KR100599029B1 - 간이 세라믹형을 이용한 통기성 금형 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 간이 세라믹형을 이용한 통기성 금형 및 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 쾌속 금형기술로 제작된 간이 세라믹형에 주석{Sn}이 함유된 청동분말을 성형하여 이형과정을 거치지 않고 분말과 함께 성형으로 소결함으로써 금형 내부에 무수히 많은 기공을 내포하여 내부 공기와 가스를 원활히 배출함과 동시에 양질의 제품을 보다 빠르고 저렴하게 제작하고자 한 간이 세라믹형을 이용한 통기성 신발 금형 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 마스터 모델을 제작하고 완성된 마스터 모델을 통하여 세라믹 슬러리 제작 공정, 실리콘 고무형 제작 공정, 세라믹형 제작 공정, 경화 및 건조 공정, 탈지 및 소결 공정을 거쳐 제작된 간이 세라믹형을 이용하여 제작되는 통기성 금형에 있어서, 파우더의 외곽 형상을 잡아주는 가이드 제작 공정; 상기의 간이 세라믹형에 분말을 삽입 후 중력 충진법에 의한 파우더 성형 공정; 상기의 파우더 성형된 성형체의 소결 공정; 간이 세라믹형을 소결체에서 제거하는 이형 공정;를 포함하여 구성되는 것을 특징하는 간이 세라믹형을 이용한 통기성 금형 및 그 제조방법이 제공된다.

Description

간이 세라믹형을 이용한 통기성 금형 및 제조방법{porous mould and manufacturing method used ceramic}

도 1은 치수 마스터 시편 형상 단면도

도 2는 기공사진

본 발명은 간이 세라믹형을 이용한 통기성 금형 및 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 쾌속 금형기술로 제작된 간이 세라믹형에 주석{Sn}이 함유된 청동분말을 성형하여 이형과정을 거치지않고 분말과 함께 성형으로 소결함으로써 금형 내부에 무수히 많은 기공을 내포하여 내부 공기와 가스를 원활히 배출함과 동시에 양질의 제품을 보다 빠르고 저렴하게 제작하고자 한 간이 세라믹형을 이용한 통기성 신발 금형 및 그 제조방법에 관한 것이다.

금형은 철이나 그 밖의 금속을 이용하여 주형을 만들고 조각된 내부 공간에 플라스틱 또는 다른 금속을 녹여 삽입하여 성형체를 얻게 되는데, 제작된 하나의 금형으로 다수의 성형체를 대량 생산함으로써 제품 생산 효율을 높이고 생산 단가를 낮출 수 있는 큰 잇점이 있다. 그래서, 금형의 개발 및 설계, 제작하는데 장기간의 기간이 소요되고 고가의 비용이 필요하다.

그리고, 최근에는 금형으로 생산된 제품에 고도의 정밀성이 요구되고 제품 라이프 싸이클이 짧음으로 인하여 금형 제작이 더욱 까다롭고 금형 제작기간을 단축시켜야 하는 어려운 문제에 봉착해 있다.

특히, 고무제품을 가압 성형하거나 플라스틱 제품을 사출 성형할 때는 금형내에 잔존하는 공기나 유해한 가스가 배출되어야 하는데, 이러한 내부의 가스를 적절히 배출시키지 못하면 제품 표면에 기포 흔적을 남기게 되어 제품의 질을 떨어뜨리게 된다. 이와 같은 금형 제작상의 어려운 문제를 해결하기 위해 금형에 와이어 컷팅{Wire cutting}이나 슈퍼 드릴{Super drill}을 사용하여 통기구멍을 뚫어주거나 플러그 형식의 에어 벤트{Air Vent}를 금형에 끼우는 방법이 사용되고 있다.

그러나, 상기의 방법은 에어 벤트의 구멍이 너무 크거나 플러그 형식의 벤트가 사용될 경우 제품 표면에 벤트 흔적이 남아 제품의 질이 떨어지고, 또한 금형 자체에 벤트를 뚫거나 플러그 형식의 에어 벤트를 끼우게 되면 별도의 작업이 필요하여 제작 공정이 추가될 뿐만 아니라 제품 단가가 상승되는 문제점이 있다.

이를 개선한 방법이 금형 전체에 걸쳐 미세한 기공을 연속되게 형성하여 이 기공을 통하여 금형 내에 잔존하는 유해 가스나 공기를 배출시키게 된다. 일예로 진공 성형법을 들 수가 있는데, 이 진공 성형법은 열가소성 수지 시트를 가열 연화시킨 후, 이것을 통기성을 가지는 표면에 흡입 작용시킨 금형상에 덮고 금형 표면과 열가소성 수지 시트 사이의 공기를 흡입하여 시트를 금형 표면에 흡착시켜 성형하는 것이다.

그런데, 종래의 이런 방법은 금형을 소성하는 과정에서 크랙이 발생하여 금형을 못쓰게 되거나, 팽창으로 인하여 정밀한 치수를 조절하지 못하는 단점이 있었다.

그리고, 통기성 금형을 제작하기위해 절삭가공된 금형에 분말야금으로 가압(加壓)성형한 압분체를 소결(燒結)하여 금형을 얻게 되는데, 이때 금형에 분말야금을 가압하기 위해 사용되는 프레스 장비가 매우 고가이므로 장비를 구비하는 것이 매우 부담스러웠다.

본 발명은 목적은, 상기한 바와 같은 종래의 문제점들을 해소하고자 하는 것으로, 쾌속 조형 기술로 간이 세라믹 형을 제작하고, 간이 세라믹형 주석{Sn}이 함유된 청동분말을 성형하여 통기성 금형을 제작함으로써, 압형을 대체하고 중력충진법으로 가압 필요성을 없애 고가의 프레스 설비를 구비해야 하는 비용부담을 줄이고, 금형에 크랙이나 금형 표면의 반점이 발생하지 않으며 크기와 정밀도가 높은 간이 세라믹형을 이용한 통기성 신발 금형 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

마스터 모델을 제작하고 완성된 마스터 모델을 통하여 세라믹 슬러리 제작공정, 실리콘 고무형 제작 공정, 세라믹형 제작 공정, 경화 및 건조 공정, 탈지 및 소결 공정을 거쳐 제작된 간이 세라믹형을 이용하여 제작되는 통기성 금형에 있어서, 파우더의 외곽 형상을 잡아주는 가이드 제작 공정; 상기의 간이 세라믹형에 분 말을 삽입 후 중력 충진법에 의한 파우더 성형 공정; 상기의 파우더 성형된 성형체의 소결 공정; 간이 세라믹형을 소결체에서 제거하는 이형 공정;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

쾌속으로 제작된 간이 세라믹형을 이용하여 분말 성형한 후, 이형과정을 거치지 않고 세라믹형과 함께 분말을 소결하여 신속하게 통기성 금형이 제작되는데, 통기성 금형을 제작하기 위해서는 먼저 간이 세라믹형이 제작되어야 한다.

간이 세라믹형을 제작하기 위해서는 마스터 모델이 필요한데, 기계적 절삭 가공에 의한 방법 또는 쾌속 조형장치{Rapid prototyping Machine}인 광조형장치{SLA, Stereolithography Apparatus} 등으로 마스터 모델을 제작하게 된다.

이렇게 하여 완성된 마스터 모델로 간이 세라믹형을 제작하게 되는데 슬러리 캐스팅{Slurry casting}을 이용하게 되는데, 그 과정을 살펴보면,

첫째, 입경(粒徑)이 46㎛와 4.5㎛의 알루미나{aluminum oxide, Al₂O₃} 분말을 혼합하고, 여기에 분말의 유동성을 위해 수용성 바인더(binder) 수용액을 첨가하여 슬러리를 제조한다.

둘째, 마스터 모델로 실리콘 고무형을 제작하게 된다.

주재(예, Dowcorning사의 E-RTV 실리콘 고무)와 경화재(예, 폴리아미드)를 10:1의 비율로 잘 섞은 후 진공주형기에 넣고 1차 탈포 과정을 거치고 탈포 과정이 끝나면 재료를 마스터 모델이 놓여진 형틀에 부은 후 2차 탈포 과정을 거친다. 탈포 과정이 모두 끝나면 오븐에 보관하여 경화시켜 형틀과 마스터 모델을 제거하여 실리콘 고무형을 제작하게 된다.

셋째, 세라믹형 제작 공정이다.

제작된 실리콘 고무형에 먼저 준비했던 슬러리를 채워 성형을 한다. 슬러리를 주입할 때 기포를 완전히 제거하지 못하면 내부 혹은 표면에 기포가 남아 세라믹형에 결함이 남게 되므로 가벼운 진동으로 기포을 완전히 제거한다.

넷째, 경화 및 건조 공정이다.

실리콘 고무형에 주입된 슬러리를 이형시키기 위해 경화과정을 거치게 되는데, 경화 온도는 실리콘 고무형의 경화 온도와 일치해야 한다. 그 이유는 이 온도에서 실리콘 고무형의 치수가 마스터 모델의 치수와 일치하기 때문이다. 슬러리가 충분히 경화되면, 실리콘 고무형에서 분리하여 100℃온도에 맞춰진 진공 건조로에서 건조시킨다. 경화 과정에서 완전히 제거되지 못한 수분을 진공 건조를 통해 내부 수분을 완전히 건조시킨다.

다섯째, 탈지 및 소성 공정이다.

탈지 공정은 슬러리에 분말을 분산시키기위해 사용된 바인더를 제거하는 공정으로, 탈지 공정의 종류에는 크게 열에 의한 바인더의 제거와 용매에 의한 제거 방법이 있는데, 본 제작 공정에서는 열에 의한 바인더를 제거한다. 열에 의한 탈지과정은 시간이 많이 소요되고 특히, 급격히 온도를 상승기키게 되면 성형체의 표면에 변형이나 균열이 발생하게 되므로 12시간이상 충분한 시간을 두고 천천히 온도를 상승시켜야 한다.

탈지 공정이 끝나면 성형체를 소결하게 되는데, 고강도의 간이 세라믹형을 얻는 목적이 아니고 분말 성형을 위한 간이형의 제작이 목적이고 분리가 용이하도록 해야 하기 때문에 상기 탈지 공정과 연속하여 거의 유사한 온도에서 소결하여 분말 성형할 수 있는 강도를 갖도록 한다.

상기의 과정을 거쳐 간이 세라믹형이 제작되면, 다음은 통기성 금형을 제작한다.

먼저, 제작된 간이 세라믹형을 준비한다.

둘째, 가이더{Guider}는 성형시 파우더의 외곽 형상을 잡아주기 위한 것으로, 시편 제작시 가이더를 매번 제작해야 하는 부담이 생기므로 열전도도가 좋고 소결성이 뛰어나며 단단하고 반복 작업이 가능한 가이더를 선택해야 하는데, 여기서는 절삭가공한 카본{Carbon} 가이드를 선택하였다.

셋째, 파우더{Power} 성형 공정에서는, 주석{Sn}이 10% 함유된 청동분말을 상기 가이더에 붓고, 가이더에 담겨진 파우더 상단에 미리 제작된 간이 세라믹형을 가압하게 된다. 여기서는 최대한 많은 기공을 내포하는 통기성 금형을 제작해야 하기 때문에 중력 충진법을 적용하였고, 간이 세라믹형이 분말에 삽입된 후 분말이 패턴의 세밀한 곳까지 전사되도록 가벼운 진동을 가하였다.

넷째, 소결 공정을 거치는데, 10^-4Torr의 진공 상태에서 온도 상승 속도는 20℃/min이고, 소결 온도와 시간은 850℃에서 40분이며, 냉각 속도는 12℃/min로 소결하였다.

다섯째, 이형 공정으로, 소결이 끝나면 가이더에서 소결체와 간이 세라믹을 분리시킨 후 고압 세척기로 간이 세라믹형을 소결체에서 제거해 낸다.

이와 같이 제작된 통기성 금형은 Rapid Tooling 기술을 이용하여 제작한 간이 세라믹형의 이용으로 압형을 대체하고 중력 충진법으로 가압 필요성을 없앰으로써, 고가의 프레스 사용이 필요 없어지고, 압형 제작 부담이 없어짐으로써 저렴한 가격으로 금형을 보다 빠르게 재작할 수 있게 되고, 고무 제질 제품을 가압 성형 하거나 플라스틱 제품을 사출 성형할 때, 금형 내부에 잔존하는 공기나 유해 가스의 배출을 위해 금형 자체에 에어 벤트 뚫거나 소결 등의 방법으로 제작된 플러그 형식의 에어 벤트를 금형에 끼울 필요가 없게 되고, 금형 제작 공정을 줄임으로써 금형 제작이 간편하고 제품 표면에 에어 벤트 흔적이 남는 것을 제거함과 동시에 금형 제작 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 제품의 질을 더욱 향상시킬 수 있다.

상기와 같이 제작된 통기성 금형은 금형 내부가 다공질로 제작되어 내부 공기를 외부로 효과적으로 배출시키고, 특히 양질의 제품을 생산하기 위해 기계적 강도, 치수 정밀도, 전사성 등이 뛰어나야 되는데, 그 실험 데이터를 설명하면 다음과 같다.

[실시예1]

통기성 금형에서는 통기도가 중요한데, 금형의 통기성이 좋을수록 내부 공기나 유해 가스의 배출이 용이하여 제품 표면에 결함을 남기지 않는다. 통기도를 측정하기 위해 통기도 시험기에 두께가 5mm이고 지름이 20mm인 시편을 시험기의 진공흡입구에 위치시키고 경계부분을 실링(sealing)한 다음, 진공 펌프로 1,000cc의 내부 공기를 시편을 통과시켜 진공 게이지 값이 -760mmHg까지 떨어지는데 소요되는 시간을 측정한 것이다.

통기도를 구한 식은 다음과 같다.

상기의 표1에 나타난 통기도를 살펴보면, 소결온도와 소결시간이 증가할수록 통기도는 감소함을 알 수 있다. 이것은 소결온도가 높아지고 소결 시간이 증가할수록 소결목{Sinter neck}이 커지면서 기공의 크기가 작아지는 반면에, 내부 밀도는 증가함으로써 공기의 흐름을 방해한 결과로 볼 수 있으므로 소결조건(온도_시간)850℃_40분에서 통기도가 우수함을 알 수 있다.

[실시예2]

소결체는 그 표면 및 내부에 기공이 있으므로 암입법에 의해 보통 금속에서의 경도와 재질의 관념에서 다소 다른 의미을 가지고 있다. 따라서 소결 금속은 기공이 포함되어 있어 동일 조건의 일반 금속보다 경도가 낮고, 측정치에 변화가 많다.

강도를 측정하기 위해 강구의 직경이 1/16in, 하중은 100kg인 시편을 준비하여 Rockwell 경도계로 각 시편에 대해 5회 측정 후 최소값과 최대값을 제외한 나머지 측정값의 평균값을 취하여 표2, 3에 나타내었다.

표2, 3을 살펴보면, 소결온도와 소결시간이 증가할수록 경도값이 커짐을 알 수 있고, 소결이 진행될수록 내부 밀도가 증가하여 통기도는 감소하나 경도는 증가됨을 알 수 있는데 통기도가 좋으면서 적당한 경도를 가진 값을 선택하였다.

[실시예3]

수축력을 측정하기 위해 도1의 단면도와 같이 형상 직경 60mm, 80mm, 높이 20mm의 원기둥의 소결된 치수 시편을 준비하였다. 측정기는 Probe Type의 3차원 측정기를 이용하여 측정하였다.

상기 표 4에 의한 측정치는 표 5와 같이 직경은 3회 측정하여 평균값을 구하여 비교하였고, 높이의 경우는 각각 4회 측정하여 평균값을 구한 값이다. 소결결과 전체에 수축이 균일하게 일어나지 않고 아랫부분과 윗부분의 수축률이 다르게 발생하고 소결온도와 소결시간이 증가할수록 수축률이 같이 증가함으로 통기도가 좋으면서 수축변화가 적은 값을 선택하였다.

[실시예4]

도 2에 의해 SEM 측정 사진을 살펴보면 800℃에서의 기공의 크기는 대략 20㎛정도 되고, 850℃에서는 약 10㎛, 그리고 900℃에서는 약 5㎛정도로 온도가 증가함에 따라 기공의 크기가 작아져 통기성과 경도를 고려하여 850℃의 온도을 선택하였다.

이와 같이 본 발명의 통기성 금형은 Rapid Tooling 기술을 이용하여 간이 세라믹형을 제작함으로써 가압 필요성을 없애 고가의 프레스 장비 구입 부담이 없고, 보다 빠르게 통기성 금형을 제작할 수 있으며, 금형 자체의 기공을 통해 금형 내부에 잔존하는 공기나 가스가 배출되므로 금형 제작이 쉽고, 금형 제작 공정이 줄어들며 제품의 질을 향상시킬 수 있는 등의 다양한 효과가 있다.

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 간이 세라믹형을 제작하고, 이를 이용하여 통기성 금형을 제조하는 방법으로서,

   ⒜ 마스터 모델로 실리콘 고무형을 제작하는 단계;

   ⒝ 상기 실리콘 고무형에 액상의 세라믹 슬러리를 주입하여 세라믹형을 제작하는 단계;

   ⒞ 상기 세라믹 슬러리를 경화 및 건조시키는 단계;

   ⒟ 상기 세라믹 슬러리에 함유된 바인더를 탈지시키고, 상기 세라믹형을 소결시키는 단계;

   를 거쳐 간이 세라믹형을 제작하고,

   ⒠ 상기 간이 세라믹형에 파우더(powder)를 삽입한 후, 진동을 가하여 파우더를 성형하는 단계;

   ⒡ 상기 파우더 성형체를 소결하고, 상기 간이 세라믹형을 소결체에서 제거하는 단계;

   를 거쳐서 제작하는 간이 세라믹형을 이용한 통기성 금형의 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 파우더는 청동 분말에 주석이 10% 함유된 것을 특징으로 하는 간이 세라믹형을 이용한 통기성 금형의 제조방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 소결 단계는 10^-4Torr의 진공상태에서 20℃/min의 온도 상승속도로 850℃에서 40분 동안 진행하는 것을 특징으로 하는 간이 세라믹형을 이용한 통기성 금형의 제조방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 소결 단계는 냉각시 12℃/min의 냉각속도로 진행하는 것을 특징으로 하는 간이 세라믹형을 이용한 통기성 금형의 제조방법.
9. 제5항에 기재된 통기성 금형의 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 간이 세라믹형을 이용한 통기성 금형.

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