KR20060068807A - Manufacturing method of complex-shaped workpiece using powder injection molding and workpiece therefrom - Google Patents
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Abstract
본 발명은 분말사출성형을 이용한 복잡 형상 재료의 제조방법 및 그에 따라 제조된 재료에 관한 것으로서, The present invention relates to a method for producing a complex shaped material using powder injection molding, and to a material prepared accordingly.
원료분말을 바인더와 균질하게 혼합하여 성형혼합물을 수득하는 단계; 분말사출성형장치를 이용하여, 상기 수득된 성형혼합물을 금형 내로 사출하여 성형물을 형성하는 단계; 상기 성형물을 요구되는 형상으로 기계가공하는 단계; 상기 성형물로부터 바인더를 탈지하는 단계; 상기 탈지된 성형물을 소결로 내에서 소결시키는 단계;를 포함하여 이뤄지며, Homogeneously mixing the raw material powder with a binder to obtain a molding mixture; Using a powder injection molding apparatus, injecting the obtained molding mixture into a mold to form a molding; Machining the molding to the desired shape; Degreasing the binder from the molding; And sintering the degreased molding in a sintering furnace.
분말사출성형 방식과 기계가공을 적절하게 혼용하여, 기존의 분말야금으로는 제조가 곤란하거나 고비용이 소요되었던 고기능 복잡 형상의 재료를 저비용으로 제조할 수 있도록 해준다. By appropriately mixing the powder injection molding method and the machining, it is possible to produce a high-performance complex shape material that is difficult or expensive to manufacture with conventional powder metallurgy at low cost.
분말사출성형, 기계가공, 복잡 형상Powder injection molding, machining, complex shape
Description
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 복잡 형상 재료의 제조방법의 순서도,1 is a flow chart of a method of manufacturing a complex-shaped material according to an embodiment of the present invention,
도 2는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 복잡 형상 재료의 제조방법의 순서도,2 is a flow chart of a method of manufacturing a complex-shaped material according to another embodiment of the present invention,
도 3a 내지 도 3i는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 복잡 형상 재료의 제조에 있어서 이종 분말사출성형 과정을 나타낸 모식도, Figure 3a to 3i is a schematic diagram showing a heterogeneous powder injection molding process in the manufacture of a complex shape material according to another embodiment of the present invention,
도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 복잡 형상 재료의 제조방법의 순서도,4 is a flow chart of a method of manufacturing a complex-shaped material according to another embodiment of the present invention,
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 복잡 형상 재료의 제조에 있어서 다중 분말사출성형 과정을 나타낸 모식도, 5 is a schematic view showing a multi-powder injection molding process in the manufacture of a complex-shaped material according to another embodiment of the present invention,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 복잡 형상 재료의 사진, 6a and 6b is a photograph of the complex shape material produced by an embodiment of the present invention,
도 7은 본 발명에 의해 제조된 복잡 형상 재료의 다양한 예를 나타낸 모식도, 7 is a schematic diagram showing various examples of the complex shape material produced by the present invention;
도 8은 도 7에 나타난 각 재료의 일부 절개도이다. 8 is a partial cutaway view of each material shown in FIG. 7.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
10: 고정금형 22: 제1이동금형10: fixed mold 22: first moving mold
22a: 사출공 24: 제2이동금형22a: injection hole 24: second moving mold
24a: 사출공 100: 제1층24a: injection hole 100: first layer
200: 제2층 210: 원료 공급용 호퍼200: second layer 210: hopper for raw material supply
220: 가소화 실린더 230: 사출용 스크류220: plasticization cylinder 230: injection screw
240: 금형 242: 사출공240: mold 242: injection hole
250: 노즐 A1,B1,C1: 성형혼합물250: nozzles A1, B1, C1: molding mixture
A2,B2,C2: 복합층A2, B2, C2: composite layer
본 발명은 분말사출성형을 이용한 복잡 형상 재료의 제조방법 및 그에 따라 제조된 재료에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속이나 세라믹 등과 같은 다양한 원료를 사용하여 복잡한 형상의 재료를 제조하되, 분말사출성형 방식과 기계가공을 적절하게 혼용하여 이뤄진 복잡 형상 재료의 제조방법 및 그에 따라 제조된 재료에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a complex shape material using powder injection molding, and to a material prepared accordingly. More specifically, to prepare a material of complex shape using various raw materials such as metal or ceramic, powder injection molding method The present invention relates to a method for producing a complex-shaped material and a material produced according to the proper mixing and machining.
각종 공구 재료나 기계 부품을 제조하기 위하여 다양한 형태의 가공방법이 제안된 바 있다. 이러한 가공방법 중에서 특히, 금속분말을 가압·성형하여 굳히고, 가열하여 소결(燒結)함으로써 목적하는 형태의 금속 제품을 얻는 분말야금이 각광받고 있다. Various types of processing methods have been proposed to manufacture various tool materials or machine parts. Among these processing methods, powder metallurgy which obtains a metal product of the desired form by pressurizing and shaping | molding a metal powder, hardening | curing, and heating and sintering has attracted the spotlight.
분말야금은 주물, 단조와 같은 다른 가공방법으로는 제조가 불가능하거나 매우 어려운 제품의 제조를 가능하게 해준다. Powder metallurgy enables the manufacture of products that are otherwise difficult or impossible to manufacture with other processing methods such as casting and forging.
예를 들어, 용융온도가 높은 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈 등이나 내화물, 세라믹스 등의 고온재료(高溫材料)는 융해방법을 통한 제조가 어려우나 분말야금을 이용한 제조가 가능하다. For example, high-temperature materials such as tungsten, molybdenum, tantalum, refractory, ceramics, etc., which have a high melting temperature, are difficult to be manufactured through a melting method, but can be manufactured using powder metallurgy.
상호간에 비고용성(非固溶性)을 보이는 금속들(텅스텐-구리, 철-팔라듐)의 합금이나, 초경합금(탄화텅스텐-코발트), 분산강화재료 등의 복합재료(複合材料), 전기접점재료, 구리-흑연과 같은 금속-비금속의 복합재료, 치과용 아말감과 같이 층상조직을 가지는 재료 등도 분말야금을 통한 제조가 가능하다. Alloys of non-soluble metals (tungsten-copper, iron-palladium), composite materials such as cemented carbide (tungsten carbide-cobalt), dispersion reinforcing materials, electrical contact materials, Composite materials of metal-nonmetals such as copper-graphite, materials having a layered structure such as dental amalgam, and the like can also be manufactured through powder metallurgy.
베어링, 필터 또는 스펀지상의 재료와 같은 다공성 재료는 주물로서 얻을 수 없으나 분말야금으로는 제조가 가능하다. Porous materials such as bearings, filters or sponge-like materials cannot be obtained as castings but can be manufactured with powder metallurgy.
그러나, 분말야금을 이용한 가공 기술은 다음과 같은 한계를 갖고 있었다. However, the processing technology using powder metallurgy had the following limitations.
우선, 분말을 이용하여 성형체를 제작하기 위하여는 몰드 내에 투입된 각 분말층을 펀치와 같은 기구로 가압하여야 하는데, 이 과정에서 내외측의 밀도 편차가 수반되어 균일한 성형이 불가능하므로 복잡한 형상의 제품을 만들기가 곤란하였다. First, in order to manufacture a molded body using powder, each powder layer injected into the mold must be pressurized with a punch-like mechanism. It was difficult to make.
또한, 몰드 내로 각 분말층을 투입하는 공정이 현실적으로 수작업에 크게 의존하는 상황이므로, 생산성이 크게 저하되고 생산 비용이 상승하는 문제점이 있었 다. In addition, since the process of injecting each powder layer into the mold is actually a situation that greatly depends on the manual work, there is a problem that the productivity is greatly reduced and the production cost is increased.
이러한 분말야금 기술의 한계를 극복하기 위하여 분말사출성형 기술이 제안된 바 있다. Powder injection molding technology has been proposed to overcome the limitations of the powder metallurgy technology.
분말사출성형(Powder Injection Molding, PIM)은 플라스틱 분야에서 발전된 사출성형 기술과 분말야금 분야에서 발전된 금속 분말 소결 기술이 융합된 기술로서, 절삭가공, 정밀주조, 다이케스팅, 분말야금 등과 같은 기존 기술로는 제조가 곤란하거나 고비용이 소요되는 고기능 복잡 형상의 정밀부품을 저비용으로 양산 가능하도록 해주는 첨단가공기술이다. Powder Injection Molding (PIM) is a fusion of injection molding technology developed in the plastics field and metal powder sintering technology developed in the powder metallurgy field. Its existing technologies such as cutting, precision casting, die casting and powder metallurgy It is a high-tech processing technology that enables mass production of high-performance complex precision parts that are difficult to manufacture or costly at low cost.
일반적인 분말사출성형은 분말과 바인더의 혼합공정(Mixing Process) 및 사출성형공정(Injection Molding Process), 탈지공정(Debinding Process), 소결공정(Sintering Process) 등으로 구성되며, 성형재료에 따라 금속사출성형(Metal Injection Molding, MIM) 또는 세라믹사출성형(Ceramic Injection Molding, CIM) 등으로 더욱 분류된다. The general powder injection molding consists of a mixing process of powder and binder, injection molding process, debinding process, and sintering process. It is further classified into (Metal Injection Molding, MIM) or Ceramic Injection Molding (CIM).
그러나, 분말사출성형의 경우, 요구되는 성형물 형상을 얻기 위하여 사출성형용 금형을 제작해야 하는바, 성형물의 형상이 복잡한 경우에는 금형 제작의 곤란성 및 비용 증가의 문제가 발생되었다. However, in the case of powder injection molding, it is necessary to manufacture a mold for injection molding in order to obtain the required shape of the molded product. When the shape of the molded product is complicated, the problem of difficulty in manufacturing a mold and an increase in cost have arisen.
특히, 소량 다품종화 되어가는 소재,부품 분야의 특성을 고려할 때, 하나의 성형물 형상을 얻기 위하여 복잡한 형상의 금형을 매번 제작하는 것은 생산성 저하 및 생산 비용 증가의 문제를 필연적으로 야기하는 문제점이 있었다. In particular, considering the characteristics of materials and parts that are becoming a small variety of materials, the production of complex molds each time in order to obtain a single molding shape inevitably causes a problem of reduced productivity and increased production cost.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 금속이나 세라믹 등과 같은 다양한 원료를 사용하여 복잡한 형상의 재료를 제조하되, 분말사출성형 방식과 기계가공을 적절하게 혼용하여 이뤄진 복잡 형상 재료의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다. The present invention has been made in view of the above problems, but the production of a complex shape material using a variety of raw materials such as metal or ceramics, the production of complex shape material made by mixing the powder injection molding method and machining appropriately Its purpose is to provide a method.
또한, 본 발명은 이러한 제조방법에 의해 제조된 재료를 제공하는 것을 또다른 목적으로 한다.
It is another object of the present invention to provide a material produced by such a production method.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 원료분말을 바인더와 균질하게 혼합하여 성형혼합물을 수득하는 단계; 분말사출성형장치를 이용하여, 상기 수득된 성형혼합물을 금형 내로 사출하여 성형물을 형성하는 단계; 상기 성형물을 요구되는 형상으로 기계가공하는 단계; 상기 성형물을 탈지 처리하는 단계; 상기 탈지된 성형물을 소결로 내에서 소결 처리하는 단계;를 포함하여 이뤄진다. The present invention for achieving the above object, the step of homogeneously mixing the raw material powder with a binder to obtain a molding mixture; Using a powder injection molding apparatus, injecting the obtained molding mixture into a mold to form a molding; Machining the molding to the desired shape; Degreasing the molding; And sintering the degreased molding in a sintering furnace.
또다른 측면에 의하면 본 발명은, 적어도 2종의 원료분말을 각각의 바인더와 균질하게 혼합하여, 각 원료분말 별 성형혼합물을 수득하는 단계; 이종 분말사출성형장치를 이용하여, 상기 수득된 성형혼합물 중 제1층을 이루는 성형혼합물을 금형 내로 사출하는 단계; 제2층을 이루는 성형혼합물로부터 마지막 층을 이루는 성형혼합물까지 순차적으로 금형 내로 사출하여, 상기 제1층으로부터 마지막 층까지 일체로 결합된 복합층 성형물을 형성하는 단계; 상기 성형물을 요구되는 형상으로 기계 가공하는 단계; 상기 성형물을 탈지 처리하는 단계; 상기 탈지된 성형물을 소결로 내에서 소결 처리하는 단계;를 포함하여 이뤄진다. According to another aspect, the present invention comprises the steps of homogeneously mixing at least two kinds of raw powder with each binder to obtain a molding mixture for each raw powder; Injecting a molding mixture forming a first layer of the obtained molding mixture into a mold by using a heterogeneous powder injection molding apparatus; Sequentially injecting the molding mixture constituting the second layer into the molding mixture constituting the last layer into the mold to form a composite layer molding integrally bonded from the first layer to the last layer; Machining the molding to the desired shape; Degreasing the molding; And sintering the degreased molding in a sintering furnace.
보다 바람직하게, 상기 이종 분말사출성형장치는 하나의 고정금형과 적어도 두개의 이동금형을 구비한 것으로서, 고정금형과 제1이동금형이 이루는 공간에 성형혼합물을 사출하여 제1층을 형성한 후, 제1이동금형을 탈형시키고 제2이동금형을 고정금형에 밀접 고정한 상태에서 고정금형과 제2이동금형이 이루는 공간에 성형혼합물을 사출하여 제2층을 형성하며, 상기 제2층의 사출과 동일한 과정을 반복하여 마지막 층까지 형성한다. More preferably, the heterogeneous powder injection molding apparatus includes one fixed mold and at least two moving molds, and after forming a first layer by injecting a molding mixture into a space formed by the fixed mold and the first moving mold, The first moving mold is demolded and the second moving mold is fixed to the fixed mold to inject a molding mixture into the space formed by the fixed mold and the second moving mold to form a second layer, the same as the injection of the second layer. Repeat the process to form the last layer.
또다른 측면에 의하면 본 발명은, 적어도 2종의 원료분말을 각각의 바인더와 균질하게 혼합하여, 각 원료분말 별 성형혼합물을 수득하는 단계; 다중 분말사출성형장치를 이용하여, 상기 수득된 성형혼합물 중 제1층을 이루는 성형혼합물로부터 마지막 층을 이루는 성형혼합물까지 금형 내로 사출하여, 상기 제1층으로부터 마지막 층까지 일체로 결합된 복합층 성형물을 형성하는 단계; 상기 성형물을 요구되는 형상으로 기계가공하는 단계; 상기 성형물을 탈지 처리하는 단계; 상기 탈지된 성형물을 소결로 내에서 소결 처리하는 단계;를 포함하여 이뤄진다. According to another aspect, the present invention comprises the steps of homogeneously mixing at least two kinds of raw powder with each binder to obtain a molding mixture for each raw powder; Using a multi-powder injection molding apparatus, a composite layer molding in which the molding mixture forming the first layer from the molding mixture forming the first layer to the molding mixture forming the last layer is injected into the mold, and integrally joined from the first layer to the last layer. Forming a; Machining the molding to the desired shape; Degreasing the molding; And sintering the degreased molding in a sintering furnace.
보다 바람직하게, 상기 다중 분말사출성형장치는 금형 내로 성형혼합물을 사출하는 노즐이 각 층의 형성위치 별로 적어도 2개가 구비된 것으로서, 각 층을 이루는 성형혼합물을 각 노즐을 통해 금형 내로 동시에 사출하여 제1층으로부터 마지막 층까지 일체로 결합된 복합층 성형물을 형성한다. More preferably, the multi-powder injection molding apparatus is provided with at least two nozzles for injecting the molding mixture into the mold for each layer formation position, and simultaneously injections the molding mixture constituting each layer into the mold through the nozzles. Form a composite layer molding integrally bonded from one layer to the last layer.
보다 바람직하게, 상기 각 층을 형성하는 원료분말은 금속분말, 세라믹분말, 탄화물분말, 글래스분말, 산화물분말, 다이아몬드분말 또는 이들의 혼합물로 이뤄지는 그룹으로부터 선택된다. More preferably, the raw material powder forming each layer is selected from the group consisting of metal powder, ceramic powder, carbide powder, glass powder, oxide powder, diamond powder or mixtures thereof.
보다 바람직하게, 상기 바인더는 유기 바인더이며, 상기 각 원료분말 별 성형혼합물은 해당 원료분말 40~60 vol%와 잔량의 바인더로 이뤄진다. More preferably, the binder is an organic binder, the molding mixture for each raw material powder is composed of the raw material powder 40 ~ 60 vol% and the remaining amount of the binder.
보다 바람직하게, 상기 각 원료분말과 바인더는 80~150℃의 온도 조건에서 2~3시간 동안 균질하게 혼합한다. More preferably, the raw material powder and the binder are mixed homogeneously for 2 to 3 hours at a temperature condition of 80 ~ 150 ℃.
보다 바람직하게, 상기 사출은, 150~500℃로 성형혼합물이 가열된 상태에서 1000~3000 psi의 사출 압력으로 이뤄진다. More preferably, the injection is made at an injection pressure of 1000 ~ 3000 psi in a state where the molding mixture is heated to 150 ~ 500 ℃.
보다 바람직하게, 상기 기계가공은 절삭가공인 것을 특징으로 한다. More preferably, the machining is characterized in that the cutting.
보다 바람직하게, 상기 탈지는 진공로에서 열분해 방식으로 이뤄지되, 80℃에서 600℃까지 20~35℃/hr의 승온 속도로써 가열하여 이뤄진다. More preferably, the degreasing is carried out in a pyrolysis method in a vacuum furnace, by heating at a temperature increase rate of 20 ~ 35 ℃ / hr from 80 ℃ to 600 ℃.
보다 바람직하게, 상기 소결은 환원성 수소 분위기 또는 질소 분위기 하에서 이뤄지되, 원료분말이 금속분말 또는 다이아몬드분말, 이들의 혼합분말로 이뤄진 경우에는 500~1300℃의 제1온도 조건, 원료분말이 세라믹분말 또는 탄화물분말, 글래스분말, 산화물분말, 이들의 혼합분말로 이뤄진 경우에는 1000~1500℃의 제2온도 조건, 원료분말이 상기 제1온도 조건의 분말과 제2온도 조건의 분말의 혼합 분말인 경우에는 500~1300℃의 제3온도 조건이 유지된 상태에서 소정 시간 동안 이뤄진다. More preferably, the sintering is carried out under a reducing hydrogen atmosphere or a nitrogen atmosphere, when the raw material powder is made of metal powder or diamond powder, mixed powder thereof, the first temperature condition of 500 ~ 1300 ℃, the raw material powder is ceramic powder or When the powder is composed of carbide powder, glass powder, oxide powder, and mixed powder thereof, the second temperature condition of 1000 to 1500 ° C, and the raw material powder is a mixed powder of the powder of the first temperature condition and the powder of the second temperature condition It is made for a predetermined time while the third temperature condition of 500-1300 ° C is maintained.
본 발명은 금속, 비금속, 금속-이종 금속의 혼합물, 금속-비금속의 혼합물 등 다양한 종류의 원료를 이용하여 복잡 형상 재료를 제조하되, 분말사출성형 방식 과 기계가공을 적절하게 혼용한다. The present invention is to produce a complex shape material using a variety of raw materials, such as metals, nonmetals, metal-divalent metal mixtures, metal-non-metal mixtures, and the powder injection molding method and machining is appropriately mixed.
특히, 본 발명은 이러한 복잡 형상의 재료가 다양한 원료들이 별도의 층을 이루면서 일체로 결합된 복합층 재료의 형태를 갖도록, 일반적인 분말사출성형에 이종 사출성형 또는 다중 사출성형을 더욱 응용한다. In particular, the present invention further applies heterogeneous injection molding or multi-injection molding to general powder injection molding so that such a complicated material has a form of a composite layer material in which various raw materials are integrally combined while forming a separate layer.
이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 복잡 형상 재료의 제조방법의 순서도, 도 2는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 복잡 형상 재료의 제조방법의 순서도, 도 3a 내지 도 3i는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 복잡 형상 재료의 제조에 있어서 이종 분말사출성형 과정을 나타낸 모식도이다. 1 is a flow chart of a method for producing a complex shape material according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a flow chart of a method for producing a complex shape material according to another embodiment of the present invention, Figures 3a to 3i It is a schematic diagram showing the heterogeneous powder injection molding process in the manufacture of the complex-shaped material according to another embodiment.
도 1을 통해 예시된 실시예는 분말사출성형과 기계가공을 혼용하여 복잡 형상 재료를 제조하되 분말사출성형층을 하나의 층만으로 형성하는 것이다. 도 2를 통해 예시된 실시예는 도 1의 실시예를 더욱 응용하여 이종 분말사출성형에 의해 분말사출성형층을 여러 층으로 형성하는 것이다. The embodiment illustrated through FIG. 1 is to produce a complex shape material by mixing powder injection molding and machining, but to form a powder injection molding layer with only one layer. The embodiment illustrated through FIG. 2 is to further apply the embodiment of FIG. 1 to form a powder injection molding layer into several layers by heterogeneous powder injection molding.
이하에서는 도 1의 실시예가 포함되어 더욱 응용된 도 2의 실시예에 관하여 설명하며, 특히 2종의 원료분말에 의해 복합층이 형성되는 경우를 예시한다. Hereinafter, a description will be given of the embodiment of FIG. 2, which includes the embodiment of FIG. 1 and is further applied, and particularly illustrates a case in which a composite layer is formed by two kinds of raw material powders.
먼저, 2종의 원료분말을 각각의 바인더와 균질하게 혼합하여, 각 원료분말 별 성형혼합물을 수득한다. First, two kinds of raw powders are mixed homogeneously with each binder to obtain a molding mixture for each raw powder.
원료분말로서는, 금속분말, 세라믹분말, 탄화물분말, 글래스분말, 산화물분말, 다이아몬드분말이 사용되며, 이들 각 분말이 필요에 따라 2종 또는 그 이상으 로 혼합된 혼합분말이 사용될 수도 있다. As the raw material powder, metal powder, ceramic powder, carbide powder, glass powder, oxide powder and diamond powder are used, and a mixed powder in which two or more of these powders are mixed as necessary may be used.
금속분말로서는 예를 들어, Co, Cr, Fe, Cu, Zn, Ti, Ni, Ag, Sn, W, B, Mn 등과 이들의 합금으로 이뤄진 분말이 사용된다. 탄화물분말로서는 예를 들어, WC, TiC, CrC 등이 사용되며, 세라믹분말로서는 Zr, Si 등이 사용된다. As the metal powder, for example, a powder made of Co, Cr, Fe, Cu, Zn, Ti, Ni, Ag, Sn, W, B, Mn, or an alloy thereof is used. As the carbide powder, for example, WC, TiC, CrC and the like are used, and as the ceramic powder, Zr, Si and the like are used.
원료분말은 특히 1~20 ㎛ 정도의 사이즈로 준비되는바, 이보다 큰 사이즈인 경우에는 일반적으로 소결성 및 사출 성형성이 상대적으로 좋지 않고 수축에 의한 변형률이 크며, 이보다 작은 사이즈인 경우에는 일반적으로 바인더와의 균일한 혼합이 어렵고 가격이 상대적으로 비싸기 때문이다. 다만, 이러한 원료분말의 사이즈는 가격이 고려되지 않고 소재의 특성이 우선시 되는 경우라면 나노 사이즈가 될 수도 있으며, 경우에 따라 수십~수백 ㎛의 사이즈가 될 수도 있다. The raw material powder is prepared in a size of about 1 to 20 μm. In the case of a larger size, the sintering property and the injection moldability are generally relatively poor and the strain due to shrinkage is large. It is difficult to uniformly mix with and the price is relatively high. However, the size of the raw material powder may be nano-size if the characteristics of the material is prioritized without considering the price, may be a size of several tens to several hundred μm in some cases.
바인더는 원료분말에 맞춰 선택된 통상의 유기 바인더가 사용되는바, 예를 들어 파라핀왁스, 비닐 아세테이트, 폴리올레핀, 에틸렌 비닐아세테이트 등이 사용되며, 특히 수용성 바인더로서 폴리에틸렌 글리코올, 폴리프로필렌 글리코올, 폴리비닐 알코올 등이 사용되고, 비수용성 바인더로서 폴리스틸렌, 폴리에틸렌 등이 사용된다. As the binder, a conventional organic binder selected according to the raw material powder is used. For example, paraffin wax, vinyl acetate, polyolefin, ethylene vinyl acetate, and the like are used. Particularly, as the water-soluble binder, polyethylene glycol, polypropylene glycol, polyvinyl Alcohol and the like are used, and polystyrene, polyethylene and the like are used as the water-insoluble binder.
각 원료분말과 바인더는 원료분말 40~60 vol%와 잔량의 바인더의 비율로 균질하게 혼합하게 되는데, 이때 80~150℃의 온도 조건에서 2~3시간 동안 혼합한다. 이러한 혼합은 예를 들어, 통상의 더블 플래니터리 믹서(Double planetary mixer) 등을 이용하여 이뤄질 수 있다. Each raw material powder and the binder are homogeneously mixed at a ratio of 40 to 60 vol% of the raw material powder and the remaining amount of binder, and then mixed for 2 to 3 hours at a temperature condition of 80 ~ 150 ℃. This mixing can be accomplished using, for example, a conventional double planetary mixer or the like.
원료분말이 40 vol% 보다 적은 경우에는 사출시 유동성은 좋으나 탈지시 장 시간이 소요되며, 60 vol% 보다 많은 경우에는 사출시 성형물이 충분한 강도를 갖지 못할 수 있으므로, 상기 혼합비를 갖도록 혼합하는 것이 바람직하다. When the raw material powder is less than 40 vol%, the fluidity during injection is good, but it takes a long time to degreasing. When the raw material powder is more than 60 vol%, the molding may not have sufficient strength during injection, so it is preferable to mix it to have the above mixing ratio. Do.
또한, 혼합이 상기 조건보다 낮은 온도 또는 짧은 시간 동안 이뤄지면 바인더가 충분한 유동성을 갖고 혼합되지 않을 수 있으며, 상기 조건보다 높은 온도 또는 긴 시간 동안 이뤄지면 저온용 바인더의 경우 혼합 도중에 탈지 현상을 일으킬 수 있으므로, 상기 혼합 조건을 유지하는 것이 바람직하다. In addition, when the mixing is performed at a temperature lower than the above conditions or for a short time, the binder may not be mixed with sufficient fluidity. If the mixing is performed at a temperature above or above the above conditions, the binder may be degreased during mixing. Therefore, it is preferable to maintain the above mixing conditions.
이렇게 혼합된 결과, 각 원료분말 입자를 바인더가 감싸고 있는 형태의 성형혼합물이 수득되는바, 성형혼합물은 바인더의 상호 결합에 의해 덩어리의 형태를 이룰 수도 있으나 약간의 가압력에 의해 분말 형태(Feed stock)로 쉽게 파쇄된다. As a result of the mixing, a molding mixture in which the raw material powder particles are wrapped in a binder is obtained. The molding mixture may form a lump by mutual bonding of the binders, but may be in powder form by a slight pressing force. Easily shredded.
다음으로, 이종 분말사출성형장치를 이용하여, 상기 수득된 성형혼합물 중 제1층을 이루는 성형혼합물을 금형 내로 사출하고, 제2층을 이루는 성형혼합물을 금형 내로 사출하여, 제1층과 제2층이 일체로 결합된 복합층 성형물을 형성한다. Next, by using a heterogeneous powder injection molding apparatus, the molding mixture constituting the first layer of the obtained molding mixture is injected into the mold, and the molding mixture constituting the second layer is injected into the mold. The layers form integrally formed composite layer moldings.
사출성형은 본래 플라스틱 재료, 특히 열가소성수지를 성형하는 가공방법의 하나로서, 수지를 가열 용융 시킨 후 금형 내에 사출하여 성형물을 제조하는 방법이다. Injection molding is one of the processing methods for forming a plastic material, especially a thermoplastic resin, and is a method of manufacturing a molded product by heating and melting a resin and then injecting it into a mold.
특히, 이종 사출성형은, 예를 들어 서로 색이 다른 이종의 합성수지를 하나의 성형물로 제조하는 경우 등에 사용하는 사출성형법으로서, 가전 제품류의 케이싱, 키패드 등의 제조에 사용되는바, 본 실시예에서는 이러한 이종 사출성형을 응용한다. In particular, the heterogeneous injection molding is an injection molding method used for producing heterogeneous resins having different colors from one molding, for example, and is used for the manufacture of casings, keypads, and the like for home appliances. This heterogeneous injection molding is applied.
본 실시예의 이종 분말사출성형장치는 원료 공급용 호퍼와 가소화 실린더, 사출용 스크류, 금형 등이 구비된 통상의 구성을 갖되, 특히 이종 재료를 순차적으로 사출하기 위하여 하나의 고정금형(10)과 두개의 이동금형(22,24)을 구비한 것이다. The heterogeneous powder injection molding apparatus of this embodiment has a conventional configuration provided with a hopper for raw material supply, a plasticizing cylinder, an injection screw, a mold, and the like, in particular, one fixed
사출 과정을 보면, 고정금형(10)과 제1이동금형(22)이 이루는 공간에 제1이동금형(22)의 사출공(22a)을 통해 성형혼합물을 사출하여 제1층(100)을 형성한다(도 3a 내지 도 3c). 제1이동금형(22)의 내부면의 형상은 요구되는 제2층(200)의 형상에 따라 다양한 형태로 변형될 수 있다. In the injection process, the
이후, 제1이동금형(10)을 탈형시키고(도 3d), 제2이동금형(24)을 고정금형(10)에 밀접 고정하게 되며(도 3e 내지 도 3f), 이 상태에서 고정금형(10)과 제2이동금형(24)이 이루는 공간에 제2이동금형(24)의 사출공(24a)을 통해 성형혼합물을 사출하여 제2층(200)을 형성한다(도 3g). 예시된 제2이동금형(24)의 내부면은 평탄면을 갖도록 형성되어 있지만, 이 또한 요구되는 제2층(200)의 형상에 따라 다양한 형태로 변형될 수 있다. Thereafter, the first moving
이후, 제2이동금형(20)을 탈형시키게 되면(도 3h), 제1층(100)과 제2층(200)이 일체로 결합된 복합층 성형물을 얻게 된다(도 3i). Subsequently, when the second moving mold 20 is demolded (FIG. 3H), the composite layer molding in which the
이러한 사출은 150~500℃로 성형혼합물이 가열된 상태에서 1000~3000 psi의 사출 압력으로 이뤄지는 것이 바람직하다. This injection is preferably made at an injection pressure of 1000 ~ 3000 psi in a state where the molding mixture is heated to 150 ~ 500 ℃.
사출 온도가 150℃보다 낮은 경우에는 성형혼합물의 유동성이 좋지 않아 균일한 사출성형이 이뤄지지 않을 수가 있으며, 500℃보다 높은 경우에는 바인더의 기화가 발생될 수 있으므로, 상기 조건으로 사출하는 것이 바람직하다. If the injection temperature is lower than 150 ℃ may not be uniform injection molding because the fluidity of the molding mixture is not good, if higher than 500 ℃ may cause the evaporation of the binder, it is preferable to inject under the above conditions.
또한, 사출 압력이 1000 psi 보다 낮은 경우에는 성형혼합물이 노즐로부터 원활하게 사출되지 않을 수가 있으며, 3000 psi 보다 높은 경우에는 분말사출성형장치에 과부하가 걸릴 수 있으므로, 상기 조건으로 사출하는 것이 바람직하다. In addition, when the injection pressure is lower than 1000 psi, the molding mixture may not be injected smoothly from the nozzle, when the injection pressure is higher than 3000 psi, the powder injection molding apparatus may be overloaded, it is preferable to inject under the above conditions.
이러한 사출은 특히 상기 조건하에서 3점 가열방식으로 이뤄지는 것이 바람직한바, 3점 가열방식은 사출성형기에서 사출이 이뤄지는 동안 성형혼합물이 투입되는 입구, 중단점 및 출구 등 적어도 3지점에서 가열 및 유동 제어가 이뤄지는 방식이다. In particular, the injection is preferably performed by a three-point heating method under the above conditions. The three-point heating method controls heating and flow at at least three points such as an inlet, a break point, and an outlet through which the molding mixture is injected during the injection molding machine. This is how it is done.
한편, 도 1의 실시예는 단지 1종의 원료분말만을 사용하며, 사출성형장치도 고정금형과 하나의 이동금형만이 사용되는 점을 제외하고, 상기 과정과 유사한 과정을 거쳐 사출성형이 이뤄지게 된다. On the other hand, the embodiment of Figure 1 uses only one type of raw material powder, injection molding apparatus is injection molding is performed through a similar process to the above, except that only a fixed mold and one moving mold is used. .
2종 이상의 원료분말이 사용되는 경우의 사출 과정에 대하여 더욱 설명한다. The injection process in the case where two or more raw material powders are used will be further described.
먼저, 2종 이상의 원료분말을 각각의 바인더와 균질하게 혼합하여, 각 원료분말 별 성형혼합물을 수득한다. First, two or more kinds of raw material powders are mixed homogeneously with each binder to obtain a molding mixture for each raw material powder.
다음으로, 이종 분말사출성형장치를 이용하여, 수득된 성형혼합물 중 제1층을 이루는 성형혼합물을 금형 내로 사출하고, 제2층을 이루는 성형혼합물로부터 마지막 층을 이루는 성형혼합물까지 순차적으로 금형 내로 사출하여, 제1층으로부터 마지막 층까지 일체로 결합된 복합층 성형물을 형성한다. Next, by using a heterogeneous powder injection molding apparatus, a molding mixture constituting the first layer of the obtained molding mixture is injected into the mold, and then sequentially injected into the mold from the molding mixture constituting the second layer to the molding mixture constituting the last layer. Thereby forming a composite layer molding integrally joined from the first layer to the last layer.
이때, 사용되는 이종 분말사출성형장치는 원료 공급용 호퍼와 가소화 실린더, 사출용 스크류, 금형 등이 구비된 통상의 구성을 갖되, 특히 이종 재료를 순차적으로 사출하기 위하여 하나의 고정금형과 두개 이상의 이동금형을 구비한 것이 다. At this time, the heterogeneous powder injection molding apparatus used has a conventional configuration provided with a hopper for supplying raw materials, a plasticizing cylinder, an injection screw, a mold, etc., in particular, one fixed mold and two or more in order to sequentially inject heterogeneous materials. It is equipped with a moving mold.
사출 과정을 보다 상세하게 보면, 고정금형과 제1이동금형이 이루는 공간에 성형혼합물을 사출하여 제1층을 형성한 후, 제1이동금형을 탈형시키고 제2이동금형을 고정금형에 밀접 고정한 상태에서 고정금형과 제2이동금형이 이루는 공간에 성형혼합물을 사출하여 제2층을 형성하며, 상기 제2층의 사출과 동일한 과정을 반복하여 마지막 층까지 형성하게 된다. In more detail, the injection process is performed by injecting a molding mixture into the space formed by the fixed mold and the first moving mold to form a first layer, and then demolding the first moving mold and closely fixing the second moving mold to the fixed mold. Inject the molding mixture into the space formed by the stationary mold and the second moving mold to form a second layer, and repeats the same process as the injection of the second layer to form the last layer.
소위 경사기능재료를 제조하는 경우에는 2종 이상의 분말이 혼합되되, 혼합비 만을 몇 단계로 변화시킨 형태의 혼합분말이 사용될 수도 있다. 예를 들어, A 분말과 B 분말을 혼합하되, 1:4 -> 2:3 -> 3:2 -> 4:1 의 단계로 혼합비를 변화시킨 4 종류의 혼합분말을 사용하는 것이다. In the case of producing a so-called warp functional material, two or more kinds of powders may be mixed, but a mixed powder of a form in which only the mixing ratio is changed in several steps may be used. For example, A powder and B powder are mixed, but four kinds of mixed powders in which the mixing ratio is changed in a step of 1: 4-> 2: 3-> 3: 2-> 4: 1 are used.
본 실시예는 특히 이러한 경사기능재료를 제조하는 경우에 유용하게 응용될 수 있으며, 이외에도 2 이상의 재료를 하나의 복합층 재료로서 형성하는 경우에 유용하게 적용될 수 있다. The present embodiment may be particularly useful in the case of manufacturing such warp functional material, and may be usefully applied in the case of forming two or more materials as one composite layer material.
다음으로, 얻어진 성형물을 요구되는 형상으로 기계가공한다. Next, the obtained molded product is machined into the required shape.
상술한 분말사출성형 과정을 통해 얻어진 성형물은 원료분말이나 바인더의 특성에 따라 다소의 차이가 있기는 하지만, 일반 플라스틱 사출 성형물과 유사한 형태로 소정의 경도를 갖는 상태가 된다. 본 단계에서는 이러한 성형물을 기계가공하여 요구되는 최종 형상으로 만들게 된다. The molding obtained through the powder injection molding process described above is in a state having a predetermined hardness in a form similar to that of a general plastic injection molding, although there are some differences depending on the characteristics of the raw powder and the binder. In this step, these moldings are machined to the required final shape.
기계가공(mechanical working)은 공작기계 또는 압연기·프레스 등의 기계를 사용하여, 대상 재료의 형상을 바꾸거나 기계적 성질을 바꾸어 원하는 형상·치수 로 가공하는 것을 일반적으로 의미한다. Mechanical working generally means processing to a desired shape and dimensions by changing the shape of the target material or changing mechanical properties by using a machine tool or a machine such as a rolling mill or press.
특히, 공작기계를 사용하는 경우, 절삭·연삭 등과 같이 절삭 칩(chip)을 내면서 금속 등의 재료를 가공하여 필요한 모양을 만들어 내게 되며, 재료를 소정의 형상으로 깎아내기 위하여 바이트·드릴빗·밀링커터와 같은 커터를 사용하여, 재료 또는 커터를 회전시키거나 왕복운동시켜 강제적으로 절삭가공한다. In particular, in the case of using a machine tool, a material such as metal is processed while cutting chips such as cutting and grinding to form a required shape, and a bite, drill bit, and milling to cut the material into a predetermined shape. Using a cutter such as a cutter, the material or cutter is rotated or reciprocated to force cutting.
상술한 분말사출성형 과정을 통해 얻어진 성형물은 소정의 경도를 갖는 상태가 되므로, 상기 기계가공 중에서 특히 절삭가공을 통해 요구되는 형상으로 최종 가공하는 것이 바람직하다. Since the molding obtained through the above-mentioned powder injection molding process is in a state having a predetermined hardness, it is preferable that the final processing is performed to the required shape among the machining, in particular through cutting.
즉, 선반, 드릴링 머신, 보링 머신, 플레이너, 밀링 머신, 수치제어(numerical control:NC) 공작기계와 같은 다양한 종류의 공작기계를 이용하여, 분말사출성형 과정을 통해 얻어진 성형물을 요구되는 최종 형상으로 정밀 가공한다. In other words, by using various kinds of machine tools such as lathes, drilling machines, boring machines, planers, milling machines, numerical control (NC) machine tools, the moldings obtained through the powder injection molding process are required. Precision machining
예를 들어, 요구되는 최종 형상이 원통형의 기본 형상을 가지면서 다소 복잡한 가공이 요구되는 경우에는 분말사출성형을 통해 얻어진 성형물을 선반을 이용하여 정밀 가공하게 된다. For example, when the required final shape has a cylindrical basic shape and a somewhat complicated process is required, the molding obtained through powder injection molding is precisely processed using a lathe.
다른 예로서, 요구되는 최종 형상이 다양한 형태의 관통공이 형성되는 경우에는 분말사출성형을 통해 얻어진 성형물을 드릴링 머신을 이용하여 정밀 가공하게 된다. As another example, when the required final shape is formed through holes of various shapes, the molding obtained through powder injection molding is precisely processed using a drilling machine.
이러한 가공 방식을 취하게 되면, 분말사출성형 과정에서는 다소 덜 복잡한 성형물 형태로 가공하고 필요에 따라 복잡한 세부 형상에 대하여만 기계가공을 하게 되므로, 분말사출성형에 필요한 금형의 제작이 훨씬 용이하게 되며, 분말사출성 형만으로 제작이 극히 곤란하거나 불가능한 형태의 성형물도 얻을 수 있게 된다. This processing method, in the powder injection molding process is processed into a somewhat less complex molding form and machined only for the complex details as needed, making the mold required for powder injection molding much easier, It is possible to obtain moldings in a form that is extremely difficult or impossible to manufacture only by powder injection molding.
특히, 소량 다품종화 되어가는 소재,부품 분야의 특성을 고려할 때, 이러한 형태의 가공은 복잡한 형상의 금형을 매번 제작하는 방식에서 탈피함을 의미하므로, 생산성 저하 및 생산 비용 증가의 문제를 해결하는 장점을 제공하게 된다. In particular, considering the characteristics of materials and parts that are becoming small quantities, this type of processing means avoiding the molds of complex shapes every time, thus reducing the productivity and increasing production costs. Will be provided.
다음으로, 성형물을 탈지 처리한다. Next, the molding is degreased.
탈지는 성형물 내에서 원료분말의 상호 결속을 위하여 첨가되었던 바인더를 제거하는 공정으로서, 본 실시예에서는 진공로에서 열분해 방식으로 탈지가 이뤄지며, 특히 80℃에서 600℃까지 20~35℃/hr의 승온 속도로써 가열하여 이뤄진다. Degreasing is a process of removing the binder added to the mutual binding of the raw material powder in the molding, in this embodiment degreasing is carried out by pyrolysis in a vacuum furnace, in particular in the temperature rise of 20 ~ 35 ℃ / hr from 80 ℃ to 600 ℃ By heating at a rate.
탈지 과정을 보다 상세하게 보면, 승온 초기 온도 범위에서는 바인더가 탈지되기 위한 통로가 사출 성형물 내에 형성되고, 중간 온도 범위에서는 저온용 바인더의 탈지가 이뤄지며, 고온 범위에서는 고온용 바인더의 탈지가 순차적으로 이뤄진다. 이러한 측면에서 상기 온도 범위 내에서 탈지가 이뤄지는 것이 바람직하다. Looking at the degreasing process in more detail, a passage for degreasing the binder is formed in the injection molding in the initial temperature range, the degreasing of the low temperature binder is performed in the intermediate temperature range, and degreasing of the high temperature binder is performed sequentially in the high temperature range. . In this respect, it is preferable that degreasing is performed within the above temperature range.
또한, 탈지 과정의 기술적 측면만으로 볼 때에는 승온 속도가 낮을 수록 바람직하지만, 승온 속도가 너무 낮게 되면 진공로의 고온 분위기를 장시간 유지해야 하며 그 결과 생산비가 상승되고 조업 시간이 증가되므로, 원활한 탈지 과정이 이뤄지는 조건하에서 승온 속도를 최대한 높게 유지하는 것이 실제 제조 측면에서 바람직하다. 그러나, 승온 속도가 과도하게 높아지면 탈지시 성형물의 뒤틀림과 내부 크랙, 기공, 부풀어 오름 현상이 발생될 수 있으므로, 상기 승온 속도로서 탈지가 이뤄지는 것이 바람직하다. In addition, from the technical aspect of the degreasing process, it is preferable that the temperature increase rate is low, but if the temperature increase rate is too low, the high temperature atmosphere of the vacuum furnace must be maintained for a long time, and as a result, the production cost is increased and the operating time is increased. It is desirable in terms of actual manufacturing to keep the rate of heating as high as possible under the conditions achieved. However, if the temperature increase rate is excessively high, since the warping and internal cracks, pores, swelling phenomenon may occur when degreasing, degreasing is preferable as the temperature increase rate.
상기 진공로의 승온 속도는 평균적인 의미를 갖는 것으로서, 탈지 과정 동안 일정한 속도로 계속 승온시키는 방식이 될 수도 있으며, 필요에 따라 중간에 승온을 일시 중지하고 고정 온도를 유지하는 과정이 포함되도록 공정을 운용할 수도 있다. The temperature increase rate of the vacuum furnace has an average meaning, and may be a method of continuously raising the temperature at a constant rate during the degreasing process, and if necessary, the process may be performed to include a process of temporarily stopping the temperature increase and maintaining a fixed temperature in the middle. It can also be operated.
한편, 이러한 탈지 과정에 있어서는 용매 추출 방식의 탈지 공정을 더욱 거치게 할 수도 있는데, 용매 추출 방식은 사출된 성형물을 용매에 침지시켜 바인더를 용출 제거하는 방식이다. Meanwhile, in such a degreasing process, the degreasing process of the solvent extraction method may be further performed. The solvent extraction method is a method of eluting and removing the binder by immersing the injected molding in a solvent.
이때 사용되는 용매는 바인더의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어 메탄올, 부탄올, 헥산, 다이크로메탄올 등이 사용될 수 있다. At this time, the solvent used may vary depending on the type of the binder, for example methanol, butanol, hexane, dichromemethanol and the like can be used.
이러한, 용매 추출 탈지 공정이 추가되는 경우에는, 열분해 탈지 공정의 전단계로서 거치게 하는 것이 바람직하다. When such a solvent extraction degreasing process is added, it is preferable to make it go through as a previous stage of a thermal decomposition degreasing process.
다음으로, 탈지된 성형물을 소결로 내에서 소결 처리한다. Next, the degreased molding is sintered in a sintering furnace.
소결은 환원성 수소 분위기(또는 질소 분위기) 하에서 이뤄지되, 별도의 소결로 내에서 이뤄질 수도 있지만 탈지 공정이 완료된 진공로 내에 수소가스를 주입하는 형태로 소결로를 구성할 수도 있다. 이러한 환원성 수소 분위기 하에서 소결이 이뤄지면 성형물 내에 잔존하는 산소가 제거되므로, 공극이 제거되어 치밀한 조직을 얻을 수 있으며, 성형물의 산화도 방지되는 효과를 얻는다. Sintering is performed under a reducing hydrogen atmosphere (or nitrogen atmosphere), but may be performed in a separate sintering furnace, but the sintering furnace may be configured by injecting hydrogen gas into a vacuum furnace in which degreasing is completed. When sintering is carried out under such a reducing hydrogen atmosphere, oxygen remaining in the molding is removed, so that voids are removed to obtain a dense structure, and the oxidation of the molding is also prevented.
원료분말이 금속분말 또는 다이아몬드분말, 이들의 혼합 분말로 이뤄진 경우에는 500~1300℃의 제1온도 조건으로 소결하며, 원료분말이 세라믹분말 또는 탄화물분말, 글래스분말, 산화물분말, 이들의 혼합 분말로 이뤄진 경우에는 1000~1500℃의 제2온도 조건으로 소결한다. When the raw powder is composed of metal powder or diamond powder, and mixed powder thereof, the raw powder is sintered under the first temperature condition of 500 to 1300 ° C. The raw powder is ceramic powder or carbide powder, glass powder, oxide powder, and mixed powder thereof. In this case, sintering is carried out under a second temperature condition of 1000 to 1500 ° C.
원료분말이 상기 제1온도 조건의 분말과 제2온도 조건의 분말의 혼합 분말인 경우에는 500~1300℃의 제3온도 조건으로 소결한다. When the raw material powder is a mixed powder of the powder at the first temperature condition and the powder at the second temperature condition, the raw powder is sintered at a third temperature condition of 500 to 1300 ° C.
이러한 온도 조건보다 낮은 온도에서는 해당 분말이 소결되어도 충분한 경도를 갖지 못할 수 있으며, 이보다 높은 온도에서는 소결 분말이 열 손상을 입을 수 있으므로, 이러한 온도 조건을 유지하는 것이 바람직하다. If the powder is sintered at a temperature lower than this temperature condition, the powder may not have sufficient hardness. At higher temperatures, the sintered powder may be thermally damaged, so it is preferable to maintain such a temperature condition.
이때, 소결 과정은 상기 온도 조건하에서 각 원료분말 또는 성형물의 특성에 따라 설정되는 소정 시간 동안 이뤄지게 된다. 이러한 소결 시간은 예를 들어, 수 분 정도의 시간이 될 수도 있으며, 원료분말 또는 성형물의 특성에 따라 2~3 시간정도가 될 수도 있다. At this time, the sintering process is performed for a predetermined time set according to the characteristics of each raw material powder or molding under the above temperature conditions. Such sintering time may be, for example, a time of about several minutes, or may be about 2 to 3 hours depending on the characteristics of the raw material powder or the molding.
이러한 소결이 완료되면 최종적으로 도 7 및 도 8을 통해 예시된 것처럼 다양한 형태의 복잡 형상 재료가 얻어질 수 있다. Upon completion of this sintering, various shapes of complex shaped materials can be obtained, as illustrated in FIGS. 7 and 8.
도 7의 (a)는 A 하나의 재료로 형성된 경우로서, 분말사출성형에 의해 얻어진 육면체의 성형물에 요구되는 형상이 얻어지도록 드릴링 가공이 이뤄진 예를 나타낸다. FIG. 7A illustrates an example in which a drilling process is performed to obtain a shape required for a molded article of a hexahedron obtained by powder injection molding.
도 7의 (b)는 A,B 두가지 재료가 하나의 복합층 재료로서 형성된 경우이며, (c)는 A,B,C 세가지 재료가 하나의 복합층 재료로서 형성된 경우로서, 이종 분말사출성형에 의해 얻어진 육면체의 성형물에 요구되는 형상이 얻어지도록 드릴링 가공이 이뤄진 예를 나타낸다. 7 (b) shows a case where two materials A and B are formed as one composite layer material, and (c) shows a case where three materials A, B and C are formed as one composite layer material. The example in which the drilling process was performed so that the shape calculated | required by the molded object of the hexahedron obtained by this is obtained.
도면 중의 부호 h1~h3은 드릴링 가공된 관통공을 각각 나타낸다. In the drawings, reference numerals h1 to h3 represent through holes drilled.
도 7에서는 드릴링 가공만이 예시되었지만, 성형물의 형상 및 요구되는 가공 조건 등을 고려하여 선반, 드릴링 머신, 보링 머신, 플레이너, 밀링 머신, 수치제어(NC) 공작기계와 같은 다양한 종류의 공작기계를 이용하여, 다양한 형태의 기계가공이 이뤄질 수 있다. 또한, 예시된 성형물은 육면체이지만, 다양한 형상의 성형물이 전단계인 분말사출성형 공정에 의해 얻어질 수 있음은 물론이다. Although only drilling is illustrated in FIG. 7, various types of machine tools such as lathes, drilling machines, boring machines, planers, milling machines, and numerical control (NC) machine tools are considered in consideration of the shape of the molding and the required machining conditions. Using, various forms of machining can be achieved. In addition, although the illustrated moldings are hexahedron, the moldings of various shapes can be obtained by the powder injection molding process, which is a previous step.
한편, 도 7의 (b)를 예로 들면, A(저가 재료)-B(고가 재료)과 같은 형태로 구성될 수 있고, A(연질 재료)-B(경질 재료)과 같은 형태로 구성될 수도 있으며, A(금속)-B(세라믹)과 같은 형태로 구성될 수도 있는 등, 다양한 재료층이 하나의 복합층 재료로서 형성될 수 있다. On the other hand, for example in Figure 7 (b), it may be configured in the form of A (low-cost material) -B (expensive material), may be configured in the form of A (soft material) -B (hard material). And various material layers may be formed as one composite layer material, such as may be configured in the form of A (metal) -B (ceramic).
도 8은 도 7에 나타난 각 재료의 일부 절개도로서, 드릴링 가공된 내부 구조를 더욱 나타낸 것이다. FIG. 8 is a partial cutaway view of each material shown in FIG. 7, further illustrating a drilled internal structure.
이렇게 단층 또는 복합층으로 이뤄진 복잡 형상 재료는 예를 들어 시계 밴드, 사무기기 부품, 전자 부품, 군수장비의 부품, 반도체 분야의 부품, 자동차 분야의 부품, 공작 기계용 부품 등과 같이 기능 및 가격 측면에서 복잡 형상(또는 복합층) 재료가 요구되는 다양한 분야에서 활용될 수 있다. These complex materials, which consist of single or multiple layers, are characterized in terms of functionality and price, for example, watch bands, office equipment parts, electronic parts, parts of military equipment, parts in the semiconductor field, parts in the automotive field, parts for machine tools, etc. Complex shape (or composite layer) materials can be utilized in a variety of applications where required.
본 발명의 또다른 측면의 일실시예를 설명한다. An embodiment of another aspect of the present invention will be described.
도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 복잡 형상 재료의 제조방법의 순서도, 도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 복잡 형상 재료의 제조에 있어서 다중 분말사출성형 과정을 나타낸 모식도이다. Figure 4 is a flow chart of a method of manufacturing a complex shape material according to another embodiment of the present invention, Figure 5 is a schematic diagram showing a multi-powder injection molding process in the production of a complex shape material according to another embodiment of the present invention.
상술한 실시예는 2종 또는 그 이상의 원료분말을 이용하여 복합층으로 이뤄 진 복잡 형상 재료를 형성하는 경우, 이종 분말사출성형장치를 응용하여 재료층별로 순차적인 사출 성형이 이뤄지도록 한다. In the above-described embodiment, when forming a complex material composed of a composite layer using two or more raw powders, the injection molding apparatus is used to sequentially perform injection molding for each material layer by applying a heterogeneous powder injection molding apparatus.
이에 비해, 본 실시예에서는 2종 또는 그 이상의 원료분말을 이용하여 복합층으로 이뤄진 복잡 형상 재료를 형성하되, 다중 분말사출성형장치를 응용하여 2종 이상의 성형혼합물이 금형 각 부위별로 동시에 사출되도록 한다. On the other hand, in this embodiment, two or more raw powders are used to form a complex shape material composed of a composite layer, and the multiple powder injection molding apparatus is applied to simultaneously inject two or more molding mixtures into each mold part. .
먼저, 2종 이상의 원료분말을 각각의 바인더와 균질하게 혼합하여, 각 원료분말 별 성형혼합물을 수득한다. First, two or more kinds of raw material powders are mixed homogeneously with each binder to obtain a molding mixture for each raw material powder.
다음으로, 다중 분말사출성형장치를 이용하여, 수득된 성형혼합물 중 제1층을 이루는 성형혼합물로부터 마지막 층을 이루는 성형혼합물까지 금형 내로 사출하여, 제1층으로부터 마지막 층까지 일체로 결합된 복합층 성형물을 형성한다. Next, by using a multiple powder injection molding apparatus, a composite layer which is injected into the mold from the molding mixture forming the first layer to the molding mixture forming the last layer in the obtained molding mixture, and integrally bonded from the first layer to the last layer. Form a molding.
본 실시예의 다중 분말사출성형장치는 원료 공급용 호퍼(210)와 가소화 실린더(220), 사출용 스크류(230), 금형(240) 등이 구비된 통상의 구성을 갖되, 특히 이종 재료(A1,B1,C1)를 부위별로 동시에 사출하기 위하여 금형 내로 성형혼합물을 사출하는 노즐(250) 및 사출공(242)이 각 층(A2,B2,C2)의 형성위치 별로 2개 이상 구비된 것이다. The multi-powder injection molding apparatus of this embodiment has a conventional configuration provided with a
사출 성형시에는, 각 층을 이루는 성형혼합물(A1,B1,C1)을 각 노즐(250) 및 사출공(242)을 통해 금형(240) 내로 동시에 사출하여, 제1층으로부터 마지막 층(A2,B2,C2)까지 일체로 결합된 복합층 성형물을 형성하게 된다. In injection molding, the molding mixtures A1, B1, and C1 constituting each layer are simultaneously injected into the
이러한 다중 분말사출성형에 있어서는 2종 이상의 재료가 동시에 사출되므로, 다음과 같은 과정을 거쳐 최종 제품을 제조하게 된다. In the multi-powder injection molding, two or more kinds of materials are injected at the same time, thereby producing a final product through the following process.
먼저, 요구되는 재료층의 형상 및 두께 등에 따라 각 층별 성형혼합물이 주입되는 노즐의 갯수와 위치를 결정하고, 결정된 데이터를 근거로 금형으로 유입되는 원료의 흐름 경로 및 성형물에 형성되는 각 원료의 경계점을 컴퓨터를 통해 예측하는 시뮬레이션을 한다. First, the number and position of nozzles into which the molding mixture is injected in each layer is determined according to the shape and thickness of the material layer required, and the flow path of the raw material flowing into the mold and the boundary point of each raw material formed in the molding based on the determined data. The simulation is performed by computer.
이러한 시뮬레이션 과정에 있어서는 사출 재료의 특성과 이에 따른 사출 조건 등이 함께 고려되며, 시뮬레이션 결과가 요구되는 재료층의 형상 및 두께 등과 일치될 수 있도록 상기 과정을 반복하여 최종적인 노즐의 갯수와 위치, 기타 사출 조건을 결정하게 된다. In the simulation process, the characteristics of the injection material and the injection conditions accordingly are considered together, and the above process is repeated so that the simulation result can be matched with the shape and thickness of the material layer required, and thus the number and position of the final nozzles, etc. The injection conditions will be determined.
다음으로, 상기 성형물을 요구되는 최종 형상 및 가공 조건 등을 고려하여 선반, 드릴링 머신, 보링 머신, 플레이너, 밀링 머신, 수치제어(NC) 공작기계와 같은 다양한 종류의 공작기계를 이용하여, 다양한 형태로 기계가공 한다. Next, in consideration of the final shape and processing conditions required for the molding, using various kinds of machine tools such as lathes, drilling machines, boring machines, planers, milling machines, numerical control (NC) machine tools, Machined in the form.
다음으로, 상기 성형물로부터 바인더를 탈지한 후, 소결로 내에서 소결시켜 최종적인 복합층 재료를 얻게 된다. Next, the binder is degreased from the molding and then sintered in a sintering furnace to obtain a final composite layer material.
각 단계별 구체적인 공정 조건은 상술한 실시예와 동일하게 적용될 수 있으므로 중복 설명은 생략한다. Specific process conditions for each step may be applied in the same manner as in the above-described embodiment, and thus redundant descriptions thereof will be omitted.
본 실시예는 한번의 사출 공정에 의해 다층으로 구성된 복합층 재료를 제조할 수 있다는 장점을 더욱 제공하게 된다. This embodiment further provides the advantage that a multi-layered composite material can be manufactured by a single injection process.
< 실시예 ><Example>
원료분말로서 1~5 ㎛의 사이즈를 갖는 A) Co-Fe계 금속분말을 준비하였으며, 바인더로서 저밀도 폴리프로필렌(LDPE), 고밀도 폴리프로필렌(HDPE), 에틸렌 비닐아세테이트(EVA), 왁스(WAX), 스테아린산(Stearic Acid)을 준비하였다. A) Co-Fe-based metal powder having a size of 1 ~ 5 ㎛ as a raw material powder was prepared, low density polypropylene (LDPE), high density polypropylene (HDPE), ethylene vinyl acetate (EVA), wax (WAX) as a binder Stearic acid was prepared.
준비된 각 금속분말을 상기 바인더와 1:1의 비율로 혼합하되, 더블 플레니터리 믹서를 이용하여 120℃의 온도로 가열한 상태에서 2시간 동안 혼합하였으며, 상기 A)에 해당하는 성형혼합물을 수득하였다. Each prepared metal powder was mixed with the binder in a ratio of 1: 1, and was mixed for 2 hours while heated to a temperature of 120 ° C. using a double planetary mixer to obtain a molding mixture corresponding to A). It was.
다음, 분말사출성형장치를 이용하여, 상기 A) 성형혼합물을 사출성형하여 육면체 형상을 갖는 2개의 성형물을 얻었다. Next, the above-mentioned A) molding mixture was injection molded using a powder injection molding apparatus to obtain two moldings having a hexahedral shape.
사출은 3점 가열방식으로 이뤄졌으며, 3점 모두 300℃ 이하의 온도로 유지되는 상태에서 2000 psi의 사출 압력으로 이뤄졌다. Injection was achieved by a three-point heating method, with all three points at an injection pressure of 2000 psi while being maintained at temperatures below 300 ° C.
다음, 드릴링 머신을 이용하여 하나의 성형물에는 1.4φ, 다른 하나의 성형물에는 3.0φ의 홀을 가공하였다. Next, a hole of 1.4φ in one molding and 3.0φ in another molding was processed using a drilling machine.
다음, 진공로를 이용하여 열분해 방식으로 각 성형물에 대한 탈지를 하였다. 상온 상태의 진공로를 가열하여 승온시키되 탈지시의 평균 승온 속도가 30℃/hr가 되도록 하였으며, 승온 중에 다음과 같은 온도 유지 과정이 포함되도록 하였다. Next, degreasing was carried out for each of the moldings by pyrolysis using a vacuum furnace. The vacuum furnace in the room temperature was heated to raise the temperature, but the average temperature increase rate during degreasing was 30 ℃ / hr, and the following temperature maintenance process was included during the temperature increase.
i) 130℃에서 1시간 동안 유지i) hold at 130 ° C. for 1 hour
ii) 300℃에서 1시간 동안 유지ii) hold at 300 ° C. for 1 hour
iii) 420℃에서 2시간 동안 유지iii) hold at 420 ° C. for 2 hours
다음, 탈지 공정에 연속되는 공정을 통해 성형물을 소결하였다. Next, the molded product was sintered through a process subsequent to the degreasing process.
이를 위하여, 탈지 공정이 완료된 후에도 진공로를 계속 승온시키면서, 그 내부에 수소가스를 주입하여 환원성 수소 분위기로 만들었다. 이 상태에서 1000℃ 의 온도 조건으로 2시간 동안 유지한 후 노냉하였다. To this end, the vacuum furnace was continuously heated even after the degreasing step was completed, and hydrogen gas was injected into the inside of the vacuum furnace to form a reducing hydrogen atmosphere. In this state, the mixture was maintained at a temperature of 1000 ° C. for 2 hours and then cooled in a furnace.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 복잡 형상 재료의 사진으로서, 도 6a는 분말사출성형물에 3.0φ의 홀이 다수 형성되어 최종 소결 처리가 이뤄진 재료이며, 도 6b는 분말사출성형물에 1.4φ의 홀이 다수 형성되어 최종 소결처리가 이뤄진 재료를 각각 나타낸다. 6A and 6B are photographs of the complex shape material manufactured according to one embodiment of the present invention. FIG. 6A is a material in which a plurality of holes of 3.0φ are formed in a powder injection molding, and a final sintering treatment is performed. A number of holes of 1.4 phi are formed in the injection molding to represent each of the final sintered materials.
이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.The present invention described above can be embodied in many different forms without departing from the spirit or main features thereof. Therefore, the above embodiments are merely examples in all respects and should not be construed as limiting.
이와 같은 본 발명은, 분말사출성형 방식과 기계가공을 적절하게 혼용하여, 기존의 분말야금으로는 제조가 곤란하거나 고비용이 소요되었던 고기능 복잡 형상의 재료를 저비용으로 제조할 수 있도록 해준다. The present invention, by appropriately mixing the powder injection molding method and the machining, it is possible to produce a high-functional complex shape material that was difficult or expensive to manufacture with conventional powder metallurgy at low cost.
특히, 이러한 가공 방식을 취하게 되면, 분말사출성형 과정에서는 다소 덜 복잡한 성형물 형태로 가공하고 필요에 따라 복잡한 세부 형상에 대하여만 기계가공을 하게 되므로, 분말사출성형에 필요한 금형의 제작이 훨씬 용이하게 되며, 분말사출성형만으로 제작이 극히 곤란하거나 불가능한 형태의 성형물도 얻을 수 있게 된다. Particularly, if this type of processing is used, the process of powder injection molding is carried out in the form of a somewhat less complicated molding, and machining only a complicated detailed shape as necessary, making the mold required for powder injection molding much easier. In addition, it is possible to obtain a molding of a form that is extremely difficult or impossible to manufacture by powder injection molding alone.
또한, 본 발명은 분말사출성형에 이종 사출성형 또는 다중 사출성형을 더욱 응용하여, 금속이나 세라믹 등과 같은 다양한 재료를 복합층의 형태로 된 하나의 재료로서 제조하며, 이를 간단한 공정을 통해 구현한다. Further, the present invention further applies heterogeneous injection molding or multiple injection molding to powder injection molding to manufacture various materials such as metals or ceramics as one material in the form of a composite layer, and implements them through a simple process.
또한, 본 발명은 자동화된 분말사출성형장치를 이용할 수 있으므로, 복합층 재료의 제조에 있어서 생산성을 크게 향상시키고 생산 비용을 절감시키는 효과를 제공한다.
In addition, the present invention enables the use of an automated powder injection molding apparatus, thus providing the effect of greatly improving productivity and reducing production costs in the production of composite layer materials.
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