2.분말사출성형(PIM)

■ 분말사출성형이란?

 

1.개요

분말사출성형은 플라스틱 사출성형기법과 분말야금기법이 혼합된 기법이다.

플라스틱보다 더 강한 재료인 금속,세라믹 분말을 사출하기위해 바인더와 혼합하여 사출성형으로 제품을 생산한

후에 바인더 제거와 소결 공정을 거쳐 제품을 생산한다.

금속분말사출성형은 MIM(Metal powder Injection Molding),

세라믹분말사출성형은 CIM(Ceramic powder Injection Molding) 으로 불려지지만 공통적으로 분말을 사용한다는 점으로 PIM(Powder Injection Molding)으로 명칭한다.

 

 

 

 

---

 

 

 

 

2.분말사출성형의 공정

1)분말과 바인더 혼련

 

2)혼합체를 균일한 장입재료로 제작

 

3)사출금형으로 성형품 사출

 

4)성형품에서 바인더 제거

 

5)소결에 의한 성형체 조밀화

 

6)소결 후 추가 열처리 또는 밀도를 높이는 후속 가공진행

 

 

1)분말과 바인더의 혼합

 

분말은 소결시 밀도를 증가시키기 위해서 직경이 작은 분말을 사용하며 통상 직경 20㎛이하이다.

바인더는 분말을 원하는 모양으로 균일하게 충전시키고 사출 성형된 제품의 모양을 유지하도록 하는 매개물이며 최종제품에는 바인더가 존재하지 않아야해 제거해야한다.

바인더는 보통 열가소성 바인더이며 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 메틸레룰로이즈 등의 바인더가

사용되고 있고 각 바인더의 제거방법과 공정은 각 국가의 특허로 지정되어 있다.

금속 분말 대 바인더 비율은 부피 기준으로 60:40 이다.

 

2)혼합체를 균일한 장입재료로 제작

 

혼합물을 특수 혼합 장비에 넣고 가열하여 바인더를 녹이고 금속 분말 입가가 바인더와 혼합된다.

사출기에 의해 사출된 혼합물을 작은 알갱이 형태인 Feedstock으로 만든다.

 

 

3)  사출금형으로 성형품 사출

 

사출 성형은 플라스틱 사출 성형이 이루어지는 방법과 장비 및 기법이 동일하다.

펠릿 처리된 공금 원료는 사출 성형 기계에 주입되어 가열되고 고압으로 금형의 캐비티에 주입된다.

성형된 부품은 식힌 후 금형에서 배출되며 사출공정이 반복된다.

금형내 파우더를 운반하기 위해 바인더만 녹이기 때문에 전체 공정이 약 200도에서 진행되며

분말사출의 경우 소결공정을 진행하면 약 20%정도 수축하기 때문에 금형에서 제품의 형상은

수축량을 보상하기 위해 더 크게 제작한다.

(수축에 대한 변화량은 각 재료들마다 정해져있다.)

 

 

4)  성형품의 바인더 제거(탈지)

 

제품을 성형한 후 불필요한 바인더를 소결전에 제거한다. 금속분말은 600도 정도에서 고화하지만, 그 이하의 온도에서는 금속가루만으로는 형상을 유지하는 것이 곤란하다. 이 때문에, 보통 탈지조건의 300~500도 정도에서는, 형상유지를 위해 약간의 바인더는 남겨놓는다.

현재 대부분의 탈지방법은 가열을 통해 바인더를 분해하는 방법이나 급격한 온도변화로 팽창이나 균열 등의 결함이 발생하기 때문에 수십 시간의 탈지시간이 필요하다.

탈지시간을 단축 하기위해 용매탈지(노말헥산), 열분해탈지, 촉매탈지 등의 총6개의 단계가 있다.

1차 적으로는 용매에 넣어 바인더의 일부를 분해시키고 이후 열분해를 이용해 생성된 기공으로 2차

탈지를 진행한다. 2차 탈지를 진행하면서 마지막으로 가압을 하면서 남아있는 바인더를 탈지시킨다.

탈지 과정에서의 용매의 선택이나 승온온도 설정 및 시간, 가압 압력 등은 제품의 상태와 조건에

따라 다르며 최종 제품의 치수정밀도에 큰 영향을 미친다.

 

 

5)소결에 의한 성형체 조밀화

 

소결정공은 탈지과정을 거친 제품의 빈 공간을 가압하여 채우는 공정이다.

높은 고밀도화를 위해서 높은 온도에서 소결을 진행하며 소결진행시 약 20%의 큰 소결수축이 일어나므로

제품자체의 균일한 소결 치밀화와 배치, 소결조건 설정이 매우 중요하다.

소결시 높은 온도에서 탄소의 석출이 일어날 수 있기때문에 탄소함량을 낮은 금속분말을 사용하거나 탄소함량이 높은 합금강에서는 분위기 가스에 의한 소결로 탈탄을 최소화 해야한다.

예로 STS316L 원료의 분말을 사용하는 경우 분위기 소결로에서 승온온도(1250~1360도)로 설정하여 진행하며 이때 고밀도화가 알맞게 진행되는 것을 확인할 수 있다.

 

6)소결 후 추가 열처리 또는 후가공

 

고온의 소결 수축 과정에서 오는 휨, 변형등을 최종 제품치수와 동일하게 제작된 금형에 넣고 치수 정밀도를

높이는 공정인 사이징 작업을 진행한다.

사이징 작업을 거친 후에는 제품이 요구하는 품질에 따라서 다양한 후가공을 진행하는데

침탄처리, 질화처리, 도금, 열처리, 기계가공 등이 있다.

---

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.공정별 사진

출처 : Human Oriented, Technical Oriented, Customer Oriented, Page15