KR20230172210A - 금속소결필터 제조용 금형 - Google Patents

금속소결필터 제조용 금형 Download PDF

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KR20230172210A
KR20230172210A KR1020220072762A KR20220072762A KR20230172210A KR 20230172210 A KR20230172210 A KR 20230172210A KR 1020220072762 A KR1020220072762 A KR 1020220072762A KR 20220072762 A KR20220072762 A KR 20220072762A KR 20230172210 A KR20230172210 A KR 20230172210A
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유준일
김용배
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(주)유디엠
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Abstract

본 발명은 유체가 유동하는 유로 상에 설치되어 이물질을 걸러내는 다공성(porous)의 금속소결필터를 소결 성형하기 위한 금형에 관한 것으로, 본 발명에 따른 금속소결필터 제조용 금형은, 일단이 폐쇄되고 다른 일단이 개방된 원통형으로 이루어지며 유체가 유동하는 유로 상에 설치되어 이물질을 걸러내는 다공성(porous)의 금속소결필터를 소결 성형하는 금형에 있어서, 원형봉 형태로 되어 금속 분말이 투입되는 성형틀 내부로 삽입되게 설치되는 금형본체; 및, 상기 금형본체와 개별체로 되어 금형본체의 일단부에 착탈 가능하게 결합되며, 성형기에 고정되게 결합되는 금형헤드;를 포함한다.

Description

금속소결필터 제조용 금형{Mold for Manufacturing Metal Sintering Filter}
본 발명은 금속소결필터를 제조하기 위한 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유체가 유동하는 유로 상에 설치되어 이물질을 걸러내는 다공성(porous)의 금속소결필터를 소결 성형하는 금형에 관한 것이다.
반도체 제조를 위해 사용되는 공정가스는 대부분 독성이 강하여 반응 챔버와 가스배관을 부식시킨다. 이러한 공정가스에 의한 불순물 입자들은 반응 챔버의 오염 및 웨이퍼의 손상을 초래하여 반응 챔버의 노화발생 및 웨이퍼의 수율을 저하시킨다. 그러므로 반도체 제조설비로 연결되는 가스관의 일정 지점에 불순물 입자제어용 필터를 도입하는 것은 매우 중요하다.
불순물 입자제어용 필터는 제조공정에 사용되는 초고순도 가스 및 화학약품의 극청정성을 유지하여 제조공정의 안정성을 높여준다. 고내식성의 극청정 유체필터는 현재 반도체 생산공정뿐만 아니라 디스플레이, 정밀화학, 바이오, 원자력, 항공우주 등의 분야에서 모두 필요로 하는 핵심부품이다. 따라서, 불순물 입자제어용 극청정 유체 필터의 개발은 산업 고도화에 따라 관련 부품과 소재의 필요성이 커지는 현재 상황에서 매우 중요하다.
최근 극청정 유체 필터 소재로 주목을 받고 있는 것은 제조가 용이하고 높은 유체 투과도와 일정한 기공의 분포를 가지며 기공 표면이 매끄러워 더 높은 세척 용이성을 나타내는 금속 필터이다. 금속 멤브레인은 세라믹이나 폴리머 멤브레인에 비해 높은 인장특성으로 파손의 위험이 없는 유체 필터를 제조할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 보통의 금속 멤브레인의 경우 폴리머 멤브레인에 비해 기공의 크기가 크고 균일하지 않다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 국내 등록특허 제10-1414218호에는 이형도가 20 이상인 이형단면을 가지며, 니켈, 티타늄, 알루미늄, 구리, 철, 스테인리스 강 및 하스텔로이 등으로 된 비자성 금속 분말을 성형틀에 충진한 후 원형봉 형태의 금형을 삽입하여 압축하여 일면이 개방된 원통형의 성형체를 형성하고, 열을 가하여 소결함으로써 금속소결필터를 제조하는 방법이 개시되어 있다.
이러한 종래의 금속소결필터를 소결하기 위한 금형(10)은 도 1에 도시한 것과 같이 원형봉 형태로 되어 성형틀(20) 내부로 삽입되는 금형본체(11)와, 금형본체(11)의 일단에 일체로 형성되며 성형기의 금형 이송장치에 고정되게 결합되는 복수의 결합편(13)을 구비한 금형헤드(12)를 포함하며, 성형틀(20)의 내면과 금형본체(11) 사이의 캐비티(cavity) 내로 금속 분말이 투입되고 고온 고압으로 소결되어 금속소결필터(3)가 성형된다.
그러나 종래의 금형(10)은 금형본체(11)와 금형헤드(12)가 일체로 되어 있으며, 전체를 고열과 고압에 견딜 수 있는 코팅재로 코팅하여 사용하고 있기 때문에 장시간 사용으로 인해 금형본체(11)의 손상이 발생했을 때 금형(10) 전체를 성형기에서 분리하여 교체해야 하므로 분해 및 조립 작업이 어렵고, 코팅이 불필요한 금형헤드(12)까지 전체를 코팅하게 되므로 비용도 많이 드는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1414218호 대한민국 등록특허 제10-0900091호
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 금속소결필터를 제조하기 위한 금형을 분리형으로 구성하여 교체가 용이하고, 설치 비용을 줄일 수 있는 금속소결필터 제조용 금형을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 금속소결필터 제조용 금형은, 일단이 폐쇄되고 다른 일단이 개방된 원통형으로 이루어지며 유체가 유동하는 유로 상에 설치되어 이물질을 걸러내는 다공성(porous)의 금속소결필터를 소결 성형하는 금형에 있어서, 원형봉 형태로 되어 금속 분말이 투입되는 성형틀 내부로 삽입되게 설치되는 금형본체; 및, 상기 금형본체와 개별체로 되어 금형본체의 일단부에 착탈 가능하게 결합되며, 성형기에 고정되게 결합되는 금형헤드;를 포함한다.
상기 금형본체의 일단부와 금형헤드 사이에 서로 나선결합되는 암나사홈과 수나사부가 형성되어, 금형본체를 금형헤드에 대해 상대 회전시켜 암나사홈과 수나사부를 나선 결합시키거나 분리시킬 수 있다.
본 발명에 따른 금속소결필터 제조용 금형은, 상기 금형본체의 일단부와 상기 금형헤드의 경계 지점의 틈새로 금속 분말이 침투하는 것을 방지하는 분말유입방지부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 한 형태에 따르면, 상기 분말유입방지부는, 상기 금형본체의 일단부의 주변부에 원주방향을 따라 형성되는 원형의 실링홈과, 상기 금형본체의 일단부와 마주보는 금형헤드의 일면의 주변부에 금형본체 쪽으로 돌출 형성되어 상기 실링홈 내측으로 삽입되는 원형 링 형태의 실링돌기를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 한 형태에 따르면, 상기 실링돌기는 끝단이 둥근 'ㄷ'자형태로 되어 금형본체가 금형헤드에 결합될 때 실링홈 내측에 탄력적으로 밀착되면서 결합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 한 형태에 따르면, 상기 분말유입방지부는, 상기 금형본체의 일단부와 마주보는 금형헤드의 일면의 가장자리 부분에 금형본체 쪽으로 연장되게 형성되어 상기 금형본체의 일단부의 외측면을 덮으면서 밀착되는 실링플랜지를 포함할 수 있다.
상기 실링플랜지는 끝단이 둥근 'ㄷ'자 또는 'S'자 형태로 되어 금형본체의 외측면에 탄력적으로 밀착될 수 있다.
본 발명의 또 다른 한 형태에 따른 분말유입방지부는, 상기 실링플랜지에 설치되어 실링플랜지에 반경방향으로 탄성력을 가하는 원형링 형태의 가압스프링을 더 포함할 수 있다.
상기 금형본체는 열팽창계수가 금형헤드보다 큰 금속 재질로 이루어져, 금속 분말의 소결 과정에서 금형본체가 금형헤드보다 더 크게 팽창하면서 금형본체의 외면과 실링플랜지 간의 틈새가 제거될 수 있다.
본 발명에 따르면, 금속 분말을 원통형으로 성형하는 금형본체와, 성형기의 금형 이송장치에 고정되는 금형헤드가 개별체로 구성되어 금형본체를 금형헤드에 용이하게 결합 및 분리시켜 사용할 수 있으므로, 금형본체를 교체하고자 할 때 금형본체를 금형헤드에서 간단히 분리한 후 외면에 코팅재를 코팅하거나, 새것으로 교체하여 결합할 수 있기 때문에 교체 작업 및 유지 관리가 매우 용이한 이점이 있다.
또한 금형본체의 외면만 코팅 처리를 하면 되므로 코팅 처리에 소요되는 비용도 대폭 절감할 수 있는 이점도 있다.
도 1은 종래의 반도체 공정용 금속소결필터를 소결 성형하기 위한 금형의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 금속소결필터 제조용 금형에 의해 제조되는 금속소결필터가 적용된 고청정 유체용 필터링 모듈의 일 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속소결필터 제조용 금형의 분해 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시한 금속소결필터 제조용 금형의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속소결필터 제조용 금형의 요부 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 금속소결필터 제조용 금형의 요부 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 금속소결필터 제조용 금형의 요부 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 금속소결필터 제조용 금형의 요부 단면도이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 금속소결필터 제조용 금형을 후술된 실시예에 따라 구체적으로 설명하도록 한다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
먼저 도 2를 참조하여 본 발명의 금속소결필터 제조용 금형에 의해 제조되는 금속소결필터(3)에 대해 설명한다.
도 2는 금속소결필터(3)가 적용된 고청정 유체용 필터링 모듈(1)을 나타낸 것으로, 고청정 유체용 필터링 모듈은 유체가 유동하는 관로 상에 연결되는 하우징(2)과, 하우징(2) 내부에 설치되는 금속소결필터(3)를 포함한다.
하우징(2)은 양단이 개방된 통 형태로 되어 유체의 유로를 형성하며, 금속소결필터(3)가 구비될 수 있는 것이라면 형태에 특별한 제한은 없다. 하우징(2)은 양단부에 유입구(2a)와 유출구(2b)를 구비한다. 유입구(2a)는 유체가 유입되는 부분이고, 유출구(2b)는 유입된 유체에 포함된 부유물질이 금속소결필터(3)에 의해 필터링된 후 여과된 유체가 유출되는 부분이다. 이 때 유입되는 유체는 흐르는 성질을 지니는 액체 또는 기체로서, 예를 들어 공기(air), 공정 가스(process gas), 공정 화학물질(process chemical), 물(water) 등 일 수 있다. 하우징(2)은 스테인리스 강(stainless steel), 하스텔로이(Hastelloy) 등으로 제조될 수 있다.
금속소결필터(3)는 하우징(2) 내에 구비되어 유로를 형성한다. 금속소결필터(3)는 유입구(2a)와 인접한 일단부가 막히고 유출구(2b)와 인접한 부분이 개방된 원통형으로 이루어질 수 있다. 또는 이와 반대로 유입구(2a)와 인접한 일단부가 개방되고 유출구(2b)와 인접한 부분이 막힌 원통형으로 이루어질 수도 있다.
금속소결필터(3)는 금속 분말을 원통형으로 소결 성형하여 다공성(porous)을 갖는다. 금속소결필터(3)의 필터링 메커니즘(filtration mechanism)을 살펴보면, 확산(diffusion), 차단(interception), 관성충돌(inertial impaction), 정전 흡착(electrostatic attraction), 중력 침강(gravitational setting), 여과 효과(sieving) 등이 있다. 확산은 분자의 열운동으로 불규칙적인 움직임에 의한 충돌을 의미하고, 차단은 파티클 사이즈에 의해 기공(pore)에 끼이는 효과를 의미하며, 관성충돌은 복잡한 유로에 의한 관성 충돌, 정전 흡착은 정전기에 의한 흡착, 중력 침강은 자중에 의해 떨어지는 효과, 여과 효과는 파티클의 크기가 기공 크기에 비하여 커서 유로를 통과하지 못하는 효과를 의미한다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 상술한 것과 같이 일단은 막히고 일단은 개방된 원통형의 금속소결필터(3)를 제조하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 금형(100)에 대해 설명한다.
본 발명의 금형(100)은 원형봉 형태로 되어 금속 분말이 투입되는 성형틀(20)(도 1 참조) 내부로 삽입되게 설치되는 금형본체(110), 및 금형본체(110)의 일단부(도면상 상단부)에 착탈 가능하게 결합되는 금형헤드(120)를 포함한다.
금형본체(110)는 금속소결필터(3)의 내경과 대응하는 외경을 갖는 원형봉 형태를 가지며, 금속 재질로 이루어진다. 금형본체(110)의 외면에는 내열성을 높이기 위한 코팅재가 PVD 방식 또는 CVD 방식 등으로 코팅된다.
금형본체(110)의 일단부를 금형헤드(120)에 분리 가능하게 결합하기 위하여, 금형본체(110)의 일단부 중심부에 내주면에 나사산이 형성된 암나사홈(112)이 소정의 깊이로 형성될 수 있다.
금형헤드(120)는 금형본체(110)와는 개별체로 된 원반형으로 되어 금형본체(110)의 일단부에 착탈 가능하게 결합된다. 금형헤드(120)의 외주면에는 성형기의 금형 이송장치에 고정되게 결합하기 위한 복수의 결합편(121)이 원주방향을 따라 일정한 간격으로 두고 돌출되게 형성될 수 있다.
금형본체(110)의 일단부(상단부)와 마주보는 금형헤드(120)의 일면(하부면)에는 금형본체(110)의 암나사홈(112)에 나선 결합되는 수나사부(122)가 하측으로 돌출되게 형성된다. 따라서 금형본체(110)의 암나사홈(112)과 금형헤드(120)의 수나사부(122)를 맞추어 금형본체(110)를 금형헤드(120)에 대해 상대 회전시키면 금형본체(110)가 금형헤드(120)에 결합되거나 분리될 수 있다. 물론 이와 반대로 암나사홈(112)을 금형헤드(120)에 형성하고, 수나사부(122)를 금형본체(110)에 형성하여 금형본체(110)와 금형헤드(120)를 착탈 가능하게 결합할 수 있을 것이다.
이외에도 금형본체(110)와 금형헤드(120)를 착탈 가능하게 결합하기 위하여, 다양한 착탈수단이 적용될 수 있다. 예를 들어 도 5에 도시한 것과 같이 금형헤드(120)의 하단부 가장자리에 원형으로 암나사플랜지(125)를 하측으로 연장되게 형성하고, 금형본체(110)의 상단부 외주면에 암나사플랜지(125)의 내주면에 형성된 나사산에 나선 결합되는 나사산이 형성된 수나사부(115)를 형성할 수도 있다.
금형본체(110)와 금형헤드(120)는 개별체로 제작되어 착탈 가능하게 결합되기 때문에 금형본체(110)를 금형헤드(120)에 결합시킬 때에는 결합이 용이하게 하기 위하여 금형본체(110)와 금형헤드(120) 사이에 공극이 발생할 수 있다. 이 경우 금속 분말을 성형틀(20)(도 1 참조)과 금형(100) 사이의 캐비티에 투입하고 고온, 고압으로 소결 성형할 때 금형본체(110)와 금형헤드(120) 사이의 공극을 통해서 미세한 금속 분말이 침투하게 되고, 공극 내에 퇴적되는 미세 금속 분말에 의해 금형본체(110)와 금형헤드(120) 간의 분리가 매우 어렵게 될 수 있다.
따라서 금형본체(110)의 일단부와 금형헤드(120)의 결합 부분에 금속 분말이 침투하는 것을 방지하는 분말유입방지부를 형성할 수 있다.
상기 분말유입방지부는 도 3 및 도 4에 도시한 것과 같이, 금형본체(110)의 일단부의 주변부에 원주방향을 따라 형성되는 원형의 실링홈(114)과, 금형본체(110)의 일단부와 마주보는 금형헤드(120)의 일면의 주변부에 금형본체(110) 쪽으로 돌출 형성되어 실링홈(114) 내측으로 삽입되는 원형 링 형태의 실링돌기(124)를 포함할 수 있다.
실링돌기(124)가 실링홈(114) 내측에 공극없이 밀착될 수 있도록 하기 위하여, 도 6에 도시한 것과 같이 실링돌기(124)는 끝단이 둥근 'ㄷ'자형태로 되어 금형본체(110)가 금형헤드(120)에 결합될 때 실링돌기(124)가 실링홈(114) 내측에 탄력적으로 밀착되면서 결합되게 할 수 있다.
또는 도 7에 도시한 것과 같이, 분말유입방지부가 금형본체(110)의 일단부와 마주보는 금형헤드(120)의 일면의 가장자리 부분에 금형본체(110) 쪽으로 연장되게 형성되어 금형본체(110)의 일단부의 외측면을 덮으면서 밀착되는 실링플랜지(126)로 구성될 수 있다.
여기서 실링플랜지(126)는 단순한 일자형으로 이루어질 수도 있지만, 금형본체(110)의 외측면과의 밀착성을 더욱 크게 할 수 있도록 도 8에 도시한 것과 같이 실링플랜지(126)의 끝단을 둥근 'ㄷ'자 또는 'S'자 형태로 형성하여 금형본체(110)의 외측면에 탄력적으로 밀착되게 할 수 있다.
이 때, 고온의 소결 성형 과정에서 실링플랜지(126)가 팽창하여 벌어지는 현상을 방지하기 위하여 실링플랜지(126)에 반경방향으로 탄성력을 가하는 원형링 형태의 가압스프링(127)을 설치할 수 있다. 가압스프링(127)은 내열성의 금속 재질로 되어 실링플랜지(126)에 반경방향으로 탄성력을 가하여 실링플랜지(126)를 탄력적으로 지지함으로써 실링플랜지(126)가 외측으로 벌어지거나 변형되는 현상을 방지하고, 이로써 실링플랜지(126)가 금형본체(110)의 외측면에 견고하게 밀착된 상태를 유지하게 하는 작용을 한다.
그리고 실링플랜지(126)를 이용하여 분말유입방지부를 구성할 때, 실링플랜지(126)와 금형본체(110)의 외측면 간의 공극 발생을 완전히 방지하여 금속 분말의 침투를 방지하기 위하여, 금형본체(110)의 열팽창계수가 금형헤드(120)의 열팽창계수보다 큰 금속 재질로 된 것을 사용하여, 약 700℃의 초고온 하에서 금속 분말을 소결할 때 금형본체(110)가 금형헤드(120)보다 더 크게 팽창하면서 금형본체(110)의 외면과 실링플랜지(126) 간의 틈새를 제거할 수 있다.
이러한 본 발명의 금속소결필터(3)를 제조하기 위한 금형(100)은 금속 분말을 원통형으로 성형하는 금형본체(110)와 성형기의 금형 이송장치에 고정되는 금형헤드(120)가 개별체로 되어 금형본체(110)를 금형헤드(120)에 결합 및 분리시켜 사용할 수 있으므로, 금형본체(110)를 교체하고자 할 때 금형본체(110)를 금형헤드(120)에서 간단히 분리한 후 외면에 코팅재를 코팅하거나, 새것으로 교체하여 결합할 수 있으므로 교체 작업 및 유지 관리가 용이한 이점이 있다.
또한 금형본체(110)의 외면만 코팅 처리를 하면 되므로 코팅 처리에 소요되는 비용도 대폭 절감할 수 있는 이점도 있다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
1 : 필터링 모듈 2 : 하우징
3 : 금속소결필터 100 : 금형
110 : 금형본체 112 : 암나사홈
114 : 실링홈 115 : 수나사부
120 : 금형헤드 121 : 결합편
122 : 수나사부 124 : 실링돌기
125 : 암나사플랜지 126 : 실링플랜지
127 : 가압스프링

Claims (9)

  1. 일단이 폐쇄되고 다른 일단이 개방된 원통형으로 이루어지며 유체가 유동하는 유로 상에 설치되어 이물질을 걸러내는 다공성(porous)의 금속소결필터를 소결 성형하는 금형에 있어서,
    원형봉 형태로 되어 금속 분말이 투입되는 성형틀 내부로 삽입되게 설치되는 금형본체; 및,
    상기 금형본체와 개별체로 되어 금형본체의 일단부에 착탈 가능하게 결합되며, 성형기에 고정되게 결합되는 금형헤드;
    를 포함하는 금속소결필터 제조용 금형.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금형본체의 일단부와 금형헤드 사이에 서로 나선결합되는 암나사홈과 수나사부가 형성되어, 금형본체를 금형헤드에 대해 상대 회전시켜 암나사홈과 수나사부를 나선 결합시키거나 분리시킬 수 있는 금속소결필터 제조용 금형.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금형본체의 일단부와 상기 금형헤드의 경계 지점의 틈새로 금속 분말이 침투하는 것을 방지하는 분말유입방지부를 더 포함하는 금속소결필터 제조용 금형.
  4. 제3항에 있어서, 상기 분말유입방지부는, 상기 금형본체의 일단부의 주변부에 원주방향을 따라 형성되는 원형의 실링홈과, 상기 금형본체의 일단부와 마주보는 금형헤드의 일면의 주변부에 금형본체 쪽으로 돌출 형성되어 상기 실링홈 내측으로 삽입되는 원형 링 형태의 실링돌기를 포함하는 금속소결필터 제조용 금형.
  5. 제4항에 있어서, 상기 실링돌기는 끝단이 둥근 'ㄷ'자형태로 되어 금형본체가 금형헤드에 결합될 때 실링홈 내측에 탄력적으로 밀착되면서 결합되는 금속소결필터 제조용 금형.
  6. 제3항에 있어서, 상기 분말유입방지부는, 상기 금형본체의 일단부와 마주보는 금형헤드의 일면의 가장자리 부분에 금형본체 쪽으로 연장되게 형성되어 상기 금형본체의 일단부의 외측면을 덮으면서 밀착되는 실링플랜지를 포함하는 금속소결필터 제조용 금형.
  7. 제6항에 있어서, 상기 실링플랜지는 끝단이 둥근 'ㄷ'자 또는 'S'자 형태로 되어 금형본체의 외측면에 탄력적으로 밀착되는 금속소결필터 제조용 금형.
  8. 제7항에 있어서, 상기 실링플랜지에 설치되어 실링플랜지에 반경방향으로 탄성력을 가하는 원형링 형태의 가압스프링을 더 포함하는 금속소결필터 제조용 금형.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금형본체는 열팽창계수가 금형헤드보다 큰 금속 재질로 이루어져, 금속 분말의 소결 과정에서 금형본체가 금형헤드보다 더 크게 팽창하면서 금형본체의 외면과 실링플랜지 간의 틈새가 제거되는 금속소결필터 제조용 금형.
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