KR20130022949A - 폴리머 수지와 금속의 복합재료를 이용한 용사금형의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리머 수지와 금속 복합재료를 이용하여 용사 금형을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 용사 공정으로 제조할 금형의 모형을 폴리머 수지와 금속재료의 복합재료로 제조하는 것을 포함한다. 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다: 첫째로 제조공정이 단순하여 고도의 금형 기술자와 고가의 기계가공 설비가 필요하지 않으며 신속하게 하게 금형을 제조할 수 있으므로 생산비 절감과 납기 단축 및 대량생산이 가능한 효과가 있다. 둘째로는, 열경화성 수지에 금속성분을 첨가하고 냉각관을 설치하여 모형을 제조하므로 모형의 열전도도가 증가하고 수냉이나 공냉이 가능하여 용사중 모형의 과열이 방지된다. 셋째로는, 수지에 금속성분을 첨가하므로 용사중에 모형과 용사금속의 접착력이 향상되고 모형의 내열성이 향상되어 용사금형의 제조에 다양한 용사공정과 용사재료를 적용할 수 있다. 넷째로는, 용사 후에 용사층을 200℃ 이하의 온도로 가열하면 용사층과 모형의 접착력이 약화하여 무리한 외력을 가하지 않아도 박리가 쉽게 되며 용사층의 변형과 파괴를 방지할 수 있다.

Description

폴리머 수지와 금속의 복합재료를 이용한 용사금형의 제조방법 {Method for manufacturing spray mould using composites of polymer resin and metals}

본 발명은 용사 금형을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 폴리머 수지와 금속 복합재료를 이용하여 용사 금형을 제조하는 방법에 관한 것이다.

종래에는, 금형 제조 방법은 주로 절삭 가공기술이나 방전 가공 기술에 의존하여 왔다. 일반적으로 금형 재료는 경도와 내마모성능이 우수한 반면, 절삭성은 이에 반비례하여 불량하다. 따라서 절삭가공에 의한 금형의 제조공정은 공수와 공기가 증가하고 금형비가 고가이다.

이러한 점을 개선하기 위한 일환으로 최근에 용사 공정을 이용한 모형의 표면을 복제하고 용사층의 배면을 다른 재료로 충진하여 금형을 제조하는 기술이 개발되고 있다.

통상의 용사공정에서는, 용사공정 중 모형의 가열 문제 등으로 저융점의 아연을 사용한 아크 용사가 주로 개발되고 있고 모형재료로는 목재나 금속이 주로 사용되고 있다. 용사에 의한 금형의 제조 공정은 필연적으로 용사층의 부착과 박리의 서로 상반되는 공정으로 구성된다. 용사공정 중에는 모재 표면에 용사층이 어느 두께의 용사층을 형성할 때까지 견고히 부착되어야 하고 용사공정 완료 후에는 그 용사층이 변형되거나 파괴되지 않고 용이하게 박리되어야 한다.

이러한 상반되는 공정 조건 때문에 지금까지의 용사금형의 제조 방법으로는, 일반적으로 금형재료로 흔히 사용되는 금형강이나 알루미늄 합금, 동합금 등의 다양한 재료를 이용하여 금형을 제조하기 곤란하였다.

용사공정으로 금형을 제조하는 과정은 모형의 표면에 용사층을 형성하는 과정과 용사 후에 형성된 용사층을 모형으로부터 박리는 과정이 포함된다. 용사과정에서는 모형과 용사층의 접착강도가 높아야 하고 모형의 가열 등으로 인한 변형이 일어나지 않아야 한다. 용사 후에는 용사층의 박리 과정에서는 계면의 접착 강도가 낮아서 박리 중에 용사층의 변형이나 파괴가 일어나지 않아야 하는 이중성이 있다. 용사공정 중에 고융점, 고강도의 금형재료는 열 수축에 의한 표면의 인장 잔류응력이 용사층의 두께 증가에 따라 강하게 발생하여 용사공정 중에 용사층이 변형되거나 모형표면에 부착되지 못하고 박리될 수 있다.

또한 용사층이 모형 표면에 강하게 부착된 경우에는 박리과정에서 무리한 힘을 가하게 되면 용사층이 파괴되거나 변형이 일어나게 된다. 또한 용사 공정 중에 축적되는 열에 의한 모형의 가열로 모형이 변형될 수 있다.

미국특허 US 5,658,506) 이 특허문헌에는 플라스틱 모델을 이용하여 반대 형상을 갖는 세라믹 용사패턴(Ceramic spray pattern)을 제조한 후, 그 위에 용사를 이용하여 강(Steel) 용사층을 형성함으로써 양산이 가능한 금속용사금형을 제조할 수는 방법이 개시되어 있으나 플라스틱 모델을 이용하고 있기 때문에 가열 시 변형의 문제가 우려된다. 10-2009-0049658) 이 공개특허문헌에는 용사를 이용하여 그라파이트 패턴에 금속층을 형성하여 패턴을 분리한 후 금속층(베이스층)을 용사금형으로 사용하는 방법에 있어서 금형으로 사용할 표면에 고경도 등의 특성을 갖는 용사층을 베이스층 위에 형성되도록 하는 방법이 개시되어 있다.

본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 용사 과정에서는 모형과 용사층의 접착 강도가 높아 모형의 가열 등으로 인한 변형이 일어나지 않고 용사층의 박리 과정에서는 계면의 접착 강도가 낮아서 박리 중에 용사층의 변형이나 파괴가 일어나지 않는 용사 금형의 제조방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 다른 목적은 200℃ 이하의 가열 조건 하에서 용사층의 변형이나 파괴없이 용사층의 박리가 용이한 용사금형의 제조방법을 제공하는 데에 있다.

상기 및 그 밖의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는, 용사 공정으로 제조하고자 하는 금형의 모형 또는 금형의 패턴과 반대되는 패턴을 갖는 형상물을 폴리머 수지와 금속 재료의 복합재료로 제조하는 것을 포함하는 금형의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 있어, 상기 복합재료는 폴리머 수지로서의 열경화성 수지에 금속 재료로서의 금속분말, 단섬유 또는 가공설을 상기 복합재료의 총 부피를 기준으로 하여 80부피% 이하의 양으로 혼합하여 제조된다.

본 발명에 있어, 상기 열경화성 수지로는 에폭시 수지, 우레탄 수지 또는 이들의 혼합 수지가 사용되고, 상기 금속재료로는 알루미늄, 동 합금 및 철 합금으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물이 사용된다.

또한, 본 발명의 바람직한 구체예에 있어, 상기 금형의 모형 또는 반대되는 패턴을 갖는 형상물을 제조하는 과정 중에 상기 모형 또는 형상물의 외부와 연통되게 냉각관을 매설하여 용사 공정 중에 상기 냉각관을 경유하여 수냉 또는 공냉 방식으로 상기 모형 또는 상기 형상물을 냉각시킴으로써 온도를 조절한다.

본 발명에 있어, 상기 금형의 모형 또는 반대되는 패턴을 갖는 형상물의 표면에 형성되는 용사층은 200℃ 이하의 온도로 가열하여 상기 모형 또는 형상물의 표면으로부터 박리될 수 있다.

본 발명에 있어, 상기 용사층은 바람직하게는 0.5mm 내지 10mm의 두께를 갖는다. 또한, 상기 용사층은 아연, 알루미늄, 동합금, 철합금 등으로 이루어져 있다.

본 발명에 있어, 상기 용사 공정은 플라즈마 용사, 화염 용사 및 HVOF (High Velocity Oxygen Fuel) 용사 공정 중에서 선택될 수 있다.

본 발명에 있어, 상기 모형 또는 형상물을 제조할 때 주형의 재료로서 실리콘 수지, 석고, 세라믹 또는 금속이 사용될 수 있다.

고분자 수지에 금속재료를 첨가한 복합재료 모형 재료를 제조하여 사용하였다.

특히, 에폭시 수지로 대표되는 열경화성 수지는 열을 가하면 경화되는 특성이 있으며 접착성, 탄성률, 부식에 대한 저항성, 인장강도, 기계적 강도, 내열성 등이 우수하다.

열경화성 수지는 경화도가 높아짐에 따라 취성을 보이는 경향이 나타나며 열 안정성 및 치수 안정성 등에서 취약한 단점이 있다. 본 연구에서는 이를 보완하며 용사 금형용 모형에 요구되는 성형성, 기계적 성질, 내열성, 열전도성 등 여러 가지 특성을 충족시키기 위해 열경화성 수지에 금속 첨가제를 첨가한 복합재료를 제조하여 모형재료로 사용하였다.

또한 용사공정 중 모형의 가열을 제한하고 일정한 온도를 유지하기 위하여 열경화성 수지로 모형을 제조하는 과정에 모형의 내부에 수냉이나 공냉이 가능하도록 냉각관을 설치하여 용사용 모형을 제조하였다.

본 발명에 의해 다음과 같은 효과가 제공된다.

첫째, 제조공정이 단순하여 고도의 금형 기술자와 고가의 기계가공 설비가 필요하지 않으며 신속하게 하게 금형을 제조할 수 있으므로 생산비 절감과 납기 단축 및 대량생산이 가능한 효과가 있다.

둘째, 열경화성 수지에 금속성분을 첨가하고 냉각관을 설치하여 모형을 제조하므로 모형의 열전도도가 증가하고 수냉이나 공냉이 가능하여 용사중 모형의 과열이 방지된다.

셋째, 수지에 금속성분을 첨가하므로 용사중에 모형과 용사금속의 접착력이 향상되고 모형의 내열성이 향상되어 용사금형의 제조에 다양한 용사공정과 용사재료를 적용할 수 있다.

넷째, 용사 후에 용사층을 200℃ 이하의 온도로 가열하면 용사층과 모형의 접착력이 약화하여 무리한 외력을 가하지 않아도 박리가 쉽게 되며 용사층의 변형과 파괴를 방지할 수 있다.

도면 1은 본 발명에 의한 용사 금형 제조 과정을 도해하는 공정도이다.
도면 2는 본 발명에 의한 금형으로 제조하고자 하는 제품의 마스터 모형이다.
도면 3은 마스터 모형의 전면도와 측면도이다.
도면 4는 용사용 모형 제조를 위한 주형이다.
도면 5는 냉각 장치가 설치된 폴리머 수지와 금속의 복합재료 모형이다.
도면 6은 복합재료 모형상에 형성된 용사층을 나타낸 도면이다.
도면 7은 도 6으로부터 박리된 용사층을 나타낸 도면이다.
도면 8은 도 7의 박리된 용사층을 모형에 재설치한 모습을 보여주는 도면이다.
도면 9는 용사층의 배면에 금형을 구성할 충진재를 충진하기 위한 플라스크를 나타낸 도면이다.
도면 10은 플라스크에 충진재를 충진한 상태를 보여주는 도면이다.
도면 11은 모형을 제거한 후의 완성된 금형을 보여주는 도면이다.

이하, 본 발명은 첨부된 예시 도면을 참조하여 설명된다. 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 하나의 바람직한 구체예에 따른 용사 금형의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 공정도이고, 도 2는 용사공정으로 제조하고자 하는 금형용 마스터 모형의 일례를 보여주는 도면이다. 이하에서는 도 2에 도시된 마스터 모형에 근거하여 예시적으로 설명된다.

마스터모형(1)은 도 2와 같이 제품 원형을 사용하거나 도 3과 같이 제품 도면에 따라 성형하기 쉬운 파라핀 왁스, 석고, 플라스틱, 금속, 목재 등 다양한 재료를 사용하여 제조하거나 기계가공, CAD-CAM 등 다양한 제조 방법으로 제조할 수 있다. 도 2에서 도면부호 2는 정면도를 나타내고, 도면부호 3은 측면도를 나타내며, 도면부호 4는 좌우측면도를 나타낸다.

본 발명에서는 용사금형에 사용할 모형을 제조하기 위하여 마스터 모형을 실리콘 수지나 석고 등의 재료를 주형 내에 매몰하여 제조한다.

도 4는 본 발명의 모형 제조용 주형을 나타낸다. 모형의 캐비티부(5) 내에 냉각관(6)을 주형 캐비티 내의 마스터 모형 캐비티부분(7)을 중심으로 설치하고 에폭시 등의 열경화성 수지와 알루미늄 분말 등의 금속 첨가제를 혼합한 복합재료를 경화재 등과 혼합하여 주형의 캐비티부(5, 7)에 충진한다. 열경화성 수지는 널리 공지되어 있으며, 대표적으로 에폭시 수지와 우레탄 수지가 언급될 수 있다. 금속 첨가제로는 알루미늄 이외에 대표적으로 동 합금, 철 합금 등이 사용될 수 있다.

금속 충진재는 알루미늄, 동 합금, 철 합금 등의 분말이나 단섬유, 가공설 등을 사용할 수 있다. 금속 충진재의 첨가량은 80부피% 이하로 모형의 형태, 용사조건, 수지의 유동성 등에 따라 조절할 수 있다. 금속 분말의 첨가량이 증가할수록 용사 중에 모형의 열전도도와 내열온도가 증가하나 주형제조 공정 중에 점도가 증가하여 모형의 제조가 어렵게 된다.

수지와 금속재료, 경화재를 혼합하고 주형에 충진한다. 기포제거가 필요할 경우 탈포처리할 수 있으나 경화 중에 모형의 표면부의 기포는 거의 모두 모형의 내부로 이동하여 표면에 노출되지 않아 크게 문제되지 않는다. 또한 경화 과정 중에 수지와 금속첨가물이 비중차로 인하여 모형 표면부에 편재하므로 금속 충진재의 첨가량에 관계없이 표면부의 금속성분 밀도는 매우 높아 용사공정 중에 열전도와 내열성 및 용사층의 부착에 도움을 줄 수 있다. 그러나 금속재료의 첨가량이 많을수록 모형의 열전도도는 증가하고 용사 중 모형의 냉각능은 증가하여 다양한 용사재료와 다양한 용사공정을 적용할 수 있게 된다. 모형의 제조에 사용한 주형의 주형재료(8)는 실리콘 수지나 석고, 세라믹, 금속 등 상황에 따라 사용할 수 있다.

도 5는 본 발명의 복합재료로 구성된 모형재료를 주형의 캐비티부에 충진하고 경화시킨 후 탈형한 모형(9)의 형태를 나타낸 것이다. 이 모형의 표면부에 용사 공정을 적용하여 도 6과 같이 용사층(10)을 형성한다. 용사 공정은 아크용사공정을 비롯하여 플라즈마 용사, 화염 용사, HVOF(High Velocity Oxygen Fuel) 용사 공정 등을 적용할 수 있다.

용사공정 중에 냉각관(6)을 통하여 압축공기나 냉각수를 사용하여 모형의 과열을 방지하고 항온을 유지할 수 있다.

용사층(10)이 금형의 표면부에 필요한 수 mm 두께로 형성 되면 용사공정을 완료하고 용사층(10)의 박리공정으로 들어간다. 용사층(10)의 박리는 기존의 기계적인 전단력이나 인장력을 가하지 않고 용사층을 200℃이하 온도로 가열하는 방법으로 가능하다. 모형과 용사층(10)을 200℃이하 온도로 가열한 노중에 단시간 유지하거나 용사층을 드라이어를 이용한 열풍 등으로 부분 가열하면 모형을 구성하고 있는 수지의 접착력이 떨어져 용사층(10)이 비파괴적으로 쉽게 박리된다.

도 7의 박리된 용사층(10)을 도 8에 보인 것과 같이 다시 모형의 표면에 겹쳐놓고 금형 충진 공정(도 9 참조)으로 넘어간다. 용사층(10)의 배면을 충진하는 충진재는 모형을 제조할 때 사용하는 것과 같이 금형재료의 요구조건인 기계적 성질, 내열성, 열전도성 등을 충족하도록 수지와 금속재료를 합성한 복합재료를 사용할 수 있다. 배면 충진을 위하여 먼저 금형의 외부표면을 형성할 플라스크(11)를 용사층(10)의 상부에 설치한다.

플라스크(11)의 내부에는 금형의 냉각을 위하여 금형냉각관(12)과 금형의 탈형을 위한 이젝터 핀(13) 등을 설치한다. 모든 부착물이 설치된 후에는 미리 준비한 충진재(14)를 플라스크(11)내에 도 10과 같이 충진 한다. 충진재가 완전히 경화한 후에 모형부를 제거하면 도 11과 같은 완성금형(15)이 제조된다.

반대편 금형도 같은 공정으로 완성하여 조립 용사 금형이 완성된다.

이하, 본 발명은 하기의 실시예로 설명된다. 하기의 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 하기의 실시예로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

복합재료의 총 부피를 기준으로 하여 에폭시 수지 20부피%와 알루미늄 분말 80부피%를 각각 혼합한 후, 여기에 에폭시 경화제를 10:2로 첨가하여 모형의 충진재로 사용하고 냉각용 동관을 삽입하여 모형을 도 12와 같이 제조하였다. 그런 다음, 상기한 과정에 따라 도 13의 에폭시로 충진한 모형의 표면에 용사하였다. 용사 공정으로는 아크 용사 공정을 적용하였고, 도 14와 같이 아연을 사용하여 모형상에 용사층을 형성하였다. 박리 공정으로는 150℃의 온도로 용사층을 가열하여 비파괴적으로 수행하였다. 제조된 금형도 모형의 충진재와 같은 성분과 양으로 하였다. 사용되는 구성 성분 및 그 양은 하기 표 1에 제시되어 있다.

모형재료		용사재료	용사 조건
에폭시 수지	알루미늄 분말	아연	아크전압	아크전류	공기압
20부피%	80부피%	100%	30V	160A	60psi

상기 표 1의 조건으로 모형을 제조하고 용사한 경우 모형과 용사층의 접합 상태가 우수하고 과 용사후의 박리가 용이하여 변형이나 파손이 없는 양호한 금형 표면층을 얻을 수 있었다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 구체예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1 : 모형 제조용 마스터 모형 2 : 마스터 모형의 투영도
3 : 마스터 모형의 측면도 4 : 마스터 모형의 측면도
5 : 모형제조용 주형의 캐비티부 6 : 주형 냉각관
7 : 마스터 모형의 캐비티 부 8 : 주형재료
9 : 모형 10 : 용사층
11 : 플라스크 12 : 금형 냉각관
13 : 이젝터 핀 14 : 충진재
15 : 완성 금형

Claims (9)

1. 용사 공정으로 제조하고자 하는 금형의 모형 또는 반대되는 패턴을 갖는 형상물을 폴리머 수지와 금속 재료의 복합재료로 제조하는 것을 포함하는 금형의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 복합재료는 폴리머 수지로서의 열경화성 수지에 금속 재료로서의 금속분말, 단섬유 또는 가공설을 상기 복합재료의 총 부피를 기준으로 하여 80부피% 이하의 양으로 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 금형의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 열경화성 수지는 에폭시 수지, 우레탄 수지 또는 이들의 혼합 수지이고, 상기 금속재료는 알루미늄, 동 합금 및 철 합금으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 금형의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 금형의 모형 또는 반대되는 패턴을 갖는 형상물을 제조하는 과정 중에 상기 모형 또는 형상물의 외부와 연통되게 냉각관을 매설하여 용사 공정 중에 상기 냉각관을 경유하여 수냉 또는 공냉 방식으로 상기 모형 또는 상기 형상물을 냉각시킴으로써 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 금형의 제조방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 금형의 모형 또는 반대되는 패턴을 갖는 형상물의 표면에 형성되는 용사층을 40℃ 내지 200℃의 온도로 가열하여 상기 모형 또는 형상물의 표면으로부터 박리하는 것을 특징으로 하는 금형의 제조방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 용사층의 두께는 0.5mm 내지 10mm 인 것을 특징으로 하는 금형의 제조방법.
7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서, 상기 용사층은 아연, 알루미늄, 동, 철 또는 이들의 합금으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 금형의 제조방법.
8. 제 1항에 있어서, 상기 용사 공정은 플라즈마 용사, 화염 용사 및 HVOF (High Velocity Oxygen Fuel) 용사 공정 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 금형의 제조방법.
9. 제 1항에 있어서, 상기 모형 또는 형상물을 제조할 때 사용되는 주형의 재료는 실리콘 수지, 석고, 세라믹 또는 금속인 것을 특징으로 하는 금형의 제조방법.

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