KR101907888B1 - Metal product having nanopores and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
이중 세라믹 금형 및 나노 기공을 갖는 금속 제품의 제조 방법에 대하여 개시한다.
이중 세라믹 금형에 포함되는 3차원 세라믹 금형은 3D 프린팅을 이용한 정밀 제조가 가능하고, 고강도(High strength) 특성을 가지며, 금속 주조용 틀은 고강도(High strength)를 갖는 통상의 내화물(Refractory) 소재로 형성된다.
본 발명에서 금속 제품은 초내열 합금 소재로부터 형성되며, 금속 제품을 산 용액에 투입하여 나노 입자화 된 희생 입자를 선택적으로 용매 추출함으로써, 희생 입자 자리에 nm 크기의 나노 기공이 형성된다.
따라서, 희생 입자에 의해 넓은 표면적을 가지는 다공성 금속 제품을 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 3차원 세라믹 금형 및 금속 주조용 틀을 포함하는 이중 세라믹 금형을 이용한 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 나노 크기의 희생 입자를 포함하는 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 추출하고, 3차원 세라믹 금형이 포함된 금속을 산 용액에 투입하여 상기 나노 크기의 희생 입자를 선택적으로 용매 추출하는 단계;를 포함하고, 상기 나노 크기의 희생 입자가 선택적으로 추출된 부분에 나노 기공이 형성되는 것을 특징으로 한다.A method for producing a metal article having a double ceramic mold and a nano pore is disclosed.
The three-dimensional ceramic molds included in the dual ceramic molds can be precisely manufactured by using 3D printing, have high strength characteristics, and the metal casting molds are refractory materials having high strength. .
In the present invention, a metal product is formed from a super-heat-resistant alloy material, nanopores of nanometer size are formed in the sacrificial particle site by selectively extracting the nanoparticle-formed sacrificial particles by introducing the metal product into the acid solution.
Thus, a porous metal article having a large surface area can be produced by the sacrificial particles.
A method of manufacturing a metal product using a dual ceramic mold comprising a three-dimensional ceramic mold and a metal casting mold according to the present invention, the method comprising: (a) preparing 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 and cooling molten metal including nano-sized sacrificial particles into the inner space of the metal casting mold; And (c) separating the cooled metal from the mold for metal casting, introducing the metal containing the three-dimensional ceramic mold into an alkaline solution to solvent-extract the three-dimensional ceramic mold, And selectively extracting the nano-sized sacrificial particles from the solution by injecting a metal containing the nano-sized sacrificial particles into an acid solution, wherein nanopores are formed in the selectively extracted nano-sized sacrificial particles .
Description
본 발명은 금속 제품을 제조하는 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이중 세라믹 금형 및 나노 기공을 갖는 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, and more particularly, to a method for manufacturing a metal product having a dual ceramic mold and nano pores.
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 금형 제품이나 치수정밀도가 요구되는 고정밀 금형 제품을 제조하는데 한계가 있다. 또한, 치수가 맞지 않게 금형이 제조되는 경우에는 처음부터 다시 기계 가공하여 제작하므로 작업성 및 생산성이 저하되는 문제점이 있다. 한편, 요철형상의 금형을 이용하여 압축하는 방식에 의해 구멍과 무늬가 형성된 금형을 제조하는 방법도 있으나, 이는 구멍이 단조롭고 자연스럽지 않으며, 인공적인 이미지가 강하기 때문에, 자연스럽고 불규칙적인 효과를 나타내는데 한계가 있다.However, when manufacturing a metal mold by machining a metal material, it is time-consuming and has a limitation in manufacturing a highly precise mold product requiring complicated shape or dimensional accuracy. 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. On the other hand, there is a method of manufacturing a mold in which holes and patterns are formed by a method of compressing using a concavo-convex mold, but since the holes are monotonous and natural, and artificial images are strong, there is a limit to show a natural and irregular effect .
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0025634호(2013.03.12. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 전해주조를 이용한 다공 금속재의 제조방법이 개시되어 있다.
As a background art related to the present invention, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2013-0025634 (published on Mar. 13, 2013) discloses a method of manufacturing a porous metal material using electrolytic casting.
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 나노 기공을 갖는 다공성 금속 제품을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a method for producing a porous metal article having nanopores by using the above-mentioned dual ceramic mold.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 세라믹 금형 및 금속 주조용 틀을 포함하는 이중 세라믹 금형을 이용한 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 나노 크기의 희생 입자를 포함하는 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 추출하고, 3차원 세라믹 금형이 포함된 금속을 산 용액에 투입하여 상기 나노 크기의 희생 입자를 선택적으로 용매 추출하는 단계;를 포함하고, 상기 나노 크기의 희생 입자가 선택적으로 추출된 부분에 나노 기공이 형성되는 것을 특징으로 한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method of manufacturing a metal product using a double-ceramic mold including a three-dimensional ceramic mold and a metal casting mold, comprising the steps of: (a) Producing a ceramic mold; (b) placing the three-dimensional ceramic mold in an inner space of the metal casting mold, and then injecting and cooling molten metal including nano-sized sacrificial particles into the inner space of the metal casting mold; And (c) separating the cooled metal from the mold for metal casting, introducing the metal containing the three-dimensional ceramic mold into an alkaline solution to solvent-extract the three-dimensional ceramic mold, And selectively extracting the nano-sized sacrificial particles from the solution by injecting a metal containing the nano-sized sacrificial particles into an acid solution, wherein nanopores are formed in the selectively extracted nano-sized sacrificial particles .
상기 희생 입자의 평균 입경은 1~500nm일 수 있다.The average particle diameter of the sacrificial particles may be 1 to 500 nm.
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 희토류 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 rare earth oxides .
상기 금속은 용융된 금속 및 희생 입자 100중량%에 대하여, 용융된 금속 50~90중량% 및 희생 입자 10~50중량%로 이루어질 수 있다.The metal may comprise 50 to 90% by weight of the molten metal and 10 to 50% by weight of the sacrificial particles, based on 100% by weight of the molten metal and the sacrificial particles.
상기 산 용액은 증류수와 질산, 염산, 황산, 불산, 인산 또는 아세트산을 포함하는 산류 물질을 포함하되, 상기 증류수와 산류 물질 100중량%에 대하여, 상기 산류 물질은 30~80중량%로 포함될 수 있다.The acid solution includes distilled water and an acid material including nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, phosphoric acid, or acetic acid, and the acid material may be included in an amount of 30 to 80 wt% based on 100 wt% of the distilled water and the acid material .
상기 3차원 세라믹 금형은 무기질 세라믹 조성물로 표면 처리될 수 있다. The three-dimensional ceramic mold may be surface-treated with an inorganic ceramic composition.
상기 (c) 단계 이후에, (d) 상기 금속 내부에 상기 산 용액을 투입하여 금속 외부에 존재하는 상기 나노 크기의 희생 입자를 완전히 용매 추출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.After the step (c), (d) the acid solution is injected into the metal to completely extract the nano-sized sacrificial particles existing outside the metal by solvent extraction.
상기 (d) 단계 이후에, (e) 상기 (d) 단계의 결과물을 세척 및 건조하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
(D), and (e) washing and drying the resultant of step (d).
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노 기공을 포함하는 금속 제품에 있어서, 상기 금속 제품은 속이 비어있는 3차원 형상의 중공을 포함하고, 상기 금속 제품 내부에 희생 입자가 일부 포함되며, 상기 금속 제품의 외부에 포함되는 나노 기공의 밀도가 내부에 포함되는 나노 기공의 밀도보다 큰 것을 특징으로 한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a metal product including nano-pores according to the present invention, wherein the metal product includes hollow voids having a hollow shape, a sacrificial particle is partially contained in the metal product, The density of the nano pores contained in the outside of the metal product is larger than the density of the nano pores contained in the inside of the metal product.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 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 것을 특징을 한다.According to another aspect of the present invention, A dual-ceramic mold for manufacturing a metal product, wherein the double-ceramic mold includes a metal casting mold and a three-dimensional ceramic mold disposed in the mold cavity, and the three-dimensional ceramic mold includes a ceramic powder .
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 희토류 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 rare earth oxides .
상기 3차원 세라믹 금형은 무기질 세라믹 조성물로 표면 처리될 수 있다.
The three-dimensional ceramic mold may be surface-treated with an inorganic ceramic composition.
본 발명에 따르면, 이중 세라믹 금형에 포함되는 3차원 세라믹 금형은 3D 프린팅을 이용하여 제조됨으로써, 정밀 제조가 가능하고, 고강도(High strength) 특성을 가질 수 있다. 또한, 금속 제품을 산 용액에 투입하여 나노 입자화 된 희생 입자를 선택적으로 용매 추출함으로써, 희생 입자 자리에 nm 크기의 나노 기공이 형성된다. 나노 기공이 형성됨에 따라, 넓은 표면적을 가지는 다공성 금속 제품을 제조할 수 있으며, 이는 방열 제품, 가스 센싱 등에 적용될 수 있다.
According to the present invention, a three-dimensional ceramic mold included in a dual ceramic mold is manufactured using 3D printing, so that it can be precisely manufactured and can have high strength characteristics. In addition, nanopores of nanometer size are formed in the sacrificial particle sites by selectively extracting the nanoparticles of the sacrificial particles by introducing the metal product into the acid solution. As the nano pores are formed, porous metal products having a wide surface area can be produced, which can be applied to heat radiation products, gas sensing, and the like.
도 1은 본 발명에 따른 금속 제품의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이중 세라믹 금형을 이용하여 금속 제품을 제조하는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다. 1 is a flowchart showing a method of manufacturing a metal product according to the present invention.
2 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 이중 세라믹 금형 및 나노 기공을 갖는 금속 제품의 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a method of manufacturing a dual ceramic mold and a nano-pored metal product according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 금속 제품의 제조 방법을 나타낸 순서도이다. 도 2는 본 발명에 따른 이중 세라믹 금형을 이용하여 금속 제품을 제조하는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다. 1 is a flowchart showing a method of manufacturing a metal product according to the present invention. 2 is a schematic view illustrating a process of manufacturing a metal product using the dual ceramic mold according to the present invention.
도 1 및 도 2을 참조하면, 본 발명에 따른 금속 제품의 제조 방법은 3D 프린팅을 이용하여 세라믹 분말로부터 3차원 세라믹 금형을 제조하는 단계(S110), 금속 주조용 틀 내부 공간에 3차원 세라믹 금형을 배치한 후, 용융된 금속을 주입하는 단계(S120) 및 용매 추출하는 단계(S130)를 포함한다.
Referring to FIGS. 1 and 2, a method of manufacturing a metal product according to the present invention includes the steps of fabricating a three-dimensional ceramic mold from a ceramic powder using 3D printing (S110), forming a three-dimensional ceramic mold A step S120 of injecting molten metal and a step S130 of extracting a solvent.
3D 프린팅을 이용하여 세라믹 분말로부터 3차원 세라믹 금형을 제조하는 단계(S110)A step (S110) of fabricating a three-dimensional ceramic mold from ceramic powder using 3D printing,
본 발명의 3차원 세라믹 금형(10)은 다음과 같은 과정을 통해 제조된다.The three-dimensional ceramic mold (10) of the present invention is manufactured through the following process.
3D 프린팅을 이용하여 세라믹 분말로부터 3차원 세라믹 금형(10)을 제조하며, 이를 후술할 용매 추출 단계에서 알칼리 용액에 투입하면 세라믹 분말은 알칼리 용액에 용해되어 용매로 추출된다. 3차원 세라믹 금형은 공정 효율을 향상시키기 위해 표면 처리와 같은 전처리 공정을 수행하여 제조될 수 있다. 이때, 3차원 세라믹 금형에서 표면 처리에 의해 형성된 코팅층 역시, 알칼리 용액에 용해된다.The 3D
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. 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.
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.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 희토류 산화물 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 희토류 산화물의 예로는 산화이트륨(Y2O3), 산화세륨(Ce2O3) 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 rare earth oxides . Examples of rare earth oxides include yttrium oxide (Y 2 O 3 ), cerium oxide (Ce 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
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 장착된 노즐에서 수행된다. 상기 3차원 이송기구는 3차원 프로그램으로부터 산출된 경로에 따라 자유롭게 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 mounted in a three-dimensional transport mechanism which is positioned in three directions X, Y and Z. The three-dimensional transport mechanism moves freely according to 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 금형(10)을 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, the 3D
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
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
상기 용융된 금속의 재질은 니켈(Ni)계 합금, 티타늄(Ti)계 합금 또는 철(Fe)계 합금 등의 초내열 합금으로, 알칼리 용액과 산 용액에 반응성이 낮은 재질인 것이 바람직하다. 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 matal) 중 1종의 금속을 포함하거나, 1종 이상의 금속으로 이루어진 합금일 수도 있다. 상기 란탄계 희유금속에는 란타넘(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd) 등이 있으며, 이들 중 1종 이상의 금속 또는 합금이 사용될 수 있다.The material of the molten metal is preferably a super-heat-resistant alloy such as a nickel (Ni) alloy, a titanium (Ti) alloy or an iron (Fe) alloy and has a low reactivity with an alkali solution and an acid solution. (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), molybdenum (Mo), and the like may be used in addition to the above- (Mg), zinc (Zn), lead (Pb), tin (Sn), beryllium (Be), zirconium (Zr), tungsten (W), yttrium (Y), hafnium (Hf), tantalum , Rhenium (Re), ruthenium (Ru), rhodium (Rh) and lanthanum rare metal (rare matal), or an alloy of one or more metals. The lanthanum rare metals include lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), and one or more metals or alloys thereof may be used.
또한, 상기 용융된 금속에는 산 용액에 용해성을 갖고, 나노 입자화 된 희생 입자(sacrifice particle or fugitive phase)가 포함되어, 나노 기공을 갖는 다공성 금속 제품(30)을 제공할 수 있다. 상기 희생 입자의 재질은 산 용액에 반응성이 높고 알칼리 용액에 반응성이 낮은 금속(metal)일 수 있으며, 구체적으로는 철(Fe)계 금속, 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등의 비철계 금속 또는 합금일 수 있다. 또한, 상기 희생 입자는 저융점 금속 입자로, 3차원 세라믹 금형(10)과 금속 주조용 틀(20)의 융점보다 낮은 융점을 가질 수 있다. In addition, the molten metal may be provided with a
상기 희생 입자의 평균 입경은 1~500nm인 것이 바람직하고, 10~300nm인 것이 보다 바람직하다. 평균 입경이 1nm 미만일 경우, 용매 추출 과정에서 기공의 형성이 불충분하여 높은 표면적을 갖는 금속 제품을 제조하기 어려울 수 있다. 반대로, 500nm를 초과하는 경우, 기공들이 서로 뭉칠 수 있어 nm 크기의 나노 기공을 형성하기 어려울 수 있다.The average particle diameter of the sacrificial particles is preferably 1 to 500 nm, more preferably 10 to 300 nm. When the average particle diameter is less than 1 nm, formation of pores in the solvent extraction process is insufficient, and it may be difficult to produce a metal product having a high surface area. On the contrary, when the thickness exceeds 500 nm, the pores may aggregate to each other, and it may be difficult to form nano-sized pores having a size of nm.
용융된 금속은 냉각되어 금속 주조용 틀(20)로부터 분리되며, 분리된 금속은 용융된 금속 및 희생 입자 100중량%에 대하여, 용융된 금속 50~90중량% 및 희생 입자 10~50중량%로 이루어진다. 희생 입자가 10중량% 미만으로 포함되는 경우, 금속 제품에 기공이 형성되는데 불충분할 수 있으며, 다공성 금속 제품을 제조하기 어려울 수 있다. 반대로, 희생 입자가 50중량%를 초과하여 포함되는 경우, 금속 제품의 강도 등의 물성이 저하될 수 있다.The molten metal is cooled and separated from the
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
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.
용매 추출하는 단계(S130)The solvent extraction step (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. 그 다음으로, 3차원 세라믹 금형이 일부 포함된 금속을 산 용액에 투입하여 상기 나노 크기의 희생 입자를 선택적으로 용매 추출한다.Next, after the cooled metal is separated from the
냉각된 금속은 금속 주조용 틀(20)을 쪼개어 제거함으로써 분리된다. 분리된 금속을 산 용액에 투입하여 나노 입자화 된 희생 입자를 선택적으로 추출함으로써, 나노 기공을 갖는 다공성 금속 제품(30)을 제조한다. 즉, 3차원 세라믹 금형은 먼저 알칼리 용액에 의해 용매 추출되어, 이와 동일한 형상의 중공이 형성된다. 그 다음으로, 금속은 산 용액에 의해 용매 추출되어, 희생 입자 자리에 기공이 형성된 금속 제품이 제조된다.The cooled metal is separated by removing the metal casting
상기 알칼리 용액에 의해 용매 추출되는 과정에서 금속에는 3차원 세라믹 금형이 일부 존재할 수 있기 때문에, 3차원 세라믹 금형 내부에 상기 알칼리 용액을 투입하여 세라믹 소재를 완전히 용매 추출하는 단계를 더 포함할 수 있다. 3차원 세라믹 금형에서 표면 처리에 의해 형성된 코팅층은 알칼리 용액에 의해 용해된다. 또한, 중공이 형성된 금속 내부에 상기 산 용액을 투입하여, 금속 외부에 존재하는 희생 입자를 완전히 용매 추출하는 단계를 더 포함할 수 있다.Since the metal may have a part of the three-dimensional ceramic mold during the solvent extraction by the alkali solution, the alkali solution may be introduced into the three-dimensional ceramic mold to completely remove the solvent from the ceramic material. The coating layer formed by the surface treatment in the three-dimensional ceramic mold is dissolved by the alkali solution. Further, the method may further include a step of completely dissolving the sacrificial particles present outside the metal by adding the acid solution into the hollow formed metal.
이에 따라, 복잡한 형상의 용매 추출 효율을 향상시킬 수 있으며, 금속 제품의 나노 기공률을 보다 향상시킬 수 있다. 아울러, nm 크기의 나노 기공을 갖는 금속 제품을 제조할 수 있다.As a result, it is possible to improve the solvent extraction efficiency of a complicated shape and further improve the nano porosity of the metal product. In addition, a metal product having nano-sized pores can be manufactured.
상기 알칼리 용액은 증류수와 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2) 또는 수산화바륨(Ba(OH)2)을 포함하는 알칼리성 물질을 포함하며, 세라믹 소재가 용해되는 알칼리 용액(pH7<알칼리 용액≤pH14)이라면 제한 없이 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 알칼리 용액에 수산화나트륨이 포함되는 경우, 상기 증류수와 수산화나트륨 100중량%에 대하여, 상기 수산화나트륨은 30~80중량%로 포함될 수 있고, 바람직하게는 수산화나트륨이 50~70중량%로 포함될 수 있다. 수산화나트륨이 30중량% 미만으로 포함되는 경우, 알칼리 용액에 대한 세라믹 소재의 용해성이 저하될 수 있다. 반대로, 80중량%를 초과할 경우, 용매 추출의 효과 없이 과다한 비용이 소요되고, 알칼리 용액의 고농도로 인해 폐기 처리시 환경을 오염시킬 수 있어 바람직하지 못하다.The alkali solution contains distilled water and an alkaline substance containing sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) or barium hydroxide (Ba (OH) 2 ) Any alkali solution (pH 7 <alkaline solution? PH 14) can be selected without limitation. For example, when sodium hydroxide is contained in the alkali solution, the sodium hydroxide may be contained in an amount of 30 to 80% by weight based on 100% by weight of the distilled water and the sodium hydroxide, preferably 50 to 70% %. ≪ / RTI > 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 is more than 80% by weight, an excessive cost is required without effect of solvent extraction, and it is not preferable because a high concentration of an alkali solution may contaminate the environment during disposal treatment.
상기 산 용액(pH0≤산 용액<pH7)은 증류수와 질산, 염산, 황산, 불산, 인산 또는 아세트산을 포함하는 산류 물질을 포함하되, 상기 증류수와 산류 물질 100중량%에 대하여, 상기 산류 물질은 30~80중량%로 포함될 수 있다. 바람직하게는 산류 물질이 50~70중량%로 포함될 수 있다. 산류 물질이 30중량% 미만으로 포함되는 경우, 산 용액의 농도가 묽어지기 때문에 희생 입자에 대한 용해성이 저하되고, 희생 입자의 선택적 추출 효과가 불충분할 수 있다. 반대로, 80중량%를 초과할 경우, 용매 추출의 효과 없이 과다한 비용이 소요되고, 산 용액의 고농도로 인해 폐기 처리시 환경을 오염시킬 수 있어 바람직하지 못하다.
The acid solution (pH 0 < acid solution < pH 7) comprises distilled water and an acid material including nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, phosphoric acid or acetic acid, To 80% by weight. Preferably, the acid material may be contained in an amount of 50 to 70% by weight. When the acid substance is contained in an amount of less than 30% by weight, the concentration of the acid solution becomes thinner, so that the solubility in the sacrificial particles is lowered, and the selective extraction effect of the sacrificial particles may be insufficient. On the other hand, if it exceeds 80% by weight, an excessive cost is required without effect of solvent extraction, and it is not preferable because a high concentration of an acid solution may contaminate the environment during disposal treatment.
이와 같이, 알칼리성 물질과 산류 물질은 효율적인 용매 추출을 위해 증류수에 희석된 상태로 사용되는 것이 바람직하다. 본원발명에서는 3차원 세라믹 금형을 알칼리 용액으로 용매 추출하고, 금속 제품을 산 용액으로 용매 추출하여 중공 및 기공이 형성된 금속 제품을 제조할 수 있다.
Thus, it is preferable that the alkaline substance and the acid substance are used in a diluted state in distilled water for efficient solvent extraction. In the present invention, a three-dimensional ceramic mold is solvent-extracted with an alkali solution, and the metal product is subjected to solvent extraction with an acid solution to produce a hollow and pored metal product.
한편, 3차원 세라믹 금형에 나노 입자화 된 희생 입자가 포함될 수 있으며, 이때, 산 용액을 이용하여 3차원 세라믹 금형과 금속 제품에 포함된 희생 입자를 동시에 용매 추출할 수 있다. 또한, 3차원 세라믹 금형과 금속 제품에 서로 다른 재질을 갖는 희생 입자를 포함시키는 경우, 3차원 세라믹 금형과 금속 제품의 희생 입자를 각각 용매 추출할 수 있다.Meanwhile, the three-dimensional ceramic mold may contain nanoparticle-formed sacrificial particles. At this time, the acid solution can be used to simultaneously extract the three-dimensional ceramic mold and the sacrificial particles contained in the metal product. In addition, when the three-dimensional ceramic mold and the metal product include the sacrificial particles having different materials, the sacrificial particles of the three-dimensional ceramic mold and the metal product can be respectively subjected to solvent extraction.
이후에는, 다공성 금속 제품(30)을 증류수, 에탄올 등으로 대략 2~5번 세척한 후 건조시킬 수 있다.
Thereafter, the
이처럼, 본 발명에서는 3D 프린팅을 이용하여 3차원 세라믹 금형을 정밀 제조하고, 금속 제품에 포함된 희생 입자에 대한 선택적 용매 추출 과정에 의해 나노 기공을 포함하는 금속 제품을 제조할 수 있다. 제조된 금속 제품은 속이 비어있는 3차원 형상의 중공을 포함하고, 상기 금속 제품 내부에는 희생 입자가 일부 포함된다. 금속 제품의 외부에는 희생 입자의 선택적 용매 추출에 의해 나노 기공이 형성될 수 있으나, 금속 제품의 내부에는 희생 입자가 완전히 용매 추출이 되지 않아 희생 입자가 일부 잔존하게 된다. 따라서, 금속 제품의 외부에 포함되는 나노 기공의 밀도가 내부에 포함되는 나노 기공의 밀도보다 큰 것을 특징으로 한다.As described above, in the present invention, a three-dimensional ceramic mold can be precisely manufactured using 3D printing, and a metal product including nanopores can be manufactured by a selective solvent extraction process for sacrificial particles contained in a metal product. The manufactured metal product includes hollow voids having a three-dimensional shape, and a part of the sacrificial particles is contained in the metal product. The nanopores may be formed by selective solvent extraction of the sacrificial particles on the outside of the metal product, but the sacrificial particles are not completely extracted into the metal product, so that some of the sacrificial particles remain. Therefore, the density of the nano pores contained in the outside of the metal product is larger than the density of the nano pores contained in the metal product.
예를 들어, 외부에 포함되는 나노 기공의 밀도는 대략 1Х108~9Х109개/cm2일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
For example, the density of nano pores included in the outside may be about 1 × 10 8 to 9 × 10 9 / cm 2 , but the present invention is not limited thereto.
상기 금속 제품을 제조하기 위해 사용되는 이중 세라믹 금형은 금속 주조용 틀 및 상기 틀 내부 공간에 배치된 3차원 세라믹 금형(10)을 포함한다. 상기 3차원 세라믹 금형(10)은 세라믹 분말을 포함하고, 무기질 세라믹 조성물로 표면 처리될 수 있으며, 금속 제품의 제조 방법에서 전술한 바와 같다. The dual ceramic mold used for manufacturing the metal product includes a metal casting mold and a three-dimensional
본 발명에서는 3D 프린팅을 이용하여 고강도(High strength) 및 고경도(High hardness)를 갖는 3차원 세라믹 금형을 제조할 수 있다. 또한, 금속 제품에 포함된 희생 입자를 선택적으로 용매 추출하여 희생 입자 자리에 나노 기공을 형성함으로써, 높은 표면적을 갖는 다공성 금속 제품을 제조할 수 있다.
In the present invention, a 3D ceramic mold having high strength and high hardness can be manufactured by using 3D printing. Further, the porous metal product having a high surface area can be produced by selectively removing the sacrificial particles contained in the metal product by solvent extraction to form nano pores in the sacrificial particle site.
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 : 다공성 금속 제품10: 3D ceramic mold
20: Frame for metal casting
30: Porous metal products
Claims (12)
(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 나노 크기의 희생 입자를 포함하는 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 추출하고, 3차원 세라믹 금형이 용매 추출된 금속을 산 용액에 투입하여 상기 나노 크기의 희생 입자를 선택적으로 용매 추출하는 단계;를 포함하고,
상기 나노 크기의 희생 입자가 선택적으로 추출된 부분에 나노 기공이 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 제품의 제조 방법.
A method of manufacturing a metal product using a dual ceramic mold including a three-dimensional ceramic mold and a metal casting 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 and cooling molten metal including nano-sized sacrificial particles into the inner space of the metal casting mold; And
(c) separating the cooled metal from the mold for metal casting, introducing the metal containing the three-dimensional ceramic mold into an alkaline solution to solvent-extract the three-dimensional ceramic mold, Selectively extracting the nano-sized sacrificial particles by solvent extraction by introducing a solvent-extracted metal into an acid solution,
Wherein nanopores are formed in a portion where the nano-sized sacrificial particles are selectively extracted.
상기 희생 입자의 평균 입경은 1~500nm인 것을 특징으로 하는 금속 제품의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the sacrificial particles have an average particle diameter of 1 to 500 nm.
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 희토류 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 dioxide (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), ruthenium oxide (RuO 2 ) and rare earth oxides Of the metal product.
상기 금속은 용융된 금속 및 희생 입자 100중량%에 대하여, 용융된 금속 50~90중량% 및 희생 입자 10~50중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 제품의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal comprises 50 to 90% by weight of the molten metal and 10 to 50% by weight of the sacrificial particles, based on 100% by weight of the molten metal and the sacrificial particles.
상기 산 용액은 증류수와 질산, 염산, 황산, 불산, 인산 또는 아세트산을 포함하는 산류 물질을 포함하되, 상기 증류수와 산류 물질 100중량%에 대하여, 상기 산류 물질은 30~80중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 금속 제품의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the acid solution comprises distilled water and an acid material including nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, phosphoric acid, or acetic acid, wherein the acid material is contained in an amount of 30 to 80 wt% based on 100 wt% of the distilled water and the acid material ≪ / RTI >
상기 3차원 세라믹 금형은 무기질 세라믹 조성물로 표면 처리되는 것을 특징으로 하는 금속 제품의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the three-dimensional ceramic mold is surface-treated with an inorganic ceramic composition.
상기 (c) 단계 이후에,
(d) 상기 금속 내부에 상기 산 용액을 투입하여 금속 외부에 존재하는 상기 나노 크기의 희생 입자를 완전히 용매 추출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 제품의 제조 방법.
The method according to claim 1,
After the step (c)
(d) adding the acid solution into the metal to completely extract the nano-sized sacrificial particles existing outside the metal by solvent extraction.
상기 (d) 단계 이후에,
(e) 상기 (d) 단계의 결과물을 세척 및 건조하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 제품의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
After the step (d)
(e) washing and drying the resultant product of step (d).
상기 금속 제품은 속이 비어있는 3차원 형상의 중공을 포함하고,
상기 금속 제품 내부에 희생 입자가 일부 포함되며,
상기 금속 제품의 외부에 포함되는 나노 기공의 밀도가 내부에 포함되는 나노 기공의 밀도보다 큰 것을 특징으로 하는 금속 제품.
In a metal product comprising nanopores,
Wherein the metal product comprises hollow hollow bodies of three-dimensional shape,
Wherein a part of the sacrificial particles is contained in the metal product,
Wherein the density of the nano pores contained in the outside of the metal product is greater than the density of the nano pores contained in the metal product.
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Legal Events
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AMND | Amendment | ||
E601 | Decision to refuse application | ||
AMND | Amendment | ||
X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
GRNT | Written decision to grant |