KR102127653B1 - 주조용 중자 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주조 시 캐비티에 삽입되는 중자의 제조방법에 관한 것으로서, 성형하고자 하는 중자를 저면으로부터 일정한 단위높이로 분할하여 데이터화함으로써 다수의 중자층 데이터를 준비하는 제1 단계와; 수직으로 연장 형성된 함체의 바닥면을 이루어 높이조절이 가능한 플레이트 상에 상기 플레이트의 면적에 상기 단위높이를 곱하여 얻어지는 부피만큼 레진이 코팅된 모래를 공급하는 제2 단계와; 상기 플레이트 상에 상기 레진이 코팅된 모래를 평탄화하여 상기 단위높이의 코팅모래층을 형성하는 제3 단계와; 상기 다수의 중자층 데이터의 제1 중자층 데이터에 따라 상기 함체의 상부에서 레이저 헤드를 수평면상의 x축과 y축으로 위치제어 해가면서 상기 코팅모래층을 향해 레이저를 조사하여 모래 간 레진의 어닐링에 의한 결합을 일으키도록 함으로써 제1 중자층을 성형하는 제4 단계; 및 상기 함체 내에서 상기 플레이트를 상기 단위높이만큼 하강시켜 가면서 상기 다수의 중자층 데이터의 나머지 중자층 데이터에 따라 각각 상기 제2 내지 제4 단계를 반복 수행하여 다수의 적층된 중자층을 성형함으로써 상기 중자 전체의 성형을 달성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해,중자 가스의 발생을 최소화함은 물론 중자의 형상 구현의 자유도를 확보할 수 있다.

Description

주조용 중자 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING CORE FOR CASTING}

본 발명은 주조 시 캐비티에 삽입되는 중자(core)의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모래와 레진(resin)을 재료로 하는 중자의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 주조용 중자는 레진이 코팅된 모래(중자사)를 100~300℃의 금형에 주입하여 형상을 성형하는 공법으로 레진을 매개로 하여 모래 사이에 결합이 유지된다. 복잡한 구조의 중자는 형태상 후육부와 박육부가 공존하게 되는데 금형 내에서 균일한 온도와 시간으로 성형됨에 따라 중자 내부에 미처 가열로 녹지 못한 레진이 남아있는 경우가 있다. 이런 경우에 주조 금형 내에서 600~700℃인 고온의 용융금속과 만나게 되면 상기 남아있는 레진이 타게 되어 다량의 중자 가스가 발생, 성형될 주조품 내부로 침투하여 제품의 결함을 발생시키게 된다는 문제가 있었다.

또한, 금형을 이용하여 성형되는 중자는 역구배 및 복잡한 형상을 구현하기 어렵기 때문에 다분할된 중자를 본드 및 결합패드 등을 이용하여 서로 결합하여 사용되는 불편함이 있으며, 이로 인해 본딩 불량으로 인한 주조제품의 불량이 다수 발생하고, 교정을 위한 후속공정이 필요하게 되므로 전체 공정시간이 증가한다는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 중자 가스의 발생을 최소화함은 물론 형상 구현의 자유도를 확보할 수 있는 주조용 중자 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 주조용 중자 제조방법에 있어서, 성형하고자 하는 중자를 저면으로부터 일정한 단위높이로 분할하여 데이터화함으로써 다수의 중자층 데이터를 준비하는 제1 단계와; 수직으로 연장 형성된 함체의 바닥면을 이루어 높이조절이 가능한 플레이트 상에 상기 플레이트의 면적에 상기 단위높이를 곱하여 얻어지는 부피만큼 레진이 코팅된 모래를 공급하는 제2 단계와; 상기 플레이트 상에 상기 레진이 코팅된 모래를 평탄화하여 상기 단위높이의 코팅모래층을 형성하는 제3 단계와; 상기 다수의 중자층 데이터의 제1 중자층 데이터에 따라 상기 함체의 상부에서 레이저 헤드를 수평면상의 x축과 y축으로 위치제어 해가면서 상기 코팅모래층을 향해 레이저를 조사하여 모래 간 레진의 어닐링에 의한 결합을 일으키도록 함으로써 제1 중자층을 성형하는 제4 단계; 및 상기 함체 내에서 상기 플레이트를 상기 단위높이만큼 하강시켜 가면서 상기 다수의 중자층 데이터의 나머지 중자층 데이터에 따라 각각 상기 제2 내지 제4 단계를 반복 수행하여 다수의 적층된 중자층을 성형함으로써 상기 중자 전체의 성형을 달성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주조용 중자 제조방법을 제공한다.

여기서, 상기 제4단계는, 상기 제1 중자층의 테두리 영역에 대해서만 상기 레이저를 조사하여 상기 모래 간 레진의 어닐링에 의한 결합으로 일정 두께로 성형하고, 상기 테두리 영역을 제외한 내부영역에 대하여는 상기 레이저 조사를 생략할 수도 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 주조용 중자 제조방법에 의하면, 플레이트 상에 단위높이로 공급 및 평탄화된 코팅모래층에 대하여 3D 프린팅 방식으로 레이저 어닐링을 수행하여 다수의 중자층을 적층 구현하는 방식으로 전체 중자를 얻을 수 있으므로 역구배나 복잡한 형상을 쉽게 구현할 수 있다. 따라서, 기존의 5~7개의 중자를 본딩하여 복잡한 코어를 제조하던 공법을 대체하여 모든 중자를 결합한 형상의 단일화된 중자에 대한 3D 프린팅 방식의 제조방법만으로도 구현해낼 수 있다.

또한, 이와 같은 3D 프린팅 방식의 레이저 어닐링이 이루어지는 코팅모래층은 최종 성형될 중자의 후육부와 박육부를 막론하고 모든 부위에서 단위높이만큼씩만 성형되므로 최종적으로 얻어지는 중자 내부에는 성형되지 못한 레진이 남아있지 않으므로 주조 금형 내에서 고온의 용융금속과 만나게 되더라도 중자 가스를 발생시키지 않는다.

또한, 중자의 테두리 영역만을 레이저 어닐링 하는 기법을 통해 상대적으로 낮은 밀도의 중자를 제작할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 주조용 중자 제조방법에 사용되는 중자 제조장치의 평면도,
도 2는 도 1의 중자 제조장치를 구성하는 함체 및 관련구성들의 개략 사시도,
도 3은 도 2의 함체에 레진이 코팅된 모래를 공급하는 모습을 도시한 개략 사시도,
도 4는 코팅모래층이 형성된 도 1의 중자 제조장치에서 중자층을 형성하는 모습을 도시한 단면도,
도 5는 도 4의 레이저 헤드에서 조사되는 레이저에 의한 코팅모래의 어닐링 현상을 설명하기 위한 개략도,
도 6은 도 4의 공정을 수행하여 얻어질 수 있는 중자의 사진이다.

본 발명의 실시예에 따른 주조용 중자 제조방법은 도 1의 중자 제조장치(100)를 이용하여 실시된다. 중자 제조장치(100)는 성형의 재료가 되는, 레진이 코팅된 모래가 투입되는 함체(110)와 그 상부에 메인축(121)과 가동축(122)에 의해 수평면상으로 위치제어가 가능한 레이저 헤드(123)를 포함한다.

수직으로 연장 형성되는 함체(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 내측의 바닥면을 이루는 플레이트(130)가 높이조절이 가능하도록 구비된다. 이에 따라, 플레이트(130)는 함체(100)의 상단면으로부터 일정한 단위높이(h)만큼 하강한 도 3의 상태에서 플레이트(130) 상으로 레진이 코팅된 모래(이하, '코팅모래'라 한다)를 공급한다. 공급된 코팅모래에 대해서는 도 2에 도시된 바와 같이 함체(110)의 최상단에 수평으로 배치되는 롤(140)을 왕복 구동시킴으로써 플레이트(130) 상의 코팅모래를 평탄화하여 플레이트(130)의 면적에 상기 단위높이(h)만큼의 부피를 갖는 제1 코팅모래층을 구현한다.

한편, 상기 중자 제조장치(100)를 이용하여 성형하고자 하는 중자로부터 상기 단위높이(h)로 분할하여 얻어지는 다수의 중자층에 대하여 각각의 중자층 데이터를 미리 준비한다.

이에 따라, 상기 플레이트(130) 상에 단위높이(h)의 제1 중자층에 대하여 상기 다수의 중자층 데이터의 하단을 이루는 제1 중자층 데이터에 따라 도 1의 메인축(121)과 가동축(122)을 이용하여 레이저 헤드(123)를 수평면상의 x축과 y축으로 위치제어 해가면서 상기 제1 중자층을 향해 수직으로 레이저를 조사한다.

레이저 헤드(123)로부터 조사되는 레이저에 의해 상기 제1 중자층 내의 코팅모래는 도 5에 도시된 바와 같이 200~400℃로 어닐링(annealing)이 이루어져 모래(1) 표면에 코팅된 레진(R)이 어닐링으로 녹아 이웃하는 모래(1)가 어닐링된 레진(R)으로 인해 서로 결합하게 된다. 이와 같이 제1 중자층에 속하는 모든 코팅모래에 대하여 레이저 어닐링을 수행함으로써 일체화된 제1 중자층을 성형한다.

이와 같이, 제1 중자층의 성형이 완료되면 도 3의 플레이트(130)는 다시 단위높이(h)만큼 더 하강하고, 코팅모래가 공급된 다음 도 2에 도시된 바와 같이 롤(140)의 왕복으로 평탄화됨으로써 제2 코팅모래층이 상기한 제1 코팅모래층 상에 적층된 형태로 구현된다. 그리고, 상기 다수의 중자층 데이터의 하단으로부터 제2층을 이루는 제2 중자층 데이터에 따라 도 1의 메인축(121)과 가동축(122)을 이용하여 레이저 헤드(123)를 수평면상의 x축과 y축으로 위치제어 해가면서 상기 제2 코팅모래층을 향해 수직으로 레이저를 조사한다. 이와 같이, 제2 중자층에 속하는 모든 코팅모래에 대하여 레이저 어닐링을 수행함으로써 제1 중자층 상에 일체화되어 적층된 제2 중자층을 성형한다.

상기한 방식의 중자층의 적층 성형이 층마다 반복적으로 수행되는 모습은 도 4에 도시된 바와 같으며, 성형하고자 하는 중자를 이루는 모든 중자층 데이터에 대한 성형을 완료함으로써 비로소 전체 중자의 성형이 달성된다.

이와 같이 성형되는 중자는 도 6에 도시된 바와 같이 복잡한 형상의 중자(3)로 구현될 수 있다. 종래기술에 의해 이러한 중자(3)를 제작하기 위해서는 4분할 이상으로 분할하여 각기 성형한 다음 서로 본딩하는 과정을 거쳐 일체화함으로써 달성할 수 있었다.

한편, 상기 중자층의 형성 과정에서 레이저 조사에 의한 어닐링 부위를 해당 중자층의 테두리 영역으로 한정시킬 수도 있다.

예를 들어, 도 4를 참조하면 레이저 헤드(123)로 어닐링을 수행하는 중자층(2a)을 그 테두리 부위(2b, 2c)로 한정하는 것이다. 테두리 부위(2b, 2c)에서 내측으로 소정의 폭까지만 레이저 어닐링을 수행하여 그만큼의 두께만을 갖는 중자(2)를 구현하는 것이다. 이 경우 중자(2)의 외부 표면으로부터 일정 두께의 내측으로는 레이저 조사에 의한 어닐링이 생략됨으로써 전체 중자의 제작이 완료된 다음 구멍을 내어 내측의 코팅모래를 빼내어 제거할 수도 있다. 따라서, 이러한 방식으로 제작되는 중자는 훨씬 더 낮은 밀도의 중자가 된다.

한편, 이상에서 설명된 주조용 중자 제조방법은 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 실시예에 불과하므로 후술하는 특허청구범위 및 그 균등범위에 의해 정하여지는 본 발명의 권리범위 내지 기술적 범위는 상기 설명된 바에 한정되지 않는다.

1: 모래
2: 중자
2a: 중자층
2b, 2c: 테두리 부위
3: 중자
100: 중자 제조장치
110: 함체
121: 메인축
122: 가동축
123: 레이저 헤드
130: 플레이트
140: 롤

Claims (2)

1. 주조용 중자 제조방법에 있어서,
   성형하고자 하는 중자를 저면으로부터 일정한 단위높이로 분할하여 데이터화함으로써 다수의 중자층 데이터를 준비하는 제1 단계와;
   수직으로 연장 형성된 함체의 바닥면을 이루어 높이조절이 가능한 플레이트를 상기 함체의 상단면으로부터 상기 단위높이만큼 하강시키고, 상기 플레이트 상에 레진이 코팅된 모래를 공급하는 제2 단계와;
   상기 함체의 최상단에 수평으로 배치되는 롤을 왕복구동시킴으로써 상기 플레이트 상의 상기 레진이 코팅된 모래를 평탄화하여 상기 플레이트의 면적에 상기 단위높이를 곱하여 얻어지는 부피만큼의 코팅모래층을 형성하는 제3 단계와;
   상기 다수의 중자층 데이터의 제1 중자층 데이터에 따라 상기 함체의 상부에서 레이저 헤드를 수평면상의 x축과 y축으로 위치제어 해가면서 상기 코팅모래층을 향해 레이저를 조사하여 모래 간 레진의 어닐링에 의한 결합을 일으키도록 함으로써 제1 중자층을 성형하는 제4 단계; 및
   상기 함체 내에서 상기 플레이트를 상기 단위높이만큼 하강시켜 가면서 상기 다수의 중자층 데이터의 나머지 중자층 데이터에 따라 각각 상기 제2 내지 제4 단계를 반복 수행하여 다수의 적층된 중자층을 성형함으로써 상기 중자 전체의 성형을 달성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주조용 중자 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제4단계는,
   상기 제1 중자층의 테두리 영역에 대해서만 상기 레이저를 조사하여 상기 모래 간 레진의 어닐링에 의한 결합으로 일정 두께로 성형하고, 상기 테두리 영역을 제외한 내부영역에 대하여는 상기 레이저 조사를 생략하는 것을 특징으로 하는 주조용 중자 제조방법.

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