KR20090079562A - 폴리머몰드를 이용한 부품 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리머몰드에 유기바인더와 금속나노분말을 혼합한 혼합분말을 충진한 후 소결하여 미세부품의 제조가 가능한 폴리머몰드를 이용한 부품 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 의한 폴리머몰드를 이용한 부품 제조방법은, 폴리머몰드(PM)를 준비하는 몰드준비단계(S100)와, 90wt%의 금속나노분말과 10wt%의 유기바인더분말로 구성되어 부품(F)을 형성하게 될 혼합분말(M)을 준비하는 혼합분말준비단계(S200)와, 상기 폴리머몰드(PM)에 형성된 캐비티(C)에 혼합분말(M)을 충진하는 혼합분말충진단계(S300)와, 상기 캐비티(C)에 충진된 혼합분말(M)을 가열 및 가압하여 성형체(G)를 형성하는 성형체형성단계(S400)와, 상기 성형체(G)를 캐비티(C)로부터 분리하는 성형체분리단계(S500)와, 상기 성형체(G) 내부에 포함된 유기바인더를 탈지하는 바인더탈지단계(S600)와, 상기 유기바인더가 탈지된 성형체(G)를 냉간정수압성형하는 냉간정수압성형단계(S700)와, 상기 성형체(G)를 가열하여 소결하는 성형체소결단계(S800)로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 구성에 의하면, 경제적이고 간단한 공정으로 짧은 시간 내에 초소형 정밀 기계부품을 제조 가능하다.

금속나노분말, 폴리머몰드, 성형, 소결, 미세부품

Description

폴리머몰드를 이용한 부품 제조방법 { Manufacturing method for part using of polymer mold }

도 1 은 본 발명에 의한 폴리머몰드를 이용한 부품 제조방법를 개략적으로 나타낸 상태도.

도 2 는 본 발명에 의한 폴리머몰드를 이용한 부품 제조방법을 나타낸 공정순서도.

도 3 은 본 발명에 의한 폴리머몰드를 이용한 부품 제조방법의 일단계인 몰드준비단계를 세부적으로 나타낸 공정순서도.

도 4 는 본 발명에 의한 폴리머몰드를 이용한 부품 제조방법에서 냉간정수압성형단계의 실시 여부에 따른 부품의 내부 기공 상태를 비교한 확대사진.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

C. 캐비티 F. 부품

G. 성형체 M. 혼합분말

MM. 마스터몰드 PM. 폴리머몰드

S100. 몰드준비단계 S200. 혼합분말준비단계

S300. 혼합분말충진단계 S350. 아세톤공급단계

S400. 성형체형성단계 S500. 성형체분리단계

S600. 바인더탈지단계 S700. 냉간정수압성형단계

S800. 성형체소결단계 V. 용기

본 발명은 폴리머몰드에 유기바인더와 금속나노분말을 혼합한 혼합분말을 충진한 후 소결하여 미세부품의 제조가 가능하도록 한 폴리머몰드를 이용한 부품 제조방법에 관한 것이다.

나노분말을 제조하는 기존의 기상합성 기술로는 기계적 가공, LIGA, 마이크로 사출성형 공정 등이 있다. 기계적 가공은 현재 기술의 발달로 3차원 정밀부품에 매우 효과적이나 미세부품을 가공하는 기술에는 한계가 있어 마이크로급의 복잡한 부품가공은 불가능한 실정에 있다.

그리고 최근 반도체 공정으로 유명해진 LIGA 공정은 마스크 제작, PR 코팅, 광원노출, 광원 비노출 포토레지스터(PR) 제거, 에칭과정을 통한 식각 등 매우 복잡한 공정들이 필요하다는 단점을 지니고 있다.

또한 마이크로 사출성형 공정은 타 기술에 비해 공정비용면에서 비교적 경제적이며, 대상 재료가 금속으로 한정되어 있지 않다는 장점을 지녀 다양한 종류의 미세부품 제조에 주로 활용되고 있으나, 그러나 이 공정 역시 물리적 이형공정에서 미세부품의 손상이 쉽게 일어날 수 있고, 미세하고 복잡한 경우 기계적 가공기술의 한계로 인해 금형제작이 용이하지 않은 문제점을 지니고 있다.

따라서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 폴리머몰드에 유기바인더와 금속나노분말을 혼합한 혼합분말을 충진한 후 소결하여 미세부품의 제조가 가능하도록 한 폴리머몰드를 이용한 부품 제조방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 소결체의 내부 기공을 최소화하여 소결밀도가 극대화되도록 하느 폴리머몰드를 이용한 부품 제조방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 의한 폴리머몰드를 이용한 부품 제조방법은, 폴리머몰드를 준비하는 몰드준비단계와, 90wt%의 금속나노분말과 10wt%의 유기바인더분말로 구성되어 부품을 형성하게 될 혼합분말을 준비하는 혼합분말준비단계와, 상기 폴리머몰드에 형성된 캐비티에 혼합분말을 충진하는 혼합분말충진단계와, 상기 캐비티에 충진된 혼합분말을 가열 및 가압하여 성형체를 형성하는 성형체형성단계와, 상기 성형체를 캐비티로부터 분리하는 성형체분리단계와, 상기 성형체 내부에 포함된 유기바인더를 탈지하는 바인더탈지단계와, 상기 유기바인더가 탈지된 성형체를 냉간정수압성형하는 냉간정수압성형단계와, 상기 성형체를 가열하여 소결하는 성형체소결단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 몰드준비단계는, 분말야금, 기계적 가공, 감광성 폴리머를 이용한 LIGA 공정 중 어느 하나로 제조된 마스터몰드를 제조하는 마스터몰드제조과정과, 상기 마스터몰드를 용기에 장입하고, 상기 용기에 폴리디메틸실록 산(PDMS:Polydimethylsiloxane)과 경화제가 부피비 10:1로 혼합된 몰드형성재를 채운 후 건조시켜 폴리머몰드를 제조하는 폴리머몰드제조과정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 혼합분말충진단계와 성형체형성단계 사이에는, 상기 혼합분말에 포함된 유기바인더가 금속나노분말과 고르게 혼합될 수 있도록 소정량의 아세톤을 공급하게 되는 아세톤공급단계가 구비됨을 특징으로 한다.

상기 바인더탈지단계는, 300℃에서 2시간동안 실시됨을 특징으로 한다.

상기 성형체소결단계는, 1200℃에서 3시간 동안 실시됨을 특징으로 한다.

이와 같은 구성에 의하면, 보다 경제적이고 간단한 공정으로 짧은 시간내에 미세하고 정밀한 기계류 부품을 제조 가능하다.

이하 상기와 같은 본 발명의 구성을 첨부된 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.

도 1에는 본 발명에 의한 폴리머몰드를 이용한 부품 제조방법를 개략적으로 나타낸 상태도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명에 의한 폴리머몰드를 이용한 부품 제조방법을 나타낸 공정순서도가 도시되어 있으며, 도 3에는 본 발명에 의한 폴리머몰드를 이용한 부품 제조방법의 일단계인 몰드준비단계를 세부적으로 나타낸 공정순서도가 도시되어 있다.

도면과 같이, 본 발명에 의한 폴리머몰드를 이용한 부품 제조방법은, 폴리머몰드(PM)를 준비하는 몰드준비단계(S100)로부터 시작된다.

상기 몰드준비단계(S100)는 분말야금, 기계적 가공, 감광성폴리머를 이용한 LIGA공정 중 어느 하나로 제조된 마스터몰드(MM)를 제조하는 마스터몰드제조과정(S120)과, 상기 마스터몰드(MM)를 용기(V)에 장입하고 상기 용기(V)에 폴리디메틸실록산(PDMS:Polydimethylsiloxane)과 경화제가 부피비 10:1로 혼합된 몰드형성재를 채운 후 건조시켜 폴리머몰드(PM)를 제조하는 폴리머몰드제조과정(S140)으로 이루어진다.

본 발명의 실시예에서 상기 마스터몰드제조과정(S120)은 포토 마스크와 감광성 폴리머인 SU-8을 이용하여 제조하고자 하는 부품(F)과 대응되는 형상 및 크기를 가지는 마스터몰드(MM)를 제작하였다.

그리고, 상기 마스터몰드(MM)는 용기(V)에 장입되고 용기(V) 안에는 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 채워 경화시킨 후 마스터몰드(MM)를 제거하는 방법으로 폴리머몰드(PM)를 제작하였다.

상기 폴리머몰드(PM)는 탄력성이 있어 추후 성형체(G)의 탈몰드 과정이 용이하며, 상기 폴리머몰드(PM)에는 도 1과 같이 제조하고자 하는 부품(F)과 대응되는 형상 및 크기를 가지는 캐비티(C)가 다수 형성되어 있다.

상기 몰드준비단계(S100)에서 폴리머몰드(PM)가 준비된 이후에는 상기 캐비티(C)에 장입되어 부품(F)을 형성하게 될 혼합분말(M)을 준비하는 혼합분말준비단계(S200)가 실시된다.

상기 혼합분말준비단계(S200)에서 혼합분말(M)은 90wt%의 금속나노분말과 10wt%의 유기바인더분말을 포함하여 구성된다.

보다 상세하게는 부품(F)을 형성하게 될 혼합분말(M)은 캐비티(C) 내부에 고 르게 분산되지 않으면 내부 기공율이 매우 높게 나타날 뿐만 아니라, 치수 정밀도에도 커다란 영향을 미칠 수 있으므로, 금속나노분말과 유기바인더 혼합분말(M)을 24시간 동안 건조 및 밀링하였다.

그리고, 본 발명의 실시예에서 금속나노분말은 17-4 PH 스테인리스스틸 나노분말이 적용되었으며, 유기바인더는 PVB 과립형분말이 적용되었다.

상기 혼합분말준비단계(S200)에서 만들어진 혼합분말(M)은 도 1과 같이 캐비티(C) 내부에 장입된다.

이후 상기 캐비티(C) 내부에 혼합분말(M)이 장입된 폴리머몰드(PM)를 가열 및 가압하여 성형체(G)를 형성하는 성형체형성단계(S400)가 실시된다.

상기 성형체형성단계(S400)는 본 발명의 실시예에서 폴리머몰드(PM) 상부에 슬라이드글라스를 덮어 소정의 압력이 발생되도록 한 후 약 5분간 방치하였다.

그리고, 본 발명의 실시예에서는 혼합분말충진단계(S300)와 성형체형성단계(S400) 사이에 아세톤공급단계(S350)가 더 구비된다.

상기 아세톤공급단계(S350)는 상기 혼합분말(M)에 포함된 유기바인더가 금속나노분말과 고르게 혼합될 수 있도록 2-3방울의 아세톤을 공급하는 과정으로, 유기바인더가 금속나노분말 사이에 고르게 퍼질수 있도록 하는 과정이다.

이를 위해 본 발명의 실시예에서는 폴리머몰드(PM)를 약 100℃의 핫플레이트 위에 안치하여 실시하였다.

상기한 아세톤공급단계(S350)이후에 성형체형성단계(S400)를 실시하여 캐비티(C) 내부의 혼합분말(M)에 소정의 압력과 열을 가한 다음 건조시키키게 되면, 성 형체(G)가 형성된다.

이후 상기 캐비티(C) 내부에 형성된 성형체(G)를 캐비티(C)로부터 분리하는 성형체분리단계(S500)가 실시된다. 상기 캐비티(C)를 형성하는 폴리머몰드(PM)는 탄성력을 가지므로 성형체분리단계(S500)는 용이하게 실시 가능하며, 상기 폴리머몰드(PM)와 분리된 성형체(G)는 도 1의 사진과 같다.

상기 성형체분리단계(S500) 이후에는 바인더탈지단계(S600)가 실시된다. 상기 바인더탈지단계(S600)는 성형체(G) 내부에 포함된 유기바인더를 제거하는 과정으로 300℃에서 2시간 동안 실시하였다.

상기 바인더탈지단계(S600)가 완료되면, 상기 유기바인더가 제거된 자리에는 기공이 형성되는데 이러한 기공을 제거하기 위해 냉간정수압성형단계(S700)가 실시된다.

상기 냉간정수압성형단계(S700)는 성형체(G)를 2.0ton의 정수압으로 가압하는 과정(CIP:Cold Isostatic Pressing)으로, 성형체(G)가 상온에서 모든 방향에서 같은 크기의 정수압을 받도록 하는 냉간정수압공정은 일반적인 것이므로 상세한 설명은 생략한다.

도 4의 (b)와 도 4의 (c)와 같이 바인더탈지단계(S600) 이후에 냉간정수압성형단계(S700)를 실시한 경우와, 바인더탈지단계(S600) 이전에 냉간정수압성형단계(S700)를 실시한 경우 부품(F) 내부 기공율을 살펴보면 바인더탈지단계(S600) 이후에 냉간정수압성형단계(S700)를 실시하였을 때 보다 조밀한 내부 구조를 갖는 것을 알 수 있다.

그리고, 도 4의 (a)와 같이 냉간정수압성형단계(S700)를 실시하지 않고 제조된 부품(F) 내부에는 많은 기공이 존재하는 것을 알 수 있다.

상기 냉간정수압성형단계(S700)가 완료되면, 상기 성형체(G)를 소결하여 부품(F)을 완성하는 성형체소결단계(S800)가 진행된다.

상기 성형체소결단계(S800)는 1200℃에서 3시간 동안 실시되었으며, 상기 성형체소결단계(S800)를 통해 제조된 부품(F)은 도 1과 같다.

이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정하지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

예를 들어 본 발명의 실시예에서, 금속나노분말은 17-4 PH 스테인리스스틸 나노분말이 적용되었으며, 유기바인더는 PVB 과립형분말이 적용되었으나, 이에 한정하지 않고 다양한 재료가 적용 가능함은 물론이다.

또한 본 발명의 실시예에서는 감광성 폴리머를 이용한 LIGA공정으로 마스터몰드를 제조하였으나, 분말야금, 기계적 가공을 통해 마스터몰드를 제조 가능함은 물론이다.

본 발명에서는 폴리머몰드에 유기바인더와 금속나노분말을 혼합한 혼합분말을 충진한 후 소결하여 미세부품의 제조가 가능하도록 하였다.

따라서, 미세한 부품의 치수 정밀도에는 영향을 미치지 않고 내부 기공율을 최소화하여 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 경제적이고 간소한 공정을 통해 치수 정밀도가 높은 부품 제조가 가능한 이점이 있다.

그리고 본 발명에서는 탄력성을 가지는 폴리머몰드에 캐비티가 형성되도록 구성하였다.

따라서, 캐비티 내부에서 형성된 성형체는 폴리머몰드의 탄력성에 의해 이형이 용이하므로 생산성이 향상되는 이점이 있다.

Claims (5)

1. 폴리머몰드를 준비하는 몰드준비단계와,

   90wt%의 금속나노분말과 10wt%의 유기바인더분말로 구성되어 부품을 형성하게 될 혼합분말을 준비하는 혼합분말준비단계와,

   상기 폴리머몰드에 형성된 캐비티에 혼합분말을 충진하는 혼합분말충진단계와,

   상기 캐비티에 충진된 혼합분말을 가열 및 가압하여 성형체를 형성하는 성형체형성단계와,

   상기 성형체를 캐비티로부터 분리하는 성형체분리단계와,

   상기 성형체 내부에 포함된 유기바인더를 탈지하는 바인더탈지단계와,

   상기 유기바인더가 탈지된 성형체를 냉간정수압성형하는 냉간정수압성형단계와,

   상기 성형체를 가열하여 소결하는 성형체소결단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리머몰드를 이용한 부품 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 몰드준비단계는,

   분말야금, 기계적 가공, 감광성 폴리머를 이용한 LIGA 공정 중 어느 하나로 제조된 마스터몰드를 제조하는 마스터몰드제조과정과,

   상기 마스터몰드를 용기에 장입하고, 상기 용기에 폴리디메틸실록 산(PDMS:Polydimethylsiloxane)과 경화제가 부피비 10:1로 혼합된 몰드형성재를 채운 후 건조시켜 폴리머몰드를 제조하는 폴리머몰드제조과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리머몰드를 이용한 부품제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 혼합분말충진단계와 성형체형성단계 사이에는,

   상기 혼합분말에 포함된 유기바인더가 금속나노분말과 고르게 혼합될 수 있도록 소정량의 아세톤을 공급하게 되는 아세톤공급단계가 구비됨을 특징으로 하는 폴리머몰드를 이용한 부품 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 바인더탈지단계는,

   300℃에서 2시간동안 실시됨을 특징으로 하는 폴리머몰드를 이용한 부품 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 성형체소결단계는,

   1200℃에서 3시간 동안 실시됨을 특징으로 하는 폴리머몰드를 이용한 부품 제조방법.

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