되고 상부 캡핑부만 별도로 형성되는 것도 가능하다.

본원 발명에 따른 냉간 등방압 성형몰드에 있어서, 상기 몰드 본체는 원통형이고, 상부 캡핑부 및 하부 캡핑부는 상기 몰드 본체에 끼움결합으로 결합되도록 돌출부(21, 31)가 형성될 수 있다. 몰드 본체는 성형되는 재료의 형태에 따라 다양하게 변경될 수 있고, 이때 몰드 본체의 형태에 따라 상부 캡핑부와 하부 캡핑부의 형상이 변경될 수 있다. 도 3에서는 대표적으로 원통형의 몰드 본체(10)와 이의 상부 및 하부에 결합되는 상부 캡핑부(20)와 상부 캡핑부의 하단에 형성되어 몰드 본체와 끼움 결합할 수 있도록 구성된 돌출부(21)를 나타내었다. 또한, 몰드 본체(10)의 하부에 구성되는 하부 캡핑부(30)와 하부 캡핑부의 하단에 형성되어 몰드 본체와 끼움 결합할 수 있도록 구성된 돌출부(31) 또한 동일하게 구성될 수 있다.

본원 발명에 따른 냉간 등방압 성형몰드에 있어서, 상기 몰드 본체, 상부 캡핑부 및 하부 캡핑부는 우레탄 고무, 이소프렌 고무, 클로로프렌 고무, 실리콘 고무를 포함하는 고무 탄성체로 이루어질 수 있다.

본원 발명에 따른 냉간 등방압 성형몰드에 있어서, 상기 몰드 본체, 상부 캡핑부 및 하부 캡핑부는 두께가 0.5 내지 4.0 mm인 것이 바람직하다. 몰드 본체를 포함한 캡핑부의 두께가 너무 두꺼우면 냉간 등방압 성형 후 성형체가 깨지고, 너무 얇은 경우에는 형상제어가 어렵게 된다.

본원 발명에 따른 냉간 등방압 성형몰드에 있어서, 상기 진공팩(50)은 내부에 분체(40)를 수납하여 밀봉이 가능하고, 고무 또는 합성수지 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 진공을 부여하여 수납되는 분체(40)를 밀봉하기 위하여 공기배출 유도부(51)이 진공팩의 일면에 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 진공팩의 사용의 장점은 냉간 등방압 성형시 누수에 따른 불량의 제거가 가능하고, 탄성체인 몰드에 분체가 직접적으로 접촉시 정전기 발생 등으로 냉간 등방압 성형 후 유실량이 커지는 것을 방지할 수 있고, 성형 후 성형체 제거시 건조과정이 필요 없어 제조공정이 간단해지고 제조 시간을 단축할 수 있는 장점이 있게 된다.

또한, 본원 발명에서는 분체를 고무 또는 합성수지 재질의 진공팩에 수납하여 밀봉하는 분체 밀봉단계; 진공팩에 수납 및 밀봉된 분체를 본원 발명에 따른 냉간 등방압 성형몰드에 배치하는 분체 배치단계; 및 배치된 분체를 냉간 등방압으로 성형하는 냉간 등방압 성형단계를 포함하는 분체의 냉간 등방압 성형방법을 제공한다.

이하, 본원 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면과 같이 본원이 속하는 기술 분야에서 일반적인 지식을 가진 자가 쉽게 실시할 수 있도록 본원의 구현 예 및 실시 예를 상세히 설명한다. 특히 이것에 의해 본원 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한을 받지 않는다. 또한, 본원 발명의 내용은 여러 가지 다른 형태의 장비로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 구현 예 및 실시 예에 한정되지 않는다.

< 비교예 1> 냉간 등방압 성형

도 1은 본원 발명의 일 구현예에 따른 비교예 1로 종래 기술에 따른 냉간 등방압 성형에 따른 결과를 나타낸 사진으로 이는 우레탄 몰드(mold)에 분체(예. Sapphire (Al₂O₃), Perovskites (YAlO₃, LuAlO₃, LaGaO₃), Bi₄Ge₃O12, Y₃Fe₅O₁₂, Garnet (Y₃Al₅O₁₂), LiNbO₃, LiTaO₃, Langasite (La₃Ga₅SiO₁₄)) 약 100g을 충진하고 밀봉 후 냉간 등방압 성형(CIP) 챔버에 장착하여 약 1,000 내지 1,500 kgf/cm²의 압력으로 성형하였다. 성형결과는 원기둥 형태로 성형되지 않고 길이 방향으로 크랙(crack)이 관찰되었다. 또한, 우레탄 몰드의 두께가 두꺼워 균일한 압력의 전달이 이루어지지 않은 것으로 판단되며 몰드의 두께가 너무 두꺼우면 냉간 등방압 성형 후 성형체가 깨지고, 두께가 너무 얇으면 형상제어의 어려움이 있음을 알 수 있다.

<비교예 2> 진공팩을 이용한 냉간 등방압 성형

도 2는 본원 발명의 일 구현예에 따른 비교예 2로 진공팩을 이용하여 분체를 성형한 결과를 나타낸 사진이다. 이때 사용된 진공팩은 도 3에 기재된 진공팩과 동일하게 진공팩(50)의 개구된 부분에 공기 배출 유도부(51)가 존재한다. 상기 진공팩에 분체 약 95g 을 충진하고 밀봉후 냉간 등방압 성형(CIP) 챔버에 장착하여 약 1,500 내지 2,500 kgf/cm²의 압력으로 성형하였다. 성형한 결과는 크랙 없이 원기둥 형태로 성형이 가능하였고, 이때 부피는 약 40% 감소하였다. 그러나 구체적인 형상의 제어를 위해서는 몰드가 추가로 필요함을 알 수 있었다.

<실시예 1> 신규 몰드와 진공팩을 이용한 냉간 등방압 성형

도 3에 나타낸 냉간 등방압 성형기용 몰드를 이용하여 분체를 성형하였다. 상기 비교예 2에 기재한 바와 같이 진공팩에 분체 약 95g 을 충진하고 밀봉후 해당 진공팩을 도 3에 기재된 본원 발명의 냉간 등방압 성형기용 몰드에 수납하였다. 이때 진공팩의 남는 부분의 일부분을 몰드 본체의 슬릿(slit)(11)을 통하여 몰드 밖으로 빼내어 냉간 등방압 성형시 몰드 내에서 겹쳐지지 않도록 하여 형상 제어에 있어서 효과적이도록 하였다. 약 1,500 내지 2,500 kgf/cm²의 압력으로 성형하였다. 성형한 결과는 크랙 없이 원기둥 형태로 성형이 가능하였다. 냉간 등방압 성형으로 분체가 수축시 발생된 몰드 내부의 빈 공간을 통공(12)을 통하여 최대한 제거가 가능하여 균일한 압력 전달이 되어 수축률이 우수하고 크랙이 없는 형상이 제어된 성형체의 제조가 가능함을 알 수 있다.

10: 몰드 본체, 11: 슬릿(slit), 12: 통공
20: 상부 캡핑부 30: 하부 캡핑부, 21, 31: 돌출부
40: 분체, 50: 진공팩, 51: 공기배출 유도부

Claims (8)

1. 상부 및 하부가 개구되고 내부가 비어 있으며 다수의 통공과 길이 방향의 슬릿(slit)이 내부와 외부를 서로 통하게 형성된 몰드 본체;
   상기 몰드 본체의 상부에 결합되는 상부 캡핑부;
   상기 몰드 본체의 하부에 결합되는 하부 캡핑부; 및
   상기 몰드 본체, 상부 캡핑부 및 하부 캡핑부에 의하여 형성되는 몰드 본체의 내부 공간에 구비되고, 내부에 분체를 수납하여 밀봉이 가능하며, 상기 슬릿을 통하여 몸체의 일부가 몰드 본체의 외부에 위치하는 진공팩을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 냉간 등방압 성형몰드.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 몰드 본체와 하부 캡핑부는 일체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉간 등방압 성형몰드.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 몰드 본체는 원통형이고,
   상부 캡핑부 및 하부 캡핑부는 상기 몰드 본체에 끼움결합으로 결합되도록 돌출부가 형성된 것을 특징으로 하는 냉간 등방압 성형몰드.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 몰드 본체, 상부 캡핑부 및 하부 캡핑부는 우레탄 고무, 이소프렌 고무, 클로로프렌 고무, 실리콘 고무 중 어느 하나의 고무 탄성체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉간 등방압 성형몰드.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 몰드 본체, 상부 캡핑부 및 하부 캡핑부는 두께가 0.5 내지 4.0 mm인 것을 특징으로 하는 냉간 등방압 성형몰드.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 진공팩은 내부에 분체를 수납하고 진공을 부여하여 수납되는 분체를 밀봉할 수 있는 공기배출 유도부가 일면에 형성되는 것을 특징으로 하는 냉간 등방압 성형몰드.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 진공팩은 고무 또는 합성수지 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉간 등방압 성형몰드.
8. 분체를 고무 또는 합성수지 재질의 진공팩에 수납하여 밀봉하는 분체 밀봉단계;
   진공팩에 수납 및 밀봉된 분체를 청구항 1에 기재된 냉간 등방압 성형몰드에 배치하는 분체 배치단계; 및
   배치된 분체를 냉간 등방압으로 성형하는 냉간 등방압 성형단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분체의 냉간 등방압 성형방법.

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