금속 사출 성형 - MIM 제조 기술

금속 사출 성형(MIM)은 분말 금속을 원료로 하여 금속 부품을 제조하는 공정입니다. 분말 야금이라는 기술을 사용합니다. 이 공정은 플라스틱 사출 성형 절차의 유연성과 금속의 무결성 및 강도를 통합하여 복잡한 형상의 부품을 생산합니다. 이 공정은 주로 100g 미만의 소형 부품에 적합하며, 대량 생산과 소량 생산이 모두 가능합니다.

항공우주, 자동차, 의료기기 분야 등 높은 수준의 정밀도와 품질이 요구되는 분야에서 사용됩니다.

프로세스 흐름 개요

금속 사출 성형의 생산 절차는 금속을 다루기 때문에 (PIM) 플라스틱 사출 성형과 매우 유사하지만 약간 더 복잡합니다. 작은 금속 입자와 플라스틱 바인더(중합된 금속 공급원료)의 혼합물을 고압으로 금형에 주입합니다. 냉각 후 굳은 다음 금형에서 꺼내어 필요한 경우 다듬습니다.

하지만 아직 끝나지 않았습니다! 생산된 것은 "녹색 부분"이라고 불리는 것으로, 디본딩을 거쳐야 합니다. 다음 공정에서는 플라스틱 바인더가 제거되어 "갈색 부분"이라고 하는 깨지기 쉬운 다공성 금속 조각이 남게 됩니다.

이 절차에는 공급 원료 준비(컴파운딩), 사출 성형, 디바인딩 및 소결 등의 여러 단계가 포함됩니다. 각 단계는 최적의 모양, 재료 특성 및 치수를 가진 부품을 생산하는 데 매우 중요합니다.

1. 컴파운딩

공급 원료 준비라고도 하는 이 단계는 MIM 공정의 첫 번째 단계입니다. 이 단계에서는 4~25µ 크기의 금속 분말과 왁스 바인더 또는 열가소성 플라스틱을 60:40의 비율로 부피 대비 혼합합니다. 혼합물은 시그마 블레이드 믹서와 같은 특수 혼합 장비에서 가열 및 용융되어 입자가 전체적으로 고르게 분포됩니다. 이러한 분포는 사출 성형 공정과 최종 부품의 밀도에 영향을 미치는 재료 점도를 보장하는 데 필수적입니다. 그 후 덩어리는 냉각되고 과립화되어 MIM 기계의 공급 원료로 사용됩니다.

금속 분말은 최종 부품의 구조적 특성을 결정합니다. 이 바인더는 사출 성형 중 흐름을 원활하게 하고 디바인딩 및 소결 공정에도 영향을 미칩니다. 공급 원료의 일관성은 사출 성형 단계에서 균일한 재료 흐름을 보장하여 전체적으로 일관된 특성을 가진 부품을 만드는 데 필수적입니다.

2. 사출 성형

이 공정은 플라스틱 사출 성형 공정과 유사합니다. 준비된 공급 원료를 금형 캐비티에 주입하여 원하는 부품을 생산할 때 발생합니다. 펠릿화된 공급 원료는 먼저 특정 온도에서 가열된 후 고압으로 금형 캐비티에 주입됩니다.

배럴 내부에 있는 스크류가 회전하면서 공급 원료를 앞으로 밀어내고 그 압력에 의해 노즐이 캐비티 안으로 들어가게 됩니다. 일단 채워지면 바인더가 냉각되고 고형화되어 압축 공기 또는 이젝터 핀에 의해 고체에서 배출될 때 부품의 모양이 유지됩니다.

나오는 부품이 '녹색 부품'이며 공정은 계속 진행됩니다. 금형에는 고품질 제품을 보장하기 위해 금형 챔버를 일관되게 채울 수 있도록 적절한 게이트와 통풍구 위치가 통합되어야 합니다.

소결 중에 발생하는 수축을 보정하기 위해 캐비티를 20%로 더 크게 만들었으며 이 수축 변화는 각 재료에 따라 다릅니다.

3. 디바인딩

디바인딩은 "녹색 부분"에서 바인더를 배출하고 "갈색 부분"으로 알려진 다공성 금속 부분을 남기는 과정입니다. 이 과정은 여러 단계로 진행되며, 대부분의 바인더는 제거되어 소결로에 부품을 고정할 수 있는 정도만 남게 됩니다.

바인더 제거는 세 가지 범주를 통해 이루어집니다;

Ⅰ. 용매 디바인딩

이 절차에서는 녹색 부분을 액체 용매에 담가 바인더를 용해하고 추출합니다. 바인더 재료에 따라 사용할 용매의 종류가 결정됩니다. 예를 들어 바인더가 수용성인 경우 수용성 용매가 사용됩니다. 그렇지 않은 경우 유기 용제를 사용하는 것이 좋습니다. 부품은 몇 시간에서 며칠 동안 용제 안에 담가둘 수 있습니다.

Ⅱ. 열 디바인딩/열분해

는 가장 쉬운 디바인딩 방법 중 하나입니다. 사출 성형된 부품은 금속 분말의 소결 온도보다 낮은 온도에서 가열됩니다. 바인더는 분해된 후 증발하여 다공성 금속 조각을 남깁니다. 이 경우 제어해야 하는 몇 가지 중요한 파라미터는 가열 속도, 체류 시간 및 피크 온도입니다. 이를 통해 바인더가 완전히 제거되고 결함 및 왜곡을 줄일 수 있습니다.

Ⅲ. 촉매 결합

이 과정은 매우 효과적이지만 다소 복잡합니다. 녹색 부품을 옥살산 또는 농축 질산과 같은 산성 증기에 노출시키는 과정이 포함됩니다. 이 시나리오에서 산성 증기는 촉매 역할을 하여 부품의 내부 구조에서 바인더가 분해되도록 합니다. 이 공정은 통제된 환경에서 진행되며, 산을 사용하기 때문에 금속의 호환성 테스트가 매우 중요합니다.

경우에 따라 부품 변형을 최소화하기 위해 열 결합과 솔벤트 결합을 결합하는 2단계 디바인딩 프로세스가 사용됩니다.

디바인딩 공정 후 남은 "갈색 부분"은 연결된 금속 분말 입자로 만들어진 깨지기 쉬운 다공성 구조입니다. 이 시점에서 부품은 원하는 기계적 특성을 입자에 부여하고 통합하는 최종 소결 공정을 위한 준비가 완료됩니다.

4. 소결

소결 공정은 갈색 금속을 금속 분말의 녹는점보다 낮은 온도에 노출시키는 과정입니다. 디바인드 부품을 고온의 대기 제어 소결로에 넣고 세라믹 세터 위에 놓습니다. 바인더가 용융점에 가까워지면 바인더가 액화되어 증발합니다. 그런 다음 금속 부품을 고온으로 가열하면 입자 사이의 빈 공간이 제거되어 융합됩니다. 부품이 수축하여 원하는 치수의 고밀도 고체로 변합니다. 소결 단계에서 부품의 수축률은 최대 20%까지 가능합니다. 그러나 이는 설계 및 금형 생산 단계에서 고려됩니다.

금속 사출 성형용 재료

MIM에 적합한 금속 재료는 매우 일반적입니다. 이론적으로 고온에서 주조할 수 있는 모든 분말 재료는 기존 제조 공정에서 가공하기 어려운 재료와 융점이 높은 재료를 포함하여 MIM 공정을 통해 부품으로 성형할 수 있습니다. MIM으로 가공할 수 있는 금속에는 저합금강, 스테인리스강, 공구강 등이 있습니다, 니켈 기반 합금, 텅스텐 합금, 경질 합금, 티타늄 합금, 자성 재료, 코바 합금, 정밀 세라믹 등 다양한 소재를 사용할 수 있습니다. 또한 MIM은 사용자의 성능 요구 사항에 따라 재료 배합을 맞춤화할 수도 있습니다.

알루미늄 및 구리와 같은 비철 합금의 MIM 성형은 기술적으로 가능하지만 일반적으로 다이캐스팅이나 기계 가공과 같은 다른 비용 효율적인 방법으로 가공합니다. 재료의 예로는 SUS316L, SUS420J2, SUS440C, SUS630, SNCM415, SKD11, SKH51, Ti 합금 등이 있습니다.

금속 사출 성형(MIM)과 기존 사출 성형(TIM)의 차이점

전통적인 사출 성형(TIM)과 금속 사출 성형(MIM)은 모두 고정밀의 복잡한 부품을 생산하는 데 사용되는 제조 공정입니다. 하지만 재료, 사용되는 장비, 생산 공정에서 상당한 차이가 있습니다.

MIM과 TIM 비교 표

다른 금속 제조 공정과 비교한 MIM의 차이점 및 장점

각 제조 공정에는 장점과 한계가 있는 특정 적용 분야가 있습니다. MIM은 다른 제조 공정의 다양성 및 비용 절감 효과와 금속의 내구성 및 견고성을 결합합니다. MIM이 최적의 제조 경로인지에 대한 인사이트를 제공하기 위해 주요 장점과 다른 제조 공정과의 차이점을 살펴봅니다.

1. 복잡한 지오메트리: 기존 금속 가공으로는 불가능한 복잡한 모양과 재료 특성을 가진 부품이 필요한 애플리케이션.
2. 비용 효율성: MIM은 다른 금속 성형 방식에 비해 수작업의 필요성을 줄여주는 고도로 자동화된 공정입니다. 과잉 재료가 거의 발생하지 않아 폐기물의 양이 줄어듭니다. 또한 정밀도가 높아 2차 작업의 필요성도 줄어듭니다.
3. 일관된 품질: 고도로 자동화되고 반복되는 공정을 통해 생산되는 부품의 유사성을 보장합니다. 이 공정은 통제된 환경에서 수행되므로 결함 및 오염 물질이 최소화됩니다.
4. 재료 선택: 강철, 티타늄, 일부 합금 등 다양한 소재를 선택할 수 있어 유연성과 특정 용도에 대한 적합성을 보장합니다. 이 속성은 종종 주조와 같은 공정보다 뛰어난 성능을 발휘합니다.
5. 밀도 및 강도: 생산된 금속 사출 성형 부품은 경도, 강도 등 기계적 특성이 높아 극한의 마모와 높은 응력 조건을 견뎌야 하는 부품에 적합합니다.

MIM과 다른 제조 공정의 비교

금속 부품 생산에 사용되는 다른 제조 공정으로는 전통적인 분말 야금, 단조, 3D 프린팅 및 LQMT(액체 금속 기술)가 있습니다. 다음 표는 MIM과 나열된 제조 공정 간의 다양한 생산 측면을 비교한 것입니다.

제품 기능 및 외관 디자인에서 소재 특성의 역할

재료 선택은 금속 사출 성형 공정에서 제품의 외관, 디자인, 성능 및 기능에 직접적인 영향을 미칠 수 있는 중요한 요소입니다. 소재 선택이 디자인에 미치는 영향에 대한 전망은 다음과 같습니다.

1. 기계적 특성 및 기능

강철과 티타늄과 같은 소재는 함께 사용하면 강도와 내식성 특성이 있습니다. 이러한 소재는 기계적 내구성이 필요한 부품에 적합합니다. 이러한 재료를 사용하도록 설계된 부품은 더 두꺼운 벽 형상을 통합하거나 더 낮은 강도의 재료로 보강할 수 있습니다.

2. 수축 및 치수 정확도

MIM의 수축률은 소결 과정에서 15%에서 20% 사이입니다. 그러나 이는 재료의 특성과 거동에 따라 달라집니다. 설계자는 더 나은 정확도를 위해 비례적으로 확장하여 금형 치수에서 이러한 수축을 고려해야 합니다.

3. 내식성.

열악한 환경에 노출되는 부품에는 스테인리스 스틸(316L) 또는 티타늄과 같은 부식 방지 소재가 필요합니다. 디자이너는 보호 코팅의 필요성을 최소화하고 형상을 보존하기 위해 이러한 소재를 사용합니다.

4. 열 속성

구리 합금은 열전도율이 높은 특성을 가지고 있어 열에 민감한 애플리케이션에 사용할 수 있습니다. 디자이너는 이러한 소재에 열 방출에 더 효과적인 통풍구 및 핀과 같은 기능을 배치할 수 있습니다.

5. 미적 및 표면 마감

스테인리스 스틸과 같은 소재는 마감 특성이 뛰어납니다. 코팅, 도금 및 연마가 더 쉽습니다. 가전제품과 같은 제품은 매끄러운 표면과 고급스러운 외관이 필요하기 때문에 이러한 소재를 사용합니다.

MIM 기반 제품 설계 최적화 전략 및 MIM을 위한 금기 사항

복잡한 형상 단순화

MIM은 때때로 달성하기 어렵거나 까다로운 복잡한 형상을 구현할 수 있습니다. 이로 인해 결함의 위험과 비용이 증가합니다. 위험을 최소화하기 위해 설계자는 얇은 피처, 반경 또는 필렛과 같은 전략을 사용하여 날카로운 모서리를 줄임으로써 이를 최적화할 수 있습니다. 또한 여러 구성 요소를 하나로 통합하여 조립이 필요하지 않도록 할 수 있습니다.

벽 두께 최적화

균일한 두께로 부품을 설계하면 재료 흐름이 개선되고 뒤틀림, 균열, 공극 및 싱크 자국을 방지할 수 있습니다. 코어링과 같은 방법을 사용하면 재료와 가공 시간을 줄일 수 있습니다.

초안 각도 통합

금형 캐비티에서 부품을 배출하려면 드래프트 또는 약간의 테이퍼가 필요합니다. 구배 각도가 필요한 경우, 수직 벽에 0.5°~2°의 각도가 있으면 원활한 사출을 위해 충분합니다.

기능적 특징 통합

MIM 최적화를 기능적 특징과 통합하여 성능을 향상하고 조립을 줄일 수 있습니다. 이러한 기능에는 스냅 핏, 셀프 조인 요소 또는 정렬 탭이 포함될 수 있습니다. 구조적 요소 및 미적 하이라이트와 같은 다기능을 위한 디자인.

언더컷 및 복잡한 금형 작업 방지

언더컷은 내부 또는 외부에 있을 수 있으며 부품 기능에 필요합니다. 그러나 위치와 유형에 따라 툴링 비용이 증가하고 주기가 길어집니다. 언더컷을 간단한 형상으로 재설계하고 측면 작업을 사용하는 것이 좋습니다.

MIM을 사용한 케이스 제품의 전체 프로세스 설계 분해

케이스 제품의 설계 프로세스는 개념화부터 최종 조립/분해까지 여러 단계로 진행됩니다. 분해는 제품 수리, 유지보수 및 재활용을 고려할 때 매우 중요합니다. 다음은 금속 사출 성형으로 케이스 제품을 디자인할 때 고려해야 할 사항과 분해 프로세스에 대한 분석입니다.

컨셉 개발: 이는 소비자 제품의 장식 기능이나 항공우주 부품의 경량 인클로저 등 디자인을 위한 케이스 제품의 기능적 요구 사항을 파악하는 초기 설계 분석입니다.

재료 선택: 제품에 사용된 소재는 조립과 분해의 용이성을 보장하는 데 매우 중요합니다. 잦은 분해가 필요한 케이스 제품을 설계할 때는 균열이나 성능 저하 없이 견딜 수 있는 내구성이 뛰어난 소재를 사용해야 합니다.

분해를 위한 모듈식 설계: 제품을 모듈식 구성 요소로 분해하여 생산과 분해를 간소화한 것입니다. 자동 위치 지정 핀, 도브테일 슬롯, 나사 연결과 같은 기능이 MIM 부품에 직접 통합되어 있습니다.

몰드 디자인: 금형을 설계할 때는 케이스의 형상, 벽 두께, 기능적 요구 사항과 같은 측면을 고려해야 합니다. 게이트와 통풍구는 재료가 쉽게 흐르고 보이드 및 용접선과 같은 결함을 최소화할 수 있도록 전략적으로 배치해야 합니다.

프로토타이핑: 실제 샘플은 디자인의 실행 가능성을 검증할 수 있습니다. 3D 프린팅은 최종 제품이 규정된 목표를 충족하는지 확인하기 위해 실제 제품 전에 테스트할 프로토타입을 제작합니다.

MIM 애플리케이션

금속 사출 성형(MIM)은 수많은 응용 분야에서 성공적인 것으로 입증되었습니다. MIM이 채택된 주요 산업 분야는 다음과 같습니다:

1. 자동차 애플리케이션: 변속기 시스템용 경량, 고강도 성능 기어를 제조합니다.
2. 의료 기기 구성 요소: 최소 침습 장치를 위한 작고 복잡한 수술 장비의 제조. 사용되는 재료는 생체 적합성, 부식 또는 멸균 저항성과 같은 특성을 가져야 합니다.
3. 항공우주 부품: 자동차 업계에서는 무게를 줄이고 연비를 극대화하기 위해 고강도 경량 소재를 요구합니다. 엔진 연료 이젝터 노즐은 최적의 연료 혼합을 위해 복잡한 형상을 가지고 있으며 이는 엔진 효율성에 매우 중요합니다.
4. 소비자 가전: MIM은 복잡하고 정밀한 제품을 생산할 수 있는 능력 덕분에 이 업계에서는 거부할 수 없는 기술입니다. 스마트워치, 컴퓨터 하드웨어, 스마트폰과 같은 기기의 주요 제품을 만드는 데 사용됩니다.