KR102166217B1 - 3d 프린팅을 이용한 왁스 주조패턴의 제조방법 - Google Patents

Abstract

3D 프린팅을 이용한 왁스 주조패턴의 제조방법이 제공된다.
본 발명은. 3D 프린팅기술을 이용하여 냉각채널이 내부에 구비된 폴리머 몰드를 제조하는 공정; 상기 폴리머 몰드의 표면이 12.5㎛ Ra 이하의 표면조도, 65 mN/m 이하의 표면에너지 및 40 Hs 이상의 경도를 가질 수 있도록 그 표면을 개질하는 공정; 상기 표면개질된 폴리머 몰드 내부에 용융 왁스를 주입한 후, 이를 냉각함으로써 왁스 패턴을 사출하는 공정; 및 상기 왁스 패턴을 취출하는 공정;을 포함하고, 상기 왁스 패턴 사출시, 취출핀이 위치한 가동측 몰드의 온도를 취출핀이 위치하지 않는 고정측 몰드의 온도보다 3~20℃ 낮게 유지되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용하여 제조된 폴리머 몰드를 이용한 왁스 주조패턴의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

3D 프린팅을 이용한 왁스 주조패턴의 제조방법{Manufacturing method of wax casting patterns using 3D printing}

본 발명은 3D 프린팅을 이용한 왁스 주조패턴의 제조방법에 관한 것이다.

정밀주조기술은 미려한 표면조도, 높은 치수 정밀도, 설계의 유연성, 복잡형상의 일체형 부품 제조, 철계 및 비철계 합금에 걸친 폭 넓은 적용 가능성 등 많은 장점을 지닌 주조공정임에도 불구하고, 제조공정이 길고 제조원가가 비싸다는 단점으로 인하여 자동차 부품 생산 등에 대한 광범위한 적용이 제한적이었다.

최근에는 3D 프린팅 기술을 접목함으로써 이러한 품질-생산성의 딜레마를 해결하기 위한 광범위한 연구가 이루어고 있다. 3D 프린팅 기술은 시제품의 제작기간과 비용 절감, 다품종 소량생산 용이, 디지털 설계 방식, 제조공정의 간소화 등의 장점이 있어 고객 맞춤형 유연생산에 적합한 생산기술로 알려져 있다.

정밀주조기술 분야에 3D 프린팅 기술의 적용을 위해 시도되고 있는 것들로서는 금속 다이렉트 프린팅에 의한 시제품 제작, 왁스 프린팅에 의한 주조패턴 제작, 용탕 주입용 세라믹 몰드의 프린팅, 왁스패턴 사출용 폴리머 몰드 프린팅, 금속 다이렉트 프린팅에 의한 왁스패턴 사출 몰드 제작 등이 있는데, 소비자 맞춤형 생산 추세 하에서의 경제성을 확보하기 위해서는 생산량별로 3D 프린팅 기술의 적용방식이 결정되어야 한다.

정밀주조 부품의 성능, 가격 및 납기의 보틀넥으로 작용하는 있는 공정은 왁스패턴 제조 공정이다. 3D 왁스패턴 제조공정의 납기를 줄이고 제조원가를 저감하기 위한 일환으로서, 왁스 프린팅에 의한 주조패턴 제작, 세라믹 주형의 프린팅, 왁스패턴 사출용 폴리머 몰드 프린팅, 금속 다이렉트 프린팅에 의한 왁스패턴 사출 몰드 제작 등이 있다. 기존 정밀주조용 왁스패턴 사출용 알루미늄 몰드를 준비하는 데에만 8주 이상의 긴 납기가 소요되지만, 3D 프린팅 공정을 이용하여 왁스패턴 또는 세라믹 몰드를 직접 제조하거나 왁스패턴 사출 몰드를 제조하는 데 소요되는 시간은 수 일 이내이다.　　

상기 정밀주조용 왁스패턴 생산공정에 적용되는 3D 프린팅 응용기술 중 수천~수십만 개 부품을 생산하는 세미 대량생산 체제에는 왁스패턴 사출용 폴리머 몰드 프린팅 기술이 가장 경제적이다. 왁스 프린팅에 의한 주조패턴 제작과 세라믹 몰드의 프린팅 기술은 수십~수백 개의 소량 부품 생산을 하는데 적합한 방식이며, 세미대량~대량생산을 위해서는 고가의 3D 프린터들을 추가로 설치하여야 하는 문제점이 있다. 또한 금속 다이렉트 프린팅에 의한 왁스패턴 사출 몰드 제작 방식은 프린팅용 금속분발 소재의 높은 가격 등의 문제로 인해 수백만 개 정도의 부품을 생산하는 대량생산 체제에서 경제성을 획득할 수 있는 상황이다.

하지만 수천~수십만 개 부품을 생산하는 세미 대량생산 체제에서 왁스패턴을 생산하는 공정에 기존의 알루미늄 재질 몰드을 대체하여 3D 프린팅으로 제작한 폴리머 돌드을 적용하는 데에는 아직 많은 기술적 어려움들이 산적해 있다. 알루미늄 재질 몰드 대비 거친 폴리머 몰드의 표면조도, 낮은 열전도도와 내열성 등으로 인해, 폴리머 몰드로부터 왁스패턴의 취출 어려움, 몰드의 사용수명 단축, 왁스패턴의 결함 생성, 공정 싸이클 타임의 증가 등의 문제점이 있다.

일본 공개특허공보 1997-182936호

본 발명은 수천 개 내외의 정밀주조용 왁스패턴을 생산하기 위한 것으로, 3D 프린팅을 이용하여 폴리머 재질 몰드를 제조하고, 이를 이용하여 왁스 주조패턴을 제조하는 3D 프린팅을 이용한 왁스 주조패턴의 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명 명세서의 전반적인 사항으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일측면은, 3D 프린팅기술을 이용하여 냉각채널이 내부에 구비된 폴리머 몰드를 제조하는 공정; 상기 폴리머 몰드의 표면이 12.5㎛ Ra 이하의 표면조도, 65 mN/m 이하의 표면에너지 및 40 Hs 이상의 경도를 가질 수 있도록 그 표면을 개질하는 공정; 상기 표면 개질된 폴리머 몰드 내부에 용융 왁스를 주입한 후, 이를 냉각함으로써 왁스 패턴을 사출하는 공정; 및 상기 왁스 패턴을 취출하는 공정;을 포함하고,

상기 왁스 패턴 사출시, 취출핀이 위치한 가동측 몰드의 온도를 취출핀이 위치하지 않는 고정측 몰드의 온도보다 3~20℃ 낮게 유지되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용하여 제조된 폴리머 몰드를 이용한 왁스 주조패턴의 제조 방법에 관한 것이다.

상기 폴리머 몰드의 표면은 코팅법, 도금법 및 기계연마법 중 1 종 이상을 이용하여 개질 할 수 있다.

상기 코팅법은, 상기 폴리머 몰드 표면에, 경화 전 0.1~1,000cP 범위의 점도와 경화 후 65mN/m 이하의 표면에너지를 갖는 경화형 폴리머를 코팅한 후, 이를 열경화 또는 자외선경화시키는 방법일 수 있다.

상기 코팅법은, 상기 폴리머 몰드 표면에, 경화형 규산염을 도포한 후, 이를 이산화탄소 취입에 의한 화학적 경화 또는 건조 경화시키는 방법일 수 있다.

상술한 구성의 본 발명에 따르면, 3D 프린팅으로 제조한 몰드로부터 왁스패턴의 취출성 향상, 패턴 변형과 파손 방지 및 몰드 사용수명 향상이 가능하다.

또한 3D 프린팅으로 제조한 폴리머 재질 몰드를 이용하여 정밀주조용 왁스패턴을 경제성 있게 소량~세미대량 생산할 수 있다.

본 발명에 따르면 정밀주조 왁스패턴 사출용 몰드의 제조기간을 단축할 수 있으며 제조원가도 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 3D 프린팅으로 제조된 폴리머 몰드 표면에 종래의 열경화성 수지를 코팅할때의 모습을 보이는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 3D 프린팅으로 제조된 폴리머 몰드 표면에 열경화성 수지를 코팅할때의 모습을 보이는 개략도이다.
도 3은 왁스패턴을 사출 시, 사출된 왁스패턴의 형상을 나타내는 사진으로서, (a)는 3D 프린팅으로 제조한 폴리머 몰드의 표면을 개질하지 않고 냉각도 하지 않은 경우로서 왁스 응고층이 고정측 및 가동측 몰드 표면 양쪽에 모두 결착되어 취출 도중 왁스패턴이 변형/파손되어 있는 모습을, (b)는 3D 프린팅으로 제조한 폴리머 몰드 표면을 개질하고 폴리머 몰드 내부에 구비된 냉각채널을 이용하여 냉각을 실시하였으나, 취출핀이 있는 가동측 몰드의 온도가 고정측 몰드의 온도보다 3℃ 이상 낮지 않아 왁스 응고층이 3D 프린팅한 폴리머 재질 몰드 표면에 결착되어 고정측 몰드에 왁스패턴이 남아 취출이 불가능한 경우를, 그리고 (c)는 정상적으로 왁스패턴이 취출된 경우를 나타내는 사진이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은 정밀주조용 왁스패턴을 사출할 수 있는 몰드를 제조하는데 있어서, 3D 프린팅기술을 이용하여 냉각채널이 내부에 구비된 폴리머 재질 몰드를 프린팅하며, 이 3D 프린팅한 폴리머 재질 몰드의 표면조도와 표면에너지는 낮추고 표면경도는 높이는 표면을 개질한 후, 폴리머 재질 몰드의 가동측 몰드와 고정측 몰드의 냉각 싸이클을 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 폴리머 재질 몰드를 이용한 왁스 주조패턴의 제조 방법을 제공함을 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 3D 프린팅을 이용한 왁스 주조패턴 제조방법은, 3D 프린팅기술을 이용하여 냉각채널이 내부에 구비된 폴리머 몰드를 제조하는 공정; 상기 폴리머 몰드의 표면이 12.5㎛ Ra 이하의 표면조도, 65 mN/m 이하의 표면에너지 및 40 Hs 이상의 경도를 가질 수 있도록 그 표면을 개질하는 공정; 상기 표면 개질된 폴리머 몰드 내부에 용융 왁스를 주입한 후, 이를 냉각함으로써 왁스 패턴을 사출하는 공정; 및 상기 왁스 패턴을 취출하는 공정;을 포함하고, 상기 왁스 패턴 사출시, 취출핀이 위치한 가동측 몰드의 온도를 취출핀이 위치하지 않는 고정측 몰드의 온도보다 3~20℃ 낮게 유지되도록 제어한다.

먼저, 본 발명에서는 3D 프린팅기술을 이용하여 냉각채널이 내부에 구비된 폴리머 몰드를 제조한다.

본 발명에서는 정밀주조용 왁스패턴을 사출함에 있어서, 종래의 알루미늄 재질 몰드 대비 열전도도와 내열성이 현격히 낮은 3D 프린팅공정으로 인쇄된 폴리머 재질 몰드를 사용한다. 그리고 이러한 폴리머 재질의 몰드를 사용하면서도 왁스패턴의 취출을 가능하게 하며, 적정 사출 싸이클 타임과 몰드 사용수명을 얻기 위해서는, 몰드 캐비티 형상에 따라 냉각효율을 극대화할 수 있는 등냉각채널(conformal cooling channel)이 몰드 내부에 포함되어 있는 것이 바람직하며, 등냉각채널이 내부에 포함되어 있는 폴리머 재질 몰드 제조는 3D 프린팅을 활용할 수 있다.　　

이어, 본 발명에서는 상기 폴리머 몰드의 표면이 12.5㎛ Ra 이하의 표면조도, 65 mN/m 이하의 표면에너지 및 40 Hs 이상의 경도를 가질 수 있도록 그 표면을 개질한다.

3D 프린팅 방식으로 제조된 폴리머 몰드는 제조공정 특성 상 표면 조도가 크기 때문에(최대 100㎛ Ra), 왁스 패턴이 몰드 표면에 결착이 되기 쉬워 왁스패턴 취출 시 왁스패턴이 파손될 수 있다. 또한 표면결함 발생으로 최종 제품의 품질저하를 유발하거나 몰드의 사용수명이 저하될 수 있다.

이러한 문제를 방지하기 위한 수단으로서, 본 발명에서는 상기 3D 프린팅한 폴리머 재질 몰드의 표면을 개질하는 공정을 추가적으로 실시한다.

왁스패턴의 취출성 향상을 위해서는 용융 왁스와 폴리머 재질 몰드 표면의 젖음성이 충분히 낮아야 하며, 이를 위해서는 표면처리 후 폴리머 몰드 표면은 12.5㎛ Ra 이하의 표면조도를 가져야 하며, 나아가, 65 mN/m 이하의 표면에너지를 가지는 것이 바람직하다. 만일 표면 개질후 폴리머 몰드 표면조도가 12.5㎛ Ra를 초과할 경우, 왁스의 몰드표면 결착으로 인해 취출이 용이하지 않아 왁스패턴의 파손, 형상 변형, 표면 결함이 형성되는 등 문제가 발생할 수 있다. 그리고 몰드의 표면에너지가 65 mN/m을 초과할 경우, 왁스의 표면에너지보다 크기 때문에 몰드 표면에 대한 젖음성이 높아 왁스패턴의 취출이 용이하지 않게 될 수 있다.

한편 폴리머 재질 몰드의 사용수명을 향상시키기 위해서는 취출 시, 왁스패턴과의 마찰로 인한 스크래치, 마모 등 기계적인 손상을 저감시켜야 하며, 이를 위해서는 표면 개질후 폴리머 몰드 표면은 40 Hs 이상의 경도를 가져야 한다. 만일 폴리머 몰드 표면 경도가 40 Hs 미만일 경우, 왁스의 경도보다 낮기 때문에 스크래치, 마모 등의 발생으로 폴리머 몰드의 수명 저하는 물론 왁스패턴의 표면 품질을 저하시킬 수 있다.

본 발명에서는 왁스패턴의 취출성 및 금형 수명 향상 및 왁스패턴 표면결함 생성 방지를 위한 3D 프린팅한 폴리머 재질 몰드의 표면개질 처리는 코팅법, 기계연마법, 도금법 중 하나 또는 이들의 조합을 이용하여 실시할 수 있다.

상기 코팅법은 3D 프린팅한 폴리머 재질 몰드의 표면조도와 젖음성을 낮추고 경도를 향상시키는데 효과적이다. 상기 코팅재료는 경화형 폴리머 또는 경화형 규산염을 이용하며, 경화 전 0.1~1,000 cP 범위의 점도와 경화 후 65 mN/m 이하의 표면에너지와 40 Hs 이상의 경도를 가진 재료가 바람직하다. 만일 코팅재료의 점도가 0.1 cP 미만일 경우 몰드 표면에 도포가 어려우며, 1,000 cP를 초과할 경우에는 도 1에나타난 바와 같이, 몰드표면의 조도가 코팅면에도 나타나게 되어 몰드표면의 조도를 낮추기 어렵다. 도 2에 나타난 바와 같이, 경화 전 0.1~1,000 cP 범위의 점도를 갖는 코팅제를 이용하여 폴리머 몰드 표면을 처리함으로써 몰드 표면 조도를 효과적으로 낮출 수 있다.

그리고 상기 코팅재료의 표면에너지가 65 mN/m을 초과할 경우에는 폴리머 재질 몰드의 표면에 대한 젖음성이 낮아 코팅층을 형성하기가 어렵고, 또한 코팅재료의 표면에너지가 왁스의 표면에너지보다 크기 때문에 왁스패턴의 코팅면에 대한 젖음성이 높아 왁스 취출이 용이하지 않게 될 수 있다.

이와 같이, 3D 프린팅한 폴리머 재질 몰드 표면에 코팅된 경화형 폴리머는 열경화 또는 자외선경화 방법으로 경화되어 견고한 코팅층을 형성하게 되며, 경화형 규산염은 도포 후 이산화탄소 취입 등을 이용한 화학적 경화 또는 건조 경화시켜 견고한 코팅층을 형성시킬 수 있다.

또한 상기 도금법은 물리기상증착법과 같은 건식법과 화학기상증착법, 무전해도금과 같은 습식법으로 3D 프린팅한 폴리머 재질 몰드 표면에 금속막을 형성시키는 방법을 말하며, 3D프린팅한 폴리머 재질 몰드의 표면경도를 높이고 표면조도를 낮출 수 있다.

나아가, 상기 기계연마법은 절삭가공, 그라인딩, 블라스팅(워터젯 블라스팅, 샌드 블라스팅 등)의 방법을 말하며 3D 프린팅한 폴리머 재질 몰드가 65 mN/m 이하의 표면에너지와 40 Hs 이상의 표면경도를 보유한 경우 표면조도를 12.5㎛Ra 이하가 되도록 실시할 수 있다.

후속하여, 발명에서는 상기 표면개질된 폴리머 몰드 내부에 용융 왁스를 주입한 후, 이를 냉각함으로써 왁스 패턴을 사출하고, 이어 취출된다. 폴리머 몰드의 냉각이 적절히 이루어지지 않으면 우선, 몰드 표면 온도 상승에 따른 몰드 표면에너지가 증가하게 되어 용융 왁스의 젖음성이 높아져 왁스패턴의 취출 특성이 나빠지는 문제점이 있다. 또한 폴리머 몰드의 냉각이 적절히 이루어지지 않으면 왁스 사출 공정의 싸이클 타임이 증가하고 몰드 사용 수명이 감소하여 결국 생산성이 떨어지는 문제점도 발생하게 된다.

따라서 본 발명에서는 전술한 바와 같은, 3D 프린팅기술을 이용 냉각채널이 내부에 구비되어 있으며 표면개질된 폴리머 재질 몰드를 이용하여 왁스패턴을 사출시, 용융 왁스를 몰드 캐비티 내로 사출하는 시점 기준으로 취출핀이 위치한 가동측 몰드의 온도가 취출핀이 위치하지 않는 고정측 몰드의 온도보다 3~20℃ 낮게 유지되도록 냉각 싸이클을 독립적으로 제어하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 왁스의 응고층이 가동측 몰드에 먼저 형성되게 하여 고정측 몰드 표면에 왁스패턴이 결착되는 것을 방지할 수 있어, 취출핀을 이용한 왁스패턴의 취출을 가능하게 할 수 있다

도 3은 왁스패턴을 사출 시, 사출된 왁스패턴의 형상을 나타내는 사진으로서, (a)는 3D 프린팅으로 제조한 폴리머 몰드의 표면을 개질하지 않고 냉각도 하지 않은 경우로서 왁스 응고층이 고정측 및 가동측 몰드 표면 양쪽에 모두 결착되어 취출 도중 왁스패턴이 변형/파손되어 있는 모습을, (b)는 3D 프린팅으로 제조한 폴리머 몰드 표면을 개질하고 폴리머 몰드 내부에 구비된 냉각채널을 이용하여 냉각을 실시하였으나, 취출핀이 있는 가동측 몰드의 온도가 고정측 몰드의 온도보다 3℃ 이상 낮지 않아 왁스 응고층이 3D 프린팅한 폴리머 재질 몰드 표면에 결착되어 고정측 몰드에 왁스패턴이 남아 취출이 불가능한 경우를, 그리고 (c)는 3D 프린팅으로 제조한 폴리머 몰드 표면을 개질하고 폴리머 몰드 내부에 구비된 냉각채널을 이용하여 가동측 몰드의 온도를 고정측 몰드의 온도보다 3℃ 이상 낮게 유지하도록 냉각한 결과 정상적으로 왁스패턴이 취출된 경우를 나타내는 사진이다.

만일 취출핀이 위치한 가동측 몰드의 온도가 고정측 몰드의 온도보다 3℃ 이상 낮지 않으면 왁스 응고층이 양측 몰드 표면에 동시에 형성되면서 거친 표면조도를 갖는 3D 프린팅한 폴리머 재질 몰드 표면에 결착되어 도 3(a)와 같이, 왁스패턴이 파손 또는 변형되거나, 도 3(b)와 같이, 고정측 몰드에 왁스패턴이 남아 취출이 불가능하게 될 수 있다.

한편 상기 가동측 몰드의 온도를 고정측 몰드의 온도보다 20℃ 이상 과도하게 유지하면 왁스패턴 취출은 가능하지만, 냉각시간이 길어져 사출 싸이클 타임이 늘어나거나 고정측 몰드의 온도가 고온에 장시간 유지되는 상황에서 몰드 형압과 및 왁스 사출압을 받게 되어 몰드 변형 또는 사용수명이 단축되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 구현 예 및 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 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 구현 예 및 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해 해야만 한다.

Claims (4)

1. 3D 프린팅기술을 이용하여 냉각채널이 내부에 구비된 폴리머 몰드를 제조하는 공정; 상기 폴리머 몰드의 표면이 12.5㎛ Ra 이하의 표면조도, 65 mN/m 이하의 표면에너지 및 40 Hs 이상의 경도를 가질 수 있도록 그 표면을 개질하는 공정; 상기 표면개질된 폴리머 몰드 내부에 용융 왁스를 주입한 후, 이를 냉각함으로써 왁스 패턴을 사출하는 공정; 및 상기 왁스 패턴을 취출하는 공정;을 포함하고,
   상기 왁스 패턴 사출시, 취출핀이 위치한 가동측 몰드의 온도를 취출핀이 위치하지 않는 고정측 몰드의 온도보다 3~20℃ 낮게 유지되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용하여 제조된 폴리머 몰드를 이용한 왁스 주조패턴의 제조 방법.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 폴리머 몰드의 표면 개질은 코팅법, 도금법 및 기계연마법 중 1 종 이상을 이용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용하여 제조된 폴리머 몰드를 이용한 왁스 주조패턴의 제조 방법.
   
3. 제 2항에 있어서, 상기 코팅법은, 상기 폴리머 몰드 표면에, 경화 전 0.1~1,000cP 범위의 점도와 경화 후 65mN/m 이하의 표면에너지를 갖는 경화형 폴리머를 코팅한 후, 이를 열경화 또는 자외선경화시키는 방법인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용하여 제조된 폴리머 몰드를 이용한 왁스 주조패턴의 제조 방법.
   
4. 제 2항에 있어서, 상기 코팅법은, 상기 폴리머 몰드 표면에, 경화 전 0.1~1,000cP 범위의 점도와 경화 후 65mN/m 이하의 표면에너지를 갖는 경화형 규산염을 도포한 후, 이를 이산화탄소 취입에 의한 화학적 경화 또는 건조 경화시키는 방법인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용하여 제조된 폴리머 몰드를 이용한 왁스 주조패턴의 제조 방법.
   

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