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마이크로 분말소재의 형상 가공 및 성형 6. 형상가공 : binder aided forming process

7. 분말 성형: powder forming process

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마이크로 분말소재의 성형 • 분말재료를 설계된 부품의 형태로 만들기 위한 공정 • 입자상호간 결합을 유도하여 기계적 강도 부여. • Rearrangement and deformation of the particles •소결 시 성형체의 수축율을 고려하여 성형밀도 제어 필요

마이크로 분말소재의 성형 의 종류

• 비(무)가압 성형법 : 자연소결법, Slip 주조법

• 냉간 압축성형법 : Die 성형법, 진동성형법, 연속성형법, 분말압연법, 등압성형법

폭발성형법, 사출성형법

• 열간 압축성형법 :고온 압축법, 열간 압출법, 열간 등압성형법, 열간 사출법

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목표분말 부품에 적합한 가공기술을 확인하기 위한 의사결정도

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6. Binder aided forming process

• binder의 역할 : 소결이 진행될 때 까지 분말을 원하는 형상으로 충진하고 유지시킴

• binder는 최종조성에는 포함되지 않으나 공정에 중요한 역할.

• 완벽한 binder는 없으며, 첨가제가 포함된 다성분계 혼합물로 공정에 따라 선별

• tape cast, slurry cast, extrusion, injection molding, die forming(다이성형) 등의 공정

공정별 분말 및 첨가제와 기공 분율에 대한 비교

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형상가공공정 : powder –binder 혼합물을 가압하여 금형을 통해 유동을 일으키는 것

• 형상의 변형 속도는 혼합물의 점도(η : Pa·sec) 에 의해 결정

• 점도는 powder의 양이 많을수록 증가

• 점도에 대한 간접 측정법 :

액상유동지수(melt flow index), 혼합시 발생하는 회전 토크 측정법, 모세관 압출측정법

• 순수바인더의 점도(ηB)에 대한 혼합체의 점도(ηM) 의 상대 비율

• 임계분말함량(φC)에 대한 실제 분말 함량(φ)의 함수로 나타낸 그림 (임계분말함량(φC): 유동이 어려운 혼합물의 점도를 갖는 분말함량) • 점도는 유동저항에 대한 척도이며, 혼합체의 점도는 분말함량에 의존한다.

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형상가공기술(binder aided forming process)의 분류

• 바인더를 첨가한 압출(extrusion) : 긴 구조물, 작은 분말, 일정한 단면적, 간단형상

• 사출성형(injection molding) : 복잡형상, 작은 부품, 고성능부품

• 슬러리 캐스팅(slurry casting) : 복잡형상, 두껍고 큰 부품

• 슬립캐스팅(slip casting) : 매우 큰 구조, 일정한 두께, 낮은 정밀도

• 테이프 캐스팅(tape casting): 평평한 팜, 간단한 형상, 작은 분말

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Powder Injection Molding(사출성형, PIM)

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• Originally developed for plastic forming. • Applied to PM to produce complex shaped products • Mass production • Mixture(metal/ceramic powder+polymer)는 높은 압력의 정수압 상태의 공정⇒밀도의 균일화 • Net shape forming • Binder: 열가소성 wax, polymer, oil+계면활성제

Powder Injection Molding(사출성형, PIM)

• PIM 사용 분말: Carbonyl, Oxide reduced and gas atomized powder with near spherical shape. 0.5~1.5mm내외 • Typical binder: 70% paraffin wax, 30% polypropylene + lubricant, wetting agents →150oC 내외에서 용해 • Mixing ratio: 분말 충진 특성에 따라 부피 분율의 40%까지.. • 공정 요구 사항: Attain high packing density of particles in the binder system while maintaining a low mixture viscosity → High pressure and low viscosity

12 몰드 주입시간은 냉각과정보다 공정 상 비중이 작다

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Mixing

Conventional process P I M

W Skeleton

Cu-infiltration

Machining

Powder-binder

mixture

Injection molding

Debinding

&

Sintering

Machining

of

Kovar

Brazing

Nano powder

(W-Cu)

Micron

powder

PIM에 의한 복합 소재(W-Cu)의 제조비교

(탈지)

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• 15MPa, less than 20sec.

• mold filling in a sec

• PIM초기단계에서 금형 내부 공간은 screw 위치

전진에 따라 채워지면서 유압증가유발 .

• 금형이 채워지면 screw는 고정위치에서 금형내의

feed stock을 가압 하에서 유지되도록 한다.

A sketch of the flow path in injection molding, showing

the location of the nozzle, sprue, runner, and gate for a

two- cavity tool set.

(탕구) (탕도)

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Alumina PIM부품의 금형주입과정

1단계 탈지(debinding)후 분말 접촉 부분 :

잔류바인더는 소결 전 분말위치고정,

then burn out during sintering

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As PIMed After sintering and drilling

Look at the size difference, except some drilling/finishing

• Molding technology • PIM 에서는 최종 형상보다 크게 제작

• 몰드 재료는 경도,내구성, 절삭 성능 및 연삭 성능이 우수해야 함

예) SUS 420, SUS 440C, H13 steel, M2 steel 등

• 몰드의 수명 : 300,000개 이상의 사출

• 몰드설계시 제품의 수축인자의 정밀 적용

• 생산성을 높이기 위하여는 적절한

die cavity 의 양 고려(~ 40pieces)

• 냉각공정의 비중이 큼.

PIMed trigger guard: (Fe-Ni / polymer–wax binder)

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• 금형 디자인

PIM 공정에서의 결함(blemishes) 의 예 :

a)분말-바인더의 분리,

b) gate mark,

c) 분리선(parting line),

d) ejection pin mark

CAD technology는 몰딩 시스템을 구현하는데 시간과 결함을 크게 줄인다

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• 금형 CAD simulation

사출성형 단계에서 전단응력과 혼합물 주입상태 전산모사

zirconia scissors

alumina plug parts

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너무 큰 구조물에서는 PIM의 효율성 ↓ -몰딩 금형 시스템 비용 과다

-설비, 장비의 규모가 크고 비싸다

-몰딩, 탈지, 소결시 열 전달이 느려 사출성형주기가 길다

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PIM 제품 응용 례

orthodontic bracket

휴대폰용 진동자

시계부품

pipe fitting

티타늄 putter

스텐레스 putter

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Bushing Side Key

Carrying Strap

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터보차져용 임펠러 시제품

광통신용 Laser Module

Heat Sink의 사출성형체 및

소결체

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SENSOR for AIR BAG (17-4PH)

TRIGGER for AIR BAG (17-4PH)

VENT CAP (STS304L)

SM-122 (SKD11)

SM-128 (SKD11)

• Automotive

• Hair clipper

FIRING PIN TRIGGER BAR MAGAZINE CATCH

SEAR BLANK EXTRACTOR

• Gun & Pistol

(7Ni-Fe, heat treated)

적용제품별 분류

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PINION GEAR (2%Ni-Fe)

• Computer

• Textile

• Industrial machine

MAG. PLATE (3%Si-Fe)

ULTRA MAG. PLATE 1 (3%Si-Fe)

ULTRA MAG. PLATE 2 (2%Ni-Fe)

LATCH HOUSING (2%Ni-Fe)

YARN GUIDE BKT (STS316L)

SPAN GUIDE (2%Ni-Fe, H)

TAPE GUIDE HOOK (17-4PH)

GUIDE PIECE (2%Ni-Fe)

YARN CARRIER (2%Ni-Fe, H)

CAM STACK (17-4PH)

ROLLER ARM (STS316L)

SOLENOID ARM (STS316L)

REGULATING PLATE (7%Ni-Fe, H)

GEAR PLATE (7%Ni-Fe, H)

SADDLE (2%Ni-Fe)

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압출

The extrusion process forces a slurry of powder and binder through a constriction to shape

a continuous product such as a rod, tube, or honeycomb.

• 응용 : Capacitor, 마이크로 전자부품 받침대(substrates), 다공성 튜브(중심부에 코어를 넣어 압출), 용접봉, 자동차용 배기 촉매 담체( automobile catalytic converter substrates)

메틸 셀루로우스-물 혼합바인더를 사용하여

복잡구조의 다이를 통해 압출 성형한 honeycomb구조

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Slurry techniques : other binder assisted process

(Slip casting, tape casting, extrusion)

1) Slip casting

Powder + solvent + binder system (binder + dispersant(분산제) + Lubricant + defoamer(소포제) )

→ pouring

→ porous mold adsorbed solvent

→ drying and debinding

→ sintering

특징 • Large component

• Pored structure

• Inexpensive

• Slow process

• Large shrinkage

• Low sintered density

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2) Tape Casting (Dr. blade process)

Tape casted powder sheet before sintering:

Look at the flexibility !!!

기타 slurry processes

• 동결건조법 : - 몰딩 후 성형체를 냉각 동결,

- 수분제거,

- 적절한 압력과 온도조절을 통한 승화 ⇒후속공정에서의 균열 제거

• 전기영동 전착법 (Electro Phoretic Display) : -분말 부피가 10%범위인 현탁액을 이용하는 성형방법

-전해질 내에 분산된 입자들은 전하를 띄게 되는데 전기장을 가하여 분말들을 주어진 형상으로 충진

-다이 성형이 어려운 복잡형상, 작은 크기, flexible,

-구배를 갖는 (FGM)부품 제조에 적합