KR102263436B1 - 중공형 쉘의 정밀 주조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중공형 쉘의 정밀 주조방법에 관한 것으로서, 3D 프린팅에 의해 PLA를 사용하여 내부가 빈 중공형의 몰드 모형을 제작하는 단계; 상기 몰드 모형에 탕구와 손잡이를 막대형 왁스의 단부를 녹이면서 상호 연결되게 하여 트리를 제작하고, 상기 탕구를 제외한 트리를 슬러리에 담갔다 건져 지르콘 분말을 분사시켜 건조하는 코팅작업을 9~10회 수행하여 상기 트리의 외부와 함께 상기 중공형의 몰드 모형의 내주면에 일정 두께로 내화층을 형성하여 주조용 쉘을 제작하는 단계; 상기 중공형의 몰드 모형을 감싸는 내화층에서 가장 하부에 위치하는 복수의 위치에 일정 크기의 배출홀이 형성되도록 하는 단계; 가스로 가열되는 가열로에 탕구가 하부를 향하도록 주조용 쉘을 삽입하는 단계; 상기 가열로에서 100~120℃의 온도 조건으로 1~3시간을 가열하여 상기 주조용 쉘로부터 왁스로 이루어지는 부분이 용융되면서 용융된 왁스가 상기 탕구를 통해 배출되게 하는 단계; 가열로에서 상기 주조용 쉘을 꺼내 상기 주조용 쉘로부터 배출되는 왁스를 분리시켜 제거되도록 하는 단계; 상기 주조용 쉘을 가열로에 탕구가 하부를 향하도록 재차 삽입하는 단계; 상기 가열로에서 300~350℃의 온도 조건으로 1~3시간 이상을 가열하여 상기 주조용 쉘로부터 PLA가 용융되어 상기 탕구를 통해 배출되게 하는 단계; PLA가 제거된 주조용 쉘에 전 단계에서 뚫어놓은 배출홀을 내화본드로서 막은 후 내부를 물세척하여 크랙유무를 검사하는 단계; 상기 주조용 쉘을 가열로에서 700~800℃로 가열하여 열처리되게 하면서 상기 주조용 쉘에 잔류하는 소량의 PLA를 연소시켜 제거하는 단계; 가열된 상태의 주조용 쉘을 가열로로부터 꺼내 탕구를 통해 용탕을 주입하는 단계; 주입한 용탕이 경화되면 상기 주조용 쉘을 분쇄하여 원하는 성형물인 중공형 쉘을 인출하는 단계로서 이루어지도록 한다.

Description

중공형 쉘의 정밀 주조방법{precision casting method for shell of internal passage}

본 발명은 중공형 쉘의 정밀 주조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3D 프린팅 기술을 사용하여 PLA(Polylactic Acid)를 원료로 하는 내부가 빈 형상으로서 제작된 몰드에 게이트를 왁스 바를 이용하여 연결하고, 이렇게 연결된 구조물에 콜로이다 실리카와 지르콘 샌드 또는 파우더를 선택적으로 수회에 걸쳐 몰드의 내부와 외부로 코팅되게 한 후 로에서의 온도 조절에 의해 왁스와 PLA가 순차적으로 제거되게 함으로써 중공형의 성형물을 안정적으로 제조할 수 있도록 하는 중공형 쉘의 정밀 주조방법에 관한 것이다.

일반적으로 정밀주조(情密鑄造, precision casting) 기법은 말 그대로 표현하고자 하는 형태와 텍스처, 치수, 무게 등을 정확하게 주조할 수 있는 방법이며, 특히 금, 백금, 은 등의 귀금속 장신구의 대량 생산에 널리 사용되고 있다.

주형(mold)은 매몰재(埋沒材, investment)를 사용하여 매몰 주조라고도 하며 주물은 미려한 표면을 얻을 수 있으며, 원형을 만들 때는 주로 왁스(wax)를 사용하므로 납형주조(蠟型鑄造, lost wax casting)라고도 하고, 직접 금속을 사용하여 작업을 할 때보다 손쉽게 다양한 재질감과 형태의 표현이 가능하다.

주조시에는 원심력이나 진공흡입 또는 흡입가압에 따른 흡입력을 이용하여 말단 세부까지 용탕이 유입되도록 하고 금속 조직을 치밀하게 한다.

이러한 정밀주조법은 왁스모형의 형성(modeling)과 매몰(investing)과 탈랍·소성(dewaxing-burnout)과 주조(casting) 및 마감(finishing)으로 이루어진다.

이때, 탈랍·소성을 거치면서 내부에 들어있는 왁스 또는 플라스틱을 제거시키고 소성공정을 통하여 불순물을 제거한 후, 용융상태의 금속을 주입하여 응고 및 냉각시킨 후에 외곽의 주형을 제거하는 탈사과정을 거쳐, 트리 상태의 금속만 남게 한 후 탕구, 탕도 등을 절단 및 연마 등의 공정을 거쳐 금속제품을 생산하게 된다.

등록특허 제1228166호(2013.01.24)와 등록특허 제0912098호(2009.08.06.)에서는 탕도와 함께 몰드를 왁스로 사용하고, 이들 표면에 내화물 모래가 도포되게 한 후 건조시킨 상태에서 왁스 몰드를 제거한 후 제거한 왁스 몰드에 금속의 용융물이 채워지도록 하는 것이다.

하지만 종래 기술에 의한 정밀주조에서는 왁스를 제거 시 연소(burn-out)시키는 과정을 거치게 되는데 이때 매연이 발생되는 폐단이 있어 이를 방지시키기 위해서는 별도의 제연수단을 적용하게 되므로 제조 비용을 상승시키게 될 뿐만 아니라 결정적으로 다소 복잡한 중공형 성형물을 제조하기 어려운 한계가 있다.

(문헌 1) 등록특허 제1228166호(2013.01.24) (문헌 2) 등록특허 제0912098호(2009.08.06.)

이에 본 발명은 상기의 문제점을 해소시키기 위한 것으로서, 본 발명은 3D 프린팅에 의해 비교적 저렴한 소재를 사용하여 성형 몰드를 형성하면서 왁스와 성형 몰드를 가열 온도 조절에 의해 전혀 매연을 발생시키지 않으면서 쉘로부터 쉽게 분리될 수 있도록 하는 중공형 쉘의 정밀 주조방법을 제공하는데 주된 목적이 있다.

또한, 본 발명은 비교적 복잡한 형상으로 이루어지는 중공형의 성형물 제작이 가능한 중공형 쉘의 정밀 주조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기한 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 중공형 쉘의 정밀 주조방법은, 3D 프린팅에 의해 PLA를 사용하여 내부가 빈 중공형의 몰드 모형을 제작하는 단계; 상기 몰드 모형에 탕구와 손잡이를 막대형 왁스의 단부를 녹이면서 상호 연결되게 하여 트리를 제작하는 단계; 상기 탕구를 제외한 트리를 콜로이다 실리카 액체로 이루어지는 슬러리에 담갔다 건져 지르콘 분말을 분사시키는 코팅작업을 9~10회 수행되도록 하여 상기 트리의 외부와 함께 상기 중공형의 몰드 모형의 내주면에 일정 두께로 내화층을 형성하여 주조용 쉘을 제작하는 단계; 상기 중공형의 몰드 모형을 감싸는 내화층에서 가장 하부에 위치하는 복수의 위치에 일정 크기의 배출홀이 형성되도록 하는 단계; 가스로 가열되는 가열로에 탕구가 하부를 향하도록 주조용 쉘을 삽입하는 단계; 상기 가열로에서 100~120℃의 온도 조건으로 1~3시간을 가열하여 상기 주조용 쉘로부터 왁스로 이루어지는 부분이 용융되면서 용융된 왁스가 상기 탕구를 통해 배출되게 하는 단계; 가열로에서 상기 주조용 쉘을 꺼내 상기 주조용 쉘로부터 배출되는 왁스를 분리시켜 제거되도록 하는 단계; 상기 주조용 쉘을 가열로에 탕구가 하부를 향하도록 재차 삽입하는 단계; 상기 가열로에서 300~350℃의 온도 조건으로 1~3시간 이상을 가열하여 상기 주조용 쉘로부터 PLA가 용융되어 상기 탕구를 통해 배출되게 하는 단계; PLA가 제거된 주조용 쉘에 전 단계에서 뚫어놓은 배출홀을 내화본드로서 막은 후 내부를 물세척하여 크랙유무를 검사하는 단계; 상기 주조용 쉘을 가열로에서 700~800℃로 가열하여 열처리되게 하면서 상기 주조용 쉘에 잔류하는 소량의 PLA를 연소시켜 제거하는 단계; 가열된 상태의 주조용 쉘을 가열로로부터 꺼내 탕구를 통해 용탕을 주입하는 단계; 주입한 용탕이 경화되면 상기 주조용 쉘을 분쇄하여 원하는 성형물인 중공형 쉘을 인출하는 단계로서 이루어진다.

상기 단계에서 슬러리로서 사용되는 콜로이다 실리카에는 폴리머 첨가물이 혼합되도록 한다.

상기 단계에서 내열층을 형성하기 위한 슬러리 도포와 지르콘 분말 분사 후 적외선 건조기에 의해 건조되도록 한다.

상기한 방법에 의한 중공형 쉘의 정밀 주조방법에 의해 비교적 저렴한 소재로서 몰드 모형을 제작하면서 가열로에서의 간단한 가열 온도 조절에 의해 주조용 쉘로부터 왁스와 PLA를 순차적으로 용융시켜 보다 간소하고 경제적으로 중공형 쉘을 제작할 수가 있다.

또한, 본 발명은 보다 다양하고 복잡한 중공형 쉘을 정확하게 성형할 수가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 중공형 쉘의 정밀 주조방법에 따른 공정 순서도
도 2는 본 발명에 따른 중공형 쉘의 정밀 주조방법에 의한 트리를 예시한 정면도
도 3은 본 발명에 따른 중공형 쉘의 정밀 주조방법에 의해 가열로에서 왁스를 용융시켜 배출되게 하는 상태를 예시한 구조도

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 실시예의 설명 중 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하며, 경우에 따라 동일한 참조부호에 대한 설명은 생략하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 중공형 쉘의 정밀 주조방법에 따른 공정 순서도로서, 본 발명은 3D 프린팅에 의해 몰드 모형을 제작한다.

이때 몰드 모형은 비교적 저렴한 소재인 PLA(Polylactic Acid)를 사용하면서 가장 보편적으로 사용하는 3D 프린팅 장비를 사용한다.

제작되는 몰드 모형은 내부가 빈 중공형이며, 중공의 구성이 복잡해도 무관하다.

몰드 모형이 제작되면 탕구와 손잡이와 함께 다양한 형상의 지지용 왁스를 준비한다.

도 2에서와 같이 몰드 모형(10)과 탕구(20)를 연결하기 위하여 지지용 왁스(30)를 사용하게 되는데 세라믹 재질로 형성되는 탕구(20)의 하부에도 왁스가 연결되게 하여 탕구(20)의 하부가 폐쇄되도록 하는 동시에 이 왁스에는 탕구(20)를 통해 상부로 일정 높이가 인출되게 손잡이(40)가 연결되도록 한다.

이런 탕구(20) 하부에 결합되는 왁스에는 복수의 막대형의 지지용 왁스(30)를 이용하여 몰드 모형(10)과 연결되게 하여 트리를 형성한다.

이때 지지용 왁스(30)는 다양한 방식으로 연결할 수가 있으며, 탕구(20) 하부의 왁스와 몰드 모형(10)을 직접 연결할 수도 있으나 탕구(20)에 비해 몰드 모형(10)의 사이즈가 지나치게 큰 경우에는 링형 또는 막대형의 지지용 왁스(30)를 중간에 연결수단으로 적용하여 연결되게 할 수가 있다.

다만, 몰드 모형(10)에서 지지용 왁스(30)는 가장 높은 복수의 위치에 연결하며, 지지용 왁스(30)의 단부를 녹이면서 탕구(20) 하부의 왁스와 몰드 모형(10)에 연결하여 트리를 형성하게 된다.

이렇게 형성되는 트리의 손잡이(40)를 고정수단으로 하여 탕구(20)를 제외한 탕구(20)에 연결된 왁스를 포함하여 몰드 모형(10)를 콜로이다 실리카 액체로 이루어지는 슬러리에 담갔다 건져서 슬러리가 도포된 표면에 지르콘 분말을 분사시켜 일정 두께로 흡착되도록 한다.

이때, 콜로이다 실리카에는 폴리머 첨가물이 혼합되게 할 수도 있으며, 이러한 슬러리 도포면에 지르콘 분말을 분사시킨 후 자연 건조시키거나 좀더 빠른 건조를 위해서 적외선 건조기를 사용하여 건조시킨다.

이러한 슬러리 도포와 지르콘 분말 분사와 건조과정을 복수 회로서 수행하여 트리의 외부와 함께 몰드 모형(10)의 중공 내주면에 일정 두께로 내화층을 형성한다.

즉, 탕구(20)의 하부에 결합된 왁스와 그 하부의 지지용 왁스(20)와 함께 몰드 모형(10)의 외주면과 함께 내부가 빈 몰드 모형(10)의 내주면으로 일정한 두께로서 내화층이 형성되도록 한다.

이때, 지르콘 분말을 흡착시키는 코팅작업은 9~10회에 걸쳐 수행되도록 하는 것이 보다 바람직하다.

이렇게 트리의 외주면과 몰드 모형(10)의 내주면으로는 일정 두께로 내화층을 형성함으로써 주조용 쉘을 제작하게 된다.

주조용 쉘에서 중공형의 몰드 모형(10)를 감싸는 내화층에는 탕구(20)와 대응되는 가장 하부에는 복수의 위치에 일정 크기의 배출홀이 형성되도록 한다.

이때의 배출홀은 직경이 1~2mm로 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

배출홀을 형성한 주조용 쉘은 가스로 가열되는 가열로에 탕구(20)가 하부를 향하도록 하면서 삽입되도록 한다.

이때 탕구(20)로부터는 일정 높이로 손잡이(40)가 고정되어 있으므로 가열로에서 탕구(20)가 하부를 향하도록 주조용 쉘을 형성하기 위해서 가열로의 바닥에는 우선 도 3에서와 같이 탕구(20)의 직하부로 탕구(20)보다 큰 사이즈의 왁스 회수용기(70)를 구비하고, 이 왁스 회수용기(70)로부터 탕구(20) 또는 탕구(20) 상부의 내화층(50)을 받치도록 하는 지지 구조물이 구비되도록 하는 것이 보다 바람직하다.

가열로에 주조용 쉘을 넣어 가열로를 100~120℃의 온도 조건으로 1~3시간을 가열하게 되면 내열층(50)의 내부에 채워져 있던 왁스가 녹게 되고, 탕구(20)에 결합된 왁스가 용융되면서 손잡이(40)가 분리되는 동시에 용융되는 왁스는 탕구(20)를 통해 흘러내리게 된다.

이렇게 흘러내리는 왁스는 상부의 배출홀(60)을 통해 유입되는 공기에 의해 좀더 원활하게 탕구(20)를 통해 배출되어 왁스 회수용기(70)에 모이게 되므로 가열로로부터 주조용 쉘을 꺼낼 때 왁스로부터 분리된 손잡이(40)와 함께 왁스 회수용기(70)를 꺼내 주조용 쉘로부터 완전 분리되도록 한다.

손잡이(40)와 왁스를 분리한 주조용 쉘에는 왁스가 제거된 부위가 통로가 되면서 탕구(20)와 PLA로 제작된 몰드 모형(10)을 연결하는 중공의 공간을 형성하며, 이와 같은 주조용 쉘은 다시 가열로에 삽입되도록 한다.

이때, 이전 단계에서와 같이 주조용 쉘은 탕구(20)가 하부를 향하도록 하면서 탕구(20)의 하부에는 왁스 회수용기와 같은 회수용기를 받치도록 한다.

가열로에 주조용 쉘을 넣은 상태에서 가열로는 300~350℃의 온도 조건에서 1~3시간 이상을 가열하게 되며, 주조용 쉘이 가열되면서 주조용 쉘 내에서는 PLA가 용융되기 시작하고, 용융된 PLA는 이전 단계에서 제거된 왁스가 채워졌던 통로를 통해 배출된다.

용융된 PLA는 탕구(20)를 통해 배출되고, 탕구(20) 하부에 구비한 회수용기에 회수된다.

PLA가 배출된 주조용 쉘은 가열로에서 꺼내 이전 단계에서 뚫어놓은 배출홀들을 내화본드를 사용하여 막고, 왁스와 PLA가 제거된 주조용 쉘의 내부를 물세척하면서 내화층의 크랙유무를 검사하게 된다.

검사가 완료된 주조용 쉘은 가열로에서 700~800℃로 열처리되게 하면 비록 주조용 쉘의 내부에 잔류하는 극소량의 PLA조차 연소시켜 완전히 제거시킬 수가 있으며, 열처리된 주조용 쉘은 가열로에서 꺼내 바로 탕구(20)를 통해서 용탕을 주입한다.

탕구(20)를 통해 주입되는 용탕은 왁스와 PLA가 제거된 공간을 통해 채워지게 되고, 주입시킨 용탕이 경화되면 내화층으로 이루어지는 주조용 쉘을 외부로부터 타격을 가하여 분쇄되게 함으로써 중공형 쉘을 얻을 수가 있다.

이와 같이 본 발명은 몰드 모형(10)을 PLA를 사용하여 3D 프린팅에 의해서 성형되도록 하므로 특수한 장비의 구비가 필요없이 가장 쉽게 사용할 수 있는 3D 프린터를 이용하면서 보다 경제적인 중공용 쉘을 제작할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명은 왁스와 몰드 모형(10)을 주조용 쉘로부터 가열로에서의 온도 조절에 의해 순차적으로 제거될 수 있도록 함으로써 왁스나 몰드 모형(10)을 제거하면서 외부로 배출시킨 왁스와 몰드 모형(10)은 재활용할 수 있도록 하고, 왁스나 몰드 모형(10)을 연소시키지 않아도 되므로 고가의 제연장비를 사용하지 않아도 될 뿐만 아니라 매연 발생을 방지하여 친환경적으로 쉘 제조가 가능하도록 한다.

특히, 본 발명은 다소 복잡한 중공형 쉘에 대해서도 손쉽게 가열로의 온도 조절만으로 동일한 제품을 연속적으로 제작할 수가 있으므로 정밀 주조의 한계를 극복할 수 있도록 하는 매우 유용한 효과가 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

10 : 몰드 모형
20 : 탕구
30 : 지지용 왁스
40 : 손잡이
50 : 내화층
60 : 배출홀
70: 왁스 회수용기

Claims (3)

1. 3D 프린팅에 의해 PLA를 사용하여 내부가 빈 중공형의 몰드 모형을 제작하는 단계;
   상기 몰드 모형에 탕구와 손잡이를 막대형 왁스의 단부를 녹이면서 상호 연결되게 하여 트리를 제작하는 단계;
   상기 탕구를 제외한 트리를 콜로이다 실리카 액체로 이루어지는 슬러리에 담갔다 건져 지르콘 분말을 분사시키는 코팅작업을 9~10회 수행되도록 하여 상기 트리의 외부와 함께 상기 중공형의 몰드 모형의 내주면에 일정 두께로 내화층을 형성하여 주조용 쉘을 제작하는 단계;
   상기 중공형의 몰드 모형을 감싸는 내화층에서 가장 하부에 위치하는 복수의 위치에 일정 크기의 배출홀이 형성되도록 하는 단계;
   가스로 가열되는 가열로에 탕구가 하부를 향하도록 주조용 쉘을 삽입하는 단계;
   상기 가열로에서 100~120℃의 온도 조건으로 1~3시간을 가열하여 상기 주조용 쉘로부터 왁스로 이루어지는 부분이 용융되면서 용융된 왁스가 상기 탕구를 통해 배출되게 하는 단계;
   가열로에서 상기 주조용 쉘을 꺼내 상기 주조용 쉘로부터 배출되는 왁스를 분리시켜 제거되도록 하는 단계;
   상기 주조용 쉘을 가열로에 탕구가 하부를 향하도록 재차 삽입하는 단계;
   상기 가열로에서 300~350℃의 온도 조건으로 1~3시간 이상을 가열하여 상기 주조용 쉘로부터 PLA가 용융되어 상기 탕구를 통해 배출되게 하는 단계;
   PLA가 제거된 주조용 쉘에 전 단계에서 뚫어놓은 배출홀을 내화본드로서 막은 후 내부를 물세척하여 크랙유무를 검사하는 단계;
   상기 주조용 쉘을 가열로에서 700~800℃로 가열하여 열처리되게 하면서 상기 주조용 쉘에 잔류하는 소량의 PLA를 연소시켜 제거하는 단계;
   가열된 상태의 주조용 쉘을 가열로로부터 꺼내 탕구를 통해 용탕을 주입하는 단계;
   주입한 용탕이 경화되면 상기 주조용 쉘을 분쇄하여 원하는 성형물인 중공형 쉘을 인출하는 단계;
   로서 수행되는 중공형 쉘의 정밀 주조방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 단계에서 슬러리로서 사용되는 콜로이다 실리카에는 폴리머 첨가물이 혼합되도록 하는 중공형 쉘의 정밀 주조방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 단계에서 내열층을 형성하기 위한 슬러리 도포와 지르콘 분말 분사 후 적외선 건조기에 의해 건조되도록 하는 중공형 쉘의 정밀 주조방법.
   

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