KR19990038618A - 중공의 복잡한 형상으로 된 성형체의 분말사출성형방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분말사출성형방법에 관한 것이며; 그 목적은 제거 가능한 소모성 코어를 이용하여 중공의 복잡한 형상으로 된 성형체를 제조하는 분말사출성형방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 혼합분말을 금형에 사출성형하여 성형체를 얻는 공정을 포함한 분말사출성형방법에 있어서,

얻고자 하는 성형체의 내부 형상 또는/및 외부형상과 일치하는 소모성 코어를 상기 금형에 삽입·장착한 후, 혼합체를 사출하여 성형체를 제조한 다음, 소모성 코어를 가열 하거나 또는 용매로 용해시켜 제거한 후 소결하는 것을 포함하여 이루어지는 중공의 복잡한 형상으로된 성형체의 분말사출성형방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

중공의 복잡한 형상으로 된 성형체의 분말사출성형방법

본 발명은 분말사출성형방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 제거 가능한 소모성 코어를 이용하여 중공의 복잡한 형상으로 된 성형체를 제조하는 분말사출성형방법에 관한 것이다.

일반적으로 사출성형기술은 용융상태의 고분자를 원하는 형상의 금형으로 사출성형한 후 냉각하여 복잡하고 정밀한 플라스틱 제품을 제조하는 방법이다.

이러한 사출성형기술은 1920년대 들어 쉬왈츠왈더(Schwartzwalder)에 의해 금속, 초경 또는 세라믹등과 같이 소결가능한 분말을 사출성형하는 분말사출성형방법이 도입되어 난가공성 제품을 후가공이 거의 필요없이 경제적으로 제조할 수 있는 단계까지 발전하였다. 실제, 분말사출성형법이 도입된 당시에는 제반기술이 낙후로 인하여 분말사출성형품이 상용화되지 못하다가, 근래 분말제조기술 및 사출성형기술의 발달에 힘입어 현재 많은 업체에서 생산에 적용하고 있는 기술이다.

이러한 분말사출성형법은 3차원의 복잡하고, 정밀한 제품을 대량으로 제조할 수 있는 한편, 분말야금법의 장점인 균일한 조직을 얻을 수 있고, 주조품과 동등이상의 기계적인 특성을 얻을 수 있기 때문에 현재 많은 연구가 진행되고 있다.

분말사출성형법의 제조공정은 일정량의 분말과 결합제를 균일하게 혼합하는 혼합체 제조공정, 사출성형기에 장착되어 있는 원하는 형상의 금형내로 혼합체를 사출성형하여 제조하는 공정, 사출성형체에서 결합제를 제거하는 결합제 제거공정 및 탈지체를 최종고온 소결하여 성형체를 제조하는 공정으로 이루어진다.

분말사출성형체가 중공(中空)의 형상인 경우에는 도 1에 도시된 바와 같이 코어(中子)를 금형에 삽입하여 분말을 사출성형하고 있다.

즉, 도 1에 나타난 바와 같이, 금형(1)을 결합하고, 이어 금형내부에 코어(2)를 삽입·장착한 다음, 이와 같이 준비된 금형에 가열된 혼합분말(3)을 사출구(4)를 통해 사출하여 금형내부에 혼합분말(3)을 충진한다. 이어 금형내부에 충진된 혼합분말(3)이 응고되면 코어(2)를 코어축방향으로 빼낸 뒤 금형(1)을 이젝터(5)를 이용해 분리하고, 금형(1)으로부터 성형체(6)를 분리시킨다(도 1(a)).

이후 후공정에서 성형체(6)의 결합제를 가열 또는 용매로 제거하고, 이를 소결하여 완성된 소결부품(10)을 얻는다(도 1(b)).

이와 같이 분말사출법은 성형체의 내부가 중공의 경우 그 성형이 가능하지만, 도 3과 같이 내부 중공의 형상이 내측보다 출구측보다 클 경우 바꿔말하면, 성형체의 내부형상과 일치하는 코어가 당겨서 빠질 수 없는 형상을 갖은 경우에는 이러한 내부의 성형은 불가능하다.

따라서, 성형체를 제조한 다음, 선반, 밀링등 기타의 후가공을 통해 최종부품의 형상을 제조하고 있다. 만약, 후가공 자체가 불가능한 형상의 부품인 경우는 성형체를 좌,우로 나누어 성형체를 제조한 다음, 이를 용접하여 완성된 성형체를 얻고 있다. 그러나, 이러한 종래기술은 후가공을 반드시 거쳐야 하므로 제조원가가 상승하는 문제와 제조공정이 복잡한 단점이 있다.

또 다른 방법으로 레이저로 분말을 녹이면서 3차원형상으로 만드는 3차원 인쇄기법(3D Printing Technique)이 알려져 있는데, 이 기술은 부품하나의 제조시간이 매우 길어 대량생산이 어렵고, 제조된 부품의 표면 조도가 나빠 후가공이 필요로 하며 제조단가가 비싼 단점이 있다. 이와 같은 이유로 3차원 인쇄 기법은 특수목적의 소량 주문형 생산은 가능하지만 대량생산에는 부적합하다.

이에, 본 발명자는 성형체의 형상 특히 중공의 내부형상에 구애 받지 않고, 분말사출성형하기 위해 다각도로 연구한 결과, 용매 또는 가열방법으로 제거 가능한 소결코아를 이용하면, 종래문제를 해결할 수 있다는 근거하에 본 발명을 제안하게 이르렀다.

즉, 본 발명은 성형체의 외부 또는 내부의 형상이 어떠한 모양을 갖더라도 후가공처리 없이 분말사출법만으로 성형체를 제조할 수 있는 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 코어를 이용한 종래의 분말사출성형방법를 나타내는 공정도이다;

도 2는 본 발명방법에 의한 분말사출성형방법를 나타내는 공정도이다;

도 3은 코어를 이용한 종래의 분말사출성형법으로 제조가 불가능한 형상들의 예시도이다;

도4는 본 발명에 의해 제조된 중공의 소결부품을 나타내는 사진이다;

도5는 본 발명에 의해 제조된 중공 소결부품의 1/4단면 확대 사진이다.

*도면의 주요 부호에 대한 설명*

1,11-금형 2,12-코어 3,13-혼합분말 4,14-사출구 5,15-이젝터 6,16-성형체

7,17-결합제 제거용 용매 8,18-가열장치 9,19-가열로 10,20-소결부품

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 혼합분말을 금형에 사출성형하여 성형체를 얻는 공정을 포함한 분말사출성형방법에 있어서,

얻고자 하는 성형체의 내부 형상 또는/및 외부형상과 일치하는 소모성 코어를 상기 금형내부에 삽입·장착한 후, 혼합체를 사출하여 성형체를 제조한 다음, 소모성 코어를 가열하거나 또는 용매로 용해시켜 제거한 후 소결하는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 분말사출성형시 코어를 당겨서 빼낸후 성형체를 제조하는 종래방법과는 달리, 가열 또는 용매로 소모성 코어를 제거하여 분말사출성형 하는데 그 특징이 있다.

즉, 본 발명에 의하면, 사출성형방법은 기존방법과 거의 유사하며 다만, 소모성 코어의 소재선택과 일련의 공정중 그 제거방법에 기술적인 의미가 있다.

먼저, 본 발명의 소모성 코아는 적절한 강도 및 열적안정성을 가짐과 동시에 그 제거가 용이한 소재로 만드는 것이 필요하다. 그 이유는 가열된 분말이 고온이므로 열에 의해 코어의 형상이 변형되지 말아야 하며, 그 분말의 금형내로 주입되어 코어에 힘이 가해질 때 견딜 수 있어야 하기 때문이다. 이와 더불어 코어를 성형체에서 분리가 용이하도록 용매로 쉽게 용해가 되고, 열에 의해 제거가 가능하여야 한다. 다만, 이때 용매는 성형체에 영향을 주지말아야 하면, 가열온도도 성형체에 영향을 주어서는 안된다. 이상과 같은 요건을 갖춘 소재면 본 발명의 소모성 코어로 적합하다.

구체적으로 본 발명에 의하면, 이러한 소재로는 아크릴 수지를 예로들수 있으며, 아크릴 수지중 PMMA(Poly Methy Metha Acrylate)가 유용하게 적용될 수 있다, 이때, 아크릴 수지는 용매인 아세톤에 의해 용이하게 제거가 가능하고, 500℃이상으로만 가열하면 제거된다.

상기와 같은 소모성 코어를 금형에 삽입, 장착한 후 혼합체를 사출하여 성형체를 제조한 다음 소모성 코어를 제거하는데, 이때 제거는 가열하거나 또는 용매로 용해시켜 제거하면 된다. 가열하여 제거하는 경우 가열속도가 너무 빠르면, 코어가 급팽창하여 성형체에 무리한 힘을 주어 균열이 올 수 있으므로 적절한 속도로 가열하면 된다.

이하, 본 발명에 따라 코어를 금형에 삽입·장착한후 소결부품을 얻는 일련의 공정을 도 2에 의해 설명한다.

도 2에 나타난 바와 같이, 먼저, 얻고자 하는 성형체의 내부 형상과 일치하는 소모성 코어(12)를 제조한다. 이어 금형(11)을 결합하고, 미리 준비된 코어(12)를 금형내부에 삽입·장착한다. 이때, 필요에 따라서는 이 코어를 금형에 고정시키기 위해 코어와 금형에 홈과 돌출부를 만들거나 성형체와 간섭되지 않는 위치에 소모성 코어의 지지를 위한 코어 받침대(Chaplet)를 설치할 수도 있다, 이와 같이 준비된 금형에 가열된 혼합분말(13)을 사출구(14)를 통해 사출하여 금형내부에 혼합분말(13)을 충진한다. 이어 금형내부에 충진된 혼합분말(13)이 응고되면, 금형(11)으로부터 성형체(16)를 분리시킨다(도 2(a)).

이후 성형체에서 용매 또는 가열하여 소모성 코어를 제거한다. 이어 통상의 용매추출법 및 열분해법으로 결합제를 제거하고, 이를 소결하여 완성된 소결부품(20)을 제조한다. 상기의 공정중 소모성 코어를 가열에 의해 제거하는 경우 결합제를 제거하기 위해 열분해 하는 공정에서 가열하면 결합제와 코어를 동시에 제거할 수 있는 이점이 있다.

이와 같은 본 발명에 의해 제조할 수 있는 성형체의 형상은 도 3에 도시된 바와 같이 성형체의 내부에 있는 중공형상에 국한되지 않고 다양하게 그 적용이 가능하며, 이러한 형상을 가지는 소모성 코어 또한 본 발명에 의해 제조하면 더욱 효과적이다. 본 발명은 내부형상뿐 아니라 성형체의 외형이 복잡한 경우도 그 적용이 가능하다. 예를 들면, 가공이 힘든 초경드릴은 소재를 봉상으로 제조한 뒤 드릴 홈 부분을 연삭가공하고 있다. 그러나, 드릴의 구조상 연삭되어야 할 양도 많고 초경 자체가 난가공성 재료이므로 그 가공비가 매우 비싸다. 따라서, 본 발명에 따라 외형의 형상과 일치하는 소모성 코어를 금형에 삽입하여 제조하고, 표면을 부분적 연삭만으로 정확한 치수를 맞추는 경우 가공비를 현저히 낮출 수 있다. 이외에도 본 발명은 중공체 터빈 블레이드, 중공체 금형 등의 제조에도 그 응용이 가능하다.또한, 분말야금에도 그 응용이 가능하리라 판단된다

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예1]

WC-6CO분말에 30EVA-69PW-ISA결합제(30에틸렌비닐아세테이드-69파라핀왁스-1스타틱에시드)를 55%부피분율로 섞어 혼합분말을 제조하는 한편, 도 2에 도시된 형상의 소모성 코어(2) PMMA(Poly Methy Metha Acrylate)로 제조하였다. 이어 직경이 10mm이고 길이가 12mm의 원통형 금형에 상기 소모성 코어를 삽입·장착한 후 혼합분말을 사출하여 성형체를 제조하였다. 이후 성형체를 아세톤에 넣어 PMMA로 제조된 소모성 코어를 용해하여 제거한 뒤 이를 다시 40℃ 신너에 12시간 넣고 저어주어 결합제중 파라핀 왁스를 제거해 낸다음, 이어 건조한 질소분위기의 가열로에 넣고 1℃/min의 속도로 500℃까지 승온하여 결합제를 완전히 제거한 뒤 냉각시켰다. 이를 다시 흑연발열체를 사용하는 진공로에 넣고 1350℃까지 가열하여 1시간 유지후 소결하여 도 4에 나타나 있는 소결부품을 얻었다.

도 4에 도시된 사진과 같이, 본 발명의 소결부품은 후공정을 거치지 않고서도 종래제조가 불가능한 중공의 성형체를 제조할 수 가 있었다.

[실시예2]

실시예 1과 동일하게 사출하여 성형체를 제조한 다음, 먼저, 성형체를 신너에 넣어 파라핀 왁스를 제거하고 난 후, 아세톤에 넣어 소모성 코어를 제거하고 이후의 공정은 실시예 1과 동일하게 진행하여 도 4에 도시된 소결부품을 얻었다.

이 결과로 부터 소모성 코아 공정과 결합제 제거 공정을 바꾸어서 하더라도 같은 결과가 나옴을 알 수 있었다.

[실시예3]

소모성 코어의 재료를 상용 아크릴로 대처한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 사출성형 하여 도 4에 도시된 소결부품을 얻었다.

이 결과로 소모성 코아의 재질은 흔히 구할 수 있는 상용 아크릴이 소모성 코아에 적용될 수 있음을 확인 하였다.

[실시예4]

실시예 1과 동일하게 사출하여 성형체를 제조한 다음, 이 성형체를 신너에 넣어 파라핀 왁스를 제거하고 난 후, 1℃/min의 속도로 500℃까지 승온하여 결합제를 완전히 제거하는 공정에서 소모성 코어를 같이 제거하였다. 그리고, 이후의 공정은 실시예 1과 동일하게 진행하여 도 4에 도시된 소결부품을 얻었다.

이 결과로 부터 소모성 코아를 제거하는 것은 가열방법으로 도 가능하고, 이때, 결합제제거 공정과 동시에 적용하여도 가능함을 알 수 있는 바,

본 발명은 소모성코어를 제거하기 위한 추가 공정이 필요없음을 확인하였다.

[실시예5]

분말을 WC-6CO대신 STS316L로 쓰고, 소결공정에서 소결온도를 1300℃로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 사출성형 하여 도 4에 도시된 소결부품을 얻었다.

이 결과로 알 수 있듯이, 성형분말에 상관없이 본 발명이 적용 가능하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 종래에 분말사출법만으로 완전히 제조할 수 없는 소결부품의 경우도 분말사출성형법만으로 제조할 수 있는 효과가 있으며, 이로서 대량생산이 가능하고, 제조단가를 낮출 수 가 있는 것이다

Claims (4)

1. 혼합분말을 금형에 사출성형하여 성형체를 얻는 공정을 포함한 분말사출성형방법에 있어서, 얻고자 하는 성형체의 내부 형상 또는/및 외부형상과 일치하는 소모성 코어를 상기 금형에 삽입·장착한 후, 혼합체를 사출하여 성형체를 제조한 다음, 소모성 코어를 가열 하거나 또는 용매로 용해시켜 제거한 후 소결하는 것을 포함하여 이루어지는 중공의 복잡한 형상으로 된 성형체의 분말사출성형방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 소모성 코아는 아크릴 수지임을 특징으로 하는 방법 .
3. 제 2항에 있어서, 상기 아크릴 수지는 PMMA임을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 용매는 아세톤임을 특징으로 하는 방법.